TWI699080B - 具雙向功率轉換之三相電源裝置 - Google Patents

具雙向功率轉換之三相電源裝置 Download PDF

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黃文隆
李聖華
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Abstract

一種具雙向功率轉換之三相電源裝置，其對電動車的電池充電。三相電源裝置包含交流對直流轉換單元、第一直流匯流排、第一直流對直流轉換單元、第二直流匯流排以及第二直流對直流轉換單元。交流對直流轉換單元耦接交流市電。第一直流匯流排耦接交流對直流轉換單元。第一直流對直流轉換單元包含隔離變壓器、諧振槽、第一橋臂組以及第二橋臂組。第一橋臂組耦接第一直流匯流排與隔離變壓器的初級側。第二橋臂組耦接隔離變壓器的次級側。第二直流匯流排耦接第二橋臂組。第二直流對直流轉換單元耦接第二直流匯流排與電池。

Description

具雙向功率轉換之三相電源裝置
本發明係有關一種電源裝置，尤指一種應用於電動車充電的具雙向功率轉換之三相電源裝置。
節能減碳已經是全球共識，全球各大車廠也積極開發插電式油電混合車、純電動車。各國政府也透過法令與能源政策的制訂，鼓勵車廠們投入更多的研究，帶動產業升級，促進綠色經濟的發展。
新一代的電動車充電設備除了要符合未來各大車廠充電的規格，更重要的是必須能與電網互相調節，因為電動車的使用量快速增加，因應的充電設備擴充必需考慮到整體的電網架構。
為此，如何設計出一種應用於電動車充電的具雙向功率轉換之三相電源裝置，來達到前述的技術目標，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之目的在於提供一種具雙向功率轉換之三相電源裝置，達到前述的技術目標。
為達成前揭目的，本發明所提出的具雙向功率轉換之三相電源裝置，其包含交流對直流轉換單元、第一直流匯流排、第一直流對直流轉換單元、 第二直流匯流排以及第二直流對直流轉換單元。交流對直流轉換單元具有第一橋臂、第二橋臂以及第三橋臂，交流對直流轉換單元的第一側耦接交流市電。第一直流匯流排耦接交流對直流轉換單元的第二側，具有第一直流電壓。第一直流對直流轉換單元包含隔離變壓器、第一橋臂組以及第二橋臂組。隔離變壓器具有初級側與次級側。第一橋臂組耦接第一直流匯流排與初級側，具有第一橋臂與第二橋臂。第二橋臂組耦接次級側，具有第一橋臂與第二橋臂。第二直流匯流排耦接第二橋臂組的第二橋臂，具有第二直流電壓。第二直流對直流轉換單元的第一側耦接第二直流匯流排，第二直流對直流轉換單元的第二側耦接電池。隔離變壓器的初級側及/或次級側具有諧振槽，第一直流對直流轉換單元為開迴路操作，並且操作在諧振頻率點。
在一實施例中，第二直流對直流轉換單元為非隔離型轉換電路。
在一實施例中，交流對直流轉換單元係為三電平架構，當三相電源裝置的功率潮流方向由交流市電往電池時，對交流市電提供功率因數校正，並且提供穩定的第一直流電壓。
在一實施例中，當三相電源裝置的功率潮流方向由電池往交流市電時，交流對直流轉換單元係為三電平的控制，交流對直流轉換單元以電流源操作。
在一實施例中，當三相電源裝置的功率潮流方向由交流市電往電池時，第二直流對直流轉換單元操作為降壓式直流轉換器。
在一實施例中，當三相電源裝置的功率潮流方向由電池往交流市電時，第二直流對直流轉換單元操作為升壓式直流轉換器。
在一實施例中，當三相電源裝置的功率潮流方向由電池送出，且為獨立操作時，交流對直流轉換單元係為三電平的控制，交流對直流轉換單元以電壓源操作。
在一實施例中，交流對直流轉換單元的第一橋臂包含兩串聯的第一功率開關、第二功率開關與耦接於第一功率開關與第二功率開關共接點的第一二極體，以及兩串聯的第三功率開關、第四功率開關與耦接於第三功率開關與第四功率開關共接點的第二二極體；第二功率開關耦接第三功率開關，且共接於第一接點，第一二極體耦接第二二極體，且共接於電位中點。交流對直流轉換單元的第二橋臂包含兩串聯的第五功率開關、第六功率開關與耦接於第五功率開關與第六功率開關共接點的第三二極體，以及兩串聯的第七功率開關、第八功率開關與耦接於第七功率開關與第八功率開關共接點的第四二極體；第六功率開關耦接第七功率開關，且共接於第二接點，第三二極體耦接第四二極體，且共接於電位中點。交流對直流轉換單元的第三橋臂包含兩串聯的第九功率開關、第十功率開關與耦接於第九功率開關與第十功率開關共接點的第五二極體，以及兩串聯的第十一功率開關、第十二功率開關與耦接於第十一功率開關與第十二功率開關共接點的第六二極體；第十功率開關耦接第十一功率開關，且共接於第三接點，第五二極體耦接第六二極體，且共接於電位中點。
在一實施例中，第一直流對直流轉換單元的第一橋臂組的第一橋臂包含兩串聯的第一功率開關與第二功率開關，且第一功率開關與第二功率開關共接於第四接點；第一直流對直流轉換單元的第一橋臂組的第二橋臂包含兩串聯的第三功率開關與第四功率開關，且第三功率開關與第四功率開關共接於第五接點；其中，第四接點與第五接點分別耦接於初級側的兩端。第一直流對直 流轉換單元的第二橋臂組的第一橋臂包含兩串聯的第五功率開關與第六功率開關，且第五功率開關與第六功率開關共接於第六接點。第一直流對直流轉換單元的第二橋臂組的第二橋臂包含兩串聯的第七功率開關與第八功率開關，且第七功率開關與第八功率開關共接於第七接點；其中，第六接點與第七接點分別耦接於次級側的兩端。
在一實施例中，第一直流電壓或第二直流電壓根據即時轉換效率、元件溫度或電池電壓為依據，進行動態的調整。
藉由所提出的應用於具雙向功率轉換之三相電源裝置，可達到新一代電動車充電設備的需求與要求。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
11:交流對直流轉換單元
12:第一直流匯流排
13:第一直流對直流轉換單元
14:第二直流匯流排
15:第二直流對直流轉換單元
16:電池
111:第一橋臂
112:第二橋臂
113:第三橋臂
131:第一橋臂組
132:第二橋臂組
133:隔離變壓器
1311:第一橋臂
1312:第二橋臂
1321:第一橋臂
1322:第二橋臂
1331:初級側
1332:次級側
Vac:交流市電
Q11~Q1C:功率開關
Q21~Q28:功率開關
D1~D6:二極體
P11:第一接點
P12:第二接點
P13:第三接點
P21:第四接點
P22:第五接點
P23:第六接點
P24:第七接點
P10:電位中點
Ca,Cb,CBUS:電容
Vdc1:第一直流電壓
Vdc2:第二直流電壓
圖1：為本發明具雙向功率轉換之三相電源裝置之電路圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖1(由於圖面大小的限制，因此由圖1A、圖1B與圖1C所構成)所示，其係為本發明具雙向功率轉換之三相電源裝置之電路圖。所述具雙向功率轉換之三相電源裝置係應用於電動車充電。其中，電池16係可為電動車 (electric vehicle)內置的充電電池。該三相電源裝置係包含交流對直流轉換單元11、第一直流匯流排12、第一直流對直流轉換單元13、第二直流匯流排14以及第二直流對直流轉換單元15。
交流對直流轉換單元11(參見圖1A)係具有一第一橋臂111、一第二橋臂112以及一第三橋臂113。交流對直流轉換單元11的第一側耦接交流市電Vac，在本發明中，交流市電Vac係為一三相交流電源，或一交流電網。
第一橋臂111包含兩串聯的功率開關Q11,Q12與耦接於兩功率開關Q11,Q12共接點的二極體D1，以及兩串聯的功率開關Q13,Q14與耦接於兩功率開關Q13,Q14共接點的二極體D2。並且，功率開關Q12耦接功率開關Q13，且共接於第一接點P11，二極體D1耦接二極體D2，且共接於電位中點P10。其中，該些功率開關Q11~Q14可為IGBT功率電晶體或MOSFET功率電晶體。
第二橋臂112包含兩串聯的功率開關Q15,Q16與耦接於兩功率開關Q15,Q16共接點的二極體D3，以及兩串聯的功率開關Q17,Q18與耦接於兩功率開關Q17,Q18共接點的二極體D4。並且，功率開關Q16耦接功率開關Q17，且共接於第二接點P12，二極體D3耦接二極體D4，且共接於電位中點P10。其中，該些功率開關Q15~Q18可為IGBT功率電晶體或MOSFET功率電晶體。
第三橋臂113包含兩串聯的功率開關Q19,Q1A與耦接於兩功率開關Q19,Q1A共接點的二極體D5，以及兩串聯的功率開關Q1B,Q1C與耦接於兩功率開關Q1B,Q1C共接點的二極體D6。並且，功率開關Q1A耦接功率開關Q1B，且共接於第三接點P13，二極體D5耦接二極體D6，且共接於電位中點P10。其中，該些功率開關Q19~Q1C可為IGBT功率電晶體或MOSFET功率電晶體。
其中，各個橋臂為三電平橋臂，每個橋臂可以控制輸出三個電壓準位，這樣配置可以減少開關應力及減少諧波。第一接點P11、第二接點P12以及第三接點P13對應耦接三相交流市電Vac的各相輸出。值得一提，因為電動車的 電池有朝向愈來愈高電壓和高容量的趨勢，本發明的交流對直流轉換單元11優選的使用三電平架構，這樣可以減少開關的應力，有助於在第一直流匯流排12建立較高電壓時，不需要使用高耐壓高成本的開關元件，且連接交流電網時有助於減少諧波。
第一直流匯流排12耦接交流對直流轉換單元11的第二側，具有第一直流電壓Vdc1。第一直流電壓Vdc1係跨接於連接電位中點P10的兩電容Ca,Cb上，以成為後級轉換單元的電壓源。
第一直流對直流轉換單元13(參見圖1B)係包含第一橋臂組131、第二橋臂組132以及隔離變壓器133和諧振槽。隔離變壓器133具有一初級側1331與一次級側1332。隔離變壓器133的初級側1331可具有一電感電容(LC)諧振槽，其中第一直流對直流轉換單元13為開迴路操作，並且操作在一諧振頻率點，容後詳述。另一實施例，隔離變壓器133的次級側1332亦可包含LC諧振槽，如此第一直流對直流轉換單元13在順向操作或逆向操作具備對稱的電路，或者次級側僅包含電容。依不同的負載與範圍去配置諧振槽，使控制上更加優化。
第一橋臂組131耦接第一直流匯流排12與隔離變壓器133的初級側1331，具有第一橋臂1311與第二橋臂1312。第一橋臂1311包含兩串聯的功率開關Q21,Q22，且功率開關Q21,Q22共接於第四接點P21。第二橋臂1312包含兩串聯的功率開關Q23,Q24，且功率開關Q23,Q24共接於第五接點P22。其中，第四接點P21與第五接點P22分別耦接於初級側1331的兩端。
第二橋臂組132耦接隔離變壓器133的次級側1332，具有第一橋臂1321與第二橋臂1322。第一橋臂1321包含兩串聯的功率開關Q25,Q26，且功率開關Q25,Q26共接於第六接點P23。第二橋臂1322包含兩串聯的功率開關Q27,Q28，且功率開關Q27,Q28共接於第七接點P24。其中，第六接點P23與第七接點P24分別耦接於次級側1332的兩端。
第二直流匯流排14耦接第二橋臂組132的第二橋臂1322，具有第二直流電壓Vdc2。第二直流電壓Vdc2係跨接於一電容CBUS上。
第二直流對直流轉換單元15(參見圖1C)的第一側耦接第二直流匯流排14，第二直流對直流轉換單元15的第二側耦接電池16，第二直流對直流轉換單元15使用非隔離型轉換電路。
值得一提，第一直流對直流轉換單元13的第一橋臂組131、第二橋臂組132以及隔離變壓器133和諧振槽形成一個直流轉直流的諧振轉換電路，一般諧振轉換電路的操作原理是藉由回授輸出電壓，控制每一橋臂的開關切換頻率，藉此控制輸出電壓。然而，於電動車充電應用時，由於電池電壓變動範圍大，將導致諧振轉換電路的開關切換頻率變動範圍很廣，且要設計特別的諧振參數以符合全範圍電壓的調節，這樣導致大部分時間切換頻率都偏離諧振頻率點太遠，且整體效率會降低。本發明的第一直流對直流轉換單元13為開迴路操作，並且操作在一諧振頻率點，這樣可以保持第一直流對直流轉換單元13效率最佳化，且達成電氣隔離的效果，再利用第二直流對直流轉換單元15對電池16進行充電。如此搭配可以達到高效率、寬範圍且具電氣隔離的功效。
此外，第一直流電壓Vdc1或第二直流電壓Vdc2可以根據即時轉換效率、元件溫度或電池電壓為依據，進行動態的調整。舉例，因電池16於充放電過程中有電壓的變化，可以根據電池電壓大小動態調整第一直流電壓Vdc1和第二直流電壓Vdc2。或者，根據第一直流對直流轉換單元13與第二直流對直流轉換單元15的功率開關溫度而調整直流匯流排電壓。換言之，直流匯流排不一定要維持固定電壓，可以動態調整去優化效率。
以下，針對所述具雙向功率轉換之三相電源裝置的操作加以說明。本發明的三相電源裝置具雙向功率潮流的操作模式，所述雙向模式可為儲能模式(energy-storing mode)，或稱順向操作(forward operation)以及釋能模式(energy- releasing mode)，或稱逆向操作(reverse operation)。所謂順向操作係指電源裝置接收交流市電Vac，並且透過交流對直流轉換單元11、第一直流對直流轉換單元13以及第二直流對直流轉換單元15轉換為直流電源供電池16使用。具體的應用可例如但不限制為，電網所提供的電能供應充電站所需電力，以供電動車充電。
反之，所謂逆向操作係指直流電源經由第二直流對直流轉換單元15、第一直流對直流轉換單元13以及交流對直流轉換單元11轉換為交流市電Vac。具體的應用可例如但不限制為電池16多餘的電力輸出其直流電源，作為區域尖峰用電需求時的補償、電力供電品質的調整，甚至躉售至電網(電力公司)。
在本發明一實施例中，交流對直流轉換單元11係為三電平架構，當三相電源裝置的功率潮流方向由交流市電Vac往電池16時，交流對直流轉換單元11係為三電平的控制，對交流市電Vac提供功率因數校正(power factor correction)，並且提供穩定的第一直流電壓Vdc1。反之，當三相電源裝置的功率潮流方向由電池16往交流市電Vac時，交流對直流轉換單元11係為三電平的控制，並控制交流對直流轉換單元11以電流源操作，反向向交流市電Vac提供電能，亦即，控制交流對直流轉換單元11的第二側向第一側輸出電流，此時交流對直流轉換單元11反向作為一個逆變器，可以依交流電網的需求提供實功率或虛功率。
再者，當三相電源裝置的功率潮流方向由交流市電Vac往電池16時，第二直流對直流轉換單元15操作為一降壓式(buck)直流轉換器，可以以電流源對電池16充電。反之，當三相電源裝置的功率潮流方向欲由該電池16往交流市電Vac時，第二直流對直流轉換單元15操作為一升壓式(boost)直流轉換器。
再者，當三相電源裝置的功率潮流方向由該電池16送出，且為獨立(standalone)操作時，交流對直流轉換單元11係為三電平的控制，且以電壓源操作，提供一個電壓源給其它交流負載使用。
綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：
1、由於有第一直流匯流排12與第二直流匯流排14，因此，可以依效率的需求作為控制的依據，也可以依溫度的需求作為控制的依據，動態地調整第一直流匯流排12與第二直流匯流排14的電壓，以優化效率。
2、為因應電池16，例如電動車的電池的電壓是寬範圍的，因此，第二直流對直流轉換單元15的設計可輕易地實現寬電壓範圍的輸出。
3、交流對直流轉換單元11優選的使用三電平架構，這樣可以減少開關的應力，有助於在第一直流匯流排12建立較高電壓時，不需要使用高耐壓高成本的開關元件，且連接交流電網時有助於減少諧波。
4、隔離變壓器133的初級側1331或次級側1332可依不同的負載與範圍去配置諧振槽，使控制上更加優化。
5、第一直流對直流轉換單元13為開迴路操作，並且操作在一諧振頻率點，這樣可以保持第一直流對直流轉換單元13效率最佳化，且達成電氣隔離的效果，再利用第二直流對直流轉換單元15對電池16進行充電。如此搭配可以達到高效率、寬範圍且具電氣隔離的功效。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
11:交流對直流轉換單元
12:第一直流匯流排
13:第一直流對直流轉換單元
14:第二直流匯流排
15:第二直流對直流轉換單元
16:電池
111:第一橋臂
112:第二橋臂
113:第三橋臂
131:第一橋臂組
132:第二橋臂組
133:隔離變壓器
1311:第一橋臂
1312:第二橋臂
1321:第一橋臂
1322:第二橋臂
1331:初級側
1332:次級側
Vac:交流市電
Q11~Q1C:功率開關
Q21~Q28:功率開關
D1~D6:二極體
P11:第一接點
P12:第二接點
P13:第三接點
P21:第四接點
P22:第五接點
P23:第六接點
P24:第七接點
P10:電位中點
Ca,Cb,CBUS:電容
Vdc1:第一直流電壓
Vdc2:第二直流電壓

Claims (9)

  1. 一種具雙向功率轉換之三相電源裝置，應用於電動車的一電池，該三相電源裝置包含：一交流對直流轉換單元，具有一第一橋臂、一第二橋臂以及一第三橋臂，該交流對直流轉換單元的一第一側耦接一交流市電；一第一直流匯流排，耦接該交流對直流轉換單元的一第二側，具有一第一直流電壓；一第一直流對直流轉換單元，包含：一隔離變壓器，具有一初級側與一次級側；一第一橋臂組，耦接該第一直流匯流排與該初級側，具有一第一橋臂與一第二橋臂；及一第二橋臂組，耦接該次級側，具有一第一橋臂與一第二橋臂；一第二直流匯流排，耦接該第二橋臂組的該第二橋臂，具有一第二直流電壓；及一第二直流對直流轉換單元，為一非隔離型轉換電路，該第二直流對直流轉換單元的一第一側耦接該第二直流匯流排，該第二直流對直流轉換單元的一第二側耦接該電池；其中，該隔離變壓器的該初級側及/或該次級側具有一諧振槽，該第一直流對直流轉換單元為開迴路操作，並且操作在一諧振頻率點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中該交流對直流轉換單元係為三電平架構，當該三相電源裝置的功率潮流方向 由該交流市電往該電池時，對該交流市電提供功率因數校正，並且提供穩定的該第一直流電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中當該三相電源裝置的功率潮流方向由該電池往該交流市電時，該交流對直流轉換單元係為三電平的控制，該交流對直流轉換單元以電流源操作。
  4. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中當該三相電源裝置的功率潮流方向由該交流市電往該電池時，該第二直流對直流轉換單元操作為一降壓式直流轉換器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中當該三相電源裝置的功率潮流方向由該電池往該交流市電時，該第二直流對直流轉換單元操作為一升壓式直流轉換器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中當該三相電源裝置的功率潮流方向由該電池送出，且為獨立操作時，該交流對直流轉換單元係為三電平的控制，且以電壓源操作。
  7. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中該交流對直流轉換單元的該第一橋臂包含兩串聯的一第一功率開關、一第二功率開關與耦接於該第一功率開關與該第二功率開關共接點的一第一二極體，以及兩串聯的一第三功率開關、一第四功率開關與耦接於該第三功率開關與該第四功率開關共接點的一第二二極體；該第二功率開關耦接該第三功率開關，且共接於一第一接點，該第一二極體耦接該第二二極體，且共接於一電位中點； 該交流對直流轉換單元的該第二橋臂包含兩串聯的一第五功率開關、一第六功率開關與耦接於該第五功率開關與該第六功率開關共接點的一第三二極體，以及兩串聯的一第七功率開關、一第八功率開關與耦接於該第七功率開關與該第八功率開關共接點的一第四二極體；該第六功率開關耦接該第七功率開關，且共接於一第二接點，該第三二極體耦接該第四二極體，且共接於該電位中點；及該交流對直流轉換單元的該第三橋臂包含兩串聯的一第九功率開關、一第十功率開關與耦接於該第九功率開關與該第十功率開關共接點的一第五二極體，以及兩串聯的一第十一功率開關、一第十二功率開關與耦接於該第十一功率開關與該第十二功率開關共接點的一第六二極體；該第十功率開關耦接該第十一功率開關，且共接於一第三接點，該第五二極體耦接該第六二極體，且共接於該電位中點。
  8. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中該第一直流對直流轉換單元的該第一橋臂組的該第一橋臂包含兩串聯的一第一功率開關與一第二功率開關，且該第一功率開關與該第二功率開關共接於一第四接點；該第一直流對直流轉換單元的該第一橋臂組的該第二橋臂包含兩串聯的一第三功率開關與一第四功率開關，且該第三功率開關與該第四功率開關共接於一第五接點；其中，該第四接點與該第五接點分別耦接於該初級側的兩端；該第一直流對直流轉換單元的該第二橋臂組的該第一橋臂包含兩串聯的一第五功率開關與一第六功率開關，且該第五功率開關與該第六功率開關共接於一第六接點；及 該第一直流對直流轉換單元的該第二橋臂組的該第二橋臂包含兩串聯的一第七功率開關與一第八功率開關，且該第七功率開關與該第八功率開關共接於一第七接點；其中，該第六接點與該第七接點分別耦接於該次級側的兩端。
  9. 如申請專利範圍第1項所述具雙向功率轉換之三相電源裝置，其中該第一直流電壓或該第二直流電壓根據即時轉換效率、元件溫度或電池電壓為依據，進行動態的調整。
TW108127852A 2019-08-06 2019-08-06 具雙向功率轉換之三相電源裝置 TWI699080B (zh)

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