TWI538369B - 具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器，特別是指一種利用一三繞組變壓器使該一次側繞組之一第一磁化電感與一第一漏電感，及該二次側繞組之一第二磁化電感與一第二漏電感係分別儲存與釋放能量，以達到具有漏感能量回收之功能之直流-直流返馳式轉換器。
首先，請參閱第十三圖所示。係為一種傳統型直流-直流返馳式轉換器(A)，包含有一輸入端(A1)、一切換開關(A2)、一變壓器(A3)、一二極體(A4)、一輸出電容(A5)及一負載(A6)。其中，該輸入端(A1)之一端係電性連接該變壓器(A3)之一一次側繞組之一端。該輸入端(A1)之另一端係電性連接該切換開關(A2)之一端。該變壓器(A3)之一一次側繞組之另一端係電性連接該切換開關(A2)之另一端。而該變壓器(A3)之一二次側繞組之一端係電性連接該二極體(A4)之陽極端。該二極體(A4)之陰極端係電性連接該輸出電容(A5)之一端及該負載(A6)之一端。該二次側繞組之另一端係電性連接該輸出電容(A5)之另一端及該負載(A6)之另一端。前述傳統型直流-直流返馳式轉換器(A)雖然具有架構簡單、單切換開關、成本低的優點，但因儲存於該變壓器(A3)
之漏電感的能量無法回收，故會造成其轉換效率低及切換開關電壓應力變大之缺點。
而，為了改善上述傳統型直流-直流返馳式轉換器(A)所具有之缺點，進而研發有一種雙開關直流-直流返馳式轉換器(B)，如第十四圖所示。及一種主動箝位直流-直流返馳式轉換器(C)，如第十五圖所示。其中，該雙開關直流-直流返馳式轉換器(B)包含有一輸入端(B1)、一第一二極體(B2)、一第二二極體(B3)、一第一切換開關(B4)、一第二切換開關(B5)、一變壓器(B6)、一輸出二極體(B7)、一輸出電容(B8)及一負載(B9)。其中，該輸入端(B1)之一端係電性連接該第一二極體(B2)之陰極端及該第一切換開關(B4)之一端。該第一切換開關(B4)之另一端係電性連接該變壓器(B6)之一一次側繞組之一端與該第二二極體(B3)之陰極端。而該變壓器(B6)之一次側繞組之另一端係電性連接該第一二極體(B2)之陽極端與該第二切換開關(B5)之一端。該第二切換開關(B5)之另一端係電性連接該第二二極體(B3)之陽極端與該輸入端(B1)之另一端。而該變壓器(B6)之一二次側繞組之一端係電性連接該輸出二極體(B7)之陽極端。該輸出二極體(B7)之陰極端係電性連接該輸出電容(B8)之一端與該負載(B9)之一端。該變壓器(B6)之二次側繞組之另一端係電性連接該輸出電容(B8)之另一端與該負載(B9)之另一端。
而該主動箝位直流-直流返馳式轉換器(C)係包含有一輸入端(C1)、一第一電容(C2)、一第一切換開關(C3)、一第二切換開關(C4)、一變壓器(C5)、一輸出二極體(C6)、一輸出電容(C7)及一
負載(C8)。其中，該輸入端(C1)之一端係電性連接該第一電容(C2)之一端與該變壓器(C5)之一一次側繞組之一端。而該第一電容(C2)之另一端係電性連接該第二切換開關(C4)之一端。該第二切換開關(C4)之另一端係電性連接該一次側繞組之另一端與該第一切換開關(C3)之一端。該第一切換開關(C3)之另一端係電性連接該輸入端(C1)之另一端。該變壓器(C5)之一二次側繞組之一端係電性連接該輸出二極體(C6)之陽極端。該輸出二極體(C6)之陰極端係電性連接該輸出電容(C7)之一端及該負載(C8)之一端。該二次側繞組之另一端係電性連接該輸出電容(C7)之另一端及該負載(C8)之另一端。而但上述雙開關直流-直流返馳式轉換器(B)與該主動箝位直流-直流返馳式轉換器(C)因皆使用兩個切換開關，因此有成本高之缺點。
爰此，為了改善習知傳統型直流-直流返馳式轉換器因儲存於該變壓器之漏電感的能量無法回收，而會造成其轉換效率低及切換開關電壓應力變大之缺點。以及，為了改善習知雙開關直流-直流返馳式轉換器與主動箝位直流-直流返馳式轉換器皆使用兩個切換開關，而有成本高之缺點。故，本發明提供一種具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器，包括有：一輸入單元，係輸入一直流電；一具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路，該具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路之一側係電性連接所述輸入單元，其中，所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路包含有一第一電容、一第二電容、一第一二極體、一切換開關、一三繞組變壓器；其中，該第一電容一端係電性連接該三繞組變壓器之一一次側繞組
之一端與前述輸入單元之一端，該第一電容之另一端係電性連接該第一二極體之陰極端與該三繞組變壓器之一二次側繞組之一端，該三繞組變壓器之二次側繞組之另一端係電性連接該第二電容之一端與該切換開關之一端，該第二電容之另一端係電性連接該第一二極體之陽極端與該三繞組變壓器之一次側繞組之另一端，該切換開關之另一端係電性連接前述輸入單元之另一端；一輸出單元，所述輸出單元係電性連接所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路之另一側，包含有一輸出二極體、一輸出電容及一負載，其中，前述三繞組變壓器之一三次側繞組之一端係電性連接該輸出二極體之陽極端，該輸出二極體之陰極端係電性連接該輸出電容之一端與該負載之一端，該三繞組變壓器之三次側繞組之另一端係電性連接該輸出電容之另一端與該負載之另一端；藉由所述輸入單元輸入直流電至所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路，當該切換開關導通時，該一次側繞組之一第一磁化電感與一第一漏電感，及該二次側繞組之一第二磁化電感與一第二漏電感係儲存能量；而當該切換開關截止時，該一次側繞組之第一磁化電感與該二次側繞組之第二磁化電感將儲存之能量分別傳送至該輸出電容與該負載，而該一次側繞組之第一漏電感與該二次側繞組之第二漏電感將儲存之能量分別傳送至該第一電容與該第二電容。
其中，所述輸出單元之電壓與所述輸入單元之電壓之比值為nD/(1-2D)，其中，n=三次側繞組匝數/一次側繞組匝數=三次側繞組匝數/二次側繞組匝數，D為責任週期，該具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器之責任週期D係小於0.5。
其中，所述三繞組變壓器之一次側繞組與該二次側繞組之匝數相同。
本發明具有下列之優點：
1.本發明之具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路係包含有一三繞組變壓器，利用磁化電感與漏電感儲能及釋能，以達到具有漏感能量回收之功能，並可有效提升轉換效率。
2.本發明之具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路其架構簡單，且僅需使用一個切換開關。因此，具有成本低之功效。
3.本發明之具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路係包含有一三繞組變壓器。因此，係具有電氣隔離之功效。
4.本發明揭示之電路中，係可箝位該切換開關之電壓，因此能有效降低切換開關之電壓應力。
(1)‧‧‧具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器
(11)‧‧‧輸入單元
(111)‧‧‧輸入端
(12)‧‧‧具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路
(120)‧‧‧第一電容
(121)‧‧‧第二電容
(122)‧‧‧第一二極體
(123)‧‧‧切換開關
(124)‧‧‧三繞組變壓器
(1241)‧‧‧一次側繞組
(124A)‧‧‧第一磁化電感
(124B)‧‧‧第一漏電感
(1242)‧‧‧二次側繞組
(124C)‧‧‧第二磁化電感
(124D)‧‧‧第二漏電感
(1243)‧‧‧三次側繞組
(13)‧‧‧輸出端
(131)‧‧‧輸出二極體
(132)‧‧‧輸出電容
(133)‧‧‧負載
(A)‧‧‧傳統型直流-直流返馳式轉換器
(A1)‧‧‧輸入端
(A2)‧‧‧切換開關
(A3)‧‧‧變壓器
(A4)‧‧‧二極體
(A5)‧‧‧輸出電容
(A6)‧‧‧負載
(B)‧‧‧雙開關直流-直流返馳式轉換器
(B1)‧‧‧輸入端
(B2)‧‧‧第一二極體
(B3)‧‧‧第二二極體
(B4)‧‧‧第一切換開關
(B5)‧‧‧第二切換開關
(B6)‧‧‧變壓器
(B7)‧‧‧輸出二極體
(B8)‧‧‧輸出電容
(B9)‧‧‧負載
(C)‧‧‧主動箝位直流-直流返馳式轉換器
(C1)‧‧‧輸入端
(C2)‧‧‧第一電容
(C3)‧‧‧第一切換開關
(C4)‧‧‧第二切換開關
(C5)‧‧‧變壓器
(C6)‧‧‧輸出二極體
(C7)‧‧‧輸出電容
(C8)‧‧‧負載
[第一圖]係為本發明之電路圖。
[第二圖]係為本發明之等效電路圖。
[第三圖]係為本發明直流-直流返馳式轉換器於單一切換週期之波形圖。
[第四圖]係為本發明直流-直流返馳式轉換器操作於模式一之電流路徑圖。
[第五圖]係為本發明直流-直流返馳式轉換器操作於模式二之電流路徑圖。
[第六圖]係為本發明直流-直流返馳式轉換器操作於模式三之電流路徑圖。
[第七圖]係為本發明直流-直流返馳式轉換器操作於模式四之電流路徑圖。
[第八圖]係為本發明操作在輸入電壓48V、輸出電壓12V、滿載輸出功率100W之第一電容的電壓與輸出電壓之模擬波形圖。
[第九圖]係為本發明操作在輸入電壓48V、輸出電壓12V、滿載輸出功率100W之第一漏電感的電流與第一電容的電流之模擬波形圖。
[第十圖]係為本發明操作在輸入電壓48V、輸出電壓12V、滿載輸出功率100W之切換開關的電壓與電流之模擬波形圖。
[第十一圖]係為本發明操作在輸入電壓48V、輸出電壓12V、滿載輸出功率100W之第一二極體的跨壓與電流之模擬波形圖。
[第十二圖]係為本發明操作在輸入電壓48V、輸出電壓12V、滿載輸出功率100W之輸出二極體的跨壓與電流之模擬波形圖。
[第十三圖]係為習知傳統直流-直流返馳式轉換器之電路圖。
[第十四圖]係為習知雙開關直流-直流返馳式轉換器之電路圖。
[第十五圖]係為習知主動箝位直流-直流返馳式轉換器之電路圖。
本發明係為一種具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器。其主要技術特徵、目的及功效將可於下述實施例清楚呈現。
首先，請參閱第一圖所示，係為本發明之電路圖，所述具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器(1)係包含有：
一輸入單元(11)，所述輸入單元(11)係包含有一輸入端(111)，該輸入端(111)係用以輸入一直流電。
一具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路(12)，所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路(12)之一側係電性連接前述輸入單元(11)。其中，所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路(12)係包含有一第一電容(120)、一第二電容(121)、一第一二極體(122)、一切換開關
(123)及一三繞組變壓器(124)。其中，在本實施例中，該第一電容(120)一端係電性連接該三繞組變壓器(124)之一一次側繞組(1241)之一端與前述輸入單元(11)之一端。該第一電容(120)之另一端係電性連接該第一二極體(122)之陰極端與該三繞組變壓器(124)之一二次側繞組(1242)之一端。該三繞組變壓器(124)之二次側繞組(1242)之另一端係電性連接該第二電容(121)之一端與該切換開關(123)之一端。該第二電容(121)之另一端係電性連接該第一二極體(122)之陽極端與該三繞組變壓器(124)之一次側繞組(1241)之另一端。該切換開關(123)之另一端係電性連接前述輸入單元(11)之另一端。
一輸出單元(13)，所述輸出單元(13)係電性連接所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路(12)之另一側。所述輸出單元(13)係包含有一輸出二極體(131)、一輸出電容(132)及一負載(133)。其中，前述三繞組變壓器(124)之一三次側繞組(1243)之一端係電性連接該輸出二極體(131)之陽極端。該輸出二極體(131)之陰極端係電性連接該輸出電容(132)之一端與該負載(133)之一端。該三繞組變壓器(124)之三次側繞組(1243)之另一端係電性連接該輸出電容(132)之另一端與該負載(133)之另一端。
再者，請參閱第二圖所示。係為本發明具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器(1)之等效電路圖。其中，有一第一磁化電感(124A)與該一次側繞組(1241)並聯。而有一第一漏電感(124B)之一端係電性連接該一次側繞組(1241)。而該第一漏電感(124B)之另一端
係電性連接該第一二極體(122)之陽極端與該第二電容(121)之一端。有一第二磁化電感(124C)與該二次側繞組(1242)並聯。而有一第二漏電感(124D)之一端係電性連接該二次側繞組(1242)。而該第二漏電感(124D)之另一端係電性連接該第一二極體(122)之陰極端與該第一電容(120)之一端。
再者，請參閱第三圖所示。係為本發明於單一切換週期之主要波形圖。且，本發明係採用脈波寬度調變技術，並控制該切換開關(123)[如第二圖所示]之導通與截止。
再者，操作時，請參閱第三圖至第七圖所示。其中，本發明利用該脈波寬度調變技術控制該切換開關(123)之導通與截止，並分為下列四種模式：
模式1：其操作區間為[t0,t1]。當所述切換開關(123)導通時，其電流路徑如第四圖之箭頭指向所示。儲存於該第一磁化電感(124A)及第二磁化電感(124C)的能量係釋放至輸出電容(132)及負載(133)。而該輸入端(111)、第一電容(120)及第二磁化電感(124C)係串聯並釋放能量給該第二漏電感(124D)。同樣地，該輸入端(111)、第二電容(121)及第一磁化電感(124A)係串聯並釋放能量給該第一漏電感(124B)。因此，流經該第一磁化電感(124A)的電流及流經該第二磁化電感(124C)的電流係呈線性下降。而流經該第一漏電感(124B)的電流及流經該第二漏電感(124D)的電流係呈線性上升。且，在t=t1時，該第一磁化電感(124A)的電流及該第二磁化電感(1
24C)的電流係分別等於該第一漏電感(124B)的電流及流經該第二漏電感(124D)的電流。
模式2：其操作區間為[t1,t2]。當所述切換開關(123)持續導通時，其電流路徑如第五圖之箭頭指向所示。該輸入端(111)與該第一電容(120)係串聯並釋放能量給該第二磁化電感(124C)及該第二漏電感(124D)。同樣地，該輸入端(111)與該第二電容(121)係串聯並釋放能量給該第一磁化電感(124A)及該第一漏電感(124B)。該輸出電容(132)則釋放其能量給該負載(133)。因此，該第一磁化電感(124A)的電流、該第二磁化電感(124C)的電流，以及該第一漏電感(124B)的電流、該第二漏電感(124D)的電流係呈線性上升。且，在t=t2時，該切換開關(123)係為截止。
模式3：其操作區間為[t2,t3]。當所述切換開關(123)截止時，其電流路徑如第六圖之箭頭指向所示。該第二磁化電感(124C)及該第二漏電感(124D)係串聯並釋放能量給該第二電容(121)。同樣地，該第一磁化電感(124A)及該第一漏電感(124B)係串聯並釋放能量給該第一電容(120)。因此，該第一漏電感(124B)及第二漏電感(124D)的能量可分別回收至該第一電容(120)及該第二電容(121)。同時，儲存於該第一磁化電感(124A)、第二磁化電感(124C)及該輸出電容(132)的能量亦釋放給該負載(133)。因此，該第一磁化電感(124A)的電流、該第二磁化電感(124C)的電流及該第一漏電感(124B)的電流、該第二漏電感(124D)的電流係呈線性下降。且，在t=t3時，該第一漏電感(124B)的電流、該第二漏電感(124D)的
電流係為0。也就是說，該第一漏電感(124B)及該第二漏電感(124D)的能量已回收完畢。
模式4：其操作區間為[t3,t4]。當所述切換開關(123)持續為截止時，其電流路徑如第七圖之箭頭指向所示。儲存於該第一磁化電感(124A)及該第二磁化電感(124C)的能量係釋放給該輸出電容(132)及該負載(133)。因此，該第一磁化電感(124A)的電流及該第二磁化電感(124C)的電流係呈線性下降。且，本發明之操作模式4結束在下一個切換週期開始，即該切換開關(123)係導通。
進一步要說明的是，忽略該第一漏電感(124B)與該第二漏電感(124D)對電路之影響。本發明之具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器(1)之電壓增益為nD/(1-2D)。其中，該三繞組變壓器(124)之匝數比n=N3/N1=N3/N2。即該三次側繞組(1243)之匝數/一次側繞組(1241)之匝數=該三次側繞組(1242)之匝數/二次側繞組(1242)之匝數，且D為責任週期。在本實施例中，D必須小於0.5。而功率切換元件之電壓應力為：VS1=VD1=Vin+2Vo/n，VDo=nVin+2Vo。
再者，請參閱第八圖所示。係為本發明操作在輸入電壓48V、輸出電壓12V、滿載輸出功率100W、三繞組變壓器之匝數比n=0.333之第一電容(120)[如第二圖所示]的電壓與輸出電壓之模擬波形圖。其波形圖之刻度數值為：Vc1，Vo：10V/div，時間：10ms/div。並由圖式可知，該第一電容(120)[如第二圖所示]上之跨壓Vc1=Vo/n。
再者，請參閱第九圖所示。係為本發明操作在輸入電壓48V、輸出電壓12V、滿載輸出功率100W、三繞組變壓器之匝數比n=0.333之該第一漏電感
(124B)[如第二圖所示]之電流與流經該第一電容(120)[如第二圖所示]之電流之模擬波形圖。其波形圖之刻度數值為：iLK1，ic1：2.5A/div，時間：20μs/div。並由圖式可知，在該切換開關(123)係為截止時，即iLk1=ic1，表示該第一漏電感(124B)的能量回收至該第一電容(120)。
再者，請參閱第十圖所示。係為該切換開關(123)之電壓、電流之模擬波形圖。其波形圖之刻度數值為：Vs1：10V/div，is1：2A/div，時間：20μs/div。而該切換開關(123)之電壓係箝位在：VS1=Vin+2Vo/n=120V，與圖形稍為誤差之原因為該三繞組變壓器(124)[如第二圖所示]之第一漏電感(124B)[如第二圖所示]、第二漏電感(124D)[如第二圖所示]的影響。
再者，請參閱第十一圖所示。係為該第一二極體(122)[如第二圖所示]之電壓、電流之模擬波形圖。其波形圖之刻度數值為：VD1：20V/div，iD1：2A/div，時間：20μs/div。且其電壓應力為：VD1=Vin+2Vo/n=120V，與圖形稍為誤差之原因為該三繞組變壓器(124)[如第二圖所示]之第一漏電感(124B)[如第二圖所示]、第二漏電感(124D)[如第二圖所示]的影響。
再者，請參閱第十二圖所示。係為該輸出二極體(131)[如第二圖所示]之電壓、電流之模擬波形圖。其波形圖之刻度數值為：VDO：12.5V/div，iD1：2.5A/div，時間：20μs/div。且其電壓應力為：VDo=nVin+2Vo=40V。
進一步要說明的是，本發明之具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器(1)係具有架構簡單之優點。且，由電路圖可知，本發明僅使用一個切換開關(123)，因此成本較低。以及，該具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路(12)係具有一三繞組變壓器(124)，能使本發明之直流-直流返馳式轉換器具有漏感能量回收之功能，並可提升轉換效率。且，因該具三繞組
變壓器之直流-直流轉換電路(12)係使用該三繞組變壓器(124)，因此本發明具有電氣隔離之功能。且，本案具有可箝位該切換開關(123)之電壓，進而降低該切換開關(123)之電壓應力。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效。惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍。即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)‧‧‧具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器
(11)‧‧‧輸入單元
(111)‧‧‧輸入端
(12)‧‧‧具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路
(120)‧‧‧第一電容
(121)‧‧‧第二電容
(122)‧‧‧第一二極體
(123)‧‧‧切換開關
(124)‧‧‧三繞組變壓器
(1241)‧‧‧一次側繞組
(1243)‧‧‧三次側繞組
(13)‧‧‧輸出端
(131)‧‧‧輸出二極體
(132)‧‧‧輸出電容
(133)‧‧‧負載
Claims (3)
- 一種具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器，包含有：一輸入單元，係輸入一直流電；一具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路，該具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路之一側係電性連接所述輸入單元，其中，所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路包含有一第一電容、一第二電容、一第一二極體、一切換開關、一三繞組變壓器；其中，該第一電容一端係電性連接該三繞組變壓器之一一次側繞組之一端與前述輸入單元之一端，該第一電容之另一端係電性連接該第一二極體之陰極端與該三繞組變壓器之一二次側繞組之一端，該三繞組變壓器之二次側繞組之另一端係電性連接該第二電容之一端與該切換開關之一端，該第二電容之另一端係電性連接該第一二極體之陽極端與該三繞組變壓器之一次側繞組之另一端，該切換開關之另一端係電性連接前述輸入單元之另一端；一輸出單元，所述輸出單元係電性連接所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路之另一側，包含有一輸出二極體、一輸出電容及一負載，其中，前述三繞組變壓器之一三次側繞組之一端係電性連接該輸出二極體之陽極端，該輸出二極體之陰極端係電性連接該輸出電容之一端與該負載之一端，該三繞組變壓器之三次側繞組之另一端係電性連接該輸出電容之另一端與該負載之另一端；藉由所述輸入單元輸入直流電至所述具三繞組變壓器之直流-直流轉換電路，當該切換開關導通時，該一次側繞組之一第一磁化電感與一第一漏電感，及該二次側繞組之一第二磁化電感與一第二漏電感係儲存能量；而當該切換開關截止時，該一次側繞組之第一磁化電感與該二次側繞組之第二磁化電感將儲存之能 量分別傳送至該輸出電容與該負載，而該一次側繞組之第一漏電感與該二次側繞組之第二漏電感將儲存之能量分別傳送至該第一電容與該第二電容。
- 如申請專利範圍第1項所述之具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器，其中，所述輸出單元之電壓與所述輸入單元之電壓之比值為nD/(1-2D)，其中，n=三次側繞組匝數/一次側繞組匝數=三次側繞組匝數/二次側繞組匝數，D為責任週期。
- 如申請專利範圍第1項所述之具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器，其中，所述三繞組變壓器之一次側繞組與該二次側繞組之匝數相同。
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