TWI895062B

TWI895062B - 多埠雙向轉換器

Info

Publication number: TWI895062B
Application number: TW113129733A
Authority: TW
Inventors: 春北阮; 巴桑圖瑪拉; 文進黎; 婉儀吳
Original assignee: 新加坡商光寶科技新加坡私人有限公司
Priority date: 2023-11-09
Filing date: 2024-08-08
Publication date: 2025-08-21
Also published as: CN119966187A; TW202519416A

Abstract

多埠雙向轉換器包括變壓器、初級全橋轉換器、第一及第二高壓電力轉換單元、第一及第二低壓電力轉換單元、全橋二極體整流器和全橋式逆變器。變壓器包括磁芯、初級繞組、及五個次級繞組。初級全橋轉換器耦接至第一初級繞組，並接收輸入電壓。第一/第二高壓電力轉換單元耦接至第一/第二次級繞組，輸出第一/第二高直流電壓至一第一/第二高壓電池。第一/第二低壓電力轉換單元耦接至第三/第四次級繞組，輸出第一/第二低壓直流電壓至第一/第二低壓電池。全橋二極體整流器耦接至第五次級繞組。全橋式逆變器輸出交流輸出電壓。

Description

多埠雙向轉換器

本發明是有關於一種多埠雙向轉換器。

國際上為對抗全球暖化而做出的努力已經開始，推動了電動車(Electric Vehicle,EV)的進步，目的是減少燃料消耗。在電動車充電方面，已引入一種組合式車載充電器(combo onboard charger)的傳統作法。然而，這種作法帶來了如尺寸和成本增加等挑戰。此外，為了確保安全的冗餘(redundant)操作，需要多個轉換器和幾個變壓器來提供冗餘輸出，這需要額外的成本和空間。因此，找到降低車載充電器之成本和尺寸的方法變得至關重要。

根據本發明之一方面，提出一種多埠雙向轉換器，包括一變壓器、一初級(Primary)全橋轉換器(Full-bridge Converter)、一第一高壓(High Voltage,HV)電力轉換單元(Power Converting Unit)、一第二高壓電力轉換單元、一第一低壓(Low Voltage,LV)電力轉換單元、一第二低壓電力轉換單元、一全橋二極體整流器(Full-bridge Diode Rectifier)和一全橋式逆變器(Full-bridge Inverter)。其中，變壓器包括一磁芯(Core)、一第一初級繞組(Primary Winding)、一第一次級繞組(Secondary Winding)、一第二次級繞組、一第三次級繞組、一第四次級繞組和一第五次級繞組。其中，初級全橋轉換器耦接至第一初級繞組，並從一初級直流(Direct Current,DC)電壓源接收一輸入電壓。第一高壓電力轉換單元耦接至第一次級繞組，第一高壓電力轉換單元輸出一第一高直流電壓至一第一高壓電池。第二高壓電力轉換單元耦接至第二次級繞組，第二高壓電力轉換單元輸出一第二高直流電壓至一第二高壓電池。第一低壓電力轉換單元耦接至第三次級繞組，第一低壓電力轉換單元輸出一第一低壓直流電壓至一第一低壓電池。第二低壓電力轉換單元耦接至第四次級繞組，第二低壓電力轉換單元輸出一第二低壓直流電壓至一第二低壓電池。全橋二極體整流器耦接至第五次級繞組。全橋式逆變器耦接至全橋二極體整流器並輸出一交流(Alternating Current,AC)輸出電壓至一交流負載。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

100,300:多埠雙向轉換器

102,302:變壓器

104,204:輸入電力轉換單元

106,206:負載電力轉換單元

108,208,308,508:第一高壓電力轉換單元

110,210,310,510:第二高壓電力轉換單元

112,212,312,512:第一低壓電力轉換單元

114,214,314,514:第二低壓電力轉換單元

116,316:第一高壓電池

118,318:第二高壓電池

120,320:第一低壓電池

122,322:第二低壓電池

124:電源

126:交流負載

128,228:第一微控制器

130,230:第二微控制器

132,232:第三微控制器

204_1:輸入繼電器

204_2:交流電磁干擾濾波器

204_3:功率因數校正轉換器

204_4:大電容器

204_5:初級LLC電路

206_1:V2L濾波器

206_2:單相逆變器

206_3,208_1,210_1,212_1,214_1:次級LLC電路

208_2,210_2:高壓濾波器

212_2,214_2:低壓濾波器

234:交流電壓

236:交流端子

238:V2L端子

240,242:高壓端子

244,246:低壓端子

303:初級全橋轉換器

305:全橋二極體整流器

307,507:全橋式逆變器

308_1:第一高壓全橋轉換器

308_2:第一高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器

310_1:第二高壓全橋轉換器

310_2:第二高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器

312_1:第一同步整流器

312_2:第一雙向低壓降壓/升壓半橋轉換器

314_1:第二同步整流器

314_2:第二雙向低壓降壓/升壓半橋轉換器

323:初級直流電壓源

326:交流負載

502:交流輸入電路

504:T型轉換器

532,534:高壓直流EMI濾波器

536,538:低壓直流EMI濾波器

540:V2L EMI濾波器

542:交流EMI濾波器

544:V2L端子

600:磁芯

602:第一磁芯柱

604:第二磁芯柱

PW1:第一初級繞組

PW2:第二初級繞組

SW1:第一次級繞組

SW2:第二次級繞組

SW3:第三次級繞組

SW4:第四次級繞組

SW5:第五次級繞組

F1~F6:保險絲

C1~C12:電容

T1~T18:開關

L1:初級諧振電感

Lhv1:第一高壓降壓/升壓電感

Lhv2:第二高壓降壓/升壓電感

Llv2:第二低壓降壓/升壓電感

Llv1:第一低壓降壓/升壓電感

第1圖繪示根據本揭露之一實施例之一種電動車(Electrical Vehicle,EV)之車載電力單元(On-board Power Unit,OPU)中多埠雙向轉換器(multiple-port bidirectional converter)的方塊圖。

第2圖繪示根據本揭露之實施例的電動車之車載電力單元中的多埠雙向轉換器的示例的方塊圖。

第3圖繪示應用於電動車之車載電力單元中的多埠雙向轉換器的方塊圖。

第4圖顯示了根據本揭露的一實施例之應用於電動車之車載電力單元的多埠雙向轉換器300的冗餘模式的示例。

第5圖顯示了根據本揭露的另一實施例之應用於電動車之車載電力單元中的多埠雙向轉換器的方塊圖。

第6A圖繪示根據本揭露的另一實施例之應用於電動車的車載電力單元中的多埠雙向轉換器中的變壓器的磁芯結構。

第6B圖繪示多埠雙向轉換器中的第一初級繞組的示例。

第6C圖繪示多埠雙向轉換器中的第一初級繞組和第二初級繞組的示例。

請參照第1圖，其繪示了根據本揭露之一實施例之一種電動車(Electrical Vehicle,EV)之車載電力單元(On-board Power Unit,OPU)中多埠雙向轉換器(multiple-port bidirectional converter)的方塊圖。OPU負責管理電池的充電和放電，並為各種車輛系統如電動機、電子設備等提供電力。多埠雙向轉換器具有多個用以連接多個電源和負載的埠。這些電源例如可以是公用電網、光電板、風力發電機、電池、燃料電池等。如第1圖所示，一多埠雙向轉換器100例如包括一變壓器102、一輸入電力轉換單元104、一負載電力轉換單元106、一第一高壓(High Voltage,HV)電力轉換單元108、一第二高壓電力轉換單元110、一第一低壓(Low Voltage,LV)電力轉換單元112和一第二低壓電力轉換單元114。第一高壓電力轉換單元108輸出第一高直流電壓HVlt1至第一高壓電池116。第二高壓電力轉換單元110輸出第二高直流電壓HVlt2至第二高壓電池118。第一低壓電力轉換單元112輸出第一低壓直流電壓LVlt1至第一低壓電池120。第二低壓電力轉換單元114輸出第二低壓直流電壓LVlt2至第二低壓電池122。輸入電力轉換單元104接收來自電源124的輸入電力。負載電力轉換單元106可以向交流(Alternating Current,AC)負載126輸出電力。

例如，電源124可以是公用電網。多埠雙向轉換器100可以在第一操作模式下操作。在第一操作模式下，輸入電力轉換單元104可以將電力轉移至第一高壓電池116、第二高壓電池118、第一低壓電池120、第二低壓電池122和AC負載126。因此，在第一操作模式下，第一高壓電池116和第二高壓電池118可以接收電力。多埠雙向轉換器100也可以在第二操作模式下操作。在第二操作模式下，第一高壓電力轉換單元108和第二高壓電力轉換單元110可以將電力轉移至第一低壓電池120、第二低壓電池122、電源124和AC負載126。因此，在第二操作模式下，第一高壓電池116和第二高壓電池118可以轉移電力。由於第一高壓電池116和第二高壓電池118可以接收或轉移電力，因此多埠雙向轉換器100是雙向的。

變壓器102包括一磁芯(未顯示於第1圖中)、一第一初級繞組PW1、一第一次級繞組SW1、一第二次級繞組SW2、一第三次級繞組SW3、一第四次級繞組SW4和一第五次級繞組SW5。輸入電力轉換單元104耦接至第一初級繞組PW1。第一高壓電力轉換單元108耦接至第一次級繞組SW1。第二高壓電力轉換單元110耦接至第二次級繞組SW2。第一低壓電力轉換單元112耦接至第三次級繞組SW3。第二低壓電力轉換單元114耦接至第四次級繞組SW4。

第一微控制器(Microcontroller,MCU)128控制輸入電力轉換單元104和負載電力轉換單元106。第二微控制器130控制第一高壓電力轉換單元108和第一低壓電力轉換單元112。第三微控制器132控制第二高壓電力轉換單元110和第二低壓電力轉換單元114。

請參考第2圖，第2圖繪示了根據本揭露之實施例的電動車之車載電力單元中的多埠雙向轉換器的示例的方塊圖。輸入電力轉換單元204例如包括輸入繼電器204_1、交流電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)濾波器204_2、功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)轉換器204_3、大電容器204_4和初級電感-電感-電容(Inductor-Inductor-Capacitor,LLC)電路204_5。負載電力轉換單元206例如包括車輛到負載(Vehicle to Load,V2L)濾波器206_1、單相逆變器(single phase inverter)206_2和次級LLC電路206_3。第一高壓電力轉換單元208例如包括次級LLC電路208_1和高壓濾波器208_2。第二高壓電力轉換單元210例如包括次級LLC電路210_1和高壓濾波器210_2。第一低壓電力轉換單元212例如包括次級LLC電路212_1和低壓濾波器212_2。第二低壓電力轉換單元214例如包括次級LLC電路214_1和低壓濾波器214_2。

第一微控制器228控制PFC轉換器204_3和單相逆變器206_2。第二微控制器230控制次級LLC電路208_1和次級LLC電路212_1。第三微控制器232控制次級LLC電路210_1和次級LLC電路214_1。

交流電壓234經由交流端子236輸入到輸入電力轉換單元204。負載電力轉換單元206輸出電力到V2L端子238。第一高壓電力轉換單元208輸出電壓到高壓端子240。第二高壓電力轉換單元210輸出電壓到高壓端子242。第一低壓電力轉換單元212輸出電壓到低壓端子244。第二低壓電力轉換單元214輸出電壓到低壓端子246。

請參考第3圖，第3圖繪示應用於電動車之車載電力單元中的多埠雙向轉換器的方塊圖。多埠雙向轉換器300包括一變壓器302、一初級全橋轉換器303、一第一高壓電力轉換單元308、一第二高壓電力轉換單元310、一第一低壓電力轉換單元312、一第二低壓電力轉換單元314、一全橋二極體整流器305和一全橋式逆變器307。

變壓器302包括一磁芯(core)(未顯示於第3圖中)，一第一初級繞組PW1，一第一次級繞組SW1，一第二次級繞組SW2，一第三次級繞組SW3，一第四次級繞組SW4，以及一第五次級繞組SW5。初級全橋轉換器303耦接至第一初級繞組PW1，並從初級直流電壓源323接收輸入電壓Vin。

第一高壓電力轉換單元308耦接至第一次級繞組SW1，並輸出第一高直流電壓HVlt1至第一高壓電池316。第二高壓電力轉換單元310耦接至第二次級繞組SW2，並輸出第二高直流電壓 HVlt2至第二高壓電池318。第一低壓電力轉換單元312耦接至第三次級繞組SW3，並輸出第一低直流電壓LVlt1至第一低壓電池320。第二低壓電力轉換單元314耦接至第四次級繞組SW4，並輸出第二低直流電壓LVlt2至第二低壓電池322。全橋二極體整流器305耦接至第五次級繞組SW5。全橋式逆變器307耦接至全橋二極體整流器305並輸出交流輸出電壓Vac至交流負載326。

多埠雙向轉換器300進一步包括第一保險絲F1、第二保險絲F2、第三保險絲F3、第四保險絲F4、第五保險絲F5和第六保險絲F6。第一保險絲F1耦接於第一初級繞組PW1和初級全橋轉換器303之間。第二保險絲F2耦接於第一次級繞組SW1和第一高壓電力轉換單元308之間。第三保險絲F3耦接於第二次級繞組SW2和第二高壓電力轉換單元310之間。第四保險絲F4耦接於第三次級繞組SW3和第一低壓電力轉換單元312之間。第五保險絲F5耦接於第四次級繞組SW4和第二低壓電力轉換單元314之間。第六保險絲F6耦接於第五次級繞組SW5和全橋二極體整流器305之間。

保險絲F1至F6可用於隔離失效或故障的電力轉換單元。例如，當第一高壓電力轉換單元308中流過過多電流時，保險絲F2熔斷以停止電流流過，並且保險絲F2將第一高壓電力轉換單元308與其他電力轉換單元和多埠雙向轉換器300的其他元件隔離。因此，其他電力轉換單元和多埠雙向轉換器300的其他元件可以得到保護。

多埠雙向轉換器300進一步包括第一電容C1和初級諧振電感L1。第一電容C1的一端耦接至第一初級繞組PW1的一端。初級諧振電感L1的一端耦接至第一初級繞組PW1的另一端。初級全橋轉換器303的一端耦接至第一電容C1的另一端。初級全橋轉換器303的另一端耦接至初級諧振電感L1的另一端。

第一高壓電力轉換單元308包括第一高壓全橋轉換器308_1、第二電容C2和第三電容C3。第二電容C2耦接於第一高壓全橋轉換器308_1和第一次級繞組SW1之間。第三電容C3耦接於第一高壓全橋轉換器308_1的兩個端點之間。

第一高壓電力轉換單元308更包括第一高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器308_2，耦接至第三電容C3。第一高壓電力轉換單元308更包括第一高壓降壓/升壓電感Lhv1和第四電容C4。第一高壓降壓/升壓電感Lhv1耦接至第一高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器308_2，第四電容C4耦接至第一高壓降壓/升壓電感Lhv1。第四電容C4的電壓作為第一高直流電壓HVlt1。

第二高壓電力轉換單元310包括第二高壓全橋轉換器310_1、第五電容C5和第六電容C6。第五電容C5耦接於第二高壓全橋轉換器310_1和第二次級繞組SW2之間。第六電容C6耦接於第二高壓全橋轉換器310_1的兩個端點之間。第二高壓電力轉換單元310更包括第二高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器310_2，耦接至第六電容C6。

第二高壓電力轉換單元310更包括第二高壓降壓/升壓電感Lhv2和第七電容C7。第二高壓降壓/升壓電感Lhv2耦接至第二高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器310_2，第七電容C7耦接至第二高壓降壓/升壓電感Lhv2。第七電容C7的電壓作為第二高直流電壓HVlt2。

第一低壓電力轉換單元312包括第一同步整流器(Synchronous Rectifier,SR)312_1和第八電容C8。第八電容C8耦接至第一同步整流器312_1。第一低壓電力轉換單元312更包括第一雙向低壓降壓/升壓半橋轉換器312_2、第一低壓降壓/升壓電感Llv1和第九電容C9。第一低壓降壓/升壓電感Llv1耦接於第一雙向低壓降壓/升壓半橋轉換器312_2和第九電容C9之間。第九電容C9的電壓作為第一低壓直流電壓LVlt1。

第二低壓電力轉換單元314包括第二同步整流器314_1和第十電容C10。第十電容C10耦接至第二同步整流器314_1。第二低壓電力轉換單元314更包括第二雙向低壓降壓/升壓半橋轉換器314_2、第二低壓降壓/升壓電感Llv2和第十一電容C11。第二低壓降壓/升壓電感Llv2耦接於第二雙向低壓降壓/升壓半橋轉換器314_2和第十一電容C11之間。第十一電容C11的電壓作為第二低壓直流電壓LVlt2。

多埠雙向轉換器300更包括第十二電容C12。全橋二極體整流器305的一端耦接至第五次級繞組SW5的一端。全橋二極體整流器305的一端耦接至第五次級繞組SW5的另一端。第十二電容C12耦接於全橋二極體整流器305的兩個端點之間，全橋式逆變器307耦接至第十二電容C12。

第一次級繞組SW1的圈數大於第三次級繞組SW3的圈數。因此，第一高直流電壓HVlt1的電壓值大於第一低壓直流電壓LVlt1的電壓值。同樣地，第二次級繞組SW2的圈數大於第四次級繞組SW4的圈數。因此，第二高直流電壓HVlt2的電壓值大於第二低壓直流電壓LVlt2的電壓值。例如，第一次級繞組SW1的圈數可以是14，第二次級繞組SW2的圈數可以是14，第三次級繞組SW3的圈數可以是2，第四次級繞組SW4的圈數可以是2。

當多埠雙向轉換器300在第一操作模式下操作時，第一操作模式例如是交流充電模式，初級全橋轉換器303將電能轉移傳輸到第一高壓電池316、第二高壓電池318、第一低壓電池320、第二低壓電池322和交流負載326。也就是說，從交流電網輸入的電能例如透過AC/DC轉換器、PFC轉換器或T型轉換器等轉換為輸入電壓Vin，輸入電壓Vin為一直流電壓。然後，輸入電壓Vin被輸入到初級全橋轉換器303。透過以特定順序導通和不導通開關T1到T4，初級全橋轉換器303產生交流電壓並透過第一電容C1和初級諧振電感L1輸入到第一初級繞組PW1。然後，電能透過變壓器302中的磁耦合，從第一初級繞組PW1傳輸到第一次級繞組SW1、第二次級繞組SW2、第三次級繞組SW3、第四次級繞組SW4和第五次級繞組SW5。之後，電能透過第一高壓電力轉換單元308、第二高壓電力轉換單元310、第一低壓電力轉換單元312、第二低壓電力轉換單元314以及全橋二極體整流器305和全橋式逆變器307，轉移到第一高壓電池316、第二高壓電池318、第一低壓電池320、第二低壓電池322和交流負載326，第一高壓電池316、第二高壓電池318、第一低壓電池320、第二低壓電池322和交流負載326分別耦接至第一次級繞組SW1到第五次級繞組SW5。

為了將輸入電壓Vin轉換為初級全橋轉換器303中的交流電壓，可以例如在第一時間區段內使開關T1和T4導通，並使開關T2和T3不導通。例如，第一時間區段可以是開關T1至T4的一個切換週期(switching period)的一半周期(half cycle)。之後，在第二時間區段內開關T1和T4不導通，開關T2和T3導通。第一時間區段和第二時間區段重複並交替。開關T1到T4的開關頻率可以調整，或可以調整第一時間區段和第二時間區段，以產生不同頻率或振幅的交流電壓。例如，第一時間區段可以是開關T1至T4的一個切換週期的第一個半周期，第二時間區段可以是開關T1~T4的一個切換週期的第二半周期。

茲將第一高壓電力轉換單元308的操作方式描述如下。藉由依照特定順序導通和不導通開關T5到T8，第一次級繞組SW1產生的交流電壓被轉換為橫跨第三電容C3的直流電壓。例如，在第一次級繞組SW1產生的交流電壓的正電壓期間，開關T5和T8導通，開關T6和T7不導通，以對第三電容C3充電，使第三電容C3的電壓增加。然後，在第一次級繞組SW1產生的交流電壓的負電壓期間，開關T6和T7導通，開關T5和T8不導通，以對第三電容C3充電，使第三電容C3的電壓繼續增加。

之後，透過導通開關T9，第三電容C3中的電能被轉移到第四電容C4。當開關T10導通時，第四電容C4放電，使第四電容C4的電壓降低。開關T9的導通時間和開關T10的導通時間決定了第四電容C4的電壓。藉由控制開關T9和T10的導通時間或控制開關T9和T10的導通時間比，可以決定第四電容C4的電壓。透過控制不同的開關T9 和T10的導通時間或控制不同的開關T9和T10的導通時間比，可以實現第四電容C4的不同電壓，並提供第四電容C4的寬電壓範圍。在一些實施例中，當不需要第四電容C4的寬電壓範圍時，可以省略第一高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器308_2。

儲存在第四電容C4中的電能用於為第一高壓電池316充電。在第一高壓電池316的充電期間，重複上述程序。第二高壓電力轉換單元310的操作與第一高壓電力轉換單元308的操作相似，於此不再重述。

茲將第一低壓電力轉換單元312的操作敘述如下。藉由依照特定順序導通與不導通開關T11和T12，第三次級繞組SW3產生的交流電壓被轉換為橫跨第八電容C8的直流電壓。例如，在第三次級繞組SW3產生的交流電壓的正電壓期間，導通開關T11和開關T12的其中之一，以對第八電容C8充電。然後，在第三次級繞組SW3產生的交流電壓的負電壓期間，導通開關T11和開關T12的另一個，以對第八電容C8充電。之後，藉由導通開關T13，第八電容C8中的電能被轉移到第九電容C9，並且能量儲存在第一低壓降壓/升壓電感Llv1中。當開關T13不導通且開關T14導通時，第九電容C9放電，第一低壓降壓/升壓電感Llv1中的能量釋放，第九電容C9的電壓降低。開關T13的導通時間和開關T14的導通時間決定了第九電容C9的電壓。透過控制開關T13和T14的導通時間或控制開關T13和T14的導通時間比，可以決定第九電容C9的電壓。透過提供不同的開關T13和T14的導通時間或不同的開關T13和T14的導通時間比，可以實現第九電容C9的不同電壓，並提供第九電容C9的寬電壓範圍。儲存在第九電容C9中的電能用於為第一低壓電池320充電。在一些實施例中，當不需要第九電容C9的寬電壓範圍時，可以省略第一雙向低壓降壓/升壓半橋轉換器312_2。

在第一低壓電池320的充電期間，重複上述程序。第二低壓電力轉換單元314的操作與第一低壓電力轉換單元312的操作相似，於此不再重述。

茲將全橋二極體整流器305和全橋式逆變器307的操作方式描述如下。當第五次級繞組SW5輸出的交流電壓為正時，二極體D1和二極體D4導通，電流流過二極體D1和二極體D4，以對第十二電容C12進行充電。當第五次級繞組SW5輸出的交流電壓為負時，二極體D2和二極體D3導通，電流流過二極體D2和二極體D3，以對第十二電容C12進行充電。

之後，在第一時間區段內，導通開關T15和T18，且不導通開關T16和T17。在第二時間區段內，不導通開關T15和T18，且導通開關T16和T17。透過這種方式，橫跨第十二電容C12的直流電壓被轉換為交流輸出電壓Vac。

此外，開關T1~T18可以由電晶體來實現。本揭露中的圖示中的其他開關也可以由電晶體來實現。

當多埠雙向轉換器300在第二操作模式下操作時，例如是反向操作模式，第一高壓電力轉換單元308和第二高壓電力轉換單元310中的至少一個將電力傳輸到第一低壓電池320、第二低壓電池322、初級直流電壓源323和交流負載326中的至少一個。

以第一高壓電力轉換單元308為例，儲存在第一高壓電池316中的電力被轉移到第四電容C4。然後，藉由導通開關T9，第四電容C4中的電力被轉移到第三電容C3。開關T9的導通時間決定了第三電容C3的電壓。當開關T10導通時，能量被儲存到第一高壓降壓/升壓電感Lhv1中。當開關T10不導通且開關T9導通時，第一高壓降壓/升壓電感Lhv1中的能量被釋放，並對第三電容C3充電。透過控制開關T9和T10的導通或不導通的時間長度，以決定第三電容C3的電壓。

藉由依照特定順序導通和不導通開關T5到T8，產生輸出到第一次級繞組SW1的交流電壓。例如，開關T5和T8導通，且開關T6和T7不導通，以產生第一次級繞組SW1的交流電壓的正電壓。然後，開關T6和T7導通，且開關T5和T8不導通，以產生第一次級繞組SW1的交流電壓的負電壓。第一次級繞組SW1中的電能透過變壓器的磁耦合傳輸到第二次級繞組SW2、第三次級繞組SW3、第四次級繞組SW4、第五次級繞組SW5和第一初級繞組PW1中的至少一個。然後，第二次級繞組SW2、第三次級繞組SW3、第四次級繞組SW4、第五次級繞組SW5和第一初級繞組PW1中的至少一個中的電能被轉移到第二高壓電池318、第一低壓電池320、第二低壓電池322、初級直流電壓源323和交流負載326中的至少一個。

此外，當第一高壓電力轉換單元308、第二高壓電力轉換單元310、第一低壓電力轉換單元312或第二低壓電力轉換單元314中的一個失效時，多埠雙向轉換器300可以在第三操作模式下操作，例如冗餘模式。當第一高壓電力轉換單元308或第二高壓電力轉換單元310失效時，第一高壓電力轉換單元308和第二高壓電力轉換單元310的另一個將電力傳輸到第一低壓電池320和第二低壓電池322中的至少一個。此外，當第一低壓電力轉換單元312和第二低壓電力轉換單元314之一失效時，第一高壓電力轉換單元308和第二高壓電力轉換單元310中的至少一個將電力傳輸到對應於第一低壓電力轉換單元312和第二低壓電力轉換單元314之另一的第一低壓電池320或第二低壓電池322。多埠雙向轉換器300的冗餘模式將在第4圖中進一步解釋。

請參考第4圖，第4圖顯示了根據本揭露的一實施例之應用於電動車之車載電力單元的多埠雙向轉換器300的冗餘模式的示例。在第4圖中顯示的表格中，標記“IN”表示作為向其他單元提供電力的輸入單元之對應單元。標記“OUT”表示作為接收來自其他單元的電力之輸出單元的對應單元。標記“X”表示此對應的單元不動作。

在情況1中，第一高壓電池316失效，第一高壓電力轉換單元308不動作。或者，在情況1中，第一高壓電力轉換單元308失效。第二高壓電力轉換單元310為第一低壓電力轉換單元312和第二低壓電力轉換單元314供電。然後，第一低壓電力轉換單元312和第二低壓電力轉換單元314分別為第一低壓電池320和第二低壓電池322供電。

在情況2中，第二高壓電池318失效，第二高壓電力轉換單元310不動作。或者，在情況2中，第二高壓電力轉換單元310失效。第一高壓電力轉換單元308為第一低壓電力轉換單元312和第二低壓電力轉換單元314供電。然後，第一低壓電力轉換單元312和第二低壓電力轉換單元314分別為第一低壓電池320和第二低壓電池322供電。

在情況3中，第一低壓電力轉換單元312失效，第一低壓電力轉換單元312不動作。第一高壓電力轉換單元308和第二高壓電力轉換單元310均為第二低壓電力轉換單元314供電。然後，第二低壓電力轉換單元314為第二低壓電池322供電。

在情況4中，第二低壓電池322失效，第二低壓電力轉換單元314不動作。或者，在情況4中，第二低壓電力轉換單元314失效。第一高壓電力轉換單元308和第二高壓電力轉換單元310均為第一低壓電力轉換單元312供電。然後，第一低壓電力轉換單元312為第一低壓電池320供電。

在情況5中，第一高壓電池316和第一低壓電池320均失效，第一高壓電力轉換單元308和第一低壓電力轉換單元312均不動作。或者，在情況5中，第一高壓電力轉換單元308和第一低壓電力轉換單元312失效。第二高壓電力轉換單元310和第二低壓電力轉換單元314正常操作。第二高壓電力轉換單元310為第二低壓電力轉換單元314供電，第二低壓電力轉換單元314為第二低壓電池322供電。

在情況6中，第二高壓電池318和第二低壓電池322均失效，第二高壓電力轉換單元310和第二低壓電力轉換單元314均不動作。或者，在情況6中，第二高壓電力轉換單元310和第二低壓電力轉換單元314失效。第一高壓電力轉換單元308和第一低壓電力轉換單元312正常操作。第一高壓電力轉換單元308為第一低壓電力轉換單元312供電，且第一低壓電力轉換單元312為第一低壓電池320供電。

總而言之，當多埠雙向轉換器300在第一操作模式(或交流充電模式)下操作時，初級全橋轉換器303將從交流電網接收到的電力轉移到第一高壓電池316、第二高壓電池318、第一低壓電池320、第二低壓電池322和交流負載326。當多埠雙向轉換器300在第二操作模式(或反向操作模式)下操作時，第一高壓電力轉換單元308和第二高壓電力轉換單元310中的至少一個將電力轉移到第一低壓電池320、第二低壓電池322、初級直流電壓源323和交流負載326中的至少一個。反向操作模式提供了第一高壓電池316、第二高壓電池318、第一低壓電池320和第二低壓電池322之間彈性的電力共享。反向操作模式允許電池自動平衡。在任何電力轉換單元或電池出現失效或故障的情況下，多埠雙向轉換器300將在第三操作模式(或冗餘模式)下操作。透過冗餘模式，當任何電力轉換單元或電池失效時，其他電力轉換單元可以用來為其他電池充電。即使電動車已經行駛很長時間且找不到充電站，也可以透過操作冗餘模式的多埠雙向轉換器300，使用其他能正常操作的電力轉換單元為電池充電。因此，提高了使用的便利性。

請參考第5圖，第5圖顯示了根據本揭露的另一實施例之應用於電動車之車載電力單元中的多埠雙向轉換器的方塊圖。多埠雙向轉換器500與第3圖中的多埠雙向轉換器300的不同之處在於，多埠雙向轉換器500進一步包括一交流輸入電路502、一T型轉換器504、一高壓直流EMI濾波器532、一高壓直流EMI濾波器534、一低壓直流EMI濾波器536、一低壓直流EMI濾波器538和一V2L EMI濾波器540。在交流輸入電路502中，交流輸入或電網的三相信號L1、L2和L3以及中性點訊號N被傳送到交流EMI濾波器542。第5圖中的標記“PE”表示接地。然後，這些相位信號被送到T型轉換器504以被轉換為直流電壓。

此外，從第一高壓電力轉換單元508輸出的直流電壓被傳送到高壓直流EMI濾波器532，以產生第一高直流電壓HVlt1'。從第二高壓電力轉換單元510輸出的直流電壓被傳送到高壓直流EMI濾波器534，以產生第二高直流電壓HVlt2'。從第一低壓電力轉換單元512輸出的直流電壓被傳送到低壓直流EMI濾波器536，以產生第一低直流電壓LVlt1'。從第二低壓電力轉換單元514輸出的直流電壓被傳送到低壓直流EMI濾波器538，以產生第二低直流電壓LVlt2'。從全橋式逆變器507輸出的交流電壓被傳送到V2L EMI濾波器540，然後被傳送到V2L端子544。

請參考第6A圖至第6C圖，第6A圖繪示根據本揭露的另一實施例之應用於電動車的車載電力單元中的多埠雙向轉換器中的變壓器的磁芯結構，第6B圖繪示多埠雙向轉換器中的第一初級繞組的示例，第6C圖繪示多埠雙向轉換器中的第一初級繞組和第二初級繞組的示例。

如第6A圖所示，變壓器102或302的磁芯600包括第一磁芯柱602和第二磁芯柱604。如第6B圖所示，第一初級繞組PW1纏繞在第一磁芯柱602上。在一實施例中，如第6C圖所示，變壓器102或302進一步包括第二初級繞組PW2，第一初級繞組PW1纏繞在第一磁芯柱602上，第二初級繞組PW2纏繞在第二磁芯柱604上。第一初級繞組 PW1和第二初級繞組PW2並聯耦接。並聯耦接的第一初級繞組PW1和第二初級繞組PW2可以從初級直流電壓源或電源接收輸入電壓Vin。

根據本揭露的一實施例，多埠雙向轉換器提出了一具有多埠的整合的電源，以提供冗餘操作，用於具有1個初級交流輸入埠、2個高壓直流輸出埠、2個低壓直流輸出埠和1個V2L輸出埠的組合式車載充電器。透過具有多繞組的共用變壓器進行磁耦合，這些多埠之間的電力可以彈性地共享。與具有6個變壓器用於6個埠的另一轉換器相比，根據本揭露的一實施例的多埠雙向轉換器將節省5個變壓器和5組對應的全橋轉換器。因此，根據本揭露實施例的多埠雙向轉換器的成本和尺寸可透過減少關鍵元件的數量而降低。

根據本揭露的一實施例的多埠雙向轉換器還提供了這些多埠之間的雙向電力流動，並為高壓直流電池和低壓直流電池、或高壓直流電池組和低壓直流電池組提供了寬輸出電壓範圍的調節。此外，當某些電池失效或某些電力轉換單元失效時，根據本揭露的實施例的多埠雙向轉換器能實現冗餘操作。

此外，根據本揭露的一實施例，多埠雙向轉換器具有高功率效率、電力流動控制彈性和寬電壓範圍操作的優點。根據本揭露的一實施例，多埠雙向轉換器可以在固定切換頻率下操作，以在每個埠提供固定輸出電壓。根據本揭露的一實施例，多埠雙向轉換器可以設計為在略高於共振頻率(對應於多埠雙向轉換器中的電容和電感)的頻率下操作，以實現電力轉換單元的零電壓開關(Zero Voltage Switching,ZVS)，並減少變壓器的磁化損耗。因此，多埠雙向轉換器的效率得以最佳化。

此外，根據本揭露的一實施例，多埠雙向轉換器能夠透過彈性的電力共享來實現下垂控制(droop control)。下垂控制可以透過MCU控制電力轉換單元來執行。下垂控制涉及在電網負載增加時降低電壓或頻率。為確保電網穩定，多埠雙向轉換器可以根據需要在電源、高壓電池、低壓電池和交流負載之間採用彈性的電力共享，來減輕電網的衝擊。透過動態調整電力轉換單元的輸出功率以實現共享電力使用，可以減少電網負載，並可有效管理電網負載平衡和穩定性。

此外，根據本揭露的一實施例之多埠雙向轉換器中的雙向降壓/升壓半橋轉換器被用於在高壓埠和低壓埠提供寬電壓範圍。因此，高壓電池和低壓電池或高壓電池組和低壓電池組可以具有寬電壓範圍，並能夠適應來自不同汽車製造商的各種電池電壓範圍。

而且，根據本揭露的一實施例之多埠雙向轉換器可以包括具有額外次級繞組的變壓器，並可以包括額外的電力轉換單元以連接到能源來源，如太陽能光電模組或風力發電機。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:多埠雙向轉換器102:變壓器104:輸入電力轉換單元106:負載電力轉換單元108:第一高壓電力轉換單元110:第二高壓電力轉換單元112:第一低壓電力轉換單元114:第二低壓電力轉換單元116:第一高壓電池118:第二高壓電池120:第一低壓電池122:第二低壓電池124:電源126:交流負載128:第一微控制器130:第二微控制器132:第三微控制器

Claims

一種多埠雙向轉換器，包括：一變壓器、一初級(Primary)全橋轉換器(Full-bridge Converter)、一第一高壓(High Voltage, HV)電力轉換單元(Power Converting Unit)、一第二高壓電力轉換單元、一第一低壓(Low Voltage, LV)電力轉換單元、一第二低壓電力轉換單元、一全橋二極體整流器(Full-bridge Diode Rectifier)和一全橋式逆變器(Full-bridge Inverter)；其中，該變壓器包括一磁芯(Core)、一第一初級繞組(Primary Winding)、一第一次級繞組(Secondary Winding)、一第二次級繞組、一第三次級繞組、一第四次級繞組和一第五次級繞組；其中，該初級全橋轉換器耦接至該第一初級繞組，並從一初級直流(Direct Current, DC)電壓源接收一輸入電壓；其中，該第一高壓電力轉換單元耦接至該第一次級繞組，該第一高壓電力轉換單元輸出一第一高直流電壓至一第一高壓電池；其中，該第二高壓電力轉換單元耦接至該第二次級繞組，該第二高壓電力轉換單元輸出一第二高直流電壓至一第二高壓電池；其中，該第一低壓電力轉換單元耦接至該第三次級繞組，該第一低壓電力轉換單元輸出一第一低壓直流電壓至一第一低壓電池；其中，該第二低壓電力轉換單元耦接至該第四次級繞組，該第二低壓電力轉換單元輸出一第二低壓直流電壓至一第二低壓電池；其中，該全橋二極體整流器耦接至該第五次級繞組；其中，該全橋式逆變器耦接至該全橋二極體整流器並輸出一交流(Alternating Current, AC)輸出電壓至一交流負載。
如請求項1所述之多埠雙向轉換器，其中該磁芯包括一第一磁芯柱和一第二磁芯柱；其中，該變壓器更包括一第二初級繞組，該第一初級繞組繞在該第一磁芯柱上，該第二初級繞組繞在該第二磁芯柱上。
如請求項2所述之多埠雙向轉換器，其中該第一初級繞組和該第二初級繞組並聯連接。
如請求項1所述之多埠雙向轉換器，其中該第一次級繞組的圈數多於該第三次級繞組的圈數。
如請求項1所述之多埠雙向轉換器，更包括：一第一保險絲，耦接於該第一初級繞組與該初級全橋轉換器之間；一第二保險絲，耦接於該第一次級繞組與該第一高壓電力轉換單元之間；一第三保險絲，耦接於該第二次級繞組與該第二高壓電力轉換單元之間；一第四保險絲，耦接於該第三次級繞組與該第一低壓電力轉換單元之間；一第五保險絲，耦接於該第四次級繞組與該第二低壓電力轉換單元之間；以及一第六保險絲，耦接於該第五次級繞組與該全橋二極體整流器之間。
如請求項1所述之多埠雙向轉換器，更包括一第一電容和一初級諧振電感(primary resonant choke)；其中，該第一電容的一端耦接至該第一初級繞組的一端，該初級諧振電感的一端耦接至該第一初級繞組的另一端；其中，該初級全橋轉換器的一端耦接至該第一電容的另一端，該初級全橋轉換器的另一端耦接至該初級諧振電感的另一端。
如請求項6所述之多埠雙向轉換器，其中該第一高壓電力轉換單元包括一第一高壓全橋轉換器、一第二電容和一第三電容，該第二電容耦接於該第一高壓全橋轉換器與該第一次級繞組之間，該第三電容耦接於該第一高壓全橋轉換器的兩個端點之間。
如請求項7所述之多埠雙向轉換器，其中該第一高壓電力轉換單元更包括一第一高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器，該第一高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器耦接至該第三電容。
如請求項8所述之多埠雙向轉換器，其中該第一高壓電力轉換單元更包括一第一高壓降壓/升壓電感和一第四電容，該第一高壓降壓/升壓電感耦接至該第一高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器，該第四電容耦接至該第一高壓降壓/升壓電感，該第四電容的電壓為該第一高直流電壓。
如請求項9所述之多埠雙向轉換器，其中該第二高壓電力轉換單元包括一第二高壓全橋轉換器、一第五電容和一第六電容，該第五電容耦接於該第二高壓全橋轉換器與該第二次級繞組之間，該第六電容耦接於該第二高壓全橋轉換器的兩個端點之間。
如請求項10所述之多埠雙向轉換器，其中該第二高壓電力轉換單元更包括一第二高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器，該第二高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器耦接至該第六電容。
如請求項11所述之多埠雙向轉換器，其中該第二高壓電力轉換單元更包括一第二高壓降壓/升壓電感和一第七電容，該第二高壓降壓/升壓電感耦接至該第二高壓雙向降壓/升壓半橋轉換器，該第七電容耦接至該第二高壓降壓/升壓電感，該第七電容的電壓為該第二高直流電壓。
如請求項12所述之多埠雙向轉換器，其中該第一低壓電力轉換單元包括一第一同步整流器(Synchronous Rectifier, SR)和一第八電容，該第八電容耦接至該第一同步整流器。
如請求項13所述之多埠雙向轉換器，其中該第一低壓電力轉換單元更包括一第一低壓雙向降壓/升壓半橋轉換器、一第一低壓降壓/升壓電感和一第九電容，該第一低壓降壓/升壓電感耦接於該第一低壓雙向降壓/升壓半橋轉換器與該第九電容之間，該第九電容的電壓為該第一低壓直流電壓。
如請求項14所述之多埠雙向轉換器，其中該第二低壓電力轉換單元包括一第二同步整流器和一第十電容，該第十電容耦接至該第二同步整流器。
如請求項15所述之多埠雙向轉換器，其中該第二低壓電力轉換單元更包括一第二低壓雙向降壓/升壓半橋轉換器、一第二低壓降壓/升壓電感和一第十一電容，該第二低壓降壓/升壓電感耦接於該第二低壓雙向降壓/升壓半橋轉換器與該第十一電容之間，該第十一電容的電壓為該第二低壓直流電壓。
如請求項16所述之多埠雙向轉換器，更包括一第十二電容；其中該全橋二極體整流器的一端耦接至該第五次級繞組的一端，該全橋二極體整流器的一端耦接至該第五次級繞組的另一端，該第十二電容耦接於該全橋二極體整流器的兩個端點之間，且該全橋式逆變器耦接至該第十二電容。
如請求項6所述之多埠雙向轉換器，其中在一第一操作模式中，該初級全橋轉換器產生交流電壓並透過該第一電容和該初級諧振電感輸入到該第一初級繞組；其中在一第二操作模式中，該第一高壓電力轉換單元產生輸出到該第一次級繞組的交流電壓。
如請求項18所述之多埠雙向轉換器，其中在該第二操作模式中，該第二高壓電力轉換單元產生輸出到該第二次級繞組的交流電壓。