TWI459705B

TWI459705B - Single - stage high - boost ratio DC - DC converter

Info

Publication number: TWI459705B
Application number: TW100128731A
Authority: TW
Inventors: Chia Ching Lin; Lung Sheng Yang; Shun Jih Wang; Yi Yu Lu; Guo Wei Wu
Original assignee: Univ Far East
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2014-11-01
Also published as: TW201308858A

Description

單級化高升壓比直流-直流轉換器

本發明係有關於一種電源轉換器，特別係指一種單級化高升壓比直流-直流轉換器。

按，由於環境汙染與全球暖化效應，節能減碳議題日益受到重視，綠色能源的應用已成為各國研究發展重點，因太陽能電池、燃料電池、風力發電之發電機產生的電能，為變動的直流或交流低電壓，因此需透過一升壓轉換器將此低電壓升至高電壓加至直流匯流排，再經換流器轉換成所需之交流電壓，而習知傳統之升壓型直流-直流轉換器[如第七圖所示]理論上可得到極高的電壓增益比如下所示：，其中D為責任週期，實際上因切換開關之導通電阻、二極體之順向導通壓降、電感器及電容器之等效串聯電阻等因素，導致該轉換器無法獲得較高之電壓增益比，亦即該轉換器之轉換效率較差，因此，本發明人致力於研究，進而發展出一種單級化高升壓比直流-直流轉換器。

本發明提供一種單級化高升壓比直流-直流轉換器，係包括有：一一次側電路，包括有一輸入電壓端、一第一電感、一第一二極體、一第二二極體、一一次側電感、一第一電容、一切換開關、一第一輸出二極體及一第一輸出電容，其中該第一電感一端連接該輸入電壓端一端，而該第一電感另一端連接該第一二極體之陽極端且連接該第二二極體之陽極端，該第一二極體之陰極端連接該一次側電感一端形成一第一節點，而該第二二極體之陰極端連接該一次側電感另一端形成一第二節點，該第一節點連接該切換開關一端及該第一輸出二極體之陽極端，而該第二節點連接該第一電容一端，而該第一輸出二極體之陰極端連接該第一輸出電容一端且形成一第三節點，而該輸入電壓端另一端、第一電容另一端、切換開關另一端及第一輸出電容另一端相互電性連接；一二次側電路，該二次側電路係電性連接前述一次側電路；一輸出負載端，該輸出負載端係電性連接前述一次側電路及二次側電路。

進一步，該二次側電路包括有一二次側電感、一第二輸出二極體、一第三輸出二極體、一第二輸出電容及一第三輸出電容，其中該第二輸出電容一端連接該第三輸出電容一端及該二次側電感一端，而該第二輸出電容另一端連接該第三節點及該第二輸出二極體之陽極端，該二次側電感另一端與該第二輸出二極體之陰極端連接該第三輸出二極體之陽極端，而該第三輸出二極體之陰極端連接該第三輸出電容另一端。

進一步，該二次側電路包括有前述二次側電感、前述第二輸出二極體、前述第二輸出電容、一第二電容、一第三電容、一第三二極體及一第四二極體，其中該二次側電感一端連接該第四二極體之陽極端及該第三電容一端，而該第四二極體之陰極端連接該第二電容一端及該第三二極體之陽極端，而該第三電容另一端連接該第三二極體之陰極端且再連接該第二輸出二極體之陽極端，該第二輸出二極體之陰極端連接該第二輸出電容一端，該二次側電感另一端與該第二電容另一端及該第二輸出電容另一端相互電性連接。

進一步，該一次側電感及二次側電感互為耦合電感。

本發明之優點在於：1.本發明可適當調整該一次側電感與該二次側電感之線圈匝數比為N₂/N₁，藉以得到較習知高之電壓增益比。

(1)‧‧‧一次側電路

(2)‧‧‧二次側電路

(3)‧‧‧輸出負載端

(S₁)‧‧‧切換開關

(V_in)‧‧‧輸入電壓端

(L₁)‧‧‧第一電感

(L_m)‧‧‧磁化電感

(N₁)‧‧‧一次側電感

(N₂)‧‧‧二次側電感

(ND₁)‧‧‧第一節點

(ND₂)‧‧‧第二節點

(ND₃)‧‧‧第三節點

(D₁)‧‧‧第一二極體

(D₂)‧‧‧第二二極體

(D₃)‧‧‧第三二極體

(D₄)‧‧‧第四二極體

(D_o1)‧‧‧第一輸出二極體

(D_o2)‧‧‧第二輸出二極體

(D_o3)‧‧‧第三輸出二極體

(C₁)‧‧‧第一電容

(C₂)‧‧‧第二電容

(C₃)‧‧‧第三電容

(C_o1)‧‧‧第一輸出電容

(C_o2)‧‧‧第二輸出電容

(C_o3)‧‧‧第三輸出電容

(R)‧‧‧負載電阻

(L)‧‧‧電感

(S)‧‧‧切換開關

(D_o)‧‧‧輸出二極體

(C)‧‧‧電容

(V_o)‧‧‧輸出電壓

(M)‧‧‧電壓增益比

(D)‧‧‧責任週期

第一圖係為本發明之第一實施例之電路圖。

第二A圖係為本發明之第一實施例之模式1之電流路徑圖。

第二B圖係為本發明之第一實施例之模式1之電流路徑圖，說明當切換開關(S₁)導通時之各個元件上之電流路徑。

第三A圖係為本發明之第一實施例之模式2之電流路徑圖。

第三B圖係為本發明之第一實施例之模式2之電流路徑圖，說明當切換開關(S₁)截止時之各個元件上之電流路徑。

第四圖係為本發明之第二實施例之電路圖。

第五A圖係為本發明之第二實施例之模式1之電流路徑圖。

第五B圖係為本發明之第二實施例之模式1之電流路徑圖，說明當切換開關(S₁)導通時之各個元件上之電流路徑。

第六A圖係為本發明之第二實施例之模式2之電流路徑圖。

第六B圖係為本發明之第二實施例之模式2之電流路徑圖，說明當切換開關(S₁)截止時之各個元件上之電流路徑。

第七圖係為習知升壓型直流-直流轉換器之電路圖。

第八圖係為本發明之第一實施例之轉換器1、第二實施例之轉換器2及習知轉換器之電壓增益比之曲線圖。

有關本發明之技術特徵及增進功效，配合下列圖式之較佳實施例即可清楚呈現，本發明係為一種單級化高升壓比直流-直流轉換器，請參閱第一圖所示，係為本發明之第一實施例，即轉換器1，其係包含有：一一次側電路(1)、一二次側電路(2)及一輸出負載端(3)，其中該一次側電路(1)包括有一輸入電壓端(V_in)、一第一電感(L₁)、一第一二極體(D₁)、一第二二極體(D₂)、一一次側電感(N₁)、一第一電容(C₁)、一切換開關(S₁)、一第一輸出二極體(D_o1)及一第一輸出電容(C_o1)，其中該第一電感(L₁)一端連接該輸入電壓端(V_in)一端，而該第一電感(L₁)另一端連接該第一二極體(D₁)之陽極端且連接該第二二極體(D₂)之陽極端，該第一二極體(D₁)之陰極端連接該一次側電感(N₁)一端形成一第一節點(ND₁)，而該第二二極體(D₂)之陰極端連接該一次側電感(N₁)另一端形成一第二節點(ND₂) ，該第一節點(ND₁)連接該切換開關(S₁)一端及該第一輸出二極體(D_o1)之陽極端，該第二節點(ND₂)連接該第一電容(C₁)一端，而該第一輸出二極體(D_o1)之陰極端連接該第一輸出電容(C_o1)一端且形成一第三節點(ND₃)，而該輸入電壓端(V_in)另一端、第一電容(C₁)另一端、切換開關(S₁)另一端及第一輸出電容(C_o1)另一端相互電性連接；而該二次側電路包括有一二次側電感(N₂)、一第二輸出二極體(D_o2)、一第三輸出二極體(D_o3)、一第二輸出電容(C_o2)及一第三輸出電容(C_o3)，其中該第二輸出電容(C_o2)一端連接該第三輸出電容(C_o3)一端及該二次側電感(N₂)一端，而該第二輸出電容(C_o2)另一端連接該第三節點及該第二輸出二極體(D_o2)之陽極端，該二次側電感(N₂)另一端與該第二輸出二極體(D_o2)之陰極端連接該第三輸出二極體(D_o3)之陽極端，而該第三輸出二極體(D_o3)之陰極端連接該第三輸出電容(C_o3)另一端，且該輸出負載端之負載電阻(R)係電性連接前述一次側電路(1)及二次側電路(2)。

然而，本發明之第一實施例之操作模式請參閱第二A圖、第二B圖以及第三A圖、第三B圖所示，其敘述如下：

模式1：該切換開關(S₁)導通，其電流路徑如第二A圖及第二B圖所示，該輸入電壓端(V_in)的能量釋放至該第一電感(L₁)，而該第一電容(C₁)分為兩條路徑釋放能量，其中一條路徑係對耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]之磁化電感(L_m)釋放能量，而另一條路徑則經由該耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]將能量傳送至二次側釋放至該第三輸出電容(C_o3)，而該第一輸出電容(C_o1)、第二輸出電容(C_o2)及第三輸出電容(C_o3)則串聯供給能量至輸出負載端之負載電阻(R)。

模式2：該切換開關(S₁)截止，其電流路徑如第三A圖及第三B圖所示，該輸入電壓端(V_in)及該第一電感(L₁)的能量釋放至該第一電容(C₁)，而該第一電容(C₁)及該耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]之磁化電感(L_m)的部分能量釋放至該第一輸出電容(C_o1)，並且該耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]之磁化電感(L_m)的部分能量經由其二次側釋放至該第二輸出電容(C_o2)，而該第一輸出電容(C_o1)、第二輸出電容(C_o2)及第三輸出電容(C_o3)則串聯供給能量至輸出負載端之負載電阻(R)。

因此，在穩態時，該第一電容(C₁)、第一輸出電容(C_o1)、第二輸出電容(C_o2)及第三輸出電容(C_o3)上之電壓降如下所示：

其中n為耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]之匝數比為N₂/N₁，其輸出電壓(V_o)及電壓增益比(M)如下所示：

又，本發明之第二實施例之電路圖請參閱第四圖所示，即轉換器2，係包含有該一次側電路(1)、該二次側電路(2)及該輸出負載端(3)，其中該一次側電路(1)與該輸出負載端(3)與第一實施例相同，在此不多加敘述，而不同的是該二次側電路(2)包含有前述二次側電感(N₂)、前述第二輸出二極體(D_o2)、前述第二輸出電容(C_o2)、一第二電容(C₂)、一第三電容(C₃)、一第三二極體(D₃)及一第四二極體(D₄)，其中該二次側電感(N₂)一端連接該第四二極體(D₄)之陽極端及該第三電容(C₃)一端，而該第四二極體(D₄)之陰極端連接該第二電容(C₂)一端及該第三二極體(D₃)之陽極端，而該第三電容(C₃)另一端連接該第三二極體(D₃)之陰極端且再連接該第二輸出二極體(D_o2)之陽極端，該第二輸出二極體(D_o2)之陰極端連接該第二輸出電容(C_o2)一端，該二次側電感(N₂)另一端與該第二電容(C₂)另一端及該第二輸出電容(C_o2)另一端相互電性連接。

然而，本發明之第二實施例之操作模式請參閱第五A圖、第五B圖以及第六A圖、第六B圖所示，其敘述如下：

模式1：該切換開關(S₁)導通，其電流路徑如第五A圖及第五B圖所示，該輸入電壓端(V_in)的能量釋放至該第一電感(L₁)，而該第一電容(C₁)分為兩條路徑釋放能量，其中一條路徑係對耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]之磁化電感(L_m)釋放能量，而另一條路徑則經由該耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]將能量傳送至二次側與該第二電容(C₂)串聯釋放至該第三電容(C₃)，而該第一輸出電容(C_o1)及第二輸出電容(C_o2)則串聯供給能量至輸出負載端之負載電阻 (R)。

模式2：該切換開關(S₁)截止，其電流路徑如第六A圖及第六B圖所示，該輸入電壓端(V_in)及該第一電感(L₁)的能量釋放至該第一電容(C₁)，而該第一電容(C₁)及該耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]之磁化電感(L_m)的部分能量釋放至該第一輸出電容(C_o1)，並且該耦合電感[一次側電感(N₁)及二次側電感(N₂)]之磁化電感(L_m)的部分能量經由其二次側以一路徑釋放至該第二電容(C₂)，而另一路徑與該第三電容(C₃)串聯釋放至該第二輸出電容(C_o2)，而該第一輸出電容(C_o1)及該第二輸出電容(C_o2)串聯供給能量至輸出負載端之負載電阻(R)。

因此，在穩態時，該第一電容(C₁)、第二電容(C₂)、第三電容(C₃)、第一輸出電容(C_o1)及第二輸出電容(C_o2)上之電壓降如下所示：

其輸出電壓(V_o)及電壓增益比(M)如下所示：

再者，本發明之第一實施例之轉換器1、第二實施例之轉換器2與習知傳統升壓型轉換器之電壓增益比(M)之曲線圖如第八圖所示，橫軸為責任週期(D)，縱軸為電壓增益比(M)，由圖示可知本發明之第一實施例之轉換器1、第二實施例之轉換器2較習知傳統升壓型轉換器之電壓增益比(M)高。

如上所述，本發明所提供之實施說明及圖式係為本發明之較佳實施例，並非以此侷限於本發明。

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。