TW201733235A - 交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器 - Google Patents

交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器 Download PDF

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莊英俊
吳俊翰
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崑山科技大學
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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Abstract

本發明係在提供一種交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器，主要係設有輸入電壓、輸入電容、第一分壓電容、第二分壓電容、驅動電路、共振槽、交錯式整流器、第一蓄電池及第二蓄電池所電性連接而成；如此，該驅動電路可供正常驅動，該共振槽可使該驅動電路在零電流切換之狀態下，減少該驅動電路之切換損失及提高操作效率，該共振槽所輸出之高頻交流電流經過該交錯式整流器轉換成交錯式高頻弦波脈衝式充電電流分別對該第一蓄電池或該第二蓄電池充電，且利用該交錯式整流器阻隔逆向電流，在該第一蓄電池與該第二蓄電池得到非連續之交錯式脈波電流充電，達到電動車之該第一蓄電池與該第二蓄電池間接休息時間，以提升充電效率及使用壽命。

Description

交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器
本發明係在提供一種交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器，特別係設有輸入電壓、輸入電容、第一分壓電容、第二分壓電容、驅動電路、共振槽、交錯式整流器、第一蓄電池及第二蓄電池所電性連接而成；如此，該驅動電路可供正常驅動，該共振槽可使該驅動電路在零電流切換之狀態下，減少該驅動電路之切換損失及提高操作效率，該共振槽所輸出之高頻交流電流經過該交錯式整流器轉換成交錯式高頻弦波脈衝式充電電流分別對該第一蓄電池或該第二蓄電池充電，且利用該交錯式整流器阻隔逆向電流，在該第一蓄電池與該第二蓄電池得到非連續之交錯式脈波電流充電，達到電動車之該第一蓄電池與該第二蓄電池間接休息時間，以提升充電效率及使用壽命。
按，電能係一種可以替代石油的能源，更可以環保之方式生產，例如使用太陽能、潮汐能、風力、地熱等方式來取得電力，不同於石油燃燒時所產生的廢氣會污染環境，電能算是一種取之不盡的能源，所以在電力電子相關領域中，該如何提升效率且同時降低成本和損失，已為現今各大產業所重視，而目前電動車充電器之應用，會有無法確保電路可正常驅動、切換損失及操作效率不佳之狀況，更無法同時運用蓄電池來達到脈波式充電與不連續電流導通，又無連接共振式電路，因共振式電路可使開關在切換時，達到零電壓切換(Zero Voltage Switching; ZVS)或零電流切換(Zero Current Switching; ZCS)，擁有柔性切換的特性及降低切換時的損失，所以尚未有電動車充電器能將共振式電路結合交錯式整流器以高頻弦波脈波式進行蓄電池充電，故充電效率及使用壽命有限；緣此，本發明人有鑑於習知存在有如上述之缺失，乃潛心研究、改良，遂得以首先發明本發明。
本發明之主要目的係在：該驅動電路可供正常驅動，該共振槽可使該驅動電路在零電流切換之狀態下，減少該驅動電路之切換損失及提高操作效率，該共振槽所輸出之高頻交流電流經過該交錯式整流器轉換成交錯式高頻弦波脈衝式充電電流分別對該第一蓄電池或該第二蓄電池充電，且利用該交錯式整流器阻隔逆向電流，在該第一蓄電池與該第二蓄電池得到非連續之脈波電流充電，達到電動車之該第一蓄電池與該第二蓄電池間接休息時間，以提升充電效率及使用壽命之交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器。
本發明之主要特徵係在：設有輸入電壓、輸入電容、第一分壓電容、第二分壓電容、驅動電路、共振槽、交錯式整流器、第一蓄電池及第二蓄電池所電性連接而成，該輸入電壓之一端係連接於該輸入電容之一端、該第一分壓電容之一端及該驅動電路之第一功率開關之汲極，該第一分壓電容之另一端係連接於該第二分壓電容之一端、該第一蓄電池之一端及該第二蓄電池之一端，該驅動電路之第一功率開關之源極係連接於該驅動電路之第二功率開關之汲極、該共振槽之共振電感之一端，該驅動電路之第二功率開關之源極係連接於該第二分壓電容之另一端、該輸入電容之另一端及該輸入電壓之另一端，該共振槽之共振電感之另一端係連接於該共振槽之共振電容之一端，該共振槽之共振電容之另一端係連接於該交錯式整流器之第一整流二極體之一端及該交錯式整流器之第二整流二極體之一端，該交錯式整流器之第一整流二極體之另一端係連接於該第一蓄電池之另一端，該交錯式整流器之第二整流二極體之另一端係連接於該第二蓄電池之另一端。
本發明交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器，其中，該輸入電壓係為120V，該共振電感係為0.344μH，該共振電容係為2μF，該共振頻率係為192kHz，該切換頻率係為50kHz，其整體效率達到93.73%。
有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：
本發明之實施例，請先參閱第一圖所示，主要係設有輸入電壓Vdc 、輸入電容C dc 、第一分壓電容C1 、第二分壓電容C2 、驅動電路1、共振槽2、交錯式整流器3、第一蓄電池BA 1及第二蓄電池BA 2所電性連接而成，該輸入電壓Vdc 之一端係連接於該輸入電容C dc 之一端、該第一分壓電容C1 之一端及該驅動電路1之第一功率開關S1 之汲極，該第一分壓電容C1 之另一端係連接於該第二分壓電容C2 之一端、該第一蓄電池BA 1之一端及該第二蓄電池BA 2之一端，該驅動電路1之第一功率開關S1 之源極係連接於該驅動電路1之第二功率開關S2 之汲極、該共振槽2之共振電感L r 之一端，該驅動電路1之第二功率開關S2 之源極係連接於該第二分壓電容C2 之另一端、該輸入電容C dc 1 之另一端及該輸入電壓Vdc 之另一端，該共振槽2之共振電感L r 之另一端係連接於該共振槽2之共振電容C r 之一端，該共振槽2之共振電容C r 之另一端係連接於該交錯式整流器3之第一整流二極體DR1 之一端及該交錯式整流器3之第二整流二極體DR2 之一端，該交錯式整流器3之第一整流二極體DR1 之另一端係連接於該第一蓄電池BA 1之另一端，該交錯式整流器3之第二整流二極體DR2 之另一端係連接於該第二蓄電池BA 2之另一端。
使用時，請參閱第一圖所示，係在該輸入電壓Vdc 輸入一直流電壓，經由該輸入電容C dc 、該第一分壓電容C1 或該第二分壓電容C2 分壓、濾波，再將分壓、濾波後之直流電壓供給該驅動電路1之第一功率開關S1 或第二功率開關S2 ，並經第一驅動電壓v gs1 或第二驅動電壓v gs2 觸發該驅動電路1之第一功率開關S1 或第二功率開關S2 切換導通，由該驅動電路1之第一功率開關S1 或第二功率開關S2 來控制切換的模式，同時確保電路正常驅動，並以高頻脈波輸入至該共振槽2，而該驅動電路1之第一功率開關S1 及第二功率開關S2 係選擇MOSFET電晶體開關，其內寄生反向之第一開關二極體D1 、 第二開關二極體D2 可用來配合工作模式的動作，該共振槽2係為共振電感L r 及共振電容C r 所電性連接而成之串聯共振式電路，該共振槽2所輸出之高頻交流電流經過該交錯式整流器3轉換成交錯式高頻弦波脈衝式充電電流分別對該第一蓄電池BA 1或該第二蓄電池BA 2充電，該交錯式整流器3之第一整流二極體DR1 及第二整流二極體DR2 需要很快的逆向恢復時間，才能配合高頻的操作模式，故採用蕭特基(Schottky)二極體或是快速恢復(Fast Recovery)二極體，若使用一般低頻二極體則會因為逆向恢復的時間較緩慢，造成整體電路的效率降低，且會使電路上之元件溫度上升導致損壞，而該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2係為交錯式進行充電，經由該交錯式整流器3阻隔逆向電流，在該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2之充電電流得到非連續之交錯式脈波電流充電，且共振頻率與切換頻率係為不連續導通模式，因此在脈波電流充電中係為非連續電流，進而達到電動車之該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2間接休息時間，以提升該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2之充電效率及使用壽命。
本發明工作模式之波形圖，如第二圖所示，其工作模式分別為：
一、工作模式一（ωto ≦ ωt ＜ ωt1 ），請配合參閱第三圖所示，當第一驅動電壓v gs1 由低電位轉為高電位時，將觸發該驅動電路1之第一功率開關S1 導通，此時第二驅動電壓v gs2 仍在低電位，該驅動電路1之第二功率開關S2 尚未導通，共振電感電流iLr 為一正脈波，該交錯式整流器3之第一整流二極體DR1 形成順向偏壓導通後，對該第一蓄電池BA 1進行充電，在電流瞬間充入該第一蓄電池BA 1，得以觀察第一蓄電池電壓v BA1 為脈動狀態，由該交錯式整流器3之第一整流二極體DR1 形成一個工作迴路完成工作模式一，另當共振電感電流iLr 等於零時，進入工作模式二。
二、工作模式二（ωt1 ≦ ωt ＜ ωt2 ），請配合參閱第四圖所示，當第一驅動電壓v gs1 仍為高電位時，該驅動電路1之第一功率開關S1 仍處於導通狀態，此時第二驅動電壓v gs2 仍在低電位，該驅動電路1之第二功率開關S2 仍未導通，但由於該交錯式整流器3之第一整流二極體DR1 及第二整流二極體DR2 交錯式整流，故無電流逆回至該驅動電路1之第一功率開關S1 或第二功率開關S2 形成迴路，因此，當工作模式一之共振電感電流iLr 為零時，工作模式二並無電流，此時該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2正處於休息狀態，另當第一驅動電壓Vgs1 由高電位切換至低電位，經過延遲時間(Delay time )後，即進入工作模式三。
三、工作模式三（ωt2 ≦ ωt ＜ ωt3 ），請配合參閱第五圖所示，當第二驅動電壓v gs2 由低電位轉為高電位時，將觸發該驅動電路1之第二功率開關S2 導通，此時第一驅動電壓v gs1 轉為低電位，該驅動電路1之第一功率開關S1 尚未導通，共振電感電流iLr 為一負脈波，該交錯式整流器3之第二整流二極體DR2 形成順向偏壓導通後，對該第二蓄電池BA 2進行充電，在電流瞬間充入該第二蓄電池BA 2，得以觀察第二蓄電池電壓v BA2 為高頻弦波脈動狀態，由該交錯式整流器3之第二整流二極體DR2 形成一個工作迴路完成工作模式三，另當共振電感電流iLr 等於零時，進入工作模式四。
四、工作模式四（ωt3 ≦ ωt ＜ ωt4 ），請配合參閱第六圖所示，當第二驅動電壓v gs2 仍為高電位時，該驅動電路1之第二功率開關S2 仍處於導通狀態，此時第一驅動電壓v gs1 仍在低電位，該驅動電路1之第一功率開關S1 仍未導通，但由於該交錯式整流器3之第一整流二極體DR1 及第二整流二極體DR2 交錯式整流，故無電流逆回至該驅動電路1之第一功率開關S1 或第二功率開關S2 形成迴路，因此，當工作模式三之共振電感電流iLr 為零時，工作模式四並無電流，此時該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2正處於休息狀態，另當第二驅動電壓Vgs2 由高電位切換至低電位，經過延遲時間(Delay time )後，即返回工作模式一。
本發明第一驅動電壓v gs1 與第一功率開關電壓v ds1 之波形圖，如第七圖所示，其中CH2:10V/div；CH4:100V/div；Time:5μs/div。
本發明第二驅動電壓v gs2 與第二功率開關電壓v ds2 之波形圖，如第八圖所示，其中CH2:10V/div；CH4: 100V /div；Time:5μs/div。
本發明第一功率開關電壓v ds1 與第一功率開關電流ids1 之波形圖，如第九圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20 A /div；Time:5μs/div。
本發明第二功率開關電壓v ds2 與第二功率開關電流ids2 之波形圖，如第十圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明共振輸入電壓v a 與共振輸出電壓Vb 之波形圖，如第十一圖所示，其中CH2:100V/div；CH4: 100V /div；Time:5μs/div。
本發明共振輸入電壓v a 與共振輸入電流ia 之波形圖，如第十二圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明共振電感電壓v Lr 與共振電感電流iLr 之波形圖，如第十三圖所示，其中CH2:20V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明共振電容電壓v cr 與共振電容電流icr 之波形圖，如第十四圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明共振輸出電壓v b 與共振輸出電流ib 之波形圖，如第十五圖所示，其中CH2:100V/div；CH4: 20A /div；Time:5μs/div。
本發明第一整流二極體電壓v DR1 與第一整流二極體電流i DR1 之波形圖，如第十六圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明第二整流二極體電壓v DR2 與第二整流二極體電流i DR2 之波形圖，如第十七圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明輸入電壓Vdc 與輸入電流idc 之波形圖，如第十八圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明第一蓄電池電壓v BA1 與第一蓄電池電流i BA1 之波形圖，如第十九圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明第二蓄電池電壓v BA2 與第二蓄電池電流i BA2 之波形圖，如第二十圖所示，其中CH2:100V/div；CH4:20A/div；Time:5μs/div。
本發明第一蓄電池電流i BA1 、共振電容電流icr 與第二蓄電池電流i BA2 之波形圖，如第二十一圖所示，其中CH3:50 A /div；CH2:50 A /div；CH4: 50 A /div；Time:5μs/div。
本發明經由選擇適當之參數，如該輸入電壓Vdc 係為120V，該共振電感L r 係為0.344μH，該共振電容C r 係為2μF，該共振頻率fo 係為192kHz，該切換頻率fs 係為50kHz，其整體效率達到93.73%，如第二十二圖所示，係為本發明之效率曲線圖，其效率於重載時有77.377％，輕載時高達93.73％，而該第一蓄電池電壓v BA1 之充電曲線，如第二十三圖所示，該第一蓄電池電流i BA1 之充電曲線，如第二十四圖所示，該第二蓄電池電壓v BA2 之充電曲線，如第二十五圖所示，該第二蓄電池電流i BA2 之充電曲線，如第二十六圖所示；如此，該驅動電路1可確保電路正常驅動，該共振槽2可使該驅動電路1在零電流切換之狀態下，減少該驅動電路1之切換損失及提高操作效率，該共振槽2所輸出之高頻交流電壓經過該交錯式整流器3轉換成交錯式高頻弦波脈衝式充電電流分別對該第一蓄電池BA 1或該第二蓄電池BA 2充電，且利用該交錯式整流器3阻隔逆向電流，在該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2得到非連續之脈波電流充電，達到電動車之該第一蓄電池BA 1與該第二蓄電池BA 2間接休息時間，以提升充電效率及使用壽命。
綜上所述，本發明確實已達到所預期之使用目的與功效，且更較習知者為之理想、實用，惟，上述實施例僅係針對本發明之較佳實施例進行具體說明而已，該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，舉凡其它未脫離本發明所揭示之技術手段下所完成之均等變化與修飾，均應包含於本發明所涵蓋之申請專利範圍中。
1‧‧‧驅動電路
2‧‧‧共振槽
3‧‧‧交錯式整流器
Vd c ‧‧‧輸入電壓
idc ‧‧‧輸入電流C dc ‧‧‧輸入電容
v cdc ‧‧‧輸入電容電壓
icdc ‧‧‧輸入電容電流
C1 ‧‧‧第一分壓電容
v c1 ‧‧‧第一分壓電容電壓
i c1 ‧‧‧第一分壓電容電流
C2 ‧‧‧第二分壓電容
v c2 ‧‧‧第二分壓電容電壓
i c2 ‧‧‧第二分壓電容電流
v gs1 ‧‧‧第一驅動電壓
v gs2 ‧‧‧第二驅動電壓
S1 ‧‧‧第一功率開關
D1 ‧‧‧第一開關二極體
v ds1 ‧‧‧第一功率開關電壓
i ds1 ‧‧‧第一功率開關電流
S2 ‧‧‧第二功率開關
D2 ‧‧‧第二開關二極體
v ds2 ‧‧‧第二功率開關電壓
i ds2 ‧‧‧第二功率開關電流
Lr ‧‧‧共振電感
v Lr ‧‧‧共振電感電壓
i Lr ‧‧‧共振電感電流
Cr ‧‧‧共振電容
v Cr ‧‧‧共振電容電壓
i Cr ‧‧‧共振電容電流
v a ‧‧‧共振輸入電壓
ia ‧‧‧共振輸入電流
v b ‧‧‧共振輸出電壓
ib ‧‧‧共振輸出電流
DR1 ‧‧‧第一整流二極體
v DR1 ‧‧‧第一整流二極體電壓
i DR1 ‧‧‧第一整流二極體電流
DR2 ‧‧‧第二整流二極體
v DR2 ‧‧‧第二整流二極體電壓
i DR2 ‧‧‧第二整流二極體電流
BA1‧‧‧第一蓄電池
v BA1 ‧‧‧第一蓄電池電壓
i BA1 ‧‧‧第一蓄電池電流
BA2‧‧‧第二蓄電池
v BA2 ‧‧‧第二蓄電池電壓
i BA2 ‧‧‧第二蓄電池電流
第一圖所示係為本發明實施例之電路圖。 第二圖所示係為本發明實施例工作模式之波形圖。 第三圖所示係為本發明實施例工作模式一之電路圖。 第四圖所示係為本發明實施例工作模式二之電路圖。 第五圖所示係為本發明實施例工作模式三之電路圖。 第六圖所示係為本發明實施例工作模式四之電路圖。 第七圖所示係為本發明實施例第一驅動電壓v gs1 與第一功率開關電壓v ds1 之波形圖。 第八圖所示係為本發明實施例第二驅動電壓v gs2 與第二功率開關電壓v ds2 之波形圖。 第九圖所示係為本發明實施例第一功率開關電壓v ds1 與第一功率開關電流ids1 之波形圖。 第十圖所示係為本發明實施例第二功率開關電壓v ds2 與第二功率開關電流ids2 之波形圖。 第十一圖所示係為本發明實施例共振輸入電壓v a 與共振輸出電壓Vb 之波形圖。 第十二圖所示係為本發明實施例共振輸入電壓v a 與共振輸入電流ia 之波形圖。 第十三圖所示係為本發明實施例共振電感電壓v Lr 與共振電感電流iLr 之波形圖。 第十四圖所示係為本發明實施例共振電容電壓v cr 與共振電容電流icr 之波形圖。 第十五圖所示係為本發明實施例共振輸出電壓v b 與共振輸出電流ib 之波形圖。 第十六圖所示係為本發明實施例第一整流二極體電壓v DR1 與第一整流二極體電流i DR1 之波形圖。 第十七圖所示係為本發明實施例第二整流二極體電壓v DR2 與第二整流二極體電流i DR2 之波形圖。 第十八圖所示係為本發明實施例輸入電壓Vdc 與輸入電流idc 之波形圖。 第十九圖所示係為本發明實施例第一蓄電池電壓v BA1 與第一蓄電池電流i BA1 之波形圖。 第二十圖所示係為本發明實施例第二蓄電池電壓v BA2 與第二蓄電池電流i BA2 之波形圖。 第二十一圖所示係為本發明實施例第一蓄電池電流i BA1 、共振電容電流icr 與第二蓄電池電流i BA2 之波形圖。 第二十二圖所示係為本發明實施例之效率曲線圖。 第二十三圖所示係為本發明實施例第一蓄電池電壓v BA1 之充電曲線圖。 第二十四圖所示係為本發明實施例第一蓄電池電流i BA1 之充電曲線圖。 第二十五圖所示係為本發明實施例第二蓄電池電壓v BA2 之充電曲線圖。 第二十六圖所示係為本發明實施例第二蓄電池電流i BA2 之充電曲線圖。
1‧‧‧驅動電路
2‧‧‧共振槽
3‧‧‧交錯式整流器
V dc ‧‧‧輸入電壓
i dc ‧‧‧輸入電流
C dc ‧‧‧輸入電容
v cdc ‧‧‧輸入電容電壓
i cdc ‧‧‧輸入電容電流
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C 2 ‧‧‧第二分壓電容
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i BA2 ‧‧‧第二蓄電池電流

Claims (2)

  1. 一種交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器，主要係設有輸入電壓、輸入電容、第一分壓電容、第二分壓電容、驅動電路、共振槽、交錯式整流器、第一蓄電池及第二蓄電池所電性連接而成，該輸入電壓之一端係連接於該輸入電容之一端、該第一分壓電容之一端及該驅動電路之第一功率開關之汲極，該第一分壓電容之另一端係連接於該第二分壓電容之一端、該第一蓄電池之一端及該第二蓄電池之一端，該驅動電路之第一功率開關之源極係連接於該驅動電路之第二功率開關之汲極、該共振槽之共振電感之一端，該驅動電路之第二功率開關之源極係連接於該第二分壓電容之另一端、該輸入電容之另一端及該輸入電壓之另一端，該共振槽之共振電感之另一端係連接於該共振槽之共振電容之一端，該共振槽之共振電容之另一端係連接於該交錯式整流器之第一整流二極體之一端及該交錯式整流器之第二整流二極體之一端，該交錯式整流器之第一整流二極體之另一端係連接於該第一蓄電池之另一端，該交錯式整流器之第二整流二極體之另一端係連接於該第二蓄電池之另一端；如此，該驅動電路可供正常驅動，該共振槽可使該驅動電路在零電流切換之狀態下，減少該驅動電路之切換損失及提高操作效率，該共振槽所輸出之高頻交流電流經過該交錯式整流器轉換成交錯式高頻弦波脈衝式充電電流分別對該第一蓄電池或該第二蓄電池充電，且利用該交錯式整流器阻隔逆向電流，在該第一蓄電池與該第二蓄電池得到非連續之交錯式脈波電流充電，達到電動車之該第一蓄電池與該第二蓄電池間接休息時間，以提升充電效率及使用壽命。
  2. 如申請專利範圍第1項所述交錯式高頻弦波脈衝式電動車充電器，其中，該輸入電壓係為120V，該共振電感係為0.344μH，該共振電容係為2μF，該共振頻率係為192kHz，該切換頻率係為50kHz，其整體效率達到93.73%。
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