TWI687036B - 超高升壓轉換器 - Google Patents

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TWI687036B
TWI687036B TW107122524A TW107122524A TWI687036B TW I687036 B TWI687036 B TW I687036B TW 107122524 A TW107122524 A TW 107122524A TW 107122524 A TW107122524 A TW 107122524A TW I687036 B TWI687036 B TW I687036B
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diode
transformer
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楊松霈
謝承道
陳信助
黃昭明
林資祐
凃尚成
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崑山科技大學
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Abstract

本發明係有關於一種超高升壓轉換器，其主要係可分擔輸入電流，能有效降低電路中儲能元件及開關元件之電流應力，適合應用於高功率的場合，且可使輸入電流漣波降低，能使用感值較小之輸入濾波電感，降低電感的體積，同時不必操作在極大的導通比，令主開關具有低於輸出電壓的低電壓應力，故可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET，所以可降低導通損失，提升整體效率，並可得到極高的升壓增益，及電流分流與二極體無反向恢復問題，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

Description

超高升壓轉換器
本發明係有關於一種超高升壓轉換器，尤其是指一種能有效降低電流應力，適合應用於高功率的場合，且能使輸入電流漣波降低，同時不必操作在極大的導通比，使主開關具有低於輸出電壓的低電壓應力，可降低導通損失，提升整體效率，並可得到極高的升壓增益，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
按，2015年12月於法國巴黎舉行「聯合國氣候變化綱要公約第21次締約方會議」［COP21］，與會的195國與歐盟代表通過了遏阻全球暖化的《巴黎協定》［Paris Agreement］。各國將致力於大幅減少溫室氣體［greenhouse gas］排放，力保在本世紀結束之前，全球均溫上升不超過攝氏2度，進而追求不超過攝氏1.5度的更艱難目標。希望各國透過再生能源，用更有效的方式達成減排目標，追求經濟的「綠色成長」。爰此，再生能源將成為最主要的電力型態，也是各國綠色低碳能源發展的重點方向，包含太陽能、風力能、燃料電池、水力能、地熱能、潮汐能及生質能等。
目前我國政府積極推動再生能源電力系統，例如能源局公告的「太陽光電2年推動計畫」、「風力發電4年推動計畫」，並以2025年再生能源發電量占比達20%為努力的方向，未來將以太陽光電及離岸風力發電作為推動再生能源設置的主力，其中的太陽光電目標是將於2025年達20 GW，預估年發電量達250億度電；風力發電總裝置容量達44.2 GW。
在日本、歐洲與美國裝設於屋頂的住宅型太陽能併網電力系統，最近也成為成長快速的市場。另外，由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應，產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題，是極具發展前景的新能源方式，應用在車輛及發電系統上，將能顯著改善空氣污染及溫室效應。因此，在再生能源電力系統應用中，太陽能發電系統及燃料電池發電系統及風力發電系統常在分散式發電系統［distributed generation system］，扮演重要的角色。
一般而言，應用太陽能電池或燃料電池模組的再生能源電力系統，由於安全性與可靠性的問題，太陽能電池模組與燃料電池所產生的輸出電壓是屬於低電壓，一般不超過40V，為了達到併網發電或直流微電網的需求，必須先將此低電壓利用高升壓DC-DC轉換器，升壓至一個高電壓直流排。例如：對於一個單相220Vac的電網系統而言，此高電壓直流排常為380-400Vdc，以利全橋式換流器［full-bridge inverter］的DC-AC電源轉換。
對於直流升壓目的而言，理論上，操作在極高導通比的傳統升壓型［boost］轉換器能夠得到高電壓增益，但是實務上受到寄生元件的影響，電壓轉換比受限在約5倍以下，因此當電壓增益高達10倍左右的實務需求時，研發嶄新的高升壓轉換器拓樸是必要的。因此，於近幾年來，高升壓DC-DC轉換器是電力電子工程領域中常見的研究主題之一。
緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種超高升壓轉換器，以期達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之主要目的在於提供一種超高升壓轉換器，主要係能有效降低電流應力，適合應用於高功率的場合，且能使輸入電流漣波降低，同時不必操作在極大的導通比，使主開關具有低於輸出電壓的低電壓應力，可降低導通損失，提升整體效率，並可得到極高的升壓增益，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
本發明超高升壓轉換器之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：
其主要係令轉換器於輸入電壓
Figure 02_image001
之正極分別連接有電感
Figure 02_image003
之第一端、電容
Figure 02_image005
之負極及電感
Figure 02_image007
之第一端，該電感
Figure 02_image003
之第二端分別連接有二極體
Figure 02_image009
之正極及二極體
Figure 02_image011
之正極，該電感
Figure 02_image013
之第二端分別連接有二極體
Figure 02_image014
之正極及二極體
Figure 02_image016
之正極，該二極體
Figure 02_image009
之負極分別連接有二極體
Figure 02_image018
之負極及第一主開關
Figure 02_image020
之第一端，該二極體
Figure 02_image022
之負極分別連接有二極體
Figure 02_image023
之負極及第二主開關
Figure 02_image025
之第一端，該第一主開關
Figure 02_image020
之第二端、該第二主開關
Figure 02_image027
之第二端與該輸入電壓
Figure 02_image001
之負極一併接地，該電容
Figure 02_image005
之正極分別連接該二極體
Figure 02_image011
之負極、該二極體
Figure 02_image016
之負極、第一變壓器初級側
Figure 02_image028
之第一端及第二變壓器初級側
Figure 02_image030
之第一端，該二極體
Figure 02_image018
之正極分別連接第一變壓器初級側
Figure 02_image032
之第二端、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
之正極及第一升壓電容
Figure 02_image035
之負極，該二極體
Figure 02_image037
之正極分別連接第二變壓器初級側
Figure 02_image038
之第二端、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
之正極及第二升壓電容
Figure 02_image041
之負極，該第二飛輪二極體
Figure 02_image033
之負極分別連接該第二升壓電容
Figure 02_image041
之正極及第一變壓器次級側
Figure 02_image043
之第一端，該第一飛輪二極體
Figure 02_image039
之負極分別連接該第一升壓電容
Figure 02_image035
之正極及第二變壓器次級側
Figure 02_image045
之第一端，該第一變壓器次級側
Figure 02_image047
之第二端連接第二輸出二極體
Figure 02_image048
之正極，該第二變壓器次級側
Figure 02_image045
之第二端連接第一輸出二極體
Figure 02_image050
之正極，該第一輸出二極體
Figure 02_image050
之負極與該第二輸出二極體
Figure 02_image048
之負極一同連接有第一輸出電容
Figure 02_image052
之正極、第二輸出電容
Figure 02_image054
之負極與第二倍壓二極體
Figure 02_image056
之正極，該第二倍壓二極體
Figure 02_image058
之負極連接有第一變壓器三級側
Figure 02_image059
的第一端及第一倍壓二極體
Figure 02_image061
之正極，該第一變壓器三級側
Figure 02_image063
的第二端與該第二變壓器三級側
Figure 02_image064
的第一端相連接，該第二變壓器三級側
Figure 02_image066
的第二端分別連接有該第二輸出電容
Figure 02_image067
之正極及第三輸出電容
Figure 02_image068
之負極，該第一倍壓二極體
Figure 02_image070
之負極分別連接有該第三輸出電容
Figure 02_image071
之正極及負載
Figure 02_image072
之第一端，該第一輸出電容
Figure 02_image074
之負極及該負載
Figure 02_image075
之第二端一併進行接地。
本發明超高升壓轉換器的較佳實施例，其中，該第一變壓器初級側
Figure 02_image028
形成有磁化電感
Figure 02_image076
，該第二變壓器初級側
Figure 02_image030
形成有磁化電感
Figure 02_image078
。
本發明超高升壓轉換器的較佳實施例，其中，該第一變壓器三級側
Figure 02_image063
及該第二變壓器三級側
Figure 02_image066
產生共同漏電感 L S 。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
首先，請參閱第一圖本發明之電路圖所示，本發明之轉換器（１）主要係於輸入電壓
Figure 02_image001
之正極分別連接有電感
Figure 02_image003
之第一端、電容
Figure 02_image005
之負極及電感
Figure 02_image007
之第一端，該電感
Figure 02_image003
之第二端分別連接有二極體
Figure 02_image009
之正極及二極體
Figure 02_image011
之正極，該電感
Figure 02_image013
之第二端分別連接有二極體
Figure 02_image014
之正極及二極體
Figure 02_image016
之正極，該二極體
Figure 02_image009
之負極分別連接有二極體
Figure 02_image018
之負極及第一主開關
Figure 02_image020
之第一端，該二極體
Figure 02_image022
之負極分別連接有二極體
Figure 02_image023
之負極及第二主開關
Figure 02_image025
之第一端，該第一主開關
Figure 02_image020
之第二端、該第二主開關
Figure 02_image027
之第二端與該輸入電壓
Figure 02_image001
之負極一併接地，該電容
Figure 02_image005
之正極分別連接該二極體
Figure 02_image011
之負極、該二極體
Figure 02_image016
之負極、第一變壓器初級側
Figure 02_image028
之第一端及第二變壓器初級側
Figure 02_image030
之第一端，該二極體
Figure 02_image018
之正極分別連接第一變壓器初級側
Figure 02_image032
之第二端、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
之正極及第一升壓電容
Figure 02_image035
之負極，該二極體
Figure 02_image037
之正極分別連接第二變壓器初級側
Figure 02_image038
之第二端、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
之正極及第二升壓電容
Figure 02_image041
之負極，該第二飛輪二極體
Figure 02_image033
之負極分別連接該第二升壓電容
Figure 02_image041
之正極及第一變壓器次級側
Figure 02_image043
之第一端，該第一飛輪二極體
Figure 02_image039
之負極分別連接該第一升壓電容
Figure 02_image035
之正極及第二變壓器次級側
Figure 02_image045
之第一端，該第一變壓器次級側
Figure 02_image047
之第二端連接第二輸出二極體
Figure 02_image048
之正極，該第二變壓器次級側
Figure 02_image045
之第二端連接第一輸出二極體
Figure 02_image050
之正極，該第一輸出二極體
Figure 02_image050
之負極與該第二輸出二極體
Figure 02_image048
之負極一同連接有第一輸出電容
Figure 02_image052
之正極、第二輸出電容
Figure 02_image054
之負極與第二倍壓二極體
Figure 02_image056
之正極，該第二倍壓二極體
Figure 02_image058
之負極連接有第一變壓器三級側
Figure 02_image059
的第一端及第一倍壓二極體
Figure 02_image061
之正極，該第一變壓器三級側
Figure 02_image063
的第二端與該第二變壓器三級側
Figure 02_image064
的第一端相連接，該第二變壓器三級側
Figure 02_image066
的第二端分別連接有該第二輸出電容
Figure 02_image067
之正極及第三輸出電容
Figure 02_image068
之負極，該第一倍壓二極體
Figure 02_image070
之負極分別連接有該第三輸出電容
Figure 02_image071
之正極及負載
Figure 02_image072
之第一端，該第一輸出電容
Figure 02_image074
之負極及該負載
Figure 02_image075
之第二端一併進行接地。
而該轉換器（１）在使用過程中，根據各開關切換和各二極體導通與否，可以將該轉換器（１）在一個切換週期
Figure 02_image100
的動作，分成十個線性階段，請再參閱第二圖本發明之時序圖所示，以下將本發明分為十個工作模式進行分析討論：
預備階段［
Figure 02_image102
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：OFF、第二倍壓二極體
Figure 02_image056
：OFF］：請再一併參閱第三圖本發明之預備操作階段等效線性電路圖所示，在預備階段時，該第一主開關
Figure 02_image020
與該第二主開關
Figure 02_image025
導通(ON)持續一段時間，該二極體
Figure 02_image011
、該二極體
Figure 02_image016
、該第一飛輪二極體
Figure 02_image039
、該第二飛輪二極體
Figure 02_image033
、該第一輸出二極體
Figure 02_image050
、該第二輸出二極體
Figure 02_image048
、該第一倍壓二極體
Figure 02_image070
、該第二倍壓二極體
Figure 02_image099
皆因逆向偏壓而OFF，此時該電感
Figure 02_image003
、該電感
Figure 02_image007
、該第一變壓器初級側
Figure 02_image028
所形成之磁化電感
Figure 02_image104
、該第二變壓器初級側
Figure 02_image030
所形成之磁化電感
Figure 02_image105
，皆因跨輸入電壓
Figure 03_image001
則電流則以斜率
Figure 02_image106
、
Figure 02_image108
線性上升。當該第一主開關
Figure 02_image020
由ON切換至OFF時，該二極體
Figure 02_image009
、該二極體
Figure 02_image018
由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image011
由OFF切換至ON，則該轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第一階段電路動作。
第一階段［
Figure 02_image110
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：OFF、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：OFF、二極體
Figure 02_image018
：OFF、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：ON、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：ON、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：ON、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：OFF、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：ON］：請再一併參閱第四圖本發明之第一操作階段等效線性電路圖所示，該第一主開關
Figure 02_image020
已由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image009
、該二極體
Figure 02_image018
由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image011
由OFF切換至ON，該第二主開關
Figure 02_image025
保持為ON，此時該第二飛輪二極體
Figure 02_image033
、該第一輸出二極體
Figure 02_image050
因該第一變壓器初級側
Figure 02_image028
之電流
Figure 02_image112
保持連續而導通，且該第一主開關
Figure 02_image020
跨壓
Figure 02_image113
被該第二飛輪二極體
Figure 02_image033
箝位在該第二升壓電容
Figure 02_image041
之電壓
Figure 02_image115
。此時該第一輸出二極體
Figure 02_image050
之電流
Figure 02_image117
流經該第二變壓器次級側
Figure 02_image045
，而使電流能量反饋至第二變壓器初級側
Figure 02_image030
，可降低輸入端電流的提供，另該磁化電感
Figure 02_image104
之電流
Figure 02_image119
以斜率
Figure 02_image121
線性下降，當該第一變壓器三級側
Figure 02_image063
及該第二變壓器三級側
Figure 02_image066
所產生之共同漏電感 L S 的電流
Figure 02_image123
上升至
Figure 02_image125
時，會使該第二輸出電容
Figure 02_image067
之電流
Figure 02_image127
轉向，而轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第二階段電路動作。
第二階段［
Figure 02_image129
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：OFF、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：OFF、二極體
Figure 02_image018
：OFF、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：ON、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：ON、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：ON、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：OFF、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：ON］：請再一併參閱第五圖本發明之第二操作階段等效線性電路圖所示，本階段該第一主開關
Figure 02_image020
保持為OFF，該第二主開關
Figure 02_image025
保持為ON，當該第二輸出電容
Figure 02_image067
之電流
Figure 02_image127
換向後，則開始對該第二輸出電容
Figure 02_image067
做充電。該第一主開關
Figure 02_image020
由OFF切換至ON時，則轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第三階段電路動作。
第三階段［
Figure 02_image131
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：OFF、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：ON］：請再一併參閱第六圖本發明之第三操作階段等效線性電路圖所示，該第一主開關
Figure 02_image020
已由OFF切換至ON，則該二極體
Figure 02_image009
、該二極體
Figure 02_image018
由OFF切換至ON，該二極體
Figure 02_image011
因逆向偏壓由ON切換至OFF，該第二主開關
Figure 02_image025
保持為ON，此階段該第二飛輪二極體
Figure 02_image033
、該第一輸出二極體
Figure 02_image050
因為跨逆向偏壓而由ON轉變為OFF，而該漏電感 L S 的電流
Figure 02_image123
保持連續，故該第二倍壓二極體
Figure 02_image099
持續ON。本階段該磁化電感
Figure 02_image104
之電流
Figure 02_image119
以斜率
Figure 02_image133
線性上升，該磁化電感
Figure 02_image135
之電流
Figure 02_image136
以斜率
Figure 02_image138
線性上升，則該漏電感 L S 之電流
Figure 02_image123
以斜率
Figure 02_image140
線性下降。當該漏電感 L S 之電流
Figure 02_image123
下降至
Figure 02_image125
，該第二輸出電容
Figure 02_image067
之電流
Figure 02_image127
換向，則轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第四階段電路動作。
第四階段［
Figure 02_image142
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：OFF、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：ON］：請再一併參閱第七圖本發明之第四操作階段等效線性電路圖所示，該第一主開關
Figure 02_image020
、該第二主開關
Figure 02_image025
保持為ON，此階段在該第二輸出電容
Figure 02_image067
之電流
Figure 02_image127
換向後，則該第二輸出電容
Figure 02_image067
開始對該負載
Figure 02_image075
釋放能量。當該漏電感 L S 之電流
Figure 02_image123
下降至0，會使該第二倍壓二極體
Figure 02_image099
由ON轉變為OFF，則轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第五階段電路動作。
第五階段［
Figure 02_image144
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：OFF、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：OFF］：請再一併參閱第八圖本發明之第五操作階段等效線性電路圖所示，該磁化電感
Figure 02_image104
之電流
Figure 02_image119
及該磁化電感
Figure 02_image146
之電流
Figure 02_image136
分別以
Figure 02_image147
及
Figure 02_image148
線性上升。當該第二主開關
Figure 02_image025
由ON切換至OFF時，則轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第六階段電路動作。
第六階段［
Figure 02_image150
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：OFF、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：OFF、二極體
Figure 02_image037
：OFF、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：ON、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：ON、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：ON、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：ON、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：OFF］：請再一併參閱第九圖本發明之第六操作階段等效線性電路圖所示，本階段該第一主開關
Figure 02_image020
保持為ON，該第二主開關
Figure 02_image025
由ON轉變為OFF，則該二極體
Figure 02_image014
、該二極體
Figure 02_image037
由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image016
由OFF切換至ON，此時該第一飛輪二極體
Figure 02_image039
、該第二輸出二極體
Figure 02_image048
因為該第二變壓器初級側
Figure 02_image152
之電流
Figure 02_image153
保持連續而導通，且該第二主開關
Figure 02_image154
跨壓
Figure 02_image156
被該第一飛輪二極體
Figure 02_image039
箝位在該第一升壓電容
Figure 02_image158
之電壓
Figure 02_image159
。此時該第二輸出二極體
Figure 02_image161
之電流
Figure 02_image162
流經該第一變壓器次級側
Figure 02_image164
，可降低輸入端電流的提供，另該第一倍壓二極體
Figure 02_image070
為了導通則
Figure 02_image165
必須大於0，因此該漏電感 L S 的電流
Figure 02_image123
以斜率
Figure 02_image167
線性下降，下降至
Figure 02_image169
時，會使該第三輸出電容
Figure 02_image171
之電流
Figure 02_image172
換向，而轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第七階段電路動作。
第七階段［
Figure 02_image174
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：OFF、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：OFF、二極體
Figure 02_image037
：OFF、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：ON、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：ON、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：ON、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：ON、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：OFF］：請再一併參閱第十圖本發明之第七操作階段等效線性電路圖所示，本階段該第一主開關
Figure 02_image020
保持為ON，該第二主開關
Figure 02_image025
保持為OFF，在該第三輸出電容
Figure 02_image171
之電流
Figure 02_image172
換向後，則開始對該第三輸出電容
Figure 02_image171
做充電。當第二主開關
Figure 02_image025
由OFF轉變為ON，則轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第八階段電路動作。
第八階段［
Figure 02_image176
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：ON、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：OFF］：請再一併參閱第十一圖本發明之第八操作階段等效線性電路圖所示，本階段該第一主開關
Figure 02_image020
保持為ON，該第二主開關
Figure 02_image025
由OFF轉變為ON，則該二極體
Figure 02_image014
、該二極體
Figure 02_image037
由OFF轉變成ON，該二極體
Figure 02_image178
因該電感
Figure 02_image013
之逆向偏壓
Figure 02_image179
由ON切換至OFF，此階段該第一飛輪二極體
Figure 02_image039
、該第二輸出二極體
Figure 02_image048
因為跨逆向偏壓而由ON轉變為OFF，而因為該漏電感 L S 的電流
Figure 02_image123
保持連續，故該第一倍壓二極體
Figure 02_image181
持續ON。本階段該磁化電感
Figure 02_image104
之電流
Figure 02_image119
以斜率
Figure 02_image182
線性下降，該磁化電感
Figure 02_image184
之電流
Figure 02_image136
以斜率
Figure 02_image185
線性上升，則該漏電感 L S 之電流
Figure 02_image123
以斜率
Figure 02_image187
線性上升。當該漏電感 L S 之電流
Figure 02_image123
上升至
Figure 02_image189
，該第三輸出電容
Figure 02_image190
之電流
Figure 02_image191
換向，則轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第九階段電路動作。
第九階段［
Figure 02_image192
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：ON、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：OFF］：請再一併參閱第十二圖本發明之第九操作階段等效線性電路圖所示，本階段該第一主開關
Figure 02_image020
保持為ON，該第二主開關
Figure 02_image025
保持為ON，在該第三輸出電容
Figure 02_image190
之電流
Figure 02_image191
換向後，該第三輸出電容
Figure 02_image190
對該負載
Figure 02_image075
釋放能量。當該漏電感 L S 之電流
Figure 02_image123
上升至0，會使該第一倍壓二極體
Figure 02_image070
由ON轉變為OFF，則轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image100
下之第十階段電路動作。
第十階段［
Figure 02_image194
］：［第一主開關
Figure 02_image020
：ON、第二主開關
Figure 02_image025
：ON、二極體
Figure 02_image009
：ON、二極體
Figure 02_image018
：ON、二極體
Figure 02_image014
：ON、二極體
Figure 02_image037
：ON、二極體
Figure 02_image011
：OFF、二極體
Figure 02_image016
：OFF、第一飛輪二極體
Figure 02_image039
：OFF、第二飛輪二極體
Figure 02_image033
：OFF、第一輸出二極體
Figure 02_image050
：OFF、第二輸出二極體
Figure 02_image048
：OFF、第一倍壓二極體
Figure 02_image070
：OFF、第二倍壓二極體
Figure 02_image099
：OFF］：請再一併參閱第十三圖本發明之第十操作階段等效線性電路圖所示，本階段該磁化電感
Figure 02_image104
之電流
Figure 02_image119
及該磁化電感
Figure 02_image196
之電流
Figure 02_image136
分別以
Figure 02_image147
及
Figure 02_image148
線性上升。當該第一主開關
Figure 02_image020
由ON轉變為OFF時，該二極體
Figure 02_image009
、該二極體
Figure 02_image018
由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image011
由OFF切換至ON，則轉換器（１）進入下一階段，完成一個切換週期
Figure 02_image100
下之電路動作。
依據上述電路動作分析結果，使用IsSpice模擬軟體及實作結果驗證。設定該轉換器（１）之相關參數為：輸入電壓
Figure 02_image082
20V、輸出電壓
Figure 02_image084
400V、最大輸出功率
Figure 02_image197
500W、切換頻率
Figure 02_image199
40kHz、導通比
Figure 02_image201
0.62、磁化電感
Figure 02_image076
133μH、磁化電感
Figure 02_image078
133μH、第一輸出電容
Figure 02_image074
220μF、第一升壓電容
Figure 02_image035
100μF、第二升壓電容
Figure 02_image041
100μF、第二輸出電容
Figure 02_image054
100μF、第三輸出電容
Figure 02_image068
100μF、變壓器匝數比1：1：1，電感
Figure 02_image003
220μH、電感
Figure 02_image007
220μH；以下以模擬波形檢驗該轉換器（１）的特點［請再一併參閱第十四圖本發明之模擬電路示意圖所示］：
Ａ.電器規格驗證：輸入電壓
Figure 02_image082
、輸出電壓
Figure 02_image084
、導通比
Figure 02_image201
請再一併參閱第十五圖本發明之主開關驅動信號
Figure 02_image092
、輸入電壓
Figure 02_image082
及輸出電壓
Figure 02_image084
的模擬波形圖所示，可知輸入電壓
Figure 02_image203
、輸出電壓
Figure 02_image205
，滿足電氣之需求規格。
Ｂ.輸入電流漣波相消：
Figure 02_image207
、
Figure 02_image208
、
Figure 02_image209
由於該轉換器（１）係以交錯180度依序導通的驅動方式操作，使得該第一變壓器初級側
Figure 02_image028
之電流
Figure 02_image112
與該第二變壓器初級側
Figure 02_image152
之電流
Figure 02_image210
漣波相差180度，因此電流
Figure 02_image112
和電流
Figure 02_image210
之漣波可以相消以降低輸入電流
Figure 02_image209
之漣波。請再一併參閱第十六圖本發明之輸入電流
Figure 02_image086
、
Figure 02_image088
、
Figure 02_image090
的模擬波形圖所示，當電感電流漣波
Figure 02_image211
和
Figure 02_image213
約為12A，輸入電流漣波
Figure 02_image215
約為3.79A，輸入電流
Figure 02_image209
確實因交錯式操作，有漣波相消的性能。
C.第一主開關
Figure 02_image020
與第二主開關
Figure 02_image027
的低電壓應力：
Figure 02_image217
及
Figure 02_image219
因為該該轉換器（１）加入升壓電容，因此主開關跨壓將會被升壓電容給限制住：
Figure 02_image221
、
Figure 02_image223
。請再一併參閱第十七圖本發明之第一主開關
Figure 02_image020
驅動信號
Figure 02_image092
及其跨壓
Figure 02_image225
的模擬波形圖及第十八圖本發明之第二主開關
Figure 02_image027
驅動信號
Figure 02_image226
及其跨壓
Figure 02_image227
的模擬波形圖所示，主開關之跨壓確實約為120V，可知主開關確實擁有遠低於輸出電壓的低電壓應力。
D.減緩二極體反向恢復問題：
Figure 02_image228
、
Figure 02_image230
請再一併參閱第十九圖本發明之第一飛輪二極體
Figure 02_image039
及第二飛輪二極體
Figure 02_image033
的電壓和電流模擬波形圖及第二十圖本發明之第一倍壓二極體
Figure 02_image070
及第二倍壓二極體
Figure 02_image099
的電壓和電流模擬波形圖所示，該第一飛輪二極體
Figure 02_image039
及該第二飛輪二極體
Figure 02_image033
電流先降至零，二極體才轉態為OFF，所以無反向恢復問題，而該第一倍壓二極體
Figure 02_image070
及該第二倍壓二極體
Figure 02_image099
之電流只有一段微小的逆向恢復電流，使得能夠減緩反向恢復問題及EMI雜訊干擾。
藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有技術手段相較之下，本發明主要係具有下列優點：
1.高功率應用：轉換器由於電路架構仍具有並聯連接特性，故可分擔輸入電流，能有效降低電路中儲能元件及開關元件之電流應力，適合應用於高功率的場合。
2.高電力密度：第一主開關
Figure 02_image020
與第二主開關
Figure 02_image027
係以180°的相位差交錯工作，可使輸入電流漣波降低，因此可以使用感值較小之輸入濾波電感，降低電感的體積。
3.低電壓應力：高電壓增益的達成，不必操作在極大的導通比，則主開關具有低於輸出電壓的低電壓應力，故可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET，所以可降低導通損失，提升整體效率。
4.高升壓增益：轉換器可得到極高的升壓增益。
5.高轉換效率：本發明具有能量回饋、可選用低導通電阻MOSFET、電流分流及二極體無反向恢復問題，使電路導通損失可有效降低。
然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
（１）　轉換器
第一圖：本發明之電路圖
第二圖：本發明之時序圖
第三圖：本發明之預備操作階段等效線性電路圖
第四圖：本發明之第一操作階段等效線性電路圖
第五圖：本發明之第二操作階段等效線性電路圖
第六圖：本發明之第三操作階段等效線性電路圖
第七圖：本發明之第四操作階段等效線性電路圖
第八圖：本發明之第五操作階段等效線性電路圖
第九圖：本發明之第六操作階段等效線性電路圖
第十圖：本發明之第七操作階段等效線性電路圖
第十一圖：本發明之第八操作階段等效線性電路圖
第十二圖：本發明之第九操作階段等效線性電路圖
第十三圖：本發明之第十操作階段等效線性電路圖
第十四圖：本發明之模擬電路示意圖
第十五圖：本發明之主開關驅動信號
Figure 02_image080
、輸入電壓
Figure 02_image082
及輸出電壓
Figure 02_image084
的模擬波形圖
第十六圖：本發明之輸入電流
Figure 02_image086
、
Figure 02_image088
、
Figure 02_image090
的模擬波形圖
第十七圖：本發明之第一主開關
Figure 02_image020
驅動信號
Figure 02_image092
及其跨壓
Figure 02_image093
的模擬波形圖
第十八圖：本發明之第二主開關
Figure 02_image027
驅動信號
Figure 02_image095
及其跨壓
Figure 02_image097
的模擬波形圖
第十九圖：本發明之第一飛輪二極體
Figure 02_image039
及第二飛輪二極體
Figure 02_image033
的電壓和電流模擬波形圖
第二十圖：本發明之第一倍壓二極體
Figure 02_image070
及第二倍壓二極體
Figure 02_image099
的電壓和電流模擬波形圖
（１）　轉換器

Claims (3)

  1. 一種超高升壓轉換器，其主要係令轉換器於輸入電壓
    Figure 03_image001
    之正極分別連接有電感
    Figure 03_image003
    之第一端、電容
    Figure 03_image005
    之負極及電感
    Figure 03_image007
    之第一端，該電感
    Figure 03_image003
    之第二端分別連接有二極體
    Figure 03_image009
    之正極及二極體
    Figure 03_image011
    之正極，該電感
    Figure 03_image013
    之第二端分別連接有二極體
    Figure 03_image014
    之正極及二極體
    Figure 03_image016
    之正極，該二極體
    Figure 03_image009
    之負極分別連接有二極體
    Figure 03_image018
    之負極及第一主開關
    Figure 03_image020
    之第一端，該二極體
    Figure 03_image022
    之負極分別連接有二極體
    Figure 03_image023
    之負極及第二主開關
    Figure 03_image025
    之第一端，該第一主開關
    Figure 03_image020
    之第二端、該第二主開關
    Figure 03_image027
    之第二端與該輸入電壓
    Figure 03_image001
    之負極一併接地，該電容
    Figure 03_image005
    之正極分別連接該二極體
    Figure 03_image011
    之負極、該二極體
    Figure 03_image016
    之負極、第一變壓器初級側
    Figure 03_image028
    之第一端及第二變壓器初級側
    Figure 03_image030
    之第一端，該二極體
    Figure 03_image018
    之正極分別連接第一變壓器初級側
    Figure 03_image032
    之第二端、第二飛輪二極體
    Figure 03_image033
    之正極及第一升壓電容
    Figure 03_image035
    之負極，該二極體
    Figure 03_image037
    之正極分別連接第二變壓器初級側
    Figure 03_image038
    之第二端、第一飛輪二極體
    Figure 03_image039
    之正極及第二升壓電容
    Figure 03_image041
    之負極，該第二飛輪二極體
    Figure 03_image033
    之負極分別連接該第二升壓電容
    Figure 03_image041
    之正極及第一變壓器次級側
    Figure 03_image043
    之第一端，該第一飛輪二極體
    Figure 03_image039
    之負極分別連接該第一升壓電容
    Figure 03_image035
    之正極及第二變壓器次級側
    Figure 03_image045
    之第一端，該第一變壓器次級側
    Figure 03_image047
    之第二端連接第二輸出二極體
    Figure 03_image048
    之正極，該第二變壓器次級側
    Figure 03_image045
    之第二端連接第一輸出二極體
    Figure 03_image050
    之正極，該第一輸出二極體
    Figure 03_image050
    之負極與該第二輸出二極體
    Figure 03_image048
    之負極一同連接有第一輸出電容
    Figure 03_image052
    之正極、第二輸出電容
    Figure 03_image054
    之負極與第二倍壓二極體
    Figure 03_image056
    之正極，該第二倍壓二極體
    Figure 03_image058
    之負極連接有第一變壓器三級側
    Figure 03_image059
    的第一端及第一倍壓二極體
    Figure 03_image061
    之正極，該第一變壓器三級側
    Figure 03_image063
    的第二端與該第二變壓器三級側
    Figure 03_image064
    的第一端相連接，該第二變壓器三級側
    Figure 03_image066
    的第二端分別連接有該第二輸出電容
    Figure 03_image067
    之正極及第三輸出電容
    Figure 03_image068
    之負極，該第一倍壓二極體
    Figure 03_image070
    之負極分別連接有該第三輸出電容
    Figure 03_image071
    之正極及負載
    Figure 03_image072
    之第一端，該第一輸出電容
    Figure 03_image074
    之負極及該負載
    Figure 03_image075
    之第二端一併進行接地。
  2. 如申請專利範圍第１項所述超高升壓轉換器，其中，該第一變壓器初級側
    Figure 03_image028
    形成有磁化電感
    Figure 03_image076
    ，該第二變壓器初級側
    Figure 03_image030
    形成有磁化電感
    Figure 03_image078
    。
  3. 如申請專利範圍第１項所述超高升壓轉換器，其中，該第一變壓器三級側
    Figure 03_image063
    及該第二變壓器三級側
    Figure 03_image066
    產生共同漏電感 L S 。
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