CN105322785B - 柔性切换式双向电源转换器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性切换式双向电源转换器包含一主电感、双向开关模块、第一开关模块、第二开关模块以及控制单元。双向开关模块包含双向开关与谐振电感。第一开关模块包含第一开关与第一谐振电容。第二开关模块包含第二开关与第二谐振电容。当双向开关开启使谐振电感与第一谐振电容及第二谐振电容产生谐振，使得第一谐振电容的电压降为零时，控制单元导通第一开关；当双向开关开启使谐振电感与第一谐振电容及第二谐振电容产生谐振，使得第二谐振电容的电压降为零时，控制单元导通第二开关，藉此双向电源传递时皆有柔性切换。

Description

柔性切换式双向电源转换器及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种电源转换器及其操作方法，特别涉及一种柔性切换式双向电源转换器及其操作方法。

背景技术

请参阅图1为现有技术中无隔离式直流对直流转换器的电路图。该无隔离式直流对直流转换器由一输入电容Ci、一主电感L、一主开关Sm、一主二极管Db以及一输出电容Co彼此串、并联电性连接所构成，并且对一外部负载R_L供电。该传统的无隔离式直流对直流转换器是属硬性切换(hard switching)的架构。因此，若想提高切换频率将导致切换损失大幅提升，也直接地影响用以提供散热的散热装置尺寸加大。此外，电磁干扰的问题也将因为切换频率的提高而越加明显，同时为了解决此电磁干扰问题所需使用的电磁干扰滤波器体积也随之加大。

再者，传统的无隔离式直流对直流转换器仅具有单一的电源传递方向，亦即，该无隔离式直流对直流转换器所产生的电源由该输入电容Ci传递至该输出电容Co，并且再提供该外部负载R_L供电。若传统的无隔离式直流对直流转换器若要实现双向转换，则必须将主二极管更换成开关，并且此种双向的转换器所采用的柔性切换甚为复杂。

因此，如何设计出一种架构简单的柔性切换式双向电源转换器及其操作方法，通过控制单元所产生互补的控制信号，对应控制双向开关组的两晶体管开关，以实现双向电源传递时皆有柔性切换，乃为本发明发明人所欲行克服并加以解决的一大课题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种柔性切换式双向电源转换器，以克服现有技术的问题。因此本发明柔性切换式双向电源转换器具有输入侧与输出侧，包含双向开关模块、主电感、第一开关模块、第二开关模块以及控制单元。双向开关模块连接输入侧，包含双向开关以及与双向开关串联连接的谐振电感。主电感并联连接双向开关模块。第一开关模块连接双向开关模块与主电感，包含第一开关与一第一谐振电容。第二开关模块连接双向开关模块与主电感，包含第二开关与第二谐振电容。其中，当谐振电感与第一谐振电容及第二谐振电容产生谐振，使得第一谐振电容的电压降为零时，控制单元导通第一开关，并且通过切换第一开关，进而控制双向电源转换器产生的电源由输入侧传递至输出侧；当谐振电感与第一谐振电容及第二谐振电容产生谐振时，使得第二谐振电容的电压降为零时，控制单元导通第二开关，进而控制双向电源转换器产生的电源由输出侧传递至输入侧。

本发明的另一目的在于提供一种柔性切换式双向电源转换器的操作方法，以克服现有技术的问题。因此本发明操作方法包含下列步骤：(a)提供双向开关模块，双向开关模块连接输入侧，并且包含双向开关与谐振电感；(b)提供主电感，主电感并联连接双向开关模块；(c)提供第一开关模块，连接双向开关模块与主电感，包含第一开关与第一谐振电容；(d)提供第二开关模块，连接双向开关模块与主电感，包含第二开关与第二谐振电容；(e)提供控制单元；以及(f)当谐振电感与第一谐振电容及第二谐振电容产生谐振，使得第一谐振电容的电压降为零时，控制单元导通第一开关，并且通过切换第一开关，进而控制双向电源转换器产生的电源由输入侧传递至输出侧；当谐振电感与第一谐振电容及第二谐振电容产生谐振，使得第二谐振电容的电压降为零时，控制单元导通第二开关，并且通过切换第二开关，进而控制双向电源转换器产生的电源由输出侧传递至输入侧。

为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为现有技术的无隔离式直流对直流转换器的电路图；

图2为本发明柔性切换式双向电源转换器的方块示意图；

图3为本发明柔性切换式双向电源转换器的电路图；

图4为本发明柔性切换式双向电源转换器的电路控制示意图；

图5A为本发明柔性切换式双向电源转换器的电源传递由输入侧传递至输出侧的信号控制波形图；

图5B为本发明柔性切换式双向电源转换器的电源传递由输出侧传递至输入侧的信号控制波形图；

图6A为本发明该双向开关第一实施例的电路图；

图6B为本发明该双向开关第二实施例的电路图；

图6C为本发明该双向开关第三实施例的电路图；

图6D为本发明该双向开关第四实施例的电路图；

图6E为本发明该双向开关第五实施例的电路图；

图6F为本发明该双向开关第六实施例的电路图；

图6G为本发明该双向开关第七实施例的电路图；

图7A为本发明该第一开关与该第一二极管或该第二开关与该第二二极管第一实施例的电路图；

图7B为本发明该第一开关与该第一二极管或该第二开关与该第二二极管第二实施例的电路图；及

图8为本发明柔性切换式双向电源转换器操作方法的流程图。

附图标记说明：

﹝背景技术﹞

Ci 输入电容

L 主电感

Sm 主开关

Db 主二极管

Co 输出电容

R_L 负载

Vi 输入电压

Vo 输出电压

﹝本发明﹞

10 双向开关模块

11 第一开关模块

12 第二开关模块

13 控制单元

Lr 谐振电感

Lm 主电感

Sbi 双向开关组

Bch1 第一支路

S1 第一开关

D1 第一二极管

Cr1 第一谐振电容

S2 第二开关

D2 第二二极管

Cr2 第二谐振电容

Cin 输入电容

Cout 输出电容

Vin 输入电压

Vout 输出电压

Sin 输入侧

Sout 输出侧

Sm1 第一金属氧化物半导体场效晶体管开关

Sm2 第二金属氧化物半导体场效晶体管开关

Sm3 第三金属氧化物半导体场效晶体管开关

Sm4 第四金属氧化物半导体场效晶体管开关

Si1 第一绝缘栅双极晶体管开关

Si2 第二绝缘栅双极晶体管开关

Ssbi 双向开关控制信号

Ssbi1 第一双向开关控制信号

Ssbi2 第二双向开关控制信号

Ss1 第一开关控制信号

Ss2 第二开关控制信号

t1 时间点

t2 时间点

S10～S60 步骤

具体实施方式

以下有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参阅图2为本发明柔性切换式双向电源转换器的方块示意图。该柔性切换式双向电源转换器具有一输入侧Sin与一输出侧Sout，包含一双向开关模块10、一主电感Lm、一第一开关模块11、一第二开关模块12以及一控制单元13(配合参阅图4)。该输入侧设置有一输入电容Cin，并且该输出侧设置有一输出电容Cout。该双向开关模块10连接该输入电容Cin、该主电感Lm、该第一开关模块11以及该第二开关模块12。该输出电容Cout连接该第一开关模块11与该第二开关模块12。

请参阅图3为本发明柔性切换式双向电源转换器的电路图。该双向开关模块10连接该输入侧Sin的该输入电容Cin，主要包含一双向开关Sbi、一谐振电感Lr。该谐振电感Lr串联连接该双向开关组Sbi以形成一第一支路Bch1，并且该主电感Lm并联连接该第一支路Bch1。该第一开关模块11包含一第一开关S1、一第一二极管D1以及一第一谐振电容Cr1。该第一二极管D1并联连接该第一开关S1，并且该第一谐振电容Cr1并联连接该第一开关S1与该第一二极管D1。该第二开关模块12包含一第二开关S2、一第二二极管D2以及一第二谐振电容Cr2。该第二二极管D2并联连接该第二开关S2，并且该第二谐振电容Cr2并联连接该第二开关S2与该第二二极管D2。

请参阅图4为本发明柔性切换式双向电源转换器的电路控制示意图。相较于图3，图4进一步公开本发明双向电源转换器具有一控制单元13。该控制单元13操作性连接该双向开关模块10、该第一开关模块11以及该第二开关模块12。换言之，该控制单元13产生一双向开关控制信号Ssbi、一第一开关控制信号Ss1以及一第二开关控制信号Ss2，并且该双向开关控制信号Ssbi控制该双向开关Sbi、该第一开关控制信号Ss1控制该第一开关S1以及该第二开关控制信号Ss2控制该第二开关S2。

为了更进一步具体说明该柔性切换式双向电源转换器能够提供双向电源传递，以下将配合参阅图5A与图5B分别为本发明柔性切换式双向电源转换器的电源传递由输入侧传递至输出侧以及由输出侧传递至输入侧的信号控制波形图。当该谐振电感Lr与该第一谐振电容Cr1及该第二谐振电容Cr2产生谐振，使得该第一谐振电容Cr1的电压降为零时，该控制单元13即导通该第一开关S1，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输入侧Sin传递至该输出侧Sout。配合图5A说明：在时间点t1，流经该谐振电感Lr的电流为零时，该控制单元13控制该双向开关控制信号Ssbi导通该双向开关Sbi，如此，该双向开关Sbi导通为零电流导通(zero-current turned on)，以实现柔性切换该双向开关Sbi。然后，当该谐振电感Lr与该第一谐振电容Cr1及该第二谐振电容Cr2产生谐振，并且在时间点t2，使得该第一谐振电容Cr1的电压降为零时，该控制单元13即控制该第一开关控制信号Ss1导通该第一开关S1，如此，该第一开关S1为零电压导通(zero-voltage turned on)，以实现柔性切换该第一开关S1，使得该双向电源转换器产生的电源由该输入侧Sin传递至该输出侧Sout时具柔性切换操作。

如图5A所示，值得一提，在该阶段(电源由该输入侧Sin传递至该输出侧Sout)操作中，该第二开关控制信号Ss2与该第一开关控制信号Ss1为具有死区时间(dead time)的互补信号(如图中实线所示)，又或该第二开关控制信号Ss2可为低电平截止信号(如图中虚线所示)。其中，对该第二开关控制信号Ss2为该第一开关控制信号Ss1的互补信号来说，能够达到更低的转换损失。更具体而言，对于电源由该输入侧Sin传递至该输出侧Sout的操作阶段，该第一开关控制信号Ss1导通时机与责任周期(duty cycle)的控制，乃为主要关键，并且配合该双向开关控制信号Ssbi导通时机的控制，以达到电源转换器产生的电源由该输入侧Sin传递至该输出侧Sout时具柔性切换操作。

当该谐振电感Lr与该第一谐振电容Cr1及该第二谐振电容Cr2产生谐振，使得该第二谐振电容Cr2的电压降为零时，该控制单元13即导通该第二开关S2，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输出侧Sout传递至该输入侧Sin。配合图5B说明：在时间点t1，流经该谐振电感Lr的电流为零时，该控制单元13控制该双向开关控制信号Ssbi导通该双向开关Sbi，如此，该双向开关Sbi导通为零电流导通(zero-current turned on)，以实现柔性切换该双向开关Sbi。然后，当该谐振电感Lr与该第一谐振电容Cr1及该第二谐振电容Cr2产生谐振，并且在时间点t2，使得该第二谐振电容Cr2的电压降为零时，该控制单元13即控制该第二开关控制信号Ss2导通该第二开关S2，如此，该第二开关S2为零电压导通(zero-voltageturned on)，以实现柔性切换该第二开关S2，使得该双向电源转换器产生的电源由该输出侧Sout传递至该输出侧Sin时具柔性切换操作。

如图5B所示，值得一提，在该阶段(电源由该输出侧Sout传递至该输入侧Sin)操作中，该第一开关控制信号Ss1与该第二开关控制信号Ss2为具有死区时间(dead time)的互补信号(如图中实线所示)，又或该第一开关控制信号Ss1可为低电平截止信号(如图中虚线所示)。其中，对该第一开关控制信号Ss1为该第二开关控制信号Ss2的互补信号来说，能够达到更低的转换损失。更具体而言，对于电源由该输出侧Sout传递至该输入侧Sin的操作阶段，该第二开关控制信号Ss2导通时机与责任周期(duty cycle)的控制，乃为主要关键，并且配合该双向开关控制信号Ssbi导通时机的控制，以达到电源转换器产生的电源由该输出侧Sout传递至该输入侧Sin时具柔性切换操作。

请参阅图6A～图6G分别为本发明该双向开关第一实施例至第七实施例的电路图。在图6A与图6B中，该双向开关Sbi是由两金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)开关所组成。

在图6A中，每一该金属氧化物半导体场效晶体管开关并联连接一本征二极管(body diode)。值得一提，为了实现该双向开关模块10具有双向电源传输，亦即具有由该输入侧Sin至该输出侧Sout传输以及由该输出侧Sout至该输入侧Sin传输的能力，因此，该两金属氧化物半导体场效晶体管开关以背接方式电性串联连接。以本实施例而言，该两金属氧化物半导体场效晶体管开关的源极(source)彼此电性连接。

对图6A该第一实施例而言，该双向开关控制信号Ssbi包含一第一双向开关控制信号Ssbi1与一第二双向开关控制信号Ssbi2分别控制一第一金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm1与一第二金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm2。该第一双向开关控制信号Ssbi1与该第二双向开关控制信号Ssbi2为高电平导通该第一金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm1与该第二金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm2。

在图6B中，该双向开关Sbi由两金属氧化物半导体场效晶体管开关以及两二极管所组成，其中，每一该金属氧化物半导体场效晶体管开关并联连接一本征二极管。为了实现该双向开关模块10具有双向电源传输，每一该金属氧化物半导体场效晶体管开关串联连接一该二极管，以形成该两电性支路，并且两电性支路再彼此电性并联连接。

对图6B该第二实施例而言，该双向开关控制信号Ssbi包含一第一双向开关控制信号Ssbi1与一第二双向开关控制信号Ssbi2分别控制一第四金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm4与一第三金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm3。当该第一双向开关控制信号Ssbi1为高电平导通该第四金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm4时，该第二双向开关控制信号Ssbi2为低电平截止该第三金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm3，此时，该双向开关模块10用以提供由该输入侧Sin至该输出侧Sout电源传输的操作；反之，当该第一双向开关控制信号Ssbi1为低电平截止该第四金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm4时，该第二双向开关控制信号Ssbi2为高电平导通该第三金属氧化物半导体场效晶体管开关Sm3，此时，该双向开关模块10用以提供由该输出侧Sout至该输入侧Sin电源传输的操作。

在图6C中，该双向开关Sbi由两绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolartransistor,IGBT)开关以及两二极管所组成。为了实现该双向开关模块10具有双向电源传输，每一该绝缘栅双极晶体管开关串联连接一该二极管，以形成两电性支路，并且两电性支路再彼此电性并联连接。

对图6C该第三实施例而言，该双向开关控制信号Ssbi包含一第一双向开关控制信号Ssbi1与一第二双向开关控制信号Ssbi2分别控制一第一绝缘栅双极晶体管开关Si1与一第二绝缘栅双极晶体管开关Si2。当该第一双向开关控制信号Ssbi1为高电平导通该第一绝缘栅双极晶体管开关Si1时，该第二双向开关控制信号Ssbi2为低电平截止该第二绝缘栅双极晶体管开关Si2，此时，该双向开关模块10用以提供由该输入侧Sin至该输出侧Sout电源传输的操作；反之，当该第一双向开关控制信号Ssbi1为低电平截止该第一绝缘栅双极晶体管开关Si1时，该第二双向开关控制信号Ssbi2为高电平导通该第二绝缘栅双极晶体管开关Si2，此时，该双向开关模块10用以提供由该输出侧Sout至该输入侧Sin电源传输的操作。

在图6D与图6E中，该双向开关Sbi由两氮化镓晶体管(gallium nitride,GaN)开关所组成，并且每一该氮化镓晶体管并联连接一本征二极管(body diode)。在图6F与图6G中，该双向开关Sbi由两碳化硅晶体管(silicon carbide,SiC)开关所组成，并且每一该碳化硅晶体管并联连接一本征二极管(body diode)。至于该氮化镓晶体管(gallium nitride,GaN)开关与该碳化硅晶体管(silicon carbide,SiC)开关的控制，可配合对应上述该些实施例操作的说明实现控制双向电源转换器提供双向电源传递。

请参见图7A与图7B分别为本发明该第一开关与该第一二极管或该第二开关与该第二二极管第一实施例与第二实施例的电路图。在图7A中，该第一开关S1或该第二开关S2为一金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field effecttransistor,MOSFET)开关，并且，该金属氧化物半导体场效晶体管开关并联连接一本征二极管(body diode)。在图7B中，该第一开关S1或该第二开关S2为一绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开关，并且，该绝缘栅双极晶体管开关并联连接一二极管。值得一提，上述该金属氧化物半导体场效晶体管开关与该绝缘栅双极晶体管开关所并联连接的二极管差别在于：该金属氧化物半导体场效晶体管开关所并联连接的该本征二极管为该金属氧化物半导体场效晶体管开关本身固有的寄生二极管，而该绝缘栅双极晶体管开关所并联连接的该二极管为一实体的二极管元件。

请参见图8为本发明柔性切换式双向电源转换器操作方法的流程图。本发明该操作方法包含下列步骤：首先，提供一双向开关模块，该双向开关模块连接该输入侧，并且包含一双向开关与一谐振电感(S10)。该柔性切换式双向电源转换器具有一输入侧与一输出侧，并且该输入侧设置有一输入电容，该输出侧设置有一输出电容。然后，提供一主电感，该主电感并联连接该双向开关模块(S20)。

然后，提供一第一开关模块，连接该双向开关模块与该主电感，包含一第一开关以及并联连接该第一开关的一第一谐振电容(S30)。该第一开关模块还包含与该第一开关、该第一谐振电容并联的一第一二极管。然后，提供一第二开关模块，连接该双向开关模块与该主电感，包含一第二开关以及并联连接该第二开关的一第二谐振电容(S40)。该第二开关模块还包含与该第二开关、该第二谐振电容并联的一第二二极管。

然后，提供一控制单元(S50)。该控制单元操作性连接该双向开关模块、该第一开关模块以及该第二开关模块。换言之，该控制单元产生一双向开关控制信号、一第一开关控制信号以及一第二开关控制信号，并且该双向开关控制信号控制该双向开关、该第一开关控制信号控制该第一开关以及该第二开关控制信号控制该第二开关。

最后，当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第一谐振电容的电压降为零时，该控制单元导通该第一开关，并且通过切换(例如可以高频切换)该第一开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输入侧传递至该输出侧；当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第二谐振电容的电压降为零时，该控制单元导通该第二开关，并且通过切换(例如可以高频切换)该第二开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输出侧传递至该输入侧(S60)。

更具体而言，当流经该谐振电感的电流为零时，该控制单元控制该双向开关控制信号导通该双向开关，如此，该双向开关导通为零电流导通(zero-current turned on)，以实现柔性切换该双向开关。然后，当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第一谐振电容的电压降为零时，该控制单元即控制该第一开关控制信号导通该第一开关，如此，该第一开关为零电压导通(zero-voltage turned on)，以实现柔性切换该第一开关，使得该双向电源转换器产生的电源由该输入侧传递至该输出侧时具柔性切换操作。

再者，当流经该谐振电感的电流为零时，该控制单元控制该双向开关控制信号导通该双向开关，如此，该双向开关导通为零电流导通(zero-current turned on)，以实现柔性切换该双向开关。然后，当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第二谐振电容的电压降为零时，该控制单元即控制该第二开关控制信号导通该第二开关，如此，该第二开关为零电压导通(zero-voltage turned on)，以实现柔性切换该第二开关，使得该双向电源转换器产生的电源由该输出侧传递至该输出侧时具柔性切换操作。

值得一提，本发明该双向开关组可具有以下几种实施态样：

一、该双向开关组是由两金属氧化物半导体场效晶体管开关所组成，其中，每一该金属氧化物半导体场效晶体管开关并联连接一本征二极管。该两金属氧化物半导体场效晶体管开关以背接方式电性串联连接，亦即，该两金属氧化物半导体场效晶体管开关的源极彼此电性连接。该双向开关控制信号包含一第一双向开关控制信号与一第二双向开关控制信号分别控制一第一金属氧化物半导体场效晶体管开关与一第二金属氧化物半导体场效晶体管开关。当该第一双向开关控制信号为高电平导通该第一金属氧化物半导体场效晶体管开关时，该第二双向开关控制信号为低电平截止该第二金属氧化物半导体场效晶体管开关，进而控制该电源转换器产生的电源由该输入电容传递至该输出电容。反之，当该第一双向开关控制信号为低电平截止该第一金属氧化物半导体场效晶体管开关时，该第二双向开关控制信号为高电平导通该第二金属氧化物半导体场效晶体管开关，进而控制该电源转换器产生的电源由该输出电容传递至该输入电容。此外，该二双向开关亦可同时导通来达到柔性切换的目的。

二、该双向开关组是由两金属氧化物半导体场效晶体管开关以及两二极管所组成，其中，每一该金属氧化物半导体场效晶体管开关并联连接一本征二极管。每一该金属氧化物半导体场效晶体管开关串联连接一该二极管，以形成该两电性支路，并且两电性支路再彼此电性并联连接。该双向开关控制信号包含一第一双向开关控制信号与一第二双向开关控制信号分别控制一第四金属氧化物半导体场效晶体管开关与一第三金属氧化物半导体场效晶体管开关。当该第一双向开关控制信号为高电平导通该第四金属氧化物半导体场效晶体管开关时，该第二双向开关控制信号为低电平截止该第三金属氧化物半导体场效晶体管开关，进而控制该电源转换器产生的电源由该输入电容传递至该输出电容。反之，当该第一双向开关控制信号为低电平截止该第四金属氧化物半导体场效晶体管开关时，该第二双向开关控制信号为高电平导通该第三金属氧化物半导体场效晶体管开关，进而控制该电源转换器产生的电源由该输出电容传递至该输入电容。

三、该双向开关组是由两绝缘栅双极晶体管开关以及两二极管所组成。其中，每一该绝缘栅双极晶体管开关串联连接一该二极管，以形成两电性支路，并且两电性支路再彼此电性并联连接。该双向开关控制信号包含一第一双向开关控制信号与一第二双向开关控制信号分别控制一第一绝缘栅双极晶体管开关与一第二绝缘栅双极晶体管开关。当该第一双向开关控制信号为高电平导通该第一绝缘栅双极晶体管开关时，该第二双向开关控制信号为低电平截止该第二绝缘栅双极晶体管开关，进而控制该电源转换器产生的电源由该输入电容传递至该输出电容。反之，当该第一双向开关控制信号为低电平截止该第一绝缘栅双极晶体管开关时，该第二双向开关控制信号为高电平导通该第二绝缘栅双极晶体管开关，进而控制该电源转换器产生的电源由该输出电容传递至该输入电容。

四、该双向开关组是由两氮化镓晶体管(gallium nitride,GaN)开关所组成，并且每一该氮化镓晶体管并联连接一本征二极管(body diode)。其中，该些氮化镓晶体管(gallium nitride,GaN)开关可为串联连接方式，或并联连接方式电性连接，以实现控制双向电源转换器提供双向电源传递。

五、该双向开关由两碳化硅晶体管(silicon carbide,SiC)开关所组成，并且每一该碳化硅晶体管并联连接一本征二极管(body diode)。其中，该些氮化镓晶体管(galliumnitride,GaN)开关可为串联连接方式，或并联连接方式电性连接，以实现控制双向电源转换器提供双向电源传递。

综上所述，本发明具有以下的特征与优点：

1、通过该控制单元13所产生互补的控制信号，对应控制该双向开关组Sbi的两晶体管开关，以实现双向电源转换具柔性切换的功能，亦即，该控制单元13用以控制该电源转换器产生的电源由该输入电容Cin传递至该输出电容Cout以及控制该电源转换器产生的电源由该输出电容Cout传递至该输入电容Cin使其具柔性切换；

2、通过控制该双向开关Sbi为零电流导通(zero-current turned on)，以及该第一开关S1与该第二开关S2为零电压导通(zero-voltage turned on)，以实现柔性切换功能，藉此大大地降低开关元件于高频切换时所造成的切换损失；及

3、通过使用氮化镓晶体管(gallium nitride,GaN)或碳化硅晶体管(siliconcarbide,SiC)来组成该双向开关Sbi，以实现低导通损失和切换损失、提高开关切换速度，并且可达到高耐热性与高耐压性使用。

然而，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本发明的专利范围。

Claims (16)

1.一种柔性切换式双向电源转换器，具有一输入侧与一输出侧，该双向电源转换器包含：

一双向开关模块，连接该输入侧，包含：

一双向开关；及

一谐振电感，串联连接该双向开关；

一主电感，并联连接该双向开关模块；

一第一开关模块，连接该双向开关模块与该主电感，包含一第一开关与一第一谐振电容；

一第二开关模块，连接该双向开关模块与该主电感，包含一第二开关与一第二谐振电容；

一控制单元，产生一双向开关控制信号、一第一开关控制信号以及一第二开关控制信号，并且该双向开关控制信号控制该双向开关、该第一开关控制信号控制该第一开关以及该第二开关控制信号控制该第二开关；

其中，对于由输入侧传递至输出侧的电源传递，该控制单元于该第二开关控制信号为低电平时，控制该双向开关控制信号导通该双向开关，然后，当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第一谐振电容的电压降为零时，该控制单元即控制该第一开关控制信号导通该第一开关，并且通过切换该第一开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输入侧传递至该输出侧；

其中，对于由输出侧传递至输入侧的电源传递，该控制单元于该第一开关控制信号为低电平时，控制该双向开关控制信号导通该双向开关，然后，当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第二谐振电容的电压降为零时，该控制单元即控制该第二开关控制信号导通该第二开关，并且通过切换该第二开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输出侧传递至该输入侧。

2.如权利要求1所述的柔性切换式双向电源转换器，其中当该双向开关控制信号导通该双向开关，且经过一第一延迟时间后，确保该第一谐振电容的电压降为零时，该第一开关控制信号导通该第一开关；其中当该双向开关控制信号导通该双向开关，且经过一第二延迟时间后，确保该第二谐振电容的电压降为零时，该第二开关控制信号导通该第二开关。

3.如权利要求2所述的柔性切换式双向电源转换器，其中当该谐振电感的电流为零时，该双向开关控制信号导通该双向开关，进而当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第一谐振电容的电压降为零时，该第一开关控制信号为高电平以导通该第一开关，并且通过切换该第一开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输入侧传递至该输出侧。

4.如权利要求2所述的柔性切换式双向电源转换器，其中当该谐振电感的电流为零时，该双向开关控制信号导通该双向开关，进而当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第二谐振电容的电压降为零时，该第二开关控制信号为高电平以导通该第二开关，并且通过切换该第二开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输出侧传递至该输入侧。

5.如权利要求1所述的柔性切换式双向电源转换器，其中该第一开关模块还包含一第一二极管，并联连接该第一开关与该第一谐振电容，其中该第一开关并联连接该第一谐振电容；该第二开关模块还包含一第二二极管，并联连接该第二开关与该第二谐振电容，其中该第二开关并联连接该第二谐振电容。

6.如权利要求1所述的柔性切换式双向电源转换器，其中该双向开关由两晶体管开关以串联连接或并联连接方式所电性连接组成，其中每一晶体管开关为一金属氧化物半导体场效晶体管开关、一绝缘栅双极晶体管开关、一氮化镓晶体管开关或一碳化硅晶体管开关。

7.如权利要求3所述的柔性切换式双向电源转换器，其中该第二开关控制信号与该第一开关控制信号为具有死区时间的互补信号，或该第二开关控制信号为低电平截止信号。

8.如权利要求4所述的柔性切换式双向电源转换器，其中该第一开关控制信号与该第二开关控制信号为具有死区时间的互补信号，或该第一开关控制信号为低电平截止信号。

9.一种柔性切换式双向电源转换器的操作方法，该柔性切换式双向电源转换器具有一输入侧与一输出侧，该操作方法包含下列步骤：

(a)提供一双向开关模块，该双向开关模块连接该输入侧，并且包含一双向开关与一谐振电感；

(b)提供一主电感，该主电感并联连接该双向开关模块；

(c)提供一第一开关模块，连接该双向开关模块与该主电感，包含一第一开关与一第一谐振电容；

(d)提供一第二开关模块，连接该双向开关模块与该主电感，包含一第二开关与一第二谐振电容；

(e)提供一控制单元，该控制单元产生一双向开关控制信号、一第一开关控制信号以及一第二开关控制信号，并且该双向开关控制信号控制该双向开关、该第一开关控制信号控制该第一开关以及该第二开关控制信号控制该第二开关；及

(f)对于由输入侧传递至输出侧的电源传递，该控制单元于该第二开关控制信号为低电平时，控制该双向开关控制信号导通该双向开关，然后，当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第一谐振电容的电压降为零时，该控制单元即控制该第一开关控制信号导通该第一开关，并且通过切换该第一开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输入侧传递至该输出侧；而对于由输出侧传递至输入侧的电源传递，该控制单元于该第一开关控制信号为低电平时，控制该双向开关控制信号导通该双向开关，然后，当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第二谐振电容的电压降为零时，该控制单元即控制该第二开关控制信号导通该第二开关，并且通过切换该第二开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输出侧传递至该输入侧。

10.如权利要求9所述柔性切换式双向电源转换器的操作方法，其中当该双向开关控制信号导通该双向开关，且经过一第一延迟时间后，确保该第一谐振电容的电压降为零时，该第一开关控制信号导通该第一开关；其中当该双向开关控制信号导通该双向开关，且经过一第二延迟时间后，确保该第二谐振电容的电压降为零时，该第二开关控制信号导通该第二开关。

11.如权利要求10所述柔性切换式双向电源转换器的操作方法，其中当该谐振电感的电流为零时，该双向开关控制信号导通该双向开关，进而当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第一谐振电容的电压降为零时，该第一开关控制信号谐振电容导通该第一开关，并且通过切换该第一开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输入侧传递至该输出侧。

12.如权利要求10所述柔性切换式双向电源转换器的操作方法，其中当该谐振电感的电流为零时，该双向开关控制信号导通该双向开关，进而当该谐振电感与该第一谐振电容及该第二谐振电容产生谐振，使得该第二谐振电容的电压降为零时，该第二开关控制信号为高电平以导通该第二开关，并且通过切换该第二开关，进而控制该双向电源转换器产生的电源由该输出侧传递至该输入侧。

13.如权利要求9所述柔性切换式双向电源转换器的操作方法，其中该第一开关模块还包含一第一二极管，并联连接该第一开关与该第一谐振电容，其中该第一开关并联连接该第一谐振电容；该第二开关模块还包含一第二二极管，并联连接该第二开关与该第二谐振电容，其中该第二开关并联连接该第二谐振电容。

14.如权利要求9所述柔性切换式双向电源转换器的操作方法，其中该双向开关由两晶体管开关以串联连接或并联连接方式所电性连接组成，其中每一晶体管开关为一金属氧化物半导体场效晶体管开关、一绝缘栅双极晶体管开关、一氮化镓晶体管开关或一碳化硅晶体管开关。

15.如权利要求11所述柔性切换式双向电源转换器的操作方法，其中该第二开关控制信号与该第一开关控制信号为具有死区时间的互补信号，或该第二开关控制信号为低电平截止信号。

16.如权利要求12所述柔性切换式双向电源转换器的操作方法，其中该第一开关控制信号与该第二开关控制信号为具有死区时间的互补信号，或该第一开关控制信号为低电平截止信号。