TWI777735B - 具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

一種具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，包含一升壓轉換器及一被動式無損失緩衝器，該被動式無損失緩衝器包含一輸入端單向導通元件、一共振電感器、一共振電容器及一輸出端單向導通元件。本發明可解決硬切換升壓轉換器的能量的轉換效率不佳而軟切換升壓轉換器的結構複雜的問題。

Description

具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置
本發明係有關於一種具有緩衝器之升壓轉換裝置，特別是一種具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置。
相關技術之硬切換升壓轉換器會在開關切換時在電壓與電流波形圖上產生明顯的電壓與電流的交疊面積，而此電壓與電流的交疊面積即為開關的切換損失，此切換損失會降低能量的轉換效率並使元件溫度升高。
後來，相關技術之軟切換升壓轉換器被提出，使得上述電壓與電流的交疊面積能夠降低，進而降低能量損失；相關技術之軟切換升壓轉換器係藉由減緩開關電壓或開關電流的上升斜率或下降斜率以降低切換損失；然而，相關技術之軟切換升壓轉換器的缺點為元件數量過多且結構複雜。
綜上所述，相關技術之硬切換升壓轉換器的能量的轉換效率不佳，而相關技術之軟切換升壓轉換器的結構複雜。
為解決上述問題，本發明之目的在於提供一種具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置。
為達成本發明之上述目的，本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置包含：一升壓轉換器；及一被動式無損失緩衝器，該被動式無損失緩衝器係電性連接至該升壓轉換器，其中該被動式無損失緩衝器包含：一輸入端單向導通元件，該輸入端單向導通元件係電性連接至該升壓轉換器；一共振電感器，該共振電感器係電性連接至該輸入端單向導通元件；一共振電容器，該共振電容器係電性連接至該升壓轉換器及該共振電感器；及一輸出端單向導通元件，該輸出端單向導通元件係電性連接至該升壓轉換器、該共振電感器及該共振電容器。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，該升壓轉換器包含：一第一電感器，該第一電感器係電性連接至該輸入端單向導通元件及該共振電容器；一第一電晶體開關，該第一電晶體開關係電性連接至該第一電感器及該共振電容器；一開關控制器，該開關控制器係電性連接至該第一電晶體開關；及一第一二極體，該第一二極體係電性連接至該第一電晶體開關、該第一電感器、該共振電容器及該輸出端單向導通元件。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置進入一第一動作階段時，該開關控制器被配置為導通該第一電晶體開關，且該第一電感器被配置為被一輸入端電壓激磁而以一磁場形式儲存一電能能量，且流過該第一電感器的一第一電感電流逐漸地增加，且該共振電感器及該共振電容器被配置為被該輸入端電壓充電並共振，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置被配置為進入一第二動作階段。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，其中當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝 置進入該第二動作階段時，該開關控制器被配置為保持導通該第一電晶體開關，且該第一電感器被配置為繼續被該輸入端電壓激磁而以該磁場形式儲存該電能能量，且流過該第一電感器的該第一電感電流繼續增加，且該共振電感器及該共振電容器被配置為繼續被該輸入端電壓充電並共振，且該輸入端單向導通元件被配置為使該共振電感器及該共振電容器被配置為共振半周期便停止共振，使得該共振電容器的一共振電容電壓為該輸入端電壓的兩倍，且使得流過該共振電感器的一共振電感電流為零，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置被配置為進入一第三動作階段。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，其中當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置進入該第三動作階段時，該開關控制器被配置為關斷該第一電晶體開關，且該第一電晶體開關之一寄生電容被配置為被該第一電感電流從零伏特開始充電，使得該第一電晶體開關的一汲源電壓逐漸地增加，且該共振電容器被配置為放電，使得該輸出端單向導通元件被配置為順偏壓導通，且該共振電容電壓從該輸入端電壓的兩倍放電至零伏特，且該第一電晶體開關的該汲源電壓加上該共振電容器的該共振電容電壓等於一輸出端之一輸出端電壓，且當該共振電容器的該共振電容電壓放電至零伏特時，該第一二極體被配置為藉由該第一電感電流而順偏壓導通，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置被配置為進入一第四動作階段。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，其中當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置進入該第四動作階段時，該開關控制器被配置為保持關斷該第一電晶體開關，且該第一二極體被配置為繼續藉由該第一電感電流而順偏壓導通，且流過該輸入端單向導通元件的一輸入端單向導通電流為零，且流過該共振電感器的 該共振電感電流為零，且流過該共振電容器的一共振電容電流為零，且流過該輸出端單向導通元件的一輸出端單向導通電流為零，且該第一電感器以該磁場形式儲存的該電能能量以一電流形式傳送至該輸出端，且流過該第一電感器的該第一電感電流逐漸地減少。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，該升壓轉換器更包含：一輸入端電容，該輸入端電容係電性連接至該輸入端單向導通元件及該第一電感器。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，該升壓轉換器更包含：一輸出端電容，該輸出端電容係電性連接至該輸出端單向導通元件及該第一二極體。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，該輸入端單向導通元件係為一二極體；該輸出端單向導通元件係為一二極體。
再者，在如上所述之本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一具體實施例當中，該第一電晶體開關係為一金屬氧化物半導體場效應電晶體；該開關控制器係為一脈波寬度調變訊號控制器。
本發明之功效在於利用具有簡單結構的緩衝器降低升壓轉換器的開關切換損失並降低電磁干擾。
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，當可由此得到深入且具體之瞭解，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。
10:具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置
102:升壓轉換器
104:被動式無損失緩衝器
106:開關控制器
108:輸出端
110:輸入端
C1:輸入端電容
C2:共振電容器
C3:輸出端電容
Goss1:寄生電容
D1:第一二極體
D2:輸出端單向導通元件
D3:輸入端單向導通元件
iC2:共振電容電流
iD1:第一二極體電流
iD2:輸出端單向導通電流
iD3:輸入端單向導通電流
ids1:汲源電流
iL1:第一電感電流
iL1_pk:第一電感波峰電流
iL1_vly:第一電感波谷電流
iL2:共振電感電流
L1:第一電感器
L2:共振電感器
Q1:第一電晶體開關
t0:第零時間點
t1:第一時間點
t2:第二時間點
t3:第三時間點
vC2:共振電容電壓
vds1:汲源電壓
vgs1:閘源電壓
Vin:輸入端電壓
vL1:第一電感電壓
v12:共振電感電壓
Vo:輸出端電壓
XC2:共振電容容抗
XL2:共振電感感抗
圖1為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一實施例方塊圖。
圖2為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第一動作階段之方塊圖。
圖3為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第二動作階段之方塊圖。
圖4為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第三動作階段之方塊圖。
圖5為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第四動作階段之方塊圖。
圖6為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第一動作階段至第四動作階段之波形圖。
圖7為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之另一實施例方塊圖。
在本揭露當中，提供了許多特定的細節，以提供對本發明之具體實施例之徹底瞭解；然而，本領域技術人員應當知曉，在沒有一個或更多個該些特定的細節的情況下，依然能實踐本發明；在其他情況下，則未顯示或描述眾所周知的細節以避免模糊了本發明之主要技術特徵。茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下： 請參考圖1，其係為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之一實施例方塊圖。本發明之一種具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10包含一升壓轉換器102及一被動式無損失緩衝器(緩衝器snubber，亦可稱為減震器)104，該升壓轉換器102包含一第一電感器L1、一第一電晶體開關Q1、一開關控制器106、一第一二極體D1、一輸入端電容C1及一輸出端電容C3，該被動式無損失緩衝器104包含一輸入端單向導通元件D3、一共振電感器L2、一共振電容器C2及一輸出端單向導通元件D2，上述該些元件彼此電性連接。該第一電晶體開關Q1可為例如但本發明不限定為一金屬氧化物半導體場效應電晶體，該開關控制器106可為例如但本發明不限定為一脈波寬度調變訊號控制器，該輸入端單向導通元件D3可為例如但本發明不限定為一二極體，該輸出端單向導通元件D2可為例如但本發明不限定為一二極體。
本發明之該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10包含四個動作階段，茲詳述如下：請參考圖2，其係為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第一動作階段之方塊圖，其中虛線箭頭為電流方向；並請同時參考圖1。當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10進入一第一動作階段時，該開關控制器106被配置為導通該第一電晶體開關Q1，且該第一電感器L1被配置為被一輸入端電壓Vin激磁而以一磁場形式儲存一電能能量，且流過該第一電感器L1的一第一電感電流iL1逐漸地增加，且該共振電感器L2及該共振電容器C2被配置為被該輸入端電壓Vin充電並共振，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10被配置為進入一第二動作階段。
請參考圖3，其係為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第二動作階段之方塊圖，其中虛線箭頭為電流方向；並請同時參考圖1。當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10進入該第二動作階段時，該開關控制器106被配置為保持導通該第一電晶體開關Q1，且該第一電感器L1被配置為繼續被該輸入端電壓Vin激磁而以該磁場形式儲存該電能能量，且流過該第一電感器L1的該第一電感電流iL1繼續增加，且該共振電感器L2及該共振電容器C2被配置為繼續被該輸入端電壓Vin充電並共振，且該輸入端單向導通元件D3被配置為使該共振電感器L2及該共振電容器C2被配置為共振半周期便停止共振，使得該共振電容器C2的一共振電容電壓vC2為該輸入端電壓Vin的兩倍，且使得流過該共振電感器L2的一共振電感電流iL2為零，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10被配置為進入一第三動作階段。
請參考圖4，其係為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第三動作階段之方塊圖，其中虛線箭頭為電流方向；並請同時參考圖1。當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10進入該第三動作階段時，該開關控制器106被配置為關斷該第一電晶體開關Q1，且該第一電晶體開關Q1之一寄生電容Coss1被配置為被該第一電感電流iL1從零伏特開始充電，使得該第一電晶體開關Q1的一汲源電壓vds1逐漸地增加，且該共振電容器C2被配置為放電，使得該輸出端單向導通元件D2被配置為順偏壓導通，且該共振電容電壓vC2從該輸入端電壓Vin的兩倍放電至零伏特，且該第一電晶體開關Q1的該汲源電壓vds1加上該共振電容器C2的該共振電容電壓vC2等於一輸出端108之一輸出端電壓Vo，且當該共振電容器C2的該共振電容電壓vC2放電至零伏特時，該第一二極體D1被配置為 藉由該第一電感電流iL1而順偏壓導通，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10被配置為進入一第四動作階段。
請參考圖5，其係為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第四動作階段之方塊圖，其中虛線箭頭為電流方向；並請同時參考圖1。當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置10進入該第四動作階段時，該開關控制器106被配置為保持關斷該第一電晶體開關Q1，且該第一二極體D1被配置為繼續藉由該第一電感電流iL1而順偏壓導通，且流過該輸入端單向導通元件D3的一輸入端單向導通電流iD3為零，且流過該共振電感器L2的該共振電感電流iL2為零，且流過該共振電容器C2的一共振電容電流iC2為零，且流過該輸出端單向導通元件D2的一輸出端單向導通電流iD2為零，且該第一電感器L1以該磁場形式儲存的該電能能量以一電流形式傳送至該輸出端108，且流過該第一電感器L1的該第一電感電流iL1逐漸地減少。
請參考圖6，其係為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置在第一動作階段至第四動作階段之波形圖；並請同時參考圖1至圖5；為了易於解說，本發明假設上述該些元件皆為理想，且該些二極體之順偏電壓皆為零伏特。除了上述該些元件符號之外，該第一電晶體開關Q1具有一閘源電壓vgs1，流過該第一二極體D1的電流稱為一第一二極體電流iD1，流過該第一電晶體開關Q1的電流稱為一汲源電流ids1，該第一電感器L1具有一第一電感電壓vL1，該共振電感器L2具有一共振電感電壓vL2，該第一電感電流iL1的波峰電流為一第一電感波峰電流iL1_pk，該第一電感電流iL1的波谷電流為一第一電感波谷電流iL1_vly，該共振電感器L2具有一共振電感感抗XL2，該共振電容器C2具有一共振電容容抗XC2，該第一動作階段係介於一第零時間點t0與一第一時間點t1之間，該第二動 作階段係介於該第一時間點t1與一第二時間點t2之間，該第三動作階段係介於該第二時間點t2與一第三時間點t3之間，該第四動作階段係介於該第三時間點t3與該第零時間點t0之間。
再者，請參考圖7，其係為本發明之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置之另一實施例方塊圖；圖7所示之元件與圖1~6所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。該共振電感器L2的一端係直接地連接至一輸入端110，該共振電感器L2的另一端係直接地連接至該輸入端單向導通元件D3的陽極，該輸入端單向導通元件D3的陰極係直接地連接至該輸出端單向導通元件D2及該共振電容器C2。
本發明之功效在於利用具有簡單結構的緩衝器降低升壓轉換器的開關切換損失並降低電磁干擾。本發明可以在升壓轉換器的開關關斷後吸收尖峰突波(spike)並減緩開關跨壓的上升斜率以降低高電壓斜率帶來的電磁干擾發射強度，以降低開關關斷時的切換損失(亦即，電壓與電流波形圖上開關電壓及開關電流之交疊面積)；該被動式無損失緩衝器104所包含之該輸入端單向導通元件D3、該共振電感器L2、該共振電容器C2及該輸出端單向導通元件D2不參與主功率之處理，亦不在功率傳遞路徑上，使得該被動式無損失緩衝器104只需要很低的元件額定功率，因此本發明可以降低元件體積以及額外成本。依據實驗數據，在相同周邊元件參數以及滿載效率之下，與傳統RCD緩衝器相比，本發明可以降低開關切換損失1%以上並降低電磁干擾。
然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明請求項所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發 明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的請求項的保護範圍。綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。
10:具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置
102:升壓轉換器
104:被動式無損失緩衝器
106:開關控制器
108:輸出端
110:輸入端
C1:輸入端電容
C2:共振電容器
C3:輸出端電容
Coss1:寄生電容
D1:第一二極體
D2:輸出端單向導通元件
D3:輸入端單向導通元件
iC2:共振電容電流
iD1:第一二極體電流
iD2:輸出端單向導通電流
iD3:輸入端單向導通電流
ids1:汲源電流
iL1:第一電感電流
iL2:共振電感電流
L1:第一電感器
L2:共振電感器
Q1:第一電晶體開關
vC2:共振電容電壓
vds1:汲源電壓
Vin:輸入端電壓
vL1:第一電感電壓
vL2:共振電感電壓
Vo:輸出端電壓

Claims (10)

  1. 一種具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，包含：一升壓轉換器；及一被動式無損失緩衝器，該被動式無損失緩衝器係電性連接至該升壓轉換器，其中該被動式無損失緩衝器包含：一輸入端單向導通元件，該輸入端單向導通元件係電性連接至該升壓轉換器；一共振電感器，該共振電感器係電性連接至該輸入端單向導通元件；一共振電容器，該共振電容器係電性連接至該升壓轉換器及該共振電感器；及一輸出端單向導通元件，該輸出端單向導通元件係電性連接至該升壓轉換器、該共振電感器及該共振電容器，其中，該輸入端單向導通元件被配置為使該共振電感器及該共振電容器被配置為共振半周期便停止共振。
  2. 如請求項1所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中該升壓轉換器包含：一第一電感器，該第一電感器係電性連接至該輸入端單向導通元件及該共振電容器；一第一電晶體開關，該第一電晶體開關係電性連接至該第一電感器及該共振電容器；一開關控制器，該開關控制器係電性連接至該第一電晶體開關；及 一第一二極體，該第一二極體係電性連接至該第一電晶體開關、該第一電感器、該共振電容器及該輸出端單向導通元件。
  3. 如請求項2所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置進入一第一動作階段時，該開關控制器被配置為導通該第一電晶體開關，且該第一電感器被配置為被一輸入端電壓激磁而以一磁場形式儲存一電能能量，且流過該第一電感器的一第一電感電流逐漸地增加，且該共振電感器及該共振電容器被配置為被該輸入端電壓充電並共振，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置被配置為進入一第二動作階段。
  4. 如請求項3所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置進入該第二動作階段時，該開關控制器被配置為保持導通該第一電晶體開關，且該第一電感器被配置為繼續被該輸入端電壓激磁而以該磁場形式儲存該電能能量，且流過該第一電感器的該第一電感電流繼續增加，且該共振電感器及該共振電容器被配置為繼續被該輸入端電壓充電並共振，使得該共振電容器的一共振電容電壓為該輸入端電壓的兩倍，且使得流過該共振電感器的一共振電感電流為零，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置被配置為進入一第三動作階段。
  5. 如請求項4所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置進入該第三動作階段時，該開關控制器被配置為關斷該第一電晶體開關，且該第一電晶體開關之一寄生電容被配置為被該第一電感電流從零伏特開始充電，使得該第一電晶體開關的一汲源電壓逐漸地增加，且該共振電容器被配置為放電，使得該輸出端單向導通元件被配置為順偏壓導通，且該共振電容電壓從該輸入端電壓的兩倍放電至零伏特，且該第一電晶體開關的該汲源電壓加上該共振電容器的該共振電容電壓 等於一輸出端之一輸出端電壓，且當該共振電容器的該共振電容電壓放電至零伏特時，該第一二極體被配置為藉由該第一電感電流而順偏壓導通，且接著該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置被配置為進入一第四動作階段。
  6. 如請求項5所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中當該具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置進入該第四動作階段時，該開關控制器被配置為保持關斷該第一電晶體開關，且該第一二極體被配置為繼續藉由該第一電感電流而順偏壓導通，且流過該輸入端單向導通元件的一輸入端單向導通電流為零，且流過該共振電感器的該共振電感電流為零，且流過該共振電容器的一共振電容電流為零，且流過該輸出端單向導通元件的一輸出端單向導通電流為零，且該第一電感器以該磁場形式儲存的該電能能量以一電流形式傳送至該輸出端，且流過該第一電感器的該第一電感電流逐漸地減少。
  7. 如請求項6所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中該升壓轉換器更包含：一輸入端電容，該輸入端電容係電性連接至該輸入端單向導通元件及該第一電感器。
  8. 如請求項7所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中該升壓轉換器更包含：一輸出端電容，該輸出端電容係電性連接至該輸出端單向導通元件及該第一二極體。
  9. 如請求項8所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中該輸入端單向導通元件係為一二極體；該輸出端單向導通元件係為一二極體。
  10. 如請求項9所述之具有被動式無損失緩衝器之升壓轉換裝置，其中該第一電晶體開關係為一金屬氧化物半導體場效應電晶體；該開關控制器係為一脈波寬度調變訊號控制器。
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