TWI558084B - Bidirectional power control and dual power module parallel return controller - Google Patents

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Description

雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器
本發明係與一種返馳式控制器有關，特別是指一種雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器。
按，高功率密度之二次電池為電動車或複合動力車發展之關鍵組件，而一般車廠於選配電池時係需要對二次電池進行複雜的道路行駛測試與環境測試，因此會耗費許多資源與時間。為了降低二次電池之測試成本，本案發明人乃藉由多年從事相關領域之專業研究經驗，建構一具雙方向能量流動的直流-直流轉換器，並以軟體實現具高動態響應之控制策略，以滿足二次電池之測試需求。
請參閱第1圖所示，係為習知雙向直流-直流轉換器之示意圖，其係揭露有一種使用全橋相移為核心之雙向直流-直流轉換器，該雙向直流-直流轉換器雖可提供寬範圍之電流調控，供測試二次電池，惟，該雙向直流-直流轉換器係包含有至少八組場效電晶體1、2、3、4、5、6、7、8及其他功率元件，甚多的功率元件係造成該雙向直流-直流轉換器組裝不易，並致使其成本居高不下，有鑑於此，本案發明人在觀察到上述缺點後，認為習知的雙向直流-直流轉換器實有改良之必要，而遂有本發明之產生。
本發明之目的係在提供一種雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其係以功率元件甚少的返馳式控制器為基礎，建構可雙向能量流動轉換之直流-直流轉換器，以簡化轉換器元件，同時並利用雙功率模組並聯，以擴大輸出功率，滿足使用需求。
為達上述目的，本發明所提供之雙向功率控制及雙功率模組 並聯之返馳式控制器，其係包含有：二雙向直流-直流轉換器，該等雙向直流-直流轉換器係並聯設置，且每一雙向直流-直流轉換器係包含有一第一電容，且該第一電容係串接一第一場效電晶體，該第一場效電晶體係並聯一第一二極體，該第一場效電晶體及該第一二極體更進一步串接一第一電感，該第一電感並聯一一次側，該第一電感又再串接該第一電容，而對應該一次側則設有一二次側，該二次側係並聯一第二電感，該第二電感係串接一第二場效電晶體，該第二場效電晶體係並聯一第二二極體，該第二場效電晶體及該第二二極體更進一步串接一第二電容，且該第二電容又再串接該第二電感。
[習知]
1‧‧‧場效電晶體
2‧‧‧場效電晶體
3‧‧‧場效電晶體
4‧‧‧場效電晶體
5‧‧‧場效電晶體
6‧‧‧場效電晶體
4‧‧‧場效電晶體
8‧‧‧場效電晶體
[本發明]
10‧‧‧雙向直流-直流轉換模組
101‧‧‧第一雙向直流-直流轉換器
102‧‧‧第二雙向直流-直流轉換器
11‧‧‧第一電容
121‧‧‧第一場效電晶體
122‧‧‧第一二極體
13‧‧‧第一電感
141‧‧‧一次側
142‧‧‧二次側
15‧‧‧第一電壓關斷型緩衝電路
151‧‧‧二極體
152‧‧‧電容
153‧‧‧電阻
16‧‧‧第二電感
171‧‧‧第二場效電晶體
172‧‧‧第二二極體
18‧‧‧第二電容
19‧‧‧第二電壓關斷型緩衝電路
191‧‧‧二極體
192‧‧‧電容
193‧‧‧電阻
20‧‧‧數位訊號處理器
201‧‧‧第一控制迴路
202‧‧‧第二控制迴路
211‧‧‧第一電流控制器
212‧‧‧第二電流控制器
221‧‧‧第一脈寬調變
222‧‧‧第二脈寬調變
200‧‧‧二次電池
300‧‧‧直流電壓源
第1圖係習知雙向直流-直流轉換器之示意圖。
第2圖係本發明之第一實施例之示意圖。
第3圖係本發明之第一實施例之充電模式第一狀態示意圖。
第4圖係本發明之第一實施例之充電模式第二狀態示意圖。
第5圖係本發明之第一實施例之放電模式第一狀態示意圖。
第6圖係本發明之第一實施例之放電模式第二狀態示意圖。
第7圖係本發明之第二實施例之示意圖。
請參閱第2圖所示，係為本發明之第一實施例之示意圖，其係揭露有一種雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，該返馳式控制器係可串接一二次電池200以及一直流電壓源300，其中，該返馳式控制器係包含有：一雙向直流-直流轉換模組10，其係包含有二雙向直流-直流轉換器，且該等雙向直流-直流轉換器係並聯設置，並分別界定區分為一第一雙向直流-直流轉換器101及一第二雙向直流-直流轉換器102，每一雙向直流-直流轉換器係包含有一第一電容11，該第一電容11係電性連接該二 次電池200，且該第一電容11係進一步串接一第一場效電晶體121，該第一場效電晶體121係並聯一第一二極體122，該第一場效電晶體121及該第一二極體122更進一步串接一第一電感13，該第一電感13並聯一一次側141，另該第一電感13係進一步並聯一第一電壓關斷型緩衝電路(RCD snubber)15，該第一電壓關斷型緩衝電路15係包含有一二極體151，該二極體串接一電容152，該電容並聯一電阻153，而該第一電感13又再串接該第一電容11，以形成一迴路，而對應該一次側141則設有一二次側142，以組成一高頻變壓器，由於該高頻變壓器係於該返馳式控制器中扮演傳遞能量與儲存能量之媒介，因此該一次側141及該二次側142係選擇高導磁係數鐵芯，以獲得較大之磁通，該二次側142係並聯一第二電感16，該第二電感16係串接一第二場效電晶體171，該第二場效電晶體171係並聯一第二二極體172，該第二場效電晶體171及該第二二極體172更進一步串接一第二電容18，該第二電容18係電性連接該直流電壓源300，且該第二電容18又再串接該第二電感16，以形成一迴路，另該第二電感16係進一步並聯一第二電壓關斷型緩衝電路19，該第二電壓關斷型緩衝電路19係包含有一二極體191，該二極體串接一電容192，該電容並聯一電阻193，而可供降低電壓突波。
一數位訊號處理器20，其係分別電性連接該等雙向直流-直流轉換器101、102，且該數位訊號處理器20係可控制該等雙向直流-直流轉換器101、102及其電流，並使電流均流於該等雙向直流-直流轉換器101、102，其中，該數位訊號處理器20係包含有一第一控制迴路201及一第二控制迴路202，該第一控制迴路201之一端係電性連接於該第一雙向直流-直流轉換器101之第一電容11與該二次電池200間，且該第一控制迴路201係包含有一第一電流控制器211，該第一電流控制器211係串接有一第一脈寬調變(PWM)221，該第一脈寬調變221係分別電性連接該第一雙向直流-直流轉換器101之第一場效電晶體121與第二場效電晶體171，而該第二控制迴路202之一端係電性連接於該第二雙向直流-直流轉換器102之第一電 容11與該二次電池200間，且該第二控制迴路202係包含有一第二電流控制器212，該第二電流控制器212係串接有一第二脈寬調變222，該第二脈寬調變222係分別電性連接該第二雙向直流-直流轉換器102之第一場效電晶體121與第二場效電晶體171，於本發明，該數位訊號處理器20係選用高精度之電流感測元件及高解析度之脈寬調變，其與電壓式感測元件相較，係較不易受線路阻抗分壓影響回授讀值，且具有較高頻寬提高解析度。
為供進一步瞭解本發明構造特徵、運用技術手段及所預期達成之功效，茲將本發明使用方式加以敘述，相信當可由此而對本發明有更深入且具體之瞭解，如下所述：該雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其作動係可區分為充電模式與放電模式等雙向能量流動轉換。由於充電模式與放電模式雙向架構係不會同時作動，是以可分別對充電模式與放電模式進行闡明。
請參閱第3圖所示，係為本發明之第一實施例之放電模式第一狀態示意圖，並請配合參閱第2圖所示，當該返馳式控制器進行充電模式之作動時，該數位訊號處理器20係將先送出一驅動訊號控制該第二場效電晶體171導通，並使該第一場效電晶體121為截止狀態，此時電流流經該第二場效電晶體171，並對該第二電感16激磁電感儲能。請繼續參閱第4圖所示，係為本發明之第一實施例之充電模式第二狀態示意圖，並請再配合參閱第2圖所示，該數位訊號處理器20再控制該第二場效電晶體171為截止狀態，俾使該第一場效電晶體121及該第二場效電晶體171皆為截止狀態，此時該第二電感16上的電流經由該二次側142將能量傳遞至該一次側141，當能量傳遞至該一次側141後，再經由該第一場效電晶體121之背接第一二極體122回到該一次側141，然該數位訊號處理器20再控制該第一場效電晶體121導通，而使該第二場效電晶體171為截止狀態，此時該第二電感16上的電流經由該二次側142將能量傳遞至該一次側141，當能量傳 遞至該一次側141後，再經由該第一場效電晶體121回到該一次側141，而該數位訊號處理器20係再控制該第一場效電晶體121為截止狀態，俾使該第一場效電晶體121及該第二場效電晶體171皆為截止狀態，此時該第二電感16上的電流經由該二次側142將能量傳遞至該一次側141，當能量傳遞至該一次側141後，再經由該第一場效電晶體121之背接第一二極體122回到該一次側141，此時皆為激磁電感放電。值得一提的是，當適當地調整該一次側141與該二次側142之匝數比，則可使該第二場效電晶體171之負載有較大調整範圍改變輸出至該二次電池200之電壓。
請再參閱第5圖所示，係為本發明之第一實施例之充電模式第一狀態示意圖，並請配合參閱第2圖所示，當該返馳式控制器進行放電模式之作動時，該數位訊號處理器20係將先送出一驅動訊號控制該第一場效電晶體121導通，並使該第二場效電晶體171為截止狀態，此時電流流經該第一場效電晶體121，並對該第一電感13激磁電感儲能。請繼續參閱第6圖所示，係為本發明之第一實施例之放電模式第二狀態示意圖，並請再配合參閱第2圖所示，該數位訊號處理器20再控制該第一場效電晶體121為截止狀態，俾使該第一場效電晶體121及該第二場效電晶體171皆為截止狀態，此時該第一電感13上的電流經由該一次側141將能量傳遞至該二次側142，當能量傳遞至該二次側142後，再經由該第二場效電晶體171之背接第二二極體172回到該二次側142，然該數位訊號處理器20再控制該第二場效電晶體171導通，而使該第一場效電晶體121為截止狀態，此時該第一電感13上的電流經由該一次側141將能量傳遞至該二次側142，當能量傳遞至該二次側142後，再經由該第二場效電晶體171回到該二次側142，而該數位訊號處理器20係再控制該第二場效電晶體171為截止狀態，俾使該第一場效電晶體121及該第二場效電晶體171皆為截止狀態，此時該第一電感13上的電流經由該一次側141將能量傳遞至該二次側142，當能量傳遞至該二次側142後，再經由該第二場效電晶體171之背接第二二極體172回 到該二次側142，此時皆為激磁電感放電。
該返馳式控制器於充電模式與放電模式下實際測試，係具有較全橋相移之雙向直流-直流轉換器高的效率。
值得一提的是，該返馳式控制器於該等雙向直流-直流轉換器10中設有該第一電壓關斷型緩衝電路15及該第二電壓關斷型緩衝電路19，係可有效降低功率晶體上的電壓突波，以解決功率晶體電壓突波之問題。
此外，該返馳式控制器於充電模式與放電模式皆係分別使用該第一控制迴路201及該第二控制迴路202控制該等雙向直流-直流轉換器101、102，以均流電流。
該返馳式控制器係具有高精度之電流感測元件及高解析度之脈寬調變，因此於透過該二次電池200之電流調控進行小電流步階電流命令追蹤測試時，係具有良好的低電流響應，於針對該二次電池200施以低電流充放電測試時，係具有良好之命令追蹤及零交越點特性。
請再參閱第7圖所示，係為本發明之第二實施例之示意圖，其與本發明之第一實施例不同之處係在於，該返馳式控制器係包含有二第一雙向直流-直流轉換器101以及二第二雙向直流-直流轉換器102，且該等第一雙向直流-直流轉換器101係分別與該等第二雙向直流-直流轉換器102並聯設置，而並聯設置之第一雙向直流-直流轉換器101與第二雙向直流-直流轉換器102，彼此間係再進一步並聯設置，俾使該返馳式控制器形成雙模組並聯，以進一步擴大輸出功率。
茲，再將本發明之特徵及其可達成之預期功效陳述如下：
1、本發明之雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其係以功率元件甚少的返馳式控制器為基礎，並利用數位訊號處理器為控制核心，建構具有隔離且可雙向能量流動轉換之直流-直流轉換器，以簡化轉換器元件，同時並利用雙功率模組並聯，以擴大輸出功率，滿足二 次電池之測試需求。
2、本發明之雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其係可透過雙功率模組並聯擴大輸出功率，與降低激磁電感上的電流漣波大小。
3、本發明之雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其係可藉由高精度之電流感測元件及高解析度之脈寬調變，執行低電流控制，並改善對二次電池充放電之梯形命令轉態，及在零交越點響應不佳等問題。
綜上所述，本發明在同類產品中實有其極佳之進步實用性，同時遍查國內外關於此類結構之技術資料，文獻中亦未發現有相同的構造存在在先，是以，本發明實已具備發明專利要件，爰依法提出申請。
惟，以上所述者，僅係本發明之一較佳可行實施例而已，故舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧雙向直流-直流轉換模組
101‧‧‧第一雙向直流-直流轉換器
102‧‧‧第二雙向直流-直流轉換器
11‧‧‧第一電容
121‧‧‧第一場效電晶體
122‧‧‧第一二極體
13‧‧‧第一電感
141‧‧‧一次側
142‧‧‧二次側
15‧‧‧第一電壓關斷型緩衝電路
151‧‧‧二極體
152‧‧‧電容
153‧‧‧電阻
16‧‧‧第二電感
171‧‧‧第二場效電晶體
172‧‧‧第二二極體
18‧‧‧第二電容
19‧‧‧第二電壓關斷型緩衝電路
191‧‧‧二極體
192‧‧‧電容
193‧‧‧電阻
20‧‧‧數位訊號處理器
201‧‧‧第一控制迴路
202‧‧‧第二控制迴路
211‧‧‧第一電流控制器
212‧‧‧第二電流控制器
221‧‧‧第一脈寬調變
222‧‧‧第二脈寬調變
200‧‧‧二次電池
300‧‧‧直流電壓源

Claims (6)

  1. 一種雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其係包含有：一第一雙向直流-直流轉換器，其係包含有一第一電容，且該第一電容係串接一第一場效電晶體，該第一場效電晶體係並聯一第一二極體，該第一場效電晶體及該第一二極體更進一步串接一第一電感，該第一電感並聯一高頻變壓器之一次側，該第一電感又再串接該第一電容，而該高頻變壓器之二次側係並聯一第二電感，該第二電感係串接一第二場效電晶體，該第二場效電晶體係並聯一第二二極體，該第二場效電晶體及該第二二極體更進一步串接一第二電容，且該第二電容又再串接該第二電感；一第二雙向直流-直流轉換器，其係與該第一雙向直流-直流轉換器並聯設置，且該第二雙向直流-直流轉換器係包含有一第一電容，且該第一電容係串接一第一場效電晶體，該第一場效電晶體係並聯一第一二極體，該第一場效電晶體及該第一二極體更進一步串接一第一電感，該第一電感並聯一高頻變壓器之一次側，該第一電感又再串接該第一電容，而該高頻變壓器之二次側係並聯一第二電感，該第二電感係串接一第二場效電晶體，該第二場效電晶體係並聯一第二二極體，該第二場效電晶體及該第二二極體更進一步串接一第二電容，且該第二電容又再串接該第二電感；藉此，不僅可透過該第一雙向直流-直流轉換器與該第二雙向直流-直流轉換器並聯擴大輸出功率，且更可藉由該第二場效電晶體及該第二二極體，使電流可由該高頻變壓器之二次側往該高頻變壓器之一次側流動，俾使該第一雙向直流-直流轉換器與該第二雙向直流-直流轉換器可雙向功率流動。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其中，更包含有一數位訊號處理器，該數位訊號處理器係分別電性連接該第一雙向直流-直流轉換器與該第二雙向直流-直流轉換器，並使該電流均流於該第一雙向直流-直流轉換器與該第二雙向直流-直流轉換器。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其中，該第一電感係並聯一第一電壓關斷型緩衝電路，該第二電感係並聯一第二電壓關斷型緩衝電路。
  4. 依據申請專利範圍第2項所述之雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其中，該數位訊號處理器係包含有一第一控制迴路及一第二控制迴路，該第一控制迴路之一端係電性連接於該第一雙向直流-直流轉換器之該第一電容，且該第一控制迴路係包含有一第一電流控制器，該第一電流控制器係串接有一第一脈寬調變，該第一脈寬調變係分別電性連接該第一雙向直流-直流轉換器之該第一場效電晶體與該第二場效電晶體，而該第二控制迴路之一端係電性連接於該第二雙向直流-直流轉換器之該第一電容，且該第二控制迴路係包含有一第二電流控制器，該第二電流控制器係串接有一第二脈寬調變，該第二脈寬調變係分別電性連接該第二雙向直流-直流轉換器之該第一場效電晶體與該第二場效電晶體。
  5. 依據申請專利範圍第3項所述之雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其中，該第一電壓關斷型緩衝電路係包含有一二極體，該二極體串接一電容，該電容並聯一電阻，該第二電壓關斷型緩衝電路係包含有一二極體，該二極體串接一電容，該電容並聯一電阻。
  6. 一種雙向功率控制及雙功率模組並聯之返馳式控制器，其係包含有：數個如申請專利範圍第1項所述之第一雙向直流-直流轉換器，其係並聯設置；數個如申請專利範圍第1項所述之第二雙向直流-直流轉換器，其係分別與該等第一雙向直流-直流轉換器並聯設置。
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