TW200929819A - A boost voltage converter - Google Patents

Description

200929819 九、發明說明： * 【發明所屬之技術領域】 ' 本發明是有關於一種升壓轉換器，特別是指一種直流 電壓轉直流電壓的升壓轉換器。 【先前技術】 在許多的應用場合中常常需要將現有的低電壓升壓至 ' 較高電壓以提供設備之需求，如汽車用之電力電子、具能 量回收之主動式燒機負栽，其中以升壓型轉換器（Boost ❹ Converter)及升降壓型轉換器（Buck-Boost Converter)在市面 上使用較為普遍。但不論為升壓型轉換器或升降壓型轉換 器均存在一個無法達到高升壓比的缺點，參閱圖1，（a)曲線 為理想的升壓比曲線（工作於連續導通模式（CCM， Continuous Current Mode)時），但因受限於元件寄生效應以 及控制器之能力，因此不可能無限制的提高升壓比，實際 上的升壓比曲線如圖中（b)曲線所示。 以實際的應用而言’通常將升壓比設定於5倍左右， ❹ 若需要更高的升壓比，通常會採用兩級的升壓轉換器或是 採用返驰式轉換器（Flyback Converter)、前向式轉換器 (Forward Converter)之隔離式升壓轉換器。然而兩級的升壓 轉換器需要較多的元件，成本較高；返驰式轉換器（Flyback Converter)、前向式轉換器（Forward Converter)之隔離式升壓 轉換器則需利用到變壓器，此亦為可能的成本增加。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種設計結構簡單且 5 200929819 效率高的升壓轉換器。 於是，本發明升壓轉換器是包含一第一順向導通 第-電感、-第二順向導通元件、一第一開關元件、 一第二開關元件、一第一電容、—第二電感 : 元件及一第二電容。 開關 第一順向導通元件具有一與該電源電連接的第1， 及一第二端。

第一電感具有—與該第一)嗔肖導通元件的第二端電 接的第一端及一第二端。 第一順向導通元件具有一與該第一電感的第二端電連 接的第一端及一與該負載電連接的第二端。 第一開關元件具有一與該第一順向導通元件的第一端 電連接的第一端及一第二端。 第二開關元件具有一與該第一開關元件的第二端電連 接的第一端及一接地的第二端。 第一電容是電連接於該第一順向導通元件的第二端與 該第一開關元件的第二端之間。 第二電感具有一與該第一電感的第一端電連接的第一 端及一第二端。 第三開關元件具有一與該第二電感的第二端電連接的 第一端及一接地的第二端。 第二電谷具有一與該第二順向導通元件的第二端電連 接的第一端及一接地的第二端。 當該第一開關元件及第三開關元件同時導通且該第二 6 200929819 魯 開關元件不導通時，該第―、第二順向導通元件不導通， 此時形成兩個電流迴路，其中之一電流迴路的電流由該電 源依序流經該第-開關元件、該第一電容、該第二電感及 該第一開關元件’另一電流迴路的電流由該第二電容流經 X負載’田該第—開關元件導通且該第__開關元件及第三 開關元件同時不導通時，該第一、第二順向導通元件被導 通，電流由該電源流經該第一順向導通元件後分成兩路， 其中-路依序流經該第—電容及該第二開關元件，另一路 依序流經該第二電感及第二順向導通元件後再分兩路分 別流、.星該第—電容及該負載，對該第二電容充電。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 參閱圖2,是本發明升壓轉換器1〇〇的一較佳實施例， 它是-種高升壓比的直流轉直流的升壓轉換器！⑻，可應用 於能量回送之燒機架構，其設計概念是將電荷幫_合 電感結合以達到高升壓比的目的。電荷幫浦包含一第一開 關元件2、-第二開關元件3、一第一順向導通元件4及： 第一電容"。輕合電感包含-第-電感5及—第二電感6 。除了上述it件，本實施例的升塵轉換器i⑼冑包入 三開關元件7、一第二順向導通元件8及一第二電容ζ。另 外，上述的元件皆具有一第一端21、31、4ι 〕1、61、71 、81、91 及-第二端 22、32、42、52、62、72、82、 200929819 但第一電容99之兩端未編號） 第一開關元件2為N型金氧半場效電晶體(n_m〇s)， 其第一端21為汲極，且同時與第-順向導通元件4的第一 端W及一電源98電連接，其第二端42為源極，且與第二 開關元件3的第一端31(沒極)電連㈣二開關元件3也和 第一開關元件2 -樣是N型金氧半場效電晶體（n_m〇s)，

:者的第一端21、31與第二端㈣之間皆反向連接一 -極體97 ’以利兩者未導通時放電之用，另外 關元件3的第二端32(源極）接地。 一幵 第一順向導通元件4的第—端41是與電源％電連接 ’其第二端42則電連接於第—電容99 ,而第—電容μ的 另—端電連接於第1關元件2的第二端22〇 。第-電感5的第一端51與第一順向導通元件4的第二 端42電連接’其第二端52則與第二順向導通元件8的第 電連接。第二電感6的第一端61與第一電感5的

^ 51電連接’其第二端62則與第三開關元件7的第 一端71電連接。 第三開關元件7與前述的另兩個開關元件2、3相同也 是N型金氧半場效電晶_挪s)，且其第__端71與第二 之間也反向連接-個二極體97，以利未導通時放電之 用。另外’第三開關元件7的第二端72是源極且接地，第 端71則為汲極。 第二順向導通元件8的第二端82與第二電容9的第一 端91及貞載96電連接’在本較佳實施例中，第一、第 200929819 二順向導通it件4、8皆為二極體，如飛輪二極體，且其第 -端41、81皆為p極，第二端42、82皆為n極。此外， 第二電容9是與負載96並聯，且其第二端92接地。 要再說明的是，第一、第二及第三開關元件2、3、7 的閘極是受控於一控制電路95,此控制電路95用以決定第 一、第二及第三開關元件2、3、7的導通與否。 參閱圖3所示，為升壓轉換器1〇〇工作在第一模式， ❿ ❹ 圖中的箭頭方向為電流的流動方向，假設此升壓轉換器ι〇〇 是工作於連續導通模式（CCM)，當第—關元件2及第三開 關元件7同時導通且第二開關元件3不導通時，第一、第 二順向導itit件4、8不導通’此時形成兩個電流迴路，其 中之-電流迴路的電流由電源98依序流經第一開關元件2 、第-電I 99、第二電感6及第三開關元件7,另—電流 迴路的電流由第二電容9流經負冑96，由第二電容9向負 载96提供輸出能量。此時第二電感6被激磁，且激磁電壓 為電源98電壓V98的兩倍’即第二電感6的第一端“電壓 此時為2V98 ^ 參閱圖4所示，為升壓轉換器100工作在第二模式， 圖中的箭頭方向為雷潘的潘 器…从 向，同樣假設此升壓轉換 100疋工作於連續導通模式（CCM)，當第二開“件3導 ^且第一開關元件2及第三開關元件7同時不導通時，第 :、弟二順向導通元件4、8被導通，電流由電源98流經 第一順向導通元件4後分忐忐％ 4 干4後刀成兩路，其中一路依序流經第一 電容99及第二開關元件3， 力路依序流經第二電感6及 9 200929819 © 第二順向導通元件8後，再分兩路分別流經第二電容及負 載，對第二電容充電8。由於第_順向導通元件 ，所以此時第—電感6的第二端62電壓直 電壓一，於第二電感6的能量則被轉移= 電感5並釋出此量對第二電容9充電。 定義第-模式的週期為D，第二模式相對的就是H 一而根=伏秒即第二電感6的充電量等於其放電量）可得 再將此式化簡可得

^, 2V V - V / 到 V0 2D 广 N + 1

Nsr 21 ❹

Vin NeU-Dj N6|J7^) + 1 ’其中，V。是指輸出電壓，是 指輸入電壓（即電源電壓V98)，N5是指第一電感5的線_ 數，N6是指第二電感6的線圈阻數。由公式中可知道，藉 由調整第ϋ 5及第二電感6的圈數就可以得到較高的 升壓比。 參見表1所不，是本較佳實施例的元件的規格表， 由表中可得知輸人電壓為W時，輸出電壓為術，升壓比 在9〜1 〇之間。 參閱圖5、圖6與圖7，各圖中的⑷為第—及第三開關 兀件2、7的閘極的驅動訊號圖形(由控制電路％所輸出卜 (b)為第二開關元件3的閘極的驅動訊號圖形(由控制電路95 所輸出）’⑷為流經第二電感6的電流圖形，⑷為流經第— 電感5的電流圖形，而圖5是於電流輕載的情況，圖6是 於電流半載的情況，圖7是於電流滿載的情況。 10 200929819 輸入電壓4 5V 輸出電壓r。(滿載） 48V 輸出電流 1A 切換頻率 195kHz 耦合電感 第二電感 ΙΟμΗ，T106-18 鐵心繞 8 圈 第一電感 250μΗ，Τ106-18 鐵心繞 40 圈 第二電容 1000迚 第一電容 330pF*3+22pF MLCC 第一順向導通元件 STPS20L25 第二順向導通元件 3CTQ100 第一開關元件 PHD96NQ03LT 第二開關元件 PHD96NQ03LT 第三開關元件 IRL3705ZS 控制電路(1C) Altera FPGA Cyclone 系列 EP1C3T100 表1 參閱圖8、圖9與圖10,各圖中的（a)為第一及第三開 關元件2、7的閘極的驅動訊號圖形，（b)為第二開關元件3 的閘極的驅動訊號圖形，（c)為第三開關元件7的第一端71 與第二端72之間的跨壓圖形，（d)為輸出電壓的圖形，而圖 8是於電流10%載的情況，圖6是於電流50%載的情況，圖 7是於電流100%載的情況，其中，輸出電壓是用衰減10倍 之探棒量測得來，所以圖中的輸出電壓看起來只有5V，實 際上則需再乘上10倍，即50V。 由圖5〜圖10的實驗結果可知，本發明升壓轉換器100 可穩定地操作於所設定的規格。另外，圖11為負載電流對 效率之關係圖，在滿載時效率接近82%，效率最高點則是 11 200929819 出現於半載，此時效率可達84.3%，而在輕載時，則不像其 匕交換式電源架構有效率降低的困擾。 值得一提的是，在本較佳實施例中，第一、第二及第 三開關元件2、3、7為N型金氧半場效電晶體（N_M〇s)， 然熟知此技藝之人士，當可用P型金氧半場效電晶體（p_ MOS)來加以取代，此變化仍屬本創作所涵蓋的範圍。 综上所述，本發明將電荷幫浦與耦合電感結合，在輸 入5V之低壓大電流條件下，可以達到接近1〇倍的升壓比 ❹ ，於輕載時仍具有80〇/°轉換效率，整個負載操作範圍下的 效率曲線較為平緩，可在全負載範圍達到高效率之能量轉 移’故確實能達成本發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 ® 圖1是一示意圖，說明理想的升壓比曲線與實際的升 壓比曲線的差異； 圖2是一示意圖，說明本發明升壓轉換器的較佳實施 例； 圖3是一示意圖，說明該較佳實施例於第一模式時的 電流流向； 圖4是一示意圖，說明該較佳實施例於第二模式時的 電流流向； 12 200929819 、 圖5是一示意圖，說明該較佳實施例於電流輕載時部 分元件的電壓、電流訊號； 圖6是一示意圖，說明該較佳實施例於電流半載時部 分元件的電壓、電流訊號； 圖7是一示意圖，說明該較佳實施例於電流全載時部 分元件的電壓、電流訊號； 圖8是一示意圖，說明該較佳實施例於1〇%載時部分 元件的電壓訊號； ❹ 圖9是一示意圖，說明該較佳實施例於50%載時部分 元件的電壓訊號； 圖10是一不意圖，說明該較佳實施例於100%載時部 分元件的電壓訊號；及 圖11是負載電流對效率的關係圖。 ❹ 13 200929819 【主要元件符號說明】 100 升壓轉換器 62 第二端 2 第- -開關元件 7 第三開關元件 21 第- -端 71 第一端 22 第二 二端 72 第二端 3 第二開關元件 8 第二順向導通元件 31 第_ -端 81 第一端 32 第二 • .V山 —端 82 第二端 4 第- -順向導通元件 9 第二電容 41 第- -端 91 第一端 42 第二 二端 92 第二端 5 第- -電感 95 控制電路 51 第- -端 96 負載 52 第： 二端 97 二極體 6 第二電感 98 電源 61 第- -端 99 第一電容 14

Claims (1)

1. 200929819 十、申請專利範圍： • 1·—種升壓轉換器，電連接於__電源及—負載之間， 壓轉換器包含： ^升 第-順向導通元件，具有一與該電源電連 . 一端及一第二端； 一第一電感，具有一與該第一順向導通元件的第二 端電連接的第一端及一第二端； 〜 —第二順向導通元件，具有一與該第一電感的第二 端電連接的第一端及一與該負载電連接的第二端； —第一開關元件，具有一與該第一順向導通元件的 第—端電連接的第一端及一第二端； —第二開關元件，具有一與該第一開關元件的第二 端電連接的第一端及一接地的第二端； —第一電容，電連接於該第一順向導通元件的第二 端與該第—開關元件的第二端之間； ❹—第二電感，具有一與該第一電感的第一端電連接 的第—端及一第二端； 第二開關元件，具有一與該第二電感的第二端電 連接的第一端及一接地的第二端；及 —第二電容’具有一與該第二順向導通元件的第二 ^電連接的第一端及一接地的第二端； 當該第一開關元件及第三開關元件同時導通且該第 —開關元件不導通時，該第一、第二順向導通元件不導 通’此時形成兩個電流迴路，其中之一電流迴路的電流 15 200929819 '‘ J 〇 2. 由該電源依序流經該第一開關元件、該第一電容、該第 二電感及該第三開關元件，另一電流迴路的電流由該第 二電容流經該負載；當該第二開關元件導通且該第一開 關元件及第三開關元件同時不導通時，該第一、第二順 向導通元件被導通，電流由該電源流經該第一順向導通 元件後分成兩路’其中一路依序流經該第一電容及該第 二開關元件，另一路依序流經該第二電感及第二順向導 通元件後’再分兩路分別流經該第二電容及該負載，對 該第二電容充電。 依據申請專利範圍第1項所述之升壓轉換器，其中，該 第一、第二順向導通元件為二極體，且其第一端皆為P 極’第二端皆為η極。 3. 依據申請專利範圍第2項所述之升壓轉換器，其中，該 第一、第二及第三開關元件的第一端與第二端之間皆反 向連接一二極體。 4. 依據申請專利範圍第3項所述之升壓轉換器，其中，該 〇 第一、第二及第三開關元件皆為Ν型金氧半場效電晶體 ，其閘極則受控制以決定該第一'第二及第三開關元件 導通與否，其第一端皆為汲極，第二端皆為源極。 5·依據申請專利範圍第4項所述之升壓轉換器，其係工作 於連續導通模式（CCM)。 6.依據申请專利範圍第5項所述之升壓轉換器，其輸出電 壓與輸入電壓的比=(N5/N6)*(2D/(1-D))+1，其中D是工 作週期，Ns是指該第一電感的線圈阻數，队是指該第二 16 200929819 電感的線圈匝數。 j ，其輸出電 7.依據申請專利範圍第6項所述之升壓轉換器 壓與輸入電壓的比大於5。

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