第二十二卷 第五期 - 2012年六月八日 PDF
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新型無變壓器之高升壓比直流-直流轉換器
楊隆生、梁從主*、陳建富
國立成功大學電機資訊學院電機工程學系
 
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– 傳統直流–直流升壓型轉換器因切換開關導通電阻、二極體順向導通壓降、及電感器和電容器串聯等效電阻之影響,將導致無法獲得高升壓比。圖1為一可提供高升壓比之直流–直流轉換器。然而,此轉換器有兩問題待改善以提升轉換效率:(1) 當切換開關導通時,電流流經三個電力元件;當切換開關截止時,電流流經兩個電力元件。(2) 切換開關之電壓應力等於輸出電壓。本文提出一無變壓器高升壓比直流–直流轉換器如圖2所示。本轉換器採用兩相同電感值之電感器,當切換開關導通時,此兩電感器並聯儲能;當切換開關截止時,此兩電感器串聯釋能。本轉換器之架構相當簡單,且僅使用單一功率級。本轉換器與圖1之轉換器比較,具有下列優點:(1) 當切換開關導通時,電流流經兩個電力元件;當切換開關截止時,電流流經一個電力元件。(2) 切換開關之電壓應力小於輸出電壓。(3) 在相同輸入電壓、輸出電壓、及輸出功率之下,當切換開關導通時,本文所提轉換器之切換開關電流應力為圖1所示轉換器之一半。最後,實作一應用於汽車頭燈輸出功率40 W之雛形電路已驗證本轉換器之性能。其電路規格如下:Vin = 12 V、Vo = 60 – 100 V、fs = 100 kHz、Po = 40 W、L1 = L2 = 100 μH及Co = 68 μF。

當操作於Vin = 12 V、Vo = 100 V及Po = 40 W時,一些實驗量測波形如圖3所示。由圖3(a)知兩電感電流值相等。當切換開關導通時,輸入電流為電感電流兩倍;當切換開關截止時,輸入電流與電感電流相等。圖3(b)顯示流經切換開關之電流。由圖3(c)知,切換開關之電壓應力為(Vo+Vin)/2,小於輸出電壓。圖3(d)顯示輸出二極體之輸出電壓及輸出電流。圖4顯示負載電壓變動之動態特性,可看出良好之輸出電壓調整能力。圖5顯示操作於Vin = 12 V、Vo = 60 – 100 V及Po = 40 W時,理想與實際的電壓增益曲線圖,其誤差乃因實際上電路損失造成。圖6顯示本文所提轉換器與圖1所示轉換器在Vin = 12 V、Vo = 60 – 100 V及Po = 40 W時其效率比較圖,由圖6知本文所提轉換器之效率較圖1所示轉換器高。
圖1 無變壓器高升壓比直流–直流轉換器(參考文獻如下)

B. Axelrod, Y. Berkovich, and A. Ioinovici, “Switched-capacitor/switched-inductor structures for getting transformerless hybrid DC-DC PWM converters,” IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. papers, vol. 55, no. 2, pp. 687-696, Mar. 2008.

圖2 新型無變壓器高升壓比直流–直流轉換器

圖3 新型高升壓比直流–直流轉換器之實驗波形:
(a) iiniL1iL2;(b) iS1iS2;(c) vS1vS2;(d) vDoiDo

圖4 新型高升壓比直流–直流轉換器之動態響應:
(a) Po:5 W → 40 W;(b) Po:40 W → 5 W

圖5 新型高升壓比直流–直流轉換器操作於Vin = 12 V、Vo = 60 – 100 V及Po = 40 W之理想與實際電壓增益曲線

圖6 新型高升壓比直流–直流轉換器與圖1轉換器操作於Vin = 12 V、Vo = 60 – 100 V及Po = 40 W之效率比較
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