1. 前言
隨著電力電子及控制技術的進步，越來越多的電力轉換架構應用於日常生活中，且功能及應用彈性越來越多元，例如 : 寬輸入電壓、寬輸出電壓、雙向電力傳輸 … 等。本文將介紹一非隔離式升降壓雙向轉換器，此架構常用於車載電力系統，PD 電壓轉換及電池儲能系統應用 …。『電路架構如下圖 1 所示』( 註 1 )，由於是左右對稱的架構，因此雙向轉換的原理相同，故本文只闡述單向升降壓轉換及其動作原理。
圖 1 : 非隔離式升降壓雙向轉換器電路架構
註 1 : 參考 TOSHIBA RD227-DGUIDE-01 https://toshiba.semicon-storage.com/info/RD227-DGUIDE-01_E.pdf?did=152742
TOSHIBA 推出符合車規 AEC-Q101 qualified 的小型化 POWER MOSFETs : XPN7R104NC ( 40V/7.1mΩ )、XPN3R804NC ( 40V/3.8mΩ )、SSM6K804R ( 40V/12mΩ )，
可實現高效率及占用面積小的汽車降壓-升壓 DC-DC 轉換器應用。
2. 非隔離式 Buck-Boost Converter 動作原理介紹
圖 1 所示升降壓轉換器的操作可以工作在三個模式 : ( 1 ) 當輸入電壓低於輸出電壓時，使用升壓轉換模式 ( Boost Converter Mode ) ; ( 2 ) 當輸入電壓高於輸出電壓時，使用降壓轉換模式 ( Buck Converter Mode ) ; ( 3 ) 當輸入電壓高於或低於輸出電壓時，使用升降壓轉換模式 ( Buck-Boost Converter Mode )。反向操作亦相同。
2-1. 模式 1 : Boost Converter Mode
傳統 Boost Converter 電路如下圖 2.a 所示。將 Buck-Boost Converter 的 Q1 always turn on and Q2 always turn off ( 如圖 2.b 所示 )，即可等效傳統 Boost Converter電路。
Boost Converter 的動作方式及電感充電放電電流波形如下圖 3 所示。
圖 3 : Boost Converter 電路動作方式及波形
當電感放電時，電感兩端的電壓同為輸入電壓減去輸出電壓 ( Vin - Vout )，等效電路分析如下圖 5 所示。
在此模式下可以得出 Boost Converter Mode 的輸入輸出電壓轉移函數 ( 同傳統 Boost Converter ) 為：
其中 : D 為 duty cycle
2-2. 模式 2 : Buck Converter Mode
傳統 Buck Converter 電路如下圖 6.a 所示。將 Buck-Boost Converter 的 Q3 always turn on and Q4 always turn off ( 如圖 6.b 所示 )，即可等效傳統 Buck Converter電路。
Buck Converter 的動作方式及電感充電放電電流波形如下圖 7 所示。
圖 7 : Buck Converter 電路動作方式及波形
當電感充電時，電感兩端的電壓同為輸入電壓減去輸出電壓 ( Vin - Vout )，等效電路分析如下圖 8 所示。
當電感放電時，電感兩端的電壓同為 ( -Vout )，等效電路分析如下圖 9 所示。
在此模式下可以得出 Buck Converter Mode 的輸入輸出電壓轉移函數 ( 同傳統 Buck Converter ) 為：
2-3. 模式 3 : Buck-Boost Converter Mode
實際應用於寬輸入電壓時可以偵測輸入與輸出電壓關係切換為 Buck Converter Mode 或 Boost Converter Mode。當輸入電壓與輸出電壓值很接近或相等且負載有變化時，需要在 Buck Converter Mode 及 Boost Converter Mode 之間切換。這種方式保留了 Buck and Boost Converter 的高效率及動作簡單的特性，但控制系統需快速的判斷輸入與輸出的電壓，以決定需操作於 Buck 或 Boost Converter。另一個方法是直接工作在 Buck-Boost Converter Mode，動作原理同傳統 Buck-Boost Converter，如圖10、11 所示。
電感充電時，電感兩端的電壓為輸入電壓 ( Vin )，電感放電時，電感兩端的電壓為輸出電壓 ( Vout )，輸入輸出電壓轉移函數為 :
傳統 Buck-Boost Converter 輸出電壓會與輸入電壓相反，但 Non-isolated 4 Switch Buck-Boost Converter 因有四個開關組成全橋架構，可以利用控制 4 顆開關工作於Buck-Boost Converter Mode 並將輸出電壓與輸入電壓控制為同極性。電感充電時，使電感兩端的電壓為輸入電壓 ( Vin )，電感放電時，使電感兩端的電壓為 ( -Vout )，故輸入輸出電壓轉移函數為 :
由上式可知 : 當 duty cycle ( D ) 等於 0.5 時，Vout = Vin ；當 duty cycle ( D ) 小於 0.5 時，Vout < Vin ( Buck Mode )；當 duty cycle ( D ) 大於 0.5 時，Vout > Vin ( BoostMode )。控制 duty cycle ( D ) 即可控制為 Buck Converter Mode 或 Boost Converter Mode。但由於此方法動作是 4 個開關都是高頻切換，切換損失較大。因此此模式操作時效率會較差，此模式只用在當輸入電壓與輸出電壓值很接近或相等時的條件。優點是設計時一開始就可以以輸入電壓值把操作模式明確地分為三段分別操作於 Buck、Buck-Boost、Boost Converter 及各自對應的控制器。
3. 結論
本文介紹了 Non-isolated 4 Switch Buck-Boost Converter 的三個操作模式 : Buck Converter Mode、Boost Converter Mode、Buck-Boost Converter Mode。雖然 Buck-Boost Converter Mode 控制 duty cycle 也可以控制 Buck 或 Boost Mode，但從上文分析可以看出 Buck Converter Mode 或 Boost Converter Mode 只有 2 個高頻開關在切換，而 Buck-Boost Converter Mode 是 4 個高頻開關在切換，因此操作在 Buck-Boost Converter Mode 的 power loss 及效率會比較差。當輸入電壓小於輸出電壓時用 Boost Converter Mode。當輸入電壓大於輸出電壓時用 Buck Converter Mode。當輸入電壓與輸出電壓很接近時。就可以選擇使用 Buck/Boost Converter Mode 或 Buck-Boost Converter Mode 來操作。
由上述分析可以發現當上臂 MOSFET Q1 或 Q3 處於 always turn on 時，上臂的驅動 IC 需要有一個長時間穩定的 Vcc 供電電源。一般的 Gate Driver IC 因 Bootstrap 電路沒有動作而無法提供長時間穩定的 Vcc 電源給上臂驅動電路。上臂驅動是 4 Switch Buck-Boost Converter 這種架構需克服的課題。因此 TOSHIBA 推出符合車規 AEC-Q100qualified 的小型化 1 channel High-Side N channel MOSFET Gate Driver : TPD7104AF，IC 內建 Charge Pump 電路可以自供電提供上臂驅動。當使用於上臂 always turn on的應用時，也能提供上臂 Gate Driver 長時間穩定的 Vcc 電源。