TWI406487B - 雙向式直流－直流電源轉換器 - Google Patents

雙向式直流－直流電源轉換器 Download PDF

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雙向式直流-直流電源轉換器
本發明係關於直流-直流電源轉換之技術領域，尤指一種雙向式直流-直流電源轉換器。
雙向式直流-直流電源轉換器用於在兩個直流電源間傳輸功率，其可將低電壓直流電源轉換為高電壓直流電源，或是將高電壓直流電源轉換為低電壓直流電源。雙向式直流-直流電源轉換器廣泛應用於電動汽車混合能源系統、不間斷電源(UPS)、燃料電池混合動力系統、風光互補發電系統和電池充電器等。
由於結構簡單、易於控制，在返馳式(flyback)直流-直流電源轉換器更具吸引力。然而，由於變壓器的漏電感能量，這些轉換器的功率元件需承受高電壓應力(voltage stress)。為回收漏電感能量，並盡量減少功率元件所承受電壓應力，目前的能源再生技術將箝制功率元件上的電壓應力並回收漏電感能量。
習知技術包含使用半橋型和全橋型的隔離雙向式直流-直流電源轉換器。這些轉換器藉由調整變壓器的匝數比，可提供高的升壓電壓增益和降壓電壓增益。
另一種習知技術則使用非隔離雙向式直流-直流電源轉換器，其中包括傳統升壓/降壓類型、SEPIC/ZETA類型、切換電容類型及耦合電感器類型。
由於SEPIC/ZETA類型是結合了兩個功率級，轉換效率會降低。開關電容和耦合電感器類型可以提供高升壓和降壓電壓增益。然而，它們的電路結構複雜。傳統的雙向式直流-直流電源轉換器，如圖1所示。此轉換器具有結構簡單、易於控制的優勢，然而，其升壓和降壓電壓增益低，故習知雙向式直流-直流電源轉換器仍有改善空間。
本發明之主要目的係在提供一種雙向式直流-直流電源轉換器，可具有較高的升壓電壓增益和降壓電壓增益。同時具有較低平均值的切換電流，且有結構簡單、易於控制的優點。
為達成上述之目的，本發明提出一種雙向式直流-直流電源轉換器，其包括一第一直流電源、一第一電容、一耦合電感、一第一切換器、一第二切換器、一第三切換器、一第二直流電源、及一第二電容。該第一電容與該第一直流電源並聯。該耦合電感具有一一次側繞組及一二次側繞組，該一次側繞組具有一第一端及一第二端，該二次側繞組具有一第一端及一第二端，該一次側繞組之第一端連接至該第一直流電源之正電位端，該二次側繞組之第二端連接至該第一直流電源之負電位端。該第一切換器其一第一端連接至該一次側繞組之第二端，該第一切換器之一第二端連接至該二次側繞組之第二端，及該第一直流電源之負電位端。該第二切換器之一第一端連接至該第一直流電源之正電位端，其一第二端連接至該二次側繞組之第一端。該第三切換器之一第一端連接至該一次側繞組之第二端及該第一切換器之第一端。該第二直流電源之一第一端連接至該第三切換器之一第二端，其一第二端連接至該二次側繞組之第一端。該第二電容與該第二直流電源並聯；其中，該第一直流電源的電壓小於該第二直流電源的電壓。
圖2係本發明之一種雙向式直流-直流電源轉換器200之一實施例之電路圖。該雙向式直流-直流電源轉換器200包括一第一直流電源VL 、一第一電容CL 、一耦合電感、一第一切換器S1、一第二切換器S2、一第三切換器S3、一第二直流電源VH 及一第二電容CH 。
本發明之雙向式直流-直流電源轉換器200在昇壓模式時，係將該第一直流電源VL 轉換為該第二直流電源VH ，在降壓模式時，係將該第二直流電源VH 轉換為該第一直流電源VL 。其中，該第一直流電源VL 的電壓小於該第二直流電源VH 的電壓。
該第一電容CL 與該第一直流電源VL 並聯。該耦合電感具有一一次側繞組L1及一二次側繞組L2。該一次側繞組L1具有一第一端NL11及一第二端NL12，該二次側繞組L2具有一第一端NL21及一第二端NL22，該一次側繞組L1之第一端NL11連接至該第一直流電源VL之正電位端，該二次側繞組L2之第二端NL22連接至該第一直流電源VL 之負電位端。該一次側繞組L1與該二次側繞組L2係共用一鐵心，並具有相同匝數。
於其他實施例中，該一次側繞組L1係為一第一電感器，該二次側繞組L2係為一第二電感器，該第一、第二電感器具有相同之電感值。
該第一切換器S1之一第一端NS11連接至該一次側繞組L1之第二端NL12，該第一切換器S1之一第二端NS12連接至該二次側繞組L2之第二端NL22，及該第一直流電源VL 之負電位端。
該第二切換器S2之一第一端NS21連接至該第一直流電源VL 之正電位端，該第二切換器S2之一第二端NS22連接至該二次側繞組L2之第一端NL21。
該第三切換器S3之一第一端連NS31接至該一次側繞組L1之第二端NL12及該第一切換器S1之第一端NS11。該第二直流電源VH 之正電位端連接至該第三切換器S3之一第二端NS32，該第二切換器S2之第二端NS22連接至第二直流電源VH 之負電位端及至該二次側繞組L2之第一端NL21。該第二電容CH與該第二直流電源VH 並聯。
本發明之雙向式直流-直流電源轉換器200當操作於一昇壓模式時，該雙向式直流-直流電源轉換器200具有一第一模式及一第二模式。當操作於一降壓模式時，該雙向式直流-直流電源轉換器200具有一第三模式及一第四模式。
為了分析本發明該雙向式直流-直流電源轉換器200的穩態特性，其將切換器的導通電阻RDS(ON) 、耦合電感和電容的等效串聯電阻忽略，同時由於電容足夠大，將電容兩端的電壓視為常數。
圖3係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器200於第一模式時之電流路徑之示意圖。此時，該第二直流電源VH 可以等效成一負載電阻RH 。
於該第一模式中，該第一切換器S1及該第二切換器S2為導通，且該第三切換器S3為截止，該第一直流電源VL 經該由第一切換器S1及該第二切換器S2分別對該一次側繞組L1及該二次側繞組L2儲能，該第二電容CH 對該第二直流電源VH 之該負載電阻RH 釋能。
圖4係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器200於第二模式時之電流路徑之示意圖。該第二直流電源VH 亦等效成該負載電阻RH 。於該第二模式中，該第一切換器S1及該第二切換器S2為截止，且該第三切換器S3為導通，該第一直流電源VL經由該第三切換器S3、與該一次側繞組L1及該二次側繞組L2串聯，而對該第二電容CH 及該第二直流電源VH 之該負載電阻RH 釋能。
本發明使用脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)技術以同時控制開關該第一切換器S1及該第二切換器S2。該第三切換器S3是同步整流器。當該第一切換器S1及該第二切換器S2為導通，且該第三切換器S3為截止時，該耦合電感的該一次側繞組L1和該二次側繞組L2係並聯地被儲能。當該第一切換器S1及該第二切換器S2為截止，該第三切換器S3導通時，該第一直流電源VL 、該一次側繞組L1及該二次側繞組L2串聯對該第二電容CH 及該第二直流電源VH 之該負載電阻RH 釋能。
圖5係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器200於昇壓模式且為連續傳導模式(CCM)時各節點電壓電流波形的示意圖。於時間t0至t1時，該雙向式直流-直流電源轉換器200係為第一模式，於時間t1至t2時，該雙向式直流-直流電源轉換器200係為第二模式。圖5中的D則為工作週期(duty cycle)。
圖6係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器200於第三模式時之電流路徑之示意圖。此時，該第一直流電源VL 可以等效成一負載電阻RL 。
於該第三模式中，該第一切換器S1及該第二切換器S2為截止，且該第三切換器S3為導通，該第二直流電源VH 經由該第三切換器S3、與該一次側繞組L1、及該二次側繞組L2串聯，而對該第一電容CL 及該第一直流電源VL 之該負載電阻RL 釋能。
圖7係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器200於第四模式時之電流路徑之示意圖。該第一直流電源VL 可以等效成該負載電阻RL 。於該第四模式中，該第一切換器S1及該第二切換器S2為導通，且該第三切換器S3為截止，該一次側繞組L1及該二次側繞組L2並聯並對該第一電容CL及該第一直流電源VL 之該負載電阻RL 釋能。
本發明於降壓模式時，使用脈寬調變(PWM)技術以控制該第三切換器S3。該第一切換器S1及該第二切換器S2則是同步整流器。當該第三切換器S3為導通，且該第一切換器S1及該第二切換器S2為截止時，該第二直流電源VH 對串聯的該一次側繞組L1及該二次側繞組L2儲能。當該第三切換器S3為截止，且該第一切換器S1及該第二切換器S2為導通時，該耦合電感的該一次側繞組L1和該二次側繞組L2係並聯地被儲能。
圖8係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器200於降壓模式且為連續傳導模式(CCM)時各節點電壓電流波形的示意圖。於時間t0至t1時，該雙向式直流-直流電源轉換器200係為第三模式，於時間t1至t2時，該雙向式直流-直流電源轉換器200係為第四模式。
圖9係本發明與習知技術傳統的雙向式直流-直流電源轉換器於升壓模式時之電壓增益曲線圖，圖10係本發明與習知技術傳統的雙向式直流-直流電源轉換器於降壓模式時之電壓增益曲線圖。當昇壓時，該雙向式直流-直流電源轉換器200具有高升壓電壓增益比，可以產生較大的第二直流電源VH 。當降壓時，該雙向式直流-直流電源轉換器200具有高的降壓電壓增益比，可以產生較小的第一直流電源VL 。
本發明之雙向式直流-直流電源轉換器採用了在一次側及二次側繞組匝數相同的耦合電感。相較於習知的雙向式升壓/降壓直流-直流電源轉換器，本發明之雙向式直流-直流電源轉換器具有以下優點：(1)較高的升壓電壓增益和降壓電壓增益，(2)在相同電氣規範時，本發明具有較低平均值的切換電流，(3)同時具有結構簡單、易於控制的優點。
由上述可知，本發明無論就目的、手段及功效，在在均顯示其迥異於習知技術之特徵，極具實用價值。惟應注意的是，上述諸多實施例僅係為了便於說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
200．．．雙向式直流-直流電源轉換器
VL ．．．第一直流電源
CL ．．．第一電容
耦合電感
S1．．．第一切換器
S2．．．第二切換器
S3．．．第三切換器
VH ．．．第二直流電源
CH ．．．第二電容
L1．．．一次側繞組
L2．．．二次側繞組
NL11、NS11、NS21、NL21、NS31．．．第一端
NL12、NS12、NS22、NL22、NS32．．．第二端
圖1係一習知雙向式直流-直流電源轉換器的電路圖。
圖2係本發明種雙向式直流-直流電源轉換器之一實施例之電路圖。
圖3係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器於第一模式時之電流路徑之示意圖。
圖4係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器於第二模式時之電流路徑之示意圖。
圖5係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器於昇壓模式且為連續傳導模式時各節點電壓電流波形的示意圖。
圖6係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器於第三模式時之電流路徑之示意圖。
圖7係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器於第四模式時之電流路徑之示意圖。
圖8係本發明之該雙向式直流-直流電源轉換器於降壓模式且為連續傳導模式時各節點電壓電流波形的示意圖。
圖9係本發明與習知技術於升壓模式時之電壓增益曲線圖。
圖10係本發明與習知技術於降壓模式時之電壓增益曲線圖。
200．．．雙向式直流-直流電源轉換器
VL ．．．第一直流電源
CL ．．．第一電容
耦合電感
S1．．．第一切換器
S2．．．第二切換器
S3．．．第三切換器
VH ．．．第二直流電源
CH ．．．第二電容
L1．．．一次側繞組
L2．．．二次側繞組
NL11、NS11、NS21、NL21、NS31．．．第一端
NL12、NS12、NS22、NL22、NS32．．．第二端

Claims (9)

  1. 一種雙向式直流-直流電源轉換器，其包括：一第一直流電源；一第一電容，與該第一直流電源並聯；一耦合電感，具有一一次側繞組及一二次側繞組，該一次側繞組具有一第一端及一第二端，該二次側繞組具有一第一端及一第二端，該一次側繞組之第一端連接至該第一直流電源之正電位端，該二次側繞組之第二端連接至該第一直流電源之負電位端；一第一切換器，其一第一端連接至該一次側繞組之第二端，該第一切換器之一第二端連接至該二次側繞組之第二端，及該第一直流電源之負電位端；一第二切換器，其一第一端連接至該第一直流電源之正電位端，其一第二端連接至該二次側繞組之第一端；一第三切換器，其一第一端連接至該一次側繞組之第二端及該第一切換器之第一端；一第二直流電源，其正電位端連接至該第三切換器之一第二端，其負電位端連接至該二次側繞組之第一端；以及一第二電容，與該第二直流電源並聯；其中，該第一直流電源的電壓小於該第二直流電源的電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，該一次側繞組與該二次側繞組係共用一鐵心，並具有相同匝數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，該一次側繞組係為一第一電感器，該二次側繞組係為一第二電感器，該第一、第二電感器具有相同之電感值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，當操作於一昇壓模式時，該雙向式直流-直流電源轉換器具有一第一模式及一第二模式。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，於該第一模式中，該第一切換器及該第二切換器為導通，且該第三切換器為截止，該第一直流電源經該由第一切換器及該第二切換器分別對該一次側繞組及該二次側繞組儲能，該第二電容對該第二直流電源之一負載電阻釋能。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，於該第二模式中，該第一切換器及該第二切換器為截止，且該第三切換器為導通，該第一直流電源經由該第三切換器、與該一次側繞組、及該二次側繞組串聯，而對該第二電容及該第二直流電源之該負載電阻釋能。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，當操作於一降壓模式時，該雙向式直流-直流電源轉換器具有一第三模式及一第四模式。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，於該第三模式中，該第一切換器及該第二切換器為截止，且該第三切換器為導通，該第二 直流電源經由該第三切換器、與該一次側繞組、及該二次側繞組串聯，而對該第一電容及該第一直流電源之一負載電阻釋能。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之雙向式直流-直流電源轉換器，其中，於該第四模式中，該第一切換器及該第二切換器為導通，且該第三切換器為截止，該一次側繞組及該二次側繞組並聯並對該第一電容及該第一直流電源之該負載電阻釋能。
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