TWI658684B - High buck converter - Google Patents

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TWI658684B
TWI658684B TW106131628A TW106131628A TWI658684B TW I658684 B TWI658684 B TW I658684B TW 106131628 A TW106131628 A TW 106131628A TW 106131628 A TW106131628 A TW 106131628A TW I658684 B TWI658684 B TW I658684B
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楊松霈
陳信助
黃昭明
陳志恩
林資祐
凃尚成
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崑山科技大學
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Abstract

一種高降壓轉換器，包含串接的一第一輸入電容與一第二輸入電容、串接的一第一開關與一第二開關、串接的一第三開關與一第四開關、第一及第二耦合電容、第一共振電感、第一及第二變壓器、第一至第四二極體、第一及第二降壓電感、並聯的第一及第二電感。串聯的二輸入電容具有輸入電壓分擔的效果，用於高輸入電壓的應用，且所有開關元件具有低電壓應力。並聯的第一及第二電感具有輸出電流分擔的效果，適合於高輸出電流的應用。第一至第四開關交錯式導通操作，使流經第一及第二電感的電流具漣波相消性能，降低輸出電流的漣波。

Description

高降壓轉換器
本發明是有關於一種轉換器，特別是指一種高降壓轉換器。
參閱圖1，一種習知的降壓式轉換器，其降壓比由其開關的導通責任比決定VO=DVin，其中參數VO、D、Vin分別為輸出電壓、導通責任比、輸入電壓，但有以下缺點：1.降壓比低且受限於開關的導通責任比，若要增加降壓比，需使開關操作於極小的責任導通比。2.開關與二極體需承受高電壓與高電流應力。
因此，本發明之目的，即在提供一種解決上述問題的高降壓轉換器。
於是，本發明高降壓轉換器包含串接的一第一輸入電容與一第二輸入電容、串接的一第一開關與一第二開關、串接的一第三開關與一第四開關、第一及第二耦合電容、第一共振電感、第 一及第二變壓器、第一至第四二極體、第一及第二降壓電感、第一及第二電感、一輸出電容。
串接的一第一輸入電容與一第二輸入電容，並聯於一輸入電源，用以接收一來自該輸入電源的輸入電壓，來分擔該輸入電壓的跨壓大小。
串接的一第一開關與一第二開關，與該第一輸入電容並聯，且該第一開關受控制於導通與不導通間切換，該第二開關受控制於導通與不導通間切換。
串接的一第三開關與一第四開關，與該第二輸入電容並聯，且該第三開關受控制於導通與不導通間切換，該第四開關受控制於導通與不導通間切換。該第二開關與該第三開關的一共同端電連接該第一輸入電容與該第二輸入電容的一共同端。
第一耦合電容具有一電連接該第一開關與該第二開關的一共同端的第一端，及一第二端。
第二耦合電容具有一電連接該第三開關與該第四開關的一共同端的第一端，及一第二端。
第一共振電感具有一電連接該第二開關與該第三開關的該共同端的第一端及一第二端。
每一變壓器具有一個初級側繞組和一個次級側繞組，且每一側繞組皆具有一第一端及一第二端，其中，該第一變壓器的 初級側繞組的第一端電連接於該第一共振電感的第二端，該第一變壓器的初級側繞組的第二端電連接於該第一耦合電容的第二端，該第二變壓器的初級側繞組的第一端電連接於該第二耦合電容的第二端，該第二變壓器的初級側繞組的第二端電連接於該第一共振電感的第二端。
第一二極體具有一電連接該第一變壓器的次級側繞組的第一端的陽極，及一陰極。
第二二極體具有一電連接該第一變壓器的次級側繞組的第二端的陽極，及一陰極。
第一降壓電感具有一電連接該第一二極體的陰極的第一端及一電連接該第二二極體的陰極的第二端。
第三二極體具有一電連接該第二變壓器的次級側繞組的第一端的陽極，及一陰極。
第四二極體具有一電連接該第二變壓器的次級側繞組的第二端的陽極，及一陰極。
第二降壓電感具有一電連接該第三二極體的陰極的第一端及一電連接該第四二極體的陰極的第二端。
第一電感具有一電連接該第二二極體的陰極的第一端，及一第二端。
第二電感具有一電連接該第四二極體的陰極的第一端，及一電連接該第一電感的第一端的第二端。
輸出電容電連接於該第一電感的第二端與該第二極體的陽極間，用來提供一輸出電壓。
本發明之功效在於：電容串聯輸入架構，具有輸入電壓分擔的效果，適合於高輸入電壓的應用，且轉換器所有功率開關的電壓應力只有輸入電壓的一半。利用第一及第二降壓電感達到低電壓導比，不需使用匝比較大的變壓器，減少變壓器體積提升功率密度，亦可降低變壓器的寄生元件，減少轉換器的突波。電感並聯輸出架構：具有輸出電流分擔的效果，適合於高輸出電流的應用，且轉換器上下模組可分擔輸出電流的一半。所有開關交錯式操作使輸出具有電流漣波相消的作用。
CI1‧‧‧第一輸入電容
CI2‧‧‧第二輸入電容
S1‧‧‧第一開關
S2‧‧‧第二開關
S3‧‧‧第三開關
S4‧‧‧第四開關
CB1‧‧‧第一耦合電容
CB2‧‧‧第二耦合電容
Lr‧‧‧第一共振電感
T1‧‧‧第一變壓器
T2‧‧‧第二變壓器
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
D4‧‧‧第四二極體
Lb1‧‧‧第一降壓電感
Lb2‧‧‧第二降壓電感
3‧‧‧輸出單元
L1‧‧‧第一電感
L2‧‧‧第二電感
CO‧‧‧輸出電容
2‧‧‧控制單元
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
C1‧‧‧第一寄生電容
C2‧‧‧第二寄生電容
C3‧‧‧第三寄生電容
C4‧‧‧第四寄生電容
DS1‧‧‧第一寄生二極體
DS2‧‧‧第二寄生二極體
DS3‧‧‧第三寄生二極體
DS4‧‧‧第四寄生二極體
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一種習知的降壓式轉換器；圖2是本發明高降壓轉換器之一實施例的一電路圖；圖3是該實施例之一等效電路圖；圖4是該實施例之一操作時序圖； 圖5是該實施例操作於第一階段的一電路圖；圖6是該實施例操作於第二階段的一電路圖；圖7是該實施例操作於第三階段的一電路圖；圖8是該實施例操作於第四階段的一電路圖；圖9是該實施例操作於第五階段的一電路圖；圖10是該實施例操作於第六階段的一電路圖；圖11是該實施例操作於第七階段的一電路圖；圖12是該實施例操作於第八階段的一電路圖；圖13是該實施例操作於第九階段的一電路圖；圖14是該實施例操作於第十階段的一電路圖；圖15是該實施例操作於第十一階段的一電路圖；圖16是該實施例操作於第十二階段的一電路圖；圖17是該實施例操作於第十三階段的一電路圖；圖18是該實施例操作於第十四階段的一電路圖；圖19是該實施例操作於第十五階段的一電路圖；圖20是該實施例操作於第十六階段的一電路圖；圖21是該實施例的第一脈波信號、輸入電壓與輸出電壓之波形圖； 圖22是該實施例的第一及第二電感電流與總輸出電感電流的波形圖；圖23是該實施例的第一降壓電感電流與第一電感電流的波形圖；及圖24是該實施例的第二降壓電感電流與第二電感電流的波形圖。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2，本發明高降壓轉換器之一實施例，包含串接的一第一輸入電容CI1與一第二輸入電容CI2、串接的一第一開關S1與一第二開關S2、串接的一第三開關S3與一第四開關S4、第一至第二耦合電容CB1~CB2、一第一共振電感Lr、一第一變壓器T1及一第二變壓器T2、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3、一第四二極體D4、一第一降壓電感Lb1、一第二降壓電感Lb2、一輸出單元3，及一控制單元2。
串接的一第一輸入電容CI1與一第二輸入電容CI2，並聯於一輸入電源，用以接收一來自該輸入電源的輸入電壓Vin，來分擔該輸入電壓Vo的跨壓大小。
串接的一第一開關S1與一第二開關S2，與該第一輸入電容CI1並聯，且該第一開關S1受控制於導通與不導通間切換，該第二開關S2受控制於導通與不導通間切換。
串接的一第三開關S3與一第四開關S4，與該第二輸入電容CI2並聯，且該第三開關S3受控制於導通與不導通間切換，該第四開關S4受控制於導通與不導通間切換。該第二開關S2與該第三開關S3的一共同端電連接該第一輸入電容CI1與該第二輸入電容CI2的一共同端。
該第一開關S1具有一電連接該第一耦合電容CI2的第一端的第一端、一電連接該輸入電源的一負極的第二端，一第一寄生二極體DS1及一第一寄生電容C1，該第一寄生電容C1電連接該第一開關S1的第一端與第二端間。第一寄生二極體DS1具有一電連接該第一開關S1的第二端的陽極及一電連接該第一開關S1的第一端的陰極。該第一開關S1是一N型功率半導體電晶體，且該第一開關S1的第一端是汲極，該第一開關S2的第二端是源極。
該第二開關S2具有一電連接該第一共振電感Lr的第一端的第一端、一電連接該第一耦合電容CB1的第一端的第二端，一第二寄生二極體DS2及一第二寄生電容C2，該第二寄生電容C2電連接該第二開關S2的第一端與第二端間。第二寄生二極體DS2具有一電連接該第二開關S2的第二端的陽極及一電連接該第一開關S1的 第一端的陰極。該第二開關S2是一N型功率半導體電晶體，且該第二開關S2的第一端是汲極，該第二開關S2的第二端是源極。
該第三開關S3具有一電連接該第二耦合電容CB2的第一端的第一端、一電連接該第一共振電感Lr的第一端的第二端，一第三寄生二極體DS3及一第三寄生電容C3，該第三寄生電容C3電連接該第三開關S3的第一端與第二端間。第三寄生二極體DS3具有一電連接該第三開關S3的第二端的陽極及一電連接該第一開關S1的第一端的陰極。該第三開關S3是一N型功率半導體電晶體，且該第三開關S3的第一端是汲極，該第三開關S3的第二端是源極。
該第四開關S4具有一電連接該輸入電源的一正極的第一端、一電連接該第二耦合電容CB2的第一端的第二端，一第四寄生二極體DS4及一第四寄生電容C4，該第四寄生電容C4電連接該第四開關S4的第一端與第二端間。第四寄生二極體DS4具有一電連接該第四開關S4的第二端的陽極及一電連接該第四開關S4的第一端的陰極。該第四開關S4是一N型功率半導體電晶體，且該第四開關S4的第一端是汲極，該第四開關S4的第二端是源極。
第一耦合電容CI1具有一電連接該第一開關S1與該第二開關S2的一共同端的第一端，及一第二端。第二耦合電容CB2具有一電連接該第三開關S3與該第四開關S4的一共同端的第一端，及一第二端。
第一共振電感Lr具有一電連接該第二開關S2與該第三開關S3的該共同端的第一端及一第二端。
第一變壓器T1及第二變壓器T2的每一變壓器具有一個初級側繞組LP1、LP2和一個次級側繞組LS1、LS2，且每一側繞組皆具有一第一端及一第二端，其中，該第一變壓器T1的初級側繞組LP1的第一端電連接於該第一共振電感Lr的第二端，該第一變壓器T1的初級側繞組LP1的第二端電連接於該第一耦合電容CI1的第二端，該第二變壓器T2的初級側繞組LP2的第一端電連接於該第二耦合電容的第二端，該第二變壓器T2的初級側繞組LP2的第二端電連接於該第一共振電感Lr的第二端。該第一及第二變壓器T1、T2的匝數比相等(n：1)。每一次級側繞組LS1、LS2的第一端是打點端，每一次級側繞組LS1、LS2的第二端是非打點端。每一初級側繞組LP1、LP2的第一端是打點端，每一初級側繞組LP1、LP2的第二端是非打點端。
第一二極體D1具有一電連接該第一變壓器T1的次級側繞組LS1的第一端的陽極，及一陰極。第二二極體D2具有一電連接該第一變壓器T1的次級側繞組LS1的第二端的陽極，及一陰極。第一降壓電感Lb1具有一電連接該第一二極體D1的陰極的第一端及一電連接該第二二極體D2的陰極的第二端。第三二極體D3具有一電連接該第二變壓器T2的次級側繞組LS2的第一端的陽極，及一陰 極。第四二極體D4具有一電連接該第二變壓器T2的次級側繞組LS2的第二端的陽極，及一陰極。第二降壓電感Lb2具有一電連接該第三二極體D3的陰極的第一端及一電連接該第四二極體D4的陰極的第二端。
該輸出單元3電連接該第一降壓電感Lb1與該第二降壓電感Lb2的第二端，用以使來自該第一與第二降壓電感Lb1、Lb2的電流匯流，並產生一輸出電壓Vo。該輸出單元3包括一第一電感L1、一第二電感L2、一輸出電容CO。第一電感L1具有一電連接該第二二極體D2的陰極與該第一降壓電感Lb1的第二端的第一端，及一第二端。第二電感L2具有一電連接該第四二極體D4的陰極與該第二降壓電感Lb2的第二端的第一端，及一電連接該第一電感L1的第一端的第二端。輸出電容Co電連接於該第一電感L1的第二端與該第二極體D2的陽極間，用來提供一輸出電壓Vo。
該控制單元2產生一切換該第一開關S1的第一脈波信號、一切換該第二開關S2的第二脈波信號、一切換該第三開關S3的第三脈波信號及一切換該第四開關S4的第四脈波信號，該第一脈波信號與該第二脈波信號與該第三脈波信號與該第四脈波信號具有相同的周期時間，該第一脈波信號與該第二脈波信號的一責任導通期間不重疊，該第三脈波信號與該第四脈波信號的一責任導通期間不重疊。以下將以十六階段進一步說明開關S1~S4的切換時序圖。
參閱圖3，為本實施例的一等效電路圖，說明該二變壓器T1、T2的初級側繞組NP1、NP2的非理想等效電路中的磁化電感Lm1、Lm2，及該第一至第二變壓器T1、T2的初級側繞組NP1、NP2的非理想等效電路中的漏電感Lr1、Lr2，參數iLm1~iLm2分別代表流過磁化電感Lm1、Lm2的電流，參數Vp1、Vs1分別代表該第一變壓器T1的初級側繞組NP1與次級側繞組NS1的二端跨壓，參數vp2、vs2分別代表該第二變壓器T2的初級側繞組NP2與次級側繞組NS2的二端跨壓，參數VLb1、VLb2分別代表該第一及第二降壓電感Lb1、Lb2的二端跨壓，參數VL1、VL2分別代表該第一及第二電感L1、L2的二端跨壓。參數vC1~vC4分別代表第一至第四寄生電容C1~C4的跨壓。參數vCB1~vCB2分別代表第一至第二耦合電容CB1~CB2的跨壓。參數iLr代表流經第一共振電感Lr的電流。
圖4，為本實施例的操作時序圖，其中，參數Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4分別代表控制該第一至第四開關S1~S4是否導通的第一及第二脈波調變信號的電壓，參數VDS1~VDS4分別代表該第一至第四開關S1~S4的二端跨壓，參數TS為第一脈波信號的週期時間，其中，參數iD1~iD4分別代表流過第一至第四二極體D1~D4的電流，參數iLb1~iLb2分別代表流過第一至第二降壓電感Lb1、Lb2的電流，參數iL1~iL2分別代表流過第一至第二電感L1、L2的電流， 參數iLo代表流過第一至第二電感L1、L2的電流的加總，參數io代表由輸出電容CO提供的輸出電流。
以下為本實施例操作於十六階段的各電路圖，其中，導通的元件以實線表示，不導通的元件以虛線表示，以下分別針對每一階段進行說明。
第一階段(時間：t 0 ~t 1 )：
參閱圖4及圖5，第一開關S1不導通，第二開關S2不導通，第二開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2不導通，第三二極體D3不導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
由於第一開關S1切換為不導通，而使第一寄生電容C1 充電，第二寄生電容C2放電，當電壓充至時，第二二極體D2由不導通切換至導通，則進入第二階段。
第二階段(時間：t1~t2)：
參閱圖4及圖6，第一開關S1不導通，第二開關S2不導通，第三開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3不導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
第二階段開始於第二二極體D2切換為導通，由於電流換向而使流經第一二極體的電流iD1遞減、流經第一二極體的電流iD2遞增。此時，第一變壓器的漏電感L11與磁化電感Lm1與第一共振電感Lr、第一及第二電容C1、C2形成共振，而使第一寄生電容電壓vC1共振上升，第二寄生電容電壓vC2共振下降。當第二寄生電容vC2下降至零，第二寄生二極體Ds2轉態為導通，則進入第三階段。
第三階段(時間：t2~t3)：
參閱圖4及圖7，第一開關S1不導通，第二開關S2不導通，第三開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3不導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
當第二寄生電容電壓vc2共振至零，第二開關S2上的第二寄生二極體DS2導通，第二寄生電容電壓vc2被箝位至零，而使第二開關S2切換至導通，即可達到零電壓切換(ZVS)，當第三開關S3切換至不導通，則進入第四階段。
第四階段(時間：t3~t4)：
參閱圖4及圖8，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3不導通，第四二極體D4導通，第 一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
來自第二變壓器的磁化電感的電流分別對第三寄 生電容C3線性充電，使第四寄生電容C4線性放電，當第三寄生電容電壓vC3充電至等同於第二耦合電容電壓VCB2時，第三二極體D3由不導通切換至導通，則進入第五階段。
第五階段(時間：t4~t5)：
參閱圖4及圖9，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3不導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
由於電流換向，使流經第三二極體的電流iD3遞減、流經第四二極體的電流iD4遞增，此時，第二降壓電感Lb2反射至一次側與第二變壓器T2的磁化電感Lm2與第一共振電感Lr、第三及第四電容C3、C4形成共振，而使第三寄生電容電壓vC3共振上升，第四寄生電容電壓vC4共振下降，當第四寄生電容電壓vC4下降至零，第四寄生二極體Ds4轉態為導通，則進入第六階段。
第六階段(時間：t5~t6)：
參閱圖4及圖10，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4導通。
當第四寄生電容電壓vc4共振至零，第四開關S4上的第四寄生二極體DS4導通，第三二極體電流iD3持續上升，第一降壓電感電流iLb1持續下降，當第一降壓電感電流iLb1下降至零時，第一二極體D1切換為不導通，則進入第七階段。
第七階段(時間：t6~t7)：
參閱圖4及圖11，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4導通，第一二極體D1不導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
第二降壓電感電流iLb2持續線性上升，當上升至與第二電感電流iL2相同時，即iLb2=iL2，第四二極體D4切換為不導通則進入第七階段。
第八階段(時間：t7~t8)：
參閱圖4及圖12，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4導通，第一二極體D1不導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4不導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
此時，第二電感L2與第二降壓電感Lb2作線性充磁而第一出電感L1作線性釋磁，當第四開關S4由導通切換至不導通，則進入第八階段。
第九階段(時間：t8~t9)：
參閱圖4及圖13，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1不導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4不導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
由於第四開關S4切換為不導通，分別使第四寄生電容C4 線性充電，第三寄生電容C3線性放電，當電壓充至時，第四二極體D4由不導通切換至導通，則進入第十階段。
第十階段(時間：t9~t10)：
參閱圖4及圖14，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1不導 通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
第四二極體D4切換為導通，而使電流換向，流經第三二極體的電流iD3遞減、流經第四二極體的iD4遞增。此時，第二降壓電感由次級側反射至初級側與第二變壓器的磁化電感(Lm2//Lb2)，且與第一共振電感Lr、第三及第四寄生電容C3、C4形成共振，第四寄生電容電壓vC4共振上升，第三寄生電容電壓vC3共振下降，當第三寄生電容電壓vC3下降至零，第三寄生二極體Ds3轉態為導通，則進入第十一階段。
第十一階段(時間：t10~t11)：
參閱圖4及圖15，第一開關S1不導通，第二開關S2導通，第三開關S3不導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1不導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3導通，第四寄生二極體DS4不導通。
當第三寄生電容電壓vc3共振至零，第二開關S2上的二極體DS3導通，第三寄生電容電壓vc3被箝位至零，故第三開關S3切換至導通，即可達到零電壓切換(ZVS)，當第二開關S2切換至不導通，則進入第十二階段。
第十二階段(時間：t11~t12)：
參閱圖4及圖16，第一開關S1不導通，第二開關S2不導通，第三開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1不導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
來自第一電壓器的磁化電感的電流分別對第二寄 生電容C2線性充電，第一寄生電容C1線性放電，當第二寄生電容電壓vc2充電至等同於第一耦合電容VcB1的電壓時，第一二極體D1由不導通切換至導通，則進入第十三階段。
第十三階段(時間：t12~t13)：
參閱圖4及圖17，第一開關S1不導通，第二開關S2不導通，第三開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
本階段開始於第一二極體D1切換為導通，第二二極體的電流iD2遞減、第一二極體的電流iD1遞增。此時，第一降壓電感Lb1由次級側反射至初次側等效並聯於磁化電感(Lm1//Lb1)，且與第一共振電感Lr、第一及第二寄生電容C1、C2形成共振，第二寄生電容電 壓vC2共振上升，第一寄生電容電壓vC1共振下降，當第一寄生電容電壓vC1下降至零，第一寄生二極體Ds1轉態為導通，則進入第十四階段。
第十四階段(時間：t13~t14)：
參閱圖4及圖18，第一開關S1導通，第二開關S2不導通，第三開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
當第一寄生電容電壓vC1箝位至零，則第一開關S1可切換至導通，達成ZVS，第一二極體電流iD1持續上升，第二降壓電感電流iLb2持續下降，當第二降壓電感電流iLb2下降至零時，第三二極體D3切換為不導通，則進入第十五階段。
第十五階段(時間：t14~t15)：
參閱圖4及圖19，第一開關S1導通，第二開關S2不導通，第三開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3不導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
第一降壓電感電流iLb1持續線性上升，當上升至與第一電感電流iL1相同時，即iLb1=iL1，第二二極體D2切換為不導通則進入第十六階段。
第十六階段(時間：t15~t16)：
參閱圖4及圖20，第一開關S1導通，第二開關S2不導通，第三開關S3導通，第四開關S4不導通，第一二極體D1導通，第二二極體D2導通，第三二極體D3不導通，第四二極體D4導通，第一寄生二極體DS1不導通，第二寄生二極體DS2不導通，第三寄生二極體DS3不導通，第四寄生二極體DS4不導通。
第一電感L1與第一降壓電感Lb1作線性充磁而第二電感L2作線性釋磁，當第一開關S1由導通切換至不導通，則回到下一個周期的第一階段。
如圖21所示，為第一脈波信號、輸入電壓與輸出電壓之波形，當導通比D=0.47時，符合電氣規格輸出電壓Vo為24V，而在傳統轉換器之電壓轉換比公式Vo=D×N×Vin/2，在N=1(N為匝數比)、D=0.47時，輸出電壓VO為94V，傳統的降壓轉換器明顯無法降至訂定的電氣規格。
如圖22所示，為第一及第二電感電流iL1和iL2與總輸出電感電流iLO的波形，當PO=200W時，由於電路採輸出並聯架構，來分攤輸出電流，分別流經第一及第二電感L1、L2的電流平均約為 13.4A。且第一至第四開關S1~S4為交錯式驅動，分別流經第一及第二電感L1、L2的電流iL1與iL2漣波相差180°，確實可降低輸出電流iLO=iL1+iL2的漣波△iLO。
如圖23所示，為第一降壓電感電流iLb1與第一電感電流iL1波形，如圖24所示，為第二降壓電感電流iLb2與第二電感電流iL2波形，加入第一及第二降壓電感Lb1、Lb2能使轉換器達到高降壓，是因為當第一開關S1切換為導通時，位於次級側的二極體電流開始換向，第一降壓電感電流iLb1開始上升，等到第一降壓電感電流iLb1等同於第一電感的電流時iLb1=iL1時，位於次級側的二極體電流換向完畢，能量才能傳至負載。
綜上所述，上述實施例，具有以下優點：
1.低電壓導通比：利用第一及第二降壓電感Lb1、Lb2達到低電壓導通比，不需將導通責任比操作於極小，也不需使用匝數比大的變壓器，可降低第一及第二變壓器T1、T2的寄生元件，減少轉換器的突波。
2.串聯輸入架構：具有輸入電壓分擔的效果，適合於高輸入電壓的應用，且所有開關S1~S4的電壓應力只有輸入電壓的一半分擔輸入電壓，使功率開關元件具有低電壓應力，適用於高電壓輸入應用。
3.並聯輸出架構：輸出端並聯式連接，具有輸出電流分擔的效果，適合於高輸出電流的應用，且可分擔輸出電流Io的一半，也分散磁性元件與半導體元件的功率損失及熱應力，適用於高功率及輸出低壓大電流應用。
4.開關交錯式導通操作：使流經第一及第二電感L1、L2的電流具漣波相消性能，降低輸出電容電流的漣波，因此可降低輸出電容值與尺寸，可選用較小的輸出濾波元件，可使得轉換器體積減小，提高功率密度。
5.零電壓切換(ZVS)：利用開關S1~S4的寄生電容、第一共振電感Lr與第一及第二變壓器T1、T2的漏電感，形成共振，使得轉換器具有零電壓切換的性能，降低開關的切換損失，提升效率。同時可提高開關切換頻率，降低儲能元件的尺寸大小，另一方面，也能避免漏電感所造成的電壓突波，保護開關元件避免高電壓應力，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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。

Claims (10)

  1. 一種高降壓轉換器，包含：串接的一第一輸入電容與一第二輸入電容，並聯於一輸入電源，用以接收一來自該輸入電源的輸入電壓，來分擔該輸入電壓的跨壓大小；串接的一第一開關與一第二開關，與該第一輸入電容並聯，且該第一開關受控制於導通與不導通間切換，該第二開關受控制於導通與不導通間切換；串接的一第三開關與一第四開關，與該第二輸入電容並聯，且該第三開關受控制於導通與不導通間切換，該第四開關受控制於導通與不導通間切換；該第二開關與該第三開關的一共同端電連接該第一輸入電容與該第二輸入電容的一共同端；一第一耦合電容，具有一電連接該第一開關與該第二開關的一共同端的第一端，及一第二端；一第二耦合電容，具有一電連接該第三開關與該第四開關的一共同端的第一端，及一第二端；一第一共振電感，具有一電連接該第二開關與該第三開關的該共同端的第一端及一第二端；一第一變壓器及一第二變壓器，每一變壓器具有一個初級側繞組和一個次級側繞組，且每一側繞組皆具有一第一端及一第二端，其中，該第一變壓器的初級側繞組的第一端電連接於該第一共振電感的第二端，該第一變壓器的初級側繞組的第二端電連接於該第一耦合電容的第二端，該第二變壓器的初級側繞組的第一端電連接於該第二耦合電容的第二端，該第二變壓器的初級側繞組的第二端電連接於該第一共振電感的第二端；一第一二極體，具有一電連接該第一變壓器的次級側繞組的第一端的陽極，及一陰極；一第二二極體，具有一電連接該第一變壓器的次級側繞組的第二端的陽極，及一陰極；一第一降壓電感，具有一電連接該第一二極體的陰極的第一端及一電連接該第二二極體的陰極的第二端；一第三二極體，具有一電連接該第二變壓器的次級側繞組的第一端的陽極，及一陰極；一第四二極體，具有一電連接該第二變壓器的次級側繞組的第二端的陽極，及一陰極；一第二降壓電感，具有一電連接該第三二極體的陰極的第一端及一電連接該第四二極體的陰極的第二端；及一輸出單元，電連接該第一降壓電感與該第二降壓電感的第二端，用以使來自該第一與第二降壓電感的電流匯流，並產生一輸出電壓。
  2. 如請求項1所述的高降壓轉換器，其中，該第一及第二變壓器的匝數比相等。
  3. 如請求項1所述的高降壓轉換器，其中，每一次級側繞組的第一端是打點端，每一次級側繞組的第二端是非打點端，每一初級側繞組的第一端是打點端，每一初級側繞組的第二端是非打點端。
  4. 如請求項1所述的高降壓轉換器，其中：該第一開關具有一電連接該第一耦合電容的第一端的第一端、一電連接該輸入電源的一負極的第二端，及一第一寄生電容，該第一寄生電容電連接該第一開關的第一端與第二端間；該第二開關具有一電連接該第一共振電感的第一端的第一端、一電連接該第一耦合電容的第一端的第二端，及一第二寄生電容，該第二寄生電容電連接該第二開關的第一端與第二端間；該第三開關具有一電連接該第二耦合電容的第一端的第一端、一電連接該第一共振電感的第一端的第二端，及一第三寄生電容，該第三寄生電容電連接該第三開關的第一端與第二端間；該第四開關具有一電連接該輸入電源的一正極的第一端、一電連接該第二耦合電容的第一端的第二端，及一第四寄生電容，該第四寄生電容電連接該第四開關的第一端與第二端間。
  5. 如請求項4所述的高降壓轉換器，其中，該第一開關是一N型功率半導體電晶體，且該第一開關的第一端是汲極，該第一開關的第二端是源極。
  6. 如請求項4所述的高降壓轉換器，其中，該第二開關是一N型功率半導體電晶體，且該第二開關的第一端是汲極，該第二開關的第二端是源極。
  7. 如請求項4所述的高降壓轉換器，其中，該第三開關是一N型功率半導體電晶體，且該第三開關的第一端是汲極，該第三開關的第二端是源極。
  8. 如請求項4所述的高降壓轉換器，其中，該第四開關是一N型功率半導體電晶體，且該第四開關的第一端是汲極，該第四開關的第二端是源極。
  9. 如請求項4所述的高降壓轉換器，更包括一控制單元，該控制單元產生一切換該第一開關的第一脈波信號、一切換該第二開關的第二脈波信號、一切換該第三開關的第三脈波信號及一切換該第四開關的第四脈波信號，該第一脈波信號與該第二脈波信號與該第三脈波信號與該第四脈波信號具有相同的周期時間，該第一脈波信號與該第二脈波信號的一責任導通期間不重疊，該第三脈波信號與該第四脈波信號的一責任導通期間不重疊。
  10. 如請求項1所述的高降壓轉換器，其中，該輸出單元包括：一第一電感，具有一電連接該第一降壓電感的第二端的第一端，及一第二端；一第二電感，具有一電連接該第二降壓電感的第二端的第一端，及一電連接該第一電感的第一端的第二端；及一輸出電容，電連接於該第一電感的第二端與該第二極體的陽極間，用來提供該輸出電壓。
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