TW201203823A - A power converter with two input power sources - Google Patents

Description

201203823 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電源轉換器，特別是指具有雙輸入 電源之直流/直流電源轉換器。 【先前技術】 為了改善非再生能源容量的逐漸減少及溫室效應所反 映出來的問題，潔淨能源的利用成為重要的議題。潔淨能 源如燃料電池、太陽光電池、風力發電機等低污染性能源 ，配合電力電子及自動控制等相關技術，可廣泛應用在分 散式發電裝置，如新世代電力化交通工具、不斷電系統、 獨立發電系統等。然而此些蓬勃發展之燃料電池、太陽能 光電以及小型風力發電機等新興能源，均具直流低電壓之 發電特性，並且由於潔淨能源發電特性導致輸出電壓並非 固定，易隨負載變化而浮動，或是其發電量易受自然環境 變化而有所限制。一般而言，潔淨能源皆無法直接應用於 一般電器產品，因此由電力電子領域所發展之直流/直流電 源轉換器為應用潔淨能源不可或缺之電力裝置。 傳統之一組潔淨能源發電裝置均配置一組電源轉換器 ，用以轉換不同發電特性之各式潔淨能源。習用系統架構 採用多組轉換器並聯於直流高壓匯流排，作為變流器前端 電源或直接應用電路裝置，而此系統結構具有體積大、電 路複雜及昂貴成本之缺失；而直流/直流電源轉換器之應用 以傳統昇壓式直流/直流電源轉換器最為廣泛，可藉由調整 開關之責任週期，控制輸出電壓昇壓比例，但其最為詬病 之缺點為開關切換為傳統硬性切換方式，以及輸出二極體 4/37 201203823 存在反向恢復電流問題’當功率半導體開關導通之暫雜期 間，二極體必須流過瞬間大電流以建立逆偏電壓，此電流 流經功率半導體開關，引起嚴重之切換損失與低轉換效率 【發明内容】 本發明的目的係為了提供一種具有雙輸入電源同時轉 換、柔性切換以及低導通損失之電源轉換器，應用於潔淨

能源混合式電源供應系統，可有效提升整體轉換效率，並 可減小系統架設成本。 為了達成上述目的，根據本發明所提供的技術方案， f共一種雙輸人電源轉換ϋ，此雙輸人電源轉換器包括一 弟-電源電路、—第二電源電路、—輔助電路、—輪 路，閉迴路控制器，其中，第一電源電路與第二電源 ^輔助電路分別與第—電源電路及第二電源電路泰 ㊉出電路與細電路麵接；閉迴路控制n分別與第一 電源電路、第二電源電路、輔助電路及輸出電_接。 mm所述的第一電源電路包括一第一電源開關及—第一 :雷、!：電源開關與-第-電源連接，且第-開關襄 將笛—I'”1關轉接’第—電源電路透過第—開關之切# 第-雷：源轉換為一第一電流源電能；第二電源電路座 :一:：電路串接，第二電源電路包括-第二電源開, 二開關與』關:、第—電源開關與-第二電源連接’且* 關之切換將：電源開關耦接，第二電源電路透過第二ν 所过弟一電源轉換為一第二電流源電能； a的辅助電路包括—輔助開關、一第一輔助二相 5/37 201203823 ^ 第-辅助二極體、—輔助電容及—輔助電感，上 二1之間的連接關係為：辅助開關與第—開關連接； 二J助二極體與輔助開關連接；第二輔助二極體分別 ㈣輔助一極體及輔助開關連接；輔助電容分別與輔 幵關及第二開關連接；輔助電感與第—辅助二極體連 接0 其巾’第二輔助二極體用以箝制第—輔助二極體的 ^壓；輔助電容用以儲存第—電感電流及第二電感電流

電旎，輔助電感用以釋放輔助電容儲存的電能。 所逑的輸出f路用以接收伽錢縣的電能，以 輸出一輸出電壓。 所述的閉迴路控制器包括一控制電路及一驅動電 路’其中’控制電路與驅動電路麵接，控制電路用以將 雙輸入電轉換.H的—迴授訊號與—命令訊號作比較 ’並根據比較結果計算後，輸出_控制减；驅動電路 根據控制訊號輸出複數,_訊號，並輸出複數切換訊號 〇 所述的驅動電路將多個驅動訊號輸出至第一開關· 、第二開關及辅助開關，以調整第一開關、第二開關及 輔助開關之責任週期，以調整輸出電麗的昇壓比例，·且 驅動電路將多個切換訊號輸出至第―電源關及第二 電源開關’以控制第—電源開關及第二電源開關之切換 ’使雙輸人電源轉換n操作在單輸人電源單獨供電狀態 或雙輸入電源聯合供電狀態。 〜 本發明的技術特點在於： 第點.具雙輸入電源轉換機制，可允許不同電氣 6/37 201203823 特性之電源作為電源， 位，以提供負載所^纟可同時提升兩電源的電麗準 壓再並聯之架構，】j電力。簡化了傳統多組轉換器昇 輸入單獨供電以及^電源供應情況分為兩種狀態：單 同輸出負載及節省；^人電源同時供電狀態，可因應不 運用具有彈性。之目的作调整，使得潔淨能源的 第·一點·糟由塗—^ 方式連接，當雙輪入；路與第二電源電路以串聯 #電&能睥，電源轉換盗操作在雙輸入電源聯合 3狀‘，’導通損失可大幅 為低電壓高電流之潔、κ、β D± 对於便用狗入電源 ，並大幅提升轉換糾’可有效地減少導通損失 流界ΐ二ί:電源電路及第二電源電路之電流以直 j流’當應用於潔淨能源作為輸人電: 裝置的使用壽命。原裳置，延長潔淨能源 :藉由辅助電路在電能的儲存與釋放的過程 及第切換達成柔性切換，以及第-開關 及第一開關均具有導通零電㈣換的特性 開關切換損失並提升轉換效率。 田氐 關於本發明之技術手段的詳細說明，請相以下的實 也方式，並配合所附圖式一併參照。 、 f貧施方式】 種雙輸入電源轉 ’雙輸入電源轉 請參考第一圖，為本發明所提供的— 換器之一實施例之電路圖。如第一圖所示 7/37 201203823 換器1包括一第一電源電路10][、一第二電源電路1〇3、一 輔助電路105、一輸出電路〗07及一閉迴路控制器1〇9。其 連接關係為：第一電源電路1〇1與第二電源電路1〇3串接 ;輔助電路105分別與第一電源電路1〇1及第二電源電路 連接；輸出電路107與輔助電路1〇5連接；閉迴路控制 器109分別與第一電源電路1(H、第二電源電路1〇3、辅助 電路105及輸出電路1〇7耦接。 在本實施例令，第一電源電路101包括-第-電源開 ，spl、一第一電容Ci、一第一電感及一第一開關s】， '中’第一電源開M SpI的正端點與一第一電源％的正端 電容Ci的正端點與第一電源開關〜的負端 ..=，苐:電容Cl的負端點與第一電源V】的負端點連接 成魏V,、第—電源_^及第-電容C,形 =外’第-電感L]的正端點與第—電 接；第一開關S,的沒極與第一電感Li 2 =連 在本實施例中，第二電源電路1〇3包括^圈。 關Sp2、-第二電容c2、一第二電感 —電源開 負點連接，第二電容c 端點，接。上述之第二電源v2、第 一電容C2形成一電路迴圈 其中，第二電源開關Sp2的正端點盘_:一一第二開關k 端點連接；第二電容正端點與第:電源v2的正 負端點連接，第二雷宏Γ、沾4二/、 一電源開關sp2的 點與第二電源v2的負 電源開關sp2及第 此外，第二電感L2的正端點與第二電容C2的正端 8/37 201203823 點連接；第二開關的&源極與第二電容a的負端點連 接，第二開關S2的汲極連接第二電感L2的負端點及第一 開關s1的源極，也就是說，第二電源電路1〇3透過第二 開關S2連接第一開關s〗來與第一電源電路1〇1彼此串接 。上述之第二電感L2、第二電容Q及第二開關心形成 另一個電路迴圈。

、其中，第一開關S及第二開關S2可分別為功率半 導體開關。第-電源V]及第二電源v2可為二次電池、超 電容、燃料電池、太陽能電池、直流風力發電或交流風 力發電機經整流之直流電源其中一種，且第一電源兄 與第二電源V2可為相同或相異的直流電源種類。 值得注意的是，本發明之雙輸入電源轉換器丨的特 點在於，具有兩個電源電路分職用於不同的潔淨能源 ，並分別將兩種潔淨能源轉換為穩定的一第一電流電能 及第一電/;IL源電能，且可彈性地切離第一電源或第二 電源。然而，本發明之第一電源電路101及第二電源電 路103所包含的元件及其連接_不限於上述所描述， 本領域的相關技術人員應可以根據本實施例作修飾而 得到相同的功效。 外在本貫施例中，輔助電路1()5包括—輔助開關&、 1-輔助二極體Dal、—第二輔助二極體％、一輔助 電容Ca及-輔助電感La，其中，輔助開關^的源極與 第-開關SM没極連接；第—輔助二極體％的陽極與 輔助開關&的源極連接；第二輔助二極體Da2的陽極與 第-輔助—極體Dal的陰極連接，第二輔助二極體^ 的陰極與輔助開關Sa⑽極連接；輔助電ICJ正端點 9/37 201203823 與輔助開關sa的汲極連接，輔助電容ca的負端點與第二 開關s2的源極連接；輔助電感La的正端點與第一輔助二 極體Dal的陰極連接。 上述之輔助電路105主要的特點在於，分別與第一 電源電路101及第二電源電路103連接，藉由輔助開關 S a的切換來儲存或釋放第一電流源電能及第二電流源電 能，以保護第一開關S】及第二開關S2。因此，本發明之 輔助電路105所包含的元件及其連接關係僅為一舉例而 已，本領域技術人員應可根據本發明實施方式作修飾而 得到相同的功效。 在本實施例中，輸出電路107包括一輸出電容CD 其中，輸出電容C。的正端點與辅助電感La的負端點連 接，輸出電容C。的負端點與輔助電容Ca的負端點連接 ;輸出電路107用以將一輸出電壓輸出至一輸出負載R〇 ，其中，輸出負載R〇與輸出電容C。並聯。 在本實施例中，閉迴路控制器109包括一控制電路 1091及一驅動電路1093，其中，控制電路1091與驅動 電路1093耦接。控制電路1091接收來自第一電源電路 101、第二電源電路103或輔助電路105的一迴授訊號 Sf，並且，控制電路1091還接收與迴授訊號Sf相對應的 一命令訊號Se，命令訊號Se為迴授訊號Sf的額定訊號。 由驅動電路1093輸出可調整第一開關S!、第二開關S2 及輔助開關Sa之責任週期的第一開關驅動訊號T!、第二 開關驅動訊號T2及輔助開關驅動訊號Ta，並且，驅動電 路1093還輸出可觸發第一電源開關Spl&第二電源開關 SP2之第一電源開關切換訊號Tpl及第二電源開關切換訊 10/37 201203823 藉此，閉迴路控制器109與第一電源電路101、 電源電路103、輔助電路105及輸出電路1()7形成 一閉迴路控制機制。 為了清楚地說明本發明之雙輸入電源轉換器！的操作 原理及相對應的功能，請參考第二圖，並配合料第一圖 ’第二圖為第-_雙輸人電源轉換器i之等效電路圖， 第二圖上並標示了第一圖中各元件定義之電壓及電流方向 ’並省略了閉迴路控制器1〇9。 如，二圖所示’雙輸人電源轉換器r之假設條件為：⑴ -電容Q、第二電容c2、_電容Q及輸出電容c。夠 〇，可等效為固定電壓源。其中，輔助電容Ca上的跨壓為 (:=SVa，：輸出電容C。上的跨壓為輸罐V。 ，⑺第-開關S】、第二開關、、獅開關Sa、 極體Da丨及第二獅二極體Da2均為理想元件，可 元件導通時的_ ; (3)第一電源開關^及第二;源： SP2於導通模式下可被忽略。 ’、《關 以下將說明雙輸入電源轉換器i，所包含的各 作原理。第-電源電路101透過第一電源開關S ^之操 ，將第-電源V】轉換為-第-電感電流iL1，換 電能形式呈現；第二電源電路103透過第二鬥/心源 的切換，將第二電源、V2轉換為一第二電感電=關、 電流源電能形式呈現。辅助電路105藉由輔助1^以 儲存第-電感電流iu之電能及第二電感電流i 4， ，辅助電感La用以釋放輔助電容Ca儲存的=電能 $電路H)7，在電能儲存與釋放的過程中，透過二^出 a之切換達成柔性切換及高效率電能轉換之 1 J，而第 11/37 201203823

|7机跳\馮預設的一額定第一電感 一額定第二電感電流i’L2(未標示）或一 電流(未標示）、一 額定輸出電壓V’0(未標示）。 由驅動電路1093根據控制訊號&的大小輸出第一 開關驅動訊號η至第—開關Si，輸出第二開_動訊號 T2至第二開關S2’以及輸出輔助開關驅動訊號^至辅助 開關Sa，在本實施例中，第一開關驅動訊號τ】、第二開 關驅動訊號丁2及輔助開關驅動訊號Ta之責任週期的大 小大致跟隨著控制訊號Sd的大小而改變，且輔助開關驅 動訊號Ta為第一開關驅動訊號τ】之互補訊號及第二開關 驅動訊號T2之互補訊號兩者之加總，也就是說，若控制訊 號sd越大’第一開關驅動訊號Τι及第二開關驅動訊號 丁2的責任週期越大’而輔助開關驅動訊號Ta的責任週期 則越小；反之’若控制訊號Sd越小，第一開關驅動訊號 T1及第二開關驅動訊號τ2的責任週期越小，而輔助開關 驅動訊號Ta的責任週期則越大。藉此，來調整雙輸入電 源轉換器Γ的昇壓比例大小，即可以控制第一電感電流 12/37 201203823 iu、第二電感電流及輸出 電路亦可間接控制第一電源輸出功°率、’驅動 功率，達成閉迴路控制機制。 一電源輪出 此外，驅動電路1093還輸出第 號TP1至第一電源開關s 電源開關切換訊 訊號V至第二電源開關\2，===關切換

Spl及第二電源開關&之切換，使 電源開關 操作在單輸入電源單獨供電轉換器Γ 電狀態。 电狀心次又輪入電源聯合供 下:s雙換器Γ的操作原理大致如 I丰斟姑 1截且苐一開關S2導通時，第一带甙 、窃·助電容Ca、辅助電感“及輸出電容C 二！曰 共月匕里給輪出負載R。，在此期間將輔助開關s 4、甬^提 導通特性，之後第1感’電=通連= ，谷電壓Va_併對輸 輔 負載R。。 上扠仏月匕里給輪出 雷咸Π當第—開關Sl導通且第二開關S2截止時，第-並容Ca'輔助電仏及輸_ μ π π 輪出負載R。，在此期間將輔助開關&導$， 給輪出併對輸出電容C。充電，並提供能量 時序方式電感電流^及第二電感電流“分 巧對輪出電路107供電。 源vH’當第—開關S1及第二難1 S2轉通時’第一電 ，而辅助分別對第一電感^第充電 电从電流iLa以續流方式對輸出電路107之輪出電 13/37 201203823

容c0充電，並提供能量給輸出負載R 漸減至零。 、載R。而輔助電感電流iLa 根據本發明的-實施例，雙輸入電源轉換器】，將可依 實際負載種類及能源提供狀態而操作在單輸入電源單獨供 電狀態或雙輸入電源聯合供電狀態。以下將 述兩個狀態下，不同的時序内的操作模式。 孑，，也描 請參考第三A圖，為本發明的雙輸入電源轉換器操作 在第-電源單獨供電狀態下之不同模式的電路示意圖:並 ^寺^考第三B圖，為對照第三A圖之電路電璧電流時序 波形圖。 如第三A圖所示，當第二電源％發生故 管理為了因應不同的輸出負駐。或節省能源之目的L周 節第二電源V2不輸出功率時，可將第二電 ，以完成第二電源v2切離之曰的，廿姑够 p2m 2刀雖之目的，並使第二開關82持續導 通。此時’雙輸人電轉鋪丨，可操作在第―電源單 供電狀態。 首先，定義開關切換週期Ts、第一開關責任週期山、輔 助開關責任週期da、非連續導诵媒六主 時間責任週期dd。導侃貝任週期^以及死區 一、 模式 1 [t〇 〜tl]: 當時間t=to ’輔助電感電流iLa回復至零，此時，第一 開關Si為導通狀態’輔助開關Sa域止 V】對第一電感L]充電。 乐€ ^' 二、 模式〜t2]: 當時間t=tl ’將第—開關s】截止第一開關電壓 升至輔助電容電壓Va，此昧M c 此時，輔助開關sa仍為截止狀態。 14/37 201203823 第一電感電流iL1續流並流經輔助開關Sa的寄生二極體，並 對輔助電容Ca充電。此時，輔助開關電流isa為負，而輔助 電感跨壓vLa為Va-V。，輔助電感電流iu由零開始線性上升 ，第一辅助二極體Dal並隨之導通。 三、模式3[t2〜t3]: 當時間t = t2，輔助開關電流iSa仍為負。此時，將輔助 開關Sa零電壓導通，輔助開關Sa導通後可提供輔助開關電 流iSa正方向路徑。當辅助電感電流iLa線性上升至大於第一

電感電流iu後，輔助開關電流iLa為正’此時，辅助電容電 墨Va的能量釋放至輔助電感La及輸出電壓v。。模式2至模 式3期間(t=tpt3)之時間可表示為(dd+da)Ts，在此期間内， 輔助電感跨壓vLa為Va-V。，而第一電感跨壓vugv,-V。 因此’輔助電感電流iLa及第一電感電流iu可分別表示為式 ⑴及(2)。 lLa(t) = (V a-V〇)(t-t ] )/La ⑴ iL](t) = (Iu(2) 其中，Ili代表第一電感電流iL1的平均值，代表第 電感電流1L1的漣波。當時間t=t3時，辅助電感電流k 在此區間内的區域最大值可表示為式P)。 3 iLafe) = (V a-V 〇)(dd+da)Ts/La (3) 根據第一電感跨壓VL1，AiL1可改寫成式(4)。 Δίίΐ = (Va-V])(dd+da)Ts/Li (4) 四、模式4[t3〜t4]: 當時間t==t3時，將輔助開關sa截止，而第一開關Si 仍為截止狀態。由於輔助電感電流iLa需要續流，且輔助電 感電流iu大於第一電感電流iL1，因此，第一開關電壓v 15/37 201203823 先降至零，之後，第一開關Si的寄生二極體導通，以承受 輔助電感電流iLa減去第一電感電流iL1之差，而第一輔助二 極體電流iDal則等於輔助電感電流iu。輔助電感匕開始對 輸出電壓V。供電，此時，輔助電感跨壓vLa為-V。，辅助電 感電流iu由區域最大值開始線性下降。 五、模式5[t4〜y : 虽時間t=tt時，在第一開關s〗的寄生二極體導通情況 下將第一開關零電墨導通。此時，第一電源V】對第一 電=Ll充電’第一開關電流iS1由負漸增為正，而輔助電感 電流1La由繼續對輸出電壓V。供電。模式4至模式5期間(t b L)之時間可表示為(dd+ddcm)Ts，此期間内辅助電感跨壓

La^_。第電感跨壓vli為’因此，輔助電感電流iLa 玎表示為式(5)。 lLa(t) - t(Va-V〇)(dd+da)Ts.V〇(t.t3)]/La 六、換式6[t5〜t6]: 二〇帶t"t5時’輔助電感電流iu降至零，將條件iLa(t5) 如式L。式(5)可得到辅助電容電壓Va與輸出電壓V。的關係 由於V°)(dd+da)==V〇Wd+ddcm) (6) 減小至二電感La對輪*電壓V。供電之辅助電感電〉' 電壓^_^〜伽二極體Dal存在逆向回復電流，由1 未標示助電感^第一輔助二極體Da】的寄生1 七、模式7[t6〜t7]: 當日夺門 ，之後，二:6時’第—輔助二極體Dal建立起逆偏, 電感電流iLa需要續流’透過第二輔助二; 16/37 201203823

Da2釋放至輔助電容匕，完成一個第— 態的週期。 电原％早獨供電狀 值得注意的是，第二輔助二極體％提供—較 失的路徑，減少流經輔助開關心的寄生二極體的雷、、☆通損 保護輔助開關\。避免非理想之功率半導體 以 容與線路㈣電⑽振造成高電壓突波 哥生電 半導體元件之功效。 适枚保遭功率 依據伏秒平衡(Volt-Second Balance)理論，在第〜“ %單獨供電狀態的週_，第—電感跨壓％之平二電源、 其關係式可表示為式(7a)及(7b)。 :、令’ [V, (d!+dd) +(V, -Va)(da+dd)] Ts = 〇 (7a)

Va= V]/ (da+dd) (7b) 根據式(6)及式(7b)，並假設死區時間責任週期廿/ ，第一開關責任週期d,與輔助開關責任週期屯之和小 1，則式(6)及式(7b)可分別表示為式(8a)及(8b)。、以為 V〇=Va (1-dO /(1+ ddcm-d!) (8a)

VfWd， (8b) 考慮輸出電容c。於所有開關切換週期内的平均電流為 零，以維持輸出電壓V。的穩定，且輸出電容c〇之平均電流 等於輔助電感La上之平均電流，並假設模式7區間内由第 一輔助二極體Da〗所造成之逆向回復電流很小並可忽略，則 此電流平衡之關係式可表示為式(9)。 (l-di)(l-di+ddcm)(Va-V0)Ts/2La=V0/R0 ⑼ 由式(8)及(9)可得到非連續電流模式責任週期及輸 出電壓V。分別為式(l〇a)及(l〇b)。 17/37 201203823 d.‘ 〇‘5(l-

(10a) K=2VJ-

(10b) 同理，當第一電源V發生 同輸出負載K與節能之目的，欲^時，或電源管理因應不 率時，可將第-電關_s 電源V1不輸出功 離之目的，並使第—開^ ’I完成第—電源％切 轉換器Γ可操作在第二電V:、::通，此時’雙輸入電源 電源V2早獨供電狀態。 第一電源v2單獨供電的操 供電狀態的操作模式相同m㈣ 係式+ 由上賴論可推得電塵關 ^dcm ~ ^·5(ΐ -^2) ΛΤΙΙΙΖΖΖΓ j Krs(i-dJ η=2Κ2Α (1-^2； ι+ /ΰΓ~~~ L V κτχι-α2γ -1) (Π a) (Hb) 其中’d2表示第二開關責任週期，由以上 „H_2以及輔助開 ^目之的貝剛dl、⑷a，她__式之能源 接著，請參考第四A圖，為本發明的雙輸入電源轉換 f操作在雙輸人電源聯合供電狀態下之不關式的電路示 意圖，並同時參考第四關’為對照第四A圖之電路電堡 電流時序波形圖。 值得注意的是，第四A圖及第四B圖是建構在第一電 感電流iL1大於第二電感電流條件下。首先，定義第一 18/37 201203823 段輔助開關責任週期dal、第二段辅助開關責任週期屯，第 二非=續電流模式責任週期^及第二段非連續電流模 :貝壬週,ddcm2，以及開關切換週期I、第—開關責任週期 ^第一開關責任週期d2、辅助開關責任週期“及死區時 間貝任週期dd。 &此外’雙輸入電源轉換器！，在雙輸入電源聯合供電狀 悲下穩定操作之條件為第1 任職φ與第二開關責 任週期由之和需大於1，即_必，此作法是為了避免當 第-開關s,及第二開關s2皆截止時，第—電感電流l及第二 電感電流iL2串聯之路徑產生。 一、 模式1 [t〇〜: 當時間t=t〇時，輔助電感電流iLa回復至零，此時，第 -開關S1及第二開關s2皆為導通狀態，而輔助開關^為 截止狀態。第一電源v]及第二電源％分別對第—電 及苐二電感L2充電。 芯 二、 模式 : 當時間t = t】時’將第二開關S2截止，第二開關電壓 士升至輔助電容電壓Va，此時獅關Sa仍械止狀態。 第二電感電流iu續流並流經第一電源電路1〇1及輔助開關 Sa的寄生二極體’腳助電容Q充電。此時，輔助開二電 流iSa為負，而輔助電感跨壓VLa為Va_V。，輔助電感 由零開始線性上升，第—輔助二極體％並隨之導通。 三、 模式3[t2〜t3]: 當時間t=t2時，輔助開關電流isa仍為負，此時 助開關Sa零電壓導通，輔助開關Sa導通後可提供輔助 電流isa正方向路#。當輔助電感電流、線性上升至大於第 19/37 201203823 電感電流iL2B寺，輔助開關電流isa為正，此時，將輔 容電壓va能量釋放至輔助電感La及輪出電壓v。。模式2 至模式3期間㈣⑷之時間可表示為（da+da2)Ts，在^ 間内，輔助電感跨壓vLa為Va-V。，第二電感跨壓為V2_v ，因此’輔助f感電流iLa及第二電感電流^可表示為a 及式(13)。 iu(t) = (Va-V0)(t-t】)/La (12) iL2(t) = (Ιί2+0·5Δ iL2)+(VrVa)(t_tl)/L2 (13) 其中，當Iu代表第二電感電流iu的平均值，Δίί2代表 第二電感電流iL2的漣波。料間t = t3時，輔助電感電流^ 在此區間内的區域最大值可表示為式(14)。 iLa(t3) = (Va-V0)(dd+da2)Ts/La (14) 根據第二電感跨壓Vu，AiL2可改寫成式(15)。

AiL2 = (Va-V2)(dd+da2)Ts/L2 (15) 此外’模式2至模式3期間(t=ti〜t3)，第一開關電流、 可表示為iu-iu，由於第一電感電流iu大於第二電感電流 k，第一開關電流isi為正；由於開關導通損失正比於流經 其電流的平方，本發明將第一開關Si與第二開關心串聯此 特性有助於大幅降低導通損失。 四、模式4[t3〜t4]: 冨時間t—t；3時，將輔助開關心截止，由於輔助電感電 流iLa需要續流，且輔助電感電流iu大於第二電感電流iL2 ，因此，第二開關電壓vs2先降至零，之後，第二開關S2 的寄生二極體導通，輔助電感電流iu由區域最大值開始線 性下降。 五、模式5[t4〜t5]: 20/37 201203823 當時間叫時，在第 下，將第二開關&零電壓導通/ 2日:广生〜極體導通情况 負漸增為正。模式4至模式5 # ^第〜開關電流匕2由 (dd+d“)Ts，此期間内‘電^ 時間可表示為 電感電流iLa可表示為式(16)。 。為-乂。，因此，輔助 -06) 〆、、換式 6[t5 〜t6] : (16) 當時間t=t5時，輔助電

二〇帶入式(16)可得到輔助電電壓' 將條件iu⑹ 係如式(17)。 電£ Va與輪出電壓V。的關 (va-v0)(dd+da2)=v0(dd+ddcm2) 由於輔助電感W輸出電龄。供電 ^ 减小至零，第-輔助二極體％存在逆向回復電 J壓、經輔樣La對第—辅助二極體％的‘生電= 七、 模式7[t6〜t7]:

Dal建立起逆偏電壓 透過第二輔助二極體 當時間t=t6時，第一輔助二極體 ，之後，輔助電感電流iLa需要續流， Da2釋放至輔助電容Ca。 八、 模式8 [t7〜t8]: $時間t=t7時，輔助電感電流iu回復至零，此時，雔 輸入電源轉換器1'的操作狀態與模式1相同。 又 九、模式9[t8〜t9]: 當時間叫時，將第-開關§1截止，此時，辅助開關 a仍為戴止狀態，第-電感電流iu讀流並流經第二電源電 路103及輔助開關Sa的寄生二極體，並對輔助電容G充電 201203823 。此時，輔助開關電流isa為負，而輔助電感跨壓vLa為Va-V。 ，輔助電感電流iLa由零開始線性上升，第一輔助二極體Dal 並隨之導通。 十、模式10[t9〜tl〇]: 當時間t=〖9時’輔助開關電流isa仍為負’此時’將辅 助開關83零電壓導通’辅助開關Sa導通後可提供輔助開關 電流iSa正方向路徑。當輔助電感電流iu線性上升至大於第 一電感電流iu時，輔助開關電流iSa為正，此時，將辅助電 容電壓Va能量釋放至輔助電感La及輸出電壓V。。模式9 至模式10期間(t = ts〜t! 〇 )之時間可表示為(da+da! )TS，在此期 間内，辅助電感跨壓▽〔，為Va_v。，第一電感跨壓為VrVa ，因此，輔助電感電流iLa及第一電感電流iL1可表示為式(18) 及式(19)。 iLa(t) = (Va-V〇)(t-t8)/La (18) iLi(t) = (IL1+0.5A iu)+(Vi_Va)(t_t8)/Ll (19) 當時間t=t1()時，輔助電感電流iu在此區間内的區域 最大值可表示為式(2〇)。 ^&(110) = (Va-V0)(dd+da])Ts/La (2〇) 根據第一電感跨壓Vu，可改寫成式(21)。 ^Li==(Va-V1)(dd+dal)Ts/L] (21) 十一、模式 ll[t1()〜tu]: .當時間t=t1()時，將辅助開關&截止，由於輔助電感電 流1U需要續流’且辅助電感電流iu大於第-電感電流iL1 ’因此’第一開關電壓vsl紐至零，之後，第-開關Sl 的寄生二極體導通’輔助電感電流iu由區域最大值開始線 性下降。 22/37 201203823 十二、模式12[tn〜tl2]: 當時間t=tn，在第一開關Si的寄生二極體導通情況下 ’將第一開關S1零電卿通，此時，第-開關電流is,由負 漸增為正。模式11至模式12期間之時間可表示 為(dd+ddcml)Ts ’此期間内輔助電感跨壓、為_v。，因此，輔 • 助電感電流iu可表示為式(22)。 lLa(t) — [(^a-V0)((Jd+^ai ^ g_ γ 〇(t-t] 〇)]/La ^2) 十二、核式 13[ti2 〜t13]: # 當時間t=tl2時，輔助電感電流iu降至零，將條件iu(ti2) 〇 f入式(22)T传到辅助電容電壓va與輸出電壓γ的關 係如式(23)。 ° (Va-V〇)(dd+dal) = v〇(dd+ddcml) (23) .由於辅助電感La對輸出電壓V。供電之辅助電感電流匕 減小至零，第一輔助二極體Dai存在逆向回復電流，由輸出 電屢V。經輔助電感La對第一輔助二極體Dal的寄生電容充 電。 φ 十四、模式: 當時間t=tn時，第—輔助二極體Dai建立起逆偏電壓 ，之後，輔助電感電流iLa需要續流，透過第二輔助二極體

Du釋放至辅助電容Ca’完成一個雙輸入電源聯合供電狀態 的週期。 依據伏秒平衡(Volt-Second Balance)理論，第一開關St 與第二開關S2的切換週期内，第一電感跨壓Vli及第二電感 跨壓vu之平均為零’其關係式可表示為式(24a)、(24b)、(24c) 及(24d)。 (24a) [Vi (d】+dd) +0Λ -Va)(dal+dd)] Ts=0 23/37 201203823

Va=V1/(dal+dd) (24b) [V2 (d2+dd)+(V2 .va)(da2+dd)] Ts=〇 (24c)

Va=V1/(da2+dd) (24d) 主根據式(I7)、式⑺）、式⑽)及式(施），並假設死區時 門二任週期4很小’第—開關責任週期&與第—段輔助開 關貝任週期daI之和近似為丨，^第二開關責任週期山與第 二段輔助開關責任週期心之和近似為1，則式(23)、式(17) 、式(24b)及(24d)可分财示為式(25&)、式⑽）、式(25c) 及式(25d)。 (25a) (25b) (25c)

Vo^V^l-dO/O+dde^-d,) V〇 =Va(l-d2)/(H-ddcm2-d2)

V a (25d) 切換週期内的平均電流為 =V2/(l-d2) 關 考慮輸出電容C。於所有l __ n 零，以維持輸出電壓V。的穩定，且輸出電容c〇之平均電分 ^於輔助電感La上之平均電流，並假設模式7及模式[ 區間内由第-輔助二極體Dal所造成之逆向回復電流很巧 並可忽略，則此電流平衡之關係式可表示為式(26)。 [(l-d2)(l-d2+dcm2)](Va.V〇)Ts/2La=V〇/R〇 (2 由式(25)及(26)可得到第一段非連續電流模式責任週其 ddcml、第二段非連續電流模式責任週期—及輪出電壓v 分別為式(27a)、式(27b)及(27c)。 土 hm\ ^dcml = 〇·5(1 — ί/2) 1 +

84 RJsdx ~84~KT.A (27a) (27b) 24/37 201203823 (27c) 其中簡化責任週期4可表示為(1_di)2 + (1_d2)2。此外， =-開關責㈣期dl與第二„責任· d2由式㈣可推 得為式(28)。 V,/(l-d1) = V2/(l-d2) (28)

I。由式(27a)至式(27e)可得知本發明之雙輸人電源轉換器 1’操作在雙輸人電源聯合供電狀騎，可藉由控制第一開關 Si、第二開關&以及輔助開關&之責任週期T]、A及Ta ’達成高效率昇壓形式之能源轉換目的。並JL，根據第一3 電源V,及第二電源v2之電壓比例，存在一組較佳的第一 開關貝任週期山與第二開關責任週期4之組合。 為進一步驗證本發明之雙輸入電源轉換器丨，的功效， 以下將呈現實際實施的結果。

Wx 請蒼考第五圖’為本發明之雙輸人電源轉換器之一實 靶例之數值模擬波形響應圖。在本實施例中，第一電源％ 才木用uov 流電源’且第—電源Vi仿效太陽能電池的輸 出電壓，而第二電源V2則採用ι6〇ν直流電源，且第二電 源V2仿效風力發電經整流後的輸出電壓；輸出電壓V。則 為360V高壓直流匯流排電壓。 雙輸入電源轉換器丨’中所包含的元件規格則根據電路 推導而適當地選用，其規格如表丨所示。 25/37 201203823 之元件規格 ____號

參數 D D C L 1 800uH 2 800uH 1 IRFP460 2 IRFP460 a IRFP460 al MUR8100 a2 MUR8100 'a 47uF a 35uH 47uF 元件 第一電感 第二電感 第一開關 第二開關 輔助開關 第一輔助二極體 第二輔助二極體 辅助電容 輔助電感 輸出電容 又.鄉轉換益丨’在第一電源V丨單獨供 變=、下’輸出貞載R。的功㈣2卿時之數值模擬波形 警應圖。 —φΪ中’第五圖之⑻表示第—開關驅動訊號τ]、輔助1 谷電壓Va、輸出電壓φ ... 猫-货W 第一電感電流U五圖之(a ..，·不第-電感電流1Ll連續，㈣—電源 輸出電壓V。則控制並穩定於36GV。 1不k油。 第五圖之(b)顯示第一開關驅動訊號T1、輔助開關驅重 訊號V第-開關電壓Vsl及第—開關電流1由第五圖戈 (b)可觀制，第-開關軸喊7]及輔助開關驅動訊號]: 具互補特性並給予短暫之死區時間，以避免兩開關&、& 同時導通致使輔助電容Ca短路情形發生。由第五圖之(b)可 明顯觀察出第一開關Si導通時，第一開關電流isi為負，第 26/37 201203823 一開關Sl財魏切換之特性 高電源轉換效率。 ’可有效降低切換損失並提 五圖之(e)表示第—開_動訊號Tl、輔助開關驅動 、輔助開關電壓Vsa及輔助開關電流^。由第五圖之 二’輔助開關Sa導通時，輔助開關電流isa為負，輔 助開關sa亦具零電壓切換之特性。

:。第五圖之⑷表示第一開關驅動訊號I、輔助開關驅動 訊號V第-辅助二極體跨壓VDa]及第一辅助二極體電流 iDal由於第辅助二極體Du與輔助電感串聯，第五圖 之(d)中顯示㈣—獅二鋪糕&丨波形於上升及下降 均呈線性曲線，並有效解決傳統昇㈣路輸红極體反向 恢復電流突波狀況發生。 …第五圖之⑷表示第-開關驅動訊號[、輔助開關驅動 成號Ta、第二輔助二極體跨壓VDa2&第二辅助二極體電流 lDa2° $ 一輔助一極體Da2作為箝制第一輔助二極體跨壓π t 之用，將第一輔助二極體跨壓vDal箝制於輔助電容電壓

請參考第六圖，為本發明之雙輸入電源轉換器在第一 電源V!及第二電源V2聯合供電狀態下，輸出負载R的功 率為5kW時之數值模擬波形響應圖。 ° 其中，第六圖之(a)表示第一開關驅動訊號I、第一開 關驅動訊號A、輔助開關驅動訊號Ta以及輸出電壓γ。由 第六圖之⑻可知，第一開關驅動tfim,及第二開關驅動訊 號丁2與輔助開關驅動訊號Ta之間分別互補，並給予短暫之 死區時間，避免第一開關S!、第二開關S2及輔助開關s 同時導通，致使輔助電容匕短路情形發生；輪出電壓; 27/37 201203823 控制並穩定於360V。 第’、圖之(b)表不第-開關驅動訊號Τι、第__開關電壓 %、第-電感電流iu及第-開關電流‘。由第六圖之⑼ 可明顯觀察出，第-開關S丨導通時第―開關電流一為負， 第-開關S,具零電壓切換之特性，可有效降低切換損失並 提高效率；且於第二開關S2導通時，第一開關電流isi降為 iLi-k’可郷低導通損失’進_步提升電雜換效率。 第/、圖之(c)表示第二開關驅動訊號τ2、第二開關電壓 vs'、第一電感電流及第二開關電流^。由第六圖之⑷ 稍察出’第二開關^導通時及第二開關電流^為負，第 一開關S2亦具零電壓切換之特性；且於第-開關S,導通時 第一，關電、流ls2降為iL2_iu，此時，第二開關電流^為 、’但遠小於原第二電感電流L，可再降低導通損失。 第/、圖之(d)表示辅助開關驅動訊號Ta、輔助開關電壓 =、輔助電容電壓^及輔助開關電流iSa。由第六圖之⑷ 可知’辅助_ Sa導通賴關關電流iSa為貞，辅助開關 Sa亦具零電壓切換之特性。 =。第圖之(e)表示第一開關驅動訊號T]、第二開關驅動 ^號a第一辅助二極體跨壓^〇31及第一輔助二極體電流 lDal。由於第一輔助二極體Dal與輔助電感La串聯，第六圖 之⑷顯不出第—輔助二極體電流iDa!波形於上升及下降均 呈線性曲線。 ^。第六圖之(Q表示第一開關驅動訊號τ〗、第二開關驅動 .Ί第一輔助二極體跨壓VDa2及第二輔助二極體電流 lDa2。第二輔助二極體作為箝制第一輔助二極體跨壓 之用將第一輔助二極體電壓VDal箝制於輔助電容電壓、 28/37 201203823 最後，請參考第七圖，為本發明之雙輸入電源轉換器 之一實施例之電路模擬之電源轉換效率圖。如第七圖之(勾 所示，表示雙輸入電源轉換器1，在第一電源％單獨供電^ 態下之電源轉換效率，模擬條件為：第一電源％為'2〇v =及輸出電壓V。為36GV。由第七圖之⑻可知，此操作狀 態下最高轉換效率可高於95.6%。 如第七圖之(b)所示，表示雙輸入電源轉換器丨,在第一 電源V!及第二電源V2聯合供電狀態之電源轉換效率，模 _件為：第一電源Vl為120V以及第二電源％為ΐ6〇ν ’輪出電壓V。為360V，此操作狀態下最高轉換效率可古 96.2%。 问、 根據第七圖之模擬數據，可驗證本發明之雙輸入電源 轉換益具有南電源轉換效率之特性。 ,、

綜合上述，已揭露了本發明之雙輸入電源轉換器之技 術手段及相對應的功效。本發明利用兩個具有不同電壓的 電源互相串接，並轉換為穩定之直流電源後輸出，並可彈 性地選擇將雙輸入電源轉換器操作在單電源單獨供電狀態 或雙輪入電源聯合供電狀態。當雙輸入電源轉換器操作= ，輸入電源聯合供電狀態時，可有效地減少導通損失並大 幅提升轉換效率。並藉由輔助電路，將所有開關具有零電 壓導通的特性，以達成柔性切換之目的。此外，雙輸二電 源轉換H的電感f流連續，可有效濾除電流漣波， 害潔淨能源裝置。 、 处、惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 月b以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 29/37 201203823 範圍及發明說明内容所作之簡 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 單的等效變倾料，皆仍 【圖式簡單說明】 器之一實施例之電 第一圖：本發明之雙輸入電源轉換 路圖； ' 第二圖 效電路圖； :本發明之雙輸入電源轉換 器之一實施例之等 第三A圖：本發明之雙輸入電源轉換器操作 源早獨供電狀態下之-實_之操作模式電路示意圖； :壓電流時序 第二B圖：本發明之雙輸入電源轉換器電 波形圖； ' ° 第四A圖：本發明之雙輸入電源轉換器操作在雙輸入 電源聯合供電狀態下之—實施例之操作模式電路示意圖； 、第四B圖.本發明之雙輸入電源轉換器電壓電流時序 波形圖； 第五圖：本發明之雙輸入電源轉換器之一實施例之數 值模擬波形響應圖； 人第^圖.本發明之雙輸入電源轉換器在雙輸入電源聯 合供電狀態下之一實施例之數值模擬波形響應圖；及 第七圖：本發明之雙輸入電源轉換器之一實施例之電 路模擬之電源轉換效率圖。 【主要元件符號說明】 1、P:雙輸入電源轉換器 101 :第一電源電路 30/37 201203823 v,:第一電源 spl:第一電源開關 Q :第一電容 L!:第一電感 S,:第一開關

Tpl :第一電源開關切換訊號 T!:第一開關驅動訊號 103 :第二電源電路 V2 :第二電源 Sp2 :第二電源開關 C2 :第二電容 L2 ·第二電感 s2:第二開關 τρ2:第二電源開關切換訊號 τ2:第二開關驅動訊號 105 :輔助電路

Dal :第一輔助二極體 Da2 :第二輔助二極體 Sa :輔助開關 Ca :輔助電容 La :輔助電感 Ta :輔助開關驅動訊號 107 :輸出電路 C。：輸出電容 R〇 :輸出負載 109 :閉迴路控制器 31/37 201203823 1091 :控制電路 1093 :驅動電路 Sc :命令訊號 sf:迴授訊號 sd:控制訊號 va:輔助電容電壓 V。：輸出電壓 iu .第一電感電流 .第二電感電流 Vu :第一電感跨壓 Vu :第二電感跨壓 isl :第一開關電流 is2 ·第二開關電流 VS1 :第一開關電壓 VS2 ·第二開關電壓 VSa :輔助開關電壓 iSa :輔助開關電流 iDal :第一輔助二極體電流 vDa丨：第一輔助二極體跨壓 iDa2 :第二輔助二極體電流 VDa2 :第二輔助二極體跨壓 VU:輔助電感跨壓 32/37 201203823 iu :輔助電感電流

Ts :開關切換週期 山：第一開關責任週期 dd ·死區時間責任週期 da :輔助開關責任週期 ddcm :非連續導通模式責任週期 △iu :第一電感電流漣波 dal :第一段輔助開關責任週期 du :第二段輔助開關責任週期 ddcml :第一段非連續導通模式責任週期 ddcm2 :第二段非連續導通模式責任週期 △iu :第一電感電流漣波 △iu :第二電感電流漣波

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Claims (1)

1. 201203823 七、申請專利範圍： 1. 一種雙輸入電源轉換器，包括： -第-電源電路’包括-第一電源開關及 ，該第-電源開關與-第—電源連接，且:關 開關與該第一電源開關耦接，該第一 弟一 過該第-開關之切換將該第一電源轉換為：：透 電流源電能； 、 第一 一第二電源電路，與該第-電源電路串接，該第二雷 源電路包括-第二電源開關及—第^ 二電源開關與一第二電源遠拔 B —^關，该第 該第二電源開_接，該第二電;=開關與 二開關之切換將該第二電、二透= 電能； 電流源 /輔助電路，包括： 〆輔助開關’該辅助開關的第 第一端耦接； Λ弟開關 /第一輔助二極體，該第一辅助 與該輔助開關的第二端連接·— 11的第一端 一第=助=極體，該第二輔助二極體的第 與該第-輔助二極體的第 極 助二極體的第-媳^第一輔 ，該第二輔開關的第-端連接 的跨壓極體用以籍制該第一輔助二 辅助電谷’該輔助電容的第 的第-端連接，該輔助電、：：助開 開關的第二端連&， 、第一糕與該第 連接5亥輔助電容用以儲存該 34/37 201203823 :電流源電缺該第二電流源電能.及 二極體的第二端連第-輔助 輔助電容_的^以釋放該 流源電能； 免-源電此及該第二電 該^^路透1該輔助開關的切換將該第—電流 "、u ^第二電流源電能儲存 1出電路，與該輔助電路連接，該輸^接 源電能；及 “源電肊及該第二電流 -1 迴路控制器，與該第—電源電路、該第 路、該辅助電路及該輸出電路 ：電， 制器用以根據L 〃閉迴路控 第-開關、兮笛 命令訊號來控制該 為零電愿切換，★亥閉迪^：· 辅助開關 源開關及該第二：門：制器並控制該第-電 电，原開關的切換，以控制該第一 %源及該第二電源供電或切離。 之雙輪入電源轉換器，其中 該第一電源及該第二電源可八 、燃料電池 '太陽能電池、、直二風:二:池、超電容 電機經整叙直流電源其巾之_：風料€歧流風力發 3.如申請專利範圍第】項所 ，該第-電源電路更包m入:源，器’其中 關舆該第-開關之間，且^_=介於該第_電源開 雷片人 °亥弟—電源電路更包括一第二. ^於該第二電源開關與該第二開關之間，該第一電 35/37 201203823 感及該第二電感分別濾除該第一電源及該第二電源之電 流漣波，並儲存該第一電源及該第二電源之能量。 4·如申睛專利範圍第1項所述之雙輸入電源轉換器，其中 ，该第一電源電路更包括一第一電容並聯於該第一電源 且該第二電源電路更包括一第二電容並聯於該第二電源 ，該第一電容感及該第二電容分別濾除該第一電源及該 第二電源之電壓漣波，並儲存該第一電源及該第二電源 之能量。 5.如申睛專利範圍第丨項所述之雙輸入電源轉換器，其中 ’該閉迴路控制器包括： 一控制電路，將該迴授訊號與該命令訊號作準位比較 ，並根據比較結果輸出一控制訊號；及 一驅動電路，根據該控制訊號輸出複數驅動訊號至該 第一開關、該第二開關及該輔助開關，且該驅動 電路輸出複數切換訊號至該第一電源開關及該第 二電源開關。 6·如申請專利範圍第5項所述之雙輸入電源轉換器，其中 ，邊迴授訊號取自該第一電源電路、該第二電源電路或 该輸出電路，該命令訊號為與該迴授訊號相對應的一額 定電流或一額定電壓。 7. 如申請專利範圍第5項所述之雙輸入電源轉換器，其中 ，該些驅動訊號包括一第一開關驅動訊號、一第二開關 驅動訊號及一輔助開關驅動訊號，該輔助開關驅動訊號 為該第一開關驅動訊號之互補訊號與該第二開關驅動訊 號之互補訊號兩者之加總。 8. 如申請專利範圍第7項所述之雙輸入電源轉換器，其中 36/37 201203823 ，當該控制訊號越大，該第一開關驅動訊號及該第二開 關驅動訊號之責任週㈣大，而該伽開關驅動訊號之 貝任週期則越小’當該控制訊號越小，該第一開關驅動 訊號及該帛二關,1_職之責任職越小，而該輔助 開關驅動訊號之責任週期則越大。 9.如申料利範圍第5項所述之雙輸人電源轉換器，其中 ’該些切換訊號包括-第—電源開關切換訊號及一第二

   Ϊ源開_換訊號，分則以控制該第-電源開關及該 第一電源開關之切換。 !〇·如=專利範圍第i項所述之雙輸人電源轉換器，其中 肋：：弟-輔助二極體建立起逆偏電壓時，於流 電流續流期間，該第二輔助二極體提 、車乂低¥通4貝失之路徑，读讲姑哲_ 該辅助電感電流至該輔助電容^ —極版釋放 的寄生二極體之電流 ^少流經關助開關

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