TWI693783B

TWI693783B - 具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器

Info

Publication number: TWI693783B
Application number: TW107135626A
Authority: TW
Inventors: 楊隆生; 林家慶; 鄭至焜; 李勁廣
Original assignee: 遠東科技大學
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2020-05-11
Also published as: TW202015323A

Abstract

一具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器接收輸入電壓，並將輸入電壓轉換成輸出電壓給負載，且包含一切換開關、一第一電感、一第二電感、一第三電感、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第五二極體、一第六二極體、一輸出二極體，及一輸出電容，當該切換開關為導通時，該輸入電壓的能量被傳送且儲存至該第一電感、該第二電感、該第三電感，並該輸出電容釋放能量而提供該輸出電壓給該負載，當該切換開關為不導通時，該第一電感、該第二電感，及該第三電感串聯釋放儲存的能量且提供該輸出電壓給該輸出電容及該負載。

Description

具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器

本發明為一種具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器，尤指能提供更寬廣的電壓轉換範圍的具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器。

隨著綠色能源例如水力發電、風力發電、太陽能發電等的蓬勃發展，為使用上的便利，需要具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器將綠色能源產生的電力升壓/降壓轉換成任何電器能使用的電壓範圍。

參閱第一圖，為傳統的具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器，接收一輸入電壓並轉換成一輸出電壓提供給一負載，該直流-直流轉換器包含一切換開關、一電感、一二極體，及一輸入電容，當該切換開關為導通時，該輸入電壓的能量被傳送且儲存至該電感，該輸出電容釋放能量而提供該輸出電壓給該負載，當該切換開關為不導通時，該電感釋放儲存的能量且提供該輸出電壓給該輸出電容及該負載，該輸出電壓與該輸入電壓的電壓增益比為D/(1-D)，其中，D為該切換開關的一責任週期。

然而，在升壓操作時，該直流-直流轉換器的電壓增益比偏低。

因此，本發明之目的，即在提供一種提供更寬廣的電壓轉換範圍的具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器。

於是，本發明具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器接收一輸入電壓，並將該輸入電壓轉換成一輸出電壓給一負載，且包含一切換開關、一第一電感、一第二電感、一第三電感、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第五二極體、一第六二極體、一輸出二極體，及一輸出電容。

該切換開關具有接收該輸入電壓的正極的一第一端，及一第二端，且該切換開關受控制以切換於導通狀態和不導通狀態之間。

該第一電感具有電連接該切換開關的第二端的一第一端，及一第二端。該第二電感具有一第一端，及一第二端。該第三電感具有一第一端，及接收該輸入電壓的負極的一第二端。

該第一二極體具有電連接該第一電感的第二端的一陽極，及接收該輸入電壓的負極的一陰極。該第二二極體具有電連接該第一電感的第二端的一陽極，及電連接該第二電感的第一端的一陰極。該第三二極體具有電連接該切換開關的第二端的一陽極，及電連接該第二二極體的陰極的一陰極。該第四二極體具有電連接該第二電感的第二端的一陽極，及電連接該第一二極體的陰極的一陰極。第五二極體具有電連接該第二電感的第二端的一陽極，及電連接該第三電感的第一端的一陰極。該第六二極體具有電連接該切換開關的第二端的一陽極，及電連接該第五二極體的陰極的一陰極。該輸出二極體具有一陽極，及電連接該第六二極體的陽極的一陰極。

該輸出電容具有電連接該輸出二極體的陽極的一第一端，及電連接該第三電感的第二端的一第二端，且該輸出電容與該負載並聯。

進一步，當該切換開關為導通狀態時，該輸入電壓的能量被傳送且儲存至該第一電感、該第二電感，及該第三電感，並該輸出電容釋放能量而提供該輸出電壓給該負載，當該切換開關為不導通狀態時，該第一電感、該第二電感，及該第三電感串聯釋放儲存的能量且提供該輸出電壓給該輸出電容及該負載。

進一步，該輸出電壓與該輸入電壓的電壓增益比為3D/(1-D)，其中，D為該切換開關切換於導通狀態和不導通狀態之間的一責任週期，且D介於0至1之間。

進一步，該第一電感、該第二電感，及該第三電感的電感值為相同。

進一步，具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器還包含輸出一脈波調變信號的一控制單元，該切換開關接收該脈波調變信號且受該脈波調變信號控制以切換於導通狀態和不導通狀態之間。

進一步，該切換開關為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.藉由該切換開關的切換，配合該第一二極體至該第六二極體是否導通，使該第一電感、該第二電感，及該第三電感切換為並聯或串聯狀態，來儲存或釋放該輸入電壓的能量，及該輸出電容儲存或釋放能量，而使本發明直流-直流轉換器在升壓時具有較高的電壓增益，而有更寬廣的電壓轉換範圍，其中，該電壓增益為3D/(1-D)，D為該切換開關的責任週期。

2.本發明直流-直流轉換器僅需使用一切換開關就可達到更寬廣的電壓轉換範圍，因此具有低成本的功效。

(1):輸入單元

(2):控制單元

(V_in):輸入電壓

(V_o):輸出電壓

(R):負載

(S₁):切換開關

(L₁):第一電感

(L₂):第二電感

(L₃):第三電感

(D₁):第一二極體

(D₂):第二二極體

(D₃):第三二極體

(D₄):第四二極體

(D₅):第五二極體

(D₆):第六二極體

(D_o):輸出二極體

(C_o):輸出電容

(v_GS1):切換開關的閘-源極信號

(i_L1):流過第一電感的電流

(i_L2):流過第二電感的電流

(i_L2):流過第三電感的電流

(i_S1):流過切換開關的電流

(i_D1):流過第一二極體的電流

(i_D2):流過第二二極體的電流

(i_D3):流過第三二極體的電流

(i_D4):流過第四二極體的電流

(i_D5):流過第五二極體的電流

(i_D6):流過第六二極體的電流

(i_Do):流過輸出二極體的電流

(T_s):脈波調變信號的週期時間

(D):切換開關的責任週期

(v_L1):第一電感的跨壓

[第一圖]是傳統的具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器之一電路圖。

[第二圖]是本發明具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器之一實施例的一電路圖。

[第三圖]是該實施例的一操作時序圖。

[第四圖]是該實施例操作於一第一階段的一電路圖。

[第五圖]是該實施例操作於一第二階段的一電路圖。

[第六圖]是該實施例與傳統的具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器的電壓增益比的一曲線圖。

[第七圖]是該實施例操作在一輸入電壓為10V、一輸出電壓為42V，及一滿載輸出功率為60W時，該輸出電壓及該輸入電壓的一模擬波形圖。

[第八圖]是該實施例操作在該輸入電壓為10V、該輸出電壓為42V，及該滿載輸出功率為60W時，一閘-源極信號及一第一電感的跨壓的一模擬波形圖。

[第九圖]是該實施例操作在該輸入電壓為10V、該輸出電壓為42V，及該滿載輸出功率為60W時，流過一第一電感的電流、流過一第二電感的電流，及流過一第三電感的電流的一模擬波形圖。

[第十圖]是該實施例操作在該輸入電壓為10V、該輸出電壓為42V，及該滿載輸出功率為60W時，流過一切換開關的電流、流過一第一二極體的電流，及流過一第二二極體的電流的一模擬波形圖。

[第十一圖]是該實施例操作在該輸入電壓為56V、該輸出電壓為42V，及該滿載輸出功率為60W時，該輸入電壓及該輸出電壓的一模擬波形圖。

[第十二圖]是該實施例操作在該輸入電壓為56V、該輸出電壓為42V，及該滿載輸出功率為60W時，該閘-源極信號及該第一電感的跨壓的一模擬波形圖。

[第十三圖]是該實施例操作在該輸入電壓為56V、該輸出電壓為42V，及該滿載輸出功率為60W時，流過該第一電感的電流、流過該第二電感的電流，及流過該第三電感的電流的一模擬波形圖。

[第十四圖]是該實施例操作在該輸入電壓為56V、該輸出電壓為42V，及該滿載輸出功率為60W時，流過該切換開關的電流、流過該第一二極體的電流，及流過該第二二極體的電流的一模擬波形圖。

參閱第二圖，本發明具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器的一實施例適用於接收一輸入單元1輸出的一輸入電壓V_in，並將該輸入電壓V_in轉換成一輸出電壓V_o給一負載R，該輸入單元1可例如一綠色能源，該輸入電壓V_in為一直流電壓，該輸出電壓V_o亦為一直流電壓，該具降壓及升壓功能之直流-直流轉換器包含一切換開關S₁、一第一電感L₁、一第二電感L₂、一第三電感L₃、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、一第五二極體D₅、一第六二極體D₆、一輸出二極體D_o、一輸出電容C_o，及一控制單元2。

該切換開關S₁為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體，且具有接收該輸入電壓V_in的正極的一第一端，及一第二端，並受控制以切換於導通狀態和不導通狀態之間，其中，該第一端為一汲極，該第二端為一源極。

該第一電感L₁具有電連接該切換開關S₁的第二端的一第一端，及一第二端。該第二電感L₂具有一第一端，及一第二端。該第三電感L₃具有一第一端，及接收該輸入電壓V_in的負極的一第二端。其中，該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃的電感值為相同。

該第一二極體D₁具有電連接該第一電感L₁的第二端的一陽極，及接收該輸入電壓V_in的負極的一陰極。該第二二極體D₂具有電連接該第一電感L₁的第二端的一陽極，及電連接該第二電感L₂的第一端的一陰極。該第三二極體D₃具有電連接該切換開關S₁的第二端的一陽極，及電連接該第二二極體D₂的陰極的一陰極。該第四二極體D₄具有電連接該第二電感L₂的第二端的一陽極，及電連接該第一二極體D₁的陰極的一陰極。該第五二極體D₅具有電連接該第二電感L₂的第二端的一陽極，及電連接該第三電感L₃的第一端的一陰極。該第六二極體D₆具有電連接該切換開關S₁的第二端的一陽極，及電連接該第五二極體D₅的陰極的一陰極。該輸出二極體D_o具有一陽極，及電連接該第六二極體D₆的陽極的一陰極。

該輸出電容C_o具有電連接該輸出二極體D_o的陽極的一第一端，及接收該輸入電壓V_in的負極的一第二端。該負載R與該輸出電容C_o並聯，以接收該輸出電壓V_o。

該控制單元2輸出一脈波調變信號，該切換開關S₁接收該脈波調變信號且受該脈波調變信號控制以切換於導通狀態和不導通狀態之間。以下將以二階段進一步說明該切換開關S₁的切換時序圖。

參閱第三圖，為本實施例的操作時序圖，其中，參數v_GS1代表控制該切換開關S₁是否導通的該脈波調變信號的電壓，也是該切換開關S₁的閘-源極信號，參數i_L1、i_L2、i_L3分別代表流過該第一電感、該第二電感，及該第三電感的電流，參數i_S1代表流過該切換開關S₁的電流，參數i_D1、i_D3、i_D4、i_D6分別代表流過該第一二極體、該第三二極體、該第四二極體，及該第六二極體的電流，參數i_D2、i_D5、i_D0分別代表流過該第二二極體、該第五二極體，及該輸出二極體的電流，參數T_S代表該脈波調變信號的週期時間，參數D為該切換開關S₁切換於導通狀態和不導通狀態之間的一責任週期，且D介於0至1之間。

參閱第四圖及第五圖，為本實施例操作於二階段的電路圖，其中，導通的元件以實線表示，不導通的元件以虛線表示。

第一階段(時間：t₀-t₁)：

參閱第三圖及第四圖，其中，該切換開關S₁的閘-源極信號v_GS1大於零，該切換開關S₁為導通狀態，該第二二極體D₂、該第五二極體D₅，及該輸出二極體D_o為不導通。

第一階段的電流路徑如第四圖的箭頭所示。該輸入單元1輸出能量經過該切換開關S₁傳送給該第一電感L₁、經過該第三二極體D₃傳送給該第二電感L₂，及經過該第六二極體D₆傳送給該第三電感L₃，則該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃並聯且儲存從該輸入單元1接收的能量。因該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃的電感值為相同，因此分別跨於該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃的電壓值皆等於該輸入電壓V_in，則流過該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃的電流呈線性增加，使流過該切換開關S₁的電流也呈線性增加，並流過導通的該第一二極體D₁、該第三二極體D₃、該第四二極體D₄，及該第六二極體D₆的電流也呈線性增加。該第二二極體D₂、該第五二極體D₅，及該輸出二極體D_o不導通，則分別流過的電流皆為零。該輸出電容C_o釋放能量且提供該輸出電壓V_o給該負載R。當時間為t₁，該切換開關S₁受控制切換為不導通狀態時，第一階段結束。

第二階段(時間：t₁-t₂)：

參閱第三圖及第五圖，其中，該切換開關S₁的閘-源極信號v_GS1等於零，該切換開關S₁為不導通狀態，且流經該切換開關S₁的電流i_S1為零，該第一二極體D₁、該第三二極體D₃、該第四二極體D₄，及該第六二極體D₆為不導通。

第二階段的電流路徑如第五圖的箭頭所示。該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃串聯並釋放儲存的能量給該輸出電容C_o及該負載R，使該輸出電容C_o及該負載R的跨壓皆為該輸出電壓V_o，此時，分別跨於該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃的電壓值皆等於-Vo/3，因該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃釋放能量，因此，流過該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃的電流i_L1、i_L2、i_L3呈線性減少，使流過該第二二極體D₂、該第五二極體D₅，及該輸出二極體D_o的電流i_D2、i_D5、i_Do也呈線性減少。流過該第一二極體D₁、該第三二極體D₃、該第四二極體D₄，及該第六二極體D₆的電流i_D1、i_D3、i_D4、i_D6皆為零。當時間為t₂，該切換開關S₁受控制又切換為導通狀態時，第二階段結束，且重新回到第一階段，開始新的週期。

在第一階段及第二階段中，根據伏秒平衡原理於該第一電感L₁，可得到該輸出電壓V_o與該輸入電壓V_in的電壓增益比為3D/(1-D)。

參閱第六圖，為本發明與傳統的該直流-直流轉換器的該電壓增益比之比較，很明顯的，在同樣的該責任週期D的狀態，本發明的該電壓增益比優於傳統的該直流-直流轉換器。

本發明操作在該輸入電壓V_in為10伏特、該責任週期D約為0.58，得到該輸出電壓V_o為42伏特、滿載輸出功率為60W之模擬波形圖，如第七圖至第十圖所示。

參閱第七圖，為該輸出電壓V_o及該輸入電壓V_in的模擬波形。橫軸為時間，刻度為10ms/div，縱軸為電壓，刻度為10V/div。由此圖可驗證本發明可將一低直流電壓轉換成一高直流電壓，的確可提供一高電壓增益之功效。

參閱第八圖，為該第一電感L₁的跨壓v_L1及該切換開關S₁的閘-源極信號v_GS1的模擬波形。橫軸為時間，刻度為25μs/div，縱軸為電壓，刻度為v_L1：10V/div。其中，當該切換開關S₁為導通狀態，v_L1=V_in=10V。當該切換開關S₁為不導通狀態，v_L1=-V_o/3=-14V。

參閱第九圖，為流過該第一電感L₁、該第二電L₂，及該第三電感L₃的電流i_L1、i_L2、i_L3的模擬波形。橫軸為時間，刻度為25μs/div，縱軸為電流，刻度為2.5A/div。

參閱第十圖，為流過該切換開關S₁、該第一二極體D₁，及該第二二極體D₂的電流i_S1、i_D1、i_D2的模擬波形。橫軸為時間，刻度為25μs/div，縱軸為電流，刻度為5A/div。從以上模擬波形的顯示，驗證本發明的升壓實施與前述的分析相符。

本發明操作在該輸入電壓V_in為56伏特、該責任週期D約為0.2，得到該輸出電壓V_o為42伏特、滿載輸出功率為60W之模擬波形圖，如第十一圖至第十四圖所示。

參閱第十一圖，為該輸入電壓V_in及該輸出電壓V_o的模擬波形。橫軸為時間，刻度為10ms/div，縱軸為電壓，刻度為10V/div。由此圖可驗證本發明還可將一高直流電壓轉換成一低直流電壓。

參閱第十二圖，為該第一電感L₁的跨壓及該切換開關S₁的閘-源極信號v_GS1的模擬波形。橫軸為時間，刻度為25μs/div，縱軸為電壓，刻度為v_L1：20V/div。其中，當該切換開關S₁為導通狀態，v_L1=V_in=56V。當該切換開關S₁為不導通狀態，v_L1=-V_o/3=-14V。

參閱第十三圖，為流過該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃的電流的模擬波形。橫軸為時間，刻度為25μs/div，縱軸為電流，刻度為2A/div。

參閱第十四圖，為流過該切換開關S₁、該第一二極體D₁，及該第二二極體D₂的電流的模擬波形。橫軸為時間，刻度為25μs/div，縱軸為電流，刻度為2A/div。從以上模擬波形的顯示，亦驗證本發明的降壓實施與前述的分析相符。

綜上所述，上述實施例具有以下優點：

1.藉由該切換開關S₁的切換，配合該第一二極體D₁至該第六二極體D₆是否導通，使該第一電感L₁、該第二電感L₂，及該第三電感L₃為並聯或串聯狀態，來儲存或釋放該輸入電壓V_in的能量，及該輸出電容C_o儲存或釋放能量，而使本發明該直流-直流轉換器在升壓時具有較高的電壓增益，而有更寬廣的電壓轉換範圍，其中，電壓增益為3D/(1-D)，D為該切換開關的責任週期。

2.本發明直流-直流轉換器僅需使用該切換開關S₁就可達到更寬廣的電壓轉換範圍，因此具有低成本的功效。

綜合上述優點確實能達成本發明的目的。

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。