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TWI687033B - 超高電壓增益交錯式直流轉換器 - Google Patents

超高電壓增益交錯式直流轉換器 Download PDF

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Publication number
TWI687033B
TWI687033B TW108132625A TW108132625A TWI687033B TW I687033 B TWI687033 B TW I687033B TW 108132625 A TW108132625 A TW 108132625A TW 108132625 A TW108132625 A TW 108132625A TW I687033 B TWI687033 B TW I687033B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
diode
switch
converter
voltage
capacitor
Prior art date
Application number
TW108132625A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202112041A (zh
Inventor
楊松霈
陳信助
黃昭明
謝承道
林加耀
林資祐
陳鏡仁
方均
Original Assignee
崑山科技大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 崑山科技大學 filed Critical 崑山科技大學
Priority to TW108132625A priority Critical patent/TWI687033B/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI687033B publication Critical patent/TWI687033B/zh
Publication of TW202112041A publication Critical patent/TW202112041A/zh

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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

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  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本發明係有關於一種超高電壓增益交錯式直流轉換器，其主要係可得到極高的升壓增益，且開關
Figure 01_image001
、開關

Description

超高電壓增益交錯式直流轉換器
本發明係有關於一種超高電壓增益交錯式直流轉換器，尤其是指一種具高升壓增益、高電力密度、低電壓應力、高功率應用及高轉換效率，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
按，對於直流升壓目的而言，理論上，操作在極高導通比的傳統升壓型〔boost〕轉換器能夠得到高電壓增益，但是實務上受到寄生元件的影響，電壓轉換比受限在約5倍以下，因此當電壓增益高達10倍左右的實務需求時，研發嶄新的高升壓轉換器拓樸是必要的。因此，於近幾年來，高升壓DC-DC轉換器是電力電子工程領域中常見的研究主題之一。
實務上操作在極大導通比的傳統升壓型轉換器其電壓增益是有所限制，而且轉換效率不佳。另一方面，操作在極大導通比的升壓型轉換器衍生了以下問題：容易產生很大的輸入電流漣波，使得太陽能電池模組輸出端的電解電容數量必須增加，減少燃料電池的使用壽命；另一方面，輸出二極體的反向恢復問題造成嚴重的反向恢復損失及EMI雜訊問題。
另，在轉換效率考量方面，由於環保意識高漲，節能減碳是各國的重要政策，轉換器的效率要求日益嚴苛，功率電子開關造成的功率損失必須善加考量。典型交錯式升壓型轉換器之功率開關與輸出二極體之電壓應力均為高壓的輸出電壓，由於高耐壓的MOSFET，一般都具有高導通電阻RDS(ON)的特性，導致較高的導通損失。
緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種超高電壓增益交錯式直流轉換器，以期達到更佳實用價值性之目的者。
本發明之主要目的在於提供一種超高電壓增益交錯式直流轉換器，主要係可得到極高的升壓增益，且開關
Figure 02_image001
、開關
Figure 02_image003
以180°的相位差交錯工作，可使輸入電流漣波降低，能使用電感值較小之輸入濾波電感，降低電感的體積，及可不必操作在極大的導通比，功率開關具有低於輸出電壓的低電壓應力，可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET，降低成本與導通損失，提升整體效率，並具有並聯連接特性，可分擔輸入電流，能有效降低電路中儲能元件及開關元件之電流應力，適合應用於高功率的場合，同時能使電路導通損失有效降低，提升轉換器之整體效率，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：
首先，請參閱第一圖本發明之電路圖所示，本發明之轉換器（１）主要係於輸入電壓
Figure 02_image023
之正極分別連接電感
Figure 02_image025
之第一端、電容
Figure 02_image027
之負極及電感
Figure 02_image029
之第一端，而該輸入電壓
Figure 02_image023
之負極則分別連接有開關
Figure 02_image001
之第二端、開關
Figure 02_image031
之第二端及二極體
Figure 02_image033
之負極，該電感
Figure 02_image025
之第二端分別連接有二極體
Figure 02_image035
之正極及二極體
Figure 02_image037
之正極，該電容
Figure 02_image027
之正極分別連接有該二極體
Figure 02_image037
之負極、電感
Figure 02_image039
之第一端、二極體
Figure 02_image041
之負極及電感
Figure 02_image043
之第一端，該電感
Figure 02_image029
之第二端分別連接有該二極體
Figure 02_image041
之正極及二極體
Figure 02_image045
之正極，該二極體
Figure 02_image035
之負極分別連接有該電感
Figure 02_image039
之第二端、該開關
Figure 02_image001
之第一端、二極體
Figure 02_image047
之正極、電容
Figure 02_image049
之負極及電容
Figure 02_image051
之正極，該二極體
Figure 02_image045
之負極分別連接有該電感
Figure 02_image043
之第二端、該開關
Figure 02_image031
之第一端、電容
Figure 02_image053
之負極及電容
Figure 02_image055
之正極，該二極體
Figure 02_image047
之負極分別連接有該電容
Figure 02_image053
之正極及二極體
Figure 02_image057
之正極，該二極體
Figure 02_image033
之正極分別連接有該電容
Figure 02_image055
之負極及二極體
Figure 02_image059
之負極，該二極體
Figure 02_image057
之負極分別連接有該電容
Figure 02_image049
之正極及輸出阻抗
Figure 02_image061
之正極，該二極體
Figure 02_image059
之正極分別連接有該電容
Figure 02_image051
之負極及輸出阻抗
Figure 02_image063
之負極。
而根據各開關切換與各二極體導通與否，可以將該轉換器（１）在一個切換週期
Figure 02_image064
的動作，分成四個線性階段，其各線性階段等效線性電路以及主要元件波形如下，請再一併參閱第二圖本發明之主要元件時序及波形圖所示：
預備階段［
Figure 02_image066
］：［開關
Figure 02_image001
：ON、開關
Figure 02_image003
：ON、二極體
Figure 02_image068
：ON、二極體
Figure 02_image069
：ON、二極體
Figure 02_image070
：OFF、二極體
Figure 02_image071
：OFF、二極體
Figure 02_image072
：OFF、二極體
Figure 02_image073
：OFF、二極體
Figure 02_image075
：OFF、二極體
Figure 02_image076
：OFF］：請再一併參閱第三圖本發明之預備階段等效線性電路圖所示，在預備階段時，該開關
Figure 02_image001
與該開關
Figure 02_image003
導通［ON］持續一段時間，該二極體
Figure 02_image070
、該二極體
Figure 02_image071
、該二極體
Figure 02_image072
、該二極體
Figure 02_image073
、該二極體
Figure 02_image075
、該二極體
Figure 02_image076
皆因逆向偏壓而OFF，此時該電感
Figure 02_image025
、該電感
Figure 02_image029
因跨輸入電壓
Figure 02_image023
，電流以斜率
Figure 02_image077
、
Figure 02_image079
線性上升，加上該電容
Figure 02_image027
之電壓
Figure 02_image081
使得電流以斜率
Figure 02_image083
、
Figure 02_image085
線性上升。當該開關
Figure 02_image001
由ON切換至OFF時，該二極體
Figure 02_image068
由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image070
、該二極體
Figure 02_image072
、該二極體
Figure 02_image076
由OFF切換至ON，則該轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image064
下之第一階段電路動作。
第一階段［
Figure 02_image087
］：［開關
Figure 02_image001
：OFF、開關
Figure 02_image003
：ON、二極體
Figure 02_image068
：OFF、二極體
Figure 02_image069
：ON、二極體
Figure 02_image070
：ON、二極體
Figure 02_image071
：OFF、二極體
Figure 02_image072
：ON、二極體
Figure 02_image073
：OFF、二極體
Figure 02_image075
：OFF、二極體
Figure 02_image076
：ON］：請再一併參閱第四圖本發明之第一階段等效線性電路圖所示，該開關
Figure 02_image001
已由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image068
由ON切換至OFF，該二極體
Figure 02_image070
、該二極體
Figure 02_image072
、該二極體
Figure 02_image076
由OFF切換至ON，該開關
Figure 02_image089
保持為ON，此時該二極體
Figure 02_image070
因電流
Figure 02_image091
保持連續而導通，該二極體
Figure 02_image072
與做為輸出二極體之該二極體
Figure 02_image076
因電流
Figure 02_image092
保持連續而導通，且該開關
Figure 02_image001
跨壓
Figure 02_image094
被該二極體
Figure 02_image072
箝位在升壓電容電壓
Figure 02_image096
。開始對該電容
Figure 02_image053
、該電容
Figure 02_image049
作充電，此時電流
Figure 02_image092
流經該二極體
Figure 02_image072
與做為輸出二極體之該二極體
Figure 02_image076
，降低輸入端電流的提供，電感電流
Figure 02_image092
以斜率
Figure 02_image098
線性下降，電流
Figure 02_image091
則流經該二極體
Figure 02_image070
，電感電流
Figure 02_image091
以斜率
Figure 02_image100
線性下降，當該開關
Figure 02_image001
由OFF切換至ON時，則該轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image064
下之第二階段電路動作。
第二階段［
Figure 02_image102
］：［開關
Figure 02_image001
：ON、開關
Figure 02_image003
：ON、二極體
Figure 02_image068
：ON、二極體
Figure 02_image069
：ON、二極體
Figure 02_image070
：OFF、二極體
Figure 02_image071
：OFF、二極體
Figure 02_image072
：OFF、二極體
Figure 02_image073
：OFF、二極體
Figure 02_image075
：OFF、二極體
Figure 02_image076
：OFF］：請再一併參閱第五圖本發明之第二階段等效線性電路圖所示，本階段該開關
Figure 02_image001
由OFF轉變為ON，該開關
Figure 02_image003
保持為ON，此時電路動作與預備階段相同。當該開關
Figure 02_image003
由ON切換至OFF時，則該轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image064
下之第三階段電路動作。
第三階段［
Figure 02_image104
］：［開關
Figure 02_image001
：ON、開關
Figure 02_image003
：OFF、二極體
Figure 02_image068
：ON、二極體
Figure 02_image069
：OFF、二極體
Figure 02_image070
：OFF、二極體
Figure 02_image071
：ON、二極體
Figure 02_image072
：OFF、二極體
Figure 02_image073
：ON、二極體
Figure 02_image075
：ON、二極體
Figure 02_image076
：OFF］：請再一併參閱第六圖本發明之第三階段等效線性電路圖所示，該開關
Figure 02_image003
已由ON轉變為OFF，則該二極體
Figure 02_image069
由ON切換至OFF，此時該二極體
Figure 02_image071
、該二極體
Figure 02_image073
、該二極體
Figure 02_image075
由OFF切換至ON，該開關
Figure 02_image001
保持為ON，此階段該二極體
Figure 02_image071
因電流
Figure 02_image106
保持連續而導通，該二極體
Figure 02_image073
與做為輸出二極體之該二極體
Figure 02_image075
因電流
Figure 02_image107
保持連續而導通，且該開關
Figure 02_image003
跨壓
Figure 02_image109
被該二極體
Figure 02_image073
箝位在升壓電容電壓
Figure 02_image111
。開始對該電容
Figure 02_image055
、該電容
Figure 02_image051
作充電，此時電流
Figure 02_image107
流經該二極體
Figure 02_image073
與做為輸出二極體之該二極體
Figure 02_image075
，降低輸入端電流的提供，電感電流
Figure 02_image107
以斜率
Figure 02_image113
線性下降，電流
Figure 02_image106
則流經該二極體
Figure 02_image071
，電感電流
Figure 02_image106
以斜率
Figure 02_image115
線性下降，當該開關
Figure 02_image003
由OFF切換至ON時，則該轉換器（１）進入在一個切換週期
Figure 02_image064
下之第四階段電路動作。
第四階段［
Figure 02_image117
］：［開關
Figure 02_image001
：ON、開關
Figure 02_image003
：ON、二極體
Figure 02_image068
：ON、二極體
Figure 02_image069
：ON、二極體
Figure 02_image070
：OFF、二極體
Figure 02_image071
：OFF、二極體
Figure 02_image072
：OFF、二極體
Figure 02_image073
：OFF、二極體
Figure 02_image075
：OFF、二極體
Figure 02_image076
：OFF］：請再一併參閱第七圖本發明之第四階段等效線性電路圖所示，本階段該開關
Figure 02_image003
由OFF轉變為ON，該開關
Figure 02_image001
保持為ON，此時電路動作與預備階段相同。當該開關
Figure 02_image001
由ON切換至OFF時，則該轉換器（１）進入下一階段，完成一週期
Figure 02_image064
下之電路動作。
據上述電路動作分析，使用IsSpice模擬軟體驗證其電路理論分析、電氣規格以及上述所及之優點，而該轉換器（１）之模擬電氣規格與元件參數設定如下表1所示： 表1電氣規格與元件參數
Figure 108132625-A0305-0001
以下將介紹輸出功率
Figure 02_image152
之下相關模擬結果。請再一併參閱第八圖本發明之模擬電路示意圖所示，模擬波形將驗正項目如下：
A.電氣規格驗證：輸入電壓
Figure 02_image009
、輸出電壓
Figure 02_image011
、導通比
Figure 02_image154
請再一併參閱第九圖本發明之開關驅動信號
Figure 02_image005
、
Figure 02_image007
與輸入電壓
Figure 02_image009
及輸出電壓
Figure 02_image011
的模擬波形圖所示，由該第九圖可知，輸入電壓
Figure 02_image156
、輸出電壓
Figure 02_image158
，滿足電氣之需求規格。
B.輸入電流漣波相消：
Figure 02_image013
、
Figure 02_image160
、
Figure 02_image161
因為該轉換器（１）以交錯180度依序導通的驅動方式操作，因此電感電流
Figure 02_image013
和
Figure 02_image160
漣波相差180度，又
Figure 02_image162
，因此
Figure 02_image013
和
Figure 02_image160
之漣波可以相消以降低輸入電流
Figure 02_image161
之漣波。請再一併參閱第十圖本發明之輸入端電流
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
的模擬波形圖所示，可以觀察出，當電感電流漣波
Figure 02_image164
和
Figure 02_image166
約為0.8A，輸入電流漣波
Figure 02_image168
約為0.2A，輸入電流
Figure 02_image161
確實因交錯式操作，有漣波相消的性能［輸入電流
Figure 02_image161
須減去
Figure 02_image170
後再作計算］。
C.開關
Figure 02_image001
、開關
Figure 02_image003
的低電壓應力：
Figure 02_image172
及
Figure 02_image174
因為該轉換器（１）加入升壓電容，因此開關跨壓將會被升壓電容給限制住：
Figure 02_image176
、
Figure 02_image178
，請再一併參閱第十一圖本發明之開關
Figure 02_image001
的相關模擬波形圖及第十二圖本發明之開關
Figure 02_image003
的相關模擬波形圖所示，開關的跨壓也約為100V，可知開關確實擁有遠低於輸出電壓的低電壓應力。
而本發明之轉換器（１）與文獻中之高升壓比轉換器，在電壓轉換比進行比較，請參閱下表2所示，本發明之轉換器（１）具有極高的電壓轉換比： 表2參考文獻與本發明之比較表
Figure 108132625-A0305-0002
請再一併參閱第十三圖本發明於匝數比
Figure 02_image019
時與文獻［1］之電壓轉換比比較曲線圖及第十四圖本發明於匝數比
Figure 02_image021
時與文獻［1］之電壓轉換比比較曲線圖所示，由於文獻［1］、文獻［2］、文獻［3］之電壓增益皆相同，取文獻［1］為代表與本發明之轉換器（１）進行比較可知，本發明之轉換器（１）具有最高之電壓增益，且當導通比
Figure 02_image185
越大時，則差距會更加明顯。
參考文獻：
［1］W. Li, Y. Zhao, J. Wu, and X. He, ” Interleaved High Step-Up Converter with Winding-Cross-Coupled Inductors and Voltage Multiplier Cells” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.27, No.1, January 2012
［2］L. He, and J. Lei, ”High Step-Up Converter with Passive Lossless Clamp Circuit and Switched-Capacitor: Analysis, Design, and Experimentation” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), March 2013
［3］K. C. Tseng, and C. C. Huang, ”High Step-Up High-Efficiency Interleaved Converter with Voltage Multiplier Module for Renewable Energy System” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 61, No. 3, March 2014
藉由以上所述，本發明電路之組成與使用實施說明可知，本發明主要係具有下列特點：
1.高升壓增益：本發明之轉換器可得到極高的升壓增益。
2.高電力密度：本發明之開關
Figure 02_image001
、開關
Figure 02_image003
係以180°的相位差交錯工作，可使輸入電流漣波降低，因此可以使用電感值較小之輸入濾波電感，降低電感的體積。
3.低電壓應力：本發明之轉換器具高電壓增益的達成，不必操作在極大的導通比，且功率開關具有低於輸出電壓的低電壓應力，故可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET，降低成本與導通損失，提升整體效率。
4.高功率應用：本發明之轉換器由於電路架構具有並聯連接特性，故可分擔輸入電流，能有效降低電路中儲能元件及開關元件之電流應力，適合應用於高功率的場合。
5.高轉換效率：本發明之轉換器具有電流分流且可選用低導通電阻MOSFET，使電路導通損失有效降低，提升轉換器之整體效率。
然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。
綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
（１）:轉換器
第一圖：本發明之電路圖
第二圖：本發明之主要元件時序及波形圖
第三圖：本發明之預備階段等效線性電路圖
第四圖：本發明之第一階段等效線性電路圖
第五圖：本發明之第二階段等效線性電路圖
第六圖：本發明之第三階段等效線性電路圖
第七圖：本發明之第四階段等效線性電路圖
第八圖：本發明之模擬電路示意圖
第九圖：本發明之開關驅動信號
Figure 02_image005
、
Figure 02_image007
與輸入電壓
Figure 02_image009
及輸出電壓
Figure 02_image011
的模擬波形圖
第十圖：本發明之輸入端電流
Figure 02_image013
、
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
的模擬波形圖
第十一圖：本發明之開關
Figure 02_image001
的相關模擬波形圖
第十二圖：本發明之開關
Figure 02_image003
的相關模擬波形圖
第十三圖：本發明於匝數比
Figure 02_image019
時與文獻［1］之電壓轉換比比較曲線圖
第十四圖：本發明於匝數比
Figure 02_image021
時與文獻［1］之電壓轉換比比較曲線圖
(1):轉換器

Claims (1)

  1. 一種超高電壓增益交錯式直流轉換器，其主要係令轉換器於輸入電壓
    Figure 03_image023
    之正極分別連接電感
    Figure 03_image025
    之第一端、電容
    Figure 03_image027
    之負極及電感
    Figure 03_image029
    之第一端，而該輸入電壓
    Figure 03_image023
    之負極則分別連接有開關
    Figure 03_image001
    之第二端、開關
    Figure 03_image031
    之第二端及二極體
    Figure 03_image033
    之負極，該電感
    Figure 03_image025
    之第二端分別連接有二極體
    Figure 03_image035
    之正極及二極體
    Figure 03_image037
    之正極，該電容
    Figure 03_image027
    之正極分別連接有該二極體
    Figure 03_image037
    之負極、電感
    Figure 03_image039
    之第一端、二極體
    Figure 03_image041
    之負極及電感
    Figure 03_image043
    之第一端，該電感
    Figure 03_image029
    之第二端分別連接有該二極體
    Figure 03_image041
    之正極及二極體
    Figure 03_image045
    之正極，該二極體
    Figure 03_image035
    之負極分別連接有該電感
    Figure 03_image039
    之第二端、該開關
    Figure 03_image001
    之第一端、二極體
    Figure 03_image047
    之正極、電容
    Figure 03_image049
    之負極及電容
    Figure 03_image051
    之正極，該二極體
    Figure 03_image045
    之負極分別連接有該電感
    Figure 03_image043
    之第二端、該開關
    Figure 03_image031
    之第一端、電容
    Figure 03_image053
    之負極及電容
    Figure 03_image055
    之正極，該二極體
    Figure 03_image047
    之負極分別連接有該電容
    Figure 03_image053
    之正極及二極體
    Figure 03_image057
    之正極，該二極體
    Figure 03_image033
    之正極分別連接有該電容
    Figure 03_image055
    之負極及二極體
    Figure 03_image059
    之負極，該二極體
    Figure 03_image057
    之負極分別連接有該電容
    Figure 03_image049
    之正極及輸出阻抗
    Figure 03_image061
    之正極，該二極體
    Figure 03_image059
    之正極分別連接有該電容
    Figure 03_image051
    之負極及輸出阻抗
    Figure 03_image063
    之負極。
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