TWI808871B - 使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置 - Google Patents

Abstract

一種使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，包括第一電源轉換模組、二次電池、雙向電源轉換模組、第二電源轉換模組、第一開關及第二開關。第一電源轉換模組將一外部電源經由第一開關導通輸入第二電源轉換模組及雙向電源轉換模組。第二電源轉換模組將來自於第一電源轉換模組，或雙向電源轉換模組之電源，轉換輸出一驅動電源提供給斷路器之跳脫迴路，藉此控制斷路器能夠進行跳脫動作；故在外部電源失效時，二次電池之電能經由雙向電源轉換模組與第二電源轉換模組之轉換，產生控制斷路器跳脫時所需之驅動電源。

Description

使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置

本發明係關於一種使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，尤指利用一雙向電源轉換模組，提供並維持驅動跳脫迴路所需之電源，並讓二次電池在低電量狀態下進行充電的斷路器跳脫迴路裝置。

在電力系統中，保護電驛設備在檢測到系統發生故障時，可立刻進行事故隔離，藉此縮小故障範圍以避免事故再度擴大；因此保護電驛設備是確保電力系統安全運轉的重要設備。

參閱第九圖，一高壓電纜100結合一保護電驛設備10，該保護電驛設備10包括一電壓保護電驛101、一第一比流器102、一電流保護電驛103、一第二比流器104、一量測錶頭105、一斷路器106，及一電容跳脫裝置107。該電壓保護電驛101用以偵測該高壓電纜100是否有過電壓或欠電壓的情況，若有偵測到過電壓或欠電壓的情況發生，該電壓保護電驛101會產生一觸發信號。

該第一比流器102量測該高壓電纜100上的電流，輸入該電流保護電驛103；該電流保護電驛103偵測到該高壓電纜100發生瞬時相間過電流、延時相間過電流、瞬時接地過電流或延時接地過電流之情況時，該電流保護電驛103會產生一觸發信號。

該第二比流器104量測該高壓電纜100上的電流及其頻率，輸入該量測錶頭105進行顯示。

該斷路器106接收到上述的觸發信號時得以跳脫，使該高壓電纜100形成斷路；該斷路器106具有一投入迴路端(Thrown-in loop)108及一跳脫迴路端(Trip loop)109；當該投入迴路端108接收到投入電源V_{s_thr}時，該斷路器106為投入動作(斷路器為導通/短路狀態)，高壓電纜100得以傳輸電力；當投入迴路端108之投入電源V_{s_thr}失效，而該跳脫迴路端109接收到跳脫電源V_{s_trip}時，該斷路器106為跳脫動作截止(斷路器為截止/開路狀態)，斷開高壓電纜100的電力傳輸路徑。一般藉由外部電源(第九圖未繪出)，提供該斷路器106所需要的投入電源V_{s_thr}與跳脫電源V_{s_trip}；若高壓電纜100發生異常且投入電源V_{s_thr}與跳脫電源V_{s_trip}也失效的情況下，必須藉由該電容跳脫裝置107提供該斷路器106的跳脫迴路所需之電源V_ctd，藉此讓斷路器106進行跳脫動作，斷開高壓電纜100的電力傳輸路徑。

然而，當外部電源失效造成斷電，改由該電容跳脫裝置107提供電源V_ctd，俾使跳脫迴路動作，但該電容跳脫裝置107主體為電容，其電能儲存容量有限，即使採用大容量電容也僅能維持短暫電能驅動跳脫迴路；若要採用大容量電容延長電能維持時間，成本又會相對提高。

爰此，本發明人為使斷路器之跳脫迴路能夠穩定供電，而提出一種使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置。

該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置適用於電性連接一外部電源，該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置 包含一第一電源轉換模組、一二次電池、一第一開關、一第二開關、一雙向電源轉換模組、一第二電源轉換模組。

該第一電源轉換模組包括一第一電源轉換模組輸入端及一第一電源轉換模組輸出端，該第一電源轉換模組輸入端電性連該接外部電源，該第一電源轉換模組將輸入之外部電源轉換為一直流電壓，自該第一電源轉換模組輸出端輸出。

該第一開關電性連接該第一電源轉換模組輸出端，該第一開關受控制可為導通(短路)狀態或截止(開路)狀態。

該第二開關電性連接該二次電池，該第二開關受控制可為導通(短路)狀態或截止(開路)狀態。

該雙向電源轉換模組包括一第一轉換端及一第二轉換端，該第一轉換端電性連接在該第一開關導通時，電性連接該第一電源轉換模組輸出端。該第二轉換端在該第二開關導通時，電性連接該二次電池之正極。該第一轉換端的端電壓為一第一電壓，該第二轉換端的端電壓為一第二電壓。

該第二電源轉換模組包括一第二電源轉換模組輸入端及一第二電源轉換模組輸出端，該第二電源轉換模組輸入端電性連接該雙向電源轉換模組之第一轉換端，並在該第一開關導通時，電性連接該第一電源轉換模組輸出端，該第二電源轉換模組將該第一電源轉換模組之一第一電源轉換模組輸出電壓，或該雙向電源轉換模組之第一電壓，轉換為驅動一斷路器跳脫迴路所需之一第二電源轉換模組輸出電壓，自該第二電源轉換模組輸出端輸出。

當該外部電源正常供電，該二次電池的電量低於一臨界值時，該第一開關、該第二開關受控制為導通狀態，該第一電源轉換模組輸出該第一電 源轉換模組輸出電壓，輸入該雙向電源轉換模組之第一轉換端，轉換為該第二電壓對該二次電池充電，此狀態為該雙向電源轉換模組操作在一第一轉換模式。其次，該第一電源轉換模組所輸出該第一電源轉換模組輸出電壓，輸入該第二電源轉換模組，轉換為驅動該斷路器跳脫迴路所需之該第二電源轉換模組輸出電壓。

當該外部電源正常供電，且該二次電池的電量高於一臨界值時，該第二開關受控制為截止狀態，二次電池不會被充電。而該第一開關受控制為導通狀態，該第一電源轉換模組輸出該第一電源轉換模組輸出電壓，輸入該第二電源轉換模組，轉換為驅動該斷路器跳脫迴路所需之該第二電源轉換模組輸出電壓。

當該外部電源失效，且該二次電池的電量高於一臨界值時，該第一開關受控制為截止狀態、該第二開關受控制為導通狀態，該雙向電源轉換模組從該第二轉換端將二次電池的電壓，轉換為該第一電壓，輸入該第二電源轉換模組，再轉換為驅動該斷路器跳脫迴路所需之該第二電源轉換模組輸出電壓。此狀態為該雙向電源轉換模組操作在一第二轉換模式。

進一步，該第一開關包括一第一開關第一端及一第一開關第二端，該第二開關包括一第二開關第一端及一第二開關第二端。該第一開關第一端電性連接該第一電源轉換模組輸出端，該第一開關第二端電性連接該雙向電源轉換模組之第一轉換端及該第二電源轉換模組輸入端。該第二開關第一端電性連接該二次電池之正極，該第二開關第二端電性連接該雙向電源轉換模組之第二轉換端。

進一步，該雙向電源轉換模組還包括一第一電感、一第二電感、一第一功率切換開關、一第二功率切換開關、一耦合電容、一第一濾波電容及一第二濾波電容。該第一電感包括一第一電感第一端及一第一電感第二端，該第二電感包括一第二電感第一端及一第二電感第二端，該第一功率切換開關包括一第一功率切換開關第一端及一第一功率切換開關第二端，該第二功率切換開關包括一第二功率切換開關第一端及一第二功率切換開關第二端，該耦合電容包括一耦合電容第一端及一耦合電容第二端，該第一濾波電容包括一第一濾波電容第一端及一第一濾波電容第二端，該第二濾波電容包括一第二濾波電容第一端及一第二濾波電容第二端。該第一電感第一端電性連接該第一電壓之正極與該第一濾波電容第一端，該第一電感第二端電性連接該第一功率切換開關第一端及該耦合電容第一端，該耦合電容第二端電性連接該第二電感第一端及該第二功率切換開關第一端，該第二功率切換開關第二端電性連接該第二濾波電容第一端及該第二電壓之正極，該第二濾波電容第二端電性連接該第二電壓之負極、該第一濾波電容第二端、該第一功率切換開關第二端、該第二電感第二端、該第二濾波電容第二端及該第一電壓之負極為一電路共接點。

進一步，該雙向電源轉換模組更包括一第三電感、一第三功率切換開關、一二極體、一第一電容及一第二電容。該第三電感包括一第三電感第一端及一第三電感第二端，該第三功率切換開關包括一第三功率切換開關第一端及一第三功率切換開關第二端，該二極體包括一二極體陽極端及一二極體陰極端，該第一電容包括一第一電容第一端及一第一電容第二端，該第二電容包括一第二電容第一端及一第二電容第二端，該第三電感第一端電性連接該第一電壓之正極與該第一濾波電容第一端，該第三電感第二端電性連接該第三功率 切換開關第一端、該二極體陰極端及該第一電容第一端，該第一電容第二端電性連接該第一電感第二端、該第一功率切換開關第一端及該耦合電容第一端；該第三功率切換開關第二端電性連接該第一電感第一端、該二極體陽極端及該第二電容第一端，該第二電容第二端電性連接該電路共接點。

進一步，當該第一電壓輸入該雙向電源轉換模組，其操作在該第一轉換模式，此時讓該第三功率切換開關維持導通狀態；若該第一功率切換開關為導通狀態、該第二功率切換開關為截止狀態，該第一電感與該第二電感進行儲能，該第二濾波電容進行釋能；若該第一功率切換開關為截止狀態、該第二功率切換開關為導通狀態，該第一電感經該耦合電容釋能，該第二電感亦為釋能。

進一步，當該雙向電源轉換模組操作在該第二轉換模式，電能轉換方向由該二次電池之第二電壓作為該雙向電源轉換模組之輸入電壓，並讓該第三功率切換開關維持截止狀態；若該第一功率切換開關為截止狀態、該第二功率切換開關為導通狀態，該第一電感與該第二電感進行儲能；若該第一功率切換開關為導通狀態、該第二功率切換開關為截止狀態，該第一電感及該第二電感進行釋能。

進一步，該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置還包含一第三電源轉換模組，該第三電源轉換模組將所輸入之電源，轉換為該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置內電路所需的工作電源。

進一步，該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置還包含一控制器，該控制器包括一控制模組及一開關驅動電路，該控制模組包括一偵測單元，該控制模組電性連接該外部電源、該二次電池及該第二電源轉 換模組輸出端，該開關驅動電路電性連接該第一開關及該第二開關，該偵測單元接收該外部電源、該二次電池的一電池電壓、該第二電源轉換模組輸出電壓，以判斷該外部電源、該二次電池的電池電壓、該第二電源轉換模組輸出電壓是否異常，該控制模組據以輸出一控制訊號給該開關驅動電路，該開關驅動電路根據該控制訊號，控制該第一開關或該第二開關為導通或截止狀態。

進一步，該控制模組還包括一通訊介面，在該偵測單元判斷出該外部電源、該二次電池的電池電壓、該第二電源轉換模組輸出電壓是否異常，該控制模組透過該通訊介面將判斷結果與其它的設備進行通訊。

進一步，使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，利用一雙向電源轉換模組，提供並維持驅動該斷路器跳脫迴路所需之電源，並讓二次電池在低電量狀態下進行充電。

本發明人又提出一種斷路器跳脫迴路裝置，適用於電性連接一外部電源，該斷路器跳脫迴路裝置包含前述使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，及一斷路器，該斷路器包括一投入迴路端及一跳脫迴路端，該投入迴路端電性連接該外部電源，該跳脫迴路端電性連接該第二電源轉換模組輸出端，以接收該第二電源轉換模組輸出電壓。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.藉由該第一電源轉換模組、該二次電池、該第一開關、該第二開關、該雙向電源轉換模組、該第三電源轉換模組、該第二電源轉換模組、控制模組與開關驅動電路的電性連接關係及控制，使該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置可維持驅動斷路器跳脫迴路所需之電源。

2.第一實施例的該雙向電源轉換模組增加該第三電感、該第三功率切換開關、該二極體、該第一電容及該第二電容成為第二實施例，能縮小控制第二功率切換開關的脈衝寬度調變信號責任週期比例，藉此增加控制脈衝寬度調變信號責任週期比例的控制餘裕。

3.藉由該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置供電給該斷路器的跳脫迴路，讓該斷路器在該高壓電纜事故且/或外部電源失效時，可維持驅動斷路器跳脫迴路所需之電源。

1:使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置

2:斷路器

21:投入迴路端

22:跳脫迴路端

3:第一電源轉換模組

31:第一電源轉換模組輸入端

32:第一電源轉換模組輸出端

4:二次電池

5:雙向電源轉換模組

51:第一轉換端

52:第二轉換端

6:第二電源轉換模組

61:第二電源轉換模組輸入端

62:第二電源轉換模組輸出端

71:第一開關

72:第二開關

8:第三電源轉換模組

9:控制器

91:控制模組

911:偵測單元

912:通訊介面

92:開關驅動電路

10:保護電驛設備

101:電壓保護電驛

102:第一比流器

103:電流保護電驛

104:第二比流器

105:量測錶頭

106:斷路器

107:電容跳脫裝置

108:投入迴路端

109:跳脫迴路端

20:外部電源

100:高壓電纜

V_s:外部電源電壓

V_p:第一電源轉換模組輸出電壓

V_bt:電池電壓

V₁:第一電壓

V₂:第二電壓

V_o:第二電源轉換模組輸出電壓

V_cc:工作電源

C_f1,C_f1’:第一濾波電容

L₁,L₁’:第一電感

L₂,L₂’:第二電感

Q_sz1,Q_sz1’:第一功率切換開關

Q_sz2,Q_sz2’:第二功率切換開關

C_cp,C_cp’:耦合電容

C_f2,C_f2’:第二濾波電容

L₃:第三電感

Q_sz3:第三功率切換開關

D:二極體

C₁:第一電容

C₂:第二電容

V_G1:控制Q_sz1’導通與截止的電壓準位

V_G2:控制Q_sz2’導通與截止的電壓準位

V_G3:控制Q_sz3導通與截止的電壓準位

V_Qsz1:第一功率切換開關Q_sz1’的第一端與第二端的端電壓

V_Qsz2:第二功率切換開關Q_sz2’的第一端與第二端的端電壓

I₁:流經第一轉換端的電流

I_bt:流經第二轉換端的電流

I_L1:第一電感L₁’在儲能與釋能時的電流變化

I_L2:第二電感L₂’在儲能與釋能時的電流變化

I_Qsz1:第一功率切換開關Q_sz1’在導通與截止時的電流變化

I_Qsz2:第二功率切換開關Q_sz2’在導通與截止時的電流變化

V_ctd:電源

V_{s_trip}:跳脫電源

V_{s_thr}:投入電源

[第一圖]是一方塊圖，說明本發明使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置。

[第二圖]是一方塊圖，說明該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置的一控制模組及開關驅動電路。

[第三圖]是一電路圖，說明該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置的一雙向電源轉換模組之一第一實施例。

[第四圖]是一電路圖，說明該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置之一第二實施例。

[第五圖]是一時序圖，說明該第二實施例操作在一第一轉換模式。

[第六圖]是一時序圖，說明該第二實施例操作在一第二轉換模式。

[第七圖]是一模擬圖，說明該第一實施例操作在一第二轉換模式時之一第二功率切換開關的脈衝寬度調變信號責任週期。

[第八圖]是一模擬圖，說明該第二實施例操作在該第二轉換模式時之該第二功率切換開關的脈衝寬度調變信號責任週期。

[第九圖]是一方塊圖，說明習知的一保護電驛設備。

綜合上述技術特徵，本發明使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置的主要功效，將於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖至第三圖，本發明之一斷路器跳脫迴路裝置包含一使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置1，及一斷路器2。該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置1適用於電性連接一外部電源20，該外部電源20可為一交流電源或一直流電源。該斷路器跳脫迴路裝置用以在一高壓電纜100有事故時，使該高壓電纜100形成斷路；該斷路器跳脫迴路裝置在該高壓電纜100事故發生，且該外部電源20失效時，透過本發明之斷路器跳脫迴路裝置，能夠使該高壓電纜100形成斷路。

參閱第一圖及第二圖，該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置1，包括一第一電源轉換模組3、一二次電池4、一雙向電源轉換模組5、一第二電源轉換模組6、一第一開關71、一第二開關72、一第三電源轉換模組8，及一控制器9。

該斷路器2，包括一投入迴路端21及一跳脫迴路端22。該投入迴路端21電性連接該外部電源20，據以進行投入迴路的導通動作。

該第一電源轉換模組3包括一第一電源轉換模組輸入端31及一第一電源轉換模組輸出端32，該第一電源轉換模組輸入端31電性連接該外部電源 20，該第一電源轉換模組3將外部電源20轉換為一第一電源轉換模組輸出電壓V_p，於該第一電源轉換模組輸出端32輸出。

該雙向電源轉換模組5，包括一第一轉換端51及一第二轉換端52。該第一轉換端51電性連接該第一開關71及該第二電源轉換模組6，在該第一開關71為導通狀態時，該第一轉換端51電性連接該第一電源轉換模組輸出端32，因此該第一轉換端51的端點電壓V₁等於該第一電源轉換模組輸出電壓V_p；該第二轉換端52電性連接該第二開關72，在該第二開關72為導通狀態時，該第二轉換端52電性連接該二次電池4的正極，該第二轉換端52的端點電壓V₂等於該二次電池的電壓V_bt。

當該雙向電源轉換模組5在該第一轉換端51接收到第一電壓V₁(等於該第一電源轉換模組輸出電壓V_p)，且該二次電池4必須進行充電且該第二開關72為導通狀態時，該雙向電源轉換模組5操作在一第一轉換模式，將該第一轉換端51接收到的第一電壓V₁(等於該第一電源轉換模組輸出電壓V_p)進行降壓轉換至該第二轉換端52輸出，藉此將該第一電壓V₁=V_p轉換成該第二電壓V₂。

當該雙向電源轉換模組5在該第二轉換端52接收到該二次電池4之電能供應，且該第一轉換端51未接收到該第一電源轉換模組輸出電壓V_p時，則雙向電源轉換模組5操作在一第二轉換模式；該雙向電源轉換模組5將該第二轉換端52接收到的二次電池的電壓V_bt=V₂，進行升壓轉換至該第一轉換端51輸出，藉此可將該第二電壓V₂轉換成該第一電壓V₁。

該第二電源轉換模組6包括一第二電源轉換模組輸入端61及一第二電源轉換模組輸出端62，該第二電源轉換模組輸入端61電性連接該第一開關 71及該第一轉換端51，並在該第一開關71為導通狀態時，該第二電源轉換模組輸入端61電性連接該第一電源轉換模組輸出端32。該第二電源轉換模組輸出端62電性連接該斷路器2的該跳脫迴路端22，該第二電源轉換模組6可將接收到的該第一電源轉換模組輸出電壓V_p或該雙向電源轉換模組第一電壓V₁，升壓轉換為一第二電源轉換模組輸出電壓V_o；該第二電源轉換模組輸出電壓V_o據以提供該斷路器2進行跳脫時，所需之驅動電源。在本例中，該第一電源轉換模組輸出電壓V_p、該雙向電源轉換模組第一電壓V₁之電壓設定為48V，該第二電源轉換模組輸出電壓V_o設定為110V。

該第一開關71受控制以切換於導通狀態或截止狀態。該第一開關71包括一第一開關第一端及一第一開關第二端。該第一開關第一端電性連接該第一電源轉換模組輸出端32，該第一開關第二端電性連接該第二電源轉換模組輸入端61及該雙向電源轉換模組第一轉換端51。

該第二開關72受控制以切換於導通狀態或截止狀態。該第二開關72包括一第二開關第一端及一第二開關第二端。該第二開關第一端電性連接該二次電池4之正極，該第二開關第二端電性連接該第二轉換端52。

該第三電源轉換模組8之輸入端電性連接該二次電池4，經轉換後輸出一電源，作為使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置1內電路所需的工作電源V_cc。

參閱第二圖，該控制器9包括一控制模組91及一開關驅動電路92。

該控制模組91電性連接該外部電源20、該二次電池4、該第二電源轉換模組輸出端62、該第一開關71、該第二開關72，及該雙向電源轉換模組5。該控制模組91包括一偵測單元911及一通訊介面912。該偵測單元911接收該 外部電源20的外部電源電壓V_s、該二次電池4的電池電壓V_bt、該第二電源轉換模組輸出電壓V_o，進行判斷是否在正常範圍內；該控制模組91輸出一控制訊號給該開關驅動電路92，該開關驅動電路92根據該控制訊號，控制該第一開關71及該第二開關72為導通或截止狀態。

該控制模組91也可將判斷結果透過該通訊介面912，與其它設備溝通；該通訊介面912，不限制為任何通訊界面。

該控制模組91的控制方式為：若該外部電源20的外部電源電壓V_s正常，該二次電池的電量低於一臨界值時，該控制模組91控制該第一開關71及該第二開關72為導通狀態，該第一電源轉換模組3輸出該第一電源轉換模組輸出電壓V_p，該雙向電源轉換模組5從該第一轉換端51接收該第一電源轉換模組輸出電壓V_p，並將該第一電源轉換模組輸出電壓V_p轉換為該第二電壓V₂供給該二次電池4進行充電；同時，該第二電源轉換模組6接收該第一電源轉換模組輸出電壓V_p轉換為該第二電源轉換模組輸出電壓V_o，藉此提供驅動該斷路器2的跳脫迴路所需的電源。

若該外部電源20的外部電源電壓V_s正常，該二次電池的電量高於一臨界值時，該控制模組91控制該第一開關71為導通狀態，該第二開關72為截止狀態，該第一電源轉換模組3輸出該第一電源轉換模組輸出電壓V_p，該第二電源轉換模組6接收該第一電源轉換模組輸出電壓V_p轉換為該第二電源轉換模組輸出電壓V_o，藉此提供驅動該斷路器2所需之跳脫迴路電源。

若該外部電源20的外部電源電壓V_s異常(斷電)，而該二次電池4的電量高於一臨界值時，該控制模組91控制該第一開關71為截止狀態、該第二開關72為導通狀態，該雙向電源轉換模組5從該第二轉換端52接收該二次電池4 的電能，並轉換為該第一電壓V₁，該第二電源轉換模組6接收該第一電壓V₁轉換為該第二電源轉換模組輸出電壓V_o。因此該第二電源轉換模組6可轉換驅動該斷路器2所需之跳脫迴路電源。

該開關驅動電路92電性連接該控制模組91，該開關驅動電路92接收該控制模組91所產生之該控制訊號，並根據該控制訊號的指示輸出一第一驅動訊號及一第二驅動訊號，該第一驅動訊號控制該第一開關71導通與截止，該第二驅動訊號控制該第二開關72導通與截止。

更進一步，參閱第三圖，第一實施例之該雙向電源轉換模組5，包括一第一濾波電容C_f1、一第一電感L₁、一第二電感L₂、一第一功率切換開關Q_sz1、一第二功率切換開關Q_sz2、一耦合電容C_cp及一第二濾波電容C_f2。該第一濾波電容C_f1包括一第一濾波電容第一端及一第一濾波電容第二端。該第一電感L₁包括一第一電感第一端及一第一電感第二端。該第二電感L₂包括一第二電感第一端及一第二電感第二端。該第一功率切換開關Q_sz1包括一第一功率切換開關第一端及一第一功率切換開關第二端。該第二功率切換開關Q_sz2包括一第二功率切換開關第一端及一第二功率切換開關第二端。該耦合電容C_cp包括一耦合電容第一端及一耦合電容第二端。該第二濾波電容C_f2包括一第二濾波電容第一端及一第二濾波電容第二端。

該第一濾波電容第一端電性連接該第一電感第一端與該第一電壓V₁正極，該第一電感第一端亦為該第一轉換端51。該第一電感第二端電性連接該第一功率切換開關第一端及該耦合電容第一端。該耦合電容第二端電性連接該第二電感第一端及該第二功率切換開關第一端；該第二功率切換開關第二端電性連接該第二濾波電容第一端及該第二電壓V₂正極，該第二功率切換開關 第二端亦為該第二轉換端52。該第二濾波電容第二端電性連接該二次電池之負極、該第一濾波電容第二端、該第一功率切換開關第二端及該第二電感第二端，其相互電性連接為一共接點。

為了改良該雙向電源轉換模組之第一實施例，本發明人提出一第二實施例，請參閱第四圖。該第二實施例與該第一實施例類似，該雙向電源轉換模組5仍包括一第一濾波電容C_f1’、一第一電感L₁’、一第二電感L₂’、一第一功率切換開關Q_sz1’、一第二功率切換開關Q_sz2’、一耦合電容C_cp’及一第二濾波電容C_f2’；為與該第一實施例之符號加以區隔，故使用單引號(’)代表為第二實施例之元件。該第二實施例與該第一實施例不同處，在於該雙向電源轉換模組5更包括一第三電感L₃、一第三功率切換開關Q_sz3、一二極體D、一第一電容C₁及一第二電容C₂。

該第三電感L₃包括一第三電感第一端及一第三電感第二端；該第三功率切換開關Q_sz3包括一第三功率切換開關第一端及一第三功率切換開關第二端；該二極體D包括一二極體陽極端及一二極體陰極端；該第一電容C₁包括一第一電容第一端及一第一電容第二端，該第二電容C₂包括一第二電容第一端及一第二電容第二端。

該第一濾波電容第一端電性連接該第三電感第一端及第一電壓V₁；該第三電感第一端亦為該第一轉換端51，該第三電感第二端電性連接該第三功率切換開關第一端、該二極體陰極端及該第一電容第一端。該第一電容第二端電性連接該第一電感第二端、該第一功率切換開關第一端、該耦合電容第一端。該第三功率切換開關第二端電性連接該第一電感第一端、該二極體陽極端及該第二電容第一端。該第二電容第二端、該第一電壓負極、該第一濾波電 容第二端、該第一功率切換開關第二端、該第二電感第二端、該第二濾波電容第二端及該第二電壓負極，相互電性連接為共接點。

當該第三電感第一端接收該第一電壓V₁，該雙向電源轉換模組5操作在該第一轉換模式，在該第三功率切換開關Q_sz3維持導通狀態時，若該第一功率切換開關Q_sz1’為導通狀態、該第二功率切換開關Q_sz2’為截止狀態，該第一電感L₁’、該第二電感L₂’進行儲能，該耦合電容C_cp’釋能，該第二濾波電容C_f2’釋能；若該第一功率切換開關Q_sz1’為截止狀態、該第二功率切換開關Q_sz2’為導通狀態，該第一電感L₁’經該耦合電容C_cp’釋能，該第二電感L₂’亦為釋能。藉由控制該第一功率切換開關Q_sz1’與該第二功率切換開關Q_sz2’的導通與截止狀態的快速切換，達成電能轉換之目的，並將該第一電壓V₁，轉換至該第二轉換端52，進而對該二次電池進行充電。

若該第三電感第一端未輸入該第一電壓V₁，且該雙向電源轉換模組5操作在該第二轉換模式，電能轉換方向由該二次電池4作為輸入電源，該第一電壓V₁視為輸出電壓；故該雙向電源轉換模組5可將該二次電池4之該電池電壓V_bt(亦為該第二電壓V₂)，經由該雙向電源轉換模組5轉換為該第一電壓V₁。當該第三功率切換開關Q_sz3為截止(開路)狀態；若該第一功率切換開關Q_sz1’為截止狀態，該第二功率切換開關Q_sz2’為導通狀態，該第一電感L₁’與該第二電感L₂’進行儲能；若該第一功率切換開關Q_sz1’為導通狀態、該第二功率切換開關Q_sz2’為截止狀態，該第一電感L₁’與該第二電感L₂’進行釋能。藉由控制該第一功率切換開關Q_sz1’與該第二功率切換開關Q_sz2’的導通與截止狀態的快速切換，達成電能轉換之目的，並將該二次電池4之電池電壓V_bt(亦為該第二電壓V₂)，轉換為該第一電壓V₁。

參閱第五圖與第六圖，V_G1、V_G2及V_G3分別為控制Q_sz1’、Q_sz1’及Q_sz3導通與截止的電壓準位；高電壓準位代表功率切換開關導通，低電壓準位代表功率切換開關截止。V_Qsz1為該第一功率切換開關Q_sz1’的第一端與第二端的端電壓，V_Qsz2為該第二功率切換開關Q_sz2’的第一端與第二端的端電壓。I_L1為該第一電感L₁’在儲能與釋能時的電流變化，I_L2為該第二電感L₂’在儲能與釋能時的電流變化。I_Qsz1為該第一功率切換開關Q_sz1’在導通與截止時的電流變化，I_Qsz2為該第二功率切換開關Q_sz2’在導通與截止時的電流變化。

配合參閱第一圖、第四圖與第五圖，當該第三電感第一端輸入該第一電壓V₁，且該第三功率切換開關Q_sz3維持導通狀態，該雙向電源轉換模組5操作在該第一轉換模式時：若該第一功率切換開關Q_sz1’為導通狀態、該第二功率切換開關Q_sz2’為截止狀態，該第一電感L₁’與該第二電感L₂’進行儲能，該耦合電容C_cp’釋能，該第二濾波電容C_f2’釋能；若該第一功率切換開關Q_sz1’為截止狀態、該第二功率切換開關Q_sz2’為導通狀態，該第一電感L₁’經該耦合電容C_cp’釋能，該第二電感L₂’亦為釋能。藉由控制該第一功率切換開關Q_sz1’與第二功率切換開關Q_sz2’的導通與截止狀態的快速切換，達成電能轉換之目的，並將該第一電壓V₁，轉換至該雙向電源轉換模組5的第二轉換端52，進而對該二次電池4進行充電。

配合參閱第一圖、第四圖與第六圖，當該第三電感第一端之該第一電壓V₁失效，若改由該第二濾波電容第一端輸入該二次電池4供應的該第二電壓V₂，且該第三功率切換開關Q_sz3維持截止狀態，該雙向電源轉換模組5操作在該第二轉換模式時： 電能轉換方向由該二次電池4之電池電壓V_bt(該第二電壓V₂)作為輸入電壓，該第一轉換端51視為輸出端。若該第一功率切換開關Q_sz1’為截止狀態、該第二功率切換開關Q_sz2’為導通狀態，該第一電感L₁’與該第二電感L₂’進行儲能；若該第一功率切換開關Q_sz1’為導通狀態、該第二功率切換開關Q_sz2’為截止狀態，該第一電感L₁’與該第二電感L₂’進行釋能。藉由控制該第一功率切換開關Q_sz1’與該第二功率切換開關Q_sz2’的導通與截止狀態的快速切換，達成電能轉換之目的，並將該二次電池4之電池電壓V_bt，轉換為該第一電壓V₁。

配合參閱第七圖，利用電路模擬軟體POWERSIM(Powersim Inc.,Maryland,Unites State)進行模擬第一實施例，在該雙向電源轉換模組5操作在該第二轉換模式(該第二轉換端52為輸入端，該第一轉換端51為輸出端)，模擬該二次電池4因放電導致該電池電壓V_bt降低為8.8V，該第一轉換端51輸出在滿載情況下，該第一電壓V₁為48V、其輸出電流I₁為1.27A時，模擬出驅動該第二功率切換開關Q_sz2導通的責任週期比例約為86%(2.15μs/2.5μs)，此模式雖可完成升壓的目的，但第二功率切換開關Q_sz2導通的責任週期比例趨近1，其可控制的餘裕(Tolerance)減少，故會增加雙向電源轉換模組5短路之風險。

配合參閱第八圖，利用電路模擬軟體POWERSIM進行模擬第二實施例，在該雙向電源轉換模組5操作在該第二轉換模式(該第二轉換端52為輸入端，該第一轉換端51為輸出端)，設定該第二轉換端52的該第二電壓V₂為該電池電壓V_bt為8.8V，該第一轉換端51輸出在滿載情況下，該第一電壓V₁為48V、其輸出電流I₁為1.27A時，模擬出驅動該第二功率切換開關Q_sz2’導通的責任週期比例約為78%(1.95μs/2.5μs)，此模式不但可完成升壓的目的，第二功率切換開 關Q_sz2’導通的責任週期比例有效的減小，故可增加責任週期比例可控制的餘裕，降低該雙向電源轉換模組5短路之風險。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

1:使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置

2:斷路器

21:投入迴路端

22:跳脫迴路端

3:第一電源轉換模組

31:第一電源轉換模組輸入端

32:第一電源轉換模組輸出端

4:二次電池

5:雙向電源轉換模組

51:第一轉換端

52:第二轉換端

6:第二電源轉換模組

61:第二電源轉換模組輸入端

62:第二電源轉換模組輸出端

71:第一開關

72:第二開關

8:第三電源轉換模組

20:外部電源

100:高壓電纜

V_s:外部電源電壓

V_p:第一電源轉換模組輸出電壓

V_bt:電池電壓

V₁:第一電壓

V₂:第二電壓

V_o:第二電源轉換模組輸出電壓

V_cc:工作電源

Claims (10)

1. 一種使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，適用於電性連接一外部電源，該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置包含：一第一電源轉換模組，包括一第一電源轉換模組輸入端及一第一電源轉換模組輸出端，該第一電源轉換模組輸入端電性連接該外部電源，該第一電源轉換模組將輸入之外部電源轉換為一直流電壓自該第一電源轉換模組輸出端輸出；一二次電池；一第一開關，電性連接該第一電源轉換模組輸出端，該第一開關受控制切換於導通狀態或截止狀態；一第二開關，電性連接該二次電池，該第二開關受控制切換於導通狀態或截止狀態；一雙向電源轉換模組，包括一第一轉換端及一第二轉換端，該第一轉換端在該第一開關導通時，電性連接該第一電源轉換模組輸出端，該第二轉換端在該第二開關導通時，電性連接該二次電池之正極，該第一轉換端的端電壓為一第一電壓，該第二轉換端的端電壓為一第二電壓；一第二電源轉換模組，包括一第二電源轉換模組輸入端及一第二電源轉換模組輸出端；該第二電源轉換模組輸入端電性連接該雙向電源轉換模組之第一轉換端，並在該第一開關導通時電性連接該第一電源轉換模組輸出端，該第二電源轉換模組將該第一電源轉換模組之一第一電源轉換模組輸出電壓，或該雙向電源轉換模組之第一電壓，轉換為驅動一斷路器跳脫迴路所需之一第二電源轉換模組輸出電壓，自該第二電源轉換模組輸出端輸出； 當該外部電源為正常，且該二次電池的電量低於一臨界值時，該第一開關、該第二開關受控制為導通狀態，該第一電源轉換模組輸出該第一電源轉換模組輸出電壓，該雙向電源轉換模組從該第一轉換端接收該第一電源轉換模組輸出電壓，並將該第一電源轉換模組輸出電壓轉換為該第二電壓對該二次電池充電，此時該雙向電源轉換模組操作在一第一轉換模式；其次，該第二電源轉換模組接收該第一電源轉換模組輸出電壓轉換為驅動該斷路器跳脫迴路所需之該第二電源轉換模組輸出電壓；當該外部電源為正常，且該二次電池的電量高於一臨界值時，該第一開關受控制為導通狀態、該第二開關受控制為截止狀態，該第一電源轉換模組輸出該第一電源轉換模組輸出電壓，該第二電源轉換模組接收該第一電源轉換模組輸出電壓轉換為驅動該斷路器跳脫迴路所需之該第二電源轉換模組輸出電壓；當該外部電源為異常，且該二次電池的電量高於一臨界值時，該第一開關受控制為截止狀態、該第二開關受控制為導通狀態，該雙向電源轉換模組從該第二轉換端接收該二次電池輸出的電壓，並轉換為該第一電壓，此時該雙向電源轉換模組操作在一第二轉換模式，因此該第二電源轉換模組接收該第一電壓轉換為驅動該斷路器跳脫迴路所需之該第二電源轉換模組輸出電壓。
2. 如請求項1所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，其中，該第一開關包括一第一開關第一端及一第一開關第二端，該第二開關包括一第二開關第一端及一第二開關第二端，該第一開關第一端電性連接該第一電源轉換模組輸出端，該第一開關第二端電性連接該第一轉換端，以及該第二電源轉換模組輸入端，該第二開關第一端電性連接該二次電池之正極，該第二開關第二端電性連接該雙向電源轉換模組之第二轉換端。
3. 如請求項2所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，其中，該雙向電源轉換模組還包括一第一電感、一第二電感、一第一功率切換開關、一第二功率切換開關、一耦合電容、一第一濾波電容及一第二濾波電容，該第一電感包括一第一電感第一端及一第一電感第二端，該第二電感包括一第二電感第一端及一第二電感第二端，該第一功率切換開關包括一第一功率切換開關第一端及一第一功率切換開關第二端，該第二功率切換開關包括一第二功率切換開關第一端及一第二功率切換開關第二端，該耦合電容包括一耦合電容第一端及一耦合電容第二端，該第一濾波電容包括一第一濾波電容第一端及一第一濾波電容第二端，該第二濾波電容包括一第二濾波電容第一端及一第二濾波電容第二端，該第一濾波電容第一端電性連接該第一電感第一端及該第一電壓正極，該第一電感第二端電性連接該第一功率切換開關第一端及該耦合電容第一端，該耦合電容第二端電性連接該第二電感第一端及該第二功率切換開關第一端，該第二功率切換開關第二端電性連接該第二濾波電容第一端及該第二電壓正極，該第二濾波電容第二端電性連接該二次電池之負極、該第一電壓負極、該第一濾波電容第二端、該第一功率切換開關第二端、該第二電感第二端，其相互電性連接為一電路共接點。
4. 如請求項3所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，其中，該雙向電源轉換模組更包括一第三電感、一第三功率切換開關、一二極體、一第一電容及一第二電容，該第三電感包括一第三電感第一端及一第三電感第二端，該第三功率切換開關包括一第三功率切換開關第一端及一第三功率切換開關第二端，該二極體包括一二極體陽極端及一二極體陰極端，該第一電容包括一第一電容第一端及一第一電容第二端，該第二電容包括一第二電容 第一端及一第二電容第二端，該第三電感第一端電性連接該第一濾波電容第一端與第一電壓正極，該第三電感第二端電性連接該第三功率切換開關第一端、該二極體陰極端及該第一電容第一端，該第一電容第二端電性連接該第一電感第二端、該第一功率切換開關第一端及該耦合電容第一端，該第三功率切換開關第二端電性連接該第一電感第一端、該二極體陽極端及該第二電容第一端；該第一電壓負極、該第一濾波電容第二端、該第二電容第二端、該第一功率切換開關第二端、第二電感第二端、第二濾波電容第二端及第二電壓負極，其相互電性連接為該電路共接點。
5. 如請求項4所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，其中，當該雙向電源轉換模組操作在該第一轉換模式，該雙向電源轉換模組之第一轉換端接收到該第一電壓，該第三功率切換開關維持導通狀態；若該第一功率切換開關為導通狀態、該第二功率切換開關為截止狀態，該第一電感與該第二電感進行儲能，該第二濾波電容釋能；若該第一功率切換開關為截止狀態、該第二功率切換開關為導通狀態，該第一電感經該耦合電容釋能，該第二電感亦為釋能。
6. 如請求項4所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，其中，當該雙向電源轉換模組操作在該第二轉換模式，電能轉換方向由該二次電池之第二電壓作為輸入電壓，該雙向電源轉換模組之第一轉換端為輸出端，該第三功率切換開關維持截止狀態；若該第一功率切換開關為截止狀態、該第二功率切換開關為導通狀態，該第一電感與該第二電感進行儲能；若該第一功率切換開關為導通狀態、該第二功率切換開關為截止狀態，該第一電感及該第二電感進行釋能。
7. 如請求項6所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，還包含一第三電源轉換模組，該第三電源轉換模組將輸入之電源轉換後，所輸出之電源作為該使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置內電路所需的工作電源。
8. 如請求項1所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，還包含一控制器，該控制器包括一控制模組及一開關驅動電路，該控制模組包括一偵測單元，該控制模組電性連接該外部電源、該二次電池及該第二電源轉換模組輸出端，該開關驅動電路電性連接該第一開關及該第二開關，該偵測單元接收該外部電源、該二次電池的一電池電壓、該第二電源轉換模組輸出電壓，以判斷該外部電源、該二次電池的電池電壓、該第二電源轉換模組輸出電壓是否異常，該控制模組據以輸出一控制訊號給該開關驅動電路，該開關驅動電路根據該控制訊號，控制該第一開關或該第二開關為導通或截止狀態。
9. 如請求項8所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，其中，該控制模組還包括一通訊介面，在該偵測單元判斷出該外部電源、該二次電池的電池電壓、該第二電源轉換模組輸出電壓是否異常，該控制模組透過該通訊介面將判斷結果與其它的設備進行通訊。
10. 一種斷路器跳脫迴路裝置，適用於電性連接一外部電源，該斷路器跳脫迴路裝置包含如請求項1至9中任一項所述之使用電源轉換模組與二次電池之斷路器跳脫迴路裝置，及一斷路器，該斷路器包括一投入迴路端及一跳脫迴路端，該投入迴路端電性連接該外部電源，該跳脫迴路端電性連接該第二電源轉換模組輸出端，以接收該第二電源轉換模組輸出電壓。

Images