High Efficient Boost Converter using Voltage Multiplier with Dual Charge Pump Techniques

Abstract

ฺBoost converter are used for voltage step-up application. Theoretically, a boost converter is able to provide high voltage gain by increasing the duty ratio. In practice, it is difficult to design a boost converter with extreme high step-up gain cause the equivalent series resistance element that cause poor efficiency and degraded voltage gain.

Capacitive charge pump technique is used in many boost converters that use capacitors as energy storage elements to create higher voltage than the supply voltage. The charge pump circuit is usually placed in front of the boost converter and only designed to have fixed conversion ratio. Therefore, optomal efficiency cannot be provided for variable voltage gain. For more step-up voltage gian, the combination of boost converter with voltage multiplier would be impractical for the converter.

A high voltage gain, non-isolated dual charge-pump DC-DC multilevel boost converter is described in this paper. The proposed converter circuit is divided into two parts: dual charge-pump switched-inductor cell and a multilevel converter. A detailed analysis of operating modes and characteristics of the converter were presented and verified by the experimental results of the prototype circuit when operated at 50 kHz switching frequency with 24V input voltage, and 400W power.

วงจรทบระดับแรงดันถูกใช้เพื่องานเพิ่มระดับแรงดันไฟฟ้า ตามหลักทฤษฎีแล้ววงจรทบระดับแรงดันนี้สามารถสร้างแรงดันสูงได้ด้วยการปรับเพิ่มค่าวัฏจักร แต่ในทางปฏิบัติแล้วเป็นไปได้ยากในการออกแบบวงจรให้มีอัตราการขยายแรงดันที่สูงมากอันเนื่องมากจากค่าความต้านทานอนุกรมสมมูลของอุปกรณ์ ซึ่งส่งผลทำให้ได้ประสิทธิภาพต่ำทั้งยังลดอัตราขยายแรงดันของวงจร

เทคนิคการใช้ตัวเก็บประจุชาร์จปั๊มป์ถูกนำมาใช้งานในวงจรทบระดับแรงดันต่างๆ โดยตัวเก็บประจุเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานเพื่อสร้างแรงดันที่สูงกว่าแรงดันแหล่งกำเนิด โดยทั่วไปตัวเก็บประจุชาร์จปั๊มป์มักถูกติดตั้งไว้ทางด้านหน้าของวงจรทบระดับแรงดันและได้รับการออกแบบให้มีอัตราการแปลงพลังงานคงที่ ดังนั้นการทำให้ได้ประสิทธิภาพที่เหมาะสมจึงไม่สามารถทำได้อย่างตลอดการเปลี่ยนแปลงอัตราขยายแรงดัน ซึ่งสำหรับการเพิ่มระดับแรงดันให้มากขึ้นนั้นอาจทำได้ด้วยการต่อร่วมกับวงจรคูณแรงดัน

งานวิจัยนี้นำเสนอวงจรทบระดับแรงดันอัตราการขยายแรงดันสูงชนิดไม่แยกโดดโดยใช้เทคนิคทบระดับแรงดันหลายชั้นร่วมกับเทคนิคชาร์ปั๊มป์คู่ วงจรถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วนประกอบ ได้แก่ วงจรชาร์จปั๊มป์คู่ร่วมกับสวิตซ์ตัวเหนี่ยวนำและชุดวงจรคูณแรงดัน นำเสนอถึงรายละเอียดของการวิเคราะห์การทำงานในโหมดต่างๆ พร้อมทั้งยืนยันหลักการด้วยการทดสอบจากวงจรต้นแบบ โดยใช้ความถี่สวิตซ์ 50 กิโลเฮิรตซ์ แรงดันอินพุต 24 โวลต์ กำลังไฟฟ้า 400 วัตต์