TWI516005B

TWI516005B - DC - DC power conversion device with high step - down ratio

Info

Publication number: TWI516005B
Application number: TW102130593A
Authority: TW
Inventors: Lung Sheng Yang
Original assignee: Univ Far East
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2016-01-01
Also published as: TW201509093A

Description

具高降壓比之直流-直流電源轉換裝置

本發明係有關於一種具高降壓比之直流-直流電源轉換裝置，尤指一種具有更低電壓轉換比之直流-直流電源轉換裝置。

目前，直流-直流電源轉換裝置如第九圖所示，係為一種傳統型直流-直流降壓電源轉換裝置之電路圖，其包含有一輸入電壓端(A1)、一切換開關(A2)、一二極體(A3)、一電感(A4)、一輸出電容(A5)及一負載(A6)，其中，所述輸入電壓端(A1)之一正電端電性連接所述切換開關(A2)一端，所述切換開關(A2)另一端電性連接所述二極體(A3)之一陰極端與所述電感(A4)一端，而所述電感(A4)另一端電性連接所述輸出電容(A5)與所述負載(A6)一端，而所述二極體(A3)之一陽極端、輸出電容(A5)另一端及所述負載(A6)另一端電性連接所述輸入電壓端(A1)之一負電端，以形成直流-直流且具降壓之電源轉換裝置，其電壓轉換比M=D，D為責任週期，但若操作在極低之責任週期時，雖可達到極低降壓比之功能，但會導致轉換效率變差。

進一步，又有如第十圖所示，係為一種二次型(quadratic)直流-直流降壓電源轉換裝置之電路圖，其包含有一輸入電壓端(B1)、一第一二極體(B2)、一第二二極體(B3)、一第一電感(B4)、一第一電容(B5)、一切換關關(B6)、一第三二極體(B7)、一第二電感(B8)、一輸出電容(B9)及一負載(B0)，其中，所述輸入電壓端(B1)之一正電端電性連接所述第一二極體(B2)之一陰極端及所述第一電感 (B4)一端，所述第一電感(B4)另一端電性連接所述第一電容(B5)一端及所述切換開關(B6)一端，而所述第一二極體(B2)之一陽極端電性連接所述第一電容(B5)另一端及所述第二二極體(B3)之一陰極端，所述開關(B6)另一端電性連接所述第三二極體(B7)之一陰極端及所述第二電感(B8)一端，所述第二電感(B8)另一端電性連接所述輸出電容(B9)一端及所述負載(B0)一端，而所述負載(B0)另一端、所述輸出電容(B9)另一端、所述第三二極體(B7)之一陽極端及所述第二二極體(B3)之一陽極端係電性連接所述輸入電壓端(B1)之一負電端，以形成直流-直流且具降壓之電源轉換裝置，其電壓轉換比M=D²，D為責任週期，雖可改善上述傳統型直流-直流降壓電源轉換裝置，可提供較低之降壓比，但還是有轉換效率差，且降壓轉換比可再往更低之方向研究。

爰此，本發明人不斷創新研發，進而提出一種具高降壓比之直流-直流電源轉換裝置，包括有：一前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元，包含有一輸入電壓端、一第一二極體、一第二二極體、一輸入電感、一第一電容及一切換開關，其中，所述輸入電壓端之一正端係電性連接所述第一二極體之一陰極端及所述輸入電感一端，所述第一二極體之一陽極端電性連接所述第二二極體之一陰極端，所述第二二極體之陰極端電性連接所述第一電容一端，所述第一電容另一端電性連接所述輸入電感另一端及所述切換開關一端，所述第二二極體之一陽極端係電性連接所述輸入電壓端之一負端；一後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元，所述後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元係連接前述前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元，包含有一第三二極體、一第四二極體、一耦合電感、一輸出電容及一輸出負載，其中，所述耦合電感包含有一一次側繞組及一二次側繞組，所述一次側繞組一端電性連接所述第四二極體之一陰極端及前述切換開關另一端，所述一次側繞組另一端電性連接所述第三二極體之一陰極端，所述第三二極體之一陽極端電性連接所述二次側繞組一端及前述輸入電壓端之負端及前述第二二極體之陽極端，所述第三二極體之陰極端電性連接所述輸出電容一端及所述輸出負載一端，所述輸出電容另一端及所述輸出負載另一端相連接並連接所述第四二極體之陽極端與所述二次側繞組另一端。

其中，所述具高降壓比之直流-直流電源轉換裝置係操作在連續導通模式，其電壓轉換比M=D²/(2-D)，其中，D為責任週期。

進一步，在單一切換週期，所述切換開關係為導通或者所述切換開關係為截止其中之一。

其中，所述一次側繞組與所述二次側繞組為相同匝數。

又，本發明係為一種具高降壓比之直流-直流電源轉換裝置，包括有：一前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元；一後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元，所述後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元係連接前述前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元；藉由後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元包含之一耦合電感，使電壓轉換比降低。

本發明之功效在於：

1.本發明之電源轉換裝置之前半級為傳統型直流-直流降壓電源轉換裝置，而後半級為具有耦合電感之直流-直流降壓電源轉換裝置，可藉由一切換開關整合前半級與後半級直流-直流降壓電源轉換電路。

2.本發明藉由後半級包含一耦合電感，使電壓轉換比降低。

3.本發明不用操作在極低的責任週期，即可達到高降壓比之功效。

(1)‧‧‧高降壓比之直流-直流電源轉換裝置

(10)‧‧‧前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元

(101)‧‧‧輸入電壓端

(102)‧‧‧第一二極體

(103)‧‧‧第二二極體

(104)‧‧‧輸入電感

(105)‧‧‧第一電容

(106)‧‧‧切換開關

(11)‧‧‧後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元

(111)‧‧‧第三二極體

(112)‧‧‧第四二極體

(113)‧‧‧耦合電感

(1131)‧‧‧一次側繞組

(1132)‧‧‧二次側繞組

(114)‧‧‧輸出電容

(115)‧‧‧輸出負載

(A1)‧‧‧輸入電壓端

(A2)‧‧‧切換開關

(A3)‧‧‧二極體

(A4)‧‧‧電感

(A5)‧‧‧輸出電容

(A6)‧‧‧負載

(B1)‧‧‧輸入電壓端

(B2)‧‧‧第一二極體

(B3)‧‧‧第二二極體

(B4)‧‧‧第一電感

(B5)‧‧‧第一電容

(B6)‧‧‧切換開關

(B7)‧‧‧第三二極體

(B8)‧‧‧第二電感

(B9)‧‧‧輸出電容

(B0)‧‧‧負載

[第一圖]係為本發明之電路圖。

[第二圖]係為本發明於單一切換週期之波形圖。

[第三圖]係為本發明操作之第一模式電流路徑示意圖。

[第四圖]係為本發明操作之第二模式電流路徑示意圖。

[第五圖]係為本發明其中之一電腦模擬波形圖。

[第六圖]係為本發明其中之一電腦模擬波形圖。

[第七圖]係為本發明其中之一電腦模擬波形圖。

[第八圖]係為本發明其中之一電腦模擬波形圖。

[第九圖]係為習知傳統型直流-直流降壓電源轉換裝置之電路圖。

[第十圖]係為習知二次型(quadratic)直流-直流降壓電源轉換裝置之電路圖。

[第十一圖]係為本發明與習知直流-直流降壓電源轉換裝置之電壓轉換比之比較圖。

綜合上述技術特徵，本發明主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

請先參閱第一圖所示，本發明具高降壓比之直流-直流電源轉換裝置(1)，其係包含：一前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元(10)，所述前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元(10)包含有一輸入電壓端(101)、一第一二極體(102)、一第二二極體(103)、一輸入電感(104)、一第一電容(105)及一切換開關(106)，其中，所述輸入電壓端(101)之一正端係電性連接所述第一二極體(102)之一陰極端及所述輸入電感(104)一端，所述第一二極體(102)之一陽極端電性連接所述第二二極體(103)之一陰極端，所述第二二極體(103)之陰極端電性連接所述第一電容(105)一端，所述第一電容(105)另一端電性連接所述輸入電感(104)另一端及所述切換開關(106)一端，所述第二二極體(103)之一陽極端係電性連接所述輸入電壓端(101)之一負端。

一後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元(11)，所述後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元(11)係連接前述前半級傳統型直流-直流降壓電源轉換單元(10)，所述後半級耦合電感型直流-直流降壓電源轉換單元(11)包含有一第三二極體(111)、一第四二極體(112)、一耦合電感(113)、一輸出電容(114)及一輸出負載(115)，其中，所述耦合電感(113)包含有一一次側繞組(1131)及一二次側繞組(1132)，所述一次側繞組(1131)一端電性連接所述第四二極體(112)之一陰極端及前述切換開關(106)另一端，所述一次側繞組(1131)另一端電性連接所述第三二極體(111)之一陰極端，所述第三二極體(111)之一陽極端電性連接所述二次側繞組(1132)一端及前述輸入電壓端(101)之負端及前述第二二極體(103)之陽極端，所述第三二極體(111)之陰極端電性連接所述輸出電容(114)一端及所述輸出負載(115)一端，所述輸出電容(114)另一端及所述輸出負載(115)另一端相連接並連接所述第四二極體(112)之陽極端與所述二次側繞組(1132)另一端。

再者，請參閱第二圖所示，第二圖係為本發明主要於單一切換週期之波形圖，且本發明係操作在連續導通模式。

再者，請參閱第三圖及第四圖所示，並配合第二圖，本發明係採用脈波寬度調變技術控制所述切換開關(106)的責任週期D，且本發明係操作在連續導通模式，其電壓轉換比M=D²/(2-D)，其操作原理敘述如下：

(1)模式1：在區間[t0,t1][如第二圖所示]，當切換開關(106)導通，電流路徑如第三圖所示，輸入電源將能量傳送至輸入電感(104)、耦合電感(113)、輸出電容(114)及輸出負載(115)，同時，儲存於第一電容(105)的能量亦被傳送至耦合電感(113)、輸出電容(114)及輸出負載(115)，而在此區間，耦合電感(113)之一次側繞組(1131)及二次側繞組(1132)為串聯儲存能量，當切換開關(106)截止時，本操作模式結束。

(2)模式2：在區間[t1,t2][如第二圖所示]，當切換開關(106)截止，電流路徑如第四圖所示，儲存於輸入電感(104)的能量被傳送至第一電容(105)，同時，儲存於耦合電感(113)的能量亦被傳送至輸出電容(114)及輸出負載(115)，在此區間，耦合電感(113)之一次側繞組(1131)及二次側繞組(1132)為並聯釋放能量，當切換開關(106)再度導通時，本操作模式結束，下一切換週期開始。

再者，請參閱第五圖至第八圖所示，係為當輸入電壓為200伏特(V)、輸出電壓為24伏特(V)及輸出功率200瓦特(W)時之電腦模擬波形圖，其中，第五圖之波形數值為：i_Lin/i_D1：0.5A/div，i_s1：1A/div，Time：50μs/div；而第六圖之波形數值為：i_L1/i_L2：1A/div，i_LL：2A/div，Time：50μs/div；第七圖之波形數值為：i_D2/i_D3/i_D4：1A/div，Time：50μs/div；第八圖之波形數值為：V_in：50V/div，V_c1：20V/div，V_o：5V/div，Time：50μs/div，且由圖式可看出本發明高降壓比之直流-直流電源轉換裝置(1)不用操作在極低的責任週期，即可達到高降壓比之功能。

再者，請參閱第十一圖所示，係為本發明與習知其中之一種傳統型直流-直流降壓電源轉換裝置[如第九圖所示]，及習知其中之一種二次型(quadratic)直流-直流降壓電源轉換裝置[如第十圖所示]之電壓轉換比曲線圖，由圖式可看出當需要更高降壓轉換比時，本發明具有其優勢。

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。