TWI584565B - Low input and output current ripple down boost power converter - Google Patents

Description

低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器

本發明為一低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，此轉換器為國立清華大學潘晴財教授為了紀念其父親潘恭先生(Mr.Kung Pan)百年冥誕所命名。其揭示一種有效消除輸入端與輸出端之電流漣波且具有降壓與升壓功能之電源轉換器，此電源轉換器之輸入與輸出端電流皆為連續，因此可使能量達到全時傳送之目的，且在理想的條件情況下具有零輸入輸出電流漣波之特性。

許多再生能源結構，如太陽能光伏發電或燃料電池等，都需要以切換式直流/直流轉換器再經由降壓或升壓後來獲得所需之電壓值，而轉換器電流漣波大小之影響更是對整個系統的穩定性最為重要。切換式電源轉換器是藉由主動開關元件之切換動作做為基礎，因此在切換時就會存在著漣波，過大的電流漣波或是脈動式的電流都會造成輸出端的不穩定，進而影響整個系統的效率。

基本的切換式升降壓型直流電源轉換器，如Buck-Boost型轉換器，其電路特性為輸出電壓可小於或大於輸入電壓，即當責任週期小於0.5時，輸出電壓小於輸入電壓；當責任週期大於0.5時，輸出電壓大於輸入電壓，因此可應用於需升壓或降壓之場所，如再生能源之電源轉換。但其電路具有輸入電流為脈動式之缺點，會造成電磁干擾等相關問題。

uk型轉換器，由Buck-Boost型轉換器所衍生出來，其電路特性一樣具有降壓與升壓之功能且在輸入與輸出端各具有一個電感，因此輸入與輸出電流皆為連續，漣波問題會降低，但其輸出端電壓極性與輸入端極性相反。又如傳統Zeta型轉換器，其電路特性一樣具有降壓與升壓之功能且輸出端電壓極性與輸入端極性相同，但其輸入電流為脈動式，因此會造成電磁干擾等相關問題。

參閱第五圖傳統Zeta型電路架構示意圖，雖然傳統Zeta型轉換器其電路元件數量比Buck轉換器或Boost轉換器更多，但其電路特性具有可降壓與升壓之功能，可應用於需降壓與升壓之寬輸出電壓變動場所，可由六圖與第七圖為傳統Zeta型轉換器與本創作發明之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器量測波形比較圖，由圖可看出傳統Zeta型轉換器其輸入電流為脈動式。

因此，本創作發明之目的即針對改進上述既有方法缺點而提供一種低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，可用於消除切換式轉換器輸入與輸出端之電流漣波且具有降壓與升壓功能。

本創作發明為一種低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，其電路係由一個主動功率開關(S)、一個二極體(D)、三個電感(L _aux、L ₁、L ₂)、三個電容(C _aux 、C ₁、C _O )所組成，其中從電源之輸入正端依序串接電感L _aux 、主動功率開關(S)與電感L ₁，電感L ₁之負端連接電源之輸入負端組成之串聯電路。電感L _aux 之負端連接電容C _aux ，電感L ₂與電容C ₁，其中電容C ₁之負端連接到電感C ₁之正端，二極體D之正端與負端分別連接到電源之輸入負 端與電感L ₂之正端，電容C _O 與負載R之正端連接到電容C _aux 之負端，電容C _O 與負載R之負端連接到電源之輸入負端，此直流電源轉換器主要特點為有效消除輸入端與輸出之電流漣波且具有降壓與升壓之功能。

本創作發明之另一目的即是在於提供一種低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，此電路相較於傳統Zeta型轉換器，僅加入一電感L _aux 與一電容C _aux ，即可解決傳統Zeta型轉換器輸入電流為脈動式之缺點。

本創作發明之又一目的即是在於提供一種低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，此電源轉換器之輸入與輸出端電流皆為連續，因此可使能量達到全時傳送之目的，且在理想的條件與情況下具有零輸入電流漣波之特性。

本創作發明之再一目的即是在於提供一種低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，此直流電源轉換器之輸入電流漣波消除效果不受限於轉換器切換頻率之設定與開關責任週期大小，因此可以廣泛的應用。

1‧‧‧主動功率開關(S)

2‧‧‧二極體(D)

3‧‧‧第一電感(L _aux )

4‧‧‧第二電感(L ₁)

5‧‧‧第三電感(L ₂)

6‧‧‧第一電容(C _aux )

7‧‧‧第二電容(C ₁)

8‧‧‧第三電容(C _O )

9‧‧‧負載(R)

10‧‧‧橋式整流器

第一圖本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器之整體電路架構圖。

第二圖本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器應用於交流電源之電路圖。

第三圖本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器在工 作模式一之電路圖。

第四圖本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器在工作模式二之電路圖。

第五圖傳統Zeta轉換器之電路架構。

第六圖本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器和Zeta轉換器，責任週期為0.2及頻率50kHz量測波形比較圖。

第七圖本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器和Zeta轉換器，責任週期為0.5及頻率20kHz量測波形比較圖。

有關本創作發明之前述及其他技術內容、特性與功效，就以下配合參考圖式進行詳細說明，藉此呈現其具體功能，有關本技術之類似的元件是以相同的編號來表示，相關敘述請參酌下列說明內容。

參閱第一圖與第二圖所示，依序為本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器之整體電路架構圖。其電路係由一個主動功率開關S(1)、一個二極體D(2)、三個電感L _aux 、L ₁、L ₂(3、4、5)、三個電容C _aux 、C ₁、C _O (6、7、8)所組成，其中從電源之輸入正端依序串接第一電感L _aux (3)、主動功率開關S(1)與第二電感L ₁(4)，電感L ₁(4)之負端連接電源之輸入負端組成之串聯電路。電感L _aux (3)之負端連接電C _aux (6)，電感L ₂(5)與電容C ₁(7)，其中電容C ₁(7)之負端連接到電感L ₁(4)之正端，二極體D(2)之正端與負端分別連接到電源之輸入負端與電感L ₂(5)之正端，電容C _O (8)與負載R(9)之正端連接到電容C _aux (6)之負端，電容C _O (8)與負載R之負端連接到電源之輸入負端， 此直流電源轉換器主要特點為有效消除輸入與輸出端之電流漣波且具有降壓與升壓之功能。

參閱圖二所示，當輸入端電源為交流電源時，需由一橋式整流器(10)將交流電源整流成直流電源。

為說明本創作發明所提出低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器之工作原理，其電路元件均假設為理想。參閱第三圖，為本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器在工作模式一之電路圖。開關S導通，二極體D截止，此時輸入電壓V _in 對第一電感L _aux 進行儲能，同時間也對第二電感L ₁進行儲能動作，且經由第一電容C _aux 將能量傳送至負載R，第三電容C _O 在同時間也對負載R進行釋能，而第二電容C ₁與第一電容C _aux 則經由開關S對第三電感L ₂進行釋能。其中V _in 為輸入電壓；V _O 為輸出電壓；i _Laux 為第一電感L _aux 上之電流；i _L1為第二電感L ₁上之電流；i _L2為第三電感L ₂上之電流；v _Caux 為第一電容C _aux 上之電壓；v _C1為第二電容C ₁上之電壓；v _CO 為第三電容C _O 上之電壓；v _D 為二極體D上之電壓；v _s 為功率開關上之電壓，待該功率開關S截止時，進入工作模式二。參閱圖三，可列出狀態方程式如式(1)~(6)。

參閱第四圖，本創作發明之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器在工作模式二之電路圖。開關S截止，二極體D導通，輸入電壓V _in 經由第一電感L _aux 與第一電容C _aux 將能量傳送至負載R並同時對輔助電容C _aux 與輸出電容C _O 進行儲能，電感L ₂在同時間也將能量傳送至負載R。電感L ₁則經由二極體D對輔助電容C ₁進行釋能。參閱圖四，可列出狀態方程式如式(7)~(12)。在本模式結束時，即完成一個開關切換週期。

參閱第六圖與第七圖所示，係分別為本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器和傳統Zeta型轉換器之實作波形比較圖。本創作發明之接線方式參閱第一圖所示，而傳統Zeta型轉換器之接線方法參閱第五圖所示。本創作發明與傳統Zeta型轉換器均以直流電壓輸入為100V，輸出功率為180W為例，電路各元件之參數分別為：功率開關S使用IRFP460A、橋式整流器使用KBU2506、二極體D使用DSEP15-06A、第一電感L _aux 之電感值為0.96mH、電感L ₁之電感值為1.92mH、電感L ₂之電感值為1.34mH、電容 C _aux 之電容值為10μF、電容C ₁之電容值為10μF、電容C _O 之電容值為10μF。

參閱第六圖所示，為本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器與傳統Zeta型轉換器調整開關切換頻率為50kHz，責任周期為0.4之量測波形比較圖；參閱第七圖所示，為本創作發明低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器與傳統Zeta型轉換器調整開關切換頻率為50kHz，責任周期為0.55之量測波形比較圖，由波形圖可觀察出在傳統Zeta型轉換器都具脈動式輸入電流之缺點。因此，由上述實測波形可證明本創作發明之電路確實具有達到零輸入輸出電流漣波效果。

是故以上所述者，僅是本創作發明之較佳實施例而已，當不能以作為限定本創作實施之範圍，有關本創作發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧主動功率開關(S)

2‧‧‧二極體(D)

3‧‧‧第一電感(L _aux )

4‧‧‧第二電感(L ₁)

5‧‧‧第三電感(L ₂)

6‧‧‧第一電容(C _aux )

7‧‧‧第二電容(C ₁)

8‧‧‧第三電容(C _O )

9‧‧‧負載(R)

Claims (7)

1. 一種低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，包括：一功率開關，其正極端及負極端依序連接第一電感負極端及第二電感之正極端，與第一電感及第二電感組成之串聯電路；一二極體，其與第三電感組成之串聯電路，由其負極端連結第二電容正極端及第三電感正極端，而其正極端連結至電源、第二電感、第三電容及負載之負極端；一第一電感，與該直流電源正極端連接，且與功率開關及第二電感組成之串聯電路；一第二電感，其正極端連接功率開關及第二電容負極端，與第一電感及功率開關組成之串聯電路；一第三電感，其與二極體組成之串聯電路，由第三電感負極端連結第一電容之負極端，並與第三電容及負載之正極端相接；一第一電容，其正極端連接第一電感負極端與功率開關之正極端，而其負極端連結至第三電容和負載之正極端；一第二電容，其負極端連接第二電感正極端與功率開關之負極端，而其正極端與二極體負極端及第三電感正極端連接； 一第三電容，其正極端連接至之第一電容負極端與第三電感負極端及負載之正電壓端，而其負極端連接至負載之負極端與二極體正極端；當功率開關導通時，二極體截止，此時輸入電壓對第一電感進行儲能，同時也對第二電感進行儲能動作，且經由第一電容將能量傳送至負載，第三電容在同時則對負載進行釋能，而第二電容則經由功率開關對第三電感進行釋能；接著當功率開關截止時，二極體導通，輸入電壓經由第一電感與第一電容將能量傳送至負載並同時對第一電容與第三電容進行儲能，另外，第三電感在同時間也將能量傳送至負載，而第二電感則經由二極體對第二電容進行釋能，待該功率開關再度導通時完成一個開關切換週期之動作；本創作其為功率開關、二極體、第一電感、第二電感、第三電感、第一電容、第二電容、第三電容為主電路，可藉由電路元件操作接線排列方式來達成低輸入輸出電流漣波之技術手段。
2. 根據申請專利範圍第1項之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，當應用於交流電源時必須經由一橋式整流器，使其該電壓波形為正弦波之絕對值。
3. 根據申請專利範圍第1項之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，其中基本零輸入電流漣波包括一單相或三相之交直流切換式電力轉換器，其輸出電流恆為一正值。
4. 根據申請專利範圍第1項之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，其中第一電感亦可放置電源負極端連接處，其有效改善在不同工作模式時跨壓變動所造成電流上升、下降情形，藉以讓輸入電流近乎純直流，減少輸入端之電流漣波，達到零輸入電流漣波之目的。
5. 根據申請專利範圍第4項之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，其中第一電感亦可放置第一電容負極端及第三電容正極端連接處，以及在二極體正極端及第三電容負極端連接處，使其具有零輸出電流漣波之特性，進而提升轉換器整體效率。
6. 根據申請專利範圍第5項之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，其中整體架構之電源正負極端處、第三電感負極端及第三電容正極端連接處以及二極體正極端及第三電容負極端連接處之電感可依低漣波特性符合需求相互存在，達到零輸出電流漣波及零輸入電流漣波之目的。
7. 根據申請專利範圍第6項之低輸入輸出電流漣波降升壓電源轉換器，其中功率開關亦可與第二電感相互對調；以及第三電感與二極體相互對調，而第一電容即可放置對調後 之功率開關負極端並與第三電感之正極端相互串接，同時達到零輸入輸出電流漣波之目的。