TWI743862B - 再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器 - Google Patents
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Abstract
一種再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，包括：第一橋式開關電路，其第一端形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第一埠，其第二端電性連接接地端；第二橋式開關電路，其第一端形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第二埠，其第二端電性連接接地端；諧振電路，具有多個諧振電感、諧振電容與線圈組，其第一端與第二端電性連接所述第一橋式開關電路的第三與第四端，其第三端與第四端電性連接所述第二橋式開關電路的第三端與第四端；以及第一與第二電感，所述第一電感與第二電感的第一端電性連接，並形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第三埠，以及所述第一電感與第二電感的第二端分別電性所述第二橋式開關電路的第三端與第四端。
Description
本發明係有關於一種電能轉換器，且特別是有關於一種單級諧振式的再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其三個埠分別用於連接直流電網、二次電池與再生能源，且所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器作為二次電池釋能/儲能及直流電網、再生能源供電/用電的介面電路。
電能轉換器係用於作為不同電源之間之釋能與儲能的介面電路。電能轉換器多少會有能量轉換上的損失，特別是現有電能轉換器多有功率開關，且功率開關的切換會造成電能轉換的損失，故現有電能轉換器的設計者會透過各種設計方式來降低電能轉換的損失。另外，現有電能轉換器會使用諧振電路來達到電能轉換，然而，部分現有電能轉換器為多級電路，故具有較多的電子元件，且導致轉換效能不佳與體積龐大的技術問題。
再者，除了電子元件數量及電能轉換效率等因子的考量外，於設計電能轉換器時，設計上還會考慮到輸入電流漣波率、用電安全性與抗電磁干擾等因子。現有電能轉換器多未能在上述多個考量的因子取得一個較佳的權衡，或者，僅是滿足了上述多個考量之因子的最低需求限定。另外一方面，近期再生能源已經逐漸地普及，例如太陽能板或風電機，因此，電能轉換器也從現有的兩埠需求轉換為三埠需求，且現有兩埠的電能轉換器的設計並無法直接
套用於三埠的電能轉換器。簡單地說，現有電能轉換器的設計仍有改善與突破的空間。
本發明主要目的為提供一種再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其包括：第一橋式開關電路，其第一端形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第一埠，其第二端電性連接接地端；第二橋式開關電路，其第一端形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第二埠，其第二端電性連接接地端；諧振電路，具有多個諧振電感、諧振電容與線圈組，其第一端與第二端電性連接所述第一橋式開關電路的第三與第四端，其第三端與第四端電性連接所述第二橋式開關電路的第三端與第四端；以及第一與第二電感，所述第一電感與第二電感的第一端電性連接，並形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第三埠，以及所述第一電感與第二電感的第二端分別電性所述第二橋式開關電路的第三端與第四端。
藉此，相較於現有技術，本發明之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器具有低成本、微型化、低輸入電流漣波率、高電壓承受度、高電流應力承受度、高安全性、零電壓切換、零電流切換、低電磁干擾與寬調整範圍等優點。
1:再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器
11:第一橋式開關電路
12:第二橋式開關電路
13:諧振電路
14:控制器
Coss1~Coss8:寄生電容
CDC Grid、Cbat、Creg:隔離電容
Cr1、Cr2:諧振電容
D:二極體
DB1~DB8:本質二極體
L1:第一電感
L2:第二電感
Lr1、Lr2、Lm:諧振電感
Np、Ns:線圈匝數
Q1~Q8:功率電晶體
T1:線圈組
VDC Grid:直流電網電壓
Vbat:二次電池電壓
Vreg:再生能源電壓
PDC Grid、Pbat、Preg:功率
ir1、ir2、iL1、iL2、iLm:電流
Vgs1~Vgs8:控制信號
Vds1~Vds8:電晶體跨壓
ids1~ids8:電晶體電流
Ireg:再生能源電流
圖1是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的電路示意圖。
圖2是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於直流電網供電/二次電池儲能模式的工作示意圖。
圖3是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於直流電網供電/二次電池儲能模式的波形示意圖。
圖4是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於二次電池釋能/直流電網用電模式的工作示意圖。
圖5是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於二次電池釋能/直流電網用電模式的波形示意圖。
圖6是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能模式的工作示意圖。
圖7是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能模式的波形示意圖。
圖8是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/直流電網用電模式的工作示意圖。
圖9是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/直流電網用電模式的波形示意圖。
圖10是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式的工作示意圖。
圖11是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式的波形示意圖。
圖12是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式的工作示意圖。
圖13是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式的波形示意圖。
本發明實施例提供一種單級諧振式的再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其三個埠分別用於連接直流電網、二次電池與再生能源，且所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器作為二次電池釋能/儲能及直流電網、再生能源供電/用電的介面電路(即，用於對二次電池、直流電網與再生能源進行電能轉換)。進一步地說，所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器共可以有六種操作模式，其分別為直流電網供電/二次電池儲能模式、二次電池釋能/直流電網用電模式、再生能源供電/二次電池儲能模式、再生能源供電/直流電網用電模式、再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式與再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式。
所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器具有第一埠至第三埠，且包括第一橋式開關電路、第二橋式開關電路、諧振電路、第一電感與第二電感。第一橋式開關電路具有第一埠，第二橋式開關電路具有第二埠，第一電感與第二電感電性連接第二橋式開關電路並用於形成第三埠，以及諧振電路具有線圈組、多個諧振電感與多個諧振電容，並且電性連接於第一橋式開關電路與第二橋式開關電路之間。第一埠至第三埠可分別用於電性連接直流電網、二次電池與再生能源，且更可以具有隔離電容。
透過上述架構，直流電網(第一埠)與二次電池(第二埠)之間可形成有雙向對稱式諧振轉換器，以及二次電池(第二埠)與再生能源(第三埠)可形成有交錯式同步整流昇壓電路。換言之，本發明實施例的再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器實質上係透過整合雙向對稱式諧振轉換器與交錯式同步整流昇壓電路而形成單級電路，故可減少元件數量並降低成本，以提昇電路轉換效率。由於同步整流升壓電路採用交錯式技術，故可使再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器能承受更高電壓與電流應力，並降低輸入電流漣波率。再者，隔離型雙向全橋轉換器可使二次電池接收直流電網的能源進行儲能與釋能給直流電網用電，故具雙向電能傳遞功能與電氣隔離特性，從而提高用電安全性。除此之外，雙向對稱式諧振轉換器利用對稱式諧振技術，於雙向功率傳輸，可使用以讓直流電網的第一橋式整流開關電路或用以讓二次電池釋能的第二橋式開關電路之功率開關達成零電壓切換(ZVS)，以及使作為輸出整流開關之第二或第一橋式整流開關電路的功率開關達成零電流切換(ZCS)，故可以降低開關切換損失。
於直流電網供電/二次電池儲能模式及二次電池釋能/直流電網用電模式中，控制器係以脈波頻率調變(Pulse Frequency Modulation，PFM)的方式控制第一橋式開關電路與第二橋式開關電路的功率電晶體。於再生能源供電/二次電池儲能模式中，控制器係以非對稱式脈波寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)的方式控制第一橋式開關電路與第二橋式開關電路的功率電晶體。於再生能源供電/直流電網用電模式、再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式與再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式中，控制器係以責任週期(duty cycle)與脈波頻率調變的方式控制第一橋式開關電路與第二橋式開關電路的功率電晶體。由此可以知悉，本發明是利用軟切換的控制技術，故相較傳統硬切換控制操作，可降低電磁干擾(EMI)，減少切換損耗，以提昇
切換頻率，並縮小電路體積。再者，利用脈波寬度調變搭配脈波頻率調變調節直流電網、再生能源與二次電池之電能轉換，可以使再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器具有較寬的調壓範圍，以因應電性連接直流電網的第一埠與電性連接二次電池的第二埠之電壓變動需求。
在說明完本發明實施例的再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器之發明與設計概念後，接著進一步地說明再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的實現細節。請參照圖1，圖1是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的電路示意圖。再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器1包括第一橋式開關電路11、第二橋式開關電路12、諧振電路13、控制器14、第一電感L1與第二電感L2，並形成有第一至第三埠。第一橋式開關電路11的第一端形成第一埠，並電性連接直流電網，以接收直流電網電壓VDC Grid，第一橋式開關電路11的第二端電性連接接地端，以及第一橋式開關電路11的第三與第四端電性連接諧振電路13的第一與第二端。第二橋式開關電路12的第一端形成第二埠，並電性連接二次電池，以接收二次電池電壓Vbat，第二橋式開關電路12的第二端電性連接接地端，以及第二橋式開關電路12的第三與第四端電性連接第一電感L1的第二端與第二電感L2的第二端。第一電感L1的第一端與第二電感L2的第二端的第一端電性連接，並形成第三埠，第三埠電性連接再生能源，以接收再生能源電壓Vreg。第二橋式開關電路12的第三與第四端還分別電性連接諧振電路13的第三與第四端。控制器14電性連接第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12，以控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12的導電路徑。
於實施時，第一橋式開關電路11包括四個功率電晶體Q1~Q4，功率電晶體Q1~Q4分別具有本質二極體DB1~DB4與寄生電容Coss1~Coss4，控制器14電性連接功率電晶體Q1~Q4的控制端，以控制功率電晶體Q1~Q4的導
通與關閉。功率電晶體Q1、Q3的第一端電性連接第一橋式開關電路11的第一端，功率電晶體Q1、Q3的第二端分別電性連接諧振電路13的第一端與第二端，功率電晶體Q2、Q4的第一端分別電性連接功率電晶體Q1、Q3的第二端，以及功率電晶體Q2、Q4的第二端電性連接第一橋式開關電路11的第二端。
於實施時，第二橋式開關電路12包括四個功率電晶體Q5~Q8，功率電晶體Q5~Q8分別具有本質二極體DB5~DB8與寄生電容Coss5~Coss8，控制器14電性連接功率電晶體Q5~Q8的控制端，以控制功率電晶體Q5~Q8的導通與關閉。功率電晶體Q5、Q7的第一端電性連接第二橋式開關電路12的第一端，功率電晶體Q5、Q7的第二端分別電性連接諧振電路13的第四端與第三端，功率電晶體Q6、Q8的第一端分別電性連接功率電晶體Q5、Q7的第二端，以及功率電晶體Q6、Q8的第二端電性連接第二橋式開關電路12的第二端。
於實施時，諧振電路13包括諧振電容Cr1、Cr2、諧振電感Lr1、Lr2、Lm與線圈組T1。線圈組T1分別有線圈匝數為Np、Ns的感測線圈，即匝數比為Np：Ns。諧振電容Cr1的兩端分別電性連接第一橋式開關電路11的第三端與諧振電感Lr1的一端，諧振電感Lr1的另一端電性連接諧振電感Lm的一端與線圈匝數為Np的感測線圈的一端，諧振電感Lm的另一端電性連接線圈匝數為Np的感測線圈的另一端與第一橋式開關電路11的第四端。諧振電容Cr2的兩端分別電性連接第二橋式開關電路12的第三端與諧振電感Lr2的一端，諧振電感Lr2的另一端電性連接線圈匝數為Ns的感測線圈的一端，以及線圈匝數為Ns的感測線圈的另一端電性連接第二橋式開關電路12的第四端。
於實施時，第一橋式開關電路11的第一端與第二端分別電性連接隔離電容CDC Grid的兩端，第二橋式開關電路12的第一端電性連接隔離電容Cbat的一端，以及電感L1的第一端與第二橋式開關電路12的第二端分別電性連接隔離電容Creg的兩端。
在此請注意，上述第一橋式開關電路11、第二橋式開關電路12與諧振電路13的實施方式僅為本發明實施例之一，其並非用以限制本發明。再者，再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器1還包括前述隔離電容CDC Grid、Cbat、Creg，即隔離電容CDC Grid、Cbat、Creg可以外接於再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器1，或作為再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器1的一部分。
請接著參照圖2與圖3，圖2是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於直流電網供電/二次電池儲能模式的工作示意圖，以及圖3是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於直流電網供電/二次電池儲能模式的波形示意圖。於直流電網供電/二次電池儲能模式中，直流電網供電給二次電池進行儲能，此時直流電網提供的功率PDC Grid在無轉換損耗時會等於二次電池儲能的功率Pbat，再生能源提供的功率Preg則為0(亦即，PDC Grid=Pbat，Preg=0)。於此模式中，控制器14是以脈波頻率調變的方式控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12。
第一橋式開關電路11的功率電晶體Q1~Q4各負責導通約50%的週期寬度，且控制信號Vgs1、Vgs4同相，控制信號Vgs2、Vgs3同相，而控制信號Vgs1、Vgs2控制訊號相差180度且之間含有死區時間(dead time)，以避免所有功率電晶體Q1~Q4同時導通造成電路短路情形。第二橋式開關電路12的功率電晶體Q5~Q8被控制器14控制而關閉，但其本質二極體DB5~DB8仍可工作。此時電路架構形成雙向對稱式諧振轉換器，使得直流電網的電流能通過諧振電路13的變壓器T1傳輸到由本質二極體DB5~DB8形成的整流電路後，被二次電池接收，以進行儲能，此時雖有電流iL1、iL2流經第一電感L1、第二電感L2，但其平均電流為零。
於此模式中，控制方法採用脈波頻率調變控制，利用改變功率電晶體Q1~Q4切換頻率去調節電路增益大小，因而改變輸出電壓進而調整輸出功率大小。再者透過，諧振電路13進行諧振將電壓或電流(ir1、iLm)形塑成弦波形狀，並藉由調整功率電晶體Q1~Q4的切換頻率，使功率電晶體Q1~Q4實現零電壓切換(參照圖3的控制信號Vgs1、Vgs4上升及電晶體跨壓Vds1、Vds4下降的標示處ZVS，以及控制信號Vgs2、Vgs3上升及電晶體跨壓Vds2、Vds3下降的標示處ZVS)，以及本質二極體DB5~DB8形成的整流電路(即，功率電晶體Q5~Q8)實現零電流切換(參照圖3的控制信號Vgs1、Vgs4下降、電晶體跨壓Vds1、Vds4上升與晶體電流ids6、ids7下降的標示處ZCS，以及控制信號Vgs2、Vgs3下降、電晶體跨壓Vds2、Vds3上升及電晶體電流ids5、ids8下降的標示處ZCS)，以減少功率電晶體Q1~Q8開關的損耗。
請接著參照圖4與圖5，圖4是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於二次電池釋能/直流電網用電模式的工作示意圖，以及圖5是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於二次電池釋能/直流電網用電模式的波形示意圖。於二次電池釋能/直流電網用電模式中，二次電池釋能給直流電網用電，此時二次電池釋能的功率Pbat在無轉換損耗時會等於直流電網用電的功率PDC Grid，再生能源提供的功率Preg則為0(亦即，Pbat=PDC Grid，Preg=0)。於此模式中，控制器14是以脈波頻率調變的方式控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12。
第二橋式開關電路12的功率電晶體Q5~Q8各負責導通約50%的週期寬度，且控制信號Vgs5、Vgs8同相，控制信號Vgs6、Vgs7同相，而控制信號Vgs5、Vgs7控制訊號相差180度且之間含有死區時間，以避免所有功率電晶體Q5~Q8同時導通造成電路短路情形。第一橋式開關電路11的功率電晶體Q1~Q4被控制器14控制而關閉，但其本質二極體DB1~DB4仍可工作。此時電路架構形
成雙向對稱式諧振轉換器，使得二次電池的電流能通過諧振電路13的變壓器T1傳輸到由本質二極體DB1~DB4形成的整流電路後，被直流電網接收，以進行用電，此時雖有電流IL1、IL2流經第一電感L1、第二電感L2，但其平均電流為零。
於此模式中，控制方法採用脈波頻率調變控制，利用改變功率電晶體Q5~Q8切換頻率去調節電路增益大小，因而改變輸出電壓進而調整輸出功率大小。再者透過，諧振電路13進行諧振將電壓或電流(ir2、iLm)形塑成弦波形狀，並藉由調整功率電晶體Q5~Q8的切換頻率，使功率電晶體Q5~Q8實現零電壓切換(參照圖5的控制信號Vgs6、Vgs7上升及電晶體跨壓Vds6、Vds7下降的標示處ZVS，以及控制信號Vgs5、Vgs8上升及電晶體跨壓Vds5、Vds8下降的標示處ZVS)，以及本質二極體DB1~DB4形成的整流電路實現零電流切換(參照圖5的控制信號Vgs6、Vgs7下降、電晶體跨壓Vds6、Vds7上升與晶體電流ids1、ids4下降的標示處ZCS，以及控制信號Vgs5、Vgs8下降、電晶體跨壓Vds5、Vds8上升及電晶體電流ids2、ids3下降的標示處ZCS)，以減少功率電晶體Q1~Q8開關的損耗。
請接著參照圖6與圖7，圖6是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能模式的工作示意圖，以及圖7是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能模式的波形示意圖。於再生能源供電/二次電池儲能模式中，再生能源供電給二次電池進行儲能，此時再生能源提供的功率Preg在無轉換損耗時會等於二次電池儲能的功率Pbat，直流電網提供的功率PDC Grid則為0(亦即，Preg=Pbat，PDC Grid=0)。於此模式中，控制器14是以非對稱式脈波寬度調變的方式控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12。
第一橋式開關電路11的功率電晶體Q1~Q4被控制完全不導通，且第二橋式開關電路12的功率電晶體Q5~Q8以非對稱式脈波寬度調變的方式控制使其導通或關閉，此時諧振電路13與第一橋式開關電路11皆不工作，且無電流通過。控制信號Vgs5、Vgs6為互補訊號，控制信號Vgs7、Vgs8為互補訊號。控制信號Vgs5、Vgs6之間具有死區時間，以及控制信號Vgs7、Vgs8之間具有死區時間，以避免電路造成短路。進一步地說，於此模式中，使用非對稱式脈波寬度調變控制技術調變功率電晶體Q6、Q8之責任週期，控制第一電感L1、第二電感L2所儲存能量，以達到輸出功率調節之功能。
再者，於此模式中，形成了交錯式同步整流昇壓電路於再生能源與二次電池之間，透過使得控制信號Vgs6、Vgs8相差固定為180°相位角與使得控制信號Vgs5、Vgs7相差固定為180°相位角的交錯作動方式，將可以有效地降低輸入電流漣波率。進一步地說，透過上述控制方式，再生能源電流Ireg之電流波形等於流過交錯式同步整流昇壓電路的第一電感L1之電流iL1與第二電感L2之電流iL2的相加結果，故第一電感L1與第二電感L2的並聯使用，可以平均分擔輸入電流，並降低輸入電流漣波率。
請接著參照圖8與圖9，圖8是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/直流電網用電模式的工作示意圖，以及圖9是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/直流電網用電模式的波形示意圖。於再生能源供電/直流電網用電模式中，再生能源供電給直流電網用電，此時再生能源提供的功率Preg在無轉換損耗時會等於直流電網用電的功率Pbat，二次電池儲能/釋能的功率Pbat則為0(亦即，Preg=PDC Grid，Pbat=0)。於此模式中，控制器14是以責任週期與脈波頻率調變的方式控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12。
於此模式下，再生能源(第三埠)為供電狀態，電性連接二次電池的第二埠則不動作，直流電網(第一埠)為用電狀態。透過控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12，再生電源(第三埠)與直流電網(第一埠)之間形成了交錯式升壓轉換電路與雙向全橋轉換電路的整合電路，先由交錯式同步整流升壓轉換電路先將再生能源的第三埠之電能升壓至雙向全橋轉換電路，並同時藉由雙向對稱式諧振轉換器，使得再生能源的電流能通過諧振電路13的變壓器T1傳輸到由本質二極體DB1~DB4形成的整流電路後經變壓器傳遞至直流電網。
於此模式中，控制信號Vgs6、Vgs8之責任週期與開關切換頻率fs會被控制器14控制，使再生能源供電時，可利用第二埠儲能或釋能以調節再生能源與直流電網之間的不平穩電能。於此模式中，諧振電容Cr1、Cr2、諧振電感Lr1、Lr2、Lm與寄生電容Coss5~Coss8進行諧振，使功率電晶體Q5~Q8均實現零電壓切換(參照圖9的標示處ZVS)，以本質二極體DB1~DB4形成的整流電路實現零電流切換實現零電流切換(參照圖9的標示處ZCS)，從而減少開關的損耗。
請接著參照圖10與圖11，圖10是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式的工作示意圖，以及圖11是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式的波形示意圖。於再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式中，再生能源供電給二次電池進行儲能與直流電網用電，此時再生能源提供的功率Preg在無轉換損耗時會等於二次電池儲能的功率Pbat與直流電網用電的功率PDC Grid(亦即，Preg=PDC Grid+Pbat)。於此模式中，控制器14是以責任週期與脈波頻率調變的方式控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12。
於此模式下，再生能源(第三埠)為供應電能狀態，二次電池(第二埠)為儲能狀態，直流電網(第一埠)為吸收電能狀態，表示再生能源之功率Preg可能多於直流電網所需的功率PDC Grid，故需將多餘之功率由二次電池Pbat進行儲能。進一步地說，可藉由調整控制信號VGS5~VGS8對應之功率電晶體Q5~Q8之導通率與開關切換頻率fs達成上述功率分配。再生能源之電能經功率電晶體Q5~Q8切換由第一電感L1、第二電感L2(交錯式同步整流昇壓電路)儲能升壓後將電能轉換至二次電池，透過形成的對稱式雙向諧振電路，再生能源的電能會通過諧振電路13的變壓器T1傳輸到由本質二極體DB1~DB4形成的整流電路後，再傳遞至直流電網。於此模式中，諧振電容Cr1、Cr2、諧振電感Lr1、Lr2、Lm與寄生電容Coss5~Coss8進行諧振，使功率電晶體Q5~Q8均實現零電壓切換(參照圖11的標示處ZVS)，以本質二極體DB1~DB4形成的整流電路實現零電流切換實現零電流切換(參照圖11的標示處ZCS)，從而減少開關的損耗。
請接著參照圖12與圖13，圖12是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式的工作示意圖，以及圖13是本發明實施例之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式的波形示意圖。於再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式中，再生能源與二次電池供電給直流電網用電，此時再生能源提供的功率Preg與二次電池釋能的功率Pbat在無轉換損耗時會等於直流電網用電的功率PDCGrid(亦即，Preg+Pbat=PDC Grid)。於此模式中，控制器14是以責任週期與脈波頻率調變的方式控制第一橋式開關電路11與第二橋式開關電路12。
於此模式，再生能源(第三埠)為供電狀態，二次電池(第二埠)為釋能狀態，直流電網(第一埠)為吸收電能狀態，表示再生能源提供的功率
Preg可能不足以供應直流電網所需的功率PDC Grid，故需二次電池釋能的功率Pbat補足。進一步地說，可藉由調整控制信號VGS5~VGS8對應之功率電晶體Q5~Q8之導通率與開關切換頻率fs達成上述功率分配。再生能源之電能經功率電晶體Q5~Q8切換由第一電感L1、第二電感L2(交錯式同步整流昇壓電路)儲能升壓後與二次電池之電能，共同透過形成的對稱式雙向諧振電路，將電能通過諧振電路13的變壓器T1傳輸到由本質二極體DB1~DB4形成的整流電路後，再傳遞至直流電網。於此模式中，諧振電容Cr1、Cr2、諧振電感Lr1、Lr2、Lm與寄生電容Coss5~Coss8進行諧振，使功率電晶體Q5~Q8均實現零電壓切換(參照圖13的標示處ZVS)，以本質二極體DB1~DB4形成的整流電路實現零電流切換實現零電流切換(參照圖13的標示處ZCS)，從而減少開關的損耗。
由上述之實施說明可知，本發明之再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器與現有技術相較之下，係具有以下優點：(1)電路架構為單級電路，可以減元件數量與降低成本，並提升電路轉換效率；(2)以單級轉換器架構提供再生能源、二次電池與直流電網之間的電能轉換；(3)形成的同步整流升壓電路係採用交錯式技術，可使此再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器能承受更高電壓與電流應力並降低輸入電流漣波率；(4)二次電池與直流電網之間具雙向電能傳遞功能與電氣隔離特性，故可提高用電安全性；(5)利用對稱式諧振技術，於雙向功率傳輸，均可使輸入端的功率電晶體達成零電壓切換，以及輸出端用於整流的功率電晶體達成零電流切換的特點，以降低開關切換損失；(6)利用軟切換的控制技術，相較傳統硬切換控制操作，可降低電磁干擾，減少切換損耗，以提昇切換頻率，縮小電路體積；以及(7)利用脈波寬度調變搭配脈波頻率調變調節直流電網、二次電池與再生能源之電能轉換，使再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器具有較寬的調壓範圍，以因應直流電網與二次電池之電壓變動需求。
1:再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器
11:第一橋式開關電路
12:第二橋式開關電路
13:諧振電路
14:控制器
Coss1~Coss8:寄生電容
CDC Grid、Cbat、Creg:隔離電容
Cr1、Cr2:諧振電容
D:二極體
DB1~DB8:本質二極體
L1:第一電感
L2:第二電感
Lr1、Lr2、Lm:諧振電感
Np、Ns:線圈匝數
Q1~Q8:功率電晶體
T1:線圈組
VDC Grid:直流電網電壓
Vbat:二次電池電壓
Vreg:再生能源電壓
Claims (7)
- 一種再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，包括：第一橋式開關電路，其第一端形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第一埠，其第二端電性連接接地端；第二橋式開關電路，其第一端形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第二埠，其第二端電性連接接地端；諧振電路，具有多個諧振電感、諧振電容與線圈組，其第一端與第二端電性連接所述第一橋式開關電路的第三與第四端，其第三端與第四端電性連接所述第二橋式開關電路的第三端與第四端；第一與第二電感，所述第一電感與第二電感的第一端電性連接，並形成所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器的第三埠，以及所述第一電感與第二電感的第二端分別電性所述第二橋式開關電路的第三端與第四端；多個隔離電容，分別電性連接所述第一埠至第三埠；控制器，用於控制所述第一與第二橋式開關電路；其中，所述第一至第三埠分別連接直流電網、二次電池與再生能源，所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器操作於直流電網供電/二次電池儲能模式、二次電池釋能/直流電網用電模式、再生能源供電/二次電池儲能模式、再生能源供電/直流電網用電模式、再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式與再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式的其中之一。
- 如請求項1所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其中於所述直流電網供電/二次電池儲能模式，所述控制器以脈波頻 率調變方式控制所述第一橋式開關電路與第二橋式開關電路，其中所述第一埠與所述第二埠之間組態成雙向對稱式諧振轉換器，以藉此將所述第一埠的電能傳遞給所述第二埠進行。
- 如請求項1所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其中於二次電池釋能/直流電網用電模式，所述控制器以脈波頻率調變方式控制所述第一橋式開關電路與第二橋式開關電路，其中所述第一埠與所述第二埠之間組態成雙向對稱式諧振轉換器，以藉此將所述第二埠的電能傳遞給所述第一埠。
- 如請求項1所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其中於所述再生能源供電/二次電池儲能模式，所述控制器以非對稱式脈波寬度調變控制所述第一橋式開關電路與第二橋式開關電路，其中所述第二埠與第三埠之間組態成交錯式同步整流昇壓電路，以將所述第三埠的電能傳遞給所述第二埠。
- 如請求項1所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其中於所述再生能源供電/直流電網用電模式，所述控制器係以責任週期與脈波頻率調變控制所述第一橋式開關電路與第二橋式開關電路，其中所述第一埠與所述第二埠之間組態成雙向對稱式諧振轉換器，以及所述第二埠與第三埠之間組態成交錯式同步整流昇壓電路，以藉此將所述第三埠的電能傳遞至所述第一埠，並藉由所述第二埠調節所述第一埠與第二埠的不平穩電能。
- 如請求項1所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其中於所述再生能源供電/二次電池儲能/直流電網用電模式，所述控制器係以責任週期與脈波頻率調變控制所述第一橋式開關電路與第二橋式開關電路，其中所述第一埠與所述第二埠之間組態成雙向對稱式諧振轉換器，以及 所述第二埠與第三埠之間組態成交錯式同步整流昇壓電路，以藉此將所述第三埠的電能傳遞至所述第一埠與所述第二埠。
- 如請求項1所述再生能源儲釋能供電之單級三電能埠諧振式電能轉換器，其中於所述再生能源供電/二次電池釋能/直流電網用電模式，所述控制器係以責任週期與脈波頻率調變控制所述第一橋式開關電路與第二橋式開關電路，其中所述第一埠與所述第二埠之間組態成雙向對稱式諧振轉換器，以及所述第二埠與第三埠之間組態成交錯式同步整流昇壓電路，以藉此將所述第三埠與第二埠的電能傳遞至所述第一埠。
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| US20140268908A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Solarbridge Technologies, Inc. | Converter topologies |
| CN208401608U (zh) * | 2018-07-27 | 2019-01-18 | 北京新能源汽车股份有限公司 | 一种充电系统及电动汽车 |
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