TWI727789B - 飛跨電容轉換器 - Google Patents

飛跨電容轉換器 Download PDF

Info

Publication number
TWI727789B
TWI727789B TW109115539A TW109115539A TWI727789B TW I727789 B TWI727789 B TW I727789B TW 109115539 A TW109115539 A TW 109115539A TW 109115539 A TW109115539 A TW 109115539A TW I727789 B TWI727789 B TW I727789B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
capacitor
diode
voltage
contact
switch
Prior art date
Application number
TW109115539A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202110061A (zh
Inventor
黃文育
辛偉綸
林信晃
Original Assignee
台達電子工業股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 台達電子工業股份有限公司 filed Critical 台達電子工業股份有限公司
Publication of TW202110061A publication Critical patent/TW202110061A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI727789B publication Critical patent/TWI727789B/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/866—Zener diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4837—Flying capacitor converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H02M1/346—Passive non-dissipative snubbers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

一種飛跨電容轉換器包含電感、第一開關與第二開關、第一二極體與第二二極體、第一電容與第二電容、飛跨電容、一第三二極體與一第三電容、一第四二極體以及一第五二極體。電感耦接第一接點。第一開關與第二開關共接於第二接點。第一二極體與第二二極體共接於第三接點。第一電容與第二電容共接於第四接點。飛跨電容耦接第二接點與第三接點。該第三二極體與該第三電容共接於一第五接點。該第五二極體耦接該第三接點與該第四接點。

Description

飛跨電容轉換器
本發明係有關一種飛跨電容轉換器，尤指一種飛跨電容轉換器的充電和電路保護機制。
請參見圖1所示，其係為傳統飛跨電容轉換器(flying capacitor converter,FCC)的電路圖。飛跨電容轉換器本質上是一種直流對直流升壓轉換器，用以將一直流輸入電壓升壓為一直流輸出電壓。該飛跨電容轉換器包含一電感L、一第一開關S1、一第二開關S2、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一飛跨電容CF1以及一輸出電容C。該第一開關S1與該第二開關S2串接，且共接於一接點PS；該第一二極體D1與該第二二極體D2串接，且共接於一接點PD。該飛跨電容CF1耦接於該接點PS與該接點PD之間。其中，藉由該第一開關S1與該第二開關S2的導通與關斷控制該直流輸出電壓。
該電感L的第一端耦接一直流輸入電壓Vdc的正極，該電感L的第二端耦接該第一二極體D1的陽極。該第一開關S1串聯耦接該第二開關S2，其中該第一開關S1的第二端與該第二開關S2的第一端共接於該接點PS。該第一開關S1的第一端與該電感L的第二端、該第一二極體D1的陽極共接於一接點PL，且該第二開關S2的第二端耦接該直流輸入電壓Vdc的負極。
該第一二極體D1串聯耦接該第二二極體D2，其中該第一二極體D1的陰極與該第二二極體D2的陽極共接於一接點PD。該飛跨電容CF1耦接於該接點PD與該接點PS之間。該輸出電容C的第一端耦接該第二二極體D2的陰極，該輸出電容C的第二端耦接該直流輸入電壓Vdc的負極。該飛跨電容轉換器的輸出，即該輸出電容C耦接一負載，該輸出電容C僅為示意，實際上可能由多個電容串並聯組成。
然而，傳統的飛跨電容轉換器具有以下的缺點或問題：(1)、該第二開關S2耐壓的問題；以及(2)、該第二二極體D2耐壓的問題。
為此，如何設計出一種飛跨電容轉換器，來解決前述的技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之一目的在於提供一種飛跨電容轉換器，解決現有技術之問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的飛跨電容轉換器，其係接收一直流輸入電壓以轉換為一直流輸出電壓。該飛跨電容轉換器包含一電感、一第一開關與一第二開關、一第一二極體與一第二二極體、一第一電容與一第二電容、一飛跨電容、一第三二極體與一第三電容、一第四二極體以及一第五二極體。該電感耦接於該直流輸入電壓的一正端與一第一接點之間。該第一開關與該第二開關共接於一第二接點，且該第一開關耦接該第一接點，該第二開關耦接該直流輸入電壓的一負端。該第一二極體與該第二二極體共接於一第三接 點，且該第一二極體耦接該第一接點。該第一電容與該第二電容共接於一第四接點，且該第一電容耦接該第二二極體，該第二電容耦接該第二開關與該直流輸入電壓的該負端，其中該第一電容與該第二電容提供該直流輸出電壓，且該第四接點為該直流輸出電壓中點。該飛跨電容耦接該第二接點與該第三接點。該第三二極體與該第三電容共接於一第五接點，且該第三二極體耦接該第二接點，該第三電容耦接該第二開關與該直流輸入電壓的該負端。該第四二極體耦接該第二二極體與該第五接點。該第五二極體耦接該第三接點與該第四接點。
在一實施例中，該飛跨電容轉換器更包含一電壓抑制器。該電壓抑制器與該第五二極體串聯連接，且該電壓抑制器與該第五二極體耦接於該第三接點與第四接點之間。
在一實施例中，該電壓抑制器與該第五二極體共接於一第六接點，且該電壓抑制器耦接該第三接點，該第五二極體耦接於該第四接點。
在一實施例中，該飛跨電容轉換器更包含一第一電阻。該第一電阻耦接於該第六接點與一第七接點之間，其中該第七接點為該第二二極體與該第四二極體的共接點。
在一實施例中，當該直流輸入電壓供電初始，該第一開關與該第二開關關斷，該直流輸入電壓對該第一電容與該第二電容充電，且對該飛跨電容與該第三電容充電，使該第一開關與該第二開關的電壓比與該飛跨電容與該第三電容的電壓比實質相等。
在一實施例中，該飛跨電容轉換器的輸出與一第二飛跨電容轉換器的輸出耦接，且該第二飛跨電容轉換器轉換一第二直流輸入電壓為一第二直流輸出電壓。
在一實施例中，該電壓抑制器的一崩潰電壓大於該第二電容的一漣波最大電壓與該飛跨電容的一漣波最小電壓的差值。
在一實施例中，在該飛跨電容轉換器啟動前的一預定時間，該飛跨電容轉換器對該第二開關提供極小責任週期的一控制信號，使得對該飛跨電容慢慢地充電。
在一實施例中，該電壓抑制器為一暫時電壓抑制器或一齊納二極體。
藉由所提出的飛跨電容轉換器，可提供充電和電路保護機制的功效。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
Vdc:直流輸入電壓
L:電感
S1:第一開關
S2:第二開關
D1:第一二極體
D2:第二二極體
DC1:第三二極體
DC2:第四二極體
DC3:第五二極體
CB1:第一電容
CB2:二電容
CC:第三電容
CF1:飛跨電容
PL:接點
PS:接點
PD:接點
PC:接點
PE:接點
PA:接點
PB:接點
TVS:暫態電壓抑制器
R1:第一電阻
圖1：係為傳統飛跨電容轉換器(flying capacitor converter,FCC)的電路圖。
圖2：係為改良式飛跨電容轉換器第一實施例的電路圖。
圖3：係為改良式飛跨電容轉換器第一實施例並聯使用的電路圖。
圖4：係為改良式飛跨電容轉換器第二實施例的電路圖。
圖5A~5D：係分別為飛跨電容轉換器操作於責任週期小於0.5的電路示意圖。
圖6A~6D：係分別為飛跨電容轉換器操作於責任週期大於0.5的電路示意圖。
圖7：係為飛跨電容轉換器操作於電容電壓不平衡下的電流示意圖。
圖8：係為本發明飛跨電容轉換器第一較佳實施例的電路圖。
圖9：係為本發明飛跨電容轉換器第一較佳實施例的保護電流示意圖。
圖10：係為本發明飛跨電容轉換器第二較佳實施例的電路方塊圖。
圖11：係為本發明總線電容的漣波波形。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
承前所述，本發明用以解決傳統飛跨電容轉換器所具有(1)、該第二開關S2耐壓的問題；以及(2)、該第二二極體D2耐壓的問題。
(1)、該第二開關S2耐壓的問題：當一直流輸入電壓Vdc開始供電，經由該電感L、該第一二極體D1以及該第二二極體D2對輸出電容充電。由於該飛跨電容CF1尚未有充電路徑，因此該飛跨電容CF1的跨壓接近於零，因此該第二開關S2的跨壓接近於該直流輸入電壓Vdc的大小，故此將造成該第二開關S2的耐壓問題。
為解決上述問題，請參見圖2所示，其係為改良式飛跨電容轉換器第一實施例的電路圖。為解決直流輸入電壓Vdc剛開始供電所造成該第二開關S2的耐壓問題，因此，透過新增一第三電容CC、一第三二極體DC1以及一第 四二極體DC2。此處輸出電容以一第一電容CB1與一第二電容CB2串聯表示。具體地，該第三二極體DC1的陰極耦接該第四二極體DC2的陽極與該第三電容CC的一端，且共接於一接點PE。該第三二極體DC1的陽極耦接該接點PS，該第四二極體DC2的陰極耦接該第二二極體D2與該第一電容CB1，該第三電容CC的另一端耦接該第二開關S2與該第二電容CB2。因此，當該直流輸入電壓Vdc開始供電，除了經由該電感L、該第一二極體D1以及該第二二極體D2對該第一電容CB1與該第二電容CB2充電之外，亦經由該電感L、該第一二極體D1、該飛跨電容CF1以及該第三二極體DC1對該第三電容CC充電，如此提供分壓的效果，使得該第一開關S1與該第二開關S2的電壓比等於該飛跨電容CF1與該第三電容CC的電壓比，藉此，可解決該第二開關S2的耐壓問題。此外，該第四二極體DC2係提供當該第三電容CC放電時的放電路徑。
(2)、該第二二極體D2耐壓的問題：如圖3所示，其係為改良式飛跨電容轉換器第一實施例並聯使用的電路圖。在兩組飛跨電容轉換器並聯使用的條件下，當該直流輸入電壓Vdc沒有供電時，且並聯操作的一直流輸入電壓Vdc’(即一第二直流輸入電壓)提供一直流高壓(例如，但不限定為1500伏特)，此時該第一電容CB1與該第二電容CB2的電壓總和相當於該直流高壓的大小。因此，對該第二二極體D2而言，其相當於承受了該直流高壓大小的逆偏電壓，故此，如此將造成該第二二極體D2耐壓的問題。實際應用上，要具有如此高耐壓的該第二二極體D2不容易取得，再者，即使可取得如此高耐壓的二極體使用，或者透過串接複數個二極體使用，然而將造成效率不佳的問題。
為解決上述問題，請參見圖4所示，其係為改良式飛跨電容轉換器第二實施例的電路圖。為解決並聯應用時，直流輸入電壓Vdc沒有供電，而直 流輸入電壓Vdc’提供直流高壓所造成該第二二極體D2的耐壓問題，因此，透過新增一第五二極體DC3與一暫態電壓抑制器TVS；同樣地，並聯使用的電路也新增一第五二極體DC3’與一暫態電壓抑制器TVS’。具體地，該暫態電壓抑制器TVS與該第五二極體DC3串接，且共接於一接點PA。該暫態電壓抑制器TVS的另一端耦接該接點PD，並且該第五二極體DC3的陽極耦接該第一電容CB1與該第二電容CB2共接的一接點PC。
在該直流輸入電壓Vdc尚未供電，且並聯操作的該直流輸入電壓Vdc’提供直流高壓時，會對該第一電容CB1與該第二電容CB2充電，因此該第二電容CB2的跨壓大約為該直流高壓的一半。此時，該第一電容CB1與該第二電容CB2的電壓中點，即接點PC上的電壓會產生一充電路徑，其中該充電路徑係經由該第五二極體DC3、該暫態電壓抑制器TVS、該飛跨電容CF1、該第三二極體DC1、該第三電容CC以及該第二電容CB2。如此，使得該第二二極體D2陽極端的電位大約為該直流高壓一半的大小減去該暫態電壓抑制器TVS的電壓，故此，該第二二極體D2所承受的電壓為該直流高壓一半的大小加上該暫態電壓抑制器TVS的電壓，因此可使得該第二二極體D2受承受的電壓不用到達該直流高壓大小，如此可解決該第二二極體D2耐壓的問題。值得一提，該第一電容CB1與該第二電容CB2並非限制僅是兩個獨立電容，亦可能分別由多個電容組成，而接點PC表示電壓中點，此接點約等於輸出電壓的一半，該接點的選擇可透過選擇第一電容CB1與該第二電容CB2具有相同電容值來達成，或當與輸出連接的負載為如逆變器等電源轉換裝置，亦可能透過電源轉換裝置來控制該接點電壓為輸出電壓的一半。
請參見圖5A~圖5D所示，其係分別為飛跨電容轉換器操作於責任週期小於0.5的電路示意圖。藉由控制該第一開關S1與該第二開關S2的導通與關斷以控制飛跨電容轉換器的直流輸出電壓，其操作的狀態為該第一開關S1導通、該第二開關S2關斷(如圖5A所示)、該第一開關S1關斷、該第二開關S2關斷(如圖5B所示)、該第一開關S1關斷、該第二開關S2導通(如圖5C所示)以及該第一開關S1關斷、該第二開關S2關斷(如圖5D所示)。
第一種狀態，即該第一開關S1導通、該第二開關S2關斷(如圖5A所示)。當該第一開關S1導通時，該直流輸入電壓Vdc對該電感L充電，其充電路徑為該直流輸入電壓Vdc、該電感L、該第一開關S1、該飛跨電容CF1、該第二二極體D2、該第一電容CB1以及該第二電容CB2。其中該飛跨電容CF1為放電的狀態。
第二種狀態，即該第一開關S1關斷、該第二開關S2關斷(如圖5B所示)。由於流經該電感L的電流續流，因此該續流路徑為該電感L、該第一二極體D1、該第二二極體D2、該第一電容CB1、該第二電容CB2以及該直流輸入電壓Vdc。其中該續流路徑即為該電感L的釋能路徑。
第三種狀態，即該第一開關S1關斷、該第二開關S2導通(如圖5C所示)。該直流輸入電壓Vdc對該電感L充電，其充電路徑為該直流輸入電壓Vdc、該電感L、該第一二極體D1、該飛跨電容CF1以及該第二開關S2。此時，該電感L與該飛跨電容CF1皆處於儲能狀態。
第四種狀態，即該第一開關S1關斷、該第二開關S2關斷(如圖5D所示)。此時該電感L為釋能狀態，並且其釋能路徑為該電感L、該第一二極體D1、該第二二極體D2、該第一電容CB1、該第二電容CB2以及該直流輸入電壓Vd。
請參見圖6A~圖6D所示，其係分別為傳統飛跨電容轉換器操作於責任週期大於0.5的電路示意圖。其操作的狀態為該第一開關S1導通、該第二開關S2導通(如圖6A所示)、該第一開關S1關斷、該第二開關S2導通(如圖6B所示)、該第一開關S1導通、該第二開關S2導通(如圖6C所示)以及該第一開關S1導通、第二開關S2關斷(如圖6D所示)。
第一種狀態，即該第一開關S1導通、該第二開關S2導通(如圖6A所示)。此時該直流輸入電壓Vdc係對該電感L儲能，其儲能路徑為該直流輸入電壓Vdc、該電感L、該第一開關S1以及該第二開關S2。
第二種狀態，即該第一開關S1關斷、該第二開關S2導通(如圖6B所示)。由於流經該電感L的電流續流，因此該續流路徑為該電感L、該第一二極體D1、該飛跨電容CF1以及該第二開關S2。
第三種狀態，即該第一開關S1導通、該第二開關S2導通(如圖6C所示)。此時該直流輸入電壓Vdc係對該電感L儲能，其儲能路徑為該直流輸入電壓Vdc、該電感L、該第一開關S1以及該第二開關S2。
第四種狀態，即該第一開關S1導通、第二開關S2關斷(如圖6D所示)。由於流經該電感L的電流續流，因此該續流路徑為該電感L、該第一開關S1、該飛跨電容CF1、該第二二極體D2、該第一電容CB1以及該第二電容CB2。
請參見圖7所示，其係為飛跨電容轉換器操作在電容電壓不平衡下的電路示意圖。基本上該飛跨電容CF1的電壓控制在該第一電容CB1與該第二電容CB2的電壓總和的一半，如果該第一電容CB1的電壓等於該第二電容CB2的電壓時，將不會產生大的充電電流。然而，在飛跨電容轉換器操作時，因上述不同狀態間的交替切換，第一電容CB1與該第二電容CB2上的電壓會有漣波存在，當 該第二電容CB2的電壓大於該飛跨電容CF1的電壓時，將產生一充電路徑如圖7所示。透過於路徑上增加該暫態電壓抑制器TVS，一旦該飛跨電容CF1的電壓與該暫態電壓抑制器TVS的電壓總和大於該第二電容CB2的電壓時，將避免電流流經此充電路徑，因此可根據此原則決定該暫態電壓抑制器TVS選用的電壓，而避免因漣波造成圖7所示的路徑，達到保護該第五二極體DC3的目的，避免在飛跨電容轉換器操作時，因為漣波的關係而導致該第五二極體DC3頻繁流過大電流。而暫態電壓抑制器TVS與該第五二極體DC3的連接位置不限於圖7所示，僅需串聯耦接於接點PC與接點PD之間即可。
請參見圖8所示，其係為本發明飛跨電容轉換器第一較佳實施例的電路圖。當直流輸入電壓Vdc開始供電，在該飛跨電容轉換器啟動前的一預定時間，意即開始進行如圖5A~圖5D或圖6A~圖6D的開關操作前的一預定時間，先透過對該第二開關S2提供極小責任週期的控制信號，使得先對該飛跨電容CF1慢慢地充電，直到該飛跨電容CF1的電壓與該暫態電壓抑制器TVS的電壓總和等於該第二電容CB2的電壓。
復參見圖8所示，該飛跨電容轉換器包含一電感L、一第一開關S1、一第二開關S2、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體DC1、一第四二極體DC2、一第五二極體DC3、一飛跨電容CF1、一第一電容CB1、一第二電容CB2、一第三電容CC以及一暫態電壓抑制器TVS。其中，該暫態電壓抑制器TVS可以用齊納二極體(Zener diode)代替。
該電感L的第一端耦接一直流輸入電壓Vdc的正極，該電感L的第二端耦接該第一二極體D1的陽極。該第一開關S1串聯耦接該第二開關S2，其中該第一開關S1的第二端與該第二開關S2的第一端共接於一接點PS。該第 一開關S1的第一端與該電感L的第二端、該第一二極體D1的陽極共接於一接點PL，且該第二開關S2的第二端耦接該直流輸入電壓Vdc的負極。
該第一二極體D1串聯耦接該第二二極體D2，其中該第一二極體D1的陰極與該第二二極體D2的陽極共接於一接點PD。該飛跨電容CF1耦接於該接點PD與該接點PS之間。該第一電容CB1串聯耦接該第二電容CB2，其中該第一電容CB1的第二端與該第二電容CB2的第一端共接於一接點PC，且該第一電容CB1的第一端耦接該第二二極體D2的陰極，該第二電容CB2的第二端耦接該直流輸入電壓Vdc的負極。該飛跨電容轉換器的輸出，即該第一電容CB1與該第二電容CB2耦接一負載。其中，該第一電容CB1的電壓與該第二電容CB2的電壓實質相等。在理想情況下，即不考慮漣波電壓的情況下，該第一電容CB1的電壓與該第二電容CB2的電壓相等。
該第三二極體DC1的陽極耦接該接點PS，且該第三二極體DC1的陰極耦接該第三電容CC的第一端，即共接於一接點PE。該第三電容CC的第二端耦接該直流輸入電壓Vdc的負極。該第四二極體DC2的陽極耦接該接點PE，且該第四二極體DC2的陰極耦接該第二二極體D2的陰極與該第一電容CB1的第一端。該第五二極體DC3的陽極耦接該接點PC，且該第五二極體DC3的陰極耦接該暫態電壓抑制器TVS的第一端，即該第五二極體DC3與該暫態電壓抑制器TVS共接於一接點PA。該暫態電壓抑制器TVS的第二端耦接該接點PD。
假設該第一電容CB1的電壓與該第二電容CB2的電壓分別為750伏特，而該暫態電壓抑制器TVS的崩潰電壓選擇100伏特。由於該飛跨電容CF1會被控制在匯流排電壓的一半(即該第一電容CB1的電壓與該第二電容CB2的電壓總和的一半)，因此，該暫態電壓抑制器TVS的功用在於使得該接點PA的電壓至少 要大於850伏特才會導通暫態電壓抑制器TVS。其中，該暫態電壓抑制器TVS的選用需要考慮到該第一電容CB1的漣波電壓與該第二電容CB2的漣波電壓。藉由設置暫態電壓抑制器TVS，實現在兩組飛跨電容轉換器並聯使用的條件下，當該直流輸入電壓Vdc沒有供電時，可以提供一個充電路徑經由該第五二極體DC3、該暫態電壓抑制器TVS、該飛跨電容CF1、該第三二極體DC1、該第三電容CC以及該第二電容CB2，可解決該第二二極體D2耐壓的問題；而在飛跨電容轉換器開始正常操作時，能避免因漣波造成的充電路徑，可保護該第五二極體DC3頻繁流過大電流。
配合參見圖11，其係為本發明總線電容的漣波波形。可以根據以下關係式考慮(滿足)該暫態電壓抑制器TVS的崩潰電壓，並參考圖4：VTVS>(0.5×△VCB2+0.5×△VCF1)×Coe
其中，VTVS表示該暫態電壓抑制器TVS的崩潰電壓、△VCB2表示該第二電容CB2兩端電壓的漣波大小、△VCF1表示該飛跨電容CF1兩端電壓的漣波大小、Coe表示一係數值，換言之，即該暫態電壓抑制器TVS的崩潰電壓至少要大於該第二電容CB2漣波最大電壓(波峰)與該飛跨電容CF1漣波最小電壓(波谷)的差值。
在該第一開關S1與該第二開關S2切換時，正常(理論)上而言，該飛跨電容CF1上的電壓會接近該第一電容CB1與該第二電容CB2上的電壓。但由於電容上有漣波(ripple)的緣故，因此，實際上該第二電容CB2上的電壓有可能會大於該飛跨電容CF1上的電壓，此時，如圖7所示的電流路徑，該電流路徑經由該第二電容CB2、該第五二極體DC3、該飛跨電容CF1、該第二開關S2以及該第二 電容CB2，因此，此電流容易造成該第五二極體DC3的損毀，故利用暫態電壓抑制器TVS並設置適當的崩潰電壓可以保護該第五二極體DC3。
請參見圖10，其係為本發明飛跨電容轉換器的第二較佳實施例之電路方塊圖。該飛跨電容轉換器更包含一第一電阻R1。該第一電阻R1耦接於該接點PA與一接點PB之間。其中，該接點PB為該第二二極體D2與該第四二極體DC2的共接點。該第一電阻R1的效果是當該第一電容CB1與該第二電容CB2有電，而該直流輸入電壓Vdc沒電時，可透過如圖10所示的電流路徑，對該飛跨電容CF1與該第三電容CC充電，且由於電流路徑不經過該第二電容CB2、該第五二極體DC3以及該暫態電壓抑制器TVS，因此可避免該第五二極體DC3的損毀。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
Vdc:直流輸入電壓
L:電感
S1:第一開關
S2:第二開關
D1:第一二極體
D2:第二二極體
DC1:第三二極體
DC2:第四二極體
DC3:第五二極體
CB1:第一電容
CB2:第二電容
CC:第三電容
CF1:飛跨電容
PL:接點
PS:接點
PD:接點
PC:接點
PE:接點
PA:接點
PB:接點
TVS:暫態電壓抑制器

Claims (8)

  1. 一種飛跨電容轉換器，係接收一直流輸入電壓以轉換為一直流輸出電壓，該飛跨電容轉換器包含：一電感，耦接於該直流輸入電壓的一正端與一第一接點之間；一第一開關與一第二開關，該第一開關與該第二開關共接於一第二接點，且該第一開關耦接該第一接點，該第二開關耦接該直流輸入電壓的一負端；一第一二極體與一第二二極體，該第一二極體與該第二二極體共接於一第三接點，且該第一二極體耦接該第一接點；一第一電容與一第二電容，該第一電容與該第二電容共接於一第四接點，且該第一電容耦接該第二二極體，該第二電容耦接該第二開關與該直流輸入電壓的該負端，其中該第一電容與該第二電容提供該直流輸出電壓，且該第四接點為該直流輸出電壓中點；一飛跨電容，耦接該第二接點與該第三接點；一第三二極體與一第三電容，該第三二極體與該第三電容共接於一第五接點，且該第三二極體耦接該第二接點，該第三電容耦接該第二開關與該直流輸入電壓的該負端；一第四二極體，耦接該第二二極體與該第五接點；一第五二極體，耦接該第三接點與該第四接點；及一電壓抑制器，與該第五二極體串聯連接，且該電壓抑制器與該第五二極體耦接於該第三接點與該第四接點之間。
  2. 如請求項1所述之飛跨電容轉換器，其中該電壓抑制器與該第五二極體共接於一第六接點，且該電壓抑制器耦接該第三接點，該第五二極體耦接於該第四接點。
  3. 如請求項2所述之飛跨電容轉換器，更包含：一第一電阻，耦接於該第六接點與一第七接點之間，其中該第七接點為該第二二極體與該第四二極體的共接點。
  4. 如請求項1所述之飛跨電容轉換器，其中當該直流輸入電壓供電初始，該第一開關與該第二開關關斷，該直流輸入電壓對該第一電容與該第二電容充電，且對該飛跨電容與該第三電容充電，使該第一開關與該第二開關的電壓比與該飛跨電容與該第三電容的電壓比實質相等。
  5. 如請求項1所述之飛跨電容轉換器，其中該飛跨電容轉換器的輸出與一第二飛跨電容轉換器的輸出耦接，且該第二飛跨電容轉換器轉換一第二直流輸入電壓為一第二直流輸出電壓。
  6. 如請求項1所述之飛跨電容轉換器，其中該電壓抑制器的一崩潰電壓大於該第二電容的一漣波最大電壓與該飛跨電容的一漣波最小電壓的差值。
  7. 如請求項1所述之飛跨電容轉換器，其中在該飛跨電容轉換器啟動前的一預定時間，該飛跨電容轉換器對該第二開關提供極小責任週期的一控制信號，使得對該飛跨電容慢慢地充電。
  8. 如請求項1所述之飛跨電容轉換器，其中該電壓抑制器為一暫態電壓抑制器或一齊納二極體。
TW109115539A 2019-08-28 2020-05-11 飛跨電容轉換器 TWI727789B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962892843P 2019-08-28 2019-08-28
US62/892,843 2019-08-28
US16/868,873 US11362589B2 (en) 2019-08-28 2020-05-07 Flying capacitor converter
US16/868,873 2020-05-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202110061A TW202110061A (zh) 2021-03-01
TWI727789B true TWI727789B (zh) 2021-05-11

Family

ID=70736709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109115539A TWI727789B (zh) 2019-08-28 2020-05-11 飛跨電容轉換器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11362589B2 (zh)
EP (1) EP3787167B1 (zh)
JP (1) JP7026737B2 (zh)
CN (1) CN112448580B (zh)
TW (1) TWI727789B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101634809B1 (ko) * 2009-12-31 2016-06-29 엘지전자 주식회사 조리기기
US11201562B1 (en) * 2019-06-23 2021-12-14 Purdue Research Foundation Soft-switching voltage-edge-rate-limiting power inverter
GB2591800A (en) * 2020-02-07 2021-08-11 Univ Plymouth Electrical conversion

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201304377A (zh) * 2011-07-08 2013-01-16 Univ Nat Taipei Technology 高升壓轉換裝置
TW201431262A (zh) * 2013-01-21 2014-08-01 Univ Nat Taipei Technology 高升壓型電力轉換裝置
US8946931B2 (en) * 2011-07-28 2015-02-03 Schneider Electric It Corporation Dual boost converter for UPS system
US9806601B2 (en) * 2015-03-27 2017-10-31 Futurewei Technologies, Inc. Boost converter and method
CN109756115A (zh) * 2018-12-21 2019-05-14 华为数字技术（苏州）有限公司 一种升压功率变换电路、方法、逆变器、装置及系统
CN110165888A (zh) * 2019-06-11 2019-08-23 阳光电源股份有限公司 三电平Boost电路、多路输出并联系统

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6538906B1 (en) * 2002-02-11 2003-03-25 Delta Electronics, Inc. Energy storage circuit for DC-DC converter
TWI231088B (en) * 2002-11-14 2005-04-11 Int Rectifier Corp Control IC for low power auxiliary supplies
DE112010005212B4 (de) * 2010-02-01 2019-06-19 Mitsubishi Electric Corp. Dc/dc-spannungswandlervorrichtung
EP2466738B1 (en) * 2010-12-20 2018-04-04 ams AG Voltage converter and method for voltage conversion
WO2012140781A1 (ja) 2011-04-15 2012-10-18 三菱電機株式会社 Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置および太陽光発電システム
JP5665649B2 (ja) * 2011-05-12 2015-02-04 三菱電機株式会社 Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置
JP5642316B2 (ja) * 2012-03-23 2014-12-17 三菱電機株式会社 パワーコンディショナ、及び太陽光発電システム
JP2014036491A (ja) 2012-08-08 2014-02-24 Mitsubishi Electric Corp Ｄｃ／ｄｃ電力変換装置および太陽光発電システム用パワーコンディショナ
DE102014109048B4 (de) * 2014-06-27 2022-02-10 Sma Solar Technology Ag Schaltungsanordnung mit einer Mehrfachniveau-Halbbrückenanordnung
WO2016139734A1 (ja) * 2015-03-02 2016-09-09 三菱電機株式会社 電力変換装置及び冷凍サイクル装置
CN106230253B (zh) * 2016-09-09 2019-05-07 华为技术有限公司 升压功率变换电路和控制方法
US10554128B2 (en) * 2018-01-05 2020-02-04 Futurewei Technologies, Inc. Multi-level boost converter
CN108471235A (zh) * 2018-03-28 2018-08-31 江苏固德威电源科技股份有限公司 三电平双向dc/dc电路
DE102018206918B3 (de) * 2018-05-04 2019-10-31 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandler
CN108847769B (zh) * 2018-06-22 2020-03-24 阳光电源股份有限公司 一种三电平boost装置及其控制方法
CN108900078B (zh) * 2018-08-03 2020-07-07 阳光电源股份有限公司 一种飞跨电容型三电平变换器及其控制方法
CN109039061B (zh) 2018-08-29 2020-03-24 阳光电源股份有限公司 一种多电平boost装置
CN108923632B (zh) 2018-08-29 2020-03-24 阳光电源股份有限公司 一种多电平boost装置
US10790742B1 (en) * 2019-04-17 2020-09-29 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Multi-level power converter with improved transient load response
US10985653B1 (en) * 2020-03-20 2021-04-20 Infineon Technologies Ag Charge pump converter and control method
CN111277131A (zh) * 2020-03-27 2020-06-12 宁波锦浪新能源科技股份有限公司 一种升压功率变换电路及其控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201304377A (zh) * 2011-07-08 2013-01-16 Univ Nat Taipei Technology 高升壓轉換裝置
US8946931B2 (en) * 2011-07-28 2015-02-03 Schneider Electric It Corporation Dual boost converter for UPS system
TW201431262A (zh) * 2013-01-21 2014-08-01 Univ Nat Taipei Technology 高升壓型電力轉換裝置
US9806601B2 (en) * 2015-03-27 2017-10-31 Futurewei Technologies, Inc. Boost converter and method
CN109756115A (zh) * 2018-12-21 2019-05-14 华为数字技术（苏州）有限公司 一种升压功率变换电路、方法、逆变器、装置及系统
CN110165888A (zh) * 2019-06-11 2019-08-23 阳光电源股份有限公司 三电平Boost电路、多路输出并联系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3787167B1 (en) 2024-05-29
JP2021035326A (ja) 2021-03-01
US11362589B2 (en) 2022-06-14
US20210067039A1 (en) 2021-03-04
TW202110061A (zh) 2021-03-01
CN112448580B (zh) 2022-03-01
JP7026737B2 (ja) 2022-02-28
CN112448580A (zh) 2021-03-05
EP3787167A1 (en) 2021-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI727789B (zh) 飛跨電容轉換器
US7768807B2 (en) Bidirectional no load control with overshoot protection
US6538906B1 (en) Energy storage circuit for DC-DC converter
US7787261B2 (en) Intermediate bus architecture with a quasi-regulated bus converter
US8009444B2 (en) Boost device for voltage boosting
US8035361B2 (en) Boost device for voltage boosting
EP1605576A1 (en) Device and method for extending the input voltage range of a DC/DC converter
US11128220B2 (en) Switching mode power supply circuit for three phase AC input
US9876423B2 (en) DC-to-DC converter
US20200328672A1 (en) Switching mode power supply circuit
TWI538369B (zh) 具漏感能量回收之直流-直流返馳式轉換器
TW201914194A (zh) 高升壓轉換器
EP2221951B1 (en) Boost converter for voltage boosting
JP6132086B2 (ja) 直流電圧変換回路
TW202133535A (zh) 無橋升降壓式交流對直流轉換器
TWI419450B (zh) A system and method for reducing the standby power consumption of a switch mode power converter
KR102077825B1 (ko) 부스트 컨버터
RU2524676C2 (ru) Однотактный автоколебательный конвертер
US10439487B2 (en) Voltage converter circuit and method for operating a voltage converter circuit
US20150222177A1 (en) High efficient single stage half bridge power factor correction converter
RU71833U1 (ru) Преобразователь постоянного напряжения
KR20240061971A (ko) 클램핑모드 부스트 인덕터를 이용한 고승압 직류 전력변환장치 및 그 제어 방법
CN116260319A (zh) 一种功率转换器及用于功率转换器的功率开关控制器
EA038303B1 (ru) Способ и устройство рекуперации энергии рассеяния трансформатора обратноходового преобразователя
JPH11135278A (ja) パルス発生装置および放電灯点灯装置