TWM447043U - 具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器 - Google Patents

具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器 Download PDF

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Qing-Cai Pan
ming-jie Zheng
qing-ming Lai
Yan-Liang Zhou
Zhi-Xing Fang
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Allis Electric Co Ltd
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具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器
本創作係有關於一種具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器。
現代高科技文明可說是建立在大量消耗石化能源的基礎上，但是根據研究統計，全球石油燃料儲藏量不到四十年，石化燃料逐漸枯竭。使用石化能源改善生活的同時，也產生大量的溫室氣體，導致溫室效應與自然生態環境的破壞等，日漸高漲的石油價格也使得各國開始提倡節能減碳，並逐漸重視太陽能、風力與燃料電池等潔淨再生能源，使得能源科技漸漸往其相關應用發展。
大型再生能源發電系統由於空間限制，在地狹人稠的海島建置不易，因此小型分散式電源發電系統相關技術也逐漸受到重視。小型再生能源系統可由太陽光伏模組或燃料電池、升壓型直流/直流轉換器(Step-Up DC/DC Converter)、直/交流轉換器(DC/AC Converter)等電能轉換電路所組成。一般的太陽能或燃料電池等為低電壓直流電源(20~45V)，但後級的直/交流轉換器卻需要較高的直流輸入電壓(350~400V)，以將其轉換為常用的交流電(110Vrms、220Vrms)供給負載或併入市電，因此需要一高升壓比直流/直流轉換器來達成前級升壓的目的。但此種轉換器為大電流輸入，容易造成較大的電流漣波與開關切換損失。
有鑑於此，本創作提出一種高升壓比直流/直流轉換器，藉由交錯式切換與開關柔性切換的技術以提升轉換器效率，且具有寬廣的輸入、輸出電壓範圍與可模組化之特色，相當適合應用於未來分散式再生能源系統。
本創作之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器包括一倍壓升壓電路以及一主動箝位電路。倍壓升壓電路包括二隔離變壓器、二設置在隔離變壓器一次側的主開關、四設置在隔離變壓器二次側的二極體、以及四設置在隔離變壓器二次側的電容，用以將一直流電源之電壓提高到需要的電壓值。主動箝位電路電性連接倍壓升壓電路，包括二主動式箝位開關以及一箝位電容，用於降低主開關上的電壓突波，使主開關及主動式箝位開關在導通時能進行柔性切換。
其中，主開關彼此間為交錯式切換，主動式箝位開關彼此間亦為交錯式切換，而主開關與主動式箝位開關之間為互補式切換。
其中，主開關與主動式箝位開關切換時，均存在一盲時區間，以進行柔性切換。
為使本創作之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。
第1圖係依據本創作之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器之第一實施例的電路圖，此直流轉換器30包括一主動箝位電路10以及一倍壓升壓電路20。倍壓升壓電路20包括兩組隔離變壓器220、221，兩個設置在隔離變壓器220、221一次側的主開關210、211，四個設置在隔離變壓器220、221二次側的二極體231、232、233、234以及電容241、242、243、244，而隔離變壓器220、221分別包括激磁電感2201、2211與漏電感2202、2212。倍壓升壓電路20具有高電壓轉換比之特點，可降低主開關210、211之導通損失，有助於效率提升。主動箝位電路10電性連接倍壓升壓電路20，其包括兩個主動式箝位開關101、102與兩個箝位電容105、106，其主要目的在於降低主開關210、211上之電壓突波、並使得主開關210、211及主動式箝位開關101、102導通時可具有零電壓切換(Zero Voltage Switching,ZVS)之柔性切換特性，進一步增加整體電路之電能轉換效率。本創作直流轉換器30輸出端可接以負載或後級轉換器。
第2圖顯示主開關210、211及主動式箝位開關101、102切換操作所遵循的基本原則，主開關210與211保持交錯式(相差半個切換週期，即相位差180°)控制方式如第2圖中V210 、V211 所示(分別為主開關210與211的驅動電壓)，而主動式箝位開關101、102之切換則如該圖中V101 、V102 所示(分別為主動式箝位開關101、102的驅動電壓)，其分別與主開關210、211成互補式切換。然為了避免一次側箝位電容105、106發生短路的現象，主開關210、211與主動式箝位開關101、102之間需加入一盲時區間(dead time)，其工作模式可依開關導通與截止如第3圖所示，將一週期區分為十二個區間，以下將說明本創作直流轉換器30之工作模式。
直流轉換器30於工作模式一時，其等效電路如第4圖所示，此時主開關210、211導通，主動式箝位開關101、102截止，二極體233、232導通，二極體231、234截止。由於直流轉換器30於前一個工作模式(模式十二)時，主開關210電流先行流經主開關210的等效寄生二極體(body diode)(未標示)，故於工作模式一時主開關210可達到ZVS導通之特性。隔離變壓器220一次側輸入電流由標示點流出，所以隔離變壓器220二次側電流由標示點流入，並且流經二極體233而對電容243儲能。電容241對負載40釋能。隔離變壓器221一次側輸入電流由標示點流入，所以隔離變壓器221二次側電流由標示點流出，並且流經二極體232與電容244而對電容242與負載40釋能。第4圖中所示之電流方向，虛線為工作模式一開始時之電流方向，實線則為工作模式一結束時之電流方向。由第4圖中可知流經漏電感2202的電流iLk1 於工作模式一中會由負電流上升至正電流。當流經漏電感2202電流iLk1 等於流經激磁電感2201電流iLm1 時，隔離變壓器220一次側電流會開始轉為由標示點流入，此時進入工作模式二。
工作模式二的等效電路如第5圖所示，主開關210、211導通，主動式箝位開關101、102截止，二極體231、232導通，二極體233、234截止。隔離變壓器220、221一次側電流皆由標示點流入，所以隔離變壓器220、221二次側電流皆由標示點流出，並且分別流經二極體231、232與電容243、244，而對電容241、242與負載40釋能。如第3圖所示，工作模式二中當主開關211截止時，則進入工作模式三。
工作模式三之等效電路如第6圖所示，主開關210導通，主開關211、主動式箝位開關101、102截止，二極體231、232導通，二極體233、234截止，此時為 開關盲時時間(dead time)。隔離變壓器220、221一次側電流皆由標示點流入，所以隔離變壓器220、221二次側電流皆由標示點流出，並且分別流經二極體231、232與電容243、244，對電容241、242與負載40釋能。因為漏電感2212電流iLk2 續流，迫使主動式箝位開關102的等效寄生二極體(body diode)導通，使主動式箝位開關102電流先行流經主動式箝位開關102的等效寄生二極體(body diode)，因此可使主動式箝位開關102於工作模式四開始時達到ZVS導通。如第3圖所示，工作模式三中當主動式箝位開關102導通時，則進入工作模式四。
工作模式四之等效電路如第7圖所示，主開關210、主動式箝位開關102導通，主開關211、主動式箝位開關101截止，二極體231、232導通，二極體233、234截止。如前述，由於直流轉換器30於前一個工作模式(工作模式三)時，主動式箝位開關102的等效寄生二極體(body diode)已先行導通，因此主動式箝位開關102於工作模式四開始時可達到ZVS導通。隔離變壓器220、221一次側電流皆由標示點流入，所以隔離變壓器220、221二次側電流皆由標示點流出，並且分別流經二極體231、232與電容243、244，對電容241、242與負載40釋能。工作模式四中當流經漏電感2212電流 iLk2 等於流經激磁電感2211電流iLm2 時，隔離變壓器221一次側電流會開始轉為由標示點流出，此時進入工作模式五。
工作模式五之等效電路如第8圖所示，主開關210、主動式箝位開關102導通，主開關211、主動式箝位開關101截止，二極體231、234導通，二極體233、232截止。隔離變壓器220一次側電流由標示點流入，所以隔離變壓器220二次側電流由標示點流出，並且流經二極體231與電容243對電容241與負載40釋能。隔離變壓器221一次側電流由標示點流出，所以隔離變壓器221二次側電流由標示點流入，並且流經二極體234對電容244儲能，電容242對負載40釋能。第8圖中所示之電流方向，虛線為工作模式五開始時之電流方向，實線則為工作模式五結束時之電流方向。由第8圖中可知流經漏電感2212的電流iLk2 於工作模式五中會由正電流下降至負電流。如第3圖所示，工作模式五中當主動式箝位開關102截止時，則進入工作模式六。
工作模式六之等效電路如第9圖所示，主開關210導通，主開關211、主動式箝位開關101、102截止，二極體231、234導通，二極體233、232截止，此時為開關盲時時間(dead time)。隔離變壓器220一次側電流由標示點流入，所以隔離變壓器220二次側電流由標示 點流出，並且流經二極體231與電容243對電容241與負載40釋能。隔離變壓器221一次側電流由標示點流出，所以隔離變壓器221二次側電流由標示點流入，並且流經二極體234對電容244儲能。電容242對負載40釋能。因為漏電感2212電流iLk2 續流，迫使主開關211的等效寄生二極體(body diode)導通，使主開關211電流先行流經主開關211的等效寄生二極體(body diode)，因此可使主開關211於工作模式七開始時達到ZVS導通。如第3圖所示，工作模式六中當主開關211導通時，則進入工作模式七。
工作模式七之等效電路如第10圖所示，此時主開關210、211導通，主動式箝位開關101、102截止，二極體231、234導通，二極體233、232截止。如前述，由於直流轉換器30於前一個工作模式(模式六)時，主開關211電流先行流經主開關211的等效寄生二極體(body diode)，故於工作模式七時主開關211可達到ZVS導通之特性。隔離變壓器220一次側輸入電流由標示點流入，所以隔離變壓器220二次側電流由標示點流出，並且流經二極體231與電容243對電容241與負載40釋能。隔離變壓器221一次側輸入電流由標示點流出，所以隔離變壓器221二次側電流由標示點流入，並且流經二極體234對電容244儲能。電容242對負載40釋 能。第10圖中所示之電流方向，虛線為工作模式七開始時之電流方向，實線則為工作模式七結束時之電流方向。由第10圖中可知流經漏電感2212的電流iLk2 於工作模式七中會由負電流上升至正電流。當流經漏電感2212電流iLk2 等於流經激磁電感2211電流iLm2 時，隔離變壓器221一次側電流會開始轉為由標示點流入，此時進入工作模式八。
工作模式八其等效電路如第11圖所示，主開關210、211導通，主動式箝位開關101、102截止，二極體231、232導通，二極體233、234截止。隔離變壓器220、221一次側電流皆由標示點流入，所以隔離變壓器220、221二次側電流皆由標示點流出，並且分別流經二極體231、232與電容243、244，對電容241、242與負載40釋能。如第3圖所示，工作模式八中當主開關210截止時，則進入工作模式九。
工作模式九之等效電路如第12圖所示，主開關211導通，主開關210、主動式箝位開關101、102截止，二極體231、232導通，二極體233、234截止，此時為開關盲時時間(dead time)。隔離變壓器220、221一次側電流皆由標示點流入，所以隔離變壓器220、221二次側電流皆由標示點流出，並且分別流經二極體231、232與電容243、244，對電容241、242與負載40釋能。 因為漏電感2202電流iLk1 續流，迫使主動式箝位開關101的等效寄生二極體(body diode)導通，使主動式箝位開關101電流先行流經主動式箝位開關101的等效寄生二極體(body diode)，因此可使主動式箝位開關101於工作模式十開始時達到ZVS導通。如第3圖所示，工作模式九中當主動式箝位開關101導通時，則進入工作模式十。
工作模式十之等效電路如第13圖所示，主開關211、主動式箝位開關101導通，主開關210、主動式箝位開關102截止，二極體231、232導通，二極體233、234截止。如前述，由於直流轉換器30於前一個工作模式(工作模式九)時，主動式箝位開關101的等效寄生二極體(body diode)已先行導通，因此主動式箝位開關101於工作模式十開始時可達到ZVS導通。隔離變壓器220、221一次側電流皆由標示點流入，所以隔離變壓器220、221二次側電流皆由標示點流出，並且分別流經二極體231、232與電容243、244，對電容241、242與負載40釋能。工作模式十中當流經漏電感2202電流iLk1 等於流經激磁電感2201電流iLm1 時，隔離變壓器220一次側電流會開始轉為由標示點流出，此時進入工作模式十一。
工作模式十一之等效電路如第14圖所示，主開關 211、主動式箝位開關101導通，主開關210、主動式箝位開關102截止，二極體233、232導通，二極體231、234截止。隔離變壓器220一次側電流由標示點流出，所以隔離變壓器220二次側電流由標示點流入，並且流經二極體233對電容243儲能，電容241對負載40釋能。隔離變壓器221一次側電流由標示點流入，所以隔離變壓器221二次側電流由標示點流出，並且流經二極體232與電容244對電容242與負載40釋能。第14圖中所示之電流方向，虛線為工作模式十一開始時之電流方向，實線則為工作模式十一結束時之電流方向。由第14圖中可知流經漏電感2202的電流iLk1 於工作模式十一中會由正電流下降至負電流。如第3圖所示，工作模式十一中當主動式箝位開關101截止時，則進入工作模式十二。
工作模式十二之等效電路如第15圖所示，主開關211導通，主開關210、主動式箝位開關101、102截止，二極體233、232導通，二極體231、234截止，此時為開關盲時時間(dead time)。隔離變壓器220一次側電流由標示點流出，所以隔離變壓器220二次側電流由標示點流入，並且流經二極體233對電容243儲能。電容241對負載40釋能。隔離變壓器221一次側電流由標示點流入，所以隔離變壓器221二次側電流由標示點流 出，並且流經二極體232與電容244對電容242與負載40釋能。因為漏電感2202電流iLk1 續流，迫使主開關210的等效寄生二極體(body diode)導通，使主開關210電流先行流經主開關210的等效寄生二極體(body diode)，因此可使主開關210於工作模式一開始時達到ZVS導通。如第3圖所示，工作模式十二中當主開關210導通時，則回到工作模式一，如此週而復始。
此轉換器經由數學模型推導與模擬驗證，可得其理想升壓比為(當隔離變壓器T1 、T2 之匝數比皆為n)(n1 =n2 =n)： 其中V o 為輸出電壓；V s 為輸入電壓；D 為主開關210、211之導通週期，稱為開關工作週期。
此外，依隨著不同主動箝位電路擺置配接，可發展出本創作電路架構的其他實施例。請參閱第16圖、第17圖、第18圖、及第19圖，其分別為本創作直流轉換器之第二實施例、第三實施例、第四實施例、及第五實施例之電路圖，其與第一實施例的差異僅在於主動式箝位開關101、102與箝位電容105、106之配接方式 不同，而第四實施例及第五實施例更將二箝位電容105、106合併，僅使用一箝位電容107，然動作原理及功效均類似，升壓比亦相同，故此不再贅述。
本創作具有以下優點：
1.本創作直流轉換器具備低壓側與高壓側電氣隔離(isolated)之電路保護特性。
2.就提升轉換效率而言，輸入低壓側開關搭配主動箝位技術以達零電壓柔性切換降低損失，故本創作直流轉換器具備高轉換效率特性。
3.本創作直流轉換器採主動箝位技術，因此轉換器開關之工作範圍不受限制；而所提電路先天具有極高升壓比，利於將太陽能電池模組之低電壓提升高電壓，便於後級轉換器使用，如併聯市電，故本創作所揭示之直流轉換器非常適用於電壓變動幅度較大之中小功率太陽光伏模組。
4.本創作直流轉換器具有模組化之能力，且無須使用額外之電感，可降低成本利於量產。
本創作直流轉換器可應用於再生能源系統，如太陽光伏發電系統，然而可以瞭解到本創作之應用並不限於此，凡須將直流電源升壓的系統皆可採用本創作。
雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習此項技藝者，在不脫離本創 作之精神和範圍內，仍可作些許的更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧主動箝位電路
20‧‧‧倍壓升壓電路
30‧‧‧直流轉換器
40‧‧‧負載
101‧‧‧主動式箝位開關
102‧‧‧主動式箝位開關
105‧‧‧箝位電容
106‧‧‧箝位電容
107‧‧‧箝位電容
210‧‧‧主開關
211‧‧‧主開關
220‧‧‧隔離變壓器
221‧‧‧隔離變壓器
231‧‧‧二極體
232‧‧‧二極體
233‧‧‧二極體
234‧‧‧二極體
241‧‧‧電容
242‧‧‧電容
243‧‧‧電容
244‧‧‧電容
2201‧‧‧激磁電感
2202‧‧‧漏電感
2211‧‧‧激磁電感
2212‧‧‧漏電感
1：n1 ‧‧‧匝數比
1：n2 ‧‧‧匝數比
iLk1 ‧‧‧電流
iLk2 ‧‧‧電流
iLm1 ‧‧‧電流
iLm2 ‧‧‧電流
Vo ‧‧‧輸出電壓
Vs ‧‧‧輸入電壓
第1圖係依據本創作之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器之第一實施例的電路圖。
第2圖顯示本創作之主開關及主動式箝位開關切換操作所遵循的基本原則。
第3圖顯示本創作之主開關及主動式箝位開關於十二個工作模式中切換操作情形。
第4圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式一的等效電路。
第5圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式二的等效電路。
第6圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式三的等效電路。
第7圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式四的等效電路。
第8圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式五的等效電路。
第9圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例 於工作模式六的等效電路。
第10圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式七的等效電路。
第11圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式八的等效電路。
第12圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式九的等效電路。
第13圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式十的等效電路。
第14圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式十一的等效電路。
第15圖係依據本創作之直流轉換器之第一實施例於工作模式十二的等效電路。
第16圖係依據本創作之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器之第二實施例的電路圖。
第17圖係依據本創作之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器之第三實施例的電路圖。
第18圖係依據本創作之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器之第四實施例的電路圖。
第19圖係依據本創作之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器之第五實施例的電路圖。
10．．．主動箝位電路
20．．．倍壓升壓電路
30．．．直流轉換器
40．．．負載
101．．．主動式箝位開關
102．．．主動式箝位開關
105．．．箝位電容
106．．．箝位電容
210．．．主開關
211．．．主開關
220．．．隔離變壓器
221．．．隔離變壓器
231．．．二極體
232．．．二極體
233．．．二極體
234．．．二極體
241．．．電容
242．．．電容
243．．．電容
244．．．電容
2201．．．激磁電感
2202．．．漏電感
2211．．．激磁電感
2212．．．漏電感
1:n1 ．．．匝數比
1:n2 ．．．匝數比
Vo ．．．輸出電壓
Vs ．．．輸入電壓

Claims (3)

  1. 一種具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器，包括：一倍壓升壓電路，包括二隔離變壓器、二設置在該等隔離變壓器一次側的主開關、四設置在該等隔離變壓器二次側的二極體、以及四設置在該等隔離變壓器二次側的電容，用以將一直流電源之電壓提高到需要的電壓值；一主動箝位電路，電性連接該倍壓升壓電路，包括二主動式箝位開關以及一箝位電容，用於降低該等主開關上的電壓突波，使該等主開關及該等主動式箝位開關在導通時能進行柔性切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器，其中該等主開關彼此間為交錯式切換，該等主動式箝位開關彼此間亦為交錯式切換，而該等主開關與該等主動式箝位開關之間為互補式切換。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具交錯式柔性切換機制之高效率高升壓比直流轉換器，其中該等主開關與該等主動式箝位開關切換時，均存在一盲時區間，以進行柔性切換。
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