TW201320575A - 多相式數位控制直流－直流轉換器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法。此轉換器包括複數個升壓型全橋轉換器、微處理單元以及無線通訊模組。此控制方法包括以下步驟。設置交錯式驅動信號以控制複數個升壓型全橋轉換器。判斷是否需要進行軟啟動程序。若要進行軟啟動程序，則等待一段預設時間。以及，依據回授電流以及電流參考信號改變輸出功率，且依據無線通訊模組所接收來自於中央控制模組的功率指定信號以產生電流參考信號。據此，電池之電力可依據中央控制模組的指定功率被提供至電網，以補償電網所缺少的功率。

Description

多相式數位控制直流-直流轉換器及其控制方法
本發明有關於直流-直流轉換器，特別是有關於多相式數位控制直流-直流轉換器及其控制方法。
發展中的新能源有太陽能、風力、水力等，此類能源被稱為再生能源。風力和水力發電會受到地形上的限制，太陽能電在能量的轉換、應用上的效率和技術層面上皆有待突破。再者，這類能源都是集中式的發電系統，在長程的電力傳輸會造成大量的電力損耗。另外，太陽能或風力的供電是受到環境影響，且常是難以符合預期的。當這類集中式的發電系統無法正常運作時，將可能會影響到數量龐大的用電戶。
相對地，燃料電池在使用上較具方便性與彈性。目前技術較成熟、應用最為廣泛之燃料電池為質子交換膜燃料電池，其具有操作溫度較低、功率密度高、結構簡單等優點。燃料電池發電優於太陽能、風力與水力發電之處是，其不受天氣影響，只需不斷補充燃料即可連續發電。燃料電池普遍使用氫氣、甲醇、乙醇、天然氣或其他的碳氫化合物，而氧化劑則可用空氣中的氧氣，且副產物是熱、水或少量的二氧化碳。然而，相對於傳統的蓄電池，燃料電池本身不具儲能的能力，當負載增加的情況下，其輸出電壓將會快速下降。另外，燃料電池為低電壓輸出，如此會產生相當大範圍的輸出電壓變化特性。為了提供負載穩定的電壓源，需要在燃料電池與負載之間加入直流-直流轉換器。
再者，上述再生能源可以被耦接至電網，以提供電力至負載。風力、太陽能等再生能源裝置所提供的電力可能難以預期，因此，當耦接至電網的負載需要特定的功率時，再生能源裝置輸出的電力可能難以總是符合負載的功率需求。
本發明實施例提供一種多相式數位控制直流-直流轉換器及其控制方法，使電網中的中央控制模組控制電池的輸出功率，以使電網的輸出功率符合耦接至電網的負載的功率需求。
本發明實施例提供一種多相式數位控制直流-直流轉換器，具有輸出端，用以透過輸出端提供電力至電網。此電網包括至少一個再生能源裝置、中央控制模組以及匯流排。電網的中央控制模組依據耦接至電網之負載的需求功率減去電網的輸出功率而得到的功率差值產生功率指定信號。此多相式數位控制直流-直流轉換器包括複數個升壓型全橋轉換器、微處理單元與無線通訊模組。此複數個升壓型全橋轉換器電性耦接於電池與多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端之間。微處理單元偵測多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流以產生回授信號。無線通訊模組無線接收來自中央控制模組的功率指定信號，並將此功率指定信號傳送至微處理單元。微處理單元依據回授信號以及功率指定信號交錯式控制複數個升壓型全橋轉換器，並據此使多相式數位控制直流-直流轉換器輸出電力至電網的匯流排以補償上述功率差值。
本發明實施例提供一種多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法，其中多相式數位控制直流-直流轉換器具有輸出端，用以透過輸出端提供電力至電網。電網包括中央控制模組以及匯流排，多相式數位控制直流-直流轉換器包括電池、複數個升壓型全橋轉換器、微處理單元以及無線通訊模組。此多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法包括以下步驟。首先，設置複數個交錯式驅動信號，用以控制複數個升壓型全橋轉換器。然後，判斷控制信號是否發生。接著，判斷控制信號是取樣信號或者是功率指定信號。再來，當控制信號是取樣信號時，取樣電池電壓。在取樣電池電壓後，判斷電池電壓是否大於預設值。若電池電壓大於預設值，則判斷多相式數位控制直流-直流轉換器是否需要進行軟啟動程序。當需要進行軟起動程序時，等待一個預設時間。在此預設時間後，進行微處理單元、複數個升壓型全橋轉換器的軟啟動程序。在軟啟動程序完成後，依據回授電流以及電流參考信號改變多相式數位控制直流-直流轉換器的輸出功率。當控制信號是功率指定信號時，依據無線通訊模組所接收的功率指定信號以更新目前的功率指定信號，其中功率指定信號來自於中央控制模組。然後，在更新功率指定信號後，限定功率指定信號的值在一個預設範圍內，以使多相式數位控制直流-直流轉換器的輸出功率在安全範圍內。接著，在限定功率指定信號的值在預設範圍內之後，依據功率指定信號產生電流參考信號。
本發明實施例提供一種多相式數位控制直流-直流轉換器，具有一輸出端，多相式數位控制直流-直流轉換器包括複數個升壓型全橋轉換器、微處理單元與無線通訊模組。複數個升壓型全橋轉換器電性耦接於電池與多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端之間。微處理單元偵測多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流以產生回授信號。無線通訊模組無線接收功率指定信號，並將功率指定信號傳送至微處理單元。微處理單元依據回授信號以及功率指定信號交錯式控制複數個升壓型全橋轉換器，並據此將電池的電力輸出至輸出端。
綜上所述，本發明實施例所提供的多相式數位控制直流-直流轉換器及其控制方法可使電池之電力依據中央控制模組的指定功率被提供至電網。此指定功率即中央控制模組依據電網中的負載功率需求減去電網中的再生能源裝置所提供的功率而得到的功率差值。換句話說，中央控制模組可指示多相式數位控制直流-直流轉換器輸出電池的電力以補償負載所需的功率。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
 [多相式數位控制直流-直流轉換器的實施例]
請參照圖1，圖1是本發明實施例之再生能源電網的方塊圖。在說明本發明實施例的多相式數位控制直流-直流轉換器之前，先說明其應用的電網。如圖1所示，再生能源電網1(以下簡稱電網)包括鋰電池供電裝置101、太陽能供電裝置104、風力發電裝置107、燃料電池供電裝置108、匯流排113、中央控制模組114、直流-交流轉換器115、直流-直流轉換器117與負載116、118。
鋰電池供電裝置101、燃料電池供電裝置108、太陽能供電裝置104、風力發電裝置107與燃料電池供電裝置108分別耦接到匯流排113。中央控制模組114、直流-交流轉換器115與直流-直流轉換器117也分別耦接到匯流排113。負載116、118分別耦接到直流-交流轉換器115與直流-直流轉換器117。
鋰電池供電裝置101包括鋰電池102與直流-直流轉換器103。鋰電池102透過直流-直流轉換器103將電力提供至匯流排113。匯流排113上的電壓通常可以是380伏特。太陽能供電裝置104包括太陽能模組105與最大功率追蹤單元106。最大功率追蹤單元106將太陽能模組105所能提供的最大功率提供至匯流排113。同樣地，風力發電裝置107與燃料電池供電裝置108也提供電力至匯流排113。另外，中央控制模組114可以監控電網1的匯流排113的電壓與電流，並提供適時的電力切換或警示，以讓監控電網1的操作人員可以即時地了解目前供電情況。再來，針對使用交流電或直流電的不同負載需要有轉換器將匯流排113的電力轉換至負載。例如：直流-交流轉換器115與直流-直流轉換器117分別將匯流排113上的電力轉換至負載116與負載118。
就燃料電池供電裝置108而言，燃料電池供電裝置108包括燃料電池109、直流-直流轉換器110、微處理單元111與無線通訊模組112。燃料電池109與微處理單元111分別耦接直流-直流轉換器110。無線通訊模組112耦接微處理單元111。本實施例的多相式數位控制直流-直流轉換器即包括燃料電池供電裝置108中的直流-直流轉換器110、微處理單元111與無線通訊模組112。無線通訊模組112用以無線接收中央控制模組114的功率指定信號，並將功率指定信號傳送至微處理單元111，藉此燃料電池供電裝置108可以利用其微處理單元111控制直流-直流轉換器110以輸出被指定輸出的功率。需要注意的是，上述的燃料電池也可以用其他的電池(一次性電池或二次電池)替代，本發明並不限定直流-直流轉換器110所耦接的電池類型。以下僅用燃料電池為例來幫助說明。
上述的功率指定信號代表燃料電池供電裝置108的直流-直流轉換器110被指定要輸出的功率。當電網1提供至負載116、118的電力(功率)不足供負載116、118使用時(例如：鋰電池供電裝置101、太陽能供電裝置104與風力發電裝置107所提供的電力不足時)，負載116、118所需求的功率減去電網1當時所提供的總功率得到的功率差值即代表直流-直流轉換器110需要增加輸出的功率，中央控制模組114依據此功率差值產生功率指定信號並傳送至燃料電池供電裝置108，並致使燃料電池供電裝置108輸出更大的功率以補償負載116、118所需要的電力。基於上述所說明的本發明實施例的概念，繼續將本發明實施例的多相式數位控制直流-直流轉換器的電路方塊詳述如後。
請同時參照圖1與圖2，圖2是本發明實施例之全橋式轉換器閉迴路裝置的電路方塊圖。本發明的多相式數位控制直流-直流轉換器的架構可以先以圖2中的全橋式轉換器閉迴路裝置2來說明。全橋式轉換器閉迴路裝置2具有輸出端，可用以直接提供電力至負載或者提供電力至電網，此電網可以包括如圖1所示的中央控制模組114以及匯流排113，此全橋式轉換器閉迴路裝置2包括微處理單元20與升壓型全橋轉換器21。微處理單元20與升壓型全橋轉換器21可以分別對應於圖1的微處理單元111與直流-直流轉換器110。再此先不說明圖1的無線通訊模組112的連結方式，僅先敘述微處理單元20與升壓型全橋轉換器21的作動方式。
復參照圖2，升壓型全橋轉換器21包括電感Lin、第一開關QA、第二開關QB、第三開關QC、第四開關QD、變壓器T1、第一整流器DO1、第二整流器DO2、第一輸出電容CO1與第二輸出電容CO2。燃料電池所提供的電壓以Vin表示(即升壓型全橋轉換器21的輸入電壓)，且升壓型全橋轉換器21的輸出電壓以VO表示。圖2中的電容Cin即代表燃料電池的等效電容，電阻RO即代表負載。
電感Lin具有第一端以及第二端，電感Lin之第一端(標示為+)電性耦接燃料電池之正極。第一開關QA之第一端電性耦接電感Lin之第二端(標示為-)。第二開關QB之第一端電性耦接第一開關QA之第二端，第二開關QB之第二端電性耦接燃料電池之負極。第三開關QC之第一端電性耦接電感Lin之第二端。第四開關QD之第一端電性耦接第三開關QC之第二端，第四開關QD之第二端電性耦接燃料電池之負極。變壓器T1的一次側繞組NP的正極電性耦接第一開關QA之第二端，一次側繞組NP的負極電性耦接第三開關QC之第二端。第一整流器DO1之第一端(在此為二極體的陰極)電性耦接升壓型全橋轉換器21之輸出端的正極，第一整流器DO1之第二端(在此為二極體的陽極)電性耦接變壓器T1之二次側繞組NS的正極。第二整流器DO2之第一端(在此為二極體的陰極)電性耦接變壓器T1之二次側繞組NS的正極，第二整流器DO2之第二端(在此為二極體的陽極)電性耦接升壓型全橋轉換器21之輸出端的負極。第一輸出電容CO1之第一端電性耦接第一整流器DO1之第一端，第一輸出電容CO1之第二端電性耦接變壓器T1之二次側繞組NS的負極。第二輸出電容CO2之第一端電性耦接第一輸出電容CO1之第二端，第二輸出電容CO2之第二端電性耦接第二整流器DO2之第二端。微處理單元20分別耦接第一開關QA、第二開關QB、第三開關QC與第四開關QD的控制端，微處理單元20也耦接升壓型全橋轉換器21的輸出端(也就是耦接第一輸出電容CO1的第一端)。
升壓型全橋轉換器21為電流饋入的直流-直流升壓轉換器，其中二次側繞組NS的閘數大於一次側繞組NP的閘數。第一開關QA與第四開關QD之開關動作是同時導通與同時截止，且第二開關QB與第三開關QC之開關動作是同時導通與同時截止。主要的電路動作原理如下述。首先，藉由第一開關QA、第二開關QB、第三開關QC與第四開關QD同時導通以對電感Lin儲能，此時形同產生了一個電流源。然後，再將成對地第一開關QA與第二開關QC或成對地第二開關QB與第三開關QD交互截止，使得一次側的能量可被傳送到二次側。再來，經過第一整流器DO1與第二整流器DO2交互導通，並以第一輸出電容CO1與第二輸出電容CO2濾波，最後獲得穩定直流輸出電壓VO。
另外，升壓型全橋轉換器21的可以工作於連續導通模式(Constant Conduction Mode，CCM)，且輸入電壓Vin(或者是輸入電流Iin)、輸出電壓VO(或者是輸出電流IO)與工作週期D之間的關係如下式：
其中，n是一次側繞組NP與二次側繞組NS的比例，即n=NP/NS。
微處理單元20主要包括取樣電路201、類比-數位轉換單元202、數位信號處理單元203、閘極驅動單元204與比較單元205。取樣電路201耦接升壓型全橋轉換器21的輸出端與比較單元205。類比-數位轉換單元202耦接比較單元205。數位信號處理單元203耦接類比-數位轉換單元202。閘極驅動單元204耦接於數位信號處理單元203與第一至第四開關QA、QB、QC、QD的控制端之間。
在本實施例中，第一至第四開關QA、QB、QC、QD是功率電晶體，所以第一至第四開關QA、QB、QC、QD的控制端(閘極)受控於閘極驅動單元204，但本發明並不因此限定。第一至第四開關QA、QB、QC、QD的也可以是其他類型的功率開關(例如：繼電器)，故閘極驅動單元204也可改為對應的驅動單元，以適於控制第一至第四開關QA、QB、QC、QD的控制端。
取樣電路201取樣升壓型全橋轉換器21之輸出端的電壓VO或電流IO。比較單元205接收取樣到的電壓VO或電流IO，以產生回授信號SF傳送至比較單元205。此回授信號SF可以包括回授電流或回授電壓。比較單元205將此回授信號SF與參考功率信號作比較，得到比較結果。參考功率信號可以是參考電壓信號Vref或者是參考電流信號Iref。類比-數位轉換單元202將比較單元205所產生的比較結果數位化後傳送至數位信號處理單元203。
數位信號處理單元203可以接收來自類比-數位轉換單元202的比較結果以及外部的功率指定信號。數位信號處理單元203可以依據比較結果輸出脈波寬度調變信號至閘極驅動單元204，且透過閘極驅動單元204控制升壓型全橋轉換器21。數位信號處理單元203也依據外部的功率指定信號產生參考功率信號。須要注意的是，參考功率信號即前述的參考電流信號Iref或參考電壓信號Vref。當升壓型全橋轉換器21要操作在定電壓(Constant Voltage，CV)模式時，參考功率信號可以是參考電壓信號(如圖2所示的Vref)，以使微處理單元20可以依據比較結果來透過閘極驅動單元204控制升壓型全橋轉換器21輸出穩定的輸出電壓VO。當升壓型全橋轉換器21要操作在定電流(Constant Current，CC)模式時，參考功率信號可以是參考電流信號(未圖示)，以使微處理單元20可以依據比較結果來透過閘極驅動單元204控制升壓型全橋轉換器21輸出穩定的輸出電流IO。
請同時參照圖1～圖3，圖3是本發明實施例之多相式數位控制直流-直流轉換器的電路方塊圖。為了有效降低燃料電池側的電流漣波，需要注意的是，本發明實施例將圖2的升壓型全橋轉換器21以四組的方式並聯，且同時受控於微處理單元20。然而，本實施例的並聯的升壓型全橋轉換器的數目僅是為了幫助說明，本發明並不因此限定，升壓型全橋轉換器並聯的數目也可以是兩個以上的複數個。
復參照圖3，多相式數位控制直流-直流轉換器3包括第一升壓型全橋轉換器31、第二升壓型全橋轉換器32、第三升壓型全橋轉換器33、第四升壓型全橋轉換器34、微處理單元30與無線通訊模組(未圖示)。換句話說，圖3的微處理單元30可對應於圖1微處理單元111，圖3的四個升壓型全橋轉換器(即第一升壓型全橋轉換器31、第二升壓型全橋轉換器32、第三升壓型全橋轉換器33與第四升壓型全橋轉換器34)可對應於圖1的直流-直流轉換器110。圖1的無線通訊模組112未繪示於圖3中。電阻RO代表負載。第一升壓型全橋轉換器31、第二升壓型全橋轉換器32、第三升壓型全橋轉換器33與第四升壓型全橋轉換器34的開關QA1、QB1、QC1、QD1、QA2、QB2、QC2、QD2、QA3、QB3、QC3、QD3、QA4、QB4、QC4、QD4為功率電晶體，但本發明並不因此限定。
第一升壓型全橋轉換器31的第一端(即輸入端)電性耦接燃料電池，其第二端(即輸出端)電性耦接至多相式數位控制直流-直流轉換器3之輸出端。同樣地，第二升壓型全橋轉換器32的第一端電性耦接燃料電池，其第二端電性耦接至多相式數位控制直流-直流轉換器3之輸出端。第三升壓型全橋轉換器23的第一端電性耦接燃料電池，其第二端電性耦接至多相式數位控制直流-直流轉換器3之輸出端。第四升壓型全橋轉換器24的第一端電性耦接燃料電池，其第二端電性耦接至多相式數位控制直流-直流轉換器3之輸出端。微處理單元30耦接多相式數位控制直流-直流轉換器3之輸出端，且耦接偵測第一升壓型全橋轉換器31、第二升壓型全橋轉換器32、第三升壓型全橋轉換器33與第四升壓型全橋轉換器34的開關的控制端(即開關QA1、QB1、QC1、QD1、QA2、QB2、QC2、QD2、QA3、QB3、QC3、QD3、QA4、QB4、QC4、QD4的閘極)。另外，無線通訊模組耦接至微處理單元30。
另外，無線通訊模組無線接收來自中央控制模組(例如圖1的中央控制模組114)的功率指定信號，並將此功率指定信號傳送至微處理單元30。本發明的無線通訊模組是Zigbee模組，但本發明並不因此限定。本領域具有通常知識者可知無線通訊模組的實施方式，不再贅述。
復同時參照圖2與圖3，微處理器30包括取樣電路301、類比-數位轉換單元302、數位信號處理單元303、閘極驅動單元304與比較單元305。微處理器30大致上與圖2的微處理單元20相同，僅將其差異敘述如後。
微處理器30同時偵測第一升壓型全橋轉換器31、第二升壓型全橋轉換器32、第三升壓型全橋轉換器33與第四升壓型全橋轉換器34的第二端的電壓或電流以產生回授信號SF。換句話說，微處理器偵測燃料電池直流-直流轉換器3的輸出端的電壓或電流。在圖3中，取樣電路31取樣電流，且比較單元305比較取樣電流與參考電流信號Iref並產生回授信號SF。須要注意的是，此時多相式數位控制直流-直流轉換器3是操作在定電流模式(CC)。另外，閘極驅動單元204電性耦接第一升壓型全橋轉換器31、第二升壓型全橋轉換器32、第三升壓型全橋轉換器33與第四升壓型全橋轉換器34。數位信號處理單元303接收來自類比-數位轉換單元的數位化的回授信號SF以及無線通訊模組112所接收的功率指定信號，並據此輸出四相錯相的脈波寬度調變信號，且透過閘極驅動單元304交錯式地控制第一至第四升壓型全橋轉換器31～34。所述四相錯相的脈波寬度調變信號彼此相差九十度的相位。例如：第一至第四升壓型全橋轉換器31～34分別操作在0°、90°、180°、270°的相位。微處理器30可以依據比較單元比較結果與被指定的輸出功率來控制第一至第四升壓型全橋轉換器3]～34。微處理單元30依據回授信號SF以及功率指定信號來交錯式地控制第一至第四升壓型全橋轉換器31～34，並可據此將燃料電池的電力傳送至電網的匯流排。需要注意的是，上述的燃料電池也可以用其他的電池(一次性電池或二次電池)替代。
請參照圖4A與圖4B，圖4A是本發明實施例之閘極驅動信號的模擬波形圖，圖4B是本發明實施例之第一升壓型全橋轉換器的電感電流、電感電壓、輸出電壓、一次側繞組電壓、二次側繞組電壓、功率電晶體的汲源極電壓的模擬波形圖。為了方便說明，在圖4A中，僅繪出開關QA1、QA2、QA3、QA4的閘極驅動信號，開關QA1、QA2、QA3、QA4的閘極驅動信號為錯相，且此時責任週期為79.8%，多相式數位控制直流-直流轉換器3的輸入電壓(燃料電池電壓)為47伏特、輸出功率為10k瓦特。如圖4B所示，開關QA1、QA2、QA3、QA4的汲源極電壓也為錯相。
請參照圖5A至圖5D，圖5A是本發明實施例之第一至第四升壓型全橋轉換器的左臂上橋的功率電晶體的閘極驅動信號的波形圖，圖5B是本發明實施例之第一至第四升壓型全橋轉換器的左臂上橋的功率電晶體的汲源極電壓的波形圖，圖5C是本發明實施例之第一至第三升壓型全橋轉換器的電感電流的波形圖，圖5D是本發明實施例之第一至第四升壓型全橋轉換器的輸出電流的波形圖。圖5A至圖5D為實際量測的波形圖，此時多相式數位控制直流-直流轉換器3的輸入電壓(燃料電池電壓)為47伏特、輸出功率為8k瓦特。如圖5A與圖5B所示，左臂上橋的功率電晶體(即開關QA1、QA2、QA3、QA4)的閘極驅動信號為錯相，且左臂上橋的功率電晶體的汲源極電壓也是錯相。圖5C僅繪示第一至第三升壓型全橋轉換器的電感電流，用以說明實際量測結果符合模擬的預期，第四升壓型全橋轉換器的電感電流未繪示。圖5D所示的輸出電流IO1、IO2、IO3、IO4，為個別輸出的量測值，實際提供給負載的電流是輸出電流IO1、IO2、IO3、IO4的總和。
請參照圖6，圖6是本發明實施例之在燃料電池電壓為47伏特且輸出功率為500瓦特時的輔助電源的輸入電壓與輸出電壓、閘極驅動信號與輔助電源的閘極驅動信號的波形圖。輔助電源即微處理器30工作時所需的電源，此電源也由燃料電池提供，故必須設計對應的輔助電源電路，本實施例的輔助電源電路採用反馳式轉換器架構。輔助電源的輸入電壓為VBUS，輸出電壓VO_AUX，閘極驅動信號為VgsA(即圖5A的VgsA1、VgsA2、VgsA3、VgsA4)，輔助電源的閘極驅動信號為Vgs_AUX。然而，設計時可能要考慮燃料電池剛開始工作時電壓上升至穩態的緩慢過程的特性。例如：本實施例的燃料電池經過約30秒的時間後才達穩定的輸出電壓。所以輔助電源可以有具有軟啟動程序的啟動電路，以使多相式數位控制直流-直流轉換器3在燃料電池輸出達到穩定時才啟動工作。由圖6可知，輸入電壓VBUS所代表的燃料電池電壓有一個上升過程，且多相式數位控制直流-直流轉換器3的工作在燃料電池電壓的上升過程後的一段時間才開始動作。上述的軟啟動程序與多相式數位控制直流-直流轉換器3的控制方法將於下一實施例中說明。
請參照圖7，圖7是本發明實施例之多相式數位控制直流-直流轉換器的輸出功率與效率的曲線圖。在燃料電池電壓是37～57伏特之間時，本實施例的多相式數位控制直流-直流轉換器3的效率皆在90%以上，且最大輸出功率為10k瓦特。
[多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法的實施例]
請同時參照圖1、圖3與圖8，圖8是本發明實施例之多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法的流程圖。此控制方法即是控制圖3的多相式數位控制直流-直流轉換器3的操作，且可以以軟體或電路的方式實施在微處理單元30。首先，在步驟S101中，設置四組交錯式驅動信號，用以控制四個升壓型全橋轉換器(即第一升壓型全橋轉換器31、第二升壓型全橋轉換器32、第三升壓型全橋轉換器33與第四升壓型全橋轉換器34)。所述四組交錯式驅動信號彼此的相位相差90°。
然後，在步驟S102中，判斷控制信號是否發生。此控制信號可以是取樣燃料電池電壓(即圖3中的電壓Vin)的取樣信號，微處理單元30(即圖1中的微處理單元111)可以一個預定的週期取樣燃料電池電壓。控制信號也可以是來自無線通訊模組112的功率指定信號，此功率指定信號是由圖1中的中央控制模組114無線傳送至無線通訊模組112。須要注意的是，步驟S102的實施方式可以是軟體程式去判斷中斷信號(Interrupt)是否發生，此中斷信號即前述的控制信號，但本發明並因此不限定。另外，上述的燃料電池也可以用其他的電池(一次性電池或二次電池)替代，本發明並不限定多相式數位控制直流-直流轉換器3所耦接的電池類型。以下僅用燃料電池為例來幫助說明。
接著，在步驟S103中，判斷控制信號是取樣信號或者是功率指定信號。當控制信號是取樣信號時，進行步驟S104，當控制信號是功率指定信號時，進行步驟S110。
然後，在步驟S104中，取樣燃料電池電壓。再來，在步驟S105中，判斷燃料電池電壓是否大於預設值。此預設值可以依據燃料電池被設計的工作電壓而有所不同。在本實施例中，此預設值是30伏特。步驟S105同樣地也可以以軟體或電路實施於微處理單元30中。當燃料電池電壓大於預設值時，進行步驟S106；反之，再次進行步驟S102。
接著，在步驟S106中，判斷是否需要進行軟啟動程序。實施步驟S106的方式可以是以軟體或電路實施，當多相式數位控制直流-直流轉換器3剛啟動時，可以軟體程式設定旗標為第一預定值(例如為0)或者可以電路的暫存器儲存第一預設狀態(例如為0)。若要進行軟啟動程序，則進行步驟S107；反之，則進行步驟S109。據此，多相式數位控制直流-直流轉換器3剛啟動時必定是執行步驟S107。
再來，在步驟S107中，等待一段預設時間。此預設時間即燃料電池由剛啟動時的暫態轉變至穩定輸出電壓的時間。在步驟S107中，可以包括將旗標為第二預定值(例如為1)或者可以電路的暫存器儲存第二預設狀態(例如為1)。據此，多相式數位控制直流-直流轉換器3再度取樣燃料電池電壓並進行步驟S106時，就不需要進行第二次軟啟動，因為燃料電池已經在穩態，並輸出穩定的電壓。
然後，在步驟S108中，進行微處理單元與四個升壓型全橋轉換器(31～34)的軟啟動程序。在多相式數位控制直流-直流轉換器3剛開始運作時數位信號處理單元303所產生的脈衝寬度調變信號的責任週期會逐漸增加，並可以產生一個初始的低輸出功率。
接著，在步驟S109中，依據回授電流與電流參考信號改變多相式數位控制直流-直流轉換器3的輸出功率。在本實施例中，取樣電路301取樣回授電流後，比較單元305比較回授電流與電流參考信號Iref並產生回授信號SF以傳送至類比-數位轉換器302。類比-數位轉換器302將數位化的回授信號SF傳送至數位信號處理單元303。數位信號處理單元303再依據回授信號SF產生脈波寬度調變信號，並致使閘極驅動單元304控制升壓型直流-直流轉換器31～34的運作。
當控制信號是功率指定信號時，進行步驟S110。在步驟S110中，依據無線通訊模組112所接收的功率指定信號以更新目前的功率指定信號，此功率指定信號來自於中央控制模組。當無線通訊模組112接收到功率指定信號後，無線通訊模組112會將此功率指定信號傳送至微處理單元111(即圖3的微處理單元30)。需要注意的是，第一次執行步驟S110時，目前的功率指定信號可以是一個預定的功率指定信號，僅用於使多相式數位控制直流-直流轉換器3正常操作在一個低功率輸出的狀態。
然後，在步驟S111中，限定功率指定信號的值在預設範圍內，以使多相式數位控制直流-直流轉換器3的輸出功率在安全範圍內。微處理單元30接收到功率指定信號後可以判斷此指定功率是否在一個預設範圍內，此預設範圍是為了保護燃料電池的正常工作，避免燃料電池的輸出功率過大、過小或者輸出功率變化太大而導致燃料電池的壽命縮短。在本實施例中，預設範圍是500～2500瓦特，若功率指定信號超出預設範圍，則微處理單元30限定指定功率的值。例如：功率指定信號指定3K瓦特，微處理單元30則可以將此指定功率限定為2500瓦特。需要注意的是，此功率的預設範圍也可以依據實際應用而調整，且可以是一個變動的值，以具有應用於不同負載情況的彈性。
接著，在步驟S112中，依據功率指定信號產生電流參考信號。微處理單元30可以依據所接收到的功率指定信號產生電流參考信號，以使多相式數位控制直流-直流轉換器3持續工作時(重複進行步驟S102～S109)，進行輸出功率的改變或維持穩定的輸出功率(步驟S109)。需要注意的是，當多相式數位控制直流-直流轉換器3耦接到圖1中的電網1的匯流排時，匯流排的電壓通常被維持在固定值(例如：380伏特)。因此，多相式數位控制直流-直流轉換器3調整其輸出電流即是調整輸出功率，且取樣電路301取樣得到的電流即可代表目前的輸出功率。在步驟S112完成後，再次進行步驟S102。需要注意的是，在後續的步驟中，若無線通訊模組112並未收到新的功率指示信號，則步驟S102～S109會重複地被進行。據此，多相式數位控制直流-直流轉換器3的輸出功率可以被維持。當無線通訊模組112收到新的功率指示信號並傳送至微處理單元111(即微處理單元30)時，步驟S109可以改變目前的輸出功率。另外，當多相式數位控制直流-直流轉換器3的輸出功率達到指定功率時，微處理單元112(即微處理單元30)也可以透過無線通訊模組112傳送回報信號給中央控制模組114，此時中央控制模組114可以顯示指定功率已被達到，監控電網1的操作人員可以即時地知道目前的功率輸出狀況。
[實施例的可能功效]
根據本發明實施例，上述的多相式數位控制直流-直流轉換器及其控制方法可使電池之電力依據中央控制模組的指定功率被提供至電網。此指定功率即中央控制模組依據電網中的負載功率需求減去電網中的再生能源裝置所提供的功率而得到的功率差值。換句話說，中央控制模組可指示多相式數位控制直流-直流轉換器輸出電池的電力以補償負載所需的功率。如此，當電網中的其他再生能源(太陽能或風力)的供電難以預期時，電池的電力可以依照需求而輸出。多相式數位控制直流-直流轉換器也可以單獨地提供電力至負載，且可以操作在定電流模式(CC)或定電壓模式(CV)。另外，多相式數位控制直流-直流轉換器可以降低電池側的電流漣波，並提供90%以上的效率。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
1．．．電網
101．．．鋰電池供電裝置
104．．．太陽能供電裝置
107．．．風力發電裝置
108．．．燃料電池供電裝置
113．．．匯流排
114．．．中央控制模組
103、110、117．．．直流-直流轉換器
115．．．直流-交流轉換器
116、118．．．負載
2．．．全橋式轉換器閉迴路裝置
20、30．．．微處理單元
21．．．升壓型全橋轉換器
201、301．．．取樣電路
202、302．．．類比-數位轉換單元
203、303．．．數位信號處理單元
204、304．．．閘極驅動單元
205、305．．．比較單元
Lin、Lin1、Lin2、Lin3、Lin4．．．電感
Cin、CinA、CinB、CinC、CinD、CO1、CO2、COA1、COA2、COB1、COB2、COC1、COC2、COD1、COD2．．．電容
RO．．．電阻
T1、T2、T3、T4．．．變壓器
NP．．．一次側繞組
NS．．．二次側繞組
QA、QB、QC、QD、QA1、QB1、QC1、QD1、QA2、QB2、QC2、QD2、QA3、QB3、QC3、QD3、QA4、QB4、QC4、QD4．．．開關
DO1、DO2、DOA1、DOA2、DOB1、DOB2、DOC1、DOC2、DOD1、DOD2．．．整流器
3．．．多相式數位控制直流-直流轉換器
31．．．第一升壓型全橋轉換器
32．．．第二升壓型全橋轉換器
33．．．第三升壓型全橋轉換器
34．．．第四升壓型全橋轉換器
S101～S112．．．步驟流程
圖1是本發明實施例之再生能源電網的方塊圖。
圖2是本發明實施例之全橋式轉換器閉迴路裝置的電路方塊圖。
圖3是本發明實施例之多相式數位控制直流-直流轉換器的電路方塊圖。
圖4A是本發明實施例之閘極驅動信號的模擬波形圖。
圖4B是本發明實施例之第一升壓型全橋轉換器的電感電流、電感電壓、輸出電壓、一次側繞組電壓、二次側繞組電壓、功率電晶體的汲源極電壓的模擬波形圖。
圖5A是本發明實施例之第一至第四升壓型全橋轉換器的左臂上橋的功率電晶體的閘極驅動信號的波形圖。
圖5B是本發明實施例之第一至第四升壓型全橋轉換器的左臂上橋的功率電晶體的汲源極電壓的波形圖。
圖5C是本發明實施例之第一至第三升壓型全橋轉換器的電感電流的波形圖。
圖5D是本發明實施例之第一至第四升壓型全橋轉換器的輸出電流的波形圖。
圖6是本發明實施例之在燃料電池電壓為47伏特且輸出功率為500瓦特時的輔助電源的輸入電壓與輸出電壓、閘極驅動信號與輔助電源的閘極驅動信號的波形圖。
圖7是本發明實施例之多相式數位控制直流-直流轉換器的輸出功率與效率的曲線圖。
圖8是本發明實施例之多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法的流程圖。
S101～S112．．．步驟流程

Claims (14)

  1. 一種多相式數位控制直流-直流轉換器，具有一輸出端，用以透過該輸出端提供電力至一電網，該電網包括至少一個再生能源裝置、一中央控制模組以及一匯流排，該中央控制模組依據耦接至該電網之一負載的一需求功率減去該電網的輸出功率而得到的一功率差值產生一功率指定信號，該多相式數位控制直流-直流轉換器包括：複數個第一升壓型全橋轉換器，電性耦接於一電池與該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端之間；一微處理單元，偵測該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的電壓或電流以產生一回授信號；以及一無線通訊模組，無線接收來自該中央控制模組的該功率指定信號，並將該功率指定信號傳送至該微處理單元；其中，該微處理單元依據該回授信號以及該功率指定信號交錯式控制該些升壓型全橋轉換器，並據此使該多相式數位控制直流-直流轉換器輸出電力至該電網的該匯流排以補償該功率差值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該些升壓型全橋轉換器為電流饋入升壓型全橋轉換器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該些升壓型全橋轉換器中的每一個包括：一電感，具有一第一端以及一第二端，該電感之該第一端電性耦接該電池之正極；一第一開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第一開關之該第一端電性耦接該電感之該第二端；一第二開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第二開關之該第一端電性耦接該第一開關之該第二端，該第二開關之該第二端電性耦接該電池之負極；一第三開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第三開關之該第一端電性耦接該電感之該第二端；一第四開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第四開關之該第一端電性耦接該第三開關之該第二端，該第四開關之該第二端電性耦接該電池之負極；一變壓器，具有一一次側繞組以及一二次側繞組，該一次側繞組的正極電性耦接該第一開關之該第二端，該一次側繞組的負極電性耦接該第三開關之該第二端，其中該二次側繞組的閘數大於該一次側繞組的閘數；一第一整流器，具有一第一端以及一第二端，該第二整流器之該第一端電性耦接該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的正極，該第二整流器之該第二端電性耦接該變壓器之該二次側繞組的正極；一第二整流器，具有一第一端以及一第二端，該第二整流器之該第一端電性耦接該變壓器之二次側繞組的正極，該第二整流器之該第二端電性耦接該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的負極；一第一輸出電容，具有一第一端以及一第二端，該第一輸出電容之該第一端電性耦接該第一整流器之該第一端，該第一輸出電容之該第二端電性耦接該變壓器之該二次側繞組的負極；一第二輸出電容，具有一第一端以及一第二端，該第二輸出電容之該第一端電性耦接該第一輸出電容之該第二端，該第二輸出電容之該第二端電性耦接該第二整流器之該第二端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該微處理單元包括：一取樣電路，取樣該多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流；一比較單元，比較一參考信號與該多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流；一類比-數位轉換單元，將該取樣電路所取樣的電壓或電流數位化，並據此產生該回授信號，其中該回授信號包括回授電流或回授電壓；一驅動單元，電性耦接該些升壓型全橋轉換器；以及一數位信號處理單元，接收該類比-數位轉換單元的該回授信號以及該功率指定信號，並依據該回授信號輸出複數個彼此錯相的脈波寬度調變信號至該驅動單元，且依據該功率指定信號產生該參考信號；其中，該數位信號處理單元透過該驅動單元交錯式控制該些升壓型全橋轉換器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該無線通訊模組為Zigbee模組。
  6. 一種多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法，其中該多相式數位控制直流-直流轉換器具有一輸出端，用以透過該輸出端提供電力至一電網，該電網包括一中央控制模組以及一匯流排，該多相式數位控制直流-直流轉換器包括一電池、複數個升壓型全橋轉換器、一微處理單元以及一無線通訊模組，該多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法包括：設置複數個交錯式驅動信號，用以控制該些升壓型全橋轉換器；判斷一控制信號是否發生；判斷該控制信號是一取樣信號或者是一功率指定信號；當該控制信號是該取樣信號時，取樣該電池電壓；在取樣該電池電壓後，判斷該電池電壓是否大於一預設值；若該電池電壓大於該預設值，則判斷該多相式數位控制直流-直流轉換器是否需要進行一軟啟動程序；當需要進行該軟起動程序時，等待一預設時間；在該預設時間後，進行該微處理單元、該些升壓型全橋轉換器的該軟啟動程序；在該軟啟動程序後，依據一回授電流以及一電流參考信號改變該多相式數位控制直流-直流轉換器的輸出功率；當該控制信號是該功率指定信號時，依據該無線通訊模組所接收的該功率指定信號以更新目前的該功率指定信號，其中該功率指定信號來自於該中央控制模組；在更新該功率指定信號後，限定該功率指定信號的值在一預設範圍內，以使該多相式數位控制直流-直流轉換器的輸出功率在一安全範圍內；以及在限定該功率指定信號的值在該預設範圍內之後，依據該功率指定信號產生該電流參考信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法，其中該些升壓型全橋轉換器為電流饋入升壓型全橋轉換器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法，其中該些升壓型全橋轉換器中的每一個包括：一電感，具有一第一端以及一第二端，該電感之該第一端電性耦接該電池之正極；一第一開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第一開關之該第一端電性耦接該電感之該第二端；一第二開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第二開關之該第一端電性耦接該第一開關之該第二端，該第二開關之該第二端電性耦接該電池之負極；一第三開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第三開關之該第一端電性耦接該電感之該第二端；一第四開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第四開關之該第一端電性耦接該第三開關之該第二端，該第四開關之該第二端電性耦接該電池之負極；一變壓器，具有一一次側繞組以及一二次側繞組，該一次側繞組的正極電性耦接該第一開關之該第二端，該一次側繞組的負極電性耦接該第三開關之該第二端，其中該二次側繞組的閘數大於該一次側繞組的閘數；一第一整流器，具有一第一端以及一第二端，該第二整流器之該第一端電性耦接該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的正極，該第二整流器之該第二端電性耦接該變壓器之該二次側繞組的正極；一第二整流器，具有一第一端以及一第二端，該第二整流器之該第一端電性耦接該變壓器之二次側繞組的正極，該第二整流器之該第二端電性耦接該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的負極；一第一輸出電容，具有一第一端以及一第二端，該第一輸出電容之該第一端電性耦接該第一整流器之該第一端，該第一輸出電容之該第二端電性耦接該變壓器之該二次側繞組的負極；一第二輸出電容，具有一第一端以及一第二端，該第二輸出電容之該第一端電性耦接該第一輸出電容之該第二端，該第二輸出電容之該第二端電性耦接該第二整流器之該第二端。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器的控制方法，其中該微處理單元包括：一取樣電路，取樣該電池之多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流；一比較單元，比較一參考信號與該電池之多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流；一類比-數位轉換單元，將該取樣電路所取樣的電壓或電流數位化，並據此產生該回授信號，其中該回授信號包括回授電流或回授電壓；一驅動單元，電性耦接該些升壓型全橋轉換器；以及一數位信號處理單元，接收該類比-數位轉換單元的該回授信號以及該功率指定信號，並依據該回授信號輸出複數個彼此錯相的脈波寬度調變信號至該驅動單元，且依據該功率指定信號產生該參考信號；其中，該數位信號處理單元透過該驅動單元交錯式控制該些升壓型全橋轉換器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該無線通訊模組為Zigbee模組。
  11. 一種多相式數位控制直流-直流轉換器，具有一輸出端，該多相式數位控制直流-直流轉換器包括：複數個升壓型全橋轉換器，電性耦接於一電池與該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端之間；一微處理單元，偵測該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的電壓或電流以產生一回授信號；以及一無線通訊模組，無線接收一功率指定信號，並將該功率指定信號傳送至該微處理單元；其中，該微處理單元依據該回授信號以及該功率指定信號交錯式控制該些升壓型全橋轉換器，並據此將該電池的電力輸出至該輸出端。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該些升壓型全橋轉換器中的每一個包括：一電感，具有一第一端以及一第二端，該電感之該第一端電性耦接該電池之正極；一第一開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第一開關之該第一端電性耦接該電感之該第二端；一第二開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第二開關之該第一端電性耦接該第一開關之該第二端，該第二開關之該第二端電性耦接該電池之負極；一第三開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第三開關之該第一端電性耦接該電感之該第二端；一第四開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，該第四開關之該第一端電性耦接該第三開關之該第二端，該第四開關之該第二端電性耦接該電池之負極；一變壓器，具有一一次側繞組以及一二次側繞組，該一次側繞組的正極電性耦接該第一開關之該第二端，該一次側繞組的負極電性耦接該第三開關之該第二端，其中該二次側繞組的閘數大於該一次側繞組的閘數；一第一整流器，具有一第一端以及一第二端，該第二整流器之該第一端電性耦接該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的正極，該第二整流器之該第二端電性耦接該變壓器之該二次側繞組的正極；一第二整流器，具有一第一端以及一第二端，該第二整流器之該第一端電性耦接該變壓器之二次側繞組的正極，該第二整流器之該第二端電性耦接該多相式數位控制直流-直流轉換器之該輸出端的負極；一第一輸出電容，具有一第一端以及一第二端，該第一輸出電容之該第一端電性耦接該第一整流器之該第一端，該第一輸出電容之該第二端電性耦接該變壓器之該二次側繞組的負極；一第二輸出電容，具有一第一端以及一第二端，該第二輸出電容之該第一端電性耦接該第一輸出電容之該第二端，該第二輸出電容之該第二端電性耦接該第二整流器之該第二端。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該微處理單元包括：一取樣電路，取樣該多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流；一比較單元，比較一參考信號與該多相式數位控制直流-直流轉換器之輸出端的電壓或電流；一類比-數位轉換單元，將該取樣電路所取樣的電壓或電流數位化，並據此產生該回授信號，其中該回授信號包括回授電流或回授電壓；一驅動單元，電性耦接該些升壓型全橋轉換器；以及一數位信號處理單元，接收該類比-數位轉換單元的該回授信號以及該功率指定信號，並依據該回授信號輸出複數個彼此錯相的脈波寬度調變信號至該驅動單元，且依據該功率指定信號產生該參考信號；其中，該數位信號處理單元透過該驅動單元交錯式控制該些升壓型全橋轉換器。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之多相式數位控制直流-直流轉換器，其中該無線通訊模組為Zigbee模組。
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