TWI863851B - 雙導通比控制之高升壓直流轉換器 - Google Patents

Abstract

一種雙導通比控制之高升壓直流轉換器，包含一第一電感、一第二電感、一第一開關、一第二開關、一第三開關、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，及一第三電容。該第一開關與該第二開關分別受控制而同步導通或不導通。該第三開關受控制而導通或不導通。透過本發明的電路架構，配合分別控制同步切換該第一開關與該第二開關與控制該第三開關之設計，本發明能夠以雙導通比的設計自由度來達成高電壓增益，進而避免操作在高導通比下所產生的缺點。

Description

雙導通比控制之高升壓直流轉換器

本發明是有關於一種電壓轉換器，特別是指一種高升壓直流轉換器。

圖1為已知的升壓轉換器，在理想情況下，已知的升壓轉換器之電壓增益 ，V _o為輸出電壓、V _in為輸入電壓、D為開關導通比(Duty Ratio)，也就是說，只要將已知的升壓轉換器操作在趨近1的極大導通比，就能獲得高電壓增益。

然而，實務上受到寄生元件的影響，當已知的升壓轉換器操作在導通比超過0.9以上時，電壓增益不增反減，難以達到10倍的電壓增益。除此之外，由於各功率元件的峰值電流大，所以還具有導通損失大的問題。因此，如何研發出具有高電壓增益又不需操作在高導通比的升壓轉換器，為業者致力研究的方向。

因此，本發明的目的，即在提供一種能改善先前技術的至少一個缺點的雙導通比控制之高升壓直流轉換器。

於是，本發明雙導通比控制之高升壓直流轉換器，適用於將一直流輸入電壓進行升壓轉換以產生一直流輸出電壓，並包含一第一電感、一第二電感、一第一開關、一第二開關、一第三開關、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，及一第三電容。

該第一電感具有一接收該直流輸入電壓的第一端，及一第二端。該第二電感具有一第一端，及一接地的第二端。該第一開關具有一電連接該第一電感之該第二端的第一端、一接地的第二端，及一接收一第一控制信號的控制端，該第一開關受該第一控制信號控制而導通或不導通。該第二開關具有一電連接該第一電感之該第一端的第一端、一電連接該第二電感之該第一端的第二端，及一接收一與該第一控制信號相同之第二控制信號的控制端，該第二開關受該第二控制信號控制而與該第一開關同步導通或不導通。該第三開關具有一第一端、一電連接該第二電感之該第一端的第二端，及一接收一第三控制信號的控制端，該第三開關受該第三控制信號控制而導通或不導通。

該第一二極體具有一電連接該第一電感之該第二端的陽極，及一陰極。該第二二極體具有一電連接該第一二極體之該陰極的陽極，及一陰極。該第三二極體具有一電連接該第二二極體之該陰極的陽極，及一陰極。該第四二極體具有一電連接該第一電感之該第二端的陽極，及一電連接該第三開關之該第一端的陰極。該第一電容具有一電連接該第一二極體之該陰極且提供一第一電容電壓的第一端，及一電連接該第二電感之該第一端的第二端。該第二電容具有一電連接該第二二極體之該陰極的第一端，及一電連接該第一二極體之該陽極的第二端。該第三電容具有一電連接該第三二極體之該陰極且提供一第三電容電壓的第一端，及一電連接該第一電容之該第一端的第二端，加總的該第一電容電壓與該第三電容電壓用以作為該直流輸出電壓。

本發明的功效在於：透過本發明的電路架構，配合分別控制同步切換該第一開關與該第二開關與控制該第三開關之設計，本發明能夠以雙導通比的設計自由度來達成高電壓增益，進而避免操作在高導通比下所產生的缺點。

參閱圖2，本發明雙導通比控制之高升壓直流轉換器的一實施例，適用於接收一直流輸入電壓V _i，並將該直流輸入電壓V _i進行升壓轉換以產生一直流輸出電壓V _o，且用於將該直流輸出電壓V _o輸出到一負載R _o。該雙導通比控制之高升壓直流轉換器包含一第一電感L ₁、一第二電感L ₂、一第一開關S ₁、一第二開關S ₂、一第三開關S ₃、一第一二極體D ₁、一第二二極體D ₂、一第三二極體D ₃、一第四二極體D ₄、一第一電容C ₁、一第二電容C ₂、一第三電容C ₃，及一控制單元2。

該第一電感L ₁具有一接收該直流輸入電壓V _i的第一端，及一第二端。該第二電感L ₂具有一第一端，及一接地的第二端。

該第一開關S ₁具有一電連接該第一電感L ₁之該第二端的第一端、一接地的第二端，及一接收一第一控制信號V _gs1的控制端。該第一開關S ₁受該第一控制信號V _gs1控制而導通或不導通，且該第一開關S ₁的導通比為d ₁。該第二開關S ₂具有一電連接該第一電感L ₁之該第一端的第一端、一電連接該第二電感L ₂之該第一端的第二端，及一接收一與該第一控制信號V _gs1相同之第二控制信號V _gs2的控制端。該第二開關S ₂受該第二控制信號V _gs2控制而與該第一開關S ₁同步導通或不導通，且該第二開關S ₂的導通比與該第一開關S ₁的導通比相同均為d ₁。

該第三開關S ₃具有一第一端、一電連接該第二電感L ₂之該第一端的第二端，及一接收一第三控制信號V _gs3的控制端。該第三開關S ₃受該第三控制信號V _gs3控制而導通或不導通。在本實施例中，該第三開關S ₃會於該第一開關S ₁與該第二開關S ₂彼此同步截止時開始導通，且該第三開關S ₃的導通比為d ₂。

該第一開關S ₁、該第二開關S ₂、該第三開關S ₃各自為一N型功率半導體電晶體，且該N型功率半導體電晶體的汲極、源極及閘極分別為該第一開關S ₁、該第二開關S ₂、該第三開關S ₃各自的該第一端、該第二端及該控制端。

該第一二極體D ₁具有一電連接該第一電感L ₁之該第二端的陽極，及一陰極。該第二二極體D ₂具有一電連接該第一二極體D ₁之該陰極的陽極，及一陰極。該第三二極體D ₃具有一電連接該第二二極體D ₂之該陰極的陽極，及一陰極。該第四二極體D ₄具有一電連接該第一電感L ₁之該第二端的陽極，及一電連接該第三開關S ₃之該第一端的陰極。

該第一電容C ₁具有一電連接該第一二極體D ₁之該陰極且提供一第一電容電壓的第一端，及一電連接該第二電感L ₂之該第一端的第二端。該第二電容C ₂具有一電連接該第二二極體D ₂之該陰極的第一端，及一電連接該第一二極體D ₁之該陽極的第二端。該第三電容C ₃具有一電連接該第三二極體D ₃之該陰極且提供一第三電容電壓的第一端，及一電連接該第一電容C ₁之該第一端的第二端。加總的該第一電容電壓與該第三電容電壓用以作為該直流輸出電壓V _o。

該控制單元2產生一切換該第一開關S ₁的第一控制信號V _gs1、一切換該第二開關S ₂的第二控制信號V _gs2，及一切換該第三開關S ₃的第三控制信號V _gs3。該第一控制信號V _gs1、該第二控制信號V _gs2，與該第三控制信號V _gs3具有相同的切換週期T _s。在本實施例中，該第一控制信號V _gs1之每一方波的一下降緣與該第三控制信號V _gs3之每一方波的一上升緣相對應(圖3、圖4)。

參閱圖3、4，分別為本實施例操作在連續導通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)與不連續導通模式 (Discontinuous Conduction Mode, DCM) 的操作時序圖，其中，參數V _gs1、V _gs2、V _gs3分別代表控制該第一開關S ₁、該第二開關S ₂與該第三開關S ₃是否導通的該等第一至第三控制信號V _gs1~V _gs3，參數T _s為該第一控制信號V _gs1的切換週期，參數V _L1、V _L2分別代表該第一電感L ₁與該第二電感L ₂的二端跨壓，參數i _L1、i _L2分別代表流經該第一電感L ₁與該第二電感L ₂的電流，參數V _D1、V _D2、V _D3分別代表該第一二極體D ₁、該第二二極體D ₂與該第三二極體D ₃的二端跨壓，參數i _D1、i _D2、 i _D3分別代表流經該第一二極體D ₁、該第二二極體D ₂與該第三二極體D ₃的電流，參數t為時間。

需先說明的是，以下的說明是基於下列假設所進行：一、所有功率半導體元件均視為理想，也就是說，該等第一至第三開關S ₁~S ₃與該等第一至第四二極體D ₁~D ₄的導通壓降均為零；二、該等第一至第三電容C ₁~C ₃的容值足夠大，各電容電壓在一個切換週期內可視為常數；三、該第一電感L ₁與該第二電感L ₂的電感值相同(即L ₁₌L ₂₌L)；四、該第一開關S ₁與該第二開關S ₂同步操作，且導通比為d ₁，該第三開關S ₃開始導通於該第一開關S ₁與該第二開關S ₂自導通切換為不導通時，且該第三開關S ₃的導通比為d ₂。

參閱圖5至圖7，為本實施例於連續導通模式下循環地操作在第一階段至第三階段。圖5至圖7的電路圖與圖2相似，差異在於圖5至圖7中，導通的元件以實線畫出，而不導通的元件以虛線畫出，且更以帶有箭頭的實線說明電路中實際電流流向。以下分別針對每一階段進行說明，且參數ON表示元件導通、參數OFF表示元件不導通。

第一階段(時間點：t ₀~t ₁)：

參閱圖3與圖5，該第一開關S ₁：ON、該第二開關S ₂：ON、該第三開關S ₃：OFF、該第一二極體D ₁：OFF、該第二二極體D ₂：ON、該第三二極體D ₃：OFF、該第四二極體D ₄：OFF。

在該第一階段中，該第一開關S ₁與該第二開關S ₂均切換成導通，該第三開關S ₃不導通。此時，該第一電感L ₁及該第二電感L ₂並聯且跨接該直流輸入電壓V _i，使得該等電流i _L1、i _L2均以斜率=V _i/L線性上升。從能量觀點而言，該第一電感L ₁及該第二電感L ₂在本階段是以並聯方式進行儲能。另外，該直流輸入電壓V _i、該第二開關S ₂、該第一電容C ₁、該第二二極體D ₂、該第二電容C ₂與該第一開關S ₁形成迴路，使得該第二電容C ₂被充電，該第一電容C ₁與該第三電容C ₃對該負載R _o提供功率。在本階段中，

當t=t ₁時，該第一開關S ₁與該第二開關S ₂均切換成不導通，該第三開關S ₃切換成導通，本階段結束。

第二階段(時間點：t ₁~t ₂)：

參閱圖3與圖6，該第一開關S ₁：OFF、該第二開關S ₂：OFF、該第三開關S ₃：ON、該第一二極體D ₁：OFF、該第二二極體D ₂：OFF、該第三二極體D ₃：OFF、該第四二極體D ₄：ON。

在該第二階段中，該第一開關S ₁與該第二開關S ₂均為不導通，該第三開關S ₃保持導通。此時，該直流輸入電壓V _i、該第一電感L ₁、該第四二極體D ₄、該第三開關S ₃與該第二電感L ₂形成迴路，使得該第一電感L ₁的電壓V _L1與該第二電感L ₂的電壓V _L2均為V _i/2，因此該等電流i _L1、i _L2均以斜率V _i/2L線性上升。從能量觀點而言，該第一電感L ₁及該第二電感L ₂在本階段是以串聯方式持續進行儲能。另外，該第一電容C ₁與該第三電容C ₃對該負載R _o提供功率。在本階段中，

當t=t ₂時，該第三開關S ₃切換成不導通，本階段結束。

第三階段(時間點：t ₂~t ₃)：

參閱圖3與圖7，該第一開關S ₁：OFF、該第二開關S ₂：OFF、該第三開關S ₃：OFF、該第一二極體D ₁：ON、該第二二極體D ₂：OFF、該第三二極體D ₃：ON、該第四二極體D ₄：OFF。

在該第三階段中，該第一開關S ₁、該第二開關S ₂與該第三開關S ₃均為不導通。此時，該直流輸入電壓V _i、該第一電感L ₁、該第一二極體D ₁、該第一電容C ₁與該第二電感L ₂形成迴路，使得該第一電感L ₁的電壓V _L1與該第二電感L ₂的電壓V _L2均為(V _i-V _C1)/2，因此該等電流i _L1、i _L2均以斜率(V _i-V _C1)/2L線性下降。從能量觀點而言，該等第一及第二電感L ₁、L ₂以在本階段是以串聯方式進行釋能，並且該第一電容C ₁被充電。在本階段中，

另外，該直流輸入電壓V _i、該第一電感L ₁、該第二電容C ₂、該第三二極體D ₃、該第三電容C ₃、該第一電容C ₁與該第二電感L ₂形成迴路。

當t=t ₃時，該第一開關S ₁與該第二開關S ₂均切換成導通，該第三開關S ₃保持不導通，本階段結束，進入下一個切換週期。

參閱圖5至圖8，為本實施例於不連續導通模式下循環地操作在第一階段至第四階段。圖5至圖8的電路圖與圖2相似，差異在於圖5至圖8中，導通的元件以實線畫出，而不導通的元件以虛線畫出，且更以帶有箭頭的實線說明電路中實際電流流向。以下分別針對每一階段進行說明，且參數ON表示元件導通、參數OFF表示元件不導通。

第一階段(時間點：t ₀~t ₁)：

參閱圖4與圖5，本階段的操作原理與連續導通模式下的第一階段相同。在本階段中，

當t=t ₁時，該第一開關S ₁與該第二開關S ₂均切換成不導通，該第三開關S ₃切換成導通，本階段結束。

第二階段(時間點：t ₁~t ₂)：

參閱圖4與圖6，本階段的操作原理與連續導通模式下的第二階段相同。在本階段中，

當t=t ₂時，該第三開關S ₃切換成不導通，本階段結束。

第三階段(時間點：t ₂~t ₃)：

參閱圖4與圖7，本階段的操作原理與連續導通模式下的第三階段相同。在本階段中，當t=t ₃時，該第一電感L ₁的電流i _L1與該第二電感L ₂的電流i _L2下降至0，該第一二極體D ₁以零電流切換(ZCS)轉態為不導通，本階段結束。

第四階段(時間點：t ₃~t ₄)：

參閱圖4與圖8，該第一開關S ₁：OFF、該第二開關S ₂：OFF、該第三開關S ₃：OFF、該第一二極體D ₁：OFF、該第二二極體D ₂：OFF、該第三二極體D ₃：OFF、該第四二極體D ₄：OFF。

該第一電感L ₁的電流i _L1與該第二電感L ₂的電流i _L2等於0。該第一電容C ₁與該第三電容C ₃放電給負載R _o，負載電流 。

當t=t ₄時，該第一開關S ₁與該第二開關S ₂切換為導通，本階段結束，進入下一個切換週期。

《連續導通模式之電壓增益分析》

對該第一電感L ₁和該第二電感L ₂應用伏-秒平衡定理(volt-second balance principle)，可得：

，其中， 代表該第一階段之電感電壓， 代表該第二階段之電感電壓， 代表該第三階段之電感電壓。

將各階段操作模式之電感電壓代入

可得該第一電容C ₁、該第二電容C ₂、該第三電容C ₃的電壓分別如下：

另因 ，可得

所以可得在連續導通模式下，電壓增益M _CCM為

從上式可知電壓增益M _CCM具有導通比d ₁和d ₂兩個設計自由度，而且操作條件d ₁+d ₂＜1。參閱圖9、10，為本實施例操作在連續導通模式時，電壓增益對應於導通比d ₁和d ₂的曲線圖，其中圖9是當導通比d ₁在不同定值時，電壓增益M _CCM與導通比d ₂的關係曲線；另一方面，圖10是當導通比d ₂在不同定值時，電壓增益M _CCM和導通比d ₁的關係曲線。

《不連續導通模式之電壓增益分析》

對該第一電感L ₁和該第二電感L ₂應用伏-秒平衡定理，可得：

，其中，d ₃為該第一至第三開關S ₁~S ₃同時不導通的時間/切換週期， 代表該第一階段之電感電壓， 代表該第二階段之電感電壓， 代表該第三階段之電感電壓。

將各階段操作模式之電感電壓代入

整理可得

(1)

從不連續導通模式之第二階段的分析可得

且配合圖11，並使用節點電流法，該第一二極體D ₁的電流i _D1可得

應用安-秒平衡定理(amp-second balance principle)：穩態時，電容的平均電流等於零，即 ，可得：

由圖11可知，該第一二極體D ₁的電流i _D1之平均電流為

代入(1)式，且搭配歸一化電感時間常數(normalized inductor time constant)： ，整理可得：

，且d ₁+d ₂＜1。

從上式可知，本實施例操作在不連續導通模式時，電壓增益是歸一化電感時間常數 及導通比d ₁和d ₂的函數。若以下列參數為例， ， ， ，經由計算可得 ，則電壓增益由導通比d ₁和d ₂所決定。

《開關與二極體的電壓應力分析》

以在連續導通模式下的操作原理分析，可得該第一開關S ₁、該第二開關S ₂、該第三開關S ₃的電壓應力為

該第一二極體D ₁、該第二二極體D ₂、該第三二極體D ₃的電壓應力為

傳統升壓轉換器的功率開關及二極體的電壓應力為輸出電壓，而本實施例的該等第一至第三開關S ₁~S ₃與該等第一至第三二極體D ₁~D ₃的電壓應力都小於該直流輸出電壓V _o。在高輸出電壓應用中，可使用低額定耐壓、具有較低R _DS(ON)的功率半導體電晶體，而能夠降低開關導通損失。另外，較低電壓應力的二極體可採用導通壓降比較低的二極體，可降低導通損失，提升轉換效率。

綜上所述，透過本發明的電路架構，配合分別控制同步切換該第一開關S ₁與該第二開關S ₂，及控制該第三開關S ₃之設計，本發明能夠以雙導通比的設計自由度來達成高電壓增益，進而避免操作在高導通比下所產生的缺點，故確實能達成本發明之目的。

另外，由於該等第一至第三開關S ₁~S ₃的電壓應力遠低於該直流輸出電壓V _o，因而能使用導通阻抗較小的功率半導體電晶體，降低導通損失。此外，由於該等第一至第三二極體D ₁~D ₃的電壓應力遠低於該直流輸出電壓V _o，同樣也能使用導通壓降較小的二極體，降低導通損失。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

L ₁:第一電感 L ₂:第二電感 S ₁:第一開關 S ₂:第二開關 S ₃:第三開關 D ₁:第一二極體 D ₂:第二二極體 D ₃:第三二極體 D ₄:第四二極體 C ₁:第一電容 C ₂:第二電容 C ₃:第三電容 R _o:負載 V _i:直流輸入電壓 V _o:直流輸出電壓 i _L1:第一電感的電流 i _L2:第二電感的電流 i _D1:第一二極體的電流 i _D2:第二二極體的電流 i _D3:第三二極體的電流 V _gs1:第一控制信號 V _gs2:第二控制信號 V _gs3:第三控制信號 V _L1:第一電感的電壓 V _L2:第二電感的電壓 V _D1:第一二極體的電壓 V _D2:第二二極體的電壓 V _D3:第三二極體的電壓 t:時間 t ₀~t ₄:時間點 T _s:切換週期 d ₁:第一及第二開關的導通比 d ₂:第三開關的導通比 2:控制單元

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一種已知的升壓轉換器的一電路圖； 圖2是一電路圖，說明本發明雙導通比控制之高升壓直流轉換器之一實施例； 圖3是一時序圖，說明該實施例操作在連續導通模式； 圖4是一時序圖，說明該實施例操作在不連續導通模式； 圖5至8是等效電路圖，分別說明該實施例操作在第一階段至第四階段的情形； 圖9是一曲線圖，說明該實施例操作在連續導通模式下之不同導通比和電壓增益的關係； 圖10是一曲線圖，說明該實施例操作在連續導通模式下之不同導通比和電壓增益的關係；及 圖11是一時序圖，說明該實施例操作在不連續導通模式時，一第一二極體的電流波形。

L₁:第一電感

L₂:第二電感

S₁:第一開關

S₂:第二開關

S₃:第三開關

D₁:第一二極體

D₂:第二二極體

D₃:第三二極體

D₄:第四二極體

C₁:第一電容

C₂:第二電容

C₃:第三電容

R_o:負載

V_i:直流輸入電壓

V_o:直流輸出電壓

2:控制單元

Claims (6)

1. 一種雙導通比控制之高升壓直流轉換器，適用於將一直流輸入電壓進行升壓轉換以產生一直流輸出電壓，並包含： 一第一電感，具有一接收該直流輸入電壓的第一端，及一第二端； 一第二電感，具有一第一端，及一接地的第二端； 一第一開關，具有一電連接該第一電感之該第二端的第一端、一接地的第二端，及一接收一第一控制信號的控制端，該第一開關受該第一控制信號控制而導通或不導通； 一第二開關，具有一電連接該第一電感之該第一端的第一端、一電連接該第二電感之該第一端的第二端，及一接收一與該第一控制信號相同之第二控制信號的控制端，該第二開關受該第二控制信號控制而與該第一開關同步導通或不導通； 一第三開關，具有一第一端、一電連接該第二電感之該第一端的第二端，及一接收一第三控制信號的控制端，該第三開關受該第三控制信號控制而導通或不導通； 一第一二極體，具有一電連接該第一電感之該第二端的陽極，及一陰極； 一第二二極體，具有一電連接該第一二極體之該陰極的陽極，及一陰極； 一第三二極體，具有一電連接該第二二極體之該陰極的陽極，及一陰極； 一第四二極體，具有一電連接該第一電感之該第二端的陽極，及一電連接該第三開關之該第一端的陰極； 一第一電容，具有一電連接該第一二極體之該陰極且提供一第一電容電壓的第一端，及一電連接該第二電感之該第一端的第二端； 一第二電容，具有一電連接該第二二極體之該陰極的第一端，及一電連接該第一二極體之該陽極的第二端；及 一第三電容，具有一電連接該第三二極體之該陰極且提供一第三電容電壓的第一端，及一電連接該第一電容之該第一端的第二端，加總的該第一電容電壓與該第三電容電壓用以作為該直流輸出電壓。
2. 如請求項1所述的雙導通比控制之高升壓直流轉換器，其中，該第一控制信號之每一方波的一下降緣與該第三控制信號之每一方波的一上升緣相對應。
3. 如請求項2所述的雙導通比控制之高升壓直流轉換器，其中，該雙導通比控制之高升壓直流轉換器的一電壓增益為(3+d ₁-d ₂)/(1-d ₁-d ₂)，d ₁為該等第一及第二開關的導通比，d ₂為該第三開關的導通比。
4. 如請求項1所述的雙導通比控制之高升壓直流轉換器，其中，該第一開關、該第二開關與該第三開關各自為一N型功率半導體電晶體。
5. 如請求項1所述的雙導通比控制之高升壓直流轉換器，更包含一控制單元，該控制單元可被控制產生該第一控制信號、該第二控制信號，及該第三控制信號，該第一控制信號、該第二控制信號，及該第三控制信號具有相同的週期。
6. 如請求項1所述的雙導通比控制之高升壓直流轉換器，其中，該第一電感的電感值相同於該第二電感的電感值。

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