TWI602388B - 雙向隔離式多階直流－直流電能轉換裝置及其方法 - Google Patents

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Description

雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法
本發明係關於一種雙向〔bidirectional〕隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法；特別是關於一種可減少體積之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法。
一般而言，習用之隔離式直流-直流電能轉換器已廣泛應用於各種技術領域。雖然傳統隔離式直流-直流電能轉換器具有控制簡單的優點，但其在特性上具有效率較低、高漣波量、高電磁干擾及所需要使用之濾波電路容量較大之缺點。相對的，雖然習用之多階直流-直流電能轉換器具有控制較為複雜的缺點，但其在特性上卻具有效率相對較高、電磁干擾相對較小及所需要使用之濾波電路容量較小的優點。
舉例而言，第1圖揭示習用多階直流-直流電能轉換裝置之架構示意圖。請參照第1圖所示，習用多階直流-直流電能轉換裝置9包含一變壓器90，且該變壓器90具有一低壓側〔左側〕及一高壓側〔右側〕。該低壓側具有一電感911及四個二極體912。相對的，該高壓側設置六個高壓側開關92及兩個二極體93。
然而，該多階直流-直流電能轉換裝置9顯然在該變壓器90之高壓側電路具有構造複雜、成本增加及體積龐大缺點，且其電力只能單方向傳遞。因此，為了簡化整 體構造、降低成本及減少體積，於該變壓器90之高壓側可考慮省略部分元件〔例如：省略兩個二極體93〕。
另一習用雙向直流/直流轉換器，例如：美國專利公開第20090059622號之〝雙向直流/直流轉換器及其控制方法〞專利申請案，其揭示一種雙向直流/直流轉換器具有一變壓器連接於一電壓型全橋電路〔voltage type full bridge circuit〕及一電流型切換電路〔current type switching circuit〕。該電壓型全橋電路連接於一第一電源，而該電流型切換電路連接於一第二電源。一電壓箝制電路〔voltage clamping circuit〕由數個切換元件〔switching elements〕組成，且一箝制電容器〔clamping capacitor〕連接於該電流型切換電路。該雙向直流/直流轉換器具有一控制電路用以協調該切換元件動作，以便控制一流通電流於一諧振電抗器〔resonance reactor〕內。
另一習用雙向直流/直流轉換器，例如：美國專利公開第20120098341號之〝雙向直流/直流轉換器及其控制方法〞專利申請案，其揭示一種雙向直流/直流轉換器包含一變壓器、數個切換電路〔switching circuit〕、一二極體連接一開關、數個平滑化電容器及一控制單元。一第一電源及一第二電源並聯於該平滑化電容器，以便雙向傳送電力。當自該第一電源傳送至該高壓電源時，該開關維持在ON狀態。反之，當自該第二電源傳送至該第一電源時，該開關維持在OFF狀態，以防止該第一電源之逆向電力〔reverse electrical power flow〕。
然而，前述美國專利公開第20090059622號及第20120098341號之雙向直流/直流轉換器仍需要進一步改良，且其必然存在進一步簡化構造及提升電能轉換效率的需求。前述美國專利申請案僅為本發明技術背景之參考及說明目前技術發展狀態而已，其並非用以限制本發明之範 圍。
有鑑於此，本發明為了滿足上述需求，其提供一種雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法，其將一直流/直流轉換器之升壓模式〔boost mode〕或降壓模式〔buck mode〕進行適當調整操作，以達成提升電能轉換效率及降低製造成本之目的，並簡化習用雙向多階直流-直流電能轉換裝置之構造。
本發明較佳實施例之主要目的係提供一種雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法，其該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，在該直流/直流轉換器操作於升壓模式時，將數個低壓側開關以一第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將一雙向開關進行切換導通及截止，以控制高壓側輸出電壓，以達成減少體積、降低製造成本及提升操作效率之目的。
本發明較佳實施例之另一目的係提供一種雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法，其該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，在該直流/直流轉換器操作於降壓模式時，將數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將數個第一高壓側開關以一第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將一雙向開關進行切換導通及截止，以控制低壓側電壓，以達成減少體積、降低製造成本及提升操作效率之目的。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之雙向 隔離式多階直流-直流電能轉換裝置包含：一直流/直流轉換器，其包含一低壓側及一高壓側；一變壓器，其設置於該直流/直流轉換器，而該變壓器包含一次側及二次側，且該二次側具有一第一臂及一第二臂，且該一次側及二次側對應於該低壓側及高壓側；一電感，其設置於該變壓器之一次側；數個低壓側開關，其設置於該變壓器之一次側；數個第一高壓側開關，其設置於該變壓器之二次側之第一臂；數個第二高壓側開關，其設置於該變壓器之二次側之第二臂；一電容器組，其設置於該變壓器之二次側，而該電容器組包含兩個電容器，且該兩個電容器之間具有一連接點；及一雙向開關，其連接於該變壓器之二次側之第二臂及該兩個電容器之連接點之間；其中在該直流/直流轉換器操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以一第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該雙向開關進行切換導通及截止；或其中在該直流/直流轉換器操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以一第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期 小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該雙向開關進行切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該數個低壓側開關為四個開關。
本發明較佳實施例之該數個二極體反向並聯於該數個低壓側開關。
本發明較佳實施例之該數個第一高壓側開關為兩個第一開關，而該數個第二高壓側開關為兩個第二開關。
本發明較佳實施例之該雙向開關連接於該變壓器之第二臂之兩個第二開關之間之一連接點。
本發明較佳實施例之該電容器組包含二電容器，且該二電容器之電容值約相等。
本發明較佳實施例之該雙向開關包含兩個第三開關。
本發明較佳實施例之該兩個第三開關形成一反向串接結構。
本發明較佳實施例在操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該兩個第三開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例在操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該兩個第三開關進行切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該雙向開關包含一二極體組及一第四開關，且該第四開關並聯於該二極體組。
本發明較佳實施例之該第四開關連接至該二電容器之間之一連接點。
本發明較佳實施例之該二極體組包含四個二極體，且該四個二極體連接形成一橋式結構。
本發明較佳實施例在操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例在操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該變壓器之一次側具有一電感，且該直流/直流轉換器之操作減少該電感之電壓變化。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法包含：提供一直流/直流轉換器，而該直流/直流轉換器包含一變壓器，且該變壓器包含一次側及二次側，且該一次側及二次側對應於一低壓側及一高壓側；在該直流/直流轉換器操作於升壓模式時，將數個低壓側開關以一第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5； 將數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體；及將一雙向開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該二次側具有一第一臂、一第二臂及一電容器組。
本發明較佳實施例之該數個第一高壓側開關設置於該變壓器之二次側之第一臂，而該數個第二高壓側開關設置於該變壓器之二次側之第二臂，且該雙向開關設置於該變壓器之二次側之第二臂。
本發明較佳實施例之該電容器組設置於該變壓器之二次側，而該電容器組包含兩個電容器，且該兩個電容器之間具有一連接點。
本發明較佳實施例之該雙向開關連接於該變壓器之二次側之第二臂及該兩個電容器之連接點之間。
本發明較佳實施例之該數個低壓側開關為四個開關。
本發明較佳實施例之該數個二極體反向並聯於該數個低壓側開關。
本發明較佳實施例之該數個第一高壓側開關為兩個第一開關，而該數個第二高壓側開關為兩個第二開關。
本發明較佳實施例之該雙向開關連接於該變壓器之第二臂之兩個第二開關之間之一連接點。
本發明較佳實施例之該電容器組包含二電容器，且該二電容器之電容值約相等。
本發明較佳實施例之該雙向開關包含兩個第三開關。
本發明較佳實施例之該兩個第三開關形成一 反向串接結構。
本發明較佳實施例在操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該兩個第三開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例在操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該兩個第三開關進行切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該雙向開關包含一二極體組及一第四開關，且該第四開關並聯於該二極體組。
本發明較佳實施例之該第四開關連接至該二電容器之間之一連接點。
本發明較佳實施例之該二極體組包含四個二極體，且該四個二極體連接形成一橋式結構。
本發明較佳實施例在操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例在操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5， 且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該變壓器之一次側具有一電感，且該直流/直流轉換器之操作減少該電感之電壓變化。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法包含：提供一直流/直流轉換器，而該直流/直流轉換器包含一變壓器，且該變壓器包含一次側及二次側，且該一次側及二次側對應於一低壓側及一高壓側；在該直流/直流轉換器操作於降壓模式時，將數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體；將數個第一高壓側開關以一第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5；及將數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該雙向開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該二次側具有一第一臂、一第二臂及一電容器組。
本發明較佳實施例之該數個第一高壓側開關設置於該變壓器之二次側之第一臂，而該數個第二高壓側開關設置於該變壓器之二次側之第二臂，且該雙向開關設置於該變壓器之二次側之第二臂。
本發明較佳實施例之該電容器組設置於該變壓器之二次側，而該電容器組包含兩個電容器，且該兩個電容器之間具有一連接點。
本發明較佳實施例之該雙向開關連接於該變壓器之二次側之第二臂及該兩個電容器之連接點之間。
本發明較佳實施例之該數個低壓側開關為四 個開關。
本發明較佳實施例之該數個二極體反向並聯於該數個低壓側開關。
本發明較佳實施例之該數個第一高壓側開關為兩個第一開關，而該數個第二高壓側開關為兩個第二開關。
本發明較佳實施例之該雙向開關連接於該變壓器之第二臂之兩個第二開關之間之一連接點。
本發明較佳實施例之該該直流/直流轉換器包含一電容器組，而該電容器組包含二電容器，且該二電容器之電容值約相等。
本發明較佳實施例之該雙向開關包含兩個第三開關。
本發明較佳實施例之該兩個第三開關形成一反向串接結構。
本發明較佳實施例在操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該兩個第三開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例在操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該兩個第三開關進行切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該雙向開關包含一二極體組及一第四開關，且該第四開關並聯於該二極體組。
本發明較佳實施例之該第四開關連接至該二電容器之間之一連接點。
本發明較佳實施例之該二極體組包含四個二極體，且該四個二極體連接形成一橋式結構。
本發明較佳實施例在操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例在操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
本發明較佳實施例之該變壓器之一次側具有一電感，且該直流/直流轉換器之操作減少該電感之電壓變化。
1‧‧‧雙向多階直流/直流轉換器
10‧‧‧變壓器
2‧‧‧低壓側開關
21‧‧‧電感
31‧‧‧第一高壓側開關
32‧‧‧第二高壓側開關
33‧‧‧雙向開關
33a‧‧‧第一雙向開關
33b‧‧‧第二雙向開關
330‧‧‧第三開關
331‧‧‧二極體組
332‧‧‧第四開關
34‧‧‧電容器組
341‧‧‧第一電容器
342‧‧‧第二電容器
a‧‧‧連接點
b‧‧‧連接點
9‧‧‧習用多階直流-直流電能轉換裝置
90‧‧‧變壓器
911‧‧‧電感
912‧‧‧二極體
92‧‧‧高壓側開關
93‧‧‧二極體
第1圖：習用多階直流-直流電能轉換裝置之架構示意圖。
第2圖：本發明第一較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置之架構示意圖。
第2A圖：本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置採用雙向開關之架構示意圖。
第2B圖：本發明第三較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置採用雙向開關之架構示意圖。
第3圖：本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於升壓模式時，低壓側開關之控制訊號之波形示意圖。
第4圖：本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於升壓模式時，雙向開關之兩個第三開關之控制訊號、變壓器兩側電壓及低壓側開關與電感之間之多階直流輸入電壓之波形示意圖。
第5圖：本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於降壓模式時，第二高壓側開關及雙向開關之兩個第三開關之控制訊號之波形示意圖。
第6圖：本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於降壓模式時，第一高壓側開關之控制訊號、變壓器兩側電壓及低壓側開關與電感之間之多階直流輸入電壓之波形示意圖。
為了充分瞭解本發明，於下文將舉例較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。
本發明較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置、其操作及控制方法適用於各種多階電能轉換裝置或其類似功能裝置，但其並非用以限定本發明之範圍。
第2圖揭示本發明第一較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置之架構示意圖。請參照第2圖所示，本發明第一較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法採用一雙向多階直流/直流轉換器1，且該雙向多階直流/直流轉換器1主要包含一變壓器10、數個低壓側開關2、一電感21、數個第一高壓側開關31、數個第二高壓側開關32、一雙向開關33及一電容器 組34。
請再參照第2圖所示，舉例而言，該雙向多階直流/直流轉換器1具有一低壓側〔左側〕及一高壓側〔右側〕。該變壓器10包含一次側〔primary side〕及二次側〔secondary side〕，且該一次側及二次側對應於該雙向多階直流/直流轉換器1之低壓側及高壓側。該變壓器10之二次側具有一第一臂及一第二臂，且該電容器組34設置於該二次側。
請再參照第2圖所示，舉例而言，該數個低壓側開關2選擇設置於該變壓器10之一次側之一第一位置，而該電感21則選擇設置於該變壓器10之一次側之一第二位置。該數個低壓側開關2為四個開關S1、S2、S3、S4，且四個二極體分別反向並聯於該數個低壓側開關2之四個開關S1、S2、S3、S4。
請再參照第2圖所示，舉例而言，該數個第一高壓側開關31選擇為兩個第一開關S5、S6，而該數個第二高壓側開關32選擇為兩個第二開關S7、S8。該數個第一高壓側開關31選擇設置於該變壓器10之二次側之第一臂，而該數個第二高壓側開關32及雙向開關33則選擇設置於該變壓器10之二次側之第二臂。另外，數個第一二極體及數個第二二極體反向並聯於該數個第一高壓側開關31及數個第二高壓側開關32。
請再參照第2圖所示，舉例而言，該電容器組34包含一第一電容器341及一第二電容器342，且該第一電容器341及第二電容器342形成串聯。該第一電容器341及第二電容器342，且其電容值相等或約相等。該第一電容器341及第二電容器342之電壓約為等於高壓側電壓之一半。
第2A圖揭示本發明第二較佳實施例之雙向隔 離式多階直流-直流電能轉換裝置採用雙向開關之架構示意圖，其對應於第2圖〔虛線框〕之雙向開關。請參照第2及2A圖所示，相對於第一實施例，本發明第二較佳實施例之該雙向多階直流/直流轉換器1包含一第一雙向開關33a。該第一雙向開關33a選擇為兩個第三開關330，且該兩個第三開關330形成一反向串接結構〔如連接點a及b之間所示〕，以形成一雙向開關。另外，該兩個第三開關330選擇連接於該兩個第二開關S7、S8之間之一第一連接點〔connection point〕，且該兩個第三開關330選擇連接於該第一電容器341及第二電容器342之間之一第二連接點〔例如：中間點〕。
第2B圖揭示本發明第三較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置採用雙向開關之架構示意圖，其對應於第2圖〔虛線框〕之雙向開關。請再參照第2及2B圖所示，相對於第一及第二實施例，該雙向多階直流/直流轉換器1包含一第二雙向開關33b。該第二雙向開關33b包含一二極體組331及一第四開關332，且該第四開關332並聯於該二極體組331。該二極體組331包含四個二極體D1、D2、D3、D4，且該四個二極體D1、D2、D3、D4連接形成一橋式結構或其類似結構。該二極體組331及第四開關332連接於該兩個第二開關S7、S8之間之一連接點。
第3圖揭示本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於升壓模式時，低壓側開關之控制訊號之波形示意圖。請參照第2、2A及3圖所示，在該雙向多階直流/直流轉換器1操作於升壓模式〔boost mode〕時，在該低壓側上，將該數個低壓側開關2之四個開關S1、S2、S3、S4以一第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5。
請再參照第2及2A圖所示，相反的，在該高壓側上，在該雙向多階直流/直流轉換器1操作於升壓模式時，將該數個第一高壓側開關31之第一開關S5、S6及該數個第二高壓側開關32之第二開關S7、S8進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關31及數個第二高壓側開關32之數個第一二極體及數個第二二極體。
第4圖揭示本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於升壓模式時，第一雙向開關之兩個第三開關〔S9、S10〕之控制訊號、變壓器兩側電壓及低壓側開關〔S1、S2、S3、S4〕與電感之間之多階直流輸入電壓之波形示意圖。請參照第2、2A及4圖所示，同樣的，在該雙向多階直流/直流轉換器1操作於升壓模式時，將該第一雙向開關33a之第三開關330進行交替切換導通及截止，如第4圖之下方兩個波形所示，以控制一高壓側電壓。當該第三開關330截止時，該變壓器10之二次側電壓Vtr2之電壓大小約為等於該高壓側電壓。當該第三開關330導通時，該變壓器10之二次側電壓Vtr2之電壓大小約為等於該高壓側電壓之一半。
請再參照第2及4圖所示，顯然，在該雙向多階直流/直流轉換器1操作於升壓模式時，該變壓器10之一次側電壓Vtr1及二次側電壓Vtr2為多階電壓波形〔如第4圖之上方兩個波形所示〕，因此相對降低電流損失〔如第4圖所示於該變壓器10之一次側在該低壓側開關2與電感21之間之多階直流輸入電壓Vin_multi〕，如此於該變壓器10之一次側形成電感電壓變化變小，因而該電感21之體積可相對減小。
請再參照第2圖所示，反之，在該雙向多階直流/直流轉換器1操作於降壓模式〔buck mode〕時，在該低壓側上，將該數個低壓側開關2之四個開關S1、S2、S3、 S4進行截止，此時並導通該數個低壓側開關2之四個開關S1、S2、S3、S4之數個二極體。
第5圖揭示本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於降壓模式時，第二高壓側開關及第一雙向開關之兩個第三開關之控制訊號之波形示意圖；第6圖揭示本發明第二較佳實施例之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置操作於降壓模式時，第一高壓側開關〔S5、S6〕之控制訊號、變壓器兩側電壓及低壓側開關〔S1、S2、S3、S4〕與電感之間之多階直流輸入電壓之波形示意圖。請參照第2、2A、5及6圖所示，在該高壓側上，將該數個第一高壓側開關31之第一開關S5、S6以一第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，如第6圖之下方兩個波形所示。另外，在該高壓側上，將該數個第二高壓側開關32之第二開關S7、S8進行交替切換導通及截止，且將該第一雙向開關33a之第三開關330進行交替切換導通及截止，如第2、2A及5圖所示。
請參照第2、2A4、5及6圖所示，在該第一開關S5導通期間，該第二開關S8及第三開關S10〔第2A圖之S10〕進行交替切換，且該第二開關S7及第三開關330〔第2A圖之S9〕截止。另外，在該第一開關S6導通期間，該第二開關S7及第三開關330〔第2A圖之S9〕進行交替切換，且該第二開關S8及第三開關330〔第2A圖之S10〕截止，以控制一低壓側電壓。
請再參照第2、2A、4、5及6圖所示，在該第一雙向開關33a截止時，該變壓器10之二次側電壓Vtr2之高壓大小約為等於該高壓側電壓。在該第一雙向開關33a導通時，該變壓器10之二次側電壓Vtr2之電壓大小約為等於該高壓側電壓之一半。
請再參照第2、2A及6圖所示，顯然，在該雙向多階直流/直流轉換器1操作於降壓模式時，該變壓器10之一次側電壓Vtr1及二次側電壓Vtr2為多階電壓波形〔如第6圖之上方兩個波形所示〕，因此相對降低電流損失〔如第6圖所示於該變壓器10之一次側在該低壓側開關2與電感21之間之多階直流輸入電壓Vin_multi〕，如此於該變壓器10之一次側形成電感電壓變化變小，因而該電感21之體積可相對減小。
請再參照第2A、2B及4圖所示，本發明第三較佳實施例在升壓模式中將該第二雙向開關33b之第四開關332〔第2B圖之S11〕進行交替切換導通及截止。舉例而言，該第四開關332〔第2B圖之S11〕選擇採用一或閘〔OR gate〕訊號進行結合該兩個第三開關330〔第2A圖之兩個第三開關S9、S10〕之導通及截止控制訊號〔第4圖下方之兩個波形〕作為其之導通及截止控制訊號。
請再參照第2A、2B及5圖所示，本發明第三較佳實施例在降壓模式中將該第二雙向開關33b之第四開關332〔第2B圖之S11〕進行交替切換導通及截止。舉例而言，該第四開關332〔第2B圖之S11〕選擇採用一或閘訊號進行結合該兩個第三開關330〔第2A圖之兩個第三開關S9、S10〕之導通及截止控制訊號〔第5圖下方之兩個波形〕作為其之導通及截止控制訊號。
前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。本案著作權限制使用於中華民國專利申請用途。
1‧‧‧雙向多階直流/直流轉換器
10‧‧‧變壓器
2‧‧‧低壓側開關
21‧‧‧電感
31‧‧‧第一高壓側開關
32‧‧‧第二高壓側開關
33‧‧‧雙向開關
34‧‧‧電容器組
341‧‧‧第一電容器
342‧‧‧第二電容器
a‧‧‧連接點
b‧‧‧連接點

Claims (34)

  1. 一種雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其包含：一直流/直流轉換器，其包含一低壓側及一高壓側；一變壓器，其設置於該直流/直流轉換器，而該變壓器包含一次側及二次側，且該二次側具有一第一臂及一第二臂，且該一次側及二次側對應於該低壓側及高壓側；一電感，其設置於該變壓器之一次側；數個低壓側開關，其設置於該變壓器之一次側；數個第一高壓側開關，其設置於該變壓器之二次側之第一臂；數個第二高壓側開關，其設置於該變壓器之二次側之第二臂；一電容器組，其設置於該變壓器之二次側，而該電容器組包含兩個電容器，且該兩個電容器之間具有一連接點；及一雙向開關，其連接於該變壓器之二次側之第二臂及該兩個電容器之連接點之間；其中在該直流/直流轉換器操作於升壓模式時，將該數個低壓側開關以一第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該雙向開關進行切換導通及截止；或其中在該直流/直流轉換器操作於降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以一第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該雙向開關進行切換導通及截止。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之雙向隔離式多階直流-直 流電能轉換裝置，其中該數個二極體反向並聯於該數個低壓側開關。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該數個第一高壓側開關為兩個第一開關，而該數個第二高壓側開關為兩個第二開關。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該雙向開關連接於該變壓器之第二臂之兩個第二開關之間之一連接點。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該電容器組包含二電容器，且該二電容器之電容值相等。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該雙向開關包含兩個第三開關。
  7. 依申請專利範圍第6項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該兩個第三開關形成一反向串接結構。
  8. 依申請專利範圍第6項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中在操作於該升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該兩個第三開關進行交替切換導通及截止。
  9. 依申請專利範圍第6項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中在操作於該降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該兩個第三開關進行切換導通及截止。
  10. 依申請專利範圍第1項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該雙向開關包含一二極體組及一第四開關，且該第四開關並聯於該二極體組。
  11. 依申請專利範圍第10項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該第四開關連接至該二電容器之間之該連接點。
  12. 依申請專利範圍第10項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該二極體組包含四個二極體，且該四個二極體連接形成一橋式結構。
  13. 依申請專利範圍第10項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中在操作於該升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
  14. 依申請專利範圍第10項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中在操作於該降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
  15. 依申請專利範圍第1項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該變壓器之一次側具有該電感，且該直流/直流轉換器之操作減少該電感之電壓變化。
  16. 一種雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其包含：提供一直流/直流轉換器，而該直流/直流轉換器包含一變壓器，且該變壓器包含一次側及二次側，且該一次側及二次側對應於一低壓側及一高壓側； 在該直流/直流轉換器操作於升壓模式時，將數個低壓側開關以一第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5；將數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體；及將一雙向開關進行交替切換導通及截止。
  17. 一種雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其包含：提供一直流/直流轉換器，而該直流/直流轉換器包含一變壓器，且該變壓器包含一次側及二次側，且該一次側及二次側對應於一低壓側及一高壓側；在該直流/直流轉換器操作於降壓模式時，將數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體；將數個第一高壓側開關以一第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5；及將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將一雙向開關進行交替切換導通及截止。
  18. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該二次側具有一第一臂、一第二臂及一電容器組。
  19. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該數個第一高壓側開關設置於該變壓器之二次側之第一臂，而該數個第二高壓側開關設置於該變壓器之二次側之第二臂，且該雙向開關設置於該變壓器之二次側之第二臂。
  20. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中一電容器組設置於該變壓器之二次側，而該電容器組包含兩個電容器，且該兩個電容器之間具有一連接點。
  21. 依申請專利範圍第20項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該雙向開關連接於該變壓器之二次側之第二臂及該兩個電容器之連接點之間。
  22. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該數個低壓側開關為四個開關，且該數個二極體反向並聯於該數個低壓側開關。
  23. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該數個第一高壓側開關為兩個第一開關，而該數個第二高壓側開關為兩個第二開關。
  24. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該雙向開關連接於該變壓器之第二臂之兩個第二開關之間之一連接點。
  25. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該直流/直流轉換器包含一電容器組，而該電容器組包含二電容器，且該二電容器之電容值相等。
  26. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該雙向開關包含兩個第三開關，且該兩個第三開關形成一反向串接結構。
  27. 依申請專利範圍第26項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中在操作於該升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該兩個第三開關進行交替切換導通及截止。
  28. 依申請專利範圍第26項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中在操作於該降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責 任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該兩個第三開關進行切換導通及截止。
  29. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該雙向開關包含一二極體組及一第四開關，且該第四開關並聯於該二極體組。
  30. 依申請專利範圍第29項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該第四開關連接至該二電容器之間之一連接點。
  31. 依申請專利範圍第29項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該二極體組包含四個二極體，且該四個二極體連接形成一橋式結構。
  32. 依申請專利範圍第29項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中在操作於該升壓模式時，將該數個低壓側開關以該第一固定責任週期進行操作，且該第一固定責任週期大於0.5，而將該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關進行截止，此時並導通該數個第一高壓側開關及數個第二高壓側開關之數個第一二極體及數個第二二極體，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
  33. 依申請專利範圍第29項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中在操作於該降壓模式時，將該數個低壓側開關進行截止，此時並導通該數個低壓側開關之數個二極體，而將該數個第一高壓側開關以該第二固定責任週期進行互補操作，且該第二固定責任週期小於0.5，且將該數個第二高壓側開關進行交替切換導通及截止，且將該第四開關進行交替切換導通及截止。
  34. 依申請專利範圍第16或17項所述之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該變壓器之一次側具有一電感，且該直流/直流轉換器之操作減少該電感之電壓變化。
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