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    一種具主動箝制功能之升壓轉換裝置，具有一輸入端及一輸出端，並包含一升壓轉換電路及一箝制電路；升壓轉換電路電性連接於輸入端及輸出端之間，具有一耦合電感、一第一二極體、一幫浦電容、一第一開關及一第二二極體，該箝制電路包括一第二開關及一箝制電容，第一開關及第二開關接受該脈波驅動訊號控制在導通/不導通狀態；藉此，箝制電路的第二開關配合箝制電容將漏電感能量輸出以增加轉換比率。
    公开号:TW201306459A
    申请号:TW100125827
    申请日:2011-07-21
    公开日:2013-02-01
    发明作者:Guo-Ying Hu；yu-tong Yao
    申请人:Univ Nat Taipei Technology；
    IPC主号:Y02B70-00
    专利说明:
    具主動箝制功能之升壓轉換裝置
    本發明是有關於一種升壓轉換裝置，特別是指一種具有耦合電感並將漏電感能量輸出以增加轉換比率的具主動箝制功能之升壓轉換裝置。
    在許多的應用場合中常常需要將現有的低電壓升壓至較高電壓以提供設備之需求，如汽車用之電力電子、具能量回收之主動式燒機負載，其中以升壓型轉換器(Boost Converter)及升降壓型轉換器(Buck-Boost Converter)在市面上使用較為普遍，但不論為升壓型轉換器或升降壓型轉換器均存在一個無法達到高升壓比的缺點。
    一般的升壓型轉換器通常將升壓比設定於5倍左右，若需要更高的升壓比，通常會採用兩級的升壓轉換裝置或是採用返馳式轉換器(Flyback Converter)、前向式轉換器(Forward Converter)之隔離式升壓轉換裝置。
    為了使單級的升壓轉換裝置能達到更高的升壓比，因此一些探討高升壓比的論文相繼被提出，其中有F. L. Luo提出的羅式轉換器(Luo Converter)及其一系列的衍生架構，但其架構均類似邱克轉換器(Cuk Converter)，以電容作為能量轉移中繼站對其壽命之影響很大，不適合用於大電流大功率場合。然而，若是使用耦合電感會產生漏電感(Leakage inductance)的現象，目前尚未有針對升壓轉換裝置將漏電感能量輸出以增加轉換比率的技術方案。
    因此，本發明是提供一種結合耦合電感及幫浦電容加上箝制電路將漏電感能量輸出以增加轉換比率的具主動箝制功能之升壓轉換裝置。
    本發明的具主動箝制功能之升壓轉換裝置具有一輸入端及一輸出端，該升壓轉換裝置並包含一升壓轉換電路及一箝制電路；該升壓轉換電路電性連接於該輸入端及該輸出端之間，具有一耦合電感、一第一二極體、一幫浦電容、一第一開關及一第二二極體；該箝制電路包括一第二開關及一箝制電容。
    該升壓轉換電路的耦合電感由一初級繞組及一次級繞組所組成，該初級繞組具有一連接於該輸入端之第一端及一第二端，該次級繞組具有一第三端及一第四端；該第一二極體的陽極端連接於該耦合電感的第一端，及陰極端連接於該耦合電感的該第三端；該幫浦電容的兩端分別跨接於該耦合電感的第二端及該第四端；該第一開關具有一第一場效電晶體、一接受一脈波驅動訊號之第一閘極端、一電性連接於該耦合電感的第二端的第一汲極端及一第一源極端，該第一場效電晶體受該脈波驅動訊號控制在導通/不導通狀態；該第二二極體的陽極端電性連接於該耦合電感的第三端，及陰極端連接於該輸出端。
    該箝制電路的第二開關具有一第二場效電晶體、一接受該脈波驅動訊號之第二閘極端、一電性連接於該耦合電感的第二端的第二源極端，及一電性連接於該箝制電容的第二汲極端；藉此，該箝制電路的第二開關配合該箝制電容補償該升壓轉換電路的耦合電感產生之漏電感。較佳的，該輸出端與該第二二極體之間並聯一輸出電容。
    本發明的具主動箝制之升壓轉換裝置之功效在於：結合耦合電感及幫浦電容加上箝制電路，可將漏電感能量輸出，藉此增加升壓轉換裝置之轉換比率。
    有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
    參閱圖1，本發明之較佳實施例中，具主動箝制功能之升壓轉換裝置100包含一輸入端101、一輸出端102、一電性連接於輸入端101及輸出端102之間的升壓轉換電路11及一箝制電路12，在輸出端102並電性連接有一輸出電容C0，分別介紹升壓轉換電路11及箝制電路12的元件如下。
    升壓轉換電路11的元件包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一幫浦電容C2、一耦合電感111及一第一開關41；其組成及連接關係為：耦合電感111由一初級繞組31及一次級繞組32所組成，初級繞組31具有一連接於輸入端101之第一端21及一第二端22，次級繞組32具有一第三端23及一第四端24，耦合電感111的匝數比為NSP，NSP定義為次級圈數/初級圈數(NS/NP)。
    第一二極體D1的兩端分別跨接於耦合電感111的第一端21及第三端23；幫浦電容C2的兩端分別跨接於耦合電感111的第二端22及第四端24。
    第一開關41具有一第一場效電晶體Q1、一接受一脈波驅動訊號之第一閘極端411、一電性連接於耦合電感111的第二端22的第一汲極端412及一第一源極端413；其中，第一汲極端412及第一源極端413之間連接有一本體二極體DQ1，第一場效電晶體Q1受脈波驅動訊號控制在導通/不導通狀態；第二二極體D2具有一電性連接於耦合電感111的第三端23的陽極端及一連接於輸出端102的陰極端，且第二二極體D2與輸出電容C0並聯地連接該輸出端102。
    箝制電路12包括一第二開關42及一箝制電容C1；第二開關42具有一第二場效電晶體Q2、一接受一脈波驅動訊號之第一閘極端421、一電性連接於耦合電感111的第二端22的第二汲極端422及一第二源極端423，第二汲極端422及第二源極端423連接有一本體二極體DQ2。
    本發明升壓轉換裝置100操作於連續導通模式(CCM)，以下配合參閱圖2的波形圖分別介紹如圖3至圖9在一工作週期的七種狀態。
    參閱圖3，第一狀態(t0~t1)下，第一場效電晶體Q1導通且第二場效電晶體Q2不導通；初級繞組31的電壓為輸入電壓V in ，第一二極體D1為正向偏壓而第二二極體D2為反向偏壓，造成初級繞組31的電流IP沿原方向增加及次級繞組32的電流IS沿反向降低，因此，沿著次級繞組32以輸入電壓V in 加上輸入電壓V in x匝數比NSP對於幫浦電容C2充電，此時，幫浦電容C2的電壓VC2可表示如公式1所示。
    V C 2=(1+N SP )V in 　公式1
    參閱圖4，第二狀態(t1~t2)下，第一場效電晶體Q1不導通且第二場效電晶體Q2導通時，初級繞組31及次級繞組32仍存在漏電感，電流仍保持在各自的方向但都逐漸降低。同時，箝制電容C1及幫浦電容C2被充電。由於幫浦電容C2增加電壓十分緩慢，箝制電容C1的容值大到足以保持箝制電容C1的電壓V C 1為常數，箝制電容C1的電壓V C 1可表示如公式2所示；一旦次級繞組32被釋放至無能量即轉為第三狀態。
    參閱圖5，第三狀態(t2~t3)下，第一場效電晶體Q1不導通且第二場效電晶體Q2導通，儲存於次級繞組32的能量完全被釋放，第一二極體D1反向偏壓；同時，幫浦電容C2放電至輸出端102，導致第二二極體D2前向偏壓；在此狀態下，初級繞組31的電流IP仍在原方向以不同於第三狀態的斜率緩慢降低，次級繞組31的電流IS沿原方向增加，初級繞組31的電流IP大於次級繞組31的電流IS，箝制電容C1被充電，此時輸出電壓V o 可表示如公式3，一旦初級繞組31的電流IP等於次級繞組31的電流IS即轉為第四狀態。
    V o =V in +(V C 1-V in )×N SP +V C 2　公式3
    參閱圖6，第四狀態(t3~t4)下，第一場效電晶體Q1仍為導通及第二場效電晶體Q2為不導通，此時初級繞組31的電流I P 低於次級繞組31的電流I S ，箝制電容C1被放電。在此狀態下，初級繞組31的電流I P 在同方向被降低，次級繞組31的電流I S 沿同方向增加，當初級繞組31的電流I P 為0時，轉為第五狀態。
    參閱圖7，第五狀態(t4~t5)下，第一場效電晶體Q1不導通及第二場效電晶體Q2導通，在此狀態下，初級繞組31的電流I P 為負值，初級繞組31隨著箝制電容C1的能量供應於不同方向被磁化，因此，初級繞組31的電流I P 在相反方向增加，次級繞組31的電流I S 亦持續沿同方向增加，進一步，電流I ds 2等於初級繞組31的電流IP加上次級繞組31的電流IS；一旦第一場效電晶體Q1導通及第二場效電晶體Q2不導通，則進入第六狀態。
    參閱圖8，第六狀態(t5~t6)下，第一場效電晶體Q1導通及第二場效電晶體Q2不導通，初級繞組31及次級繞組32存在漏電感，初級繞組31的電流IP及次級繞組31的電流IS保持在各自的方向但都開始降低，進一步，電流Ids1等於初級繞組31的電流IP加上次級繞組31的電流IS，當電流Ids1為0，進入第七狀態。
    參閱圖9，第七狀態(t6~t0)下，第一場效電晶體Q1導通及第二場效電晶體Q2不導通，在此狀態下，初級繞組31的電流IP為正值，初級繞組31隨著輸入電壓Vin的能量供應於原方向被磁化，因此，初級繞組31的電流IP沿原方向增加以不同於第一狀態的斜率增加，一旦為0，即接續下一工作週期的第一狀態至第七狀態，如此反覆進行。
    依據公式1、公式2及公式3，假設電容電壓的變化被省略，電壓轉換比率可表示為公式4。
    本較佳實施例中，升壓轉換裝置100的元件規格為：(i)輸入電壓5V;(ii)輸出電壓48V;(iii)輸出電流1A;(iv)開關頻率195kHz;(v)箝制電容C1採用680μF/25V Rubycon電容並聯兩個10μF/50V MLCC電容；(vi)幫浦電容C2由三個3.3μF/50V MLCC電容組成；(vii)輸出電容Co採用330μF/63V Jamicon電容；(viii)第一二極體D1及第二二極體D2分別為DSEP16-45及30BQ100;(ix)第一場效電晶體Q1及第二場效電晶體Q2為IRLR8113;(x)產生脈波驅動訊號的閘極驅動器(圖未示)是HIP2101;(xi)鐵芯元件為55894A2 MPP,耦合係數為0.99628的耦合電感，初級繞組31的自感為26.2μH及漏電感為0.098μH，次級繞組32的自感為261.624μH及漏電感為0.976μH。
    參閱圖10，依據前述規格所量測的結果分別是圖10(a)負載電流為0.1安培，圖10(b)負載電流為0.5安培及圖10(c)負載電流為1安培；各圖中的波形分別表示第一場效電晶體Q1的脈波驅動訊號之電壓Vgs1、第一場效電晶體Q1的電壓Vds1、第二場效電晶體Q2的電壓Vgs2，及第二場效電晶體Q2的電壓Q2的電壓Vds2，各圖的縱軸單位皆為10伏特及橫軸單位為1微秒。
    參閱圖11，依據前述規格所量測的結果分別是圖11(a)負載電流為0.1安培，圖11(b)負載電流為0.5安培，及圖11(c)負載電流為1安培；各圖中的波形分別表示第一場效電晶體Q1的脈波驅動訊號之電壓Vgs1(縱軸單位為10伏特及橫軸單位為1微秒)、初級繞組31的電流IP(縱軸單位為10安培及橫軸單位為1微秒)及次級繞組31的電流IS(縱軸單位為2安培及橫軸單位為1微秒)的波形。
    參閱圖12，依據前述規格所量測的結果分別是圖12(a)負載電流為0.1安培，圖12(b)負載電流為0.5安培及圖12(c)負載電流為1安培，各圖中的波形分別表示第一場效電晶體Q1的脈波驅動訊號之電壓Vgs1(縱軸單位為10伏特及橫軸單位為1微秒)、第一二極體D1的電壓Vd1(縱軸單位為20伏特及橫軸單位為1微秒)及第二二極體D2的電壓Vd2(縱軸單位為20伏特及橫軸單位為1微秒)的波形。
    參閱圖13，依據前述規格所量測的結果分別是圖13(a)負載電流為0.1安培，圖13(b)負載電流為0.5安培及圖13(c)負載電流為1安培，各圖中的波形分別表示第一場效電晶體Q1的脈波驅動訊號之電壓Vgs1(縱軸單位為10伏特及橫軸單位為1微秒)、箝制電容C1的電壓VC1(縱軸單位為5伏特及橫軸單位為1微秒)及幫浦電容C2的電壓VC2(縱軸單位為10伏特及橫軸單位為1微秒)的波形。
    參閱圖14，依據前述規格所量測的結果分別是圖14(a)負載電流為0.1安培，圖14(b)負載電流為0.5安培及圖14(c)負載電流為1安培，各圖中的波形分別表示第一場效電晶體Q1的脈波驅動訊號之電壓Vgs1(縱軸單位為10伏特及橫軸單位為1微秒)的波形、箝制電容C1的電壓VC1(縱軸單位為0.5伏特及橫軸單位為1微秒)的變化波形及幫浦電容C2的電壓VC2(縱軸單位為0.5伏特及橫軸單位為1微秒)的變化波形。
    參閱圖15，負載電流1安培的轉換效率為87%，負載電流0.2安培的轉換效率為94.8%並且在極低電流負載0.1安培也達到轉換效率為93.8%，由上述結果可知，即使在低負載電流的情況下也能達到高轉換效率。
    綜上所述，本發明具主動箝制之升壓轉換裝置100的優點如下。
    1.　藉由第一場效電晶體Q1及第二場效電晶體Q2接受脈波控制訊號驅動分別處於導通/不導通狀態時，配合第二開關42及箝制電容C1補償耦合電感111之漏電感。
    2.　結合幫浦電容C2及箝制電路12，可將耦合電感111的漏電感能量輸出，藉此增加升壓轉換裝置100之轉換比率，即使在低負載電流的情況下也能達到高轉換效率，非常適合用於燒機平台測試的電壓轉換器，故確實能達成本發明之目的。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
    100．．．升壓轉換裝置
    101．．．輸入端
    102．．．輸出端
    11．．．升壓轉換電路
    111．．．耦合電感
    12．．．箝制電路
    21．．．第一端
    22．．．第二端
    23．．．第三端
    24．．．第四端
    31．．．初級繞組
    32．．．次級繞組
    41．．．第一開關
    411．．．第一閘極端
    412．．．第一汲極端
    413．．．第一源極端
    42．．．第二開關
    421．．．第二閘極端
    422．．．第二汲極端
    423．．．第二源極端
    C0．．．輸出電容
    C1．．．箝制電容
    C2．．．幫浦電容
    D1．．．第一二極體
    D2．．．第二二極體
    Q1．．．第一場效電晶體
    Q2．．．第二場效電晶體
    DQ1、DQ2．．．本體二極體
    圖1是一電路圖，說明本發明的具主動箝制功能之升壓轉換裝置之較佳實施例；
    圖2是一波形圖，說明本發明的具主動箝制功能之升壓轉換裝置之各元件的電流/電壓；
    圖3至圖9是一電路圖，說明各元件在不同狀態的動作及產生的電流/電壓；
    圖10至圖14是是一波形圖，說明本發明的具主動箝制功能之升壓轉換裝置之詳細波形；及
    圖15是一曲線圖，說明本發明的具主動箝制功能之升壓轉換裝置於不同負載電流之轉換效率。
    100．．．升壓轉換裝置
    101．．．輸入端
    102．．．輸出端
    11．．．升壓轉換電路
    111．．．耦合電感
    12．．．箝制電路
    21．．．第一端
    22．．．第二端
    23．．．第三端
    24．．．第四端
    31．．．初級繞組
    32．．．次級繞組
    41．．．第一開關
    411．．．第一閘極端
    412．．．第一汲極端
    413．．．第一源極端
    42．．．第二開關
    421．．．第二閘極端
    422．．．第二汲極端
    423．．．第二源極端
    C0．．．輸出電容
    C1．．．箝制電容
    C2．．．幫浦電容
    D1．．．第一二極體
    D2．．．第二二極體
    Q1．．．第一場效電晶體
    Q2．．．第二場效電晶體
    DQ1、DQ2．．．本體二極體
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] 一種具主動箝制功能之升壓轉換裝置，具有一輸入端及一輸出端，並包含：一升壓轉換電路，電性連接該輸入端及該輸出端之間，將一輸入電壓升壓為一輸出電壓，具有：一耦合電感，由一初級繞組及一次級繞組所組成，該初級繞組具有一連接於該輸入端之第一端及一第二端，該次級繞組具有一第三端及一第四端，一第一二極體，其陽極端連接於該耦合電感的第一端，及陰極端連接於該耦合電感的該第三端，一幫浦電容，兩端分別跨接於該耦合電感的第二端及該第四端，一第一開關，具有一第一場效電晶體、一接受一脈波驅動訊號之第一閘極端、一電性連接於該耦合電感的第二端的第一汲極端及一第一源極端，該第一場效電晶體受該脈波驅動訊號控制在導通/不導通狀態，及一第二二極體，其陽極端電性連接於該耦合電感的第三端，及陰極端連接於該輸出端；及一箝制電路，包括一第二開關及一箝制電容，該第二開關，具有一第二場效電晶體、一接受該脈波驅動訊號之第二閘極端、一電性連接於該耦合電感的第二端的第二源極端，及一電性連接於該箝制電容的第二汲極端；藉此，該箝制電路的第二開關配合該箝制電容補償該升壓轉換電路的耦合電感所產生之漏電感。
    [2] 依據申請專利範圍第1項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該輸出端與該第二二極體之間並聯一輸出電容。
    [3] 依據申請專利範圍第1或2項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該升壓轉換裝置在該脈波控制訊號的其中一工作週期的一第一狀態時，該第一場效電晶體導通但第二場效電晶體不導通；該初級繞組係載有該輸入電壓，該第一二極體為正向偏壓而該第二二極體為反向偏壓，造成該初級繞組的電流沿原方向增加及該次級繞組的電流沿反向降低。
    [4] 依據申請專利範圍第3項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該升壓轉換裝置在該脈波控制訊號的工作週期的狀態還包括接續該第一狀態後的一第二狀態，在該第二狀態時，該第一場效電晶體不導通而第二場效電晶體導通時，該初級繞組及該次級繞組仍存在漏電感，同時，該箝制電容及該幫浦電容被充電。
    [5] 依據申請專利範圍第4項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該升壓轉換裝置在該脈波控制訊號的工作週期的狀態還包括接續該第二狀態後的一第三狀態，在該第三狀態時，該第一場效電晶體不導通及該第二場效電晶體導通，儲存於該次級繞組的能量完全被釋放，該第一二極體反向偏壓；同時，該幫浦電容放電至該輸出端，導致該第二二極體前向偏壓，該箝制電容被充電。
    [6] 依據申請專利範圍第5項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該升壓轉換裝置在該脈波控制訊號的工作週期的狀態還包括接續該第三狀態後的一第四狀態，在該第四狀態時，該第一場效電晶體為導通及該第二場效電晶體為不導通，該箝制電容被放電。
    [7] 依據申請專利範圍第6項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該升壓轉換裝置在該脈波控制訊號的工作週期的狀態還包括接續該第四狀態後的一第五狀態，在該第五狀態時，該第一場效電晶體不導通及該第二場效電晶體導通，該初級繞組隨著該箝制電容的能量供應於不同方向被磁化。
    [8] 依據申請專利範圍第7項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該升壓轉換裝置在該脈波控制訊號的工作週期的狀態還包括接續該第五狀態後的一第六狀態，在該第六狀態時，該第一場效電晶體導通及該第二場效電晶體不導通，該初級繞組及該次級繞組存在漏電感。
    [9] 依據申請專利範圍第8項所述之具主動箝制功能之升壓轉換裝置，其中，該升壓轉換裝置在該脈波控制訊號的工作週期的狀態還包括接續該第六狀態後的一第七狀態，在該第七狀態時，該第一場效電晶體導通及該第二場效電晶體不導通，該初級繞組隨著該輸入電壓的能量供應於原方向被磁化，然後接續下一工作週期的第一狀態至第七狀態。
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    TWI489753B|2015-06-21|混合式高升壓轉換器
    同族专利:
    公开号 | 公开日
    TWI437804B|2014-05-11|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2018-02-11| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    TW100125827A|TWI437804B|2011-07-21|2011-07-21|Boost converter with active clamping function|TW100125827A| TWI437804B|2011-07-21|2011-07-21|Boost converter with active clamping function|
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