TWI614981B - 隔離型高降壓比直流-直流轉換器 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種隔離型高降壓比直流-直流轉換器，包括一輸入單元、一前半級電路以及一後半級電路，該前半級電路連接該輸入單元，該後半級電路連接該前半級電路，該前半級電路主要提供降壓功能以及低輸入電流漣波，該後半級電路主要提供電氣隔離、降壓以及低輸出電流漣波。本發明具有高降壓比之功能，且僅使用單一切換開關，控制更為簡單。
Description
本發明係關於一種隔離型高降壓比直流-直流轉換器，由指一種具電氣隔離功能且可提供高降壓比、低輸入與輸出電流漣波，並僅需一個切換開關之直流-直流轉換器。
現今科技發展，如積體電路等半導體技術發展迅速，一般電子產品皆以輕薄短小為目標吸引大眾，而一般電子產品仰賴之動力來源係為一電源供應器，為符合不同電子產品所需電源需求，相關電源轉換裝置陸續被設計與改良。
如中華民國新型專利公告第I462456號「直流/直流轉換電路」，係一種直流/直流轉換電路，耦接於一直流電源與一負載之間，包括：一第一電荷抽放電路，耦接至該直流電源；一第二電荷抽放電路，耦接至該負載；一第一開關，耦接至該第一電荷抽放電路；一第二開關，耦接至該第二電荷抽放電路；以及一第一電感，該第一電感之一端係耦接至該第一電荷抽放電路以及該第二電荷抽放電路，另一端則耦接至該第一開關及該第二開關之一共同節點，其中，該第一電感、該第一開關以及該第二開關係耦接於該第一電荷抽放電路與該第二電荷抽放電路之間。
但，還是有一些不良之缺點例如降壓比不夠，以及非隔離型對於使用安全上較有疑慮等之缺點。
爰此，本發明人不斷創新研發，進而提出一種隔離型高降壓比直流-直流轉換器，包括有：一輸入單元，用以輸入一直流電；一前半級電路，包含有一輸入電感、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第一電容、一第二電容以及一切換開關，其中，該輸入電感之一端以及該第四二極體之陰極端係皆電性連接該輸入單元之一正端，該輸入電感之另一端係電性連接該第一電容之一端以及該第二二極體之陰極端，該第一電容之另一端係電性連接該第三二極體之陽極端以及該第一二極體之陰極端，該第二二極體之陽極端係電性連接該第三二極體之陰極端以及該第二電容之一端，該第一二極體之陽極端、該第二電容之另一端以及該切換開關之一第一端係皆連接該輸入單元之一負端；以及一後半級電路，包含一順向式型直流-直流轉換電路，該順向式型直流-直流轉換電路耦接該前半級電路，並提供電氣隔離以及降壓。
進一步，該順向式型直流-直流轉換電路包含有一變壓器以及一輸出電路，該變壓器係為三繞組變壓器，其包含有一一次側繞組、一二次側繞組以及一三次側繞組，該一次側繞組之一端係電性連接該第二二極體之陰極端，該一次側繞組之另一端係電性連接該切換開關之一第二端，該三次側繞組之一端係電性連接該切換開關之該第一端，該三次側繞組之另一端係電性連接該第四二極體之陽極端，該二次側繞組係提供電氣隔離以及降壓，並電性連接該輸出電路。
進一步，該輸出電路包含有一第五二極體、一第六二極體、一輸出電感、一輸出電容以及一負載，該二次側繞組之一端係電性連接該第五二極體之陽極端，該第五二極體之陰極端係電性連接該第六二極體之陰極端以及該輸出電感之一端，該輸出電感之另一端係電性連接該輸出電容之一端以及該負
載之一端，該第六二極體之陽極端、該輸出電容之另一端以及該負載之另一端係皆電性連接該二次側繞組之另一端。
進一步，其操作有一模式一以及一模式二，該模式一係為該切換開關導通，該第一電容以及該第二電容作並聯釋放能量，該模式二係為該切換開關截止，該第一電容以及該第二電容作串聯儲存能量。
進一步，係利用一脈波寬度調變技術控制該切換開關之導通與截止。
進一步，該切換開關係為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體。
根據上述技術特徵可達成以下功效：
1.本發明之隔離型高降壓比直流-直流轉換器之電壓增益為
，其中n=N2/N1為匝數比，D為責任週期，可提供高降壓比。
2.僅使用單一切換開關，控制簡單，成本可降低。
3.具有低輸入電流漣波與低輸出電流漣波，電壓穩定性佳。
4.係為電氣隔離型式，使用上較為安全。
(1)‧‧‧隔離型高降壓比直流-直流轉換器
(11)‧‧‧輸入單元
(12)‧‧‧前半級電路
(121)‧‧‧輸入電感
(122)‧‧‧第一二極體
(123)‧‧‧第二二極體
(124)‧‧‧第三二極體
(125)‧‧‧第四二極體
(126)‧‧‧第一電容
(127)‧‧‧第二電容
(128)‧‧‧切換開關
(13)‧‧‧後半級電路
(131)‧‧‧一次側繞組
(132)‧‧‧二次側繞組
(133)‧‧‧三次側繞組
(134)‧‧‧第五二極體
(135)‧‧‧第六二極體
(136)‧‧‧輸出電感
(137)‧‧‧輸出電容
(138)‧‧‧負載
[第一圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器之電路圖。
[第二圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器之等效電路圖。
[第三圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器於單一切換週期之主要波形圖。
[第四圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器操作於模式一之電流路徑圖。
[第五圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器操作於模式二之電流路徑圖。
[第六圖]係本發明實施例操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該切換開關之觸發信號VGS1、該輸入電感之電流iL1以及該輸出電感之電流iLo之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iL1/iLo：5A/div，時間：20μs/div。
[第七圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該輸入單元之輸入電壓Vin、該第一電容之電壓VC1、該第二電容之電壓VC2以及跨於該負載兩端之輸出電壓Vo之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：Vin/Vc1/Vc2/Vo：100V/div，時間：2ms/div。
[第八圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該第一二極體之電流iD1以及該第二二極體之電流iD2之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iD1/iD2：2A/div，時間：20μs/div。
[第九圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該第三二極體之電流iD3，該切換開關之電流iS1之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iD3/iS1：2A/div，時間：20μs/div。
[第十圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該二極體之電流iD5以及該第六二極體之電流iD6之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iD5/iD6：5A/div，時間：20μs/div。
[第十一圖]係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器之電壓增益曲線圖。
綜合上述技術特徵，本發明之隔離型高降壓比直流-直流轉換器的主要功效將可於下述實施例中清楚呈現。
參閱第一圖所示，係本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器(1)之電路圖，該隔離型高降壓比直流-直流轉換器(1)包括一輸入單元(11)、一前半級電路(12)以及一後半級電路(13)，其中：該輸入單元(11)係用以輸入一直流電。該前半級電路(12)係包含有一輸入電感(121)、一第一二極體(122)、一第二二極體(123)、一第三二極體(124)、一第四二極體(125)、一第一電容(126)、一第二電容(127)以及一切換開關(128)。其中，該第一電容(126)與該第二電容(127)有實質上相等之電容量，又該輸入電感(121)之一端以及該第四二極體(125)之陰極端係皆電性連接該輸入單元(11)之一正端，該輸入電感(121)之另一端係電性連接該第一電容(126)之一端以及該第二二極體(123)之陰極端，該第一電容(126)之另一端係電性連接該第三二極體(124)之陽極端以及該第一二極體(122)之陰極端，該第二二極體(123)之陽極端係電性連接該第三二極體(124)之陰極端以及該第二電容(127)之一端，該第一二極體(122)之陽極端、該第二電容(127)之另一端以及該切換開關(128)之一第一端係皆連接該輸入單元(11)之一負端。其中，上述切換開關(128)係例如為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體。而該後半級電路(13)係包含一順向式型直流-直流轉換電路，該順向式型直流-直流轉換電路包含有一變壓器以及一輸出電路，該變壓器包含有一一次側繞組(131)、一二次側繞組(132)以及一三次側繞組(133)，該輸出電路包含有一第五二極體(134)、一第六二極體(135)、一輸出電感(136)、一輸出電容(137)以及一負載(138)。其中，該一次側繞組(131)
之一端係電性連接該第二二極體(123)之陰極端，該一次側繞組(131)之另一端係電性連接該切換開關(128)之一第二端，該三次側繞組(133)之一端係電性連接該切換開關(128)之該第一端，該三次側繞組(133)之另一端係電性連接該第四二極體(125)之陽極端，該二次側繞組(132)係提供電氣隔離以及降壓，並以一端電性連接該第五二極體(134)之陽極端，該第五二極體(134)之陰極端係電性連接該第六二極體(135)之陰極端以及該輸出電感(136)之一端，該輸出電感(136)之另一端係電性連接該輸出電容(137)之一端以及該負載(138)之一端，該第六二極體(135)之陽極端、該輸出電容(137)之另一端以及該負載(138)之另一端係皆電性連接該二次側繞組(132)之另一端。
參閱第二圖所示，係為前述第一圖之等效電路圖，將變壓器視為一個理想變壓器以及一個磁化電感(139)，該理想變壓器包含有該一次側繞組(131)、該二次側繞組(132)以及該三次側繞組(133)，而該磁化電感(139)係與該一次側繞組(131)並聯。
參閱第三圖所示，係本實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器(1)[該隔離型高降壓比直流-直流轉換器(1)如第二圖所示]於單一切換週期之主要波形圖，係使用一脈波寬度調變技術控制該切換開關(128)[該切換開關(128)如第二圖所示]之導通與截止，並包含有二種操作模式：
模式一：參閱第三圖以及第四圖所示，操作區間為[t0,t1]。在t=0時，該切換開關(128)導通，電流路徑如第四圖之箭頭指向所示。在此區間內，該輸入單元(11)將能量傳送至該輸入電感(121)以及該變壓器之該磁化電感(139)。而儲存於該第一電容(126)以及該第二電容(127)的能量經該變壓器並聯送至該輸出電感(136)、該輸出電容(137)以及該負載(138)。因此，該輸入電感(121)之電流iL1以及該輸出電感(136)之電流iLo呈線性增加(如第三圖所示之iL1與
iLo)。另外，在此區間內，該變壓器之該磁化電感(139)所儲存的能量很小，稱為剩磁。而當t=t1時，該切換開關(128)切換為截止，模式一結束。
模式二：參閱第三圖以及第五圖所示，操作區間為[t1,t2]。在t=t1時，該切換開關(128)截止，電流路徑如第五圖之箭頭指向所示。在此區間內，該輸入單元(11)與該輸入電感(121)串聯釋放能量，將能量傳送至該第一電容(126)以及該第二電容(127)，此時該第一電容(126)以及該第二電容(127)作串聯儲存能量。另外，該變壓器的剩磁能量經由該第三繞組(133)全部回送至該輸入單元(11)。而該輸出電感(136)供應能量至該輸出電容(137)及該負載(138)。因此，該輸入電感(121)之電流iL1以及該輸出電感(136)之電流iLo呈線性減少(如三圖所示之iL1與iLo)。而當t=t2時，該切換開關(128)再次切換為導通，模式二結束。
由上述分析可知，該輸入電感(121)之電流以及該輸出電感(136)之電流在連續導通模式操作下，可提供低漣波電流之功能。而本實施例之隔離
型高降壓比直流-直流轉換器(1)之電壓增益(M)表示為：
，
，故電壓增益
，其中，n=N2/N1為匝數比，D為責任
週期。
配合參閱第六圖所示，係為本實施例操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該切換開關(128)之觸發信號VGS1、該輸入電感(121)之電流iL1以及該輸出電感(136)之電流iLo之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iL1/iLo：5A/div，時間：20μs/div，可看出該輸入電感(121)以及該輸出電感(136)皆操作於連續導通模式，且責任週期約為0.4。
配合參閱第七圖所示，係為本實施例操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，
該輸入單元(11)之輸入電壓Vin、該第一電容(126)之電壓VC1、該第二電容之電壓(VC2)以及跨於該負載兩端之輸出電壓Vo之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：Vin/Vc1/Vc2/Vo：100V/div，時間：2ms/div，可看出本實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器可達到高降壓比之功能。且第一電容之電壓(VC1)以及第二電容之電壓(VC2)皆為125V，與模式一以及模式二之分析相符。
配合參閱第八圖所示，係為本實施例操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該第一二極體(122)之電流iD1以及該第二二極體(123)之電流(iD2)之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iD1/iD2：2A/div，時間：20μs/div。
配合參閱第九圖所示，係為本實施例操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該第三二極體(124)之電流iD3，該切換開關(128)之電流iS1之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iD3/iS1：2A/div，時間：20μs/div。
配合參閱第十圖所示，為本實施例操作在輸入電壓Vin為200V、輸出電壓Vo為25V、滿載輸出功率為200W以及變壓器之匝數比為0.5時，該第五二極體(134)之電流iD5以及該第六二極體(135)之電流iD6之模擬波形圖，其波形圖之刻度數值為：iD5/iD6：5A/div，時間：20μs/div，其與前述操作模式之分析相符。
配合參閱第十一圖所示，係為本發明實施例之隔離型高降壓比直流-直流轉換器(1)之電壓增益曲線圖，可看出其具有高降壓比。
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。
(1)‧‧‧隔離型高降壓比直流-直流轉換器
(11)‧‧‧輸入單元
(12)‧‧‧前半級電路
(121)‧‧‧輸入電感
(122)‧‧‧第一二極體
(123)‧‧‧第二二極體
(124)‧‧‧第三二極體
(125)‧‧‧第四二極體
(126)‧‧‧第一電容
(127)‧‧‧第二電容
(128)‧‧‧切換開關
(13)‧‧‧後半級電路
(131)‧‧‧一次側繞組
(132)‧‧‧二次側繞組
(133)‧‧‧三次側繞組
(134)‧‧‧第五二極體
(135)‧‧‧第六二極體
(136)‧‧‧輸出電感
(137)‧‧‧輸出電容
(138)‧‧‧負載
Claims (5)
- 一種隔離型高降壓比直流-直流轉換器，包括：一輸入單元，用以輸入一直流電；一前半級電路，包含有一輸入電感、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第一電容、一第二電容以及一切換開關，其中，該第一電容與該第二電容有實質上相等之電容量，且該輸入電感之一端以及該第四二極體之陰極端係皆電性連接該輸入單元之一正端，該輸入電感之另一端係電性連接該第一電容之一端以及該第二二極體之陰極端，該第一電容之另一端係電性連接該第三二極體之陽極端以及該第一二極體之陰極端，該第二二極體之陽極端係電性連接該第三二極體之陰極端以及該第二電容之一端，該第一二極體之陽極端、該第二電容之另一端以及該切換開關之一第一端係皆連接該輸入單元之一負端；一後半級電路，包含一順向式型直流-直流轉換電路，該順向式型直流-直流轉換電路耦接該前半級電路，並提供電氣隔離以及降壓，該順向式型直流-直流轉換電路包含有一變壓器以及一輸出電路，該變壓器包含有一一次側繞組、一二次側繞組以及一三次側繞組，該一次側繞組之一端係電性連接該第二二極體之陰極端，該一次側繞組之另一端係電性連接該切換開關之一第二端，該三次側繞組之一端係電性連接該切換開關之該第一端，該三次側繞組之另一端係電性連接該第四二極體之陽極端，該二次側繞組係提供電氣隔離以及降壓，並電性連接該輸出電路；藉由該輸入單元輸入該直流電至該前半級電路，當該切換開關導通時，該輸入單元將能量傳送至該輸入電感及該變壓器的磁化電感，儲存於該第一電容及該第二電容的能量經該變壓器並聯送至該輸出電路的一輸出電感、一輸出電容及一負載，當該切換開關截止時，該輸入單元與該輸入電感串聯釋放能量至該第 一電容及該第二電容作串聯儲存能量，該變壓器的剩磁能量經由該三次側繞組全部回送至該輸入單元，而該輸出電感供應能量至該輸出電容及該負載；藉之， 獲得所述隔離型高降壓比直流-直流轉換器之電壓增益為，其中，n 為該二次側繞組與該一次側繞組的匝數比，D為責任週期。
- 如申請專利範圍第1項所述之隔離型高降壓比直流-直流轉換器，其中，該輸出電路包含有一第五二極體、一第六二極體、該輸出電感、該輸出電容以及該負載，該二次側繞組之一端係電性連接該第五二極體之陽極端，該第五二極體之陰極端係電性連接該第六二極體之陰極端以及該輸出電感之一端，該輸出電感之另一端係電性連接該輸出電容之一端以及該負載之一端，該第六二極體之陽極端、該輸出電容之另一端以及該負載之另一端係皆電性連接該二次側繞組之另一端。
- 如申請專利範圍第2項所述之隔離型高降壓比直流-直流轉換器，其操作有一模式一以及一模式二，該模式一係為該切換開關導通，該第一電容以及該第二電容作並聯釋放能量，該模式二係為該切換開關截止，該第一電容以及該第二電容作串聯儲存能量。
- 如申請專利範圍第1項所述之隔離型高降壓比直流-直流轉換器，其中，係利用一脈波寬度調變技術控制該切換開關之導通與截止。
- 如申請專利範圍第1項所述之隔離型高降壓比直流-直流轉換器，其中，該切換開關係為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110098740A (zh) * | 2019-05-09 | 2019-08-06 | 苏州汇川联合动力系统有限公司 | 降压电路及电子设备 |
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