TW202207606A

TW202207606A - 直流電壓轉換裝置

Info

Publication number: TW202207606A
Application number: TW109126390A
Authority: TW
Inventors: 鐘郁緯; 劉亞哲; 黃士榮
Original assignee: 大陸商明緯（廣州）電子有限公司; 大陸商蘇州明緯科技有限公司
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2022-02-16
Also published as: TWI771729B

Abstract

本發明係揭露一種直流電壓轉換裝置，其包含一諧振驅動裝置、至少二個第一變壓器、至少二個第二變壓器、至少二個第三變壓器與一整流裝置。第一變壓器之一次側透過第一導線彼此串聯，並透過第二導線耦接諧振驅動裝置。第二變壓器之一次側透過第三導線彼此串聯，並透過第四導線耦接諧振驅動裝置。第三變壓器之一次側透過第五導線彼此串聯，並透過第六導線耦接諧振驅動裝置。整流裝置耦接變壓器之二次側。本發明串聯變壓器之一次側，且並聯變壓器之二次側，以減少銅損並改善變壓器之製作工藝問題。

Description

直流電壓轉換裝置

本發明係關於一種電壓轉換裝置，且特別關於一種直流電壓轉換裝置。

直流-直流轉換器（DC-to-DC converter）也稱為DC-DC轉換器或直流變壓器，是電能轉換的電路或是機電設備，可以將直流（DC）電源轉換為不同電壓的直流（或近似直流）電源。其功率範圍可以從很小（小的電池）到非常大（高壓電源轉換）。有些直流-直流轉換器的輸出電壓和輸入電壓有相同的參考點，而有些直流-直流轉換器的輸出電壓是和輸入電壓隔離。

第1圖為先前技術之三相直流電壓轉換裝置之電路示意圖。如第1圖所示，三相直流電壓轉換裝置1包含六個電子開關10、三個變壓器12、三個諧振槽14、六個二極體16、一輸入電容18與一輸出電容19。所有電子開關10均勻分成三組，每一組彼此並聯，且並聯輸入電容18，又透過一諧振槽14連接一變壓器12，其中諧振槽14由串聯之電感與電容所組成。所有二極體16亦均勻分成三組，每一組彼此並聯，且並聯輸出電容19，又每一組連接一變壓器12。假設設計規格為輸入直流電壓800伏特，輸出直流電壓為100伏特，輸出直流電流為200安培，輸出功率為20千瓦時，需要三個足夠高的輸出電壓的變壓器，但這樣的變壓器之體積較大，不利佈局，且不便繞線，銅阻較高。此外，變壓器12之二次側的電流之方均根值為130安培，若二次側電流為6安培/平方公釐，需要使用為2600條線直徑為0.1公釐之繞線構成的李支線，但此李支線不容易製作。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種直流電壓轉換裝置，以解決習知所產生的問題。

本發明提供一種直流電壓轉換裝置，其係有利佈局、容易熱處理與製作李支線、降低銅損與達到在相同高功率下，低電流與高電流之均勻輸出。

本發明提供一種直流電壓轉換裝置，其包含一諧振驅動裝置、至少二個第一變壓器、至少二個第二變壓器、至少二個第三變壓器、一整流裝置與一輸出電容。第一變壓器之一次側透過至少一條第一導線彼此串聯，所有第一變壓器之一次側具有第一輸入端與第二輸入端，第一輸入端透過第二導線耦接諧振驅動裝置，每一第一變壓器之二次側具有第一輸出端與第二輸出端。第二變壓器之一次側透過至少一條第三導線彼此串聯，所有第二變壓器之一次側具有第三輸入端與第四輸入端，第三輸入端透過第四導線耦接諧振驅動裝置，每一第二變壓器之二次側具有第三輸出端與第四輸出端。第三變壓器之一次側透過至少一條第五導線彼此串聯，所有第三變壓器之一次側具有第五輸入端與第六輸入端，第五輸入端透過第六導線耦接諧振驅動裝置，每一第三變壓器之二次側具有第五輸出端與第六輸出端，第二輸入端、第四輸入端與第六輸入端彼此耦接，第二輸出端、第四輸出端與第六輸出端彼此耦接。整流裝置耦接第一輸出端、第三輸出端與第五輸出端。

在本發明之一實施例中，第一導線與第二導線之總長度、第三導線與第四導線之總長度及條第五導線與第六導線之總長度皆相等。

在本發明之一實施例中，整流裝置透過至少二條第七導線分別耦接第一變壓器之第一輸出端，並透過至少二條第八導線分別耦接第二變壓器之第三輸出端，且透過至少二條第九導線分別耦接第三變壓器之第五輸出端，第七導線之總長度、第八導線之總長度及第九導線之總長度皆相等。

在本發明之一實施例中，整流裝置包含彼此串聯之二個第一整流器、彼此串聯之二個第二整流器、彼此串聯之二個第三整流器、彼此串聯之二個第四整流器、彼此串聯之二個第五整流器與彼此串聯之二個第六整流器。二個第一整流器之間的節點與二個第二整流器之間的節點分別耦接二個第一變壓器之第一輸出端。二個第三整流器之間的節點與二個第四整流器之間的節點分別耦接二個第二變壓器之第三輸出端。二個第五整流器之間的節點與二個第六整流器之間的節點分別耦接二個第三變壓器之第五輸出端。所有第一整流器並聯所有第二整流器、所有第三整流器、所有第四整流器、所有第五整流器與所有第六整流器。

在本發明之一實施例中，第一整流器、第二整流器、第三整流器、第四整流器、第五整流器與第六整流器為二極體。

在本發明之一實施例中，諧振驅動裝置包含一電流切換裝置與一諧振電路。諧振電路耦接電流切換裝置、第二導線、第四導線與第六導線。

在本發明之一實施例中，電流切換裝置包含彼此串聯之二個第一電子開關、彼此串聯之二個第二電子開關與彼此串聯之二個第三電子開關。二個第一電子開關之間的節點耦接諧振電路，二個第二電子開關之間的節點耦接諧振電路，二個第三電子開關之間的節點耦接諧振電路，其中所有第一電子開關並聯所有第二電子開關，且並聯所有第三電子開關。

在本發明之一實施例中，第一電子開關、第二電子開關與第三電子開關皆為N通道金氧半場效電晶體。

在本發明之一實施例中，諧振電路包含一第一諧振槽、一第二諧振槽與一第三諧振槽。第一諧振槽耦接在第二導線與電流切換裝置之間，第二諧振槽耦接在第四導線與電流切換裝置之間，第三諧振槽耦接在第六導線與電流切換裝置之間。

在本發明之一實施例中，第一諧振槽、第二諧振槽與第三諧振槽皆由電感與電容串聯而成。

在本發明之一實施例中，第一變壓器、第二變壓器與第三變壓器之總數量為3的N倍，N為大於或等於2之正整數。

基於上述，直流電壓轉換裝置串聯變壓器之一次側，且並聯變壓器之二次側，以有利佈局、容易熱處理與製作李支線、降低銅損與達到在相同高功率下，低電流與高電流之均勻輸出。

茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

當一個元件被稱為『在…上』時，它可泛指該元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在於兩者之中。相反地，當一個元件被稱為『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在於兩者之中間。如本文所用，詞彙『及/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。

於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現之“一個實施例”或 “一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。

第2圖為本發明之直流電壓轉換裝置之第一實施例之電路示意圖。以下請參閱第2圖，並介紹本發明之直流電壓轉換裝置之第一實施例。直流電壓轉換裝置2包含一諧振驅動裝置21、至少二個第一變壓器22、至少二個第二變壓器23、至少二個第三變壓器24、一整流裝置25與一輸出電容26。第一變壓器22之一次側透過至少一條第一導線221彼此串聯，所有第一變壓器22之一次側具有第一輸入端I1與第二輸入端I2，第一輸入端I1透過第二導線222耦接諧振驅動裝置21，每一第一變壓器22之二次側具有第一輸出端O1與第二輸出端O2。所有第一變壓器22之第一輸出端O1透過至少二條第七導線223分別耦接整流裝置25。第二變壓器23之一次側透過至少一條第三導線231彼此串聯，所有第二變壓器23之一次側具有第三輸入端I3與第四輸入端I4，第三輸入端I3透過第四導線232耦接諧振驅動裝置21，每一第二變壓器23之二次側具有第三輸出端O3與第四輸出端O4。所有第二變壓器23之第三輸出端O3透過至少二條第八導線233分別耦接整流裝置25。第三變壓器24之一次側透過至少一條第五導線241彼此串聯，所有第三變壓器24之一次側具有第五輸入端I5與第六輸入端I6，第五輸入端I5透過第六導線242耦接諧振驅動裝置21，每一第三變壓器24之二次側具有第五輸出端O5與第六輸出端O6。所有第三變壓器24之第五輸出端O5透過至少二條第九導線243分別耦接整流裝置25。第二輸入端I2、第四輸入端I4與第六輸入端I6彼此耦接，第二輸出端O2、第四輸出端O4與第六輸出端O6彼此耦接。整流裝置25耦接第一輸出端O1、第三輸出端O3與第五輸出端O5，輸出電容26並聯整流裝置25。

為了方便與清晰之緣故，第一變壓器22、第二變壓器23、與第三變壓器24之數量皆為二，第一導線221、第三導線231與第五導線241之數量皆為一。第一變壓器22、第二變壓器23與第三變壓器24之總數量為3的N倍，N為大於或等於2之正整數。第一變壓器22之總數量等於第二變壓器23之總數量，亦等於第三變壓器24之總數量。當第一變壓器22、第二變壓器23與第三變壓器24之數量增加時，第七導線223、第八導線233與第九導線243之數量也會對應增加。相較第1圖之架構，變壓器有至少六個，可有效減少單顆元件之體積，佈局擺置可較彈性且熱處理較為容易。此外，變壓器之一次側為串聯方式，圈數可以降低以減少銅損。變壓器之二次側為並聯方式，故二次側之電流之方均根值可以降低為65安培。若二次側之電流密度為6安培/平方公釐時，容易製作1300條線直徑為0.1公釐之繞線構成的李支線。由於變壓器之一次側為串聯，二次側為並聯，可達到在相同高功率下，低電流與高電流之均勻輸出，例如適用於100伏特與200安培之輸出規格，也適用於400伏特與50安培之輸出規格。

在本發明之某些實施例中，第一導線221與第二導線222之總長度、第三導線231與第四導線232之總長度及條第五導線241與第六導線242之總長度皆相等。第七導線223之總長度、第八導線233之總長度及第九導線243之總長度皆相等。諧振驅動裝置21接收一直流輸入電壓Vi，並將此透過第一變壓器22、第二變壓器23與第三變壓器24傳送給整流裝置25，進而在輸出電容26上產生直流輸出電壓Vo。因為在多相式直流電壓轉換裝置中，每一相位之導線所形成之電感若差異過大，將會造成輸出電流不均勻之問題，因此各相位之導線所形成之漏感值至關重要。直流電壓轉換裝置2對應每一相位具有至少二個變壓器，可有效平衡各相位之導線長度，使各相位之漏感值為一致，進而輸出均勻電流。

第3圖為本發明之直流電壓轉換裝置之第二實施例之電路示意圖。以下請參閱第3圖，並介紹本發明之直流電壓轉換裝置之第二實施例。第一實施例與第二實施例差別在於諧振驅動裝置21與整流裝置25。在第二實施例中，諧振驅動裝置21可包含一電流切換裝置211與一諧振電路212。諧振電路212耦接電流切換裝置211、第二導線222、第四導線232與第六導線242。

電流切換裝置211可包含彼此串聯之二個第一電子開關2111、彼此串聯之二個第二電子開關2112與彼此串聯之二個第三電子開關2113。舉例來說，第一電子開關2111、第二電子開關2112與第三電子開關2113皆為N通道金氧半場效電晶體，但本發明並不以此為限。二個第一電子開關2111之間的節點N1耦接諧振電路212，二個第二電子開關2112之間的節點N2耦接諧振電路212，二個第三電子開關2113之間的節點N3耦接諧振電路212。所有第一電子開關2111並聯所有第二電子開關2112，且並聯所有第三電子開關2113。諧振電路212可包含一第一諧振槽2121、一第二諧振槽2122與一第三諧振槽2123。第一諧振槽2121耦接在第二導線222與電流切換裝置211的節點N1之間，第二諧振槽2122耦接在第四導線232與電流切換裝置211的節點N2之間。第三諧振槽2113耦接在第六導線242與電流切換裝置的節點N3之間。第一諧振槽2121、第二諧振槽2122與第三諧振槽2123皆由電感與電容串聯而成，但本發明並不以此為限。

整流裝置25可包含彼此串聯之二個第一整流器251、彼此串聯之二個第二整流器252、彼此串聯之二個第三整流器253、彼此串聯之二個第四整流器254、彼此串聯之二個第五整流器255與彼此串聯之二個第六整流器256。二個第一整流器251之間的節點N1’與二個第二整流器252之間的節點N2’分別耦接二個第一變壓器22之第一輸出端O1。二個第三整流器253之間的節點N3’與二個第四整流器254之間的節點N4’分別耦接二個第二變壓器23之第三輸出端O3。二個第五整流器255之間的節點N5’與二個第六整流器256之間的節點N6’分別耦接二個第三變壓器24之第五輸出端O5。所有第一整流器251並聯所有第二整流器252、所有第三整流器253、所有第四整流器254、所有第五整流器255、所有第六整流器256與輸出電容26。第一整流器251、第二整流器252、第三整流器253、第四整流器254、第五整流器255與第六整流器256可以二極體實現，但本發明不限於此。當第一整流器251、第二整流器252、第三整流器253、第四整流器254、第五整流器255與第六整流器256以二極體實現時，節點N1’為其中一第一整流器251之陽極與另一第一整流器251之陰極，節點N2’為其中一第二整流器252之陽極與另一第二整流器252之陰極，節點N3’為其中一第三整流器253之陽極與另一第三整流器253之陰極，節點N4’為其中一第四整流器254之陽極與另一第四整流器254之陰極，節點N5’為其中一第五整流器255之陽極與另一第五整流器255之陰極，節點N6’為其中一第六整流器256之陽極與另一第六整流器256之陰極。由於在第二實施例中，共有十二個二極體，相對第一實施例，二極體的佈局擺置會更有彈性，且熱處理也更容易。

根據上述實施例，直流電壓轉換裝置串聯變壓器之一次側，且並聯變壓器之二次側，以有利佈局、容易熱處理與製作李支線、降低銅損與達到在相同高功率下，低電流與高電流之均勻輸出。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1:三相直流電壓轉換裝置 10:電子開關 12:變壓器 14:諧振槽 16:二極體 18:輸入電容 19:輸出電容 2:直流電壓轉換裝置 21:諧振驅動裝置 211:電流切換裝置 2111:第一電子開關 2112:第二電子開關 2113:第三電子開關 212:諧振電路 2121:第一諧振槽 2122:第二諧振槽 2123:第三諧振槽 22:第一變壓器 221:第一導線 222:第二導線 223:第七導線 23:第二變壓器 231:第三導線 232:第四導線 233:第八導線 24:第三變壓器 241:第五導線 242:第六導線 243:第九導線 25:整流裝置 251:第一整流器 252:第二整流器 253:第三整流器 254:第四整流器 255:第五整流器 256:第六整流器 26:輸出電容 I1:第一輸入端 I2:第二輸入端 O1:第一輸出端 O2:第二輸出端 I3:第三輸入端 I4:第四輸入端 O3:第三輸出端 O4:第四輸出端 I5:第五輸入端 I6:第六輸入端 O5:第五輸出端 O6:第六輸出端 N1:節點 N2:節點 N3:節點 N1’:節點 N2’:節點 N3’:節點 N4’:節點 N5’:節點 N6’:節點

第1圖為先前技術之三相直流電壓轉換裝置之電路示意圖。第2圖為本發明之直流電壓轉換裝置之第一實施例之電路示意圖。第3圖為本發明之直流電壓轉換裝置之第二實施例之電路示意圖。

2:直流電壓轉換裝置

21:諧振驅動裝置

22:第一變壓器

221:第一導線

222:第二導線

223:第七導線

23:第二變壓器

231:第三導線

232:第四導線

233:第八導線

24:第三變壓器

241:第五導線

242:第六導線

243:第九導線

25:整流裝置

26:輸出電容

I1:第一輸入端

I2:第二輸入端

O1:第一輸出端

O2:第二輸出端

I3:第三輸入端

I4:第四輸入端

O3:第三輸出端

O4:第四輸出端

I5:第五輸入端

I6:第六輸入端

O5:第五輸出端

O6:第六輸出端

Claims

一種直流電壓轉換裝置，包含：一諧振驅動裝置；至少二個第一變壓器，其一次側透過至少一條第一導線彼此串聯，該些第一變壓器之該一次側具有第一輸入端與第二輸入端，該第一輸入端透過第二導線耦接該諧振驅動裝置，每一該第一變壓器之二次側具有第一輸出端與第二輸出端；至少二個第二變壓器，其一次側透過至少一條第三導線彼此串聯，該些第二變壓器之該一次側具有第三輸入端與第四輸入端，該第三輸入端透過第四導線耦接該諧振驅動裝置，每一該第二變壓器之二次側具有第三輸出端與第四輸出端；至少二個第三變壓器，其一次側透過至少一條第五導線彼此串聯，該些第三變壓器之該一次側具有第五輸入端與第六輸入端，該第五輸入端透過第六導線耦接該諧振驅動裝置，每一該第三變壓器之二次側具有第五輸出端與第六輸出端，該第二輸入端、該第四輸入端與該第六輸入端彼此耦接，該第二輸出端、該第四輸出端與該第六輸出端彼此耦接；以及一整流裝置，耦接該第一輸出端、該第三輸出端與該第五輸出端。
如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該至少一條第一導線與該第二導線之總長度、該至少一條第三導線與該第四導線之總長度及該至少一條第五導線與該第六導線之總長度皆相等。
如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該整流裝置透過至少二條第七導線分別耦接該至少二個第一變壓器之該第一輸出端，並透過至少二條第八導線分別耦接該至少二個第二變壓器之該第三輸出端，且透過至少二條第九導線分別耦接該至少二個第三變壓器之該第五輸出端，該至少二條第七導線之總長度、該至少二條第八導線之總長度及該至少二條第九導線之總長度皆相等。
如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該整流裝置包含：二個第一整流器，其彼此串聯；二個第二整流器，其彼此串聯，該二個第一整流器之間的節點與該二個第二整流器之間的節點分別耦接該至少二個第一變壓器之該第一輸出端；二個第三整流器，其彼此串聯；二個第四整流器，其彼此串聯，該二個第三整流器之間的節點與該二個第四整流器之間的節點分別耦接該至少二個第二變壓器之該第三輸出端；二個第五整流器，其彼此串聯；以及二個第六整流器，其彼此串聯，該二個第五整流器之間的節點與該二個第六整流器之間的節點分別耦接該至少二個第三變壓器之該第五輸出端，其中該些第一整流器並聯該些第二整流器、該些第三整流器、該些第四整流器、該些第五整流器與該些第六整流器。
如請求項4所述之直流電壓轉換裝置，其中該第一整流器、該第二整流器、該第三整流器、該第四整流器、該第五整流器與該第六整流器為二極體。
如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該諧振驅動裝置包含：一電流切換裝置；以及一諧振電路，耦接該電流切換裝置、該第二導線、該第四導線與該第六導線。
如請求項6所述之直流電壓轉換裝置，其中該電流切換裝置包含：二個第一電子開關，彼此串聯，該二個第一電子開關之間的節點耦接該諧振電路；二個第二電子開關，彼此串聯，該二個第二電子開關之間的節點耦接該諧振電路；以及二個第三電子開關，彼此串聯，該二個第三電子開關之間的節點耦接該諧振電路，其中該些第一電子開關並聯該些第二電子開關，且並聯該些第三電子開關。
如請求項7所述之直流電壓轉換裝置，其中該些第一電子開關、該些第二電子開關與該些第三電子開關皆為N通道金氧半場效電晶體。
如請求項6所述之直流電壓轉換裝置，其中該諧振電路包含：一第一諧振槽，耦接在該第二導線與該電流切換裝置之間；一第二諧振槽，耦接在該第四導線與該電流切換裝置之間；以及一第三諧振槽，耦接在該第六導線與該電流切換裝置之間。
如請求項9所述之直流電壓轉換裝置，其中該第一諧振槽、該第二諧振槽與該第三諧振槽皆由電感與電容串聯而成。
如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該至少二個第一變壓器、該至少二個第二變壓器與該至少二個第三變壓器之總數量為3的N倍，N為大於或等於2之正整數。