CN102403906B - 升压变换器 - Google Patents

Abstract

提供了一种升压变换器，该升压变换器能够通过将施加至输出二极管的电压限制为对应于输入电压和输出电压之间的差值，来减小其每个元件内的电压应力，而无需使用单独的损耗缓冲电路。该升压变换器包括变压器，包括接收输入电压的初级绕组和电磁耦合至初级绕组的次级绕组，且初级绕组与次级绕组具有预设匝数比；开关单元，根据预设占空比接通和断开传输至初级绕组的输入电压；稳定单元，包括调整从次级绕组输出的电压以从而稳定输出电压的输出二极管；以及限制单元，用于将施加至输出二极管的电压限制为对应于开关单元接通操作期间输入电压和输出电压之间的差值。

Description

升压变换器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年9月14日在韩国知识产权局提交的第10-2010-0090082号韩国专利申请的优先权，其全部内容结合于此用作参考。

技术领域

本发明涉及一种升压变换器，更具体地，涉及一种能够减小其每个元件内的电压应力的升压变换器，以及具体地，涉及一种升压变换器，该升压变换器能够通过将施加至输出二极管的电压限制(clamp)为对应于输入电压和输出电压之间的差值，来减小其每个元件内的电压应力，而无需使用单独的损耗缓冲电路(separate loss snubber circuit)。

背景技术

近来，关于使用燃料电池或蓄电池的电驱动系统、半导体制造设备、大型显示装置、超声波装置、x-射线装置等，已经对能够提高低DC电压的各种电源装置进行了研究。

在这样的电源装置的情况下，升压变换器可以为典型的电源装置。

常规的升压变换器在获取高升压率方面存在困难。因此，根据相关技术，多个升压变换器已经被串联连接，以便获取高升压率；然而，这种方法产生了诸如功率转换效率降低以及单位成本增加的问题，这些问题归因于在其中使用的元件的数量的增加。

为了解决这些问题，已经采用了如图1所示的使用了抽头电感器的升压变换器10；然而，为了减小在功率转换切换期间产生的冲击电压，使用损耗缓冲电路是有必要的。

但是，由于这样的缓冲仍然会导致功率转换效率的降低，并且冲击电压仍然可能产生，所以应该使用具有高电压阻抗的元件，从而导致制造成本增加。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种能够减小其每个元件内的电压应力的升压变换器，更具体地，提供了一种升压变换器，该升压变换器通过将施加至输出二极管的电压限制为对应于输入电压和输出电压之间的差值，来减小其每个元件内的电压应力，而无需使用单独的损耗缓冲电路。

根据本发明的一个方面，提供了一种升压变换器，该升压变换器包括：变压器，包括接收输入功率的初级绕组和电磁耦合至初级绕组的次级绕组，且初级绕组与次级绕组具有预设匝数比；开关单元，根据预设占空比接通和断开传输至初级绕组的输入功率；稳定单元，包括调整从次级绕组输出的电压以从而稳定输出功率的输出二极管；以及限制单元，用于将施加至输出二极管的电压限制为对应于接通开关单元的操作期间输入电压和输出电压之间的差值。

变压器可以进一步包括泄露电感器和磁化电感器，泄露电感器在初级绕组的一端与接收输入功率的输入功率端的一端之间串联连接，磁化电感器并联连接到初级绕组的一端和另一端。

开关单元可以包括开关，该开关连接在初级绕组的另一端与次级绕组的一端相互连接的连接点与接地端之间，以及限制单元可以包括第一二极管和第一电容，第一二极管具有连接至输入电压端的一端的正极和连接至输出二极管的一端的负极，第一电容具有连接至第一二极管的负极的一端和连接至次级绕组的另一端的另一端。

输出二极管的一端可以连接至第一二极管的负极和第一电容的一端，以 及稳定单元可以进一步包括输出电容，输出电容连接至输出二极管的另一端和接地端。

初级绕组和次级绕组以相同的方向缠绕。

在开关接通时第一电容可以用来自次级绕组的电压和输入电压充电，并且在开关断开时将所充的电压传输至稳定单元。

附图说明

可以从结合附图的下述详细描述中更清楚地理解本发明的上述和其他方面、特征和其他优点，其中：

图1是根据现有技术的升压变换器的示意性结构图；以及

图2是根据本发明示例性实施例的升压变换器的示意性结构图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。

图2是根据本发明示例性实施例的升压变换器的示意性结构图。

参照图2，根据本发明示例性实施例的升压变换器100可以包括变压器110、开关单元(switching unit)120、稳定单元130和限制单元(clamping unit)140。

变压器110可以包括初级绕组N_P和次级绕组N_S，并且可以进一步包括泄露电感器(leakage inductor)L_K和磁化电感器(magnetization inductor)L_m。

初级和次级绕组N_P和N_S中的每个具有预设的匝数，且可以相互电磁耦合以在他们之间形成预设匝数比。初级绕组和次级绕组可以以相同的方向缠绕。

开关单元120可以包括至少一个开关M，并且可以被接通和断开以控制从初级绕组N_P到次级绕组N_S的功率转换。

稳定单元130可以包括输出二极管D₃和输出电容C_O，并且可以稳定输出功率。

限制单元140可以包括第一二极管D₂和第一电容C_S，并且可以将施加至输出二极管D₃的电压限制为对应于接通开关M的操作期间输入电压和输出电压之间的差值。同时，在接通开关M的操作期间第一电容C_S可以用来自次级绕组N_S的电压和输入电压Vin充电，并且可以在开关M断开操作期间将所充电的电压传输至输出二极管D₃。

图2中所示的各个元件之间的连接关系将在下文中详细描述。变压器110的初级绕组N_P的另一端可以连接至开关单元120的开关M的一端。开关M的另一端可以接地；第一二极管D₂的正极可以连接至输入电压端的一端，而其负极可以连接至第一电容C_S的另一端；输出二极管D₃的正极可以连接至第一电容C_S的另一端，而其负极可以连接至电容C_O的一端；以及电容C_O的另一端可以接地。第一电容C_S的一端可以连接至次级绕组N_S的另一端；而次级绕组N_S的一端可以连接至开关M的一端。初级绕组N_P的一端可以连接至输入功率端的一端，其中输入功率(input power)Vin经泄露电感器L_K输入至输入功率端，而磁化电感器可以并联连接至初级绕组N_P。

参照图2，在接通开关M的操作期间流过的电流由参考标号①代表的虚线表示，而在断开开关M的操作期间流过的电流由参考标号②代表的虚线(不同于参考标号①代表的虚线)表示。

在接通开关M的操作期间，电流可以流经两条路径，一条路径是从输入功率Vin经初级绕组N_S至开关M，而另一条路径为从第一二极管D₂经第一电容C_S、次级绕组N_S和开关M至输入功率Vin。

在断开开关M的操作期间，电流可以流经从输入功率Vin经过初级和次级绕组N_P和N_S以及第一电容C_S至输出二极管D₃的路径。

在接通开关M的操作期间，输入电压Vin施加至变压器110的初级绕组N_P，以便初级绕组N_P的电压Vpri变为输入功率Vin。根据初级绕组N_P和次级绕组N_S的匝数比，次级绕组N_S传输输入功率nVin至连接电容C_S，以便连接电容C_S中的电压V_C等于次级绕组N_S的电压V_sec，其中，根据匝数比n次级绕组N_S的电压V_sec等于输入功率Vin与输入功率nVin的和。

从而，在接通开关M的操作期间，输入电压Vin的电平可以被施加至初级绕组N_P，而在断开开关M的操作期间，施加至初级绕组N_P的电压Vpri可以由如下的公式1导出：

$\mathrm{Vpri}=\frac{(\mathrm{Vo}-\mathrm{Vin}-\mathrm{Vc})}{(1+n)}$ 公式1

在此，n表示匝数比；V_C表示施加至第一电容C_S的电压；以及V_O表示输出功率的电平。

当公式1关于施加至次级绕组N_S的电压来写时，获得下述公式2：

$\mathrm{DVin}=(1-D)\frac{(\mathrm{Vo}-\mathrm{Vin}-\mathrm{Vc})}{(1+n)}$ 公式2

在本文中，D表示切换占空比（switching duty）。

当公式2关于输出功率V_O来写时，获得下述公式3：

$\mathrm{Vo}=\frac{(\mathrm{nVin}+2\mathrm{Vin}-\mathrm{DVin})}{(1-D)}$ 公式3

根据上述公式，将参照表格描述根据现有技术的抽头电感器升压变换器的电特性以及根据本发明示例性实施例的升压变换器的电特性。

表格

参照该表格，当输出电压设置为120V，而匝数比设置为2时，图1所示的根据现有技术的抽头电感器升压变换器在0.57的占空比下可以具有施加至开关M的56V电压Vds，以及施加至输出二极管D₃的128V电压。

然而，当根据本发明示例性实施例的升压变换器具有相同的输出电压和相同的匝数比时，其在0.25的占空比下可以具有施加至开关M的32V电压Vds，施加至第一二极管D₂的96V电压VD2，施加至第一电容C_S的72V电压V_C，以及施加至输出二极管D₃的96V电压。因此，当根据本发明示例性实施例的升压变换器与根据现有技术的抽头电感器升压变换器具有相同的输出电压时，相比于根据现有技术的抽头电感器升压变换器，根据本发明示例性实施例的升压变换器可以减小占空比，减小施加至开关M和输出二极管D₃的电压应力，并且提高功率转换效率。此外，当根据本发明示例性实施例的升压变换器与根据现有技术的抽头电感器升压变换器具有相同的占空比时，根据本发明示例性实施例的升压变换器可以具有的升压率(boost ratio)高于根据现有技术的抽头电感器升压变换器的升压率。

如前所述，在根据本发明示例性实施例的升压变换器中，通过将施加至输出二极管的电压限制为对应于输入电压和输出电压之间的差值，每个元件的电压应力可以被减小，而无需使用单独的损耗缓冲电路。此外，相比于现 有的抽头电感器升压变换器，用于生成与现有的抽头电感器升压变换器相同的输出的占空比可以被减小，从而提高了功率转换效率。

尽管已经结合示例性实施例示出并描述了本发明，但是在不脱离如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内可以作修改及变形，这对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

Claims (4)

1.一种升压变换器，该升压变换器包括：

变压器，该变压器包括接收输入功率的初级绕组和电磁耦合至所述初级绕组的次级绕组，且所述初级绕组与所述次级绕组具有预设匝数比；

开关单元，该开关单元根据预设占空比接通和断开传输至所述初级绕组的所述输入功率；

稳定单元，该稳定单元包括调整从所述次级绕组输出的功率从而稳定输出功率的输出二极管；以及

限制单元，该限制单元将施加至所述输出二极管的电压限制为对应于所述开关单元的接通操作期间对应于所述输入功率的输入电压与对应于所述输出功率的输出电压之间的差值；

其中，所述变压器还包括泄露电感器和磁化电感器，所述泄露电感器在所述初级绕组的一端与接收所述输入功率的输入功率端的一端之间串联连接，所述磁化电感器并联连接到所述初级绕组的一端和另一端；

其中，所述开关单元包括开关，所述开关连接在所述初级绕组的另一端与所述次级绕组的一端相互连接的连接点与接地端之间，以及

所述限制单元包括第一二极管和第一电容，所述第一二极管的正极连接至所述输入功率端的一端而负极连接至所述输出二极管的正极，所述第一电容的一端连接至所述第一二极管的所述负极而另一端连接至所述次级绕组的另一端。

2.根据权利要求1所述的升压变换器，其中，所述输出二极管的正极连接至所述第一二极管的所述负极和所述第一电容的一端，以及

所述稳定单元还包括输出电容，所述输出电容连接在所述输出二极管的负极和所述接地端之间。

3.根据权利要求1所述的升压变换器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组以相同的方向缠绕。

4.根据权利要求1所述的升压变换器，其中，在所述开关接通时所述第一电容用来自所述次级绕组的电压和输入电压充电，并且在所述开关断开时将所充的电压传输至所述稳定单元。