TWI719906B

TWI719906B - 升壓電路

Info

Publication number: TWI719906B
Application number: TW109118892A
Authority: TW
Inventors: 黃文育; 林信晃
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2021-02-21
Also published as: TW202147759A

Abstract

本發明提出一種升壓電路，用於一直流電壓源與一負載。此升壓電路包括電感、四個開關元件、飛跨電容與鉗位電路。鉗位電路電性連接至飛跨電容的一端與直流電壓源的電壓負端。此鉗位電路包括一鉗位元件與放大器。當飛跨電容的該端上的電位大於臨界值時鉗位元件導通並致能放大器，使飛跨電容的充電電流流經放大器。

Description

升壓電路

本揭露是關於一升壓電路，改良了傳統飛跨電容轉換器(flying capacitor converter，FCC)的拓撲結構。

圖1是根據習知技術繪示飛跨電容轉換器的電路圖。請參照圖1，習知的飛跨電容轉換器包括了電感L、電晶體M1、電晶體M2，二極體D1、二極體D2，飛跨電容C1以及電容C2、C3，此飛跨電容轉換器用以將直流電壓源DC輸出的直流電壓升壓並輸出至直流交流轉換器110。此電路的優點在於電晶體M1與電晶體M2是串聯，因此具有分壓效果，藉此可以採用耐壓較低的電晶體M1與電晶體M2。然而，在初始狀態下，飛跨電容C1上沒有電壓，因此二極體D2與電晶體M2會承受全部的輸入電壓，這有可能導致二極體D2與電晶體M2會在瞬間燒毀。如何解決此問題，為此領域技術人員所關心的議題。

本發明的實施例提出一種升壓電路，用於第一直流電壓源與一負載。此升壓電路包括電感、第一開關元件、第二開關元件、第三開關元件、第四開關元件、飛跨電容與鉗位電路。電感的第一端電性連接至第一直流電壓源的電壓正端。第一開關元件的第一端電性連接至電感的第二端。第二開關元件電性連接在第一開關元件與第一直流電壓源的電壓負端之間。第三開關元件電性連接在電感的第二端與負載之間。第四開關元件電性連接在第三開關元件與負載之間。飛跨電容的第一端電性連接至第三開關元件與第四開關元件之間，飛跨電容的第二端電性連接至第一開關元件與第二開關元件之間。匯流排電容電性連接至第四開關元件與負載。鉗位電路電性連接至飛跨電容的第二端與第一直流電壓源的電壓負端。此鉗位電路包括第一鉗位元件與放大器。當飛跨電容的第二端上的電位大於臨界值時第一鉗位元件導通並致能放大器，使飛跨電容的充電電流流經放大器。

在一些實施例中，上述的匯流排電容包括第一電容與第二電容。第一電容的第一端電性連接至第四開關元件。第二電容的第一端電性連接至第一電容的第二端，第二電容的第二端電性連接至第一直流電壓源的電壓負端。鉗位電路還包括二極體，上述的放大器為PNP型雙極性接面電晶體，第一鉗位元件為鉗位二極體。PNP型雙極性接面電晶體的射極電性連接至飛跨電容的第二端，基極電性連接至鉗位二極體的負極，集極電性連接至二極體的正極。鉗位二極體的正極電性連接至第一直流電壓源的電壓負端，二極體的負極電性連接至第二電容的第一端。

在一些實施例中，上述的鉗位電路還包括電阻，上述的放大器為絕緣閘雙極電晶體或金氧半場效電晶體，其具有閘極、第一端、第二端與一臨界電壓。上述的第一鉗位元件為第一鉗位二極體。第一鉗位二極體的負極電性連接至飛跨電容的第二端，第一鉗位二極體的正極電性連接至電阻的第一端。上述電阻的第二端電性連接至第一直流電壓源的電壓負端。上述放大器的閘極電性連接至第一鉗位二極體的正極，第一端電性連接至飛跨電容的第二端，第二端電性連接至第一直流電壓源的電壓負端。

在一些實施例中，上述的鉗位電路還包括第二鉗位二極體，其正極電性連接至第一直流電壓源的電壓負端，負極電性連接至放大器的閘極。

在一些實施例中，第二鉗位二極體的崩潰電壓實質上相同於放大器的臨界電壓。

在一些實施例中，上述的鉗位電路還包括第二直流電壓源。上述的放大器為PNP型雙極性接面電晶體，第一鉗位元件為鉗位二極體。PNP型雙極性接面電晶體的射極電性連接至飛跨電容的第二端，基極電性連接至鉗位二極體的負極，集極電性連接至第二直流電壓源的電壓正端。鉗位二極體的正極與第二直流電壓源的電壓負端電性連接至第一直流電壓源的電壓負端。

在一些實施例中，上述的鉗位電路還包括電阻與瞬態電壓抑制二極體，放大器為PNP型雙極性接面電晶體，第一鉗位元件為鉗位二極體。PNP型雙極性接面電晶體的射極電性連接至飛跨電容的第二端，基極電性連接至鉗位二極體的負極，集極電性連接至電阻的第一端。鉗位二極體的正極電性連接至第一直流電壓源的電壓負端。瞬態電壓抑制二極體電性連接在PNP型雙極性接面電晶體的集極與第一直流電壓源的電壓負端之間。電阻的第二端電性連接至第二電容的第一端。

在一些實施例中，升壓電路還包括第二鉗位元件與二極體，其中第二鉗位元件的第一端電性連接至第三開關元件與第四開關元件之間，第二鉗位元件的第二端電性連接至二極體的負極，二極體的正極電性連接至第一電容的第二端。

在一些實施例中，上述的負載為直流交流轉換器。

在一些實施例中，第三開關元件與第四開關元件分別為二極體。

在上述的升壓電路中，透過鉗位電路的設計可以讓第二開關單元避免在初始階段燒毀。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

關於本文中所使用之「第一」、「第二」等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。另外，關於本文中所使用之「電性連接」，可指二個元件直接地或間接地作連接。也就是說，當描述「第一元件電性連接至第二元件」時，第一元件與第二元件之間還可設置其他電子元件。

圖2是根據一實施例繪示升壓電路的電路示意圖。請參照圖，此升壓電路200是用於第一直流電壓源DC1與負載210，此負載210可以是直流交流轉換器或其他任意合適的負載，第一直流電壓源DC1可為電池、電容或太陽能發電裝置等任何可提供電壓的裝置，亦不限定是否為固定電壓。升壓電路200包括了電感L、第一開關元件S1、第二開關元件S2、第三開關元件S3、第四開關元件S4、飛跨電容C1、至少一個匯流排電容C _b以及鉗位電路220。上述的開關元件可以是絕緣柵雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效電晶體、二極體或其他合適的開關元件。舉例來說，當升壓電路200為雙向時，這些開關元件可為金屬氧化物半導體場效電晶體或絕緣柵雙極電晶體。在一些實施例中，第三開關元件S3與第四開關元件S4可以是二極體。

電感L的第一端電性連接至第一直流電壓源DC1的電壓正端，第一開關元件S1的第一端電性連接至電感L的第二端(節點N1)。第二開關元件S2電性連接在第一開關元件S1與第一直流電壓源DC1的電壓負端之間。第三開關元件S3電性連接在電感L的第二端(節點N1)與負載210之間。第四開關元件S4電性連接在第三開關元件S3與負載210之間。飛跨電容C1的第一端電性連接至第三開關元件S3與第四開關元件S4之間(節點N2)，飛跨電容C1的第二端電性連接至第一開關元件S1與第二開關元件S2之間(節點N3)。匯流排電容Cb電性連接至第四開關元件S4與負載210，在一些實施例中當設置多個匯流排電容Cb時，這些匯流排電容Cb是彼此串聯。

特別的是，鉗位電路220電性連接至飛跨電容C1的第二端(節點N3)與第一直流電壓源DC1的電壓負端。鉗位電路220包括第一鉗位元件221與放大器222。當飛跨電容C1的第二端(節點N3)上的電位大於一臨界值時第一鉗位元件221導通並致能放大器222，使飛跨電容C1的充電電流223流經放大器220。舉例來說，放大器222可以達成一個電流控制電流源，受控於流經第一鉗位元件221的電流以形成充電電流223。在一些實施例中，放大器222也可以達成壓控電流源，流經第一鉗位元件221的電流可以形成一分壓來控制此壓控電流源以形成充電電流223。如此一來，節點N3上的電壓會被鉗位，避免第二開關元件S2上的跨壓過大，在初始階段可以避免第二開關元件S2燒毀。以下將舉多個實施例來說明鉗位電路220。

圖3是根據一實施例繪示升壓電路的電路圖。在圖3的實施例中，匯流排電容共有兩個，分別為第一電容C _b1與第二電容C _b2，第一電容C _b1的第一端電性連接至第四開關元件S4，第二電容C _b2的第一端電性連接至第一電容C _b1的第二端(節點N4)，第二電容C _b2的第二端電性連接至第一直流電壓源DC1的電壓負端。上述的放大器222為PNP型雙極性接面電晶體，第一鉗位元件221為鉗位二極體，鉗位二極體可例如齊納二極體或瞬態電壓抑制二極體(transient-voltage-suppression iode)等具電壓崩潰而鉗位於大致固定電壓特性的元件，圖3以齊納二極體示意。以下將以“PNP型雙極性接面電晶體222”以及“齊納二極體221”為例繼續說明。鉗位電路220還包括二極體301。PNP型雙極性接面電晶體222的射極電性連接至飛跨電容C1的第二端(節點N3)。PNP型雙極性接面電晶體222的基極電性連接至齊納二極體221的負極，齊納二極體221的正極電性連接至第一直流電壓源DC1的電壓負端。PNP型雙極性接面電晶體222的集極電性連接至二極體301的正極，二極體301的負極電性連接至第二電容C _b2的第一端(節點N4)。如此一來，當節點N3的電壓大於臨界值時， PNP型雙極性接面電晶體222會導通，而齊納二極體221會崩潰，充電電流223會流經二極體301至節點N4，二極體301是為了避免電流從節點N4回流。

在一些實施例中，升壓電路還包括鉗位元件Z1與二極體D3，用來保護第四開關元件S4。此鉗位元件Z1亦可為齊納二極體或是瞬態電壓抑制二極體。鉗位元件Z1的第一端電性連接至第三開關元件S3與第四開關元件S4之間(節點N2)，鉗位元件Z1的第二端電性連接至二極體D3的負極，二極體D3的正極電性連接至第一電容C _b1的第二端(節點N4)。

圖4是根據一實施例繪示升壓電路的電路圖。在圖4的實施例中，放大器222為絕緣閘雙極電晶體或金氧半場效電晶體，其具有閘極、第一端T1與第二端T2。類似前述，第一鉗位元件221為鉗位二極體，此處以齊納二極體示意。鉗位電路220還包括電阻401。在此將以“電晶體222”與“齊納二極體221”為例繼續說明。齊納二極體221的負極電性連接至飛跨電容C1的第二端(節點N3)，齊納二極體221的正極電性連接至401電阻的第一端(節點N5)，電阻401的第二端電性連接至第一直流電壓源DC1的電壓負端。電晶體222的閘極電性連接至齊納二極體221的正極，第一端T1電性連接至飛跨電容C1的第二端(節點N3)，第二端T2電性連接至第一直流電壓源DC1的電壓負端。當節點N3的電壓超過臨界值時，齊納二極體221崩潰產生電流通過電阻401並在節點N5產生分壓，此分壓導通電晶體222，使得充電電流223流經過電晶體222。在一些實施例中，電阻401的電阻值是設定為節點N5的電壓實質上相同於電晶體222的臨界電壓。在此，“實質上”可包括5%的誤差。藉由元件設計，電晶體222可操作在飽和模式。值得注意的是，電阻401的電阻值必須避免節點N5的電壓太大使得電晶體222完全導通，那會使得節點N3的電壓為0。

圖5是根據一實施例繪示升壓電路的電路圖。圖5與圖4的不同之處在於圖5還設置了另一鉗位二極體，此處以齊納二極體Z2為例說明，此齊納二極體Z2的正極電性連接至第一直流電壓源DC1的電壓負端，負極電性連接至電晶體222的閘極(節點N5)。此外，齊納二極體Z2的崩潰電壓實質上相同於電晶體222的臨界電壓。如此一來，避免節點N5的電壓太大使得電晶體222完全導通，換言之，設置齊納二極體Z2是為了避免節點N5上的電壓超過了電晶體222的臨界電壓。

圖6是根據一實施例繪示升壓電路的電路圖。在圖6的實施例中，放大器222是PNP型雙極性接面電晶體，第一鉗位元件221為鉗位二極體，此處以齊納二極體示意。在此將以“PNP型雙極性接面電晶體222”與“齊納二極體221”為例繼續說明。鉗位電路220還包括第二直流電壓源DC2。PNP型雙極性接面電晶體222的射極電性連接至飛跨電容C1的第二端(節點N3)，基極電性連接至齊納二極體221的負極，集極電性連接至第二直流電壓源DC2的電壓正端。齊納二極體221的正極與第二直流電壓源DC2的電壓負端都電性連接至第一直流電壓源DC1的該電壓負端。第二直流電壓源DC2的用途在於降低PNP型雙極性接面電晶體222的射極與集極之間的跨壓，第二直流電壓源DC2可使用一電容來實現。

圖7是根據一實施例繪示升壓電路的電路圖。在圖7的實施例中，鉗位電路220還包括了電阻701與瞬態電壓抑制二極體702，放大器222為PNP型雙極性接面電晶體，第一鉗位元件221為鉗位二極體，此處以齊納二極體示意。在此，將以“電晶體222”與“齊納二極體221”為例繼續說明。電晶體222的射極電性連接至飛跨電容C1的第二端(節點N3)。電晶體222的基極電性連接至齊納二極體221的負極，齊納二極體221的正極電性連接至第一直流電壓源DC1的電壓負端。電晶體222的集極電性連接至電阻701的第一端，電阻701的第二端電性連接至第二電容C _b2的第一端(節點N4)。瞬態電壓抑制二極體702則電性連接在電晶體222的集極與第一直流電壓源DC1的電壓負端之間。當節點N3的電壓大於臨界值時，透過電晶體222的PN介面使得齊納二極體221崩潰產生電流，飛跨電容C1上較大的電流會流經瞬態電壓抑制二極體702。電阻701的作用是要讓瞬態電壓抑制二極體702一直持續在偏壓狀態，藉此降低電晶體222的跨壓。

在上述的升壓電路中，透過鉗位電路的設計可以讓第二開關單元S2避免在初始階段燒毀。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

DC:直流電壓源 L:電感 M1,M2:電晶體 D1,D2:二極體 C1:飛跨電容 C2,C3:電容 110:直流交流轉換器 200:升壓電路 DC1:第一直流電壓源 N1,N2,N3,N4,N5:節點 S1:第一開關元件 S2:第二開關元件 S3:第三開關元件 S4:第四開關元件 C _b:匯流排電容 210:負載 220:鉗位電路 221:第一鉗位元件 222:放大器 223:充電電流 C _b1:第一電容 C _b2:第二電容 Z1:鉗位元件 D3,301:二極體 401:電阻 Z2:齊納二極體 T1:第一端 T2:第二端 DC2:第二直流電壓源 701:電阻 702:瞬態電壓抑制二極體

[圖1]是根據習知技術繪示飛跨電容轉換器的電路圖。 [圖2]是根據實施例繪示升壓電路的電路示意圖。 [圖3]至[圖7]是根據一些實施例繪示升壓電路的電路圖。

200:升壓電路

L:電感

DC1:第一直流電壓源

N1,N2,N3:節點

S1:第一開關元件

S2:第二開關元件

S3:第三開關元件

S4:第四開關元件

C_b:匯流排電容

C1:飛跨電容

210:負載

220:鉗位電路

221:第一鉗位元件

222:放大器

223:充電電流

Claims

一種升壓電路，用於一第一直流電壓源與一負載，該升壓電路包括：一電感，其第一端電性連接至該第一直流電壓源的一電壓正端；一第一開關元件，其第一端電性連接至該電感的第二端；一第二開關元件，電性連接在該第一開關元件與該第一直流電壓源的一電壓負端之間；一第三開關元件，電性連接在該電感的該第二端與該負載之間；一第四開關元件，電性連接在該第三開關元件與該負載之間；一飛跨電容，其第一端電性連接至該第三開關元件與該第四開關元件之間，該飛跨電容的第二端電性連接至該第一開關元件與該第二開關元件之間；至少一匯流排電容，電性連接至該第四開關元件與該負載；以及一鉗位電路，電性連接至該飛跨電容的該第二端與該第一直流電壓源的該電壓負端，其中該鉗位電路包括一第一鉗位元件與一放大器，其中當該飛跨電容的該第二端上的電位大於一臨界值時該第一鉗位元件導通並致能該放大器，使該飛跨電容的一充電電流流經該放大器。
如請求項1所述之升壓電路，其中該至少一匯流排電容包括：一第一電容，其第一端電性連接至該第四開關元件；以及一第二電容，其第一端電性連接至該第一電容的第二端，該第二電容的第二端電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端，其中該鉗位電路還包括一二極體，該放大器為一PNP型雙極性接面電晶體，該第一鉗位元件為一鉗位二極體，其中該PNP型雙極性接面電晶體的射極電性連接至該飛跨電容的該第二端，基極電性連接至該鉗位二極體的負極，集極電性連接至該二極體的正極，該鉗位二極體的正極電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端，該二極體的負極電性連接至該第二電容的該第一端。
如請求項1所述之升壓電路，其中該鉗位電路還包括一電阻，該放大器為一絕緣閘雙極電晶體或一金氧半場效電晶體，該放大器具有閘極、第一端、第二端與一臨界電壓，並且該第一鉗位元件為一第一鉗位二極體，其中該第一鉗位二極體的負極電性連接至該飛跨電容的該第二端，該第一鉗位二極體的正極電性連接至該電阻的第一端，該電阻的第二端電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端，該放大器的該閘極電性連接至該第一鉗位二極體的正極，該第一端電性連接至該飛跨電容的該第二端，該第二端電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端。
如請求項3所述之升壓電路，其中該鉗位電路還包括一第二鉗位二極體，其正極電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端，負極電性連接至該放大器的該閘極。
如請求項4所述之升壓電路，其中該第二鉗位二極體的一崩潰電壓實質上相同於該放大器的該臨界電壓。
如請求項1所述之升壓電路，其中該鉗位電路還包括一第二直流電壓源，該放大器為一PNP型雙極性接面電晶體，該第一鉗位元件為一鉗位二極體，其中該PNP型雙極性接面電晶體的射極電性連接至該飛跨電容的該第二端，基極電性連接至該鉗位二極體的負極，集極電性連接至該第二直流電壓源的電壓正端，該鉗位二極體的正極與該第二直流電壓源的電壓負端電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端。
如請求項1所述之升壓電路，其中該至少一匯流排電容包括：一第一電容，其第一端電性連接至該第四開關元件；以及一第二電容，其第一端電性連接至該第一電容的第二端，該第二電容的第二端電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端，其中該鉗位電路還包括一電阻與一瞬態電壓抑制二極體，該放大器為一PNP型雙極性接面電晶體，該第一鉗位元件為一鉗位二極體，其中該PNP型雙極性接面電晶體的射極電性連接至該飛跨電容的該第二端，基極電性連接至該鉗位二極體的負極，集極電性連接至該電阻的第一端，該鉗位二極體的正極電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端，該瞬態電壓抑制二極體電性連接在該PNP型雙極性接面電晶體的該集極與該第一直流電壓源的該電壓負端之間，該電阻的第二端電性連接至該第二電容的該第一端。
如請求項1所述之升壓電路，其中該至少一匯流排電容包括：一第一電容，其第一端電性連接至該第四開關元件；以及一第二電容，其第一端電性連接至該第一電容的第二端，該第二電容的第二端電性連接至該第一直流電壓源的該電壓負端，該升壓電路還包括一第二鉗位元件與一二極體，其中該第二鉗位元件的第一端電性連接至該第三開關元件與該第四開關元件之間，該第二鉗位元件的第二端電性連接至該二極體的負極，該二極體的正極電性連接至該第一電容的該第二端。
如請求項1所述之升壓電路，其中該負載為一直流交流轉換器。
如請求項1所述之升壓電路，其中該第三開關元件與該第四開關元件分別為一二極體。