TW201810905A - 雙向電力轉換器及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
一種雙向電力轉換器，用以耦接於一蓄電池、一超電容器以及一驅動器之間，該驅動器具有一直流匯流排，該雙向電力轉換器包括有第一開關到第六開關等六個開關以及一箝位電容。其中，藉由對各該開關進行對應切換，可使得本發明之雙向電力轉換器可提供多種工作模式供使用者選擇，例如在順向升壓模式下，可使蓄電池與超電容器對驅動器的直流匯流排進行放電；在逆向降壓模式下可使得驅動器的直流匯流排對蓄電池與超電容器充電。本發明之雙向電力轉換器具有雙向電力潮流之功能，並能有效地提升升/降壓的轉換增益等效果。
Description
本發明係與電力轉換器有關；特別是指一種雙向電力轉換器。
在人們大聲疾呼停止「氣候犯罪」，落實節能減碳之承諾下，全球第一個具法律約束力的溫室氣體減量協議「巴黎協定」(Paris Agreement)於2015年12月12日通過，共195個國家達成全球氣候變遷協議，成為各國能源政策的歷史性改革。據國際能源總署(IEA)評估，根據該協議所列出的目標，截至2030年，各國在再生能源與能源效率上的投資將高達 16.5 兆美元。這表示各國政府必須鼓勵生產綠色能源、縮減對石油等化石燃料的支持、甚至影響到交通運輸產業。
目前，於眾多的綠色能源當中，尤以燃料電池的應用特別受到關注，以下茲就燃料電池車的應用為例。燃料電池的作用原理是以氫氣為燃料，和氧氣經電化學反應後透過質子交換膜產生電能，具備的優點包括零污染、高效率、低噪音、低振動及壽命長等諸多優點，適合做為取代高污染與低效率的傳統汽、柴油引擎的選擇。特別的是，燃料電池車與純動電車相比，燃料電池車具有燃料補給快的優點，茲就美國電動車商特斯拉所生產的電動車來看，其電動車充飽一次電大約需費時數十分鐘至數小時不等，反觀燃料電池車僅需數分鐘便可完成燃料補給。正因為如此，燃料電池車已然成為近年來美、日、歐等國爭相研發的重點科技，也成為這些國家獎勵與推廣的產品。
現階段之燃料電池發電機主要存在冷車啟動、動態響應慢以及剎車回饋能量儲存等三方面問題亟待解決。進一步探究其肇因，主要是受燃料電池輸入端之極化損失影響，導致燃料電池輸出端之直流電壓呈現不穩定、且響應較為緩慢。為了能夠讓燃料電池電動車適應各種環境與更多的行車操作條件，也因此動力總成配置中必須包括蓄電池組或超電容器等車載輔助儲能元件。藉此，當車輛運作在低速、低負載或市區行駛等狀態，車輛動力主要以蓄電池提供；當車輛運作在高速、高負荷急減速等狀態，超電容器可提供急加速功率需求與協助回收制動能量。
近年來，來許多專家學者持續針對電力轉換器、驅動器、能量管理與充放電技術於電動車系統整合應用提出相關研究議題。其中，就目前已公開的文獻可得知，一般 DC/DC 電力轉換器僅能單方向傳遞能量，若有逆向回收能量之需求，如充電器、不斷電系統、馬達剎車回充之應用，則需另一組 DC/DC 電力轉換器來配合。但是額外增加一組電力轉換器，將使得元件數量與體積增加、成本也大幅提高。因此，近年來有許多專家學者相繼投入雙向電力轉換器研究。
雙向電力轉換器可概分為隔離型(Isolated)與非隔離型(Nonisolated)，隔離型轉換器之優點在於採用高壓變壓器、具有電性隔離，並且經由變壓器匝數比之設計可提供較寬廣輸入/輸出操作範圍等。惟高壓變壓器漏感與分佈電容的存在將使得電壓、電流突波變大，進而影響整體電路的可靠度，此外變壓器也造成效率損失、散熱不易以及佔體積等諸多問題。針對上述問題，非隔離型雙向轉換器被廣泛應用於高功率/高效率的場合。其中，最簡單的非隔離型雙向轉換器即為半橋式升/降壓轉換器，工作狀態分為降壓與升壓模式，分別用以對電動車蓄電池組進行充電與放電之用。半橋式轉換器架構簡單、成本最低，但是實際上操作為升壓模式時，由於寄生效應影響，直流匯流排電壓容易下降，且隨開關責任週期增加，轉換器效率將大幅下降。另一方面，其電感電流漣波較大，且受限於高、低壓側的增益轉換比，電池組與直流匯流排電壓之設計皆不適合低電壓的應用場合。因此，為進一步降低電感電流漣波、並且提升效率，文獻上提出兩相或多相交錯式(Interleaved)雙向電力轉換器，然而，透過轉換器的交錯操作可以達到低漣波要求，但隨著轉換器輸入與輸出的電壓差越大、開關的工作週期仍存在責任週期過大或過低的非理想工作狀況。
是以，現有之雙向電力轉換器仍有系統控制複雜度高、成本較高、容易操作在非理想工作狀態以至於轉換效率低落等問題，亟待改善。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種雙向電力轉換器，能符合電動車產業應用範疇與發展潮流，並可達到抑制尖峰負載與提升轉換效率，從而實現節能減碳的目的。
緣以達成上述目的，本發明提供的一種雙向電力轉換器，用以耦接於一蓄電池、一超電容器以及一驅動器之間；該蓄電池具有一正端與一負端；該驅動器具有一直流匯流排，且該直流匯流排具有一正端與一負端；該雙向電力轉換器包括有：一第一開關，具有一第一端與一第二端，且該第一開關的第二端與該蓄電池的正端電性連接；一第二開關，具有一第一端與一第二端，且該第二開關的第一端與該直流匯流排的正端電性連接，該第二開關的第二端與該第一開關的第一端電性連接；一第三開關，具有一第一端與一第二端，且該第三開關的第二端與該蓄電池的負端、該直流匯流排的負端電性連接，另外，該第三開關與該超電容器並聯；一第四開關，具有一第一端與一第二端，且該第四開關的第一端與該第一開關的第二端電性連接，該第四開關的第二端與該蓄電池的負端、該直流匯流排的負端電性連接；一第五開關，具有一第一端以及一第二端，該第五開關的第一端與該第一開關的第二端電性連接；一第六開關，具有一第一端以及一第二端，該第六開關的第一端與該第三開關的第一端電性連接，該第六開關的第二端與該第五開關的第二端電性連接；以及一箝位電容，其一端與該第二開關的第二端電性連接，另一端與該第三開關的第一端電性連接。
依據上述構思，更包含一濾波電感，其一端與該第一開關的第二端電性連接，另一端與該第五開關的第一端、該蓄電池的正端電性連接。
依據上述構思，其中當該雙向電力轉換器操作於一第一模式時，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制，以同步整流方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制；藉以使得該蓄電池與該超電容器對該直流匯流排進行放電。
依據上述構思，其中該第三開關與該第四開關的工作週期大於50%。
依據上述構思，其中係以交錯式脈波寬度調變訊號對該第三開關與該第四開關進行控制。
依據上述構思，其中當該雙向電力轉換器操作於一第二模式時，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制，以同步整流方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制；藉以使得該直流匯流排對該蓄電池以及該超電容器進行充電。
依據上述構思，其中該第一開關與該第二開關的工作週期小於50%。
依據上述構思，其中係以交錯式脈波寬度調變訊號對該第一開關與該第二開關進行控制。
依據上述構思，其中當該雙向電力轉換器操作於一第三模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第六開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第五開關，而以該第三開關作同步整流，藉以使該蓄電池作能量釋放並儲能於該超電容器中。
依據上述構思，其中當該雙向電力轉換器操作於一第四模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第五開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第三開關，而以該第六開關作同步整流，藉以使該超電容器作能量釋放並儲能於該蓄電池中。
緣以達成上述目的，本發明另提供一種操作方法，其包含有以下步驟：A、偵測該驅動器的運轉狀態；B、依據該驅動器的運轉狀態，對該雙向電力轉換器作以下其中一個步驟：B1、當該驅動器於啟動、升載或加速時，該雙向電力轉換器操作於一第一模式，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制，以同步整流方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制；藉以使得該蓄電池與該超電容器供應能量至該直流匯流排；B2、當該驅動器於降載或減速時，該雙向電力轉換器操作於一第二模式，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制，以同步整流方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制；藉以逆向回收該直流匯流排的能量並對該蓄電池以及該超電容器進行充電。
依據上述構思，其中當該雙向電力轉換器操作於一第三模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第六開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第五開關，而以該第三開關作同步整流，藉以使該蓄電池作能量釋放並儲能於該超電容器中。
依據上述構思，其中當該雙向電力轉換器操作於一第四模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第五開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第三開關，而以該第六開關作同步整流，藉以使該超電容器作能量釋放並儲能於該蓄電池中。
本發明之效果在於，可有效降低高壓側直流匯流排的漣波電流，達到低漣波、升/降壓轉換器增益提升等功效，以及雙電力能源之管理與分配的特點。
為能更清楚地說明本發明，茲舉一一些實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖１所示，為本發明第一實施例之雙向電力轉換器100，其用以耦接於一蓄電池10、一超電容器30以及一驅動器之間，該蓄電池10具有一正端與一負端，該驅動器具有一直流匯流排20，且該直流匯流排20具有一正端與一負端，且於本實施例當中，該直流匯流排20的規格為DC 600~700V，但於其他實際實施上，並不以此為限。藉此，該蓄電池10以及該超電容器30的電能可透過該雙向電力轉換器100傳遞至該驅動器，以供該驅動器運轉。
所述的蓄電池10可選用氧化鋰鐵磷（Lithium Iron Phosphate Oxide, LFPO）電池、磷酸鋰（Lithium iron phosphate, LFP）電池、三元聚合物鋰電池、鉛酸電池等蓄電池，但不以此為限。而於本實施例當中，所述的蓄電池10係選用氧化鋰鐵磷電池，其優點在於成本較低、正極材料導電效率與循環使用次數高、自放電率低，且較環保，除此之外，其外形輕薄短小，且可耐高壓、高溫，因此特別因應驅動器的用電需求。另外，為便於說明，本實施例所使用的蓄電池10茲以單顆為例，且其規格為DC 144V/15AH，但於其他實際實施上，蓄電池的數量並不以單顆為限，亦可依據實際工作電壓、電流需求，選擇並聯或串聯多顆蓄電池來使用。
所述的驅動器泛指各類電氣設備的驅動器，舉例來說，其可以是馬達驅動器，用以驅動載具的馬達運轉，而所述的載具可以是汽車、機車、船舶、航空器等，而為便於說明，本實施例之驅動器係為驅動電動車之發動機運轉的電動車馬達驅動器，但於其他實際實施上，並不以此為限。
該雙向電力轉換器100包括有一第一開關Q1
、一第二開關Q2
、一第三開關Q3
、一第四開關Q4
、一第五開關Q5
、一第六開關Q6
、一濾波電感L1
、一濾波電感L2
以及一箝位電容CB
。於本實施例當中，較佳者，所述的第一至第六開關Q1
~Q6
係選用金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。另外，於其他應用上，亦可依據使用需求選用其他種類的開關、電壓控制元件，而不以上述的MOSFET為限。
於後茲說明本發明之雙向電力轉換器100的電路架構，其中：
所述的蓄電池10係可等效為一電壓源VBT
與一開關QBT
。該電壓源VBT
的正極與該開關QBT
的第一端電性連接，該電壓源VBT
的負極構成該蓄電池的負端；該開關QBT
的第二端構成該蓄電池的正端。
該第一開關Q1
具有一第一端與一第二端，且該第一開關Q1
的第二端與該蓄電池10的正端電性連接。
該第二開關Q2
，具有一第一端與一第二端，且該第二開關Q2
的第一端與該直流匯流排20的正端電性連接，該第二開關Q2
的第二端與該第一開關Q1
的第一端電性連接。
該第三開關Q3
，具有一第一端與一第二端，且該第三開關Q3
的第二端與該蓄電池10的負端、該直流匯流排20的負端電性連接。
該第四開關Q4
，具有一第一端與一第二端，且該第四開關Q4
的第一端與該第一開關Q1
的第二端電性連接，該第四開關Q4
的第二端與該蓄電池10的負端、該直流匯流排20的負端電性連接。
該第五開關Q5
，具有一第一端與一第二端，且該第五開關Q5
的第一端與該第一開關Q1
的第二端電性連接。
該第六開關Q6
，具有一第一端以及一第二端，該第六開關Q6
的第一端與該第三開關Q3
的第一端電性連接，該第六開關Q6
的第二端與該第五開關Q5
的第二端電性連接。
該超電容器30係與該第三開關Q3
並聯，於本實施例當中其規格為DC 72V/500F，但於其他實際實施上，並不以此為限。該電容器30可等效為一電壓源VUC
、一開關QUC
以及一濾波電感L2
，該電壓源VUC
的負極與該蓄電池的負端電性連接，該電壓源VUC
的正極與開關QUC
的第一端電性連接；該開關QUC
的第二端與該濾波電感L2
一端電性連接；該濾波電感L2
的另一端與該第三開關Q3
的第一端電性連接。
其中，於本實施例中，上述第一至第六開關Q1
~Q6
的第一端係指汲極（Drain）端，而第二端係指源極（Source）端。另外，於選用其他種類的開關時，其第一端並不以汲極端為限，第二端並不以源極端為限。
另外，前述之各個開關係可受一或多個控制器（圖未示）所輸出的控制訊號而操作在不同的工作區，例如：導通與截止。藉此，透過控制各個開關於不同的工作條件下運作，本發明之雙向電力轉換器可具有多種工作模式，茲分述如下：
請配合圖２所示，當該雙向電力轉換器100操作於一第一模式（又可稱為順向升壓模式）時，係輸出訊號控制該第五開關Q5
以及第六開關Q6
於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第三開關Q3
與該第四開關Q4
進行開關控制，以同步整流方式對該第一開關Q1
與該第二開關Q2
進行開關控制，此時，係處於雙能源供電的狀態，即，藉以使得該蓄電池10與該超電容器30一同對該直流匯流排20進行放電。
觀察圖３所示可知，於順向升壓模式中，蓄電池10與超電容器30進行放電，而由於雙向電力轉換器100係採用交錯式切換操作，因此，可有效地降低流入直流匯流排的電流漣波。另外，透過將蓄電池10與超電容器30所釋放的電能同時輸入，並經由雙向電力轉換器100升壓達650V以上，可有效彌補習用燃料電池於電動車系統之響應或能量不足的問題。
經由穩態分析可推導出順向升壓模式下，該雙向電力轉換器100的增益（Conversion Gain）如下式（1）：＝； Vs1
= kVs2
； （1） 其中，k定義為兩個輸入電壓源之間的比值、Vs1
=VBT
、Vs2
=VUC
。而直流匯流排20的電壓VH
對各輸入電壓之轉換比可進一步推導如下式（2）、（3）：＝； （2）＝； （3） 其中，Du
定義為第三開關Q3
、第四開關Q4
的工作週期。
另請配合圖４Ａ、４Ｂ所示的轉換比關係圖，由圖式可知，隨著工作週期Du
增加、或者蓄電池10電壓（Vs1
= VBT
）與超電容器30（Vs2
= VUC
）的比值增加時，直流匯流排20電壓與蓄電池10、超電容器30之間的轉換比也增加。較佳者，第三開關Q3
、第四開關Q4
的工作週期Du
係可設定為大於50%，而可獲得較佳的能源轉換比。
請配合圖５所示，當該雙向電力轉換器100操作於一第二模式（又可稱為逆向降壓模式）時，係輸出訊號控制該第五開關Q5
以及第六開關Q6
於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第一開關Q1
與該第二開關Q2
進行開關控制，以同步整流方式對該第三開關Q3
與該第四開關Q4
進行開關控制，此時，係處於雙能源進行充電的狀態，即，該直流匯流排20對該蓄電池10以及該超電容器30進行充電。
觀察圖６所示可知，於逆向降壓模式下，直流匯流排20可對蓄電池10與超電容器30進行充電，因此，於馬達剎車時，直流匯流排20的電壓迅速上升，而瞬間的大電流湧入後便可為超電容器30所吸收。另外，於車輛怠速或減速時，另外之燃料電池所釋出的多餘能量應可供應給蓄電池10或超電容器30儲存。
除此之外，透過雙向電力轉換器100於降壓之交錯式切換操作，可有效地降低流出直流匯流排20的電流漣波，並且提供給蓄電池10與超電容器30的充電電流亦可是穩定的連續波形。
經由穩態分析可推導出逆向降壓模式下，該雙向電力轉換器100的增益（Conversion Gain）如下式（4）：＝； Vs1
= kVs2
； （4） 其中，k定義為兩個輸入電壓源之間的比值、Vs1
=VBT
、Vs2
=VUC
。而各輸入電壓對直流匯流排20電壓VH
之轉換比可進一步推導如下式（5）、（6）：＝； （2）＝； （3） 其中，Dd
定義為第一開關Q1
、第二開關Q2
的工作週期。
另請配合圖７Ａ、７Ｂ所示的轉換比關係圖，由圖式可知，隨著工作週期Dd
的減少、或者蓄電池10電壓（Vs1
= VBT
）與超電容器30電壓（Vs2
= VUC
）的比值增加時，直流匯流排20電壓對蓄電池10、超電容器30的降壓轉換比也增加、亦即，直流匯流排20電壓透過本發明之雙向電力轉換器100可以獲得更低的電壓準位。較佳者，第一開關Q1
、第二開關Q2
的工作週期Dd
係可設定為小於50%，而可獲得較佳的能源轉換比。
請配合圖８及圖９所示，當該雙向電力轉換器100操作於一第三模式時，係輸出訊號控制該第一開關Q1
、該第二開關Q2
、該第四開關Q4
以及第六開關Q6
處於截止狀態，此時直流匯流排20係於離線模式，接著，以脈波寬度調變訊號驅動該第五開關Q5
，並以該第三開關Q3
作同步整流之用，此時，便可使得該蓄電池10作能量釋放並儲能於超電容器30當中。
其中，第五開關Q5
與第六開關Q6
係構成雙向開關，當第五開關Q5
導通而第六開關Q6
截止時，電流係流經第六開關Q6
中的二極體，以對超電容器30儲能。
另外，請配合圖８及圖10所示，當該雙向電力轉換器100操作於一第四模式時，係輸出訊號控制該第一開關Q1
、該第二開關Q2
、該第四開關Q4
以及該第五開關Q5
處於截止狀態，此時直流匯流排20係於離線模式，接著，以脈波寬度調變訊號驅動該第三開關Q3
，並以該第六開關Q6
作同步整流之用，此時，便可超電容器30進行升壓、能量釋放並儲能於該蓄電池10當中。
其中，當第六開關Q6
導通而第五開關Q5
截止時，電流係流經第五開關Q5
中的二極體，以對蓄電池10儲能。
值得一提的是，前述驅動各該開關的驅動訊號係採用脈波寬度調變（Pulse-Width Modulation）訊號，較佳者，於本實施例中，係採用交錯式脈波寬度調變（Interleaved Pulse-Width Modulation）訊號為佳，但於其他實施例中，亦可依據實際需求選擇其他種類的控制訊號或其他種類的脈波寬度調變訊號，而不以上述的交錯式脈波寬度調變訊號為限。
另外，於雙向電力轉換器100的兩相電路之間，亦即，於第二開關Q2
的第二端與第四開關Q4
第一端之間，係耦接有該箝位電容CB
，該箝位電容CB
於雙向電力轉換器100在穩態操作狀態下，可等效為一穩定直流電壓源，藉以抑制兩相電路（第一開關Q1
及第二開關Q2
、第三開關Q3
與第四開關Q4
）之開關的電壓突波，以使得開關的電壓應力被箝位於較低的範圍之內，並減少開關切換損失，以提升轉換器的整體效率。
值得一提的是，本發明的雙向電力轉換器可搭配一偵測器（圖未示）來使用，其中，所述的偵測器係可與驅動器電性連接，用以偵測該驅動器的運轉狀態，並將此運轉狀態回報予一處理器或一控制器（如前述之控制器）接收，而該處理器或該控制器再根據驅動器的運轉狀態對雙向電力轉換器之各開關作對應的控制。
舉例而言，當該驅動器於啟動、升載或加速時，係可控制該雙向電力轉換器100操作於第一模式，即，控制該第五開關Q5
以及第六開關Q6
於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第三開關Q3
與該第四開關Q4
進行開關控制，以同步整流方式對該第一開關Q1
與該第二開關Q2
進行開關控制；藉以使得該蓄電池10與該超電容器30供應能量至該直流匯流排20。
另外，當驅動器於降載或減速時，係可控制該雙向電力轉換器100操作於第二模式，即，控制該第五開關Q5
以及第六開關Q6
於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第一開關Q1
與該第二開關Q2
進行開關控制，以同步整流方式對該第三開關Q3
與該第四開關Q4
進行開關控制；藉以逆向回收該直流匯流排20的能量並對該蓄電池10以及該超電容器30進行充電。
另外，於直流匯流排於一離線模式下，係可控制該雙向電力轉換器100操作於第三模式或第四模式。其中，在第三模式時，係控制該第一開關Q1
、該第二開關Q2
、該第四開關Q4
以及該第六開關Q6
於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第五開關Q5
，而以該第三開關Q3
作同步整流，藉以使該蓄電池10作能量釋放並儲能於該超電容器30中。其中，在第四模式時，係控制該第一開關Q1
、該第二開關Q2
、該第四開關Q4
以及該第五開關Q5
於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第三開關Q3
，而以該第六開關Q6
作同步整流，藉以使該超電容器30作能量釋放並儲能於該蓄電池10中。
藉此，透過上述的雙向電力轉換器之電路架構及操作方法，並整合交錯式脈波寬度調變訊號的控制，本發明之雙向電力轉換器可有效地降低馬達驅動器之直流匯流排的漣波效應，並有助於升/降壓轉換器的增益提升，以及實現妥善管理雙電力能源管理與分配的效果。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，本發明之雙向電力轉換器除可應用於車輛外，亦可應用於船舶、航空器等載具，但不以此為限。舉例而言，於分散式再生能源（風能、地熱能、太陽能等）系統的相關電能轉換領域，皆可應用如本發明之雙向電力轉換器，而不以移動載具領域為限。本發明之雙向電力轉換器具有高轉換效率，符合目前綠能產業應用範疇與發展潮流，且對國家節能的政策也具有相當助益。
舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
［本發明］
100‧‧‧雙向電力轉換器
10‧‧‧蓄電池
20‧‧‧直流匯流排
30‧‧‧超電容器
Q1‧‧‧第一開關
Q2‧‧‧第一開關
Q3‧‧‧第二開關
Q4‧‧‧第四開關
Q5‧‧‧第五開關
Q6‧‧‧第六開關
QBT‧‧‧開關
QUC‧‧‧開關
CB‧‧‧箝位電容
L1‧‧‧濾波電感
L2‧‧‧濾波電感
VBT‧‧‧電壓源
VUC‧‧‧電壓源
VH‧‧‧電壓
Vgs1‧‧‧第一開關的閘源端電壓
Vgs2‧‧‧第二開關的閘源端電壓
Vgs3‧‧‧第三開關的閘源端電壓
Vgs4‧‧‧第四開關的閘源端電壓
Vgs5‧‧‧第五開關的閘源端電壓
100‧‧‧雙向電力轉換器
10‧‧‧蓄電池
20‧‧‧直流匯流排
30‧‧‧超電容器
Q1‧‧‧第一開關
Q2‧‧‧第一開關
Q3‧‧‧第二開關
Q4‧‧‧第四開關
Q5‧‧‧第五開關
Q6‧‧‧第六開關
QBT‧‧‧開關
QUC‧‧‧開關
CB‧‧‧箝位電容
L1‧‧‧濾波電感
L2‧‧‧濾波電感
VBT‧‧‧電壓源
VUC‧‧‧電壓源
VH‧‧‧電壓
Vgs1‧‧‧第一開關的閘源端電壓
Vgs2‧‧‧第二開關的閘源端電壓
Vgs3‧‧‧第三開關的閘源端電壓
Vgs4‧‧‧第四開關的閘源端電壓
Vgs5‧‧‧第五開關的閘源端電壓
圖１為本發明之第一實施例之雙向電力轉換器的等效電路圖。 圖２為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第一模式（順向升壓模式）的等效電路圖。 圖３為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第一模式時，第一開關至第四開關的驅動波形圖、蓄電池/電容器的電流與輸出電壓波形圖。 圖４Ａ、４Ｂ為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第一模式時，直流匯流排電壓對不同輸入能源之轉換比關係圖。 圖５為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第二模式（逆向降壓模式）的等效電路圖。 圖６為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第二模式時，第一開關至第四開關的驅動波形圖、蓄電池/電容器的電流與輸出電壓波形圖。 圖７Ａ、７Ｂ為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第二模式時，直流匯流排電壓對不同輸入能源之轉換比關係圖。 圖８為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第三模式或第四模式時的等效電路圖。 圖９為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第三模式時，第五開關的驅動波形圖，蓄電池對電容器儲能的波形圖。 圖10為上述實施例之雙向電力轉換器操作於第四模式時，第三開關的驅動波形圖，電容器對蓄電池釋放能量的波形圖。
100‧‧‧雙向電力轉換器
10‧‧‧蓄電池
20‧‧‧直流匯流排
30‧‧‧超電容器
Claims (14)
- 一種雙向電力轉換器，用以耦接於一蓄電池、一超電容器以及一驅動器之間；該蓄電池具有一正端與一負端；該驅動器具有一直流匯流排，且該直流匯流排具有一正端與一負端；該雙向電力轉換器包括有： 一第一開關，具有一第一端與一第二端，且該第一開關的第二端與該蓄電池的正端電性連接； 一第二開關，具有一第一端與一第二端，且該第二開關的第一端與該直流匯流排的正端電性連接，該第二開關的第二端與該第一開關的第一端電性連接； 一第三開關，具有一第一端與一第二端，且該第三開關的第二端與該蓄電池的負端、該直流匯流排的負端電性連接，另外該第三開關與該超電容器並聯； 一第四開關，具有一第一端與一第二端，且該第四開關的第一端與該第一開關的第二端電性連接，該第四開關的第二端與該蓄電池的負端、該直流匯流排的負端電性連接； 一第五開關，具有一第一端以及一第二端，該第五開關的第一端與該第一開關的第二端電性連接； 一第六開關，具有一第一端以及一第二端，該第六開關的第一端與該第三開關的第一端電性連接，該第六開關的第二端與該第五開關的第二端電性連接；以及 一箝位電容，其一端與該第二開關的第二端電性連接，另一端與該第三開關的第一端電性連接。
- 如請求項1所述之雙向電力轉換器，更包含一濾波電感，其一端與該第一開關的第二端電性連接，另一端與該第五開關的第一端、該蓄電池的正端電性連接。
- 如請求項1所述之雙向電力轉換器，其中當該雙向電力轉換器操作於一第一模式時，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制，以同步整流方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制；藉以使得該蓄電池與該超電容器對該直流匯流排進行放電。
- 如請求項3所述之雙向電力轉換器，其中該第三開關與該第四開關的工作週期大於50%。
- 如請求項3或4所述之雙向電力轉換器，其中係以交錯式脈波寬度調變訊號對該第三開關與該第四開關進行控制。
- 如請求項1所述之雙向電力轉換器，其中當該雙向電力轉換器操作於一第二模式時，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制，以同步整流方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制；藉以使得該直流匯流排對該蓄電池以及該超電容器進行充電。
- 如請求項6所述之雙向電力轉換器，其中該第一開關與該第二開關的工作週期小於50%。
- 如請求項6或7所述之雙向電力轉換器，其中係以交錯式脈波寬度調變訊號對該第一開關與該第二開關進行控制。
- 如請求項1所述之雙向電力轉換器，其中當該雙向電力轉換器操作於一第三模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第六開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第五開關，而以該第三開關作同步整流，藉以使該蓄電池作能量釋放並儲能於該超電容器中。
- 如請求項1所述之雙向電力轉換器，其中當該雙向電力轉換器操作於一第四模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第五開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第三開關，而以該第六開關作同步整流，藉以使該超電容器作能量釋放並儲能於該蓄電池中。
- 如請求項1所述之雙向電力轉換器，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關以及該第六開關分別為一金屬氧化物半導體場效電晶體，該些第一端分別為金屬氧化物半導體場效電晶體的汲極，該些第二端分別為金屬氧化物半導體場效電晶體的源極。
- 一種應用於如請求項1所述之雙向電力轉換器的操作方法，其包含有以下步驟： A、偵測該驅動器的運轉狀態； B、依據該驅動器的運轉狀態，對該雙向電力轉換器作以下其中一個步驟： B1、當該驅動器於啟動、升載或加速時，該雙向電力轉換器操作於一第一模式，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制，以同步整流方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制；藉以使得該蓄電池與該超電容器供應能量至該直流匯流排； B2、當該驅動器於降載或減速時，該雙向電力轉換器操作於一第二模式，係控制該第五開關以及該第六開關於截止狀態，並以交錯式切換的方式對該第一開關與該第二開關進行開關控制，以同步整流方式對該第三開關與該第四開關進行開關控制；藉以逆向回收該直流匯流排的能量並對該蓄電池以及該超電容器進行充電。
- 如請求項12所述之雙向電力轉換器的操作方法，其中當該雙向電力轉換器操作於一第三模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第六開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第五開關，而以該第三開關作同步整流，藉以使該蓄電池作能量釋放並儲能於該超電容器中。
- 如請求項12所述之雙向電力轉換器的操作方法，其中當該雙向電力轉換器操作於一第四模式時，係控制該第一開關、該第二開關、該第四開關以及該第五開關於截止狀態，並以脈波寬度調變訊號驅動該第三開關，而以該第六開關作同步整流，藉以使該超電容器作能量釋放並儲能於該蓄電池中。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| TWI887892B (zh) * | 2023-12-07 | 2025-06-21 | 財團法人工業技術研究院 | 用於抑制交換式電容電路的突波電流的突波抑制裝置 |
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| TWI264172B (en) * | 2001-08-29 | 2006-10-11 | Oqo Inc | Bi-directional DC power conversion system |
| TW200803145A (en) * | 2006-06-01 | 2008-01-01 | hui-ji Lin | Bidirectional high-performance power converter |
| US20090108677A1 (en) * | 2007-10-29 | 2009-04-30 | Linear Technology Corporation | Bidirectional power converters |
| TWM458026U (zh) * | 2013-01-07 | 2013-07-21 | Univ Nat Kaohsiung 1St Univ Sc | 雙向直流電力轉換充放電控制器 |
-
2016
- 2016-07-05 TW TW105121199A patent/TWI587617B/zh not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI750536B (zh) * | 2019-11-21 | 2021-12-21 | 茂達電子股份有限公司 | 斷電預防系統 |
| TWI740562B (zh) * | 2020-07-02 | 2021-09-21 | 崑山科技大學 | 雙向電壓轉換器 |
| TWI887892B (zh) * | 2023-12-07 | 2025-06-21 | 財團法人工業技術研究院 | 用於抑制交換式電容電路的突波電流的突波抑制裝置 |
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