TWI748777B

TWI748777B - 具升壓及降壓功能之直流電源轉換器

Info

Publication number: TWI748777B
Application number: TW109142432A
Authority: TW
Inventors: 楊隆生; 林家慶; 楊銘昆
Original assignee: 遠東科技大學
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-12-01
Also published as: TW202224322A

Abstract

一種具升壓及降壓功能之直流電源轉換器，包含：一輸入電源，有一輸入電壓；一切換開關；一變壓器有一一次側繞組、一二次側繞組及一三次側繞組；一輸出電感器；一輸出電容器，有一輸出電壓，該輸出電壓與該輸入電壓共地；以及一負載；該輸出電壓與該輸入電壓的電壓增益比為(n+1)D/n，D為責任週期，n=n₁/n₂，n₁為該變壓器之該一次側繞組的匝數，n₂為該變壓器之該二次側繞組的匝數，且0<D<1。藉此，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器不但具有升壓及降壓的功能，該輸入電壓及該輸出電壓共地，且一輸出電感器電流連續，整體架構簡單、容易控制，更為穩定。

Description

具升壓及降壓功能之直流電源轉換器

本發明係關於一種直流電源轉換器，特別係指一種具有升壓及降壓功能的直流電源轉換器。

將低電壓轉換為高電壓時，或者是將高電壓轉換為低電壓時，通常都需要藉由電源轉換器以進行電壓的轉換，而直流電源轉換器即是常見一種的電源轉換器。

傳統的降-升壓型直流電源轉換器如第十二圖所示，主要包含一輸入電源1’、一切換開關S’、一輸出電感器L_o’、一二極體D₁’、一輸出電容器C_o’及一負載R’，該輸入電源1’有一輸入電壓V_in’，該輸出電容器C_o’上則有一輸出電壓V_o’，該輸入電壓V_in’及該輸出電壓V_o’的電壓增益比M=D(1-D)，其中，D為責任週期，且0<D<1，使得傳統的降-升壓型直流電源轉換器同時具有升壓及降壓的功能。

然而，在傳統的降-升壓型直流電源轉換器中，該輸入電壓V_in’及該輸出電壓V_o’未共地，傳統的降-升壓型直流電源轉換器仍不夠穩定。

爰此，本發明人提出一種具升壓及降壓功能之直流電源轉換器，包含：一輸入電源，有一輸入電壓；一切換開關，電性連接該輸入電源；一變壓器，有一一次側繞組電性連接該切換開關，一二次側繞組電性連接該切換開關，以及一三次側繞組電性連接該切換開關及該輸入電源；一輸出電感器，電性連接該一次側繞組及該二次側繞組；一輸出電容器，電性連接該輸出電感器，該輸出電容器上有一輸出電壓，且該輸出電壓與該輸入電壓共地；以及一負載，電性連接該輸出電容器；該輸出電壓與該輸入電壓的電壓增益比為(n+1)D/n，D為責任週期，n=n₁/n₂，n₁為該變壓器之該一次側繞組的匝數，n₂為該變壓器之該二次側繞組的匝數，且0<D<1。

其中，該切換開關的汲極電性連接該輸入電源的正極及該三次側繞組的第一端，該切換開關的源極電性連接該變壓器之該一次側繞組的第一端及該變壓器之該二次側繞組的第一端；該變壓器之該二次側繞組的第二端電性連接該輸出電感器的第一端，該輸出電感器的第二端電性連接該輸出電容器的第一端及該負載的第一端；該變壓器之該三次側繞組的第二端、該變壓器之該一次側繞組的第二端、該輸出電容器的第二端及該負載的第二端電性連接該輸入電源的負極。

進一步，有一第一二極體，該變壓器之該二次側繞組的第二端電性連接該第一二極體的陽極端，該第一二極體的陰極端電性連接該輸出電感器的第一端。

進一步，有一第二二極體，該第二二極體的陰極端電性連接該輸出電感器的第一端，該第二二極體的陽極端、該變壓器之該三次側繞組的第二端、該變壓器之該一次側繞組的第二端、該輸出電容器的第二端及該負載的第二端皆電性連接該輸入電源的負極。

進一步，有一第三二極體，該切換開關的汲極電性連接該輸入電源的正極及該第三二極體的陰極端，該第三二極體的陽極端電性連接該變壓器之該三次側繞組的第一端。

其中，係藉由一脈波寬度調變信號控制該切換開關的導通與截止。

其中，該切換開關為N型金屬氧化物半導體場效電晶體。

其中，根據該輸出電壓與該輸入電壓的電壓增益比繪製一電壓增益曲線之後，該電壓增益曲線為直線。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.具升壓及降壓功能之直流電源轉換器不但具有升壓及降壓的功能，輸入電壓及輸出電壓共地，使得輸出電感器電流連續，整體架構簡單、容易控制，且更為穩定。

2.藉由脈波寬度調變信號控制切換開關的導通與截止，方便實施，且可以更好的控制切換開關。

3.在切換開關導通時，藉由第一二極體，變壓器之一次側繞組及二次側繞組上的電能可以順利串聯至輸出電感器、輸出電容器及負載。

4.在切換開關截止時，藉由第二二極體，輸出電感器電流可以在流經負載後，順利回到輸出電感器。

5.在切換開關截止時，藉由第三二極體，變壓器之一次側繞組及二次側繞組上剩餘的電能可以經由三次側繞組順利回收至輸入電源。

6.電壓控制曲線為直線，更方便使用者調整參數而獲得所需的輸出電壓。

7.利用單一的切換開關來整合，減少所需元件及電路複雜程度。

本發明：

1:輸入電源

C_o:輸出電容器

D:責任週期

D₁:第一二極體

D₂:第二二極體

D₃:第三二極體

i_D2:第二二極體電流

i_Lo:輸出電感器電流

i_N1:一次側繞組電流

i_N2:二次側繞組電流

i_S:切換開關電流

L_o:輸出電感器

N₁:一次側繞組

N₂:二次側繞組

N₃:三次側繞組

R:負載

S:切換開關

T_r:變壓器

T_s:切換週期

V_in:輸入電壓

V_o:輸出電壓

v_GS:切換開關觸發信號

v_Lo:輸出電感器電壓

v_N1:一次側繞組電壓

v_N2:二次側繞組電壓

習知技術：

1’:輸入電源

C_o’:輸出電容器

D₁’:二極體

L_o’:輸出電感器

R’:負載

S’:切換開關

V_in’:輸入電壓

V_o’:輸出電壓

[第一圖]係本發明實施例之電路圖。

[第二圖]係本發明實施例於單一切換週期下之波形圖。

[第三圖]係本發明實施例之電壓增益曲線圖。

[第四圖]係本發明實施例操作於輸入電壓36V、輸出電壓48V、功率100W時，v_GS及i_Lo之模擬波形圖。

[第五圖]係本發明實施例操作於輸入電壓36V、輸出電壓48V、功率100W時，V_in及V_o之模擬波形圖。

[第六圖]係本發明實施例操作於輸入電壓36V、輸出電壓48V、功率100W時，i_N1及i_N2之模擬波形圖。

[第七圖]係本發明實施例操作於輸入電壓36V、輸出電壓48V、功率100W時，i_S及i_D2之模擬波形圖。

[第八圖]係本發明實施例操作於輸入電壓72V、輸出電壓48V、功率100W時，v_GS及i_Lo之模擬波形圖。

[第九圖]係本發明實施例操作於輸入電壓72V、輸出電壓48V、功率100W時，V_in及V_o之模擬波形圖。

[第十圖]係本發明實施例操作於輸入電壓72V、輸出電壓48V、功率100W時，i_N1及i_N2之模擬波形圖。

[第十一圖]係本發明實施例操作於輸入電壓72V、輸出電壓48V、功率100W時，i_S及i_D2之模擬波形圖。

[第十二圖]係習知技術之降-升壓型直流電源轉換器。

綜合上述技術特徵，本發明具升壓及降壓功能之直流電源轉換器的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

請參閱第一圖，係揭示本發明實施例具升壓及降壓功能之直流電源轉換器，包含：

一輸入電源1，有一輸入電壓V_in。

一切換開關S，該切換開關S的汲極電性連接該輸入電源1的正極及一第三二極體D₃的陰極端。該切換開關S為N型金屬氧化物半導體場效電晶體，在本發明之較佳實施例中，該切換開關S為增強型N通道金屬氧化物半導體場效電晶體，且係藉由一脈波寬度調變信號控制該切換開關S的導通與截止。藉由該脈波寬度調變信號控制該切換開關S的導通與截止，方便實施，且可以更好的控制該切換開關S。

一變壓器T_r之一一次側繞組N₁，該一次側繞組N₁上跨有一一次側繞組電壓v_N1。該一次側繞組N₁的第一端電性連接該切換開關S的源極，該一次側繞組N₁的第二端電性連接該輸入電源1的負極。

該變壓器T_r之一二次側繞組N₂，該二次側繞組N₂上跨有一二次側繞組電壓v_N2。該二次側繞組N₂的第一端電性連接該切換開關S的源極，該二次側繞組N₂的第二端電性連接一第一二極體D₁的陽極端。

該變壓器T_r之一三次側繞組N₃，該三次側繞組N₃的第一端電性連接該第三二極體D₃的陽極端，該三次側繞組N₃的第二端電性連接該輸入電源1的負極。

一輸出電感器L_o，該輸出電感器L_o上跨有一輸出電感器電壓v_Lo。該輸出電感器L_o的第一端電性連接該第一二極體D₁的陰極端及一第二二極體D₂的陰極端，該第二二極體D₂的陽極端電性連接該輸入電源1的負極。

一輸出電容器C_o，該輸出電容器C_o上跨有一輸出電壓V_o，且該輸出電壓V_o與該輸入電壓V_in共地。該輸出電容器C_o的第一端電性連接該輸出電感器L_o的第二端，該輸出電容器C_o的第二端電性連接該輸入電源1的負極。

一負載R，該負載R的第一端電性連接該輸出電感器L_o的第二端，該負載R的第二端電性連接該輸入電源1的負極。

請參閱第二圖及第三圖，並請搭配第一圖，採用該脈波寬度調變信號控制該切換開關S的導通與截止，分析在一切換週期T_s中，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器的主要波形。其中，將該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器的匝數比設為n=n₁/n₂，n₁為該變壓器T_r之該一次側繞組N₁的匝數，n₂為該變壓器T_r之該二次側繞組N₂的匝數，該變壓器T_r之該三次側繞組N₃則做為剩磁能量回收用。

在該切換週期T_s中，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器會操作在一第一模式及一第二模式下。

該第一模式，也就是時間區間[t₀,t₁]，該第一模式的時間長度為DT_s，D為該脈波寬度調變信號的一責任週期D，此時，該切換開關S導通。

在該第一模式中，該輸入電源1的能量，以及該一次側繞組N₁感應至該二次側繞組N₂的能量，經由該第一二極體D₁順利串聯並傳送至該輸出電感器L_o、該輸出電容器C_o及該負載R。

此時，流經該輸出電感器L_o的一輸出電感器電流i_Lo呈線性增加。跨於該輸出電感器L_o上的該輸出電感器電壓v_Lo為

。

當時間來到t₁時，該切換開關S截止，該第一模式結束，該第二模式開啟。

該第二模式，也就是時間區間[t₁,t₂]，該第一模式的時間長度為(1-D)T_s，此時，該切換開關S截止。

在該第二模式中，該變壓器T_r之該一次側繞組N₁及該變壓器T_r之該二次側繞組N₂的剩磁能量，由該變壓器T_r之該三次側繞組N₃經由該第三二極體D₃順利回收至該輸入電源1。在該第一模式中儲存於該輸出電感器L_o及該輸出電容器C_o的能量，在該第二模式中被釋放至該負載R。藉由該第二二極體D₂，該輸出電感器電流i_Lo可以在流經該負載R後，順利回到該輸出電感器L_o。

此時，流經該輸出電感器L_o的該輸出電感器電流i_Lo呈線性減少。跨於該輸出電感器L_o上的該輸出電感器電壓v_Lo則為v _Lo=-V _o。

當時間來到t₂時，該切換開關S導通，該第二模式結束，進入下一個該切換週期T_s的該第一模式。

應用伏秒平衡原理於該輸出電感器L_o，可以得到一方程式：

。再將該第一模式之

，與該第二模式之v _Lo=-V _o，帶入該方程式，可以得到

0。繼續化簡，即可以得到該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器之該輸入電壓V_in與該輸出電壓V_o的電壓增益比為

。

根據該輸入電壓V_in與該輸出電壓V_o的電壓增益比繪製一電壓增益曲線之後[如第三圖所示]，可以發現，該電壓增益曲線為直線，也可以看出該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器具有升壓及降壓的功能。由於該電壓增益曲線為直線，更方便一使用者調整該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器的各項參數，進而更容易取得所需大小的該輸出電壓V_o。

為了驗證該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器確實具有升壓及降壓的功能，以下對該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器進行模擬：

請參閱第四圖至第七圖，並請搭配第一圖，首先在輸入電壓V_in為36V、輸出電壓V_o為48V、滿載輸出功率為100W時進行模擬。

第四圖為該切換開關S之一切換開關觸發信號v_GS，以及流經該輸出電感器L_o之該輸出電感器電流i_Lo的波形，該切換開關觸發信號v_GS即為該脈波寬度調變信號。從該切換開關觸發信號v_GS及該輸出電感器電流i_Lo的波形，可以看出，該切換開關觸發信號v_GS(該脈波寬度調變信號)的該責任週期D為0.5，且該輸出電感器電流i_Lo操作於連續導通模式。

第五圖為該輸入電源1之該輸入電壓V_in，以及該輸出電容器C_o上之該輸出電壓V_o的波形。從該輸入電壓V_in及該輸出電壓V_o的比較，可以看出，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器確實具有升壓的功能。

第六圖為流經該變壓器T_r之該一次側繞組N₁之一一次側繞組電流i_N1，以及流經該變壓器T_r之該二次側繞組N₂之一二次側繞組電流i_N2的波形。第七圖則為流經該切換開關S之一切換開關電流i_S，以及流經該第二二極體D₂之一第二二極體電流i_D2的波形。從該一次側繞組電流i_N1、該二次側繞組電流i_N2、該切換開關電流i_S及該第二二極體電流i_D2的波形，可以看出，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器實際的模擬結果確實符合該第一模式及該第二模式的分析。

請參閱第八圖至第十一圖，並請搭配第一圖，接著在輸入電壓V_in為72V、輸出電壓V_o為48V、滿載輸出功率為100W時進行模擬。

第八圖為該切換開關S之該切換開關觸發信號v_GS，以及流經該輸出電感器L_o之該輸出電感器電流i_Lo的波形。從該切換開關觸發信號v_GS及該輸出電感器電流i_Lo的波形，可以看出，該切換開關觸發信號v_GS的該責任週期D為0.25，且該輸出電感器電流i_Lo操作於連續導通模式。

第九圖為該輸入電源1之該輸入電壓V_in，以及該輸出電容器C_o上之該輸出電壓V_o的波形。從該輸入電壓V_in及該輸出電壓V_o的比較，可以看出，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器確實具有降壓的功能。

第十圖為流經該變壓器T_r之該一次側繞組N₁之該一次側繞組電流i_N1，以及流經該變壓器T_r之該二次側繞組N₂之該二次側繞組電流i_N2的波形。第十一圖則為流經該切換開關S之該切換開關電流i_S，以及流經該第二二極體D₂之該第二二極體電流i_D2的波形。從該一次側繞組電流i_N1、該二次側繞組電流i_N2、該切換開關電流i_S及該第二二極體電流i_D2的波形，可以看出，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器實際的模擬結果確實符合該第一模式及該第二模式的分析。

復請參閱第一圖及第二圖，並請搭配第五圖及第九圖，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器的該輸入電壓V_in及該輸出電壓V_o共地，且根據前述分析及模擬結果也都證實了，該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器確實具有升壓及降壓的功能。除此之外，該輸出電感器電流i_Lo連續，再利用單一的該切換開關S來整合，減少所需元件及電路複雜程度，使得該具升壓及降壓功能之直流電源轉換器整體架構簡單、容易控制，且更為穩定。

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。