TWI246819B - A new soft switching converter suitable to multi-source applications - Google Patents
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Description
1246819 22:譜振輔助與充放電單元 電感 \,S2:MOSFET 開關 Α,Ζ)2:二極體 C,:電容 30: Bat (可充電蓄電池) 40: Load (負载) 50: DC Bus (直流饋線) 八本案右有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式: 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 電力電子(Power Electronics) 【先前技術】 克羞麗整換處理供電系統絮爐合析 圖-為傳統的多電源轉換處理供電系統,其包含直流電源(如燃料電池或太陽能電 池等)、DC-DC轉換器、可充電電池與DC-AC換流器供給能量給AC負載(當然亦可換成另 一個DC-DC轉換器或直接由前述之DC—DC轉換器供應能量給況負載,但在此以dc_ac 換流讀應能量給AG貞載當作解獅例子)。軸此舰的電源轉換處理纽能達到將 能源從可變的直流電源供應給侧的交流負載使用,但在此純中與電池相接並供應功 率給交流負載使用的直流饋線(bus)電壓則被受限,此饋線電壓雖可經由D(H)C轉換器 的控制使其作改變,但相對的電池電壓也須作變動而無法將其維持於固定值。同樣地, 供應給交流負載的電源電Μ也相對的被改變,因此換流器的相關設計也需跟著加以變 化。如此即使可藉由DC-DC轉換器的控制而改變其相對饋線電壓但卻無法使得此系統的 電池電壓任意調整,因此系統設計與變化的彈性空間相對顯得較小。此外,若此系統欲 1246819 2能量給直流負載使料,那就只能受限於直流電池的電壓而無法供應給不同直流電 壓而求的負載,因此當考慮直流負载的情況時則此系統的應用範圍則顯得更為狹小。 而為了更進-步改善系統的效率問題,有些先制技術則加人所謂的零電壓切換電 路於傳、、充的DC DC轉換裔中以改善損失與嚼音等相關問題,例如所附參考資料中之相關 電=即是著重於此方面的改善。_雖然這些相關電路改善了切換損失這些問題,但對 於刖面所述之相關問題卻仍然無法解決,因此前述之缺點在這些電路中依然存在。 本發明即是解決與改進前述相關問題,不僅加入新型的零電壓轉換電 整體的效率更可使蓄電池電壓之可赃翻加大,即可改㈣電池的龍科需將供應 給負載的饋線電壓作改變,如此則⑽換流器的相關設計亦無需加以重新考慮。此外, 若=欲供應能量給直流負載使用時,藉由控制所提出電路的相關開關即可改變供應給 直流負_饋線電壓而不需變動蓄電池,因此當考慮直流負載的情況時,則所提出系統 的應用關更顯得較為寬廣。#然若欲改變饋線電壓與其它相關變數時則所提出之電路 同樣亦有較佳的彈性設計空間。 【發明内容】 柔性切換棘拖器之内容與說明 w圖二為適多電源之新型柔性切換轉換器,此電路圖為直流電源(在此假設為太 陽此電池妨便解釋,當然亦可換成風力發電、燃料電鱗與—般可充電電池之多電源 的it況但我們將不對這些相似情形另作說明)經ΑΒ_電路作最大功率追縱(由^、 ϋ元件所組成的)。其中主開關《-直在作太陽能最大功率追從和升壓的功能,此 時也產生高的切換損失,如此將造成關元件發熱或燒毀,而且降低轉換器的效能。開 關4本身所消耗的能量很大,因此在此提出所「新難性城轉換器」雜,此電 路勺特色為加入了為振輔助電路,而此電路之特色和先前技術都可以對主開關做零電壓 轉換,所不同的是,在轉換的過程中,其諸振電感所轉換的能量,可以對蓄電池充電, 1246819 亦可增加蓄電池的儲能效率。 所以此電路除了可以減少開關的切換損失, 1·1動作原理: 圖一之開關4在正常供電下,可以達到零電 生,* πΈ㈣換的效果,以減低《的切換損 零電壓轉換的過程中,其主開關之轉換能 、、 換時,也右轉、Μ亦疋詞畜電池,所以在作零電壓轉 電池送α ^ 冑之功能。當負載為輕_,太陽能所發出的多餘能量,往蓄 辅舰量之功能,#貞載為重鱗,《的能量大於太陽能電池所發出的 里現時就由太陽能板和蓄電池一起提供能量給負载。 L 2諧振電路動作原理分析·· 2怂A zrj^cr元件可達成零電壓轉換。為分析上的方便,我們可假設 輸入濾、波電齡大,大到足靖它看成—個理想直流電麵。輸⑽波電容也假設非常 大’足以將輸出電壓考慮成-個理想的直流電壓源,相同道理,我們也可以假設電池為 -理想直流電壓源,二極體因為為快速回覆二極體,其反向回復電流忽略。圖三為此新 型柔性切換轉換器之動作波形圖。 根據圖三,此新型柔性切換轉換器的工作狀態,可分為七種模式,現在一一做說明: (1) ~:在岛之前,主開關和柔切開關都是截止的狀態,Boost電路的二極體β 正在導通狀態。在心時候,柔切開關&導通,諧振電感矣上的電流經由q、& 路徑,成線性的上升直到它到達/,·,此時為6,二極體乃在零電流的情況下截 止。因為是使用快速回復二極體,所以二極體/)的反向回復電流可以忽略。時 間‘可由(1)算出。 *Ό1 (1) (K-Vbat)/Lr (2) 6〜ί2 :由於諧振電感zr與諧振電容產生共振,所以4上的電流持續增加。 1246819 諧振電容(^經由旱、乂、及釋放能量,直到(^上的電壓降為零,此時為&, 同時主開關兄的反向並聯二極體正要開始導通。時間L由(2)算出。
(3) Q〜6 ·主開關本身反向並聯二極體導通,即可完成零電壓切換。反向並聯二 極體導通期間,主開關便可開啟。此外,對於柔切開關&導通的時間心,理 想時間可由(3)式得到 [Ίγ—(:篇+辦 (3) ⑷6〜q :此段時間内,主開關4導通,柔切開關X關閉,儲存於諧振電感矣的 能量,經由&之Body Diode持續對電池線性放電,匕〃呈線性下降,在心降 到零。 ⑸ί4〜ί5 ·在’4時’ \ = 〇,所以&之Body Diode關閉,此段時間,電路動作 狀態與PWM Boost轉換器相同。 ⑹ί5 ί6 ·在’主剩截止,错振電容,充電,直到電壓等於匕。 ⑺WPWMBoost轉換器的二極❹導通,輪入端的能量經由乃傳送至負裁。 在’〇時刻,柔切剩&開始導通’繼續開始下_個切換週期。 錢裡將敝意_點,在柔_㈣截止,同時主關0卿 延遲的情況發生,否社·4會有切鋪失,導致零龍城失敗。 步的瞭==^====^=奐_作流程當有彳 式的計算㈣㈣。由區 Γί 1ϋ。伽裡。嶋恤嫩㉔「糊在物輸時’、= 【實施方式】 蓄電池充放電動作 主要疋调4統能量平衡,當太陽能電池一 直以最大功率追蹤 1246819 的方式發電,且太陽能電池所發出之能量足以供 ... ,、應訧或DC負載之負載端時,此時蓄雷 池就不吊要调郎系統之能量平衡,諧振輔助電路 a曰 沈會動作,使主關關有零電壓轉換,、或 低開關的切換損失。若AC或DC負載的負載端所消挺 " ^ , , 嘀粍的能量比太陽電池所產生的能量還 要y,將把夕餘的能量儲存到蓄電池。而當AC戍 i Λ UL負载消耗的能量加大使太陽能電池 所產生的能量不足時,將導致消耗能量大於產生 * ^曰 王此里,這時,蓄電池就會釋放能量,而 達到此置的供需平衡。依上面的情形,我們可分為四種狀態: 的能量和 這時太陽能所發出的能量,完全的供給乩或% 名队負载,而輔助開關&之輔助電路動
作,使主開關\產生零電壓轉換,減少開關的切換損失。
太陽能電酬產生能4大於貞賴雜能量時,表示電容賴過高,麟,輔助開 關-個Buck功能的開關,與電感&和開關 ' 的崎心此,形成一個趾k架 構,對電池充電。而電容C就當作-個電壓源,供給能量給後級的負載。 选盤冬:太陽能電池所產生的能詈+於負載所消耗^^
太陽能電池所產找能量小於負載所消耗能量時,表示電容電壓過低,此時,開關 4 -直作取大功率追ί從和Boost功能,而輔助開關&放棄零電壓轉換而關閉。蓄電池就 當作-個電壓源,經由開關電感4和二極體化,形成—個Β_架構,對電容c 充電。而電容亦為後級負載的電源。 :太陽能電池無法供μ 太1¼¾電池因為日照不足或者夜晚時,而無法產生能量。此時,負載所消耗能量就 由畜電池所提供,蓄電池經由開關&、電感/^形成一個B〇〇st架構,對電容C充電而 電容亦為後級負載的電源。 10 1246819 由以上分析可得知,此新型之柔性切換轉換器不僅加入新型的零電壓轉換電路以提 升系統整體的效率更可使蓄電池電壓之可調整範圍加大,即可改變蓄電池的電壓而不需 將ί、應、、、ό負載的鎖線電壓作改變,如此換流器的相關設計亦無需加以重新考慮。此外, 若系統欲供應能量給直流負載使用時,藉由控制所提出電路的相關開關則可改變供應給 直流負載的饋線電壓而不需變動蓄電池,因此當考慮直流負载的情況時,所提出系統的 應用範圍則顯得更為寬廣。當然若欲改變饋線電壓與其它相關變數時則所提出的電路亦 有較佳的彈性設計空間。 【圖式簡單說明】 第一圖傳統的多電源轉換處理供電系統 第二圖適用於多電源之新型柔性切換轉換器 【主要元件符號說明】 10: DC Sources (直流電源)
20:適用於多電源之新型柔性切換轉換器 21:升壓轉換單元 電感 &:MOSFET 開關 乃:二極體 C:電容 22:諧振輔助與充放電單元 電感 \,\:MOSFET 開關 D',D2 ·· 一極體 C〆電容 11 1246819 30: Bat (可充電蓄電池) 40:Load (負載) 50: DC Bus (直流饋線)
Claims (1)
1246819 申請專利範圍 外部可充電電池 與負載連:=新她擊,與外部直流電源、 可將各式外部直流電源升壓 -升壓轉換單元,分顺外部直流電源與負細連接, 並產生穩定之直流電源供應負载; -雜辅助與紐電單元,分職該升麵解元、外 該單元具有舰獅與紐電雜,__助舰謂轉辦載連接: 量損失,而藉由充放電魏可對外部之可充電電池 中的此 平衡並可提供穩㈣直流電壓供應貞載。 $雄射充電電池的能量 源之新型柔性切換轉換 器,其中,該 2·如申請專利範圍第1項所述之適用於多電 升壓轉換單元,其包含: 一主要電晶體5;; -連接於外部直流電源與社要電晶體之電t,經由社要電晶體之脈 奐作用可對該電感進行儲存與釋放能量以升高外部直流電源的電壓. 文 感與負載間之二極❹’當主要電晶體開關導通時,電感儲存能量, -要電日日體開關不導通時,電感則經由該二極體釋放能量到輸出; =聯連接於負載之輸出_紅,經由此輪域波電容_,可將輸出電壓 慮波以提供-穩定的直流電壓供應負載。 電源之新型柔性切換轉換器,其中,該 3.如申請專利範圍第丨項所述之適用於多 §皆振輔助與充放電單元,其包含: 、i振與充此關可在柔性切換與對外部可充電電池充電時導通,當負 卜山斤絲的Μ比外部直流電騎供應的能量還要少時,此時可將多制能量健存到 卜部可充電電池,即可對外部可充電電池充電; 連接於雜與充電開關&與外部可充電電池間之諸振與充放電電感A,藉由此 13 1246819 電感可對外部之可充池進行級t並可形成雜祕祕; · 並聯連接於升壓轉換單元中之主要電晶體之諸振電容在升壓轉換單元中之主 要電晶體4當操作於高頻的情況下,必須承受高電壓流應力,同時也會產生高的切’ 換知失’將可此造細關凡件發減燒毀,而且降低轉換器的效能。因該主要電晶體所 雜的月匕里很大,所以利用此電容與前述之諸振與充放電電感&並配合譜振與充電開關 &之動作可產生谐振’此諸振電路可對該主要電晶體產生柔性切換而降低該主要電晶體 員失而此#振電路之特色除了可以對該主要電晶體做零電壓轉換外,在轉換的過程 中,其谐振電感所轉換的能量,亦可以對外部可充電電池充電; 連接於咱振與充電開關怂之放電開關&,此開關可在對外部可充電電池放電時 · 導通’但在對外部可充電電池充電與作柔性切換時則不導通,當對外部可充電電池充電 與作柔性城辆不導通,但此關本狀體:減⑽㈣油)與雜與充電開 關&和充放電電感及形成一降壓架構,對電池充電; 一連接於諧振電容Cr與諧振與充電開關&間之諧振與充電二極體乃!,此二極體可 避免此單元之任何不當能量回充至此單元之輸入側; 一連接於放電開關&與負載間之放電二極體仏,此二極體在升壓轉換單元之能量 不足以供應負载或外部可充電電池之能量過多時,配合放電開關&之動作,與充放電電 感A形成-升壓架構,可將能量由外部可充電電池轉移到輸出給負载。 Φ 14
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