TWI628903B - 隔離式高降壓轉換器 - Google Patents

Abstract

一種隔離式高降壓轉換器，用以解決習知降壓轉換器無法同時達成高降壓及高整體轉換率的問題。係包含：一降壓轉換模組，具有一儲能電感接受輸入電壓，該儲能電感對一第一儲能電容充能，該第一儲能電容對一第二儲能電容充能，該第一儲能電容及該第二儲能電容輪流對一第一耦合線圈放電，該第一耦合線圈產生感應磁場；及一隔離式變壓模組，具有一第二耦合線圈及一第三耦合線圈，與該第一耦合線圈互感，該第二耦合線圈及該第三耦合線圈產生感應電流，並電性連接一輸出電感轉換為輸出電壓，該降壓轉換模組與該隔離式變壓模組之間採用電氣隔離。

Description

隔離式高降壓轉換器

本發明係關於一種隔離式高降壓轉換器，尤其是一種高降壓、高轉換效率的隔離式高降壓轉換器。

習知的變壓器用於交流電的升降電壓，係由一鐵芯分別圈繞初級線圈及次級線圈組成，其原理係由變化的電壓於初級線圈產生變化的磁場，經由鐵芯傳遞至次級線圈產生對應變化的電動勢，輸入電壓與輸出電壓的比例等同初級線圈匝數與次級線圈匝數的比例。惟，習知的變壓器用於直流變壓需經直流轉交流處理，而增加電路組成的元件成本及轉換過程的能量耗損，又，為達成高降壓的需求，需增加線圈匝數比而降低線圈的耦合係數，造成漏電感的能量損失，降低整體轉換率。

另一習知的降壓變換器，係由開關控制通過一電感器的電流，當開關導通時，電感器的電流增加並產生抵抗輸入電壓之電動勢，使輸出電壓降低；當開關斷路，電感器的電流下降並等同電源提供輸出電壓。惟，習知的降壓變換器的降壓倍率有限，為達成高降壓的需求，需串接使用二個以上的降壓變換器，而過程中的能量損失累積，降低整體轉換率。

有鑑於此，習知的降壓轉換器確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明提供一種隔離式高降壓轉換器，適用直流電轉換，且採用低匝數比，可有效達成高降壓及高整體轉換率。

本發明的隔離式高降壓轉換器，包含：一降壓轉換模組，該降壓轉換模組具有一第一功率開關電性連接一儲能電感一端及一飛輪二極體之負極，該飛輪二極體之正極電性連接一第二功率開關及一第一切換儲能電容之負極，該儲能電感另一端電性連接該第一切換儲能電容之正極、一第三功率開關及一第一耦合線圈之圓點端，該第一耦合線圈之非圓點端電性連接一第二切換儲能電容之正極，該第二功率開關、該第三功率開關及該第二切換儲能電容之負極電性連接一第一接地端，該第一耦合線圈係圈繞於一鐵芯；一隔離式變壓模組，該隔離式變壓模組具有一第二耦合線圈及一第三耦合線圈，該第二耦合線圈之非圓點端及該第三耦合線圈之圓點端電性連接，該第二耦合線圈之圓點端電性連接一第一整流二極體之正極端，該第三耦合線圈之非圓點端電性連接一第二整流二極體之正極端，該第一整流二極體之負極端及該第二整流二極體之負極端電性連接一輸出電感之一端，該輸出電感之另一端電性連接一輸出電容之正極及一輸出電阻之一端，該輸出電阻之另一端、該輸出電容之負極、該第二耦合線圈之非圓點端及該第三耦合線圈之圓點端電性連接一第二接地端，該第二耦合線圈及該第三耦合線圈係圈繞於該鐵芯；及一控制單元，該控制單元電性連接該第一功率開關、該第二功率開關及該第三功率開關，該降壓轉換模組與該隔離式變壓模組之間採用電氣隔離，該第一接地端與該第二接地端不共用接地導體。

據此，本發明的隔離式高降壓轉換器，可有效降低變壓器初級側之電壓，而採用低匝數比之耦合線圈即可達到高降壓的目的，並提高初級側線圈與次級側線圈的耦合係數而降低漏電感，使本發明可實現高降壓、高轉換效率及元件參數選擇彈性等功效。

其中，該控制單元產生一第一脈衝寬度調變信號及一第二脈衝寬度調變信號。如此，係具有控制各儲能電感、電容進行充、放電的功 效。

其中，該第一脈衝寬度調變信號及該第二脈衝寬度調變信號具有相同循環週期。如此，各組件的參數值依據固定循環變化，係具有穩定輸出電壓的功效。

其中，該第一脈衝寬度調變信號及該第二脈衝寬度調變信號的相位差為循環週期的一半。如此，各儲能電感、電容在各自的半循環週期內進行充、放電的時間相等，係具有穩定輸出電壓的功效。

其中，該第一功率開關、該第二功率開關及該第三功率開關為金屬氧化物半導體場效電晶體。如此，各功率開關可接受脈衝寬度調變信號，係具有控制各儲能電感、電容進行充、放電的功效。

其中，該第二功率開關及該第三功率開關的耐電壓低於輸入電壓。如此，該第二功率開關及該第三功率開關承受低電壓應力，係具有節省元件成本的功效。

其中，該第一耦合線圈的匝數係該第二耦合線圈及該第三耦合線圈的匝數之數倍，該第二耦合線圈及該第三耦合線圈的匝數相同。如此，該第一耦合線圈的感應電壓數倍於該第二耦合線圈及該第三耦合線圈的感應電壓，且該第二耦合線圈及該第三耦合線圈的感應電壓相等，係具有降壓及穩定輸出電壓的功效。

其中，該鐵芯工作的磁滯曲線通過一、三象限。如此，可提高鐵芯的利用率，係具有縮小鐵芯體積且節省元件成本的功效。

1‧‧‧降壓轉換模組

11‧‧‧第一功率開關

12‧‧‧儲能電感

13‧‧‧飛輪二極體

14‧‧‧第二功率開關

15‧‧‧第一切換儲能電容

16‧‧‧第三功率開關

17‧‧‧第一耦合線圈

18‧‧‧第二切換儲能電容

2‧‧‧隔離式變壓模組

21‧‧‧第二耦合線圈

22‧‧‧第三耦合線圈

23‧‧‧第一整流二極體

24‧‧‧第二整流二極體

25‧‧‧輸出電感

26‧‧‧輸出電容

27‧‧‧輸出電阻

3‧‧‧控制單元

Vi‧‧‧輸入電壓

Vo‧‧‧輸出電壓

G1‧‧‧第一接地端

G2‧‧‧第二接地端

P1‧‧‧第一脈衝寬度調變信號

P2‧‧‧第二脈衝寬度調變信號

Ia‧‧‧儲能電感電流

Ib‧‧‧第一感應電流

Ic‧‧‧第二感應電流

Id‧‧‧第三感應電流

Io‧‧‧輸出電流

第1圖：本發明一實施例的電路架構圖。

第2圖：本發明一實施例之電路元件的參數變化時序圖。

第3圖：本發明一實施例之電路於t0~t1階段的工作狀態圖。

第4圖：本發明一實施例之電路於t1~t2階段的工作狀態圖。

第5圖：本發明一實施例之電路於t2~t3階段的工作狀態圖。

第6圖：本發明一實施例之電路於t3~t4階段的工作狀態圖。

第7圖：本發明一實施例之電路於t4~t5階段的工作狀態圖。

第8圖：本發明一實施例之電路於t5~t6階段的工作狀態圖。

第9圖：本發明一實施例之電路於t6~t7階段的工作狀態圖。

第10圖：本發明一實施例之電路於t7~t8階段的工作狀態圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明隔離式高降壓轉換器的第一實施例，係包含一降壓轉換模組1、一隔離式變壓模組2及一控制單元3，經整合該降壓轉換模組1及該隔離式變壓模組2，輸入電壓Vi電性連接該降壓轉換模組1，由該隔離式變壓模組2取得輸出電壓Vo，該控制單元3電性連接該降壓轉換模組1。

該降壓轉換模組1具有一第一功率開關11、一儲能電感12、一飛輪二極體13、一第二功率開關14、一第一切換儲能電容15、一第三功率開關16、一第一耦合線圈17及一第二切換儲能電容18，該第一功率開關11之汲極電性連接該輸入電壓Vi之正極，且源極電性連接該儲能電感12之一端及該飛輪二極體13之負極，該飛輪二極體13之正極電性連接該第二功率開關14之源極及該第一切換儲能電容15之負極，該儲能電感12之另一端電性連接該第一切換儲能電容15之正極、該第三功率開關16之汲極及該第一耦合線圈17之圓點端，該第一耦合線圈17之非圓點端電性連接該第二切換儲能電容18之正極，該第二功率開關14之汲極、該第三功率開關16之源極、該第二切換儲能電容18之負極及該輸入電壓Vi 之負極電性連接於第一接地端G1，該第一功率開關11、該第二功率開關14及該第三功率開關16可為金屬氧化物半導體場效電晶體。

該隔離式變壓模組2具有一第二耦合線圈21、一第三耦合線圈22、一第一整流二極體23、一第二整流二極體24、一輸出電感25、一輸出電容26及一輸出電阻27，該第二耦合線圈21之非圓點端及該第三耦合線圈22之圓點端電性連接，該第二耦合線圈21之圓點端電性連接該第一整流二極體23之正極端，該第三耦合線圈22之非圓點端電性連接該第二整流二極體24之正極端，該第一整流二極體23之負極端及該第二整流二極體24之負極端電性連接該輸出電感25之一端，該輸出電感25之另一端電性連接該輸出電容26之正極及該輸出電阻27之一端，該輸出電阻27之另一端、該輸出電容26之負極、該第二耦合線圈21之非圓點端及該第三耦合線圈22之圓點端電性連接於第二接地端G2。

該控制單元3產生脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)信號並輸出至該降壓轉換模組1，一第一脈衝寬度調變信號P1輸出至該第一功率開關11之閘極及該第二功率開關14之閘極，一第二脈衝寬度調變信號P2輸出至該第三功率開關16之閘極。

該第一耦合線圈17係變壓器之初級側，與該第二耦合線圈21及該第三耦合線圈22係次級側，皆圈繞於一鐵芯，該第一耦合線圈17的匝數係該第二耦合線圈21及該第三耦合線圈22的匝數之數倍，該第二耦合線圈21及該第三耦合線圈22的匝數相同，且初級側與次級側之間係電絕緣，該降壓轉換模組1與該隔離式變壓模組2之間採用電氣隔離，該第一接地端G1與該第二接地端G2不共用接地導體而存在不同電位。

該第二功率開關及該第三功率開關的耐電壓低於輸入電壓，該第二功率開關及該第三功率開關承受低電壓應力，可節省元件成本。

請參照第1、2圖所示，該控制單元3提供該第一脈衝寬度 調變信號及該第二脈衝寬度調變信號依據同一循環週期，該第一脈衝寬度調變信號及該第二脈衝寬度調變信號的相位差為循環週期的一半，使該降壓轉換模組1及該隔離式變壓模組2運作，各組件的參數值變化分為t0~t8的八個階段為一循環。

請參照第1~4圖所示，t0~t2階段，該第一脈衝寬度調變信號P1輸出使該第一功率開關11及該第二功率開關14導通，該第二脈衝寬度調變信號P2零輸出使該第三功率開關16斷路；該輸入電壓Vi接通該儲能電感12，使該儲能電感電流Ia增加並產生感應電壓抵銷部分的該輸入電壓Vi，此時該儲能電感12以磁場方式儲存能量；該飛輪二極體13為逆向偏壓不導通；該第一切換儲能電容15進行放電，將能量轉移至該第一耦合線圈17及該第二切換儲能電容18；該第一耦合線圈17具有一第一感應電流Ib產生變動磁場，經過鐵芯傳遞使該第二耦合線圈21產生一第二感應電流Ic，及該第三耦合線圈22產生一第三感應電流Id。

t0~t1階段，該第一感應電流Ib升高，同時，該第二感應電流Ic升高，該第三感應電流Id下降，當該第三感應電流Id下降至零電流，該第二整流二極體24防止產生負電流，使該第三耦合線圈22停止運作，進入t1~t2階段，因缺少該第三耦合線圈22的感應磁場，該第一感應電流Ib及該第二感應電流Ic升高的趨勢減緩。

請參照第1、2、5、6圖所示，t2~t4階段，該第一脈衝寬度調變信號P1零輸出使該第一功率開關11及該第二功率開關14斷路，該第二脈衝寬度調變信號P2零輸出使該第三功率開關16斷路；該儲能電感12停止接受該輸入電壓Vi，使該儲能電感電流Ia下降並產生反向的感應電壓，該儲能電感12進行釋放能量，該第一切換儲能電容15以電場方式儲存能量；該飛輪二極體13為順向偏壓導通。

t2~t3階段，該第一感應電流Ib下降，該第二切換儲能電容 18以電場方式儲存能量，同時，該第二感應電流Ic下降，該第三感應電流Id升高，當該第一感應電流Ib下降至零電流，該第二切換儲能電容18的逆向偏壓使該第三功率開關16停止接地，使該第一耦合線圈17停止運作，進入t3~t4階段，因缺少該第一耦合線圈17的感應磁場，該第二感應電流Ic及該第三感應電流Id下降。

請參照第1、2、7、8圖所示，t4~t6階段，該第一脈衝寬度調變信號P1零輸出使該第一功率開關11及該第二功率開關14斷路，該第二脈衝寬度調變信號P2輸出使該第三功率開關16導通；該儲能電感電流Ia下降，該儲能電感12進行釋放能量，該第一切換儲能電容15以電場方式儲存能量；該飛輪二極體13為順向偏壓導通；該第二切換儲能電容18進行放電，將能量轉移至該第一耦合線圈17；該第一耦合線圈17產生該第一感應電流Ib，經過鐵芯傳遞使該第二耦合線圈21產生該第二感應電流Ic，及該第三耦合線圈22產生該第三感應電流Id。

t4~t5階段，該第一感應電流Ib呈反向升高，同時，該第二感應電流Ic下降，該第三感應電流Id升高，當該第二感應電流Ic下降至零電流，該第一整流二極體23防止產生負電流，使該第二耦合線圈21停止運作，進入t5~t6階段，因缺少該第二耦合線圈21的感應磁場，該第一感應電流Ib及該第三感應電流Ic升高的趨勢減緩。

請參照第1、2、9、10圖所示，t6~t8階段，該第一脈衝寬度調變信號P1零輸出使該第一功率開關11及該第二功率開關14斷路，該第二脈衝寬度調變信號P2零輸出使該第三功率開關16斷路；該儲能電感電流Ia下降，該儲能電感12進行釋放能量，該第一切換儲能電容15以電場方式儲存能量；該飛輪二極體13為順向偏壓導通。

t6~t7階段，該第一感應電流Ib下降，該第一切換儲能電容15以電場方式儲存能量，同時，該第二感應電流Ic升高，該第三感應電流 Id下降，當該第一感應電流Ib下降至零電流，該第一切換儲能電容15的逆向偏壓使該第二功率開關14停止接地，使該第一耦合線圈17停止運作，進入t7~t8階段，因缺少該第一耦合線圈17的感應磁場，該第二感應電流Ic及該第三感應電流Id下降。

請參照第1、2圖所示，該輸出電感25存在一輸出電流Io係該第二感應電流Ic及該第三感應電流Id合併，該輸出電流Io的工作週期為該控制單元3循環週期的一半，該輸出電流Io分流至該輸出電容26及該輸出電阻27，於該輸出電阻27形成一輸出電壓Vo。

該儲能電感12、該第一切換儲能電容15及該第二切換儲能電容18，在不同階段交替釋放及儲存能量，使作用於該第一耦合線圈17之電壓減半，並使通過的該第一感應電流Ib在循環週期中反轉二次。

該第一感應電流Ib的反轉導致該第一耦合線圈17產生的感應磁場方向交替逆轉，使圈繞之鐵芯工作的磁滯曲線通過一、三象限，而提高該鐵芯的利用率。

綜上所述，本發明的隔離式高降壓轉換器，可有效降低變壓器初級側之電壓，而採用低匝數比之耦合線圈即可達到高降壓的目的，並提高初級側線圈與次級側線圈的耦合係數而降低漏電感，又，提高該鐵芯的利用率可縮小鐵芯體積、以一半的循環次數可達到相同的輸出頻率，使本發明可實現高降壓、高轉換效率、降低元件成本及元件參數選擇彈性等功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

1. 一種隔離式高降壓轉換器，包含：一降壓轉換模組，該降壓轉換模組具有一第一功率開關電性連接一儲能電感一端及一飛輪二極體之負極，該飛輪二極體之正極電性連接一第二功率開關及一第一切換儲能電容之負極，該儲能電感另一端電性連接該第一切換儲能電容之正極、一第三功率開關及一第一耦合線圈之圓點端，該第一耦合線圈之非圓點端電性連接一第二切換儲能電容之正極，該第二功率開關、該第三功率開關及該第二切換儲能電容之負極電性連接一第一接地端，該第一耦合線圈係圈繞於一鐵芯；一隔離式變壓模組，該隔離式變壓模組具有一第二耦合線圈及一第三耦合線圈，該第二耦合線圈之非圓點端及該第三耦合線圈之圓點端電性連接，該第二耦合線圈之圓點端電性連接一第一整流二極體之正極端，該第三耦合線圈之非圓點端電性連接一第二整流二極體之正極端，該第一整流二極體之負極端及該第二整流二極體之負極端電性連接一輸出電感之一端，該輸出電感之另一端電性連接一輸出電容之正極及一輸出電阻之一端，該輸出電阻之另一端、該輸出電容之負極、該第二耦合線圈之非圓點端及該第三耦合線圈之圓點端電性連接一第二接地端，該第二耦合線圈及該第三耦合線圈係圈繞於該鐵芯；及一控制單元，該控制單元電性連接該第一功率開關、該第二功率開關及該第三功率開關，該降壓轉換模組與該隔離式變壓模組之間採用電氣隔離，該第一接地端與該第二接地端不共用接地導體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之隔離式高降壓轉換器，其中，該控制單元產生一第一脈衝寬度調變信號及一第二脈衝寬度調變信號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之隔離式高降壓轉換器，其中，該第一脈衝寬度調變信號及該第二脈衝寬度調變信號具有相同循環週期。
4. 如申請專利範圍第3項所述之隔離式高降壓轉換器，其中，該第一脈衝寬度調變信號及該第二脈衝寬度調變信號的相位差為循環週期的一半。
5. 如申請專利範圍第1項所述之隔離式高降壓轉換器，其中，該第一功率開關、該第二功率開關及該第三功率開關為金屬氧化物半導體場效電晶體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之隔離式高降壓轉換器，其中，該第二功率開關及該第三功率開關的耐電壓低於輸入電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之隔離式高降壓轉換器，其中，該第一耦合線圈的匝數係該第二耦合線圈及該第三耦合線圈的匝數之數倍，該第二耦合線圈及該第三耦合線圈的匝數相同。
8. 如申請專利範圍第1項所述之隔離式高降壓轉換器，其中，該鐵芯工作的磁滯曲線通過一、三象限。