TWI665859B

TWI665859B - 升壓轉換器及升壓轉換系統

Info

Publication number: TWI665859B
Application number: TW106136760A
Authority: TW
Inventors: Kuei Hsiang Chao; 趙貴祥; Long Yi Chang; 張隆益; Jung Hao Chang; 張容豪
Original assignee: National Chin-Yi University Of Technology; 國立勤益科技大學
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-07-11
Also published as: TW201918007A

Abstract

本發明提供一種升壓轉換器用以將一輸入電壓轉換為一高輸出電壓，升壓轉換器包含一第一切換開關、一第一耦合電路單元、一第二切換開關、一第二耦合電路單元、一第三二極體、一箝位電容、一第四二極體及一輸出電路單元，其中第一切換開關及第二切換開關受控導通或斷開，使第一耦合電路單元、第二耦合電路單元及輸出電路單元作用將輸入電壓轉換為高輸出電壓。藉此升壓轉換器可以用較少的元件達到高電壓增益、低開關耐壓及低二極體耐壓的目的。

Description

升壓轉換器及升壓轉換系統

本發明是有關於一種電力轉換器及電力轉換系統，且尤其是有關一種升壓轉換器及升壓轉換系統。

近年來，能源短缺問題逐漸受到重視，而使得綠色能源成為發展趨勢，目前發展較成熟之綠色能源為燃料電池(Fuel cell)、太陽能發電及風力發電。然而，燃料電池之高輸出電壓值偏低，無法與其他能源並聯，且燃料電池的電壓會隨負載變化而變動，故需搭配一電力調節器(power conditioner)，將其高輸出電壓提升至穩定電壓，以提供直流鏈(DC link)上之負載使用。

現有之升壓型轉換器種類非常多，其中傳統升壓型轉換器(boost converter)包含一電感，一二極體、一切換開關及一輸出電容，電感的一端電性連接輸入電源，切換開關及二極體的陽極電性連接電感的另一端，輸出電容的兩端分別電性連接切換開關及二極體的陰極，透過切換開關的連續啟閉可將較低的輸入電壓轉換為較高的高輸出電壓，其具有架構簡單及控制容易等優點。然而，當此種升壓型轉換器應用於需要較高升壓之場合時，由於其切換開關的責任週期(duty cycle)時間過長，使切換開關上之導通損耗大及溫度上升，而有燒毀之虞。

有鑑於此，如何有效的提高轉換器的升壓比，並使其具有降低開關額定電壓及電流應力功能並達降低成本之目的，遂成相關業者努力的目標。

本發明提供一種升壓轉換器及升壓轉換系統，其能以較少的元件達成高電壓增益的目的，同時可降低切換開關及二極體的耐壓。

依據本發明之一實施方式提供一種升壓轉換器用以將一輸入電壓轉換為一高輸出電壓，升壓轉換器包含一第一切換開關、一第一耦合電路單元、一第二切換開關、一第二耦合電路單元、一第三二極體、一箝位電容、一第四二極體及一輸出電路單元，第一切換開關受一第一控制訊號啟閉且包含一第一輸入端及一第一輸出端，第一耦合電路單元電性連接第一切換開關且包含一第一耦合電感及一第一二極體，第一耦合電感包含一第一初級側及一第一次級側，第一初級側接收輸入電壓且電性連接第一輸入端，第一二極體的陽極電性連接第一次級側，第二切換開關受一第二控制訊號啟閉且包含一第二輸入端及一第二輸出端，第二輸出端電性連接第一輸出端，第二耦合電路單元電性連接第二切換開關及第一耦合電路單元且包含第二耦合電感及一第二二極體，第二耦合電感包含一第二初級側及一第二次級側，第二初級側接收輸入電壓且電性連接第二輸入端，第二二極體的陽極電性連接第二次級側；箝位電容一端電性連接第二輸入端，第三二極體的陽極電性連接箝位電容的一另端，第四二極體的陽極電性連接第一輸入端且陰極電性連接箝位電容的另端。輸出電路單元電性連接第一切換開關、第二切換開關、第一耦合電路單元、第二耦合電路單元及第三二極體，輸出電路單元包含一第一輸出電容、一第二輸出電容及一第三輸出電容，第一輸出電容一端電性連接第一二極體的陰極且一另端電性連接第一次級側，第二輸出電容一端電性連接第二二極體的陰極及第一輸出電容的另端且一另端電性連接第二次級側，第三輸出電容一端電性連接第三二極體的陰極及第二輸出電容的另端且一另端電性連接第一輸出端及第二輸出端，其中第一切換開關及第二切換開關受控導通或斷開，使第一耦合電路單元、第二耦合電路單元及輸出電路單元作用將輸入電壓轉換為高輸出電壓。

藉此，升壓轉換器可以用較少的元件達到高電壓增益、低開關耐壓及低二極體耐壓的目的。

依據前述之升壓轉換器，其中第一切換開關及第二切換開關可皆為金氧半場效電晶體。第一初級側可包含一第一激磁電感及一第一初級繞組線圈，第一激磁電感一端接收輸入電壓且一另端連接第一輸入端，第一初級繞組線圈跨接於第一激磁電感；第二初級側可包含一第二激磁電感及一第二初級繞組線圈，第二激磁電感一端接收輸入電壓且一另端連接第二輸入端，第二初級繞組線圈跨接於第二激磁電感。

依據前述之升壓轉換器，更包含一控制電路，控制電路電性連接第一切換開關的一第一控制端以傳送第一控制訊號，且控制電路電性連接第二切換開關的一第二控制端以傳送第二控制訊號。而第一控制訊號及第二控制訊號皆為脈波寬度調變訊號且具有一責任週期，第一次級側包含一第一次級繞組線圈，第二次級側包含一第二次級繞組線圈，且高輸出電壓與輸入電壓滿足下列關係：其中V_o代表高輸出電壓，V_i代表輸入電壓，N₁₁代表第一初級繞組線圈的匝數，N₁₂代表第一次級繞組線圈的匝數，N₂₁代表第二初級繞組線圈的匝數，N₂₂代表第二次級繞組線圈的匝數及D代表責任週期。

依據本發明之一實施方式提供一種升壓轉換系統，包含一輸入電源、一升壓轉換器及一負載，輸入電源提供一輸入電壓且包含一正端及一負端，升壓轉換器電性連接輸入電源且升壓轉換器包含一第一切換開關、一第一耦合電路單元、一第二切換開關、一第二耦合電路單元、一第三二極體、一箝位電容、一第四二極體及輸出電路單元。第一切換開關受一第一控制訊號啟閉且包含一第一輸入端及一第一輸出端，第一輸出端電性連接負端，第一耦合電路單元電性連接第一切換開關且包含一第一耦合電感及一第一二極體，第一耦合電感包含一第一初級側及一第一次級側，第一初級側的兩端分別電性連接第一輸入端及正端，第一二極體的陽極電性連接第一次級側。第二切換開關受一第二控制訊號啟閉且包含一第二輸入端及一第二輸出端，第二輸出端電性連接第一輸出端，第二耦合電路單元電性連接第二切換開關及第一耦合電路單元，第二耦合電路單元包含一第二耦合電感及一第二二極體，第二耦合電感包含一第二初級側及一第二次級側，第二初級側的兩端分別電性連接第二輸入端及正端，第二二極體的陽極電性連接第二次級側。箝位電容一端電性連接第二輸入端，第三二極體的陽極電性連接箝位電容的一另端，第四二極體的陽極電性連接第一輸入端，第四二極體的陰極電性連接箝位電容的另端。輸出電路單元電性連接負端、第一耦合電路單元、第二耦合電路單元及第三二極體，輸出電路單元包含一第一輸出電容、一第二輸出電容及一第三輸出電容，第一輸出電容一端電性連接第一二極體的陰極且一另端電性連接第一次級側，第二輸出電容一端電性連接第二二極體的陰極及第一輸出電容的另端，第二輸出電容的一另端電性連接第二次級側，第三輸出電容一端電性連接第三二極體的陰極及第二輸出電容的另端，且第三輸出電容的一另端電性連接負端，負載電性連接輸出電路單元，其中第一切換開關及第二切換開關受控導通或斷開，使第一耦合電路單元、第二耦合電路單元及輸出電路單元作用將輸入電壓轉換為一高輸出電壓供給負載。

依據前述之升壓轉換器，其中第一切換開關及第二切換開關可皆為場效電晶體。第一初級側可包含一第一激磁電感及一第一初級繞組線圈，第一激磁電感一端接收輸入電壓且一另端連接第一輸入端，第一初級繞組線圈跨接於第一激磁電感；第二初級側可包含一第二激磁電感及一第二次級繞組線圈，第二激磁電感一端接收輸入電壓且一另端連接第二輸入端，第二次級繞組線圈跨接於第二激磁電感。

依據前述之升壓轉換器，其中升壓轉換器更包含一控制電路，控制電路電性連接第一切換開關的一第一控制端以傳送第一控制訊號，且控制電路電性連接第二切換開關的一第二控制端以傳送第二控制訊號，其中第一控制訊號及第二控制訊號皆為脈波寬度調變訊號且具有一責任週期。第一次級側包含一第一次級繞組線圈，第二次級側包含一第二次級繞組線圈，且高輸出電壓與輸入電壓滿足下列關係：其中V_o代表高輸出電壓，V_i代表輸入電壓，N₁₁代表第一初級繞組線圈的匝數，N₁₂代表第一次級繞組線圈的匝數，N₂₁代表第二初級繞組線圈的匝數，N₂₂代表第二次級繞組線圈的匝數及D代表責任週期。

100‧‧‧升壓轉換器

110‧‧‧第一耦合電路單元

111‧‧‧第一初級側

112‧‧‧第一次級側

113‧‧‧第一初級繞組線圈

114‧‧‧第一次級繞組線圈

115‧‧‧第一激磁電感

120‧‧‧第二耦合電路單元

121‧‧‧第二初級側

122‧‧‧第二次級側

123‧‧‧第二初級繞組線圈

124‧‧‧第二次級繞組線圈

125‧‧‧第二激磁電感

130‧‧‧輸出電路單元

200‧‧‧升壓轉換系統

210‧‧‧輸入電源

211‧‧‧正端

212‧‧‧負端

220‧‧‧負載

A11、A13、A15‧‧‧端

A12、A14、A16‧‧‧另端

C1‧‧‧箝位電容

Co1‧‧‧第一輸出電容

Co2‧‧‧第二輸出電容

Co3‧‧‧第三輸出電容

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

D3‧‧‧第三二極體

D4‧‧‧第四二極體

S1‧‧‧第一切換開關

S2‧‧‧第二切換開關

V_i‧‧‧輸入電壓

V_o‧‧‧高輸出電壓

i _i‧‧‧總輸出電流

i _Lm1‧‧‧第一電感電流

i _Lm2‧‧‧第二電感電流

v _Lm1、v _Lm2、v _D1‧‧‧電壓

v _D2、v _D3、v _D4‧‧‧電壓

A1‧‧‧第一輸入端

A2‧‧‧第一輸出端

A3‧‧‧第二輸入端

A4‧‧‧第二輸出端

A5、A7、A9‧‧‧端

A6、A8、A10‧‧‧另端

V _c1‧‧‧電壓

V _co1、V _co2、V _co3‧‧‧電壓

v _ds1、v _ds2‧‧‧電壓

i _ds1、i _ds2、i _D1‧‧‧電流

i _D2、i _D3、i _D4‧‧‧電流

第1圖繪示依照本發明一實施方式之一種升壓轉換系統的電路示意圖；第2A圖繪示第1圖之升壓轉換系統的升壓轉換器工作於模式一的等效電路示意圖；第2B圖繪示第1圖之升壓轉換系統的升壓轉換器工作於模式二的等效電路示意圖；第2C圖繪示第1圖之升壓轉換系統的升壓轉換器工作於模式三的等效電路示意圖；第2D圖繪示第1圖之升壓轉換系統的升壓轉換器工作於模式四的等效電路示意圖；第3圖繪示第1圖之升壓轉換系統的升壓轉換器之各元件的電壓及電流波形圖；以及第4圖繪示第1圖之升壓轉換系統的升壓轉換器之電壓增益與責任週期之關係圖。

以下將參照圖式說明本發明之實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，閱讀者應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示。

請參閱第1圖，其中第1圖繪示依照本發明一實施方式之一種升壓轉換系統200的電路示意圖。升壓轉換系統200包含一輸入電源210、一負載220及一升壓轉換器100，輸入電源210提供一輸入電壓V_i予升壓轉換器100，升壓轉換器100用以將輸入電壓V_i轉換為一高輸出電壓V_o供給負載220。

升壓轉換器100包含一第一切換開關S1、一第一耦合電路單元110、一第二切換開關S2、一第二耦合電路單元120、一第三二極體D3、一箝位電容C1、一第四二極體D4及一輸出電路單元130。第一切換開關S1受一第一控制訊號(未繪示)啟閉且包含一第一輸入端A1及一第一輸出端A2，第一耦合電路單元110電性連接第一切換開關S1且包含一第一耦合電感(未標示)及一第一二極體D1，第一耦合電感包含一第一初級側111及一第一次級側112，第一初級側111接收輸入電壓V_i且電性連接第一輸入端A1，第一二極體D1的陽極電性連接第一次級側112。

第二切換開關S2受一第二控制訊號(未繪示)啟閉且包含一第二輸入端A3及一第二輸出端A4，第二輸出端A4電性連接第一輸出端A2，第二耦合電路單元120電性連接第二切換開關S2及第一耦合電路單元110且包含第二耦合電感(未標示)及一第二二極體D2，第二耦合電感包含一第二初級側121及一第二次級側122，第二初級側121接收輸入電壓V_i且電性連接第二輸入端A3，第二二極體D2的陽極電性連接第二次級側122。

箝位電容C1一端A5電性連接第二輸入端A3，第三二極體D3的陽極電性連接箝位電容C1的一另端A6，第四二極體D4的陽極電性連接第一輸入端A1且陰極電性連接箝位電容C1的另端A6。輸出電路單元130電性連接第一切換開關S1、第二切換開關S2、第一耦合電路單元110、第二耦合電路單元120及第三二極體D3，輸出電路單元130包含一第一輸出電容Co1、一第二輸出電容Co2及一第三輸出電容Co3，第一輸出電容Co1一端A7電性連接第一二極體D1的陰極且一另端A8電性連接第一次級側112，第二輸出電容Co2的一端A9電性連接第二二極體D2的陰極及第一輸出電容Co1的另端A8且一另端A10電性連接第二次級側122，第三輸出電容Co3一端A11電性連接第三二極體D3的陰極及第二輸出電容Co2的另端A10且一另端A12電性連接第一輸出端A2及第二輸出端A4，其中第一切換開關S1及第二切換開關S2受控導通或斷開，使第一耦合電路單元110、第二耦合電路單元120及輸出電路單元130作用將輸入電壓V_i轉換為高輸出電壓V_o。

藉此，升壓轉換器100可以較少元件達到較高升壓比的目的。後面將更詳述的說明升壓轉換器100的作用原理。

第一切換開關S1及第二切換開關S2可皆為金氧半場效電晶體，第一輸入端A1及第二輸入端A3為汲極，而第一輸出端A2及第二輸出端A4為源極，第一輸出端A2及第二輸出端A4皆電性連接到輸入電源210的負端212。

第一初級側111可包含一第一激磁電感115及一第一初級繞組線圈113，第一激磁電感115一端A13電性連接正端211以接收輸入電壓V_i且一另端A14連接第一輸入端A1，第一初級繞組線圈113跨接於第一激磁電感115；第二初級側121可包含一第二激磁電感125及一第二初級繞組線圈123，第二激磁電感125一端A15電性連接正端211以接收輸入電壓V_i且一另端A16連接第二輸入端A3，第二初級繞組線圈123跨接於第二激磁電感125。更詳細的說，第一初級繞組線圈113的打點端電性連接第一激磁電感115的一端A13，第一初級繞組線圈113的非打點端電性連接第一激磁電感115的另端A14，第二初級繞組線圈123的打點端電性連接第二激磁電感125的一端A15，而第二初級繞組線圈123的非打點端則電性連接第二激磁電感125的另端A16。

第一次級側112可包含一第一次級繞組線圈114，第二次級側122可包含一第二次級繞組線圈124，第一次級繞組線圈114的非打點端電性連接第一二極體D1的陽極，第一次級繞組線圈114的打點端電性連接第一輸出電容Co1的另端A8、第二二極體D2的陰極及第二輸出電容Co2的一端A9，且第二次級繞組線圈124的非打點端電性連接第二二極體D2的陽極，第二次級繞組線圈124的打點端電性連接第二輸出電容Co2的另端A10、第三二極體D3的陰極及第三輸出電容Co3的一端A11，負載220的兩端則分別電性連接第一輸出電容Co1的一端A7及第三輸出電容Co3的另端A12以和輸出電路單元130電性連接。

本實施例中，第一控制訊號及第二控制訊號皆為脈波寬度調變訊號。因此，升壓轉換器100可更包含一控制電路(未繪示)，控制電路電性連接第一切換開關S1的一第一控制端(未標示)以傳送第一控制訊號，且控制電路電性連接第二切換開關S2的一第二控制端(未標示)以傳送第二控制訊號，藉此可重覆斷開或導通第一切換開關S1或第二切換開關S2。

控制電路使升壓轉換器100操作於電流連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)下，且可使升壓轉換器100工作於模式一、模式二、模式三及模式四重覆切換。且第一控制訊號及第二控制訊號具有一固定切換週期及一責任週期，固定切換週期以T表示，責任週期以D表示，故第一切換開關S1及第二切換開關S2的導通時間為DT，第一切換開關S1及第二切換開關S2的截止時間為(1-D)T。

假設責任週期大於0.5，且假設升壓轉換器100中所有的元件皆為理想元件，即不考慮第一切換開關S1及第二切換開關S2上之寄生電容(parasitic capacitance)與導通阻抗，亦不考慮第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4的順向導通壓降，而且第一激磁電感115與第二激磁電感125的電感值相同，自輸入電源210流出的總輸出電流i _i平均分流至第一初級側111及第二初級側121，也就是流入第一初級側111的第一電感電流i _Lm1相等於流入第二初級側121的第二電感電流i _Lm2且皆等於(1/2)i _i，故第一激磁電感115的電壓v _Lm1相等於第二激磁電感125的電壓v _Lm2。

請參閱第2A圖，其中第2A圖繪示第1圖之升壓轉換系統200的升壓轉換器100工作於模式一的等效電路示意圖。此時第一切換開關S1與第二切換開關S2皆為導通狀態，輸入電壓V_i跨在第一激磁電感115與第二激磁電感125上，使第一電感電流i _Lm1及第二電感電流i _Lm2皆呈線性增加並進行儲能，其變化可以式(1)及式(2)表示，而第一二極體D1、第二二極體D2因為第一次級繞組線圈114及第二次級繞組線圈124感應的電壓極性逆向偏壓而截止，第三二極體D3及第四二極體D4亦皆因逆向偏壓而截止，此時第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4之跨壓分別為式(3)至式(6)所示，而第一輸出電容Co1、第二輸出電容Co2及第三輸出電容Co3則釋能至負載220。

式(1)至式(6)表示如下： v _D3=V _co3-V _c1 (5)；以及v _D4=V _c1 (6)。

其中L_m1表示第一激磁電感115的電感值，L_m2表示第二激磁電感125的電感值，v _D1、v _D2、v _D3及v _D4分別表示第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4之跨壓，V _c1、V _co1、V _co2及V _co3分別表示箝位電容C1、第一輸出電容Co1、第二輸出電容Co2及第三輸出電容Co3之跨壓，N₁₁代表第一初級繞組線圈113的匝數，N₁₂代表第一次級繞組線圈114的匝數，N₂₁代表第二初級繞組線圈123的匝數及N₂₂代表第二次級繞組線圈124的匝數。

請參閱第2B圖，其中第2B圖繪示第1圖之升壓轉換系統200的升壓轉換器100工作於模式二的等效電路示意圖。第一切換開關S1截止而第二切換開關S2持續導通，此時第一激磁電感115上之電流下降，第一電感電流i _Lm1變化以式(7)表示，同時因第一激磁電感115感應的電壓極性反向，路徑經由第四二極體D4釋能至箝位電容C1。再者由於第一次級繞組線圈114電壓極性反向使得第一二極體D1順向導通釋能至第一輸出電容Co1，而第一輸出電容Co1之電壓可表示為式(8)。另因第二激磁電感125持續儲能，第二電感電流i _Lm2變化表示為式(9)，且第二二極體D2及第三二極體D3因逆向偏壓而截止，其第二二極體D2及第三二極體D3之跨壓分別表示為式(10)及式(11)。

式(7)至式(11)表示如下：；以及v _D3=V _co3-V _c1 (11)。

請參閱第2C圖，其中第2C圖繪示第1圖之升壓轉換系統200的升壓轉換器100工作於模式三的等效電路示意圖。此時第一切換開關S1與第二切換開關S2皆為導通狀態，輸入電壓V_i跨在第一激磁電感115與第二激磁電感125上，使第一電感電流i _Lm1及第二電感電流i _Lm2皆呈性增加並進行儲能，其變化可以如之前的(1)及式(2)表示，而第一二極體D1及第二二極體D2及因第一次級繞組線圈114及第二次級繞組線圈124感應的電壓極性逆向偏壓而截止，第三二極體D3及第四二極體D4亦皆因逆向偏壓而截止，此時的操作狀態和模式一相同，第一電感電流i _Lm1及第二電感電流i_Lm2、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4之跨壓亦如同之前面的式(3)至式(6)所示，而由第一輸出電容Co1、第二輸出電容Co2及第三輸出電容Co3則釋能至負載220。

請參閱第2D圖，其中第2D圖繪示第1圖之升壓轉換系統200的升壓轉換器100工作於模式四的等效電路示意圖。此時第一切換開關S1持續導通，而第二切換開關S2截止，第一激磁電感115上之電流持續上升並進行儲能，第一電感電流i _Lm1變化可表示為式(12)，而第二激磁電感125開始釋放能量，第二電感電流i _Lm2變化可表示為式(13)。同時因第二激磁電感125感應的電壓極性反向，路徑經由箝位電容C1及第三二極體D3釋能至第三輸出電容Co3。另外，由於第二次級繞組線圈124的電壓極性反向使得第二二極體D2順向導通釋能至第二輸出電容Co2，而第二輸出電容Co2之電壓可表示為式(14)，至於第一二極體D1及第四二極體D4皆因逆向偏壓而截止，其第一二極體D1及第四二極體D4之跨壓分別表示為式(15)及式(16)。

式(12)至式(16)表示如下：；以及v _D4=V _co3 (16)。

根據電感伏秒平衡定理(volt-second balance theory)，由式(1)及式(7)可推得式(17)，而由式(2)及式(13)可推得式(18)，並將式(17)代入式(18)後可得式(19)。

式(17)至式(19)表示如下：V _i DT+(V _i-V _c1)×(1-D)T=0 (17)； V _i DT+(V _i+V _c1-V _co3)×(1-D)T=0 (18)；以及(-V _i+V _c1+V _i+V _c1-V _co3)×(1-D)T=0 (19)。

移項後可得箝位電容C1的電壓V_c1為式(20)，再將式(20)代入式(18)或式(19)可得第三輸出電容的電壓V _co3如式(21)。

式(20)至式(21)表示如下：；以及

由於高輸出電壓V_o為第一輸出電容Co1、第二輸出電容Co2及第三輸出電容Co3的電壓之總合，是以高輸出電壓V_o可表示為式(22)，而將式(8)、式(14)、式(21)代入式(22)後可得高輸出電壓V_o如式(23)，再經簡化後，可得高輸出電壓V_o與輸入電壓V_i之關係如式(24)。

式(22)至式(24)表示如下：V _o=V _co1+V _co2+V _co3 (22)；；以及

請參閱第3圖及第4圖，並請一併參閱第1圖，其中第3圖繪示第1圖之升壓轉換系統200的升壓轉換器100之各元件的電壓及電流波形圖，第4圖繪示第1圖之升壓轉換系統200的升壓轉換器100之電壓增益與責任週期之關係圖。第3圖中t₀~t₁代表模式一的操作時間，t₁~t₂代表模式二的操作時間，t₂~t₃代表模式三的操作時間，且t₃~t₄代表模式四的操作時間，t₀~t₄則為固定切換週期T，而v _ds1代表第一切換開關S1的跨電壓，v _ds2代表第二切換開關S2的跨電壓，i _ds1代表流經第一切換開關S1的電流，i _ds2代表流經第二切換開關S2的電流，i _D1、i _D2、i _D3及i _D4分別表示第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4之電流。由第4圖可知，當責任週期D愈大，電壓增益愈高，且當第一初級繞組線圈113的匝數N₁₁與第一次級繞組線圈114的匝數N₁₂的匝數比N(相等於第二初級繞組線圈123的匝數N₂₁與第二次級繞組線圈124的匝數N₂₂的匝數比N)愈大時，則電壓增益愈高。

因此，透過升壓轉換器100可將輸入電壓轉V_i轉換成電壓較高的高輸出電壓V_o給負載220使用。藉由第一耦合電感、第二耦合電感、第一輸出電容Co1及第二輸出電容Co2，不但能提高升壓轉換器100之升壓比，且第一切換開關S1、第二切換開關S2、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4之耐壓不會因升壓比提高而增加，又升壓轉換器100採用交錯式控制，可減少第一激磁電感115、第二激磁電感125、第一切換開關S1及第二切換開關S2之電流應力，亦可降低總輸出電流i _i之漣波。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種升壓轉換器，將一輸入電壓轉換為一高輸出電壓，該升壓轉換器包含：一第一切換開關，受一第一控制訊號啟閉，該第一切換開關包含一第一輸入端及一第一輸出端；一第一耦合電路單元，電性連接該第一切換開關，該第一耦合電路單元包含：一第一耦合電感，包含一第一初級側及一第一次級側，該第一初級側接收該輸入電壓且電性連接該第一輸入端，該第一初級側包含一第一激磁電感及一第一初級繞組線圈，該第一激磁電感的一端接收該輸入電壓且一另端連接該第一輸入端，該第一初級繞組線圈跨接於該第一激磁電感；及一第一二極體，其陽極電性連接該第一次級側；一第二切換開關，受一第二控制訊號啟閉，該第二切換開關包含一第二輸入端及一第二輸出端，該第二輸出端電性連接該第一輸出端；一第二耦合電路單元，電性連接該第二切換開關及該第一耦合電路單元，該第二耦合電路單元包含：一第二耦合電感，包含一第二初級側及一第二次級側，該第二初級側接收該輸入電壓且電性連接該第二輸入端，該第二初級側包含一第二激磁電感及一第二初級繞組線圈，該第二初級繞組線圈跨接於該第二激磁電感，該第二激磁電感的一端接收該輸入電壓且一另端連接該第二輸入端；及一第二二極體，陽極電性連接該第二次級側；一箝位電容，一端電性連接該第二輸入端；一第三二極體，陽極電性連接該箝位電容的一另端；一第四二極體，陽極電性連接該第一輸入端，該第四二極體的陰極電性連接該箝位電容的該另端；以及一輸出電路單元，電性連接該第一切換開關、該第二切換開關、該第一耦合電路單元、該第二耦合電路單元及該第三二極體，該輸出電路單元包含：一第一輸出電容，一端電性連接該第一二極體的陰極，且該第一輸出電容的一另端電性連接該第一次級側；一第二輸出電容，一端電性連接該第二二極體的陰極及該第一輸出電容的該另端，該第二輸出電容的一另端電性連接該第二次級側；及一第三輸出電容，一端電性連接該第三二極體的陰極及該第二輸出電容的該另端，且該第三輸出電容的一另端電性連接該第一輸出端及該第二輸出端；其中該第一切換開關及該第二切換開關受控導通或斷開，使該第一耦合電路單元、該第二耦合電路單元及輸出電路單元作用將該輸入電壓轉換為該高輸出電壓；其中該第一控制訊號及該第二控制訊號皆為脈波寬度調變訊號且具有相同的一責任週期，該第一次級側包含一第一次級繞組線圈，該第二次級側包含一第二次級繞組線圈，且該高輸出電壓與該輸入電壓滿足下列關係：其中V_o代表該高輸出電壓，V_i代表該輸入電壓，N₁₁代表該第一初級繞組線圈的匝數，N₁₂代表該第一次級繞組線圈的匝數，N₂₁代表該第二初級繞組線圈的匝數，N₂₂代表該第二次級繞組線圈的匝數及D代表該責任週期。
如申請專利範圍第1項所述之升壓轉換器，其中該第一切換開關及該第二切換開關皆為金氧半場效電晶體。
如申請專利範圍第1項所述之升壓轉換器，更包含：一控制電路，電性連接該第一切換開關的一第一控制端以傳送該第一控制訊號，且該控制電路電性連接該第二切換開關的一第二控制端以傳送該第二控制訊號。
一種升壓轉換系統，包含：一輸入電源，提供一輸入電壓，該輸入電源包含一正端及一負端；一升壓轉換器，電性連接該輸入電源，該升壓轉換器包含：一第一切換開關，受一第一控制訊號啟閉，該第一切換開關包含一第一輸入端及一第一輸出端，該第一輸出端電性連接該輸入電源的該負端；一第一耦合電路單元，電性連接該第一切換開關，該第一耦合電路單元包含：一第一耦合電感，包含一第一初級側及一第一次級側，該第一初級側的兩端分別電性連接該第一輸入端及該輸入電源的該正端，該第一初級側包含一第一激磁電感及一第一初級繞組線圈，該第一激磁電感的一端接收該輸入電壓且一另端連接該第一輸入端，該第一初級繞組線圈跨接於該第一激磁電感；及一第一二極體，陽極電性連接該第一次級側；一第二切換開關，受一第二控制訊號啟閉，該第二切換開關包含一第二輸入端及一第二輸出端，該第二輸出端電性連接該第一輸出端；一第二耦合電路單元，電性連接該第二切換開關及該第一耦合電路單元，該第二耦合電路單元包含：一第二耦合電感，包含一第二初級側及一第二次級側，該第二初級側的兩端分別電性連接該第二輸入端及該輸入電源的該正端，該第二初級側包含一第二激磁電感及一第二初級繞組線圈，該第二激磁電感的一端接收該輸入電壓且一另端連接該第二輸入端，該第二初級繞組線圈跨接於該第二激磁電感；及一第二二極體，陽極電性連接該第二次級側；一箝位電容，一端電性連接該第二輸入端；一第三二極體，陽極電性連接該箝位電容的一另端；一第四二極體，其陽極電性連接該第一輸入端，該第四二極體的陰極電性連接該箝位電容的該另端；一輸出電路單元，電性連接該負端、該第一耦合電路單元、該第二耦合電路單元及該第三二極體，該輸出電路單元包含：一第一輸出電容，一端電性連接該第一二極體的陰極，且該第一輸出電容的一另端電性連接該第一次級側；一第二輸出電容，一端電性連接該第二二極體的陰極及該第一輸出電容的該另端，該第二輸出電容的一另端電性連接該第二次級側；及一第三輸出電容，一端電性連接該第三二極體的陰極及該第二輸出電容的該另端，且該第三輸出電容的一另端電性連接該輸入電源的該負端；及一控制電路，電性連接該第一切換開關的一第一控制端以傳送該第一控制訊號，且該控制電路電性連接該第二切換開關的一第二控制端以傳送該第二控制訊號，其中該第一控制訊號及該第二控制訊號皆為脈波寬度調變訊號且具有一責任週期；以及一負載，電性連接該輸出電路單元；其中該第一切換開關及該第二切換開關受控導通或斷開，使該第一耦合電路單元、該第二耦合電路單元及輸出電路單元作用將該輸入電壓轉換為一高輸出電壓供給該負載；其中該第一次級側包含一第一次級繞組線圈，該第二次級側包含一第二次級繞組線圈，且該高輸出電壓與該輸入電壓滿足下列關係：其中V_o代表該高輸出電壓，V_i代表該輸入電壓，N₁₁代表該第一初級繞組線圈的匝數，N₁₂代表該第一次級繞組線圈的匝數，N₂₁代表該第二初級繞組線圈的匝數，N₂₂代表該第二次級繞組線圈的匝數及D代表該責任週期。
如申請專利範圍第4項所述之升壓轉換系統，其中該第一切換開關及該第二切換開關皆為金氧半場效電晶體。