TW201417482A - 直流對直流雙向電源轉換器 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關一種直流對直流雙向電源轉換器，特指一種藉由包含一高壓側匯流排端及一低壓側電池端之電源轉換器，利用該高壓側匯流排端及低壓側電池端所架構之電路，進而控制該第一切換開關、第二切換開關、第三切換開關及第四切換開關之切換配置，以應用於包含一降壓模式與一升壓模式之轉換操作，並經脈波寬度調變技術以控制各切換開關之導通與截止，並且使用同步整流功能於各切換開關，進而提升雙向直流電源之轉換效率。
Description
本發明係有關直流對直流雙向電源轉換器，特指一種藉由脈波寬度調變技術以控制切換開關之導通及截止，並且使用同步整流功能於各個切換開關，進而提升雙向直流電源之轉換效率。
習用之直流轉換器，是利用一共振電感器將開關切換時儲存於電容器的能量，藉由共振原理將能量回送至輸入端，可降低開關切換損失，並且提高轉換效率，為其主要技術特徵。
如中華民國發明專利公告第I362168號之「一種諧振電路架構應用於Ｈ-橋式直流轉直流轉換器及應用於昇/降壓模式之方法」一案中所揭露的技術，其係包括有：一H-橋式轉換器，主要係將不穩定的直流電源轉換為穩定之直流電源；一第一諧振電路，設置於該H-橋式轉換器之降壓端，係用以降低第一主動式開關元件關閉損失；以及有一第二諧振電路，設置於該H-橋式轉換器之昇壓端，係用以降低第二主動式開關元件導通損失。
前述習用直流轉換器之缺點如下：
1.相同之責任週期下，降壓轉換中之電壓增益比相對較高。
2.相同之責任週期下，升壓轉換中之電壓增益比相對較低。
3.電路配置元件相對較為複雜，故無法有效降低製作成本。
4.電壓增益之轉換受限於電路架構，難以增廣其範圍。
綜上所述，前案所提及關於習用之直流轉換器，儘管能夠達成在藉由共振原理將能量回送至輸入端以降低開關切換損失，並且提高其轉換效率上所具備之基本功能要求，但在使用時之升、降壓轉換電壓增益比、電路配置元件與電壓增益之轉換範圍廣度上，皆存在諸多缺點與不足的情況下，無法發揮更具體之產業應用性。
由於習用之直流轉換器，存在上述之缺失與不足，基於產業進步之未來趨勢前提下，實在有必要提出具體的改善方案，以符合產業進步之所需，更進一步提供業界更多的技術性選擇。
本發明透過「利用脈波寬度調變技術以控制切換開關之導通及截止，並且使用同步整流功能於切換開關，進而提升轉換效率。」作為實施方式。
當操作於降壓模式時，將高壓側匯流排端電源之能量釋放至低壓側電池端，與傳統雙向電源轉換器比較，當操作在相同之責任週期下時，電壓增益比為傳統雙向電源轉換器的一半；當電源轉換器操作於升壓模式時，將低壓側電池端電源之能量釋放至電容器疊接的高壓側匯流排端；當操作在相同責任週期下，電壓增益比為傳統雙向電源轉換器的一倍。
為了達成上述目的及功能，一種直流對直流雙向電源轉換器，包含一高壓側匯流排端及一低壓側電池端，其具體採行的技術手段及方案包括：
一高壓側匯流排端，包括有一第一電容器、一第一切換開關、一第二切換開關、一第二電容器、一第三切換開關及一第四切換開關，其中所述第一電容器一端電性連接所述第一切換開關一端，所述第一切換開關另一端電性連接所述第二切換開關一端，所述第一電容器另一端電性連接所述第二電容器一端、所述第二切換開關另一端及所述第三切換開關一端，所述第二電容器另一端電性連接所述第四切換開關一端，所述第四切換開關另一端電性連接所述第三切換開關另一端。
一低壓側電池端，所述低壓側電池端係電性連接所述高壓側匯流排端，其包括有一電感器及一第三電容器，所述電感器一端電性連接所述第二切換開關一端，所述電感器另一端電性連接所述第三電容器一端，所述第三電容器另一端電性連接所述第三切換開關另一端。
藉由該高壓側匯流排端及低壓側電池端所架構之電路，進而控制所述第一切換開關、所述第二切換開關、所述第三切換開關及所述第四切換開關導通與截止，以應用於包含一降壓模式與一升壓模式之轉換操作。
上述降壓模式之轉換操作係包含有一第一降壓模式、一第二降壓模式、一第三降壓模式及一第四降壓模式。
上述第一降壓模式係該第一切換開關及第三切換開關導通，該第二切換開關及第四切換開關截止，且該第三切換開關作同步整流，一第一高壓側電源對該電感器、第三電容器及一低壓側負載釋放能量。
上述第二降壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，該第一切換開關及第四切換開關截止，且該第二切換開關及第三切換開關作同步整流，儲存於該電感器之能量釋放至該第三電容器及一低壓側負載。
上述第三降壓模式係該第二切換開關及第四切換開關導通，該第一切換開關及第三切換開關截止，且該第二切換開關作同步整流，一第二高壓側電源對該電感器、第三電容器及一低壓側負載釋放能量。
上述第四降壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，該第一切換開關及第四切換開關截止，且該第二切換開關及第三切換開關作同步整流，儲存於該電感器之能量釋放至該第三電容器及一低壓側負載。
上述升壓模式之轉換操作係包含有一第一升壓模式、一第二升壓模式、一第三升壓模式及一第四升壓模式。
上述第一升壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，第一切換開關及第四切換開關截止，一低壓側電源對電感器釋放能量，該第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
上述第二升壓模式係該第一切換開關及第三切換開關導通、第二切換開關及第四切換開關截止，該第一切換開關作同步整流，一低壓側電源與電感器串聯將能量釋放至第一電容器，第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
上述第三升壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，第一切換開關及第四切換開關截止，一低壓側電源對電感器釋放能量，該第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
上述第四升壓模式係第二切換開關及第四切換開關導通，第一切換開關及第三切換開關截止，且該第四切換開關作同步整流，一低壓側電源與電感器串聯將能量釋放至該第二電容器，該第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
本發明直流對直流雙向電源轉換器之優點與特性在於：
1.當操作於降壓模式時，將高壓側匯流排端電源之能量釋放至低壓側電池端，與傳統雙向電源轉換器比較，當操作在相同責任週期下，電壓增益比為傳統雙向電源轉換器的一半。
2.當電源轉換器操作於升壓模式時，將低壓側電池端電源之能量釋放至電容器疊接之高壓側匯流排端，當操作在相同責任週期下，電壓增益比為傳統雙向電源轉換器之一倍。
3.電路配置元件相較於習用前案更為簡單，因此具備降低製作成本之優勢。
4.利用脈波寬度調變模組以控制切換開關之導通及截止，並以切換開關作為同步整流功能，進而提升轉換效率，能應用於更寬廣的轉換範圍之電壓增益。
5.讓使用者可依不同之電源轉換比，選擇最適化的電源轉換器。
請參閱第一圖、第二圖及第六圖所示，分別為本發明一實施例整體裝置系統架構示意圖、降壓模式電路架構示意圖及升壓模式電路架構示意圖，本發明係一種直流對直流雙向電源轉換器，包含一高壓側匯流排端（1）及一低壓側電池端（2），其中：
一高壓側匯流排端（1），包括有一第一電容器（11）〔C H1 〕、一第一切換開關（12）〔S 1〕、一第二切換開關（13）〔S 2〕、一第二電容器（14）〔C H2 〕、一第三切換開關（15）〔S 3〕及一第四切換開關（16）〔S 4〕，其中所述第一電容器（11）一端電性連接所述第一切換開關（12）一端，所述第一切換開關（12）另一端電性連接所述第二切換開關（13）一端，所述第一電容器（11）另一端電性連接所述第二電容器（14）一端、所述第二切換開關（13）另一端及所述第三切換開關（15）一端，所述第二電容器（14）另一端電性連接所述第四切換開關（16）一端，所述第四切換開關（16）另一端電性連接所述第三切換開關（15）另一端；另，高壓側匯流排端（1）電性連接一第一高壓側電源（3）〔V H1 〕、第二高壓側電源（5）〔V H2 〕及一高壓側負載（7）〔R H 〕，其中所述第一高壓側電源（3）一端電性連接所述高壓側負載（7），所述第一高壓側電源（3）另一端電性連接所述第二高壓側電源（5）一端，所述高壓側負載（7）另一端電性連接所述第二高壓側電源（5）另一端。
一低壓側電池端（2），包括有一電感器（21）〔L 1〕及一第三電容器（22）〔C L 〕，所述低壓側電池端（2）係電性連接該高壓側匯流排端（1）；另，低壓側電池端（2）電性連接一低壓側負載（4）〔R L 〕及一低壓側電源（6）〔V L 〕，其中所述電感器（21）一端電性連接所述第二切換開關（13）一端，所述電感器（21）另一端電性連接所述第三電容器（22）一端，所述第三電容器（22）另一端電性連接所述第三切換開關（15）另一端，而所述低壓側負載（4）係與低壓側電源（6）並聯。
藉由該高壓側匯流排端（1）及低壓側電池端（2）所架構之電路，進而控制所述第一切換開關（12）、所述第二切換開關（13）、所述第三切換開關（15）及所述第四切換開關（16）導通與截止，以應用於包含一降壓模式（A）與一升壓模式（B）之轉換操作。
上述降壓模式（A）之轉換操作係具有一第一降壓模式（A1）、一第二降壓模式（A2）、一第三降壓模式（A3）及一第四降壓模式（A4）。
上述升壓模式（B）之轉換操作係具有一第一升壓模式（B1）、一第二升壓模式（B2）、一第三升壓模式（B3）及一第四升壓模式（B4）。
請參閱第二圖及第三圖所示，為本發明一實施例第一降壓模式轉換操作電流路徑示意圖，其中該第一降壓模式（A1）〔請參閱第一圖〕係為使該第一切換開關（12）〔S 1〕及第三切換開關（15）〔S 3〕導通，而該第二切換開關（13）〔S 2〕及第四切換開關（16）〔S 4〕截止，並且該第三切換開關（15）〔S 3〕作同步整流，該第一高壓側電源（3）〔V H 1〕對該電感器（21）〔L 1〕、第三電容器（22）〔C L 〕及低壓側負載（4）〔R L 〕釋放能量。
再者，請參閱第二圖及第四圖所示，係為本發明一實施例第二降壓模式、第四降壓模式轉換操作電流路徑示意圖，其中該第二降壓模式（A2）及第四降壓模式（A4）係該第二切換開關（13）〔S 2〕及第三切換開關（15）〔S 3〕導通，該第一切換開關（12）〔S 1〕及第四切換開關（16）〔S 4〕截止，且該第二切換開關（13）〔S 2〕及第三切換開關（15）〔S 3〕作同步整流，儲存於該電感器（21）〔L 1〕之能量釋放至該第三電容器（22）〔C L 〕及低壓側負載（4）〔R L 〕。
請參閱第二圖及第五圖所示，為本發明一實施例第三降壓模式轉換操作電流路徑示意圖，其中該第三降壓模式（A3）係該第二切換開關（13）〔S 2〕及第四切換開關（16）〔S 4〕導通，該第一切換開關（12）〔S 1〕及第三切換開關（15）〔S 3〕截止，且該第二切換開關（13）〔S 2〕作同步整流，該第二高壓側電源（5）〔V H 2〕對該電感器（21）〔L 1〕、第三電容器（22）〔C L 〕及低壓側負載（4）〔R L 〕釋放能量。
再者，請參閱第六圖及第七圖所示，係為本發明一實施例第一、三升壓模式轉換操作電流路徑示意圖，其中該第一升壓模式（B1）及第三升壓模式（B3）〔請參閱第一圖〕係該第二切換開關（13）〔S 2〕及第三切換開關（15）〔S 3〕導通，第一切換開關（12）〔S 1〕及第四切換開關（16）〔S 4〕截止，該低壓側電源（6）〔V L 〕對電感器（21）〔L 1〕釋放能量，該第一電容器（11）〔C H 1〕及第二電容器（14）〔C H 2〕疊接對高壓側負載（7）〔R H 〕釋放能量。
請參閱第六圖及第八圖所示，為本發明一實施例第二升壓模式轉換操作電流路徑示意圖，其中該第二升壓模式（B2）係該第一切換開關（12）〔S 1〕及第三切換開關（15）〔S 3〕導通、第二切換開關（13）〔S 2〕及第四切換開關（16）〔S 4〕截止，該第一切換開關（12）〔S 1〕作同步整流，該低壓側電源（6）〔V L 〕與電感器（21）〔L 1〕串聯將能量釋放至第一電容器（11）〔C H 1〕，第一電容器（11）〔C H 1〕及第二電容器（14）〔C H 2〕疊接對該高壓側負載（7）〔R H 〕釋放能量。
請參閱第六圖及第九圖所示，為本發明一實施例第四升壓模式轉換操作電流路徑示意圖，其中該第四升壓模式（B4）係第二切換開關（13）〔S 2〕及第四切換開關（16）〔S 4〕導通，第一切換開關（12）〔S 1〕及第三切換開關（15）〔S 3〕截止，且該第四切換開關（16）〔S 4〕作同步整流，該低壓側電源（6）〔V L 〕與電感器（21）〔L 1〕串聯將能量釋放至該第二電容器（14）〔C H 2〕，該第一電容器（11）〔C H 1〕及第二電容器（14）〔C H 2〕疊接對高壓側負載（7）〔R H 〕釋放能量。
綜合上述，本發明係針對直流對直流雙向電源轉換器之應用技術，特指一種藉由包含一高壓側匯流排端（1）及一低壓側電池端（2）之電源轉換器，利用該高壓側匯流排端（1）及低壓側電池端（2）所架構之電路，進而控制第一切換開關（12）、第二切換開關（13）、第三切換開關（15）及第四切換開關（16）之切換配置，以應用於包含一降壓模式（A）與一升壓模式（B）之轉換操作，經脈波寬度調變技術以控制各切換開關之導通及截止，並且使用同步整流功能於各切換開關，進而提升雙向直流電源轉換效率，作一最佳之改良與設計，為本發明對於直流對直流雙向電源轉換器所作最具體之改良。
(1)．．．高壓側匯流排端
(11)．．．第一電容器
(12)．．．第一切換開關
(13)．．．第二切換開關
(14)．．．第二電容器
(15)．．．第三切換開關
(16)．．．第四切換開關
(2)．．．低壓側電池端
(21)．．．電感器
(22)．．．第三電容器
(3)．．．第一高壓側電源
(4)．．．低壓側負載
(5)．．．第二高壓側電源
(6)．．．低壓側電源
(7)．．．高壓側負載
(8)．．．高壓側電源
(A)．．．降壓模式
(A1)．．．第一降壓模式
(A2)．．．第二降壓模式
(A3)．．．第三降壓模式
(A4)．．．第四降壓模式
(B)．．．升壓模式
(B1)．．．第一升壓模式
(B2)．．．第二升壓模式
(B3)．．．第三升壓模式
(B4)．．．第四升壓模式
第一圖係為本發明一實施例整體裝置系統架構示意圖。
第二圖係為本發明一實施例降壓模式電路架構示意圖。
第三圖係為本發明一實施例第一降壓模式轉換操作電流路徑示意圖。
第四圖係為本發明一實施例第二、四降壓模式轉換操作電流路徑示意圖。
第五圖係為本發明一實施例第三降壓模式轉換操作電流路徑示意圖。
第六圖係為本發明一實施例升壓模式電路架構示意圖。
第七圖係為本發明一實施例第一、三升壓模式轉換操作電流路徑示意圖。
第八圖係為本發明一實施例第二升壓模式轉換操作電流路徑示意圖。
第九圖係為本發明一實施例第四升壓模式轉換操作電流路徑示意圖。
(1)．．．高壓側匯流排端
(11)．．．第一電容器
(12)．．．第一切換開關
(13)．．．第二切換開關
(14)．．．第二電容器
(15)．．．第三切換開關
(16)．．．第四切換開關
(2)．．．低壓側電池端
(21)．．．電感器
(22)．．．第三電容器
(3)．．．第一高壓側電源
(4)．．．低壓側負載
(5)．．．第二高壓側電源
(6)．．．低壓側電源
(7)．．．高壓側負載
(A)．．．降壓模式
(A1)．．．第一降壓模式
(A2)．．．第二降壓模式
(A3)．．．第三降壓模式
(A4)．．．第四降壓模式
(B)．．．升壓模式
(B1)．．．第一升壓模式
(B2)．．．第二升壓模式
(B3)．．．第三升壓模式
(B4)．．．第四升壓模式
Claims (11)
- 一種直流對直流雙向電源轉換器，係包含有：
一高壓側匯流排端，包括有一第一電容器、一第一切換開關、一第二切換開關、一第二電容器、一第三切換開關及一第四切換開關，其中所述第一電容器一端電性連接所述第一切換開關一端，所述第一切換開關另一端電性連接所述第二切換開關一端，所述第一電容器另一端電性連接所述第二電容器一端、所述第二切換開關另一端及所述第三切換開關一端，所述第二電容器另一端電性連接所述第四切換開關一端，所述第四切換開關另一端電性連接所述第三切換開關另一端；
一低壓側電池端，所述低壓側電池端係電性連接所述高壓側匯流排端，其包括有一電感器及一第三電容器，所述電感器一端電性連接所述第二切換開關一端，所述電感器另一端電性連接所述第三電容器一端，所述第三電容器另一端電性連接所述第三切換開關另一端；
藉由該高壓側匯流排端及低壓側電池端所架構之電路，進而控制所述第一切換開關、所述第二切換開關、所述第三切換開關及所述第四切換開關導通與截止，以應用於包含一降壓模式與一升壓模式之轉換操作。 - 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該降壓模式之轉換操作係包含有一第一降壓模式、一第二降壓模式、一第三降壓模式及一第四降壓模式。
- 如申請專利範圍第2項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第一降壓模式係該第一切換開關及第三切換開關導通，該第二切換開關及第四切換開關截止，且該第三切換開關作同步整流，使一第一高壓側電源對該電感器、第三電容器及一低壓側負載釋放能量。
- 如申請專利範圍第2項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第二降壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，該第一切換開關及第四切換開關截止，且該第二切換開關及第三切換開關作同步整流，使儲存於該電感器之能量釋放至該第三電容器及一低壓側負載。
- 如申請專利範圍第2項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第三降壓模式係該第二切換開關及第四切換開關導通，該第一切換開關及第三切換開關截止，且該第二切換開關作同步整流，一第二高壓側電源對該電感器、第三電容器及一低壓側負載釋放能量。
- 如申請專利範圍第2項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第四降壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，該第一切換開關及第四切換開關截止，且該第二切換開關及第三切換開關作同步整流，儲存於該電感器之能量釋放至該第三電容器及一低壓側負載。
- 如申請專利範圍第1項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該升壓模式之轉換操作係包含有一第一升壓模式、一第二升壓模式、一第三升壓模式及一第四升壓模式。
- 如申請專利範圍第7項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第一升壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，第一切換開關及第四切換開關截止，一低壓側電源對該電感器釋放能量，該第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
- 如申請專利範圍第7項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第二升壓模式係該第一切換開關及第三切換開關導通，該第二切換開關及第四切換開關截止，該第一切換開關作同步整流，一低壓側電源與該電感器串聯將能量釋放至第一電容器，該第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
- 如申請專利範圍第7項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第三升壓模式係該第二切換開關及第三切換開關導通，第一切換開關及第四切換開關截止，一低壓側電源對該電感器釋放能量，該第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
- 如申請專利範圍第7項所述之直流對直流雙向電源轉換器，其中該第四升壓模式係第二切換開關及第四切換開關導通，第一切換開關及第三切換開關截止，且該第四切換開關作同步整流，一低壓側電源與該電感器串聯將能量釋放至該第二電容器，該第一電容器及第二電容器疊接對一高壓側負載釋放能量。
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|---|---|---|---|
| TW101139300A TWI459702B (zh) | 2012-10-24 | 2012-10-24 | DC to DC bidirectional power converters |
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| TW101139300A TWI459702B (zh) | 2012-10-24 | 2012-10-24 | DC to DC bidirectional power converters |
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|---|---|---|---|
| TW101139300A TWI459702B (zh) | 2012-10-24 | 2012-10-24 | DC to DC bidirectional power converters |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107482913A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-12-15 | 深圳市泰昂能源科技股份有限公司 | 直流电压变换电路及直流电压变换器 |
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2012
- 2012-10-24 TW TW101139300A patent/TWI459702B/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107482913A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-12-15 | 深圳市泰昂能源科技股份有限公司 | 直流电压变换电路及直流电压变换器 |
| CN107482913B (zh) * | 2017-08-17 | 2019-10-25 | 深圳市泰昂能源科技股份有限公司 | 直流电压变换电路及直流电压变换器 |
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|---|---|
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