TW202040905A

TW202040905A - 可實現共電池和非共電池架構之切換電路

Info

Publication number: TW202040905A
Application number: TW108114011A
Authority: TW
Inventors: 盧育成; 張霽; 劉濤; 羅峰; 謝卓明
Original assignee: 旭隼科技股份有限公司臺北市內湖區新湖一路 406 號
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2020-11-01
Also published as: TWI677158B

Abstract

本發明公開一種可實現共電池和非共電池架構之切換電路，包括有一交流電源、一功因電路、一充電電路以及一電驛開關。其中當本發明之切換電路為工作於非共電池架構下，於市電透過功因電路的升壓電路架構，升壓到一母線電壓，再透過充電電路的降壓型線路架構給電池充電；當充電電路工作時，電池電平相對於市電零線電平穩定；在電池工作模式下電池通過該功因電路的線路升壓，而電池電平相對於市電零線電平跳變。當工作於共電池架構下，電池中點同市電的零線短接，市電模式和電池模式下電池電平相對於市電零線電平均維持穩定，整體系統穩定，使得產品可根據實際應用場合彈性配置電池，提升了不斷電電源供應產品的靈活度、多樣性和使用便利性。

Description

可實現共電池和非共電池架構之切換電路

本發明涉及一種可實現共電池和非共電池架構之切換電路，特別是一種能夠運用於大功率變換器之直流-直流變換器，且能實現共電池和非共電池架構之切換電路。

現有技術中，有關電力電子領域中電池作為儲能元件至關重要，並廣泛應用於不斷電供應系統等電氣裝置中，然而由於電池的高成本，因此擇取合適的電路拓撲架構，以搭配電池之使用，顯得尤為重要。

相關技術之業內不斷電供應系統，通常採用共電池架構和非共電池架構兩種拓撲策略，對於非共電池拓撲架構，其存在有電池電平相對於市電零線電平會有持續跳變的問題，致使各種不斷電供應系統無法共用同一組電池，同時，電池充電器需採用隔離型拓撲線路，而隔離型元件與器件則限制了充電器的功率，特別是當不斷電系統處於併聯模式下使用時，非共電池拓樸架構，需要各自的電池組，對空間及電池成本的角度來看，不佔優勢，也容易因為電池容量的不平均，而失去不斷電系統併聯的特點。當不斷電系統運用於單機使用時，共電池拓樸架構會同時需要兩組電池，因此電池數量翻倍，整體系統成本顯著上升，又如果減少單組電池節數，又會致使升壓比過大，轉換效率下降，使得功率損耗增加。然而，當不斷電系統運用於併機時，共電池拓樸而能發揮其節省電池數目的優勢。

因共電池與不共電池拓樸架構，分別皆其有上述缺點，故，有必要提出一種能夠根據實際應用場合彈性調整配線及設定即可實現共電池架構和非共電池架構切換的電路拓撲架構，以提高不斷電供應系統的靈活性、多樣性，並且須有效地減少功率消耗。

本發明公開一種可實現共電池和非共電池架構之切換電路，針對上述現有的電池高成本，合理使用配置電池，以節約整體系統成本和空間，提供一種可實現共電池和非共電池架構切換的線路使用於不同實際應用場合。所述的一種可實現共電池和非共電池架構切換線路的技術，乃是採用能夠控制切換的一個開關元件（不限制該開關的串並聯數量），能夠斷開或是閉合電池中點和市電的零線，實現電路拓撲共電池架構和非共電池架構之間的切換。且所述的可實現共電池和非共電池架構切換的線路可應用在高頻非隔離型直流-直流變換器（I類）、高頻隔離型直流-直流變換器（II類）作為開關型的電源供應電路，以及能有效地運用於各種不斷電電源拓樸電路架構中。

本發明的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，包括：一交流電源；一第一矽控整流元件，該第一矽控整流元件的第一端耦接於該交流電源；一第三矽控整流元件，該第三矽控整流元件的第二端耦接於該第一矽控整流元件的第二端；一第一電池，該第一電池的第一端耦接於該第三矽控整流元件的第一端；一電驛開關，該電驛開關的第一端耦接於該第一電池的第二端；一第一電感，該第一電感的第一端耦接於該第三矽控整流元件的第二端；一第五功率開關元件，該第五功率開關元件的第一端耦接於該第一電感的第二端，該第五功率開關元件的第二端耦接於該電驛開關的第二端；一第一二極體，該第一二極體的第一端耦接於該第一電感的第二端；一第一電容，該第一電容的第一端耦接於該第一二極體的第二端，該第一電容的第二端耦接與該第五功率開關的第二端；一第二矽控整流元件，該第二矽控整流元件的第二端耦接於該交流電源；一第四矽控整流元件，該第四矽控整流元件的第一端耦接於該第二矽控整流元件的第一端；一第二電池，該第二電池的第一端耦接於該第一電池的第二端，該第二電池的第二端耦接於該第四矽控整流元件的第二端；一第六功率開關元件，該第六功率開關的第一端耦接於該第五功率開關元件的第二端以及該電驛開關的第二端；一第二電容，該第二電容的第一端耦接於該第六功率開關元件的第一端及該第一電容的第二端；一第二二極體，該第二二極體的第一端耦接於該第二電容的第二端，該第二二極體的第二端耦接於該第六功率開關元件的第二端；一第二電感，該第二電感的第一端耦接於該第四矽控整流元件的第一端，該第二電感的第二端耦接於該第六功率開關元件的第二端及該第二二極體的第二端；及一充電電路，該充電電路分別與該第一電池的第一端相耦接，與該第二電池的第二端相耦接，與該第一電容的第一端相耦接，並與該第一電容的第二端以及該第二電容的第二端相耦接。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

本發明公開一種可實現共電池和非共電池架構之切換電路，能夠根據實際應用場合來調整電路拓撲的架構，實現共電池架構和非共電池架構拓撲之間的切換，以提高系統的靈活度，更有效的使用配置電池或電池組而能夠針對上述現有的電池高成本，提出合理使用配置電池，以節約整體系統成本和空間，提供一種可實現共電池和非共電池架構切換的線路使用於不同實際應用場合。

在下文中將參閱隨附圖式，藉以更充分地描述各種例示性實施例，並在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明之概念可能以許多不同形式來加以體現，且不應解釋為僅限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示電路方塊或電路元件之大小以及相對之尺寸大小與連接或耦接之間的關係；類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然在本文中可能使用術語開關元件係包括有多個功率開關元件，是指一種切換元件的表達術語，但並不限定是採用IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET或是MOSFET，亦或者是具有該些元件或器件功能的組合，即此等元件不應受此等電子元件實際產品術語之限制。以及本文所出現之第一~第四矽控整流元件Q1~Q4、第五~第八功率開關元件Q5~Q8、第一~第二電容C1~C2或是第一~第二電感L1~L2…等等，此等術語乃用以清楚地區分一元件與另一元件，並非具有一定的元件順序排列關係，即有可能會有第一開關、第三開關而無第二開關的元件實施態樣，乃非一定具有連續關係之序號作為元件符號之標示。

如本文中所使用術語之第一端、第二端、上端或下端、左側端或右側端等等，此等術語乃用以清楚地區分一個元件的一端點與該元件的另一端點，或為區分一元件與另一元件之間，或是一個端點與另一個端點之間的位置關係不同，其並非用以限制該文字序號所呈現之順序關係，且非必然有數字上連續之關係；又，本文使用有術語「複數個」或「多個」來描述具有設置多個電路元件，但此等複數個元件並不僅限於實施有二個、三個或四個及四個以上的元件數目表示所實施的技術。以上，合先敘明。

圖1所示，本發明實施例的拓樸電路架構中包括有一交流電源10、一功因電路20、一充電電路30以及一電驛開關40。更進一步詳細的說明，在圖1中是還包括有一第一矽控整流元件Q1、一第二矽控整流元件Q2；功因電路20中包括有一第三矽控整流元件Q3、一第四矽控整流元件Q4、一第一電池B1、一第二電池B2、一第一電感L1、一第二電感L2、一第五功率開關元件Q5、一第六功率開關元件Q6、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第一電容C1以及一第二電容C2。

其中，第一矽控整流元件Q1的第一端耦接於該交流電源10；第三矽控整流元件Q3的第二端耦接於該第一矽控整流元件Q1的第二端；第一電池B1的第一端耦接於該第三矽控整流元件Q3的第一端；所述電驛開關40的第一端耦接於第一電池B1的第二端；第一電感L1的第一端耦接於第三矽控整流元件Q3的第二端；第五功率開關元件Q5的第一端耦接於第一電感L1的第二端，而第五功率開關元件Q5的第二端耦接於電驛開關40的第二端；第一二極體D1的第一端耦接於第一電感L1的第二端；第一電容C1的第一端耦接於第一二極體D1的第二端，第一電容C1的第二端耦接與第五功率開關Q5的第二端。

又，所述第二矽控整流元件Q2的第二端耦接於交流電源10；第四矽控整流元件Q4的第一端耦接於第二矽控整流元件Q2的第一端；第二電池B2的第一端耦接於第一電池B1的第二端，而第二電池B2的第二端耦接於第四矽控整流元件Q4的第二端；第六功率開關Q6的第一端耦接於第五功率開關元件Q5的第二端以及電驛開關40的第二端；第二電容C2的第一端同時耦接於第六功率開關元件Q6的第一端以及第一電容C1的第二端；第二二極體D2的第一端耦接於第二電容C2的第二端，而第二二極體D2的第二端耦接於第六功率開關元件Q6的第二端；第二電感L2的第一端耦接於第四矽控整流元件Q4的第一端，第二電感L2的第二端同時耦接於第六功率開關元件Q6的第二端及第二二極體D2的第二端。此外，充電電路30分別與第一電池B1的第一端相耦接，並與第二電池B2的第二端相耦接，以及與第一電容C1的第一端相耦接，並且與第一電容C1的第二端以及該第二電容C2的第二端相耦接。

在一實施例中，本發明可實現共電池和非共電池架構之切換電路中，所述的充電電路30，如圖1所示包括有一第七功率開關元件Q7、一第三二極體D3、一第三電感L3、一第三電容C3、一第四電容C4、一第四電感L4、一第四二極體D4、一第八功率開關元件Q8、一第五二極體Q5以及一第六二極體D6等元件。

於充電電路30中，第七功率開關元件Q7的第一端耦接於第一電容C1的第一端；第三二極體D3的第二端耦接於第七功率開關元件Q7的第二端，且第三二極體D3的第一端耦接於前述第一電容C1的第二端；第三電感L3的第一端耦接於第三二極體D3的第二端；第三電容C3的第一端耦接於第三電感L3的第二端，而第三電容C3的第二端耦接於第三二極體D3的第一端；該第四電容C4的第一端耦接於第三電容C3的第二端；第四電感L4的第二端耦接於第四電容C4的第二端；第四二極體D4的第二端同時耦接於第三二極體D3的第一端以及第四電容C4的第一端；且第四二極體D4的第一端耦接於第四電感L4的第一端；第八功率開關元件Q8的第一端同時耦接於第四二極體D4的第一端以及第四電感L4的第一端，且第八功率開關元件Q8的第二端同時耦接於第二電容C2的第二端以及第二二極體D2的第一端；第五二極體D5的第一端耦接於該第三電容C3的第一端，而五二極體D5的第二端則是耦接於第一電池B1的第一端；第六二極體D6的第一端耦接於第二電池B2的第二端，且第六二極體D6的第二端耦接於第四電容C4的第二端。

在一實施例中，上述第一電容C1的第二端與第二電容C2的第一端相耦接之處，為一中性點(Neutral Point)，第五功率開關元件Q5的第二端與第六功率開關元件Q6的第一端相耦接之處，亦為一中性點；且當電驛開關40為導通狀態(Turn On)時(亦即為開關閉合)，第一電池B1的第二端與第二電池B2的第一端相耦接之處，也為一中性點，所述各個中性點則形成一中性線(Neutral Line)。以及當電驛開關40為導通狀態(Turn On)時，該電驛開關40為閉合狀態，則此時第一電池B1與第二電池B2為一共電池的電路拓樸架構，能夠透過該充電電路30分別對第一電池B1及第二電池充電B2；此外，當電驛開關40為關閉的截斷狀態(Turn Off)時，則第一電池B1與第二電池B2為一非共電池的電路拓樸架構，此時第一電池B1與第二電池B2串接為一個單一電池元件，或是一個單一電池組，同樣能透過充電電路30對該單一電池執行充電。

前述中，所述的第一~第四矽控整流元件Q1~Q4的第一端為陽極端，而所述第一~第四矽控整流元件Q1~Q4的第二端為陰極端，該第一端及第二端僅為一實施例說明，俾利於搭配圖示作元件連接關係的說明，本發明當不以第一端及第二端的次序為限制，以及解釋第一~第四矽控整流元件Q1~Q4的陽極端是第二端亦可，只要將描述的位置順序加以改變即可，並不影響本發明案的技術內容。在實務上，所述的第一~第四矽控整流元件Q1~Q4還有一第三端為一控制端，能夠控制第一~第四矽控整流元件Q1~Q4的導通與關閉，該控制端一般而言，是連接到控制電路(圖中未顯示)，該控制電路可以讓第一~第四矽控整流元件Q1~Q4導通與關閉，然本發明重點為整體的電路拓樸結構，該控制電路不予贅述。

前述中，所述的第五~第八功率開關元件Q5~Q8的第一端為汲極端，所述第五~第八功率開關元件Q5~Q8的第二端為源極端，但本發明的功率開關元件的第一端及第二端並不以此為限制。另外在實務上，第五~第八功率開關元件Q5~Q8還包括有一第三端為一閘極端，用以控制第五~第八功率開關元件Q5~Q8的導通與關閉，然本發明重點為整體的電路拓樸結構，該閘極端的控制電路不予贅述。並且，所述的第五功率開關元件至該第八功率開關元件Q5~Q8，在實際製作上，可以是功率型的MOSFET、IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET等元件或是IGBT的開關模組，或者是具有該些元件功能的組合。

前述中，所述第一~第六二極體D1~D6的第一端為陽極端，該第一~第六二極體D1~D6的第二端為陰極端。第一電池B1與第二電池B2的第一端為正極端，第一電池B1與第二電池B2的第二端為負極端。第一~第四電感L1~L4的第一端為圖1中第一~第四電感L1~L4的左側端，其第二端為各電感的右側端。又，第一~第四電容C1~C4的第一端為圖1中第一~第四電容C1~C4的上端，其第二端為各電容的下端。然而，本發明在實際運用所描述位置關係的術語上，當不以此為限制。同時，所述的電驛開關40於實際運用上，可以是固態繼電器(SSR)、磁簧繼電器(Reed Relay)、光繼電器(Optial Relay)、電磁繼電器(Electromagnetic Relay)、熱敏繼電器(Thermal Relay)或時間繼電器(Time Relay)等。

圖2所示，乃是本發明的非共電池的運作模式，其中電驛開關40為截斷(OFF)。當系統中裝配單一組電池時，整個系統的電路拓撲架構如圖2所示，為工作於非共電池架構下。於市電供電的交流電源10工作模式下，市電通過功因電路20的升壓電路架構線路(PFC Boost)的架構升壓到360V的母線電壓，而後通過充電電路30的降壓型線路(Charger Buck)的架構給單一電池(B1+B2)，亦即，第一電池B1串接第二電池B2的單一電池為B1+B2，執行充電。當充電電路30工作時，第五二極體D5及第六二極體D6導通後，單一電池的電池電壓被該第五二極體D5及第六二極體D6所鉗位，如此電池的電平相對於市電零線的電平為穩定。另外當該單一電池於工作模式下，電池會透過功因電路線路升壓 (Boost)作用而升壓，然而電池的電平相對於市電零線的電平則成為跳變狀態。

圖3所示，當整體電路系統中裝配正負兩組電池時，此時控制電驛開關40為導通(ON)的狀態，此時整體電路系統拓撲架構如圖3所示，亦即電路系統是工作於共電池架構下。在市電供應模式下，市電之交流電源10通過功因電路20的升壓電路線路架構(PFC Boost)升壓到360V母線電壓，而後通過充電電路30的降壓型線路(Charger Buck)的架構給第一電池B1及第二電池B2充電。第一電池B1與第二電池B2的中點同市電零線短接(Short Circuit)；而不論是市電模式和電池模式下，所述的第一電池B1的電平與第二電池B2的電平相對於市電零線電平，均能維持穩定，並且整體電路系統也能穩定。

圖4所示，為本發明之另一實施例，其所差異於圖1所揭示的實施例在於圖4中的第三電容C3以及第四電容C4等元件各別並聯有一第一電阻R1以及一第二電阻R2，亦即，第三電容C3與第一電阻R1並聯，第四電容C4與第二電阻R2並聯；在實際運用上，所述第一電阻R1除了本身可以是一個電阻元件，也能夠是代表一個負載(Load)，亦即，R1為一第一負載，R2可為一第二負載，本發明並不限制。

綜上所述，本發明中採用電驛開關40的能夠切換不同狀態的器件（不限制串並聯的數量）作用，斷開或閉合電池中點和市電零線，實現電路拓撲共電池架構和非共電池架構之間的切換，能夠應用在高頻非隔離型直流-直流變換器（I類）、高頻隔離型直流-直流變換器（II類）等作為開關型電路；並且能夠根據實際應用場合來調整電路拓撲架構，實現共電池架構和非共電池架構拓撲之間的切換，以提高系統的靈活度，更有效的使用配置電池，極為可靠易行，可以用於不斷電供應系統提高靈活度和多樣性，以提高其市場相容性和使用便利性。顯見，本發明技術內容具有極強的專利申請要件。

然而，本發明說明所述之內容，僅為較佳實施例之舉例說明，當不能以之限定本發明所保護之範圍，任何相關局部變動、微小的修改修正或增加之技術，或為數字上或位置上的變化等等，仍不脫離本發明所保護之範圍。

10:交流電源 20:功因電路 30:充電電路 40:電驛開關 Q1~Q4:第一~第四矽控整流元件 Q5~Q8:第五~第八功率開關元件 B1:第一電池 B2:第二電池 C1~C4:第一~第四電容 L1~L4:第一~第四電感 R1~R2:第一~第二電阻 D1~D6:第一~第六二極體 N:中性點

圖1為本發明實施例的電路拓樸結構連接示意圖；

圖2為本發明實施例中非共電池狀態的電路連接示意圖；

圖3為本發明實施例中共電池狀態的電路連接示意圖；

圖4為本發明另一實施例的電路拓樸結構連接示意圖。

10:交流電源

20:功因電路

30:充電電路

40:電驛開關

Q1~Q4:第一~第四矽控整流元件

Q5~Q8:第五~第八功率開關元件

B1:第一電池

B2:第二電池

C1~C4:第一~第四電容

L1~L4:第一~第四電感

D1~D6:第一~第六二極體

N:中性點

Claims

一種可實現共電池和非共電池架構之切換電路，包括：一交流電源；一第一矽控整流元件，該第一矽控整流元件的第一端耦接於該交流電源；一第三矽控整流元件，該第三矽控整流元件的第二端耦接於該第一矽控整流元件的第二端；一第一電池，該第一電池的第一端耦接於該第三矽控整流元件的第一端；一電驛開關，該電驛開關的第一端耦接於該第一電池的第二端；一第一電感，該第一電感的第一端耦接於該第三矽控整流元件的第二端；一第五功率開關元件，該第五功率開關元件的第一端耦接於該第一電感的第二端，該第五功率開關元件的第二端耦接於該電驛開關的第二端；一第一二極體，該第一二極體的第一端耦接於該第一電感的第二端；一第一電容，該第一電容的第一端耦接於該第一二極體的第二端，該第一電容的第二端耦接與該第五功率開關的第二端；一第二矽控整流元件，該第二矽控整流元件的第二端耦接於該交流電源；一第四矽控整流元件，該第四矽控整流元件的第一端耦接於該第二矽控整流元件的第一端；一第二電池，該第二電池的第一端耦接於該第一電池的第二端，該第二電池的第二端耦接於該第四矽控整流元件的第二端；一第六功率開關元件，該第六功率開關的第一端耦接於該第五功率開關元件的第二端以及該電驛開關的第二端；一第二電容，該第二電容的第一端耦接於該第六功率開關元件的第一端及該第一電容的第二端；一第二二極體，該第二二極體的第一端耦接於該第二電容的第二端，該第二二極體的第二端耦接於該第六功率開關元件的第二端；一第二電感，該第二電感的第一端耦接於該第四矽控整流元件的第一端，該第二電感的第二端耦接於該第六功率開關元件的第二端及該第二二極體的第二端；及一充電電路，該充電電路分別與該第一電池的第一端相耦接，與該第二電池的第二端相耦接，與該第一電容的第一端相耦接，並與該第一電容的第二端以及該第二電容的第二端相耦接。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中該充電電路包括有：一第七功率開關元件，該第七功率開關元件的第一端耦接於該第一電容的第一端；一第三二極體，該第三二極體的第二端耦接於該第七功率開關元件的第二端，該第三二極體的第一端耦接於該第一電容的第二端；一第三電感，該第三電感的第一端耦接於該第三二極體的第二端；一第三電容，該第三電容的第一端耦接於該第三電感的第二端，該第三電容的第二端耦接於該第三二極體的第一端；一第四電容，該第四電容的第一端耦接於該第三電容的第二端；一第四電感，該第四電感的第二端耦接於該第四電容的第二端；一第四二極體，該第四二體的第二端耦接於該第三二極體的第一端及該第四電容的第一端，該第四二極體的第一端耦接於該第四電感的第一端；一第八功率開關元件，該第八功率開關元件的第一端耦接於該第四二極體的第一端，該第八功率開關元件的第二端耦接於該第二電容的第二端；一第五二極體，該第五二極體的第一端耦接於該第三電容的第一端，該五二極體的第二端耦接於該第一電池的第一端；及一第六二極體，該第六二極體的第一端耦接於該第二電池的第二端，該第六二極體的第二端耦接於該第四電容的第二端。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中該第一電容的第二端與該第二電容的第一端相耦接之處，為一中性點(Neutral Point)。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中當該電驛開關為導通狀態(Turn On)時，該電驛開關閉合，該第一電池與該第二電池為一共電池的架構，透過該充電電路分別對該第一電池及該第二電池充電。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中當該電驛開關為關閉的截斷狀態(Turn Off)時，該第一電池與該第二電池為一非共電池的架構，該第一電池與該第二電池串接為一個單一電池，透過該充電電路對該單一電池充電。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中該第一~第四矽控整流元件的第一端為陽極端，該第一~第四矽控整流元件的第二端為陰極端。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中該第五功率開關元件及該第六功率開關元件的第一端為汲極端，該第五功率開關元件及該第六功率開關元件的第二端為源極端。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中該第一二極體及該第二二極體的第一端為陽極端，該第一二極體及該第二二極體的第二端為陰極端。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中該第五功率開關元件及該第六功率開關元件為功率型的MOSFET、IGBT、BJT、MOS、CMOS、JFET等元件或是IGBT的開關模組，或者是具有該些元件功能的組合。
如請求項1所述的可實現共電池和非共電池架構之切換電路，其中該電驛開關為固態繼電器、磁簧繼電器、光繼電器、電磁繼電器、熱敏繼電器或時間繼電器。