TWI565207B - 隔離型高升壓直流-直流轉換器 - Google Patents

Description

隔離型高升壓直流-直流轉換器

本發明是有關於一種高升壓直流-直流轉換器，特別是指一種隔離型高升壓直流-直流轉換器。

近年來，隨著材料的進步，熱電產生器(Thermoelectric Generator,TEG)的應用場合逐漸增加。此熱電模組(Thermoelectric Module)近年來熱電模組除了效率可提升到20%左右，且成本也逐漸降低，未來將可廣泛應用於汽車廢熱、工業廢熱、船舶廢熱、穿戴式科技等場合。

熱電產生器係將廢熱的能量轉換成電能之後，可以直接連接負載使用，若此負載之等效電阻不等於熱電模組之等效內阻，將無法得到最大功率輸出，故需研製一具有最大功率追蹤之電源轉換器(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。

目前熱電轉換系統分為獨立型熱電轉換系統、單級熱電轉換系統、雙級熱電轉換系統、多重能源輸入轉換系統，而前述熱電轉換系統都各自有其優點與缺點。

另外，已知熱電模組之輸出電壓低且輸出電能不穩定，因此需要採用一具寬廣輸入電壓之高升壓轉換器來滿足負載的需求。再者，就傳統升壓型轉換器(Boost Converter)而言，由於受到寄生元件影響，升壓比最多只能升至四倍左右。又，在實際應用上須採用隔離型轉換器以符合安全的要求。

因此，本發明之其中一目的，即在提供一種解決先前技術缺失的隔離型高升壓直流-直流轉換器。

本發明隔離型高升壓直流-直流轉換器在一些實施態樣中電性連接一負載，用以對一輸入電壓進行升壓並提供該負載，包含一升壓轉換電路、一順向式轉換電路及一倍壓電路。

該升壓轉換電路具有一第一順向導通元件、一第一電容、一輸入電容、一輸入電感及一第一開關元件，該輸入電容的一端與該輸入電感之一端耦接該輸入電壓，該第一順向導通元件之一端與該輸入電感之另一端耦接該第一開關元件的一第一端，該第一電容之另一端接地。

該順向式轉換電路具有一耦合電感及一第二開關元件，該耦合電感具有一初級側繞組及一次級側繞組，該初級側繞組的打點端耦接該第一順向導通元件之另一端與該第一電容之一端，該初級側繞組的非打點端耦接該第一開關元件的一第二端及第 二開關元件的一第一端，該第二開關元件的一第二端接地。

該倍壓電路具有一第二電容、一第二順向導通元件及一第三順向導通元件，該第二電容的一端耦接該第二順向導通元件的一端，該第二電容的另一端耦接該次級側繞組的打點端，該第二順向導通元件的另一端耦接該次級側繞組的非打點端。

藉此，當該第一開關元件與該第二開關元件導通時，該第三順向導通元件導通，該第一順向導通元件及該第二順向導通元件截止，該輸入電感兩端之跨壓為該輸入電壓，該輸入電感進行激磁，該第一電容對該順向式轉換電路的一激磁電感放電，使得該激磁電感兩端之跨壓為該第一電容之跨壓，故激磁電感進行激磁並傳遞電流對該第二電容放電並將能量送至該負載；當該第一開關元件與該第二開關元件截止時，該第三順向導通元件截止，該第一順向導通元件及該第二順向導通元件導通，該輸入電感兩端之跨壓為該輸入電壓減去該第一電容之跨壓，該輸入電感進行去磁並對該第一電容充電，該激磁電感兩端之跨壓為該第二電容之跨壓傳遞到該初級側繞組使得該激磁電感進行去磁，並將去磁之能量經由該次級側繞組傳送至該第二電容使該第二電容進行充電以提供該負載所需之能量。

在一些實施態樣中，該第一順向導通元件及該第二順向導通元件皆為二極體。

在一些實施態樣中，該第一開關元件及該第二開關元件皆為N型金氧半場效電晶體，該第一開關元件及該第二開關元件之閘極則受控制以決定導通與否，該第一開關元件及該第二開關元件之第一端皆為源極，該第一開關元件及該第二開關元件之第二端皆為汲極。

在一些實施態樣中，該第一開關元件的第一端與第二端之間及該第二開關元件的第一端與第二端之間皆反向連接一二極體。

在一些實施態樣中，所述隔離型高升壓直流-直流轉換器係電性連接一熱電產生器以接收該熱電產生器將熱能轉換為電能所產生的該輸入電壓。

在一些實施態樣中，所述隔離型高升壓直流-直流轉換器電性連接的該負載係一發光二極體模組。

本發明至少具有以下功效：此系統之成本較雙級熱電轉換系統低，效率較雙級熱電轉換系統來的高，當熱電轉換器提供能量時，直流轉換器可透過控制器的最大功率追蹤技術來使得蓄電池能在獲得最大功率下進行充電。

1‧‧‧升壓轉換電路

100‧‧‧隔離型高升壓直流-直流轉換器

2‧‧‧順向式轉換電路

T‧‧‧耦合電感

211‧‧‧初級側繞組

212‧‧‧次級側繞組

3‧‧‧倍壓電路

5、6‧‧‧單級熱電轉換系統

50‧‧‧控制器

51‧‧‧熱電產生模組

52‧‧‧蓄電池

61‧‧‧熱電產生器

611‧‧‧熱板

612‧‧‧熱面

613‧‧‧冷面

614‧‧‧冷板

62‧‧‧發光二極體模組

71‧‧‧分壓電路

72‧‧‧類比數位轉換器

73‧‧‧運算單元

741、742‧‧‧閘極驅動器

S ₁‧‧‧第一開關元件

S ₂‧‧‧第二開關元件

D ₁‧‧‧第一順向導通元件

D ₂‧‧‧第二順向導通元件

D _o ‧‧‧第三順向導通元件

V _i ‧‧‧輸入電壓

L _i ‧‧‧輸入電感

C _i‧‧‧輸入電容

C _o ‧‧‧輸出電容

C ₁‧‧‧第一電容

C ₂‧‧‧第二電容

L _m ‧‧‧激磁電感

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方 式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明隔離型高升壓直流-直流轉換器之實施例的其中一種應用的一示意圖；圖2是本發明隔離型高升壓直流-直流轉換器之實施例的另一種應用的一示意圖；圖3是本發明隔離型高升壓直流-直流轉換器之實施例的電路圖；圖4是該實施例標示電流及電壓符號的電路圖；圖5是該實施例的波形時序圖；圖6是該實施例處於狀態一之電路動作示意圖；圖7是該實施例處於狀態二之電路動作示意圖；圖8是本發明與文獻1~4之電壓轉換比Vo/Vi對責任週期D之關係示意圖；圖9是該實施例之系統架構示意圖；圖10至圖16是於100%額定負載且Vi=6伏之相關量測波形圖。

參閱圖1，本發明之實施例的其中一種應用，單級熱電轉換系統5包括一隔離型高升壓直流-直流轉換器100、一控制器 50、熱電產生模組51及一蓄電池52，控制器50具有最大功率追蹤功能，隔離型高升壓直流-直流轉換器100之輸出連接至蓄電池52以進行充電。

參閱圖2，本發明之實施例的另一種應用，單級熱電轉換系統6包括一隔離型高升壓直流-直流轉換器100、一熱電產生器61及一發光二極體模組62。熱電產生器61包含一熱板(Hot Plate)611、一熱面(Hot side)612、一冷面(Cold side)613及一冷板(Cold plate)614，藉由熱板611、熱面612、冷面613及冷板614的熱電效應，由溫差產生電壓轉換，當溫差產生時會產生輸入電壓V _i 。

參閱圖3及圖4，隔離型高升壓直流-直流轉換器100電性連接一負載R _o，且對輸入電壓V _i 進行升壓並提供負載R _o。隔離型高升壓直流-直流轉換器100包含一升壓轉換電路1、一順向式轉換電路2及一倍壓電路3。

升壓轉換電路1具有一第一順向導通元件D ₁、一第一電容C ₁、一輸入電容C _i、一輸入電感L _i及一第一開關元件S ₁，輸入電容C _i的一端與輸入電感L _i之一端耦接輸入電壓V _i ，第一順向導通元件D ₁之一端與輸入電感L _i之另一端耦接第一開關元件S ₁的一第一端，第一電容C ₁之一端接地。

順向式轉換電路2具有一耦合電感T及一第二開關元件 S ₂，耦合電感T具有一初級側繞組211及一次級側繞組212，初級側繞組211的打點端耦接第一順向導通元件D ₁之另一端與第一電容C ₁之另一端，初級側繞組211的非打點端耦接第一開關元件S ₁的一第二端及第二開關元件S ₂的一第一端，第二開關元件S ₂的一第二端接地。

倍壓電路3具有一第二電容C ₂、一第二順向導通元件D ₂、一第三順向導通元件D _o及一輸出電容C _o，第二電容C ₂的一端耦接第二順向導通元件D ₂的一端，第二電容C ₂的另一端耦接次級側繞組212的打點端，第二順向導通元件D ₂的另一端耦接次級側繞組212的非打點端。

隔離型高升壓轉換器之動作原理分析如下。

於進行電路動作原理分析之前，先就其相關的符號定義及其所需之假設做一簡單的說明：V _i 為輸入電壓、V _o 為輸出電壓。I _i 為輸入電流、I _o 為輸出電流。第一、第二電容C ₁、C ₂之容值足夠大，使其跨壓為某一定值。v _gs1為開關S ₁之驅動訊號、v _ds1為開關S ₁之跨壓、v _gs2為開關S ₂之驅動訊號、v _ds2為開關S ₂之跨壓、v _Li 為輸入電感之跨壓、v _Lm 為激磁電感之跨壓、v _N1為線圈N ₁之跨壓、v _N2為線圈N ₂之跨壓、v _D1為第一順向導通元件D ₁之跨壓、v _D2為第二順向導通元件D ₂之跨壓、v _Do 為第三順向導通元件D _o 之跨壓。I _i 為輸入電流、I _o 為輸出電流、i _Li 為流經輸入電感L _i 之電流、i _Lm 為流經 激磁電感L _m 之電流、i _N1為流經理想變壓器一次側之電流、i _N2為流經理想變壓器二次側之電流、i _x 為流經激磁電感L _m 之電流i _Lm 與流經理想變壓器一次側之電流i _N1之總和、i _c1為流經第一電容C ₁之電流、i _c2為流經第二電容C ₂之電流。T _s 為切換週期。變壓器耦合係數為一，即不考慮漏感。各元件均視為理想元件。電感與電容均不考慮其寄生電阻。輸入電感及激磁電感在半載以上時皆操作於連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)。於穩態時進行所有電路動作原理之分析。

參閱圖5，本發明所提之隔離型高升壓轉換器的波形時序圖，各元件相關動作原理分析如下。

狀態一：[t ₀ t t ₁]

參閱圖6，當第一開關元件S ₁與第二開關元件S ₂導通時，第三順向導通元件D _o 導通，第一順向導通元件D ₁及第二順向導通元件D ₂截止，輸入電感L _i 兩端之跨壓為輸入電壓V _i ，輸入電感L _i 進行激磁，第一電容C ₁對順向式轉換電路2的一激磁電感L _m 放電，使得激磁電感L _m 兩端之跨壓為第一電容C ₁之跨壓V _C1，故激磁電感L _m 進行激磁，傳遞電流i _N2對第二電容C ₂放電並將能量送至負載。其相關方程式如公式(1)。

狀態二：[t ₁ t t ₁+T _s ]

參閱圖7，當第一開關元件S ₁與第二開關元件S ₂截止時，第三順向導通元件D _o 截止，第一順向導通元件D ₁及第二順向導通元件D ₂導通，輸入電感L _i 兩端之跨壓為輸入電壓V _i 減去第一電容C ₁之跨壓V _C1，輸入電感L _i 進行去磁，並對第一電容C ₁充電，激磁電感L _m 兩端之跨壓為第二電容C ₂之跨壓V _C2傳遞到初級側繞組211，使得激磁電感L _m 進行去磁，並將去磁之能量經由次級側繞組212傳送至第二電容C ₂，使第二電容C ₂進行充電以提供負載所需之能量。其相關方程式如公式(2)。

C. 電壓轉換比推導

本電路設計於於半載以上時操作於連續導通模式，在進行電壓轉換比推導前，在此定義理想變壓器匝數比如公式(3)。

首先，輸入電感L _i 於一週期內須符合伏秒平衡(Voltage-Second Balance)，故可得其相關方程式如公式(4)。

DV _i +(1-D)(V _i -V _C1)=0 (4)

經由整理後可得其相關方程式如公式(5)。

此外，激磁電感L _o 於一週期內亦須符合根據伏秒平 衡，故可得其相關方程式如公式(6)。

此時將公式(7)代入公式(6)，並可獲得其相關方程式如公式(8)。

v _N2=V _C2 (7)

接著，根據克希荷夫電壓定律(Kirchhoff’s Voltage Law,KVL)，輸出電壓V _o 於狀態一時如公式(9)。

V _o =V _C2+v _N2 (9)

其中，狀態一時之二次側跨壓v _N2如公式(10)。

v _N2=nV _C1 (10)

最後，將公式(8)與(10)式代入公式(9)中，可得所提電路之電壓轉換比如公式(11)。

參閱圖8，可知本發明所提出之隔離型高升壓轉換器之電壓轉換比較傳統反馳式轉換器之電壓轉換比來的高，且與文獻1~4之升壓型轉換器相比，在同樣的匝數下，電壓轉換比亦較高。本發明之架構與文獻1、文獻2、文獻3及文獻4之轉換器皆操作於連續導通模式下且匝數比n=4。文獻1為R.W.Erickson and D.Maksimovic,Fundamentals of Power Electronics,2nd ed.,Norwell：Kluwer Academic Publishers,2001；文獻2為Tsorng-Juu Liang,Jian-Hsieng Lee,Shih-Ming Chen,Jiann-Fuh Chen and Lung-Sheng Yang,“Novel isolated high-step-up DC-DC converter with voltage lift,”IEEE Transactions on Power Electronics,vol.60,no.4,pp.1483-1491,2013；文獻3為Sang-Uk Seo,Kui-Jun Lee,Rae-Young Kim and Dong-Seok Hyun,“Aggregated modeling and control of integrated boost-flyback high step-up converter,”IEEE IECON’11,pp.1191-1196,2011；文獻4為Shuai Jiang,Dong Cao,Yuan Li,Member and Fang Zheng Peng,“Grid-connected boost-half-bridge photovoltaic microinverter system using repetitive current control and maximum power point tracking,”IEEE Transactions on Power Electronics,vol.27,no.11,pp.4711-4722,2012。

參閱圖9，隔離型高升壓轉換器應用之系統架構，其包含一主功率級與回授電路，其具有一分壓電路(Voltage Divider)71、一類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)72、一運算單元73及二閘極驅動器(Gate Driver)741、742，分壓電路71用以取得輸出電壓的類比訊號，再經由類比數位轉換器72轉成數位訊號後傳送至運算單元73以得到相對之控制力，最後再將此控制力藉由閘極驅動器741、742來調控第一開關元件S ₁及第二開關元件S ₂。

隔離型高升壓轉換器之系統操作模式如表1以及系統規格如表2所示。由於此規格必須搭配熱電模組，並加入最大功率追蹤控制以獲得熱電模組之最大功率。當熱電模組輸出為35W時，此時之熱電模組之輸出電壓為7V；而在熱電模組輸出為17.5W時，此時之熱電模組之輸出電壓為5V。根據上述所言，故將轉換器之輸入電壓設定在某一範圍內，故即6V±1V。

表2

隔離型高升壓轉換器之實作波形說明如下。

參閱圖10，可得知當開關S ₁、S ₂截止時，輸入電感之跨壓v _Li 產生電壓突波，這是由於耦合電感T上的漏感、開關S ₁之背接電容、開關S ₂之背接電容發生共振。

參閱圖11，可得知當開關S ₁、S ₂截止時，開關S ₁、S ₂之跨壓產生電壓突波，這是由於耦合電感T上的漏感、開關S ₁之背接電容、開關S ₂之背接電容發生共振。

參閱圖12，可得知當開關S ₁、S ₂截止時，電流i _x 上之振鈴現象乃是因為耦合電感T上的漏感與開關S ₁、S ₂之背接電容發生共振，這是由於耦合電感T上的漏感、開關S ₁之背接電容、開關S ₂之背接電容發生共振，此共振也造成二次側之電流i _N2產生電流突波。此外，當導通S ₁、S ₂導通時，電流i _x 上之電流突波是由於順向導通元件D ₂於截止時產生逆向回復電流，此電流反射至一次側，故造成此現象。

參閱圖13，可得知當開關S ₁、S ₂截止時，耦合電感T一次側線圈之跨壓上有振鈴現象，這是由於耦合電感T的漏感、開關S ₁之背接電容、開關S ₂之背接電容共振所造成的；而當開關S ₁、S ₂導通時，耦合電感T一次側線圈之跨壓上有振鈴現象，這是由於漏感與順向導通元件D ₁上之寄生電容共振。

參閱圖14，可得知第一電容C ₁、第二電容C ₂之跨壓V _C1、V _C2於任何負載下皆約穩定處於一定值。

參閱圖15，可得知當開關S ₁、S ₂導通時，順向導通元件之跨壓v _D1上產生電壓突波，這是由於漏感與順向導通元件D ₁上之接面電容發生共振所產生的；當開關截止時，順向導通元件D ₁即將導通，順向導通元件之跨壓v _D1上產生負電壓突波，這是由於耦合電感T上的漏感、開關S ₁之背接電容、開關S ₂之背接電容、順向導通元件D ₁上之接面電容發生共振。

參閱圖16，可得知輸出電壓漣波△v _o 皆小於100mV。

綜上所述，本發明裝置，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書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。

1‧‧‧升壓轉換電路

100‧‧‧隔離型高升壓直流-直流轉換器

2‧‧‧順向式轉換電路

T‧‧‧耦合電感

211‧‧‧初級側繞組

212‧‧‧次級側繞組

3‧‧‧倍壓電路

S ₁‧‧‧第一開關元件

S ₂‧‧‧第二開關元件

D ₁‧‧‧第一順向導通元件

D ₂‧‧‧第二順向導通元件

D _o ‧‧‧第三順向導通元件

V _i ‧‧‧輸入電壓

L _i ‧‧‧輸入電感

C _i‧‧‧輸入電容

C _o ‧‧‧輸出電容

C ₁‧‧‧第一電容

C ₂‧‧‧第二電容

L _m ‧‧‧激磁電感

Claims (6)

1. 一種隔離型高升壓直流-直流轉換器，電性連接一負載，用以對一輸入電壓進行升壓並提供該負載，包含：一升壓轉換電路，具有一第一順向導通元件、一第一電容、一輸入電容、一輸入電感及一第一開關元件，該輸入電容的一端與該輸入電感之一端耦接該輸入電壓，該第一順向導通元件之一端與該輸入電感之另一端耦接該第一開關元件的一第一端，該第一電容之一端接地；一順向式轉換電路，具有一耦合電感及一第二開關元件，該耦合電感具有一初級側繞組及一次級側繞組，該初級側繞組的打點端耦接該第一順向導通元件之另一端與該第一電容之另一端，該初級側繞組的非打點端耦接該第一開關元件的一第二端及第二開關元件的一第一端，該第二開關元件的一第二端接地；及一倍壓電路，具有一第二電容、一第二順向導通元件及一第三順向導通元件，該第二電容的一端耦接該第二順向導通元件的一端，該第二電容的另一端耦接該次級側繞組的打點端，該第二順向導通元件的另一端耦接該次級側繞組的非打點端；藉此，當該第一開關元件與該第二開關元件導通時，該第三順向導通元件導通，該第一順向導通元件及該第二順向導通元件截止，該輸入電感兩端之跨壓為該輸入電壓，該輸入電感進行激磁，該第一電容對該順向式轉換電路的一激磁電感放電，使得該激磁電感兩端之跨壓為該第 一電容之跨壓，故激磁電感進行激磁並傳遞電流對該第二電容放電並將能量送至該負載；當該第一開關元件與該第二開關元件截止時，該第三順向導通元件截止，該第一順向導通元件及該第二順向導通元件導通，該輸入電感兩端之跨壓為該輸入電壓減去該第一電容之跨壓，該輸入電感進行去磁並對該第一電容充電，該激磁電感兩端之跨壓為該第二電容之跨壓傳遞到該初級側繞組使得該激磁電感進行去磁，並將去磁之能量經由該次級側繞組傳送至該第二電容使該第二電容進行充電以提供該負載所需之能量。
2. 如請求項1所述隔離型高升壓直流-直流轉換器，其中，該第一順向導通元件及該第二順向導通元件皆為二極體。
3. 如請求項1所述隔離型高升壓直流-直流轉換器，其中，該第一開關元件及該第二開關元件皆為N型金氧半場效電晶體，該第一開關元件及該第二開關元件之閘極則受控制以決定導通與否，該第一開關元件及該第二開關元件之第一端皆為源極，該第一開關元件及該第二開關元件之第二端皆為汲極。
4. 如請求項3所述隔離型高升壓直流-直流轉換器，其中，該第一開關元件的第一端與第二端之間及該第二開關元件的第一端與第二端之間皆反向連接一二極體。
5. 如請求項1至4其中任一請求項所述隔離型高升壓直流-直流轉換器，其係電性連接一熱電產生器以接收該熱電產生器將熱能轉換為電能所產生的該輸入電壓。
6. 如請求項1至4其中任一請求項所述隔離型高升壓直流-直 流轉換器，其電性連接的該負載係一發光二極體模組。