TWI812113B

TWI812113B - 升壓轉換器

Info

Publication number: TWI812113B
Application number: TW111111293A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2023-08-11
Also published as: TW202339412A; US20230308020A1

Abstract

本發明提供一種升壓轉換器。升壓轉換器包括升壓電感器、阻擋二極體、功率開關、輸出二極體、輸出電容器以及第一輔助路徑。升壓電感器的第一端接收經整流電壓訊號。阻擋二極體的陽極耦接於升壓電感器的第二端。功率開關耦接於阻擋二極體的陰極與參考低電壓之間。輸出二極體的陽極耦接於升壓電感器的第二端。輸出二極體的陰極作為升壓轉換器的輸出端。輸出電容器耦接於輸出二極體的陰極與參考低電壓之間。當功率開關被斷開時，第一輔助路徑被導通以延遲升壓電感器的放電。

Description

升壓轉換器

本發明是有關於一種電源轉換領域，且特別是有關於一種升壓轉換器。

圖1示出現行的升壓轉換器10。圖2示出升壓電感電流的波形示意圖。升壓轉換器10包括整流器RF、升壓電感器LM、功率開關Q、輸出二極體DO以及輸出電容器CO。整流器RF對輸入電壓訊號VIN進行整流以產生經整流電壓訊號VR。升壓電感器LM的第一端耦接於整流器RF以接收經整流電壓訊號VR。功率開關Q的第一端耦接於升壓電感器LM的第二端。功率開關Q的第二端耦接於參考低電壓（例如是接地）。功率開關Q基於開關訊號GD1而運行。輸出二極體DO的陽極耦接於升壓電感器LM的第二端。輸出二極體DO的陰極用以提供輸出電壓訊號VOUT。輸出電容器CO耦接於輸出二極體DO的陰極與參考低電壓之間。

應注意的是，升壓轉換器10在升壓電感電流ILM的電流值降低為0安培的瞬間，功率開關Q的寄生電容COSS會與升壓電感器LM發生諧振，使得升壓電感電流ILM具有逆向電感電流（如區域B1、B2所示）。逆向電感電流會以熱的形式進行消耗，也就是產生熱損耗。熱損耗的產生將較低電源轉換的效率。因此，如何防止逆向電感電流的產生以提高電源轉換的效率，是本領域技術人員的研究方向之一。

本發明提供一種升壓轉換器，能夠防止逆向電感電流的產生以提高電源轉換的效率。

本發明的升壓轉換器包括升壓電感器、阻擋二極體、功率開關、輸出二極體、輸出電容器以及第一輔助路徑。升壓電感器的第一端用以接收經整流電壓訊號。阻擋二極體的陽極耦接於升壓電感器的第二端。功率開關的第一端耦接於阻擋二極體的陰極。功率開關的第二端耦接於參考低電壓。功率開關基於第一開關訊號而運行。輸出二極體的陽極耦接於升壓電感器的第二端。輸出二極體的陰極作為升壓轉換器的輸出端。輸出電容器耦接於輸出二極體的陰極與參考低電壓之間。第一輔助路徑耦接於升壓電感器的第二端與輸出二極體的陰極之間。當功率開關被斷開時，第一輔助路徑被導通以延遲升壓電感器的放電。

基於上述，當功率開關被斷開時，阻擋二極體能夠阻擋儲存於功率開關的寄生電容的能量回到升壓電感器。如此一來，升壓電感器不會產生逆向電感電流。除此之外，當功率開關被斷開時，第一輔助路徑被導通以延遲升壓電感器的放電。因此，升壓電感電流降低為0安培的時間區間可以大幅被縮短。升壓電感器LM發生非預期的諧振的機會可以大幅被降低。如此一來，電源轉換的效率可以被提高。

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。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。

請同時參考圖3以及圖4，圖3是依據本發明第一實施例所繪示的升壓轉換器的示意圖。圖4是依據本發明一實施例所繪示的升壓電感電流的波形示意圖。在本實施例中，升壓轉換器100能夠對經整流電壓訊號VR進行轉換以產生輸出電壓訊號VOUT。升壓轉換器100包括升壓電感器L1、阻擋二極體DB、功率開關Q1、輸出二極體DO、輸出電容器CO以及第一輔助路徑P1。升壓電感器L1的第一端用以接收經整流電壓訊號VR。阻擋二極體DB1的陽極耦接於升壓電感器L1的第二端。功率開關Q1的第一端耦接於阻擋二極體DB的陰極。功率開關Q1的第二端耦接於參考低電壓（例如是接地端GND）。功率開關Q1基於開關訊號GD1而運行。功率開關Q1基於開關訊號GD1的電壓準位進行開關操作。輸出二極體DO的陽極耦接於升壓電感器L1的第二端。輸出二極體DO的陰極則作為升壓轉換器100的輸出端以提供輸出電壓訊號VOUT。輸出電容器CO耦接於輸出二極體DO的陰極與參考低電壓之間。第一輔助路徑P1耦接於升壓電感器L1的第二端與輸出二極體DO的陰極之間。

在本實施例中，當功率開關Q1被導通時，升壓電感器L1會接收經整流電壓訊號VR並儲存來自於經整流電壓訊號VR的能量。因此，位於升壓電感器L1的升壓電感電流ILM會上升。此外，當功率開關Q1被導通時，第一輔助路徑P1會被斷開。

當功率開關Q1被斷開時，升壓電感器L1會釋放的升壓電感器L1本身所儲存的能量。第一輔助路徑P1被導通而被啟用。升壓電感器L1本身所儲存的能量會經由輸出二極體DO以及第一輔助路徑P1等兩個路徑到達輸出電容器CO。第一輔助路徑P1會被用以延遲升壓電感器L1的放電。因此，升壓電感器L1釋放能量的速度會下降，如曲線CV所示。如此一來，升壓電感器L1發生非預期的諧振的機會可以大幅被降低。除此之外，阻擋二極體DB阻擋儲存於功率開關Q1的寄生電容COSS的能量回到升壓電感器L1。升壓電感器L1不會產生逆向電感電流。如此一來，升壓轉換器100的電源轉換的效率能夠被提高。

在本實施例中，第一輔助路徑P1包括二極體D1、電感器L2以及開關Q2。二極體D1的陽極耦接於升壓電感器L1的第二端。開關Q2與電感器L2串聯耦接於二極體D1的陰極與輸出二極體DO的陰極之間。開關Q2基於開關訊號GD2而運行。舉例來說，電感器L2的第一端耦接於二極體D1的陰極。開關Q2的第一端耦接於電感器L2的第二端。開關Q2的第二端耦接於輸出二極體DO的陰極。開關Q2的控制端用以接收開關訊號GD2。在本實施例中，當功率開關Q1被斷開時，開關Q2被導通。因此，第一輔助路徑P1會被導通而被啟用。電感器L2會提供的感抗值。因此，當功率開關Q1被斷開時，升壓轉換器100的感抗值增加，進而延遲升壓電感器L1的放電。二極體D1用以定義出能量的傳遞方向，從而防止在第一輔助路徑P1被導通的情況下使能量回到升壓電感器L1。

在另一方面，當功率開關Q1被導通時，開關Q2被斷開。因此，第一輔助路徑P1會被斷開而被停用。

在本實施例中，功率開關Q1以及開關Q2分別是由N型金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）來實現。然本發明並不以此為限。功率開關Q1以及開關Q2可以是由本技術領域的技術人員所熟知的電晶體開關來實現。

請參考圖5，圖5是依據本發明第二實施例所繪示的升壓轉換器的示意圖。在本實施例中，升壓轉換器200包括升壓電感器L1、阻擋二極體DB、功率開關Q1、輸出二極體DO、輸出電容器CO、第一輔助路徑P1以及第二輔助路徑P2。在本實施例中，升壓電感器L1、阻擋二極體DB、功率開關Q1、輸出二極體DO、輸出電容器CO以及第一輔助路徑P1的實施方式可以在圖3的第一實施例獲得足夠的教示，因此恕不在此重述。在本實施例中，第二輔助路徑P2耦接於功率開關Q1的第一端與參考低電壓之間。當功率開關Q1被斷開時，第二輔助路徑P2被導通以釋放儲存功率開關Q1的寄生電容COSS的能量。

在本實施例中，第二輔助路徑P2包括二極體D2、諧振電阻器RX、諧振電容器CX、電感器L3以及開關Q3。二極體D2的陽極耦接於功率開關Q1的第一端。諧振電容器CX與諧振電阻器RX並聯於連接節點CD與參考低電壓之間。開關Q3與電感器L3串聯耦接於二極體D2的陰極與連接節點CD之間。開關Q3基於開關訊號GD3而運行。舉例來說，電感器L3的第一端耦接於二極體D2的陰極。開關Q3的第一端耦接於電感器L3的第二端。開關Q3的第二端耦接於連接節點CD。開關Q3的控制端用以接收開關訊號GD3。在本實施例中，當功率開關Q1被斷開時，開關Q3被導通。因此，第二輔助路徑P2會被導通而被啟用。因此，功率開關Q1的寄生電容COSS、電感器L3、諧振電容器CX以及諧振電阻器RX會形成一諧振迴路。如此一來，儲存功率開關Q1的寄生電容COSS的能量會經由諧振迴路被釋放到參考低電壓。二極體D2用以定義出能量的傳遞方向，從而防止在第二輔助路徑P2被導通的情況下使能量回到寄生電容COSS。

在另一方面，當功率開關Q1被導通時，開關Q3被斷開。因此，第二輔助路徑P2會被斷開而被停用。此時，儲存於諧振電容器CX的能量會經由諧振電阻器RX被釋放到參考低電壓。

在本實施例中，開關Q3是由N型MOSFET來實現。然本發明並不以此為限。開關Q3可以是由本技術領域的技術人員所熟知的電晶體開關來實現。

在本實施例中，升壓轉換器200還包括整流器RF。整流器RF耦接於升壓電感器L1的第一端。整流器RF接收輸入電壓訊號VIN。整流器RF對輸入電壓訊號VIN進行整流以產生經整流電壓訊號VR。在本實施例中，整流器RF可以是由全橋式整流器來實現。在一些實施例中，整流器RF可以被設置在升壓轉換器200的外部。

在本實施例中，升壓轉換器200還包括電阻器R1、R2。電阻器R1耦接於阻擋二極體DB的陰極與功率開關Q1的第一端之間。電阻器R2耦接於輸出二極體DO的陰極與升壓轉換器200的輸出端之間。電阻器R1被用以調節升壓電感器L1儲存能量的速度。電阻器R2被用以輔助調節升壓電感器L1釋放能量的速度。

在本實施例中，升壓轉換器200還包括控制器210。控制器210提供開關訊號GD1、GD2、GD3。

接下來請同時參考圖5以及圖6，圖6是依據本發明一實施例所繪示的開關訊號的波形示意圖。圖6示出了開關訊號GD1、GD2、GD3。在本實施例中，功率開關Q1會反應於具有高電壓準位的開關訊號GD1被導通。功率開關Q1會反應於具有低電壓準位的開關訊號GD1被斷開。開關Q2會反應於具有高電壓準位的開關訊號GD2被導通。開關Q2會反應於具有低電壓準位的開關訊號GD2被斷開。開關Q3會反應於具有高電壓準位的開關訊號GD3被導通。開關Q3會反應於具有低電壓準位的開關訊號GD3被斷開。在本實施例中，開關訊號GD2、GD3的狀態會被控制以與開關訊號GD1的狀態相反。也就是說，當開關訊號GD1處於高電壓準位時，開關訊號GD2、GD3處於低電壓準位。在另一方面，當開關訊號GD1處於低電壓準位時，開關訊號GD2、GD3則處於高電壓準位。

在本實施例中，在時間區間T1，功率開關Q1反應於具有高電壓準位的開關訊號GD1被導通。升壓電感器L1會儲存來自於經整流電壓訊號VR的能量。因此，位於升壓電感器L1的升壓電感電流ILM會上升。功率開關Q1的寄生電容COSS也儲存了能量。在時間區間T1，第一輔助路徑P1以及第二輔助路徑P2被斷開。

在時間區間T2，功率開關Q1反應於具有低電壓準位的開關訊號GD1被斷開。升壓電感器L1釋放能量。此時，第一輔助路徑P1以及第二輔助路徑P2被導通。因此，升壓電感器L1的放電會被延遲。此外，寄生電容COSS所儲存的能量也經由第二輔助路徑P2被釋放。當升壓電感器L1的升壓電感電流ILM的電流值降低為0安培時，阻擋二極體DB會阻擋寄生電容COSS所儲存的能量回到升壓電感器L1。

在時間區間T3，功率開關Q1反應於具有高電壓準位的開關訊號GD1被導通。第一輔助路徑P1以及第二輔助路徑P2被斷開。升壓電感器L1會儲存來自於經整流電壓訊號VR的能量。此外，儲存於諧振電容器CX的能量會經由諧振電阻器RX被釋放到參考低電壓。

請參考圖7，圖7是依據本發明第三實施例所繪示的升壓轉換器的示意圖。與圖5的第二實施例不同的是，升壓轉換器300還包括二極體D3。二極體D3的陽極耦接於二極體D2的陰極。二極體D3的陰極耦接於二極體D1的陰極。此外，連接節點耦接至輸出二極體的陰極。因此，當功率開關Q1被斷開時，寄生電容COSS、電感器L2、L3、諧振電容器CX以及諧振電阻器RX會共同形成一諧振電路。這諧振電路會將寄生電容COSS所儲存的能量釋放到參考低電壓。也就是說，寄生電容COSS所儲存的能量會通過第一輔助路徑P1的部分（電感器L2）以及第二輔助路徑P2被釋放到參考低電壓。

在本實施例中，升壓轉換器300還包括平衡電容器C1。平衡電容器C1耦接於二極體D3的陰極與連接節點CD之間。平衡電容器C1提供容抗值以抵銷升壓電感器L1以及電感器L2、L3所產生的感抗值。

在具有大輸出功率（如，大於或等於180瓦）的條件下，位於升壓電感器L1的升壓電感電流ILM可能會有在還沒有被釋放完畢（升壓電感電流ILM的電流值降為0安培）的情況下，功率開關Q1就被導通。在這樣的情況下，會導致升壓轉換器300在狀態轉換上發生誤操作。本實施例則利用平衡電容器C1所提供來抵銷升壓電感器L1以及電感器L2、L3所共同產生的感抗值。如此一來，升壓電感電流ILM過慢的放電速度能夠被加速。

綜上所述，當功率開關被斷開時，升壓電感器會釋放的升壓電感器本身所儲存的能量。第一輔助路徑被導通而被啟用。第一輔助路徑會被用以延遲升壓電感器的放電。因此，升壓電感器釋放能量的速度會下降。升壓電感器發生非預期的諧振的機會可以大幅被降低。除此之外，阻擋二極體阻擋儲存於功率開關的寄生電容的能量回到升壓電感器。升壓電感器不會產生逆向電感電流。如此一來，電源轉換的效率能夠被提高。此外，當功率開關被斷開時，第二輔助路徑被導通以釋放儲存功率開關的寄生電容的能量。

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。

10、100、200、300:升壓轉換器 210:控制器 B1、B2:區域 C1:平衡電容器 CO:輸出電容器 COSS:寄生電容 CV:曲線 CX:諧振電容器 D1、D2、D3:二極體 DB:阻擋二極體 DO:輸出二極體 GD1、GD2、GD3:開關訊號 GND:接地端 ILM:升壓電感電流 L1、LM:升壓電感器 L2、L3:電感器 P1:第一輔助路徑 P2:第二輔助路徑 Q、Q1:功率開關 Q2、Q3:開關 R1、R2:電阻器 RX:諧振電阻器 t:時間 T1、T2、T3:時間區間 VIN: 輸入電壓訊號 VOUT:輸出電壓訊號 VR:經整流電壓訊號

圖1是依據先前技術所繪示的升壓轉換器的示意圖。圖2是依據先前技術所繪示的升壓電感電流的波形示意圖。圖3是依據本發明第一實施例所繪示的升壓轉換器的示意圖。圖4是依據本發明一實施例所繪示的升壓電感電流的波形示意圖。圖5是依據本發明第二實施例所繪示的升壓轉換器的示意圖。圖6是依據本發明一實施例所繪示的開關訊號的波形示意圖。圖7是依據本發明第三實施例所繪示的升壓轉換器的示意圖。

100:升壓轉換器

CO:輸出電容器

COSS:寄生電容

D1:二極體

DB:阻擋二極體

DO:輸出二極體

GD1、GD2:開關訊號

GND:接地端

ILM:升壓電感電流

L1:升壓電感器

L2:電感器

P1:第一輔助路徑

Q1:功率開關

Q2:開關

VOUT:輸出電壓訊號

VR:經整流電壓訊號

Claims

一種升壓轉換器，包括：一升壓電感器，該升壓電感器的第一端用以接收一經整流電壓訊號；一阻擋二極體，該阻擋二極體的陽極耦接於該升壓電感器的第二端；一功率開關，該功率開關的第一端耦接於該阻擋二極體的陰極，該功率開關的第二端耦接於一參考低電壓，該功率開關基於一第一開關訊號而運行；一輸出二極體，該輸出二極體的陽極耦接於該升壓電感器的第二端，該輸出二極體的陰極作為升壓轉換器的輸出端；一輸出電容器，耦接於該輸出二極體的陰極與該參考低電壓之間；一第一輔助路徑，耦接於該升壓電感器的第二端與該輸出二極體的陰極之間，經配置以當功率開關被斷開時被導通，從而延遲該升壓電感器的放電；以及一第二輔助路徑，耦接於該功率開關的第一端與該參考低電壓之間，經配置以當該功率開關被斷開時被導通，從而釋放儲存該功率開關的寄生電容的能量。
如請求項1所述的升壓轉換器，其中該第一輔助路徑包括：一第一二極體，該第一二極體的陽極耦接於該升壓電感器的第二端；一第一電感器；以及一第一開關，與該第一電感器串聯耦接於該第一二極體的陰極與該輸出二極體的陰極之間，經配置以基於一第二開關訊號而運行。
如請求項2所述的升壓轉換器，其中當功率開關被斷開時，該第一開關被導通。
如請求項1所述的升壓轉換器，其中該第二輔助路徑包括：一第二二極體，該第二二極體的陽極耦接於該功率開關的第一端；一諧振電阻器；一諧振電容器，與該諧振電阻器並聯於一連接節點與該參考低電壓之間；一第二電感器；以及一第二開關，與該第二電感器串聯耦接於該第二二極體的陰極與該連接節點之間，經配置以基於一第三開關訊號而運行。
如請求項4所述的升壓轉換器，其中當功率開關被斷開時，該第二開關被導通。
如請求項4所述的升壓轉換器，還包括：一第三二極體，該第三二極體的陽極耦接於該第二二極體的陰極，該第三二極體的陰極耦接於該第一二極體的陰極，其中該連接節點耦接於該輸出二極體的陰極。
如請求項6所述的升壓轉換器，其中當該功率開關被斷開時，該功率開關的寄生電容、該第一電感器、該第二電感器、該諧振電容器以及該諧振電阻器共同形成一諧振電路。
如請求項4所述的升壓轉換器，其中當該第二輔助路徑被斷開時，該諧振電容器所儲存的能量經由該諧振電阻器被釋放到該參考低電壓。
如請求項4所述的升壓轉換器，還包括：一平衡電容器，耦接於該第二二極體的陰極與該連接節點之間，經配置以提供一容抗值，其中該容抗值用以抵銷該升壓電感器、該第一電感器以及該第二電感器所產生的感抗值。