TWI593217B - Low ripple of the step-down power conversion device - Google Patents

Description

低漣波之升降壓電源轉換裝置

本發明係有關於一種低漣波之升降壓電源轉換裝置，為紀念潘恭先生(Mr.Kung Pan)百年冥誕所提之低電流漣波電源轉換裝置，其揭示一種直流輸出電壓可等於、高於或低於輸入電壓，其中輸出電流為連續導通電流，該轉換器輸入電流為連續可達到能量全時傳送之目的，且在理想情況下可達到零漣波輸入電流，而其整體實施使用上更增加實用功效特性，進而降低功率損耗。

隨著人類經濟成長及生活進步，人們對使用電子產品與日俱增，其中SEPIC轉換器能夠對輸入電壓進行升降壓轉換功能，可在輸出端得到一個恆定電壓源，普遍被廣泛應用在不同場合，但由於此切換式電源供應器之特性有電壓電流漣波的產生，在實際使用上，其衍生出電磁干擾、降低轉換效率及影響輸出電壓品質等缺點。

直流電源轉換器主要電路之拓樸結構種類諸多，如Buck、Boost、Buck-Boost及uk等轉換器，由於前兩種屬於基本降壓或升壓之電路，屬於基本迴路，其後大部分電源轉換器都是由這兩種電路結構衍生而來。近年來尤其對攜帶式產品廣泛應用，對升降壓電路之需求迅速增加，其中以Buck-Boost升降壓電路為首，可將輸出電壓的大小轉換為可小於或大 於電源電壓，端視開關的責任周期而定，當責任週期大於0.5時輸出電壓會大於輸入電壓；而當責任週期小於0.5時輸出電壓會小於輸入電壓，因此構成升降壓轉換器，然而在使用時輸出電壓具有與電源電壓相反的極性問題。後來進展至uk升降壓電路亦可實現降壓或升壓之特性，不同於Buck-Boost轉換器架構其電感器置中以完成能量傳送，而uk電路具有輸入端之電感器當作DC電源之濾波器使用，同時輸出端前亦有電感器串聯，如此可以解決輸入與輸出端產生大量電流諧波問題，然而卻一樣存在輸出電壓與輸入電源電壓相反極性的問題。

因此需要一轉換器既可達到降壓也可升壓，同時其輸出電壓極性與輸入電壓必須相同，而SEPIC轉換電路正可符合所需，此電路之電壓增益方程式與Buck-Boost降升壓轉換器和uk轉換器相同，不同之處為輸出電壓與輸入電壓之極性相同，且其輸出電壓具有升降壓功能，可使此轉換器用於諸多應用。

其電路可參閱第9圖傳統電路架構示意圖，其中SEPIC電路係將Boost電路與Buck-Boost電路組合而成，然而SEPIC電路比起Buck或Boost電路元件更多，但其具有較寬的輸入範圍，可用於高輸出電流之應用，由第7圖及第8圖波形為傳統型及本發明之量測波形比較圖，可觀察出傳統SEPIC之輸入電流i _in 輸入漣波過大。

因此本發明之目的係在於克服習知所遭遇之上述問題，解決輸入端電流漣波之問題，並且讓輸入端能量能夠全時供給負載使用，且在理想情況下達到完美零輸入電流漣波。

因此，本發明之目的即針對上述改進既有方法之缺點而提供一種低漣波之升降壓電源轉換裝置，將可產生大於、等於或小於輸入電壓之輸出電壓，相較於傳統型SEPIC轉換器僅多使用一個電感及一只電容，若考量輸入濾波電路使用之下，兩者所須元件數目相同，用於消除切換式電力轉換器輸入端或輸出端的高頻電流漣波，進而達到零輸出零輸入之電流漣波。

根據本創作發明之上述目的，提出一種低漣波之升降壓電源轉換裝置，提供一可升壓或降壓之定電壓的穩定輸出，供給能量給負載R _L 使用，其電路拓樸係由三個電感(L _aux 、L ₁、L ₂)、三個電容(C _aux 、C ₁、C ₂)、一個二極體D、與一個功率開關SW所組成，其中從輸入側兩端電壓由連接第一電感L _aux 、第二電感L ₁與功率開關SW組成之串聯電路，而由第二電感L ₁正電壓端及負電壓端依序連接第一電容C _aux 與第二電容C ₁，其二極體D與第三電感L ₂組成之串聯電路，由二極體D正電壓端及負電端依序連結第二電容C ₁與第一電容C _aux 之負電壓端，第三電容C ₂則連接至第一電容C _aux 之另一端及負載R _L 之正電壓端，最後第三電容C ₂之另一端則連接至負載R _L 之負電壓端，其最大特點在於僅加入一個第一電感L _aux 以及一個第二電容C _aux 便解決傳統型SEPIC轉換器輸入電流不連續問題，並可在理想下達到零輸入電流漣波。

於是，本創作發明之另一目的即是在於提供一種低漣波之升降壓電源轉換裝置，有別過往轉換器能量都只能由部分時段傳送，此電路以提供能量全時傳送之目的，更進一步提升轉換器之效率。

其本創作發明之又另一目的即是在於提供一種低漣波之升 降壓電源轉換裝置，解決輸出端脈衝電流之問題，讓輸入端能量能夠全時供給負載使用，且在理想情況下可達到零輸入電流漣波。

其本創作發明之又另一目的即是在於提供一種低漣波之升降壓電源轉換裝置，提出一有效之被動式輸入電流漣波消除電路，可減少輸入電感電流的變化量，並達到具備升壓與降壓之電源轉換器。

而本創作發明之再另一目的即是在於提供一種低漣波之升降壓電源轉換裝置，使得該轉換器輸出電流為連續導通電流(CCM)，解決傳統SEPIC轉換器輸出電流不連續問題，降低電磁干擾(EMI)，其在整體實施使用上更具實用性。

1‧‧‧第一電感(L _aux )

2‧‧‧第二電感(L ₁)

3‧‧‧第三電感(L ₂)

4‧‧‧第一電容(C _aux )

5‧‧‧第二電容(C ₁)

6‧‧‧第三電容(C ₂)

7‧‧‧二極體(D)

8‧‧‧功率開關(SW)

9‧‧‧負載(R _L )

10‧‧‧橋式整流器

第1圖低漣波之升降壓電源轉換裝置整體示意圖。

第2圖本發明第一實施例之電路整體示意圖。

第3圖本發明第二實施例之電路整體示意圖。

第4圖本發明第三實施例之電路整體示意圖。

第5圖本發明之低漣波之升降壓電源轉換裝置於工作模式一之等效電路示意圖。

第6圖本發明之低漣波之升降壓電源轉換裝置於工作模式二之等效電路示意圖。

第7圖本發明低漣波之升降壓電源轉換裝置和傳統電路調整責任週期為0.4及頻率為50kHz之量測波形比較圖。

第8圖本發明低漣波之升降壓電源轉換裝置和傳統電路調

整責任週期為0.5及頻率為40kHz之量測波形比較圖。

第9圖傳統電路架構示意圖。

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。

請參閱第1圖至第4圖所示，為本創作發明之低漣波之升降壓電源轉換裝置整體示意圖、本發明第一實施例之電路整體示意圖、本發明第二實施例之電路整體示意圖、及本發明第三實施例之電路整體示意圖，藉此顯示本發明之功能特性，其中低漣波之升降壓電源轉換裝置之外觀包括，係由三個電感(L _aux 、L ₁、L ₂)1、2、3、三個電容(C _aux 、C ₁、C ₂)4、5、6、一個二極體(D)7、與一個功率開關(SW)8，其中從輸入側兩端電壓由連接第一電感1、第二電感2與功率開關8組成之串聯電路，而由第二電感2正電壓端及負電壓端依序連接第一電容4與第二電容5，其二極體7與第三電感3組成之串聯電路，由二極體7正電壓端及負電端依序連結第二電容5與第一電容4之負電壓端，第三電容6則連接至第一電容4之另一端及負載9之正電壓端，最後第三電容6之另一端則連接至負載9之負電壓端，藉此構成一具較有能量全時傳送及達到零電感電流漣波之低漣波之升降壓電源轉換裝置。

當應用於交流電源時需經由一橋式整流器10使其電壓波形為正弦波之絕對值，如圖2所示，當應用於直流電源時，電源輸出電流須為 一正值，其電路接線圖亦可為第3圖所示，另外，本發明操作接線方式可藉由電路元件之參數設計，使得輸入電感操作於電流連續導通模式，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，如第4圖所示。

然而為清楚說明本發明所提出之低漣波之升降壓電源轉換裝置電路之工作原理，電壓為一直流電源而以下電路元件均假設為理想狀態，其輸出功率為一正值，同時負載Load為純電阻R _L ，而工作原理敘述如下： 工作模式一請參閱第5圖所示，本發明之低漣波之升降壓電源轉換裝置於工作模式一之等效電路示意圖。如圖所示：當功率開關SW導通，二極體D截止，此時電源V _in 與第一電感L _aux 開始釋能，同時對第二電感L ₁儲能，且對第一電容C _aux 進行儲能，另外，第二電容C ₁釋能對第三電感L ₂做儲能動作，而第三電容C ₂亦將釋能給負載R _L 。

根據第5圖，可列出如狀態方程式(1)~(6)，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 _C2為第三電容C ₂上之電壓；v _D 為二極體D上之電壓；以及v _SW 為功率開關上之電壓，待該功率開關SW截止時，進入工作模式二。

工作模式二請參閱第6圖所示，本發明之低漣波之升降壓電源轉換裝置於工作模式二之等效電路示意圖。如圖所示：當功率開關SW截止後，二極體D導通，此時輸入電壓V _in 開始對第一電感L _aux 儲能，同時第二電感L ₁釋能，且第一電容C _aux 開始釋能將部份能量傳送至負載R _L ，其第二電感L ₁將釋能之能量傳送至第二電容C ₁，再經由二極體D將能量傳送至負載R _L ，同時第三電感L ₂也對第三電容C ₂做釋能動作，待該功率開關SW再度導通時完成一個開關切換週期之動作。根據第6圖，可列出如狀態方程式(7)~(12)，於本模式結束時完成一個開關切換週期之開關動作。

請參閱第7圖及第8圖所示，係分別為本發明電路及傳統電路實作波形比較示意圖，如圖一較佳實施例，本發明接線方式如第2圖所示，而傳統電路架構示意圖之接線方法如第9圖所示。本發明與傳統電路均以輸入直流電為100V，輸出功率為188W為例，電路各元件之參數分別為：第一電感L _aux 之電感值為1μH，第二電感L ₁之電感值為1μH，第三電感L ₂之 電感值為40mH，第一電容C _aux 之電容值為10μF，第二電容C ₁之電容值為10μF，第三電容C ₂之電容值為10μF，功率開關SW採用IRFP460A(MOSFET)，橋式整流器採用KBU2506，二極體D採用DSEP15-06A，第7圖為本發明電路和傳統電路調整責任週期為0.4及頻率為50kHz之量測波形比較圖；第8圖為本發明電路和傳統電路調整責任週期為0.5及頻率40kHz之量測波形比較圖，由此可觀察出在傳統電路實例中，當轉換器開關導通時，輸入端第一電感電流i _Laux 為正斜率上升，當轉換器開關截止時，輸入端第一電感電流i _Laux 為負斜率下降，因此電流會產生上升、下降的情形，而造成電流漣波過大。然而從本發明電路實例中，當轉換器開關導通或截止時，第一電感電流i _Laux 可以近乎純直流，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或零輸出電流漣波效果。

藉此，本發明係一種將輸出電壓可等於、高於或小於輸入電壓之轉換裝置，有效改善因電感在不同工作模式時跨壓變動所造成電流上升、下降情形，具有零輸入電流漣波之特性，更可達到能量全時傳送，進而提升轉換器整體效率。

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‧‧‧第一電感(L _aux )

2‧‧‧電二電感(L ₁)

3‧‧‧第三電感(L ₂)

4‧‧‧第一電容(C _aux )

5‧‧‧第二電容(C ₁)

6‧‧‧第三電容(C ₂)

7‧‧‧二極體(D)

8‧‧‧功率開關(SW)

9‧‧‧負載(R _L )

Claims (6)

1. 一種低漣波之升降壓電源轉換裝置，包括：一第一電感，與該直流電源正極端連接，且與第二電感及功率開關組成之串聯電路，而第一電感亦可放置電源負極端連接處，或者同時存在兩個電感，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；一第二電感，其正極端及負極端依序連接第一電容與第二電容，與第一電感及功率開關組成之串聯電路；一第三電感，其負極端連接二極體其正極端及第二電容其負極端，而其正極端接至第三電容、負載、功率開關及直流電源其負極端連接；一第一電容，其正極端連接至第一電感負極端與第二電感之正極端，而另一端連接該二極體負極端，及至第三電容和負載之正極端；一第二電容，其正極端及其負極端依序連接第二電感其負極端與功率開關之其正極端，而其負極端與二極體其正極端及第三電感其負極端連接；一第三電容，其正極端連接至之第一電容負極端及負載之正極端，則其負極端連接至負載之負極端； 一二極體，其正極端連接至第二電容與第三電感之其負極端，則其負極端連結第一電容之其負極端及第三電容和負載之其正極端；一功率開關，其正極端接至第二電感之其負極端及第二電容之其正極端，而其負極端連接第三電感其正極端及電源、第三電容及負載之其負極端；本創作其由第一電感、第二電感、電三電感、第一電容、第二電容、第三電容、二極體以及功率開關，可藉由電路元件操作接線排列方式來達成低漣波之技術手段，該藉此期能有效改善因電感在不同工作模式時跨壓變動所造成電流上升、下降情形，具有零輸入電流漣波之特性。
2. 根據申請專利範圍第1項之低漣波之升降壓電源轉換裝置，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2項之低漣波之升降壓電源轉換裝置，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3項之低漣波之升降壓電源轉換裝置，其中第一電感亦可放置二極體負極端及第三電容正極端連接處，以及在第三電感正極端及第三電容負極端連接 處，或者同時存在兩個電感，使得具有零輸出電壓漣波之特性，進而提升轉換器整體效率。
5. 根據申請專利範圍第4項之低漣波之升降壓電源轉換裝置，其中整體架構之電源正負極端處、二極體負極端及第三電容正極端連接處以及第三電感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，達到零輸出電壓漣波及零輸入電流漣波之目的。
6. 根據申請專利範圍第5項之低漣波之升降壓電源轉換裝置，其中第二電感亦可與功率開關相互對調，以及二極體與第三電感相互對調，而第一電容即可放置至對調後之第二電感負極端並與二極體之正極端相互串接，同時達到零輸入電流漣波之目的。