專利名稱：具有高頻彎折型變壓器的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，特別是一種具有高頻彎折型變壓器的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器普遍使用在以電池作為電源來源的電子設(shè)備、再生能源系統(tǒng)以及電壓調(diào)節(jié)模塊(voltage regulator module，VRM)中，以將調(diào)節(jié)電源所產(chǎn)生的電壓或電流。大部分的轉(zhuǎn)換器都需要較高的切換頻率，以改善瞬時(shí)響應(yīng)，并減少被動(dòng)組件的體積。然而，至今仍未見到切換頻率超過1MHz的轉(zhuǎn)換器。
因此，具有交錯(cuò)切換開關(guān)控制的多重操作的轉(zhuǎn)換器適合操作在低電壓高電流的條件。其較佳的效率，使得并聯(lián)交錯(cuò)操作的切換式轉(zhuǎn)換器越來越受歡迎。功率組件的I2R的導(dǎo)通功率損失較小。此種轉(zhuǎn)換器可消除紋波電流以及較好的瞬時(shí)響應(yīng)。然而并聯(lián)式的模塊其需要共同均分相同的電流。因此，組件的容忍度(tolerance)以及參數(shù)便亦都可能造成電流的不平衡。
圖1與圖2所示為三相升壓與降壓轉(zhuǎn)換。在圖1中，升壓轉(zhuǎn)換器用以將電源10升壓后提供給負(fù)載20，包括有連接至第一二極管D1的第一電感L1、連接至第二二極管D2的第二電感L2以及連接至第三二極管D3的第三電感L3。而第一、第二及第三二極管D1、D2、D3的另一端耦接到負(fù)載20的一端。此外，還包括有第一晶體管T1、第二晶體管T2以及第三晶體管T3。第一晶體管T1的漏極連接到第一電感L1與第一二極管D1之間，而第一晶體管T1的源極則連接到負(fù)載20的另一端。第二晶體管T2與第三晶體管T3的接法與第一晶體管T1類似。另外，電容C并聯(lián)地與負(fù)載20連接。
在圖2中，降壓轉(zhuǎn)換器將電源10降壓后提供給負(fù)載20。包括有連接至第一電感L1的第一晶體管T1、連接至第二電感L2的第二晶體管T2、以及連接至第三電感L3的第三晶體管T3。第一、第二、第三電感L1、L2、L3的另一端與耦接到負(fù)載20的一端。此外，還包括有第四、第五、第六晶體管T4、T5、T6。第四晶體管T4的漏極連接到第一晶體管T1與第一電感L1之間。第五晶體管T5以及第六晶體管T6的接法與第四晶體管T4類似。另外，電容C并聯(lián)地與負(fù)載20連接。
然而，先前技術(shù)所揭示的變壓器存在一些亟待解決的技術(shù)問題。例如，需要感測(cè)三個(gè)電流亦作為分流，因此其電流中存在相當(dāng)高的紋波電流。此外，也需要很多的鐵芯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種線路簡(jiǎn)單、高效率的轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有高頻彎折型變壓器的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，以大體上解決先前技術(shù)所存在的問題。本發(fā)明所揭示的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器可消除紋波電流、簡(jiǎn)化電流控制并且具有更好的瞬時(shí)響應(yīng)。所有切換組件與被動(dòng)組件的紋波電流均可經(jīng)由調(diào)整邊界條件(boundary condition)附近的操作點(diǎn)達(dá)到消除的目的，因此在這些操作點(diǎn)的傳導(dǎo)損失將可最小化。在本發(fā)明中，因?yàn)樗辛鹘?jīng)變壓器繞組的相電流均相等，因此不再需要電流平均控制，并且具有更快的瞬時(shí)響應(yīng)。相移脈寬調(diào)變切換信號(hào)可在變壓器的繞組上提供平衡的電壓。
根據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所揭示的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，包括一彎折型裝置，具有N支鐵芯，其中N為大于等于2的相數(shù)；多個(gè)二極管，每一二極管的P型側(cè)耦接至彎折型裝置的鐵芯的每一支腳；以及多個(gè)晶體管，每一晶體管的漏極耦接至彎折型裝置的鐵芯的每一支腳。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置為一不具有隔離的自耦變壓器(autotransformer)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置的該N支鐵芯不具有氣隙，以形成一彎折型變壓器(zigzag transformer)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置的該N支鐵芯具有氣隙，以形成一彎折型耦合式電感(zigzag coupled inductor)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳具有兩個(gè)線圈。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器還包括有一輸入端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該紋波電流在邊界條件下被消除。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該邊界條件的工作周期(duty cycle)為h/N，其中h＝1，2，3，…，N-1。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該晶體管的柵極用以接收適當(dāng)?shù)南嘁?phase-shifted)信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所揭示的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，包括一彎折型裝置，具有N支鐵芯，其中N為大于等于2的相數(shù)；以及多對(duì)晶體管，每一對(duì)晶體管以串聯(lián)方式連接，鐵芯的每一支腳連接到每對(duì)晶體管之間。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置為一不具有隔離的自耦變壓器(autotransformer)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置的該N支鐵芯不具有氣隙，以形成一彎折型變壓器(zigzag transformer)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置的該N支鐵芯具有氣隙，以形成一彎折型耦合式電感(zigzag coupled inductor)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳具有兩個(gè)線圈。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器還包括有一輸出端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該紋波電流在邊界條件下被消除。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該邊界條件的工作周期(duty cycle)為h/N，其中h＝1，2，3，…，N-1。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該晶體管的柵極用以接收適當(dāng)?shù)南嘁?phase-shifted)信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面提供了一種隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其中包括一彎折型變壓器，具有一三支腳的鐵芯；一三相變壓器，具有一初級(jí)線圈與一次級(jí)線圈，其中該次級(jí)線圈連接至該彎折型變壓器；三對(duì)晶體管，每一對(duì)晶體管以串聯(lián)方式連接，該三相變壓器的初級(jí)線圈的每一相繞組連接到該每對(duì)晶體管之間；以及一第一、第二、第三晶體管，每一晶體管的漏極耦接至該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該彎折型變壓器的該鐵芯的每一支腳具有兩個(gè)線圈。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器還包括有一輸入端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該紋波電流在邊界條件下被消除。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該邊界條件的工作周期(duty cycle)為1/3或2/3。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該第一、第二、第三晶體管的柵極用以接收適當(dāng)?shù)南嘁?phase-shifted)信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面提供了一種兩倍電流整流器，其中包括有一彎折型變壓器，具有兩相；以及一變壓器，具有一初級(jí)線圈與一次級(jí)線圈，其中該次級(jí)線圈連接至該彎折型變壓器。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該兩倍電流整流器還包括有一輸出端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思，該兩倍電流整流器還包括有兩的晶體管，分別連接至該彎折型變壓器的該兩相的線圈。
根據(jù)本發(fā)明的原理，本發(fā)明所揭示的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器具有不需要電流平均控制的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的原理，本發(fā)明所揭示的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器具有可消除被動(dòng)組件與切換組件的紋波電流的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的原理，本發(fā)明所揭示的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器具有較低傳導(dǎo)損失的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的原理，在較低的切換頻率下，本發(fā)明所揭示的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器具有較快的瞬時(shí)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。
以下在實(shí)施方式中詳細(xì)敘述本發(fā)明的詳細(xì)特征以及優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)容足以使任何熟習(xí)相關(guān)技藝者了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，且根據(jù)本說明書所揭示的內(nèi)容、申請(qǐng)專利范圍及圖式，任何熟習(xí)相關(guān)技藝者可輕易地理解本發(fā)明相關(guān)的目的及優(yōu)點(diǎn)。


圖1為先前技術(shù)所揭示的升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2為先前技術(shù)所揭示的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；
圖3為本發(fā)明所揭示的升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖4為本發(fā)明所揭示的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖5A為本發(fā)明所使用的彎折型變壓器的電壓向量圖；圖5B為本發(fā)明所使用的彎折型變壓器的繞組；圖6A～圖6D為本發(fā)明所揭示的三相升壓轉(zhuǎn)換器的操作波形圖；圖7為本發(fā)明所揭示的三相降壓轉(zhuǎn)換器的操作波形圖；圖8A～圖8B為本發(fā)明所揭示的轉(zhuǎn)換器的電感所輸出的正規(guī)化紋波電流；圖9為本發(fā)明所揭示的具有彎折形變壓器的隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器；圖10A為本發(fā)明所揭示的具有兩相彎折型變壓器的電流倍增整流器；圖10B為本發(fā)明所揭示的具有兩相彎折型變壓器的電流倍增整流器的繞組；圖11為本發(fā)明所揭示的具有多相彎折型變壓器的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的鐵芯；圖12A～圖12B為本發(fā)明所揭示的四相與五相整流器的電壓相量圖；圖13為本發(fā)明所揭示的四相整流器的操作波形圖；圖14A為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的電流波形，其中Vs＝36伏特及Vo＝48伏特；圖14B為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變壓器繞組電壓，其中Vs＝36伏特及Vo＝48伏特；以及圖15為D＝33.3％時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中Vs＝32伏特及Vo＝48伏特。
其中，附圖標(biāo)記說明如下10-電源；20-負(fù)載；30-彎折型變壓器；40-三相變壓器；51-晶體管；52-晶體管；53-晶體管；54-晶體管；55-晶體管；56-晶體管；57-晶體管；58-晶體管；60-兩相彎折型變壓器；70-變壓器；D1-第一二極管；D2-第二二極管；D3-第三二極管；L1-第一電感；L2-第二電感；L3-第三電感；T1-第一晶體管；T2-第二晶體管；T3-第三晶體管；T4-第四晶體管；T5-第五晶體管；T6-第六晶體管；C-電容；LS-輸入端電感；LO-輸出端電感。
具體實(shí)施例方式
為使對(duì)本發(fā)明的目的、構(gòu)造、特征、及其功能有進(jìn)一步的了解，現(xiàn)配合實(shí)施例詳細(xì)說明如下。以上的關(guān)于本發(fā)明內(nèi)容的說明及以下的實(shí)施方式的說明用以示范與解釋本發(fā)明的原理，并且提供本發(fā)明的專利的保護(hù)范圍更進(jìn)一步的解釋。
請(qǐng)參考圖3，為本發(fā)明所揭示的升壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。如圖所示，升壓轉(zhuǎn)換器將電源10升壓后傳送給負(fù)載20，包括有一彎折型變壓器30、輸入端電感LS、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第一晶體管T1、第二晶體管T2、第三晶體管T3。此外，還包括有一電容C與負(fù)載20并聯(lián)地偶接。
彎折型變壓器30為一種不具有隔離的自耦變壓器(autotransformer)，舉例來說，可為具有三相的彎折型變壓器。彎折型變壓器30的鐵芯材料為不具有任何氣隙(airgap)的軟性鐵氧磁體(ferrite)。輸入端電感LS的一端連接至彎折型變壓器30的中心點(diǎn)。以圖3的三相裝置而言，第一二極管D1、第二二極管D2以及第三二極管D3的P型側(cè)分別偶接至彎折型變壓器30的每一相。而第一晶體管T1、第二晶體管T2以及第三晶體管T3的漏極亦連接至彎折型變壓器30的每一相，源極則連接至電源10的負(fù)輸入端(接地端)，而柵極則用以接收具有適當(dāng)相移的脈寬調(diào)變信號(hào)。第一晶體管T1、第二晶體管T2以及第三晶體管T3較佳為絕緣柵極晶體管(IGBT)。
請(qǐng)參考圖4，為本發(fā)明所揭示的降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。降壓轉(zhuǎn)換器將電源10降壓后提供給負(fù)載20，包括有彎折型變壓器30、輸出端電感LO、第一晶體管T1、第二晶體管T2、第三晶體管T3、第四晶體管T4、第五晶體管T5以及第六晶體管T6。此外，還包括有一電容C與負(fù)載20并聯(lián)地偶接。
同樣地，彎折型變壓器30為一種不具有隔離的自耦變壓器(autotransformer)，舉例來說，可為具有三相的彎折型變壓器。彎折型變壓器30的鐵芯材料為不具有任何氣隙(airgap)的軟性鐵氧磁體(ferrite)。輸出端電感LO的一端連接至彎折型變壓器30的中心點(diǎn)。以圖3的三相裝置而言，第一晶體管T1、第二晶體管T2以及第三晶體管T3的漏極分別連接至彎折型變壓器30的每一相，源極則連接至電源10的負(fù)輸入端(接地端)。第四晶體管T4、第五晶體管T5以及第六晶體管T6的漏極連接至電源10，而其源極分別連接至彎折型變壓器30的每一相。第一晶體管T1、第二晶體管T2以及第三晶體管T3的柵極則用以接收具有適當(dāng)相移的脈寬調(diào)變信號(hào)。第一晶體管T1、第二晶體管T2、第三晶體管T3、第四晶體管T4、第五晶體管T5以及第六晶體管T6較佳為絕緣柵極晶體管(IGBT)。
彎折型變壓器30為一種不具有隔離的自耦變壓器(autotransformer)。其電壓向量以及三相鐵芯繞組如圖5A與圖5B所示。彎折型變壓器30的三相鐵芯的每一支腳均具有兩個(gè)繞組，每一繞組的連接方式根據(jù)圖5A的電壓向量決定。圖3與圖4中的彎折型變壓器30中的鐵芯并不具有氣隙，其亦可采用彎折型耦合電感(zigzag coupled inductor)，其結(jié)構(gòu)類似，但其鐵芯并具有氣隙。在本發(fā)明中，彎折型變壓器30與彎折型耦合電感定義成彎折型裝置。
根據(jù)圖3與圖4，其中轉(zhuǎn)換器具有三個(gè)可以接收脈寬調(diào)變信號(hào)的輸入端，每一脈寬調(diào)變信號(hào)均適當(dāng)?shù)叵嘁?20度，以平衡變壓器繞組的三相電壓(Vza+Vzb+Vzc＝0)。此三個(gè)輸入端即為第一晶體管T1、第二晶體管T2以及第三晶體管T3的柵極。因?yàn)閺澱坌妥儔浩?0的漏電感可能不足或無法得到較高的漏電感時(shí)，可在電路中加入一輸入端電感LS或一輸出端電感LO，以消除紋波電流。
基于這些平衡的繞組電壓，對(duì)于流入三相變壓器的繞組電流符合下列方程式iza=izb=izc=-iza*=-izb*=-izc*,]]>其中izj(j＝a，b，c)為變壓器的各相繞組電流，而*表示二次側(cè)繞組。電源10的電流包括直流成分，為三倍的切換頻率，亦即繞組電流的三倍，is＝3iza。
忽略電阻與漏電感的繞組電壓vza可由vza=Lzadizadt+Lzbdizadt-Mabdizcdt-Mabdizbdt]]>表示，其中Lza及Lzb是a相繞組與b相繞組的自感，而Mab為a相繞組與b相繞組的互感。對(duì)于所有相等電流的阻抗ZAN為ZAN＝2ω(Lza-M)0，其中Lza＝LzbM(jìn)，ω＝2πf以及f為切換頻率。
由于漏電感相當(dāng)?shù)匦。虼?，?dāng)電流流經(jīng)變壓器所有的繞組的時(shí)候，變壓器大體上可提供夠小的阻抗。考慮在某一切換頻率的平衡三相電流的阻抗為ZAN＝3ωLza。
由于高阻抗，因此流入彎折型變壓器的電流可忽略。而由于鐵芯上三支腳的磁通量的總和并不等于零，使得磁通可通過一小阻抗的路徑。而由于進(jìn)入變壓器的電流具有相位，因此鐵芯上三支腳并沒有磁動(dòng)勢(shì)(MagnetomotiveForce，MMF)。因此，除了漏磁通之外，就沒有額外損失的磁通。
關(guān)于本發(fā)明所揭示的升壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器以及降壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)運(yùn)作過程將于以下的段落說中說明。首先說明具有高頻彎折型變壓器的運(yùn)作過程。
根據(jù)相移切換信號(hào)彼此之間的重迭周期，升壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器可分為三種不同的操作模式(1)D＜33.3％；(2)33.3％＜D＜66.7％；以及(3)66.7％＜D＜100％。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器類似，本發(fā)明的升壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer function)可由輸出電壓對(duì)輸入電壓的轉(zhuǎn)換率M表示M=VoVs=11-D,]]>其中D為升壓切換開關(guān)的導(dǎo)通周期比(duty ratio)，Vs為電源10的直流輸入電壓，而Vo為輸出電壓。導(dǎo)通周期比為升壓切換開關(guān)的開啟與關(guān)閉時(shí)間比。如果磁電感(magnetizing inductance)夠高的話，則變壓器所有的繞組電流將相等。三種不同模式的操作波形圖如圖6A～圖6C所示。
紋波電流出現(xiàn)在切換頻率三倍頻之處，而三相平衡電壓可由三個(gè)柵極信號(hào)獲得，說明如下。
(1)D＜33.3％在此模式中，柵極信號(hào)之間沒有重迭。流入輸入端電感LS兩側(cè)的電流可由下列而得。電感兩端的電壓為VLS，neg＝Vs-Vo，其中VLS，neg為如圖5A所定義的負(fù)向電壓，而VLS，pos為正向電壓。圖式中的區(qū)域A與區(qū)域B所表示的電感電壓必須相同，因此VLs,pos=1-3D3DVLs,neg=1-3D3(1-D)Vs.]]>因此，紋波電流的方程式為ΔIs=VLs,posLsDTs=D(1-3D)3(1-D)TsVsLs.]]>(2)33.3＜D＜66.7％如圖6B所示，在一個(gè)導(dǎo)通周期中，只有兩個(gè)柵極信號(hào)之間有重迭的部分出現(xiàn)。電感的正向電壓與負(fù)向電壓可分別表示為VLS，neg-VLS，pos＝Vo-2Vs以及VLS,pos=2-3D3D-1VLS,neg=2-3D3(1-D)Vs.]]>在此模式中的紋波電流為ΔIs=VLS,posLs(3D-1)3Ts=(3D-1)(3D-2)9(D-1)TsVsLs.]]>(3)66.7＜D＜100％如圖6C所示，在一個(gè)導(dǎo)通周期中，三個(gè)柵極信號(hào)之間均有重迭的部分出現(xiàn)。因此，三個(gè)開關(guān)晶體管如果因?qū)ǘ_啟的情形下，電感兩端的電壓將相等。在此模式中，VLS，pos＝Vs。
紋波電流為ΔIs=VLs,posLs(D-23)Ts=D-23TsVsLs.]]>圖6D中所示的升壓轉(zhuǎn)換器操作在D＝33.3％的時(shí)候。輸入電流以及三個(gè)二極管的電流和僅包含直流成分。這些電流在輸入端電感以及與負(fù)載端并聯(lián)的電容所產(chǎn)生的應(yīng)力較小。在圖1與圖2中所示的轉(zhuǎn)換器，每一相的相電流都在邊界點(diǎn)上產(chǎn)生紋波電流，在輸入信號(hào)交互重迭后，其全部的輸入電流的漣波可彼此消除，而紋波電流僅出現(xiàn)在切換裝置的部分。然而，本發(fā)明所揭示的具有彎折型變壓器的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器在邊界條件點(diǎn)上，其切換組件與被動(dòng)組件將不會(huì)產(chǎn)生紋波電流。如圖6D所示，所有的相電流均為直流成分。因此，切換組件與被動(dòng)組件的傳導(dǎo)損失比先前技術(shù)來的小。此外，由于三相電流均相等，因此不需要電流均分的技術(shù)，且具有較快的態(tài)響應(yīng)。
接著，說明具有彎折型變壓器的降壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的操作過程。
與升壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器類似，降壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器也可分成三種操作模式(1)D＜33.3％；(2)33.3％＜D＜66.7％；以及(3)66.7％＜D＜100％。其輸出電壓與輸入電壓的關(guān)為Vo＝DVs。
輸出端電感LO的紋波電流的基本方程式如下，其推導(dǎo)過程與上述的實(shí)施例類似，不再重復(fù)說明。操作波形圖請(qǐng)參考圖7。
(1)D＜33.3％輸出端電感LO兩側(cè)的電壓VLo，neg＝DVs。
輸出端電感LO兩側(cè)的紋波電流ΔILo=VLo,negLo(13-D)Ts=D(1-3D)3TsVsLo.]]>(2)33.3％＜D＜66.7％輸出端電感LO兩側(cè)的電壓VLo,neg=3D-13Vs.]]>輸出端電感LO兩側(cè)的紋波電流ΔILo=VLo,negLo{D-2{D-13}Ts=(3D-1)(2-3D)9TsVsLo.]]>(3)66.7％＜D＜100％輸出端電感LO兩側(cè)的電壓VLo，pos＝(1-D)Vs輸出端電感LO兩側(cè)的紋波電流ΔILo=VLo,negLo(D-23)Ts=(1-D)(3D-2)3TsVsLo.]]>升壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器的電感的紋波電流可經(jīng)由TsVs/Ls正規(guī)化，其一個(gè)導(dǎo)通周期(duty cycle)的圖形請(qǐng)參考圖8A，由圖中可知，在靠近邊界條件附近的點(diǎn)幾乎沒有紋波電流的出現(xiàn)，以三相繞組為例，其沒有紋波電流出現(xiàn)的邊界條件點(diǎn)大約在D＝33.3％及D＝66.7％之處。因此，為了減少紋波電流出現(xiàn)，升壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器必須要在邊界條件或附近的操作點(diǎn)操作。
降壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器正規(guī)化后的紋波電流的圖形請(qǐng)參考圖8B，由圖中可知，本發(fā)明所揭示的降壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器同樣在靠近邊界條件附近的點(diǎn)幾乎沒有紋波電流的出現(xiàn)。這樣的降壓直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器可廣泛應(yīng)用于具有高電流低電壓的電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)中。
根據(jù)本發(fā)明的原理，本發(fā)明所揭示的轉(zhuǎn)換器可應(yīng)用于三倍電流器(currenttripler)。請(qǐng)參考圖9為一種具有彎折型變壓器的隔離式轉(zhuǎn)換器，在此實(shí)施例中，需要兩組三相的鐵芯。
圖9所示的具有彎折型變壓器的隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器包括有一彎折型彎折型變壓器30，具有三支腳的鐵芯，其連接方式、功能與操作以及第一晶體管T1、第二晶體管T2、第三晶體管T3與上述的實(shí)施例相似。此外，還包括有一三相變壓器40以及晶體管51～56，三相變壓器40具有一初級(jí)線圈與一次級(jí)線圈，其中次級(jí)圈連接到彎折型變壓器30。晶體管51～56形成三對(duì)，每一對(duì)相互串聯(lián)，而變壓器40的初級(jí)線圈的每一相繞組連接到每一對(duì)晶體管之間。
根據(jù)本發(fā)明的原理，請(qǐng)參考第10圖，為一種具有彎折型變壓器的電流倍增整流器。其中，變壓器為一種不具有氣隙的兩相彎折型變壓器，其繞組接線如第10圖所示。電流倍增整流器包括有一變壓器70，具有初級(jí)繞組與次級(jí)繞組，以及一兩相彎折型變壓器60，其兩相繞組連接到變壓器70的次級(jí)繞組。
此外，一輸出端電感LO連接到變壓器60的中心點(diǎn)，負(fù)載20并聯(lián)有一電容C。晶體管57、58連接到變壓器60的兩相繞組。
在上述的說明中，以三相繞組的變壓器作為說明。根據(jù)本發(fā)明，可經(jīng)由增加鐵芯的腳數(shù)形成多相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，如圖11所示。鐵芯材料為不具有任何氣隙(airgap)的軟性鐵氧磁體(ferrite)，可應(yīng)用于升壓直流轉(zhuǎn)換器、降壓直流轉(zhuǎn)換器、Cuk轉(zhuǎn)換器、單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(Single-Ended PrimaryInductance Converter，SEPIC)、隔離式轉(zhuǎn)換器等等，亦可使用具有氣隙的彎折型嘔耦合式電感。此外，根據(jù)本發(fā)明，其它直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器中的電流平滑電感(current smoothing inductor)也可以彎折型變壓器取代。在多相結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，當(dāng)所有的繞組電壓都平衡時(shí)，若有繞組的電流將相等，i1＝i2＝…＝in-1，n≥2，其中n為相數(shù)。輸出/輸入頻率則為切換頻率的n倍。邊界條件的導(dǎo)通周期Dn根據(jù)相數(shù)來決定Dn＝h/n，h＝1，2，……，n-1。
圖12A與圖12B分別為四相結(jié)構(gòu)與五相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的電壓向量圖。從圖3與圖12A～圖12B可知，繞組電壓的比例如下
Vz1=13V1N=0.577V1N,(n=3)]]>Vz1=12V1N=0.707V1N,(n=4)]]> 繞組電壓由變壓器兩繞組間的角度決定。圖13所示四相結(jié)構(gòu)的操作波形圖。
本發(fā)明所揭示的三相升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為48伏特，功率200瓦特。切換頻率設(shè)定為167kHz。并且使用一小容量的輸入端電感。本發(fā)明舍棄感測(cè)三個(gè)不同的信號(hào)而僅感測(cè)單一電流信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果請(qǐng)參考第14圖與圖15。由第14圖可的，在不使用電流均分的技術(shù)下，本發(fā)明可獲得三個(gè)相等的電流。導(dǎo)通周期大約為25％。輸入電流的頻率以及二極管電流的總和為切換頻率的三倍(500kHz)。圖14A所示為初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的繞組電壓。圖15所示的操作波形為將轉(zhuǎn)換器的操作點(diǎn)調(diào)整導(dǎo)通周期D＝33.3％附近的邊界條件。輸入電壓為32伏特，輸出電壓為45伏特(直流)。三個(gè)輸入電流為直流成分，圖中所示紋波電流相當(dāng)微小，幾乎沒有。而流稱變壓器繞組的電流皆相等，且在切換組件上的電流也沒有漣波。
根據(jù)本發(fā)明所揭示的多相高頻彎折型變壓器的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其變壓器可自動(dòng)使得各相的相電流相等。因此，對(duì)于多相(兩相以上)結(jié)構(gòu)，僅需要感測(cè)一個(gè)電流，并不需要將電流均分，使得電流控制得以簡(jiǎn)化。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)換器設(shè)定在邊界條件的操作點(diǎn)時(shí)，可消除紋波電流，且具有更快的瞬時(shí)響應(yīng)。
雖然本發(fā)明以前述的實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，所為的更動(dòng)與潤(rùn)飾，均屬本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。關(guān)于本發(fā)明所界定的保護(hù)范圍請(qǐng)參考所附的申請(qǐng)專利范圍。
權(quán)利要求
1.一種多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其中包括一彎折型裝置，具有N支鐵芯，其中N為大于等于2的相數(shù)；多個(gè)二極管，每一該二極管的P型側(cè)耦接至該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳；以及多個(gè)晶體管，每一該晶體管的漏極耦接至該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳。
2.如權(quán)利要求1所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置為一不具有隔離的自耦變壓器。
3.如權(quán)利要求1所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置的該N支鐵芯不具有氣隙，以形成一彎折型變壓器。
4.如權(quán)利要求1所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置的該N支鐵芯具有氣隙，以形成一彎折型耦合式電感。
5.如權(quán)利要求1所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳具有兩個(gè)線圈。
6.如權(quán)利要求1所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是還包括有一輸入端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
7.如權(quán)利要求6所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該紋波電流在邊界條件下被消除。
8.如權(quán)利要求7所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該邊界條件的工作周期為h/N，其中h＝1，2，3，…，N-1。
9.如權(quán)利要求1所述的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該晶體管的柵極用以接收適當(dāng)?shù)南嘁菩盘?hào)。
10.一種多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其中包括一彎折型裝置，具有N支鐵芯，其中N為大于等于2的相數(shù)；以及多對(duì)晶體管，每一對(duì)晶體管以串聯(lián)方式連接，該鐵芯的每一支腳連接到該每對(duì)晶體管之間。
11.如權(quán)利要求10所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置為一不具有隔離的自耦變壓器。
12.如權(quán)利要求10所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置的該N支鐵芯不具有氣隙，以形成一彎折型變壓器。
13.如權(quán)利要求10所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置的該N支鐵芯具有氣隙，以形成一彎折型耦合式電感。
14.如權(quán)利要求10所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳具有兩個(gè)線圈。
15.如權(quán)利要求10所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是還包括有一輸出端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
16.如權(quán)利要求15所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該紋波電流在邊界條件下被消除。
17.如權(quán)利要求16所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該邊界條件的工作周期為h/N，其中h＝1，2，3，…，N-1。
18.如權(quán)利要求10所述的多相直流對(duì)直流降壓轉(zhuǎn)換器，其特征是該晶體管的柵極用以接收適當(dāng)?shù)南嘁菩盘?hào)。
19.一種隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其中包括一彎折型變壓器，具有一三支腳的鐵芯；一三相變壓器，具有一初級(jí)線圈與一次級(jí)線圈，其中該次級(jí)線圈連接至該彎折型變壓器；三對(duì)晶體管，每一對(duì)晶體管以串聯(lián)方式連接，該三相變壓器的初級(jí)線圈的每一相繞組連接到該每對(duì)晶體管之間；以及一第一、第二、第三晶體管，每一晶體管的漏極耦接至該彎折型裝置的該鐵芯的每一支腳。
20.如權(quán)利要求19所述的隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其特征是該彎折型變壓器的該鐵芯的每一支腳具有兩個(gè)線圈。
21.如權(quán)利要求20所述的隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其特征是還包括有一輸入端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
22.如權(quán)利要求21所述的隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其特征是該紋波電流在邊界條件下被消除。
23.如權(quán)利要求22所述的隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其中該邊界條件的工作周期為1/3或2/3。
24.如權(quán)利要求19所述的隔離式直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，其特征是該第一、第二、第三晶體管的柵極用以接收適當(dāng)?shù)南嘁菩盘?hào)。
25.一種兩倍電流整流器，其中包括有一彎折型變壓器，具有兩相；以及一變壓器，具有一初級(jí)線圈與一次級(jí)線圈，其中該次級(jí)線圈連接至該彎折型變壓器。
26.如權(quán)利要求25所述的兩倍電流整流器，其特征是還包括有一輸出端電感，耦接至該彎折型裝置，用以消除該轉(zhuǎn)換器的紋波電流。
27.如權(quán)利要求25所述的兩倍電流整流器，其特征是還包括有兩的晶體管，分別連接至該彎折型變壓器的該兩相的線圈。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種具有高頻彎折型變壓器的直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器中的變壓器為非隔離式，其所具有的鐵芯可工作于高頻環(huán)境中。所揭示的轉(zhuǎn)換器可接收適當(dāng)相移的脈寬調(diào)變信號(hào)，以平衡變壓器繞組的電壓，其信號(hào)數(shù)根據(jù)變壓器的相數(shù)決定。經(jīng)由彎折型變壓器使得本發(fā)明揭示的轉(zhuǎn)換器可使用較低的切換頻率且具有較快的瞬時(shí)響應(yīng)。此外，還能夠提高轉(zhuǎn)換器整體效率，并減少紋波電流及簡(jiǎn)化電路控制。本發(fā)明所揭示的多相直流對(duì)直流升壓轉(zhuǎn)換器，包括一彎折型裝置，具有N支鐵芯，其中N為大于等于2的相數(shù)；多個(gè)二極管，每一二極管的P型側(cè)耦接至彎折型裝置的鐵芯的每一支腳；以及多個(gè)晶體管，每一晶體管的漏極耦接至彎折型裝置的鐵芯的每一支腳。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1741358SQ200410064198
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月24日
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