TWI845193B - 電源轉換電路 - Google Patents
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Abstract
一種電源轉換電路,包括第一變壓器、一次側電路及二次側電路。第一變壓器包括第一繞組線圈及第二繞組線圈。一次側電路連接於第一繞組線圈,一次側電路包括第一電源及複數個第一切換單元。二次側電路連接於第二繞組線圈,二次側電路包括第二電源、複數個第二切換單元及耦合電路。當第一切換單元及第二切換單元的其中一者產生突波電壓時,突波電壓關聯的突波電能經由耦合電路導引至第二電源。
Description
本揭示關於一種轉換電路,特別有關於一種電源轉換電路。
隨著新興能源的技術演進,各式的儲能系統已廣泛應用。例如,電動車或電池櫃都具備儲能系統。當儲能系統進行反向釋能以將電能回送至電網時,儲能系統之中的電源轉換電路運作於反向的升壓模式。在升壓模式中,當儲能系統發生異常而必須立即停止運作時,電源轉換電路之中的開關元件立即停止,開關元件立即為斷開的狀態。
第1圖為現有技術的電源轉換電路2000的電路圖。第1圖僅示出電源轉換電路2000的二次側電路2020,變壓器200具有一次側的繞組線圈P1及二次側的繞組線圈P2,二次側電路2020連接於變壓器200的二次側的繞組線圈P2。二次側電路2020包括電晶體Q1~Q4、電容C2、第二電源400。電晶體Q1~Q4作為開關元件。當儲能系統發生異常時,電晶體Q1~Q4立即斷開而導致電流瞬間變化,電感L1將產生極大的突波電壓。突波電壓所關聯的突波電能可能損毀電晶體Q1~Q4。
為了減低突波電壓所關聯的突波電能,現有技術的電源轉換電路2000更設置了減震電路(snubber circuit)600以吸收突波電能。電容C2減震電路600包括二極體D01、電容C01與電阻R01。在減震電路600運作時,二極體D01為導通且經由電容C01吸收突波電能。然而,由於電阻R01在正常操作時會消耗電能,將導致損耗。
因應於現有技術的上述技術問題,需要改良或取代現有的減震電路,從而能夠將突波電能進行回收,減少耗損。
根據本揭示之一方面,提供一種電源轉換電路。電源轉換電路包括第一變壓器、一次側電路及二次側電路。第一變壓器包括第一繞組線圈及第二繞組線圈。一次側電路連接於第一繞組線圈,一次側電路包括第一電源及複數個第一切換單元。二次側電路連接於第二繞組線圈,二次側電路包括第二電源、複數個第二切換單元及耦合電路。當第一切換單元及第二切換單元的其中一者產生突波電壓時,突波電壓關聯的突波電能經由耦合電路導引至第二電源。
透過閱讀以下圖式、詳細說明以及申請專利範圍,可見本揭示之其他方面以及優點。
1000a,1000b,1000c,2000:電源轉換電路
100:第一電源
200,310:變壓器
300a,300b,300c:耦合電路
400:第二電源
101,401:第一端
402:第二端
1010:一次側電路
1020,2020:二次側電路
GND1,GND2,GND3:接地端
Q1~Q9:電晶體
d1~d9:汲極
s1~s9:源極
C1,C2:電容
L1:電感
R01:電阻
C01:電容
D1,D01:二極體
D11:陽極
D12:陰極
VD1,Vo1,VLo,VLo_cp,Vds_HL,VQ9:電壓差
VD11,Vd9:電位
S11,S21,P11,P21:第一端
S12,S22,P12,P22:第二端
S1,S2,P1,P2:繞組線圈
第1圖為現有技術的電源轉換電路的電路圖。
第2A圖為本揭示一實施例的電源轉換電路的電路圖。
第2B圖為第2A圖的耦合電路的詳細電路圖。
第3A圖為本揭示另一實施例的電源轉換電路的電路圖。
第3B圖為第3A圖的耦合電路的詳細電路圖。
第4圖為本揭示又一實施例的電源轉換電路的電路圖。
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語,如本說明書對部分用語有加以說明或定義,該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭示之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下,本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵,或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
第2A圖為本揭示一實施例的電源轉換電路1000a的電路圖。如第2A圖所示,電源轉換電路1000a包括一次側電路1010及二次側電路1020及變壓器200,一次側電路1010經由變壓器200而電氣隔離於二次側電路1020。變壓器200包括繞組線圈P1及繞組線圈P2,繞組線圈P1設置於變壓器200的一次側,繞組線圈P2設置於變壓器200的二次側。繞組線圈P1及繞組線圈P2具有匝數比TNP_R。匝數比TNP_R係為:繞組線圈P2的匝數TNP2除以繞組線圈P1的匝數TNP1。當匝數比TNP_R大於「1」時,變壓器200的一次側為高電壓側,二次側為低電壓側。當匝數比TNP_R小於「1」時,變壓器200的一次
側為低電壓側,二次側為高電壓側。根據匝數比TNP_R的不同數值,一次側電路1010關聯於低電壓側或高電壓側,二次側電路1020關聯於高電壓側或低電壓側。
一次側電路1010包括第一電源100、電容C1及四個電晶體Q5~Q8。第一電源100的一端連接於電晶體Q5的汲極d5,第一電源100的另一端連接於電晶體Q7的源極s7及接地端GND1。電容C1並聯於第一電源100,電容C1的一端連接於電晶體Q5的汲極d5,電容C1的另一端連接於電晶體Q7的源極s7及接地端GND1。
電晶體Q5~Q8的每一者可作為切換單元,其具有切換開關的功能,電晶體Q5~Q8的每一者可稱為「第一切換單元」。在一種示例中,電晶體Q5~Q8以全橋(full-bridge)組態連接於一次側的繞組線圈P1。電晶體Q5~Q8的全橋組態的連接方式如下:電晶體Q5的源極s5與電晶體Q7的汲極d7連接於繞組線圈P1的第一端P11,電晶體Q6的源極s6與電晶體Q8的汲極d8連接於繞組線圈P1的第二端P12。電晶體Q5~Q8根據全橋組態而執行開關的功能,以達到整流(rectify)的目的,對於第一電源100提供的電能進行整流。
另一方面,二次側電路1020包括第二電源400、電容C2、四個電晶體Q1~Q4及耦合電路300a。第二電源400的第一端401作為第二電源400的輸出端,第一端401經由耦合電路300a連接於電晶體Q2的汲極d2。第二電源400的第二端402連接於電
晶體Q4的源極s4及接地端GND2。電容C2並聯於第二電源400。電容C2的一端經由耦合電路300a連接於電晶體Q2的汲極d2,電容C2的另一端連接於電晶體Q4的源極s4及接地端GND2。
類似於一次側電路1010的電晶體Q5~Q8,二次側電路1020的電晶體Q1~Q4的每一者可作為切換單元,其具有切換開關的功能,電晶體Q1~Q4的每一者可稱為「第二切換單元」。在一種示例中,電晶體Q1~Q4以全橋組態連接於二次側的繞組線圈P2。電晶體Q1~Q4之全橋組態的連接方式如下:電晶體Q1的源極s1與電晶體Q3的汲極d3連接於繞組線圈P2的第一端P21,電晶體Q2的源極s2與電晶體Q4的汲極d4連接於繞組線圈P2的第二端P22。電晶體Q1~Q4根據全橋組態而執行開關的功能,以對於二次側的繞組線圈P2提供的電能進行整流。
在電源轉換電路1000a的反向升壓模式之中,當系統發生異常而必須立即停止運作時,作為開關的功能的電晶體Q1~Q4及電晶體Q5~Q8在極短時間內由導通的狀態變化為斷開的狀態,可能導致二次側電路1020的繞組線圈S1的跨壓、及電晶體Q2的汲極d2與電晶體Q4的源極d4之間的跨壓產生突波電壓,突波電壓關聯的突波電能可能導致電晶體Q1~Q4及電晶體Q5~Q8的損毀。為了降低突波電壓的負面影響,耦合電路300a用於導引突波電壓關聯的突波電能,以將突波電能導引至第二電源400,使第二電源400能夠回收突波電能。
第2B圖為第2A圖的耦合電路300a的詳細電路圖。請同時參見第2A、2B圖,耦合電路300a包括繞組線圈S1、繞組線圈S2及整流元件。整流元件例如為二極體D1。繞組線圈S1與繞組線圈S2形成變壓器310,繞組線圈S1設置於變壓器310的一次側,繞組線圈S2設置於變壓器310的二次側。繞組線圈S1及繞組線圈S2具有匝數比TNS_R。匝數比TNS_R係為:繞組線圈S2的匝數TNS2除以繞組線圈S1的匝數TNS1。另一方面,二極體D1作為整流元件,以控制二次側的繞組線圈S2的輸出電流的方向。
繞組線圈S1的第一端S11連接於電晶體Q2的汲極d2,繞組線圈S1的第二端S12連接於電容C2的一端及第二電源400的第一端401。另一方面,繞組線圈S2的第一端S21連接於接地端GND3,繞組線圈S2的第二端S22經由二極體D1連接於電容C2的一端及第二電源400的第一端401。其中,繞組線圈S2的第二端S22連接於二極體D1的陽極D11,二極體D1的陰極D12連接於電容C2的一端及第二電源400的第一端401。
第二電源400的第一端401與第二端402之間的跨壓是電壓差Vo1,繞組線圈S1的第一端S11與第二端S12之間的跨壓是電壓差VLo。並且,電晶體Q2的汲極d2與電晶體Q4的源極d4之間的跨壓是電壓差Vds_HL。電壓差Vds_HL相等於第二電源400的電壓差Vo1與繞組線圈S1的電壓差VLo的總
和。並且,二極體D1的陽極D11與陰極D12之間具有順向偏壓VD1。
在運作上,當系統發生異常而電晶體Q1~Q4及電晶體Q5~Q8在極短時間內變化為斷開的狀態時,將導致電流瞬間發生變化,從而使得繞組線圈S1的跨壓產生突波電壓,且突波電壓反映於繞組線圈S1的第一端S11與第二端S12之間的電壓差VLo,將導致電晶體Q2的汲極d2與電晶體Q4的源極d4之間的跨壓產生突波電壓。此突波電壓反映於汲極d2與源極d4之間的電壓差Vds_HL。
更進一步的,繞組線圈S1的電壓差VLo(具有突波電壓)耦合至二次側的繞組線圈S2,在繞組線圈S2的第一端S21與第二端S22之間產生電壓差VLo_cp。繞組線圈S2的電壓差VLo_cp相等於繞組線圈S1的電壓差VLo與匝數比TNS_R的乘積。由於繞組線圈S2的第一端S21連接於接地端GND3,二極體D1的陽極D11的電位相等於繞組線圈S2之第二端S22與第一端S21的電壓差VLo_cp,如式(1)所示:VD11=VLo_cp=VLo×TNS_R (1)
當二極體D1的陽極D11的電位大於二極體D1的順向偏壓VD1與第二電源400的電壓差Vo1的總和時,二極體D1為導通的狀態,突波電壓關聯的突波電能可經由二極體D1導引至第二電源400,使第二電源400能夠回收突波電能。當繞組
線圈S1的電壓差VLo與匝數比TNS_R的乘積滿足預定條件時,二極體D1的陽極D11的電位VD11到達足夠的電位,以使二極體D1為導通而能夠導引突波電能。使二極體D1為導通的預定條件如式(2)所示:VLo_cp=VLo×TNS_R=VD11>VD1+Vo1 (2)
在式(3)之中可定義第一數值,第一數值是相等於二極體D1的順向偏壓VD1與第二電源400的電壓差Vo1的總和除以第三繞組線圈S1之電壓差VLo。第一數值小於繞組線圈S1及繞組線圈S2的匝數比TNS_R。
第3A圖為本揭示另一實施例的電源轉換電路1000b的電路圖。第3A圖的電源轉換電路1000b類似於第2A圖的電源轉換電路1000a,差異在於:第3A圖的電源轉換電路1000b的耦合電路300b包括不同形式的整流元件。耦合電路300b的整流元件置換為電晶體Q9。電晶體Q9可作為切換單元,其具有切換開關的功能,電晶體Q9可稱為「第三切換單元」。電晶體Q9作為整流元件,以控制變壓器310之二次側的繞組線圈S2的電流輸出。
第3B圖為第3A圖的耦合電路300b的詳細電路圖。請同時參見第3A、3B圖,耦合電路300a包括繞組線圈S1、繞組線圈S2及電晶體Q9。繞組線圈S2的第二端S22經由電晶體Q9連接於電容C2的一端及第二電源400的第一端401。其中,繞組線圈S2的第二端S22連接於電晶體Q9的源極s9,電晶體Q9的汲極d9連接於電容C2的一端及第二電源400的第一端401。
電晶體Q9的源極s9的電位Vs9相等於繞組線圈S2的電壓差VLo_cp,且相等於繞組線圈S1的電壓差VLo與匝數比TNS_R的乘積,如式(4)所示:Vd9=VLo_cp=VLo×TNS_R (4)
當繞組線圈S1及繞組線圈S2的匝數比TNS_R設定為適當的數值,使當繞組線圈S1的電壓差VLo與匝數比TNS_R的乘積滿足預定條件,進而使得電晶體Q9的汲極d9的電位Vd9滿足電晶體Q9導通的條件時,電晶體Q9可導通而導引突波電能。突波電能經由電晶體Q9導引至第二電源400以回收突波電能。
在其他的實施例中,電源轉換電路的耦合電路可採用第2B圖的二極體D1與第3B圖的電晶體Q9以外的其他形式的整流元件,例如其他形式的開關元件。
在第2A、2B、3A、3B圖的實施例中,耦合電路300a、300b是設置在二次側電路1020,是關聯於變壓器200之二次側。
二次側可以是高電壓側或低電壓側。當繞組線圈P1及繞組線圈P2的匝數比TNP_R大於「1」時,二次側為低電壓側。當匝數比TNP_R小於「1」時,二次側為高電壓側。在其他實施例中(圖中未顯示),耦合電路300a、300b可設置在一次側電路1010,是關聯於變壓器200之一次側。並且,在其他實施例中(圖中未顯示),作為開關功能的電晶體Q1~Q4及電晶體Q5~Q8可以是其他形式的開關元件。此外,電源轉換電路1000a、1000b可雙向主動而運作,且具有電流饋電的能力。
第4圖為本揭示又一實施例的電源轉換電路1000c的電路圖。第4圖的電源轉換電路1000c類似於第2A圖的電源轉換電路1000a,差異在於:第4圖的電源轉換電路1000c的耦合電路300c的連接方式。
如第4圖所示,耦合電路300c的繞組線圈S2的第二端S22經由二極體D1連接於第一電源100的第一端101(第一端101是正端)。其中,繞組線圈S2的第二端S22連接於二極體D1的陽極,二極體D1的陰極連接於第一電源100的第一端101。第一電源100是電壓源,因此,在本實施例中,可藉由第一電源100執行鉗位(clamping)限制。
藉由以上各實施例,本揭示的電源轉換電路1000a、1000b能夠藉由耦合電路300a、300b將突波電壓關聯的突波電能導引至第二電源400以回收突波電能。相較於現有技術的減震電路600處理突波電能時發生的電能損耗,本揭示的耦合電路
300a、300b能夠將突波電能回收至第二電源400而大幅降低電能損耗。並且,本揭示的電源轉換電路1000c藉由耦合電路300c與第一電源100的連接而達到鉗位限制的功效。
雖然本發明已以較佳實施例及範例詳細揭示如上,可理解的是,此些範例意指說明而非限制之意義。可預期的是,所屬技術領域中具有通常知識者可想到多種修改及組合,其多種修改及組合落在本發明之精神以及後附之申請專利範圍之範圍內。
310:變壓器
300a:耦合電路
400:第二電源
401:第一端
402:第二端
GND2,GND3:接地端
Q2,Q4:電晶體
d2,d4:汲極
s2,s4:源極
C2:電容
D1:二極體
D11:陽極
D12:陰極
VD1,Vo1,VLo,VLo_cp,Vds_HL:電壓差
VD11:電位
S11,S21:第一端
S12,S22:第二端
S1,S2:繞組線圈
Claims (16)
- 一種電源轉換電路,包括:一第一變壓器,包括一第一繞組線圈及一第二繞組線圈;一個一次側電路,連接於該第一繞組線圈,該一次側電路包括一第一電源及複數個第一切換單元;以及一個二次側電路,連接於該第二繞組線圈,該二次側電路包括一第二電源、複數個第二切換單元及一耦合電路,其中該第二電源經由該些第二切換單元之至少一者直接連接於該第二繞組線圈,其中,當該些第一切換單元及該些第二切換單元的其中一者產生一突波電壓時,該突波電壓關聯的一突波電能經由該耦合電路導引至該第二電源。
- 如請求項1所述之電源轉換電路,其中,該些第一切換單元以一全橋組態連接於該第一繞組線圈,該第一電源經由該些第一切換單元連接於該第一繞組線圈。
- 如請求項1所述之電源轉換電路,其中,該些第二切換單元以一全橋組態連接於該第二繞組線圈。
- 如請求項1所述之電源轉換電路,其中,該第一繞組線圈與該第二繞組線圈具有一第一匝數比,根據該第一匝數 比的數值,該一次側電路是關聯於一低電壓側或一高電壓側,該二次側電路是關聯於該高電壓側或該低電壓側。
- 如請求項1所述之電源轉換電路,其中,該一次側電路更包括一第一電容,該第一電容並聯連接於該第一電源,該二次側電路更包括一第二電容,該第二電容並聯連接於該第二電源。
- 如請求項1所述之電源轉換電路,其中,該耦合電路包括一第三繞組線圈、一第四繞組線圈及一整流元件,該第三繞組線圈與該第四繞組線圈形成一第二變壓器,該些第二切換單元之其中一者經由該第三繞組線圈連接於該第二電源的一輸出端。
- 如請求項6所述之電源轉換電路,其中,該第四繞組線圈經由該整流元件連接於該第二電源的該輸出端,該突波電能經由該整流元件導引至該第二電源的該輸出端。
- 如請求項7所述之電源轉換電路,其中,該整流元件是一二極體,該二極體的一陽極連接於該第四繞組線圈,該二極體的一陰極連接於該第二電源的該輸出端。
- 如請求項8所述之電源轉換電路,其中,該第三繞組線圈與該第四繞組線圈具有一第二匝數比,該第三繞組線圈之兩端具有一電壓差,當該第三繞組線圈的該電壓差與該第二匝數比的乘積滿足一預定條件時,該整流元件為導通以將該突波電能導引至該第二電源的該輸出端。
- 如請求項9所述之電源轉換電路,其中,該第四繞組線圈之兩端具有一電壓差,該二極體的該陽極的電位相等於該第四繞組線圈的該電壓差,且該第四繞組線圈的該電壓差相等於該第三繞組線圈的該電壓差與該第二匝數比的乘積。
- 如請求項10所述之電源轉換電路,其中,該第二電源的該輸出端與一接地端具有一電壓差,當該二極體的該陽極的電位大於該二極體的順向偏壓與該第二電源的該電壓差的總和時,該整流元件為導通以將該突波電能導引至該第二電源的該輸出端。
- 如請求項11所述之電源轉換電路,其中,一第一數值相等於該二極體的順向偏壓與該第二電源的該電壓差的總和除以該第三繞組線圈的該電壓差,該第一數值小於該第二匝數比。
- 如請求項7所述之電源轉換電路,其中,該整流元件是一二極體,該二極體的一陽極連接於該第四繞組線圈,該二極體的一陰極連接於該第一電源的一輸出端。
- 如請求項7所述之電源轉換電路,其中,該整流元件是一第三切換單元,該第三切換單元的一第一端連接於該第四繞組線圈,該第三切換單元的一第二端連接於該第二電源的該輸出端。
- 如請求項14所述之電源轉換電路,其中,該第三繞組線圈與該第四繞組線圈具有一第二匝數比,該第三繞組線圈之兩端具有一電壓差,當該第三繞組線圈的該電壓差與該第二匝數比的乘積滿足一預定條件時,該整流元件為導通以將該突波電能導引至該第二電源的該輸出端。
- 如請求項15所述之電源轉換電路,其中,該第四繞組線圈之兩端具有一電壓差,該第三切換單元的該第一端的電位相等於該第四繞組線圈的該電壓差,且該第四繞組線圈的該電壓差相等於該第三繞組線圈的該電壓差與該第二匝數比的乘積。
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