TW201325057A - 一種直流轉直流的電壓調節裝置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種直流轉直流的電壓調節裝置及其操作方法，該電壓調節裝置包含複數個主動式開關及電感器，且該操作方法包括：導通該第一主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第一主動式開關；導通該第三主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第三主動式開關；導通該第二主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第二主動式開關；以及導通該第四主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第四主動式開關。

Description

一種直流轉直流的電壓調節裝置及其操作方法
本發明係關於直流轉直流的電壓調節裝置，特別是一種控制該電壓調節裝置的主動式開關之操作方法。
直流轉直流之電源調節器可應用於太陽電池的光電模組，個別安裝於太陽電池模組背後，使得各電池模組可獨立產生100W至200W的電源，以致於太陽能發電系統較佳的安裝組合。目前太陽能發電系統之電壓轉換器電路架構大多以單級或是雙級轉換架構為主，其應用大多為家用市電併聯型的產品，因此上述轉換器輸入端的直流電壓範圍也較為寬廣。一般家用型的太陽能電源調節器之直流電壓多以高電壓為主，透過串並聯的方式將太陽電池模組排列組合，配合電源調節器之規格，倘若其中一組太陽電池模組損壞時，便會影響整體太陽電池系統之發電輸出，因此將太陽能直流轉交流轉換器設計與太陽電池模組整合，單一太陽光電池模組輸出低壓直流電，透過直流轉交流轉換器將低壓直流電轉換為交流電壓輸出與市電併聯，如此可提高系統之可靠度及運轉效率。
一般而言，太陽電池模組的直流轉交流轉換電路架構可分成：前級的直流轉直流電壓轉換器，採用高頻的切換模式；以及後級的直流轉交流電壓轉換器，採用低頻的切換模式。在直流轉直流電壓轉換器的部份，傳統轉換器之穩壓控制多半採脈波寬度調變技術(PWM)，其控制方法簡單且濾波器設計單純，但是採用PWM技術的控制法之響應速度慢，且難以在全負載範圍下皆達成柔切條件，因此特定負載段的轉換電路操作之效率較低。因此，有必要發展新的主動式開關切換模式及控制方法，以因應實際上對於直流轉直流的轉換性能需求。
有鑑於此，在本發明的一方面，一實施例提供一種直流轉直流的電壓調節裝置，其輸入電源具有一電壓V1，該電源調節裝置包括：一推挽式直流轉直流轉換單元，包含第一及第二主動式開關，用以將該輸入電源的電壓V1轉換為一電壓方波；一隔離變壓器，具有二初級側線圈及一次級側線圈，該等初級側線圈分別連接至該第一及第二主動式開關；一諧振單元，包含一電容器及第一及第二電感器，該第一電感器連接至該隔離變壓器的次級側線圈；第三及第四主動式開關，同時連接至該第二電感器的一端；第一及第二整流器，分別連接至該第三及第四主動式開關；以及一輸出級單元，包含由四被動式開關構成的全波整流器，具有複數個連接點，分別連接至該諧振單元、該隔離變壓器、及該第一及第二整流器，並提供該電壓調節裝置一電壓V2的輸出電源。此外，該第一及第二電感器的一端同時連接至該電容器的一端，該輸出級單元的該等被動式開關兩兩串接後並接而形成該等連接點，其包含二串接點及二並接點，該等串接點分別連接至該電容器及該次級側線圈的另一端，該等並接點分別連接至該第一及第二整流器的另一端，並藉由該等並接點而取出該電壓調節裝置的輸出電源。
在本發明的另一方面，另一實施例提供一種可應用於上述實施例之電壓調節裝置的操作方法，包括下列步驟：(A)導通該第一主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第一主動式開關；(B)導通該第三主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第三主動式開關；(C)導通該第二主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第二主動式開關；以及(D)導通該第四主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第四主動式開關。
為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明如後。為了說明上的便利和明確，圖式中各構成要素或信號的尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，並非為其實際的尺寸。
圖1為根據本發明之直流轉直流電壓調節裝置的電路結構圖，並作為本發明之電源調節裝置控制方法的實施對象。如圖1所示，該電源調節裝置100可將一輸入電壓V1的直流電源轉換為一輸出電壓V2的直流電源。該電源調節裝置100包括一直流轉直流轉換單元110、一隔離變壓器TR、一諧振單元120、複數個主動式開關Q3及Q4、複數個整流器D1及D2、及一輸出級單元130。以下將配合圖1來詳述各個組成單元的具體內容。
該隔離變壓器TR具有一組第一初級側線圈(primary winding)、一組第二初級側線圈及一組次級側線圈(secondary winding)，該等初級側線圈之間的匝數比為1：1，而該次級側線圈與該初級側線圈之間的匝數比為n：1，其中n大於或小於1；也就是該第一及第二初級側線圈與該組次級側線圈之間的匝數比為1：1：n，且該隔離變壓器TR的第一及第二初級側線圈之間具有一中央接線(center tap)。倘若該隔離變壓器TR作為升壓之用，則n大於1；倘若該隔離變壓器TR作為降壓之用，則n小於1。
該直流轉直流轉換單元110作為該電源調節裝置100的輸入級，其包含第一及第二主動式開關Q1及Q2。在本實施例中，各主動式開關元件皆為金氧半場效電晶體(MOSFET)。該電源調節裝置100的輸入電源V1之正電端連接至該隔離變壓器TR的中央接線，其負電端同時連接至該第一及第二主動式開關Q1及Q2的一端。該第一主動式開關Q1的另一端連接至該第一初級側線圈的負電端，且該第二主動式開關Q2的另一端連接至該第二初級側線圈的正電端。藉由該第一及第二主動式開關Q1及Q2推挽式(Push-pull)作用的切換控制，該直流轉直流轉換單元110可將該輸入電源的電壓V1轉換為一電壓方波，以利於該隔離變壓器TR的感應及耦合效應。
該諧振單元120為一串聯諧振電路，其包含一電容器Cr及第一及第二電感器Lr1及Lr2。該第一電感器Lr1及該第二電感器Lr2的一端同時連接至該電容器Cr的一端，以分別形成各一組的電感電容串聯諧振電路，其諧振頻率將用以控制本實施例的各主動式開關的導通(on)或截止(off)時間，此將詳述於後文的電路操作中。此外，該第一電感器Lr1連接至該隔離變壓器TR次級側線圈的其中一端點。
該第三及第四主動式開關Q3及Q4亦可為MOSFET電晶體。該第三及第四主動式開關Q3及Q4同時連接至該第二電感器Lr2的一端，可用以控制該隔離變壓器TR次級側的電流，此將詳述於後文的電路操作中。
該第一整流器D1連接至該第三主動式開關Q3，而該第二整流器D2連接至該第四主動式開關Q4。該第一及第二整流器D1及D2皆為箝位二極體，用以箝制該隔離變壓器TR次級側之電流方向，使得該等整流器D1及D2所在的電流不會發生逆流現象而造成本實施例電源調節裝置的誤動作；此將詳述於後文的電路操作中。
該輸出級單元130為一全波整流電路，其包含四被動式開關D3至D6，如圖1所示，其兩兩串接後再並接，而形成四個連接點；也就是該被動式開關D3及D4串接，該被動式開關D5及D6串接，各形成一串接點；該被動式開關D3及D4的串接組合再與該被動式開關D5及D6的串接組合並聯，而形成二並接點。也就是該四個連接點包含該二串接點及該二並接點，其分別連接至該諧振單元120、該隔離變壓器TR、及該第一及第二整流器D1及D2，並可提供該電壓調節裝置100該輸出電壓V2。詳言之，該等串接點分別連接至該電容器Cr的另一端及該隔離變壓器TR次級側線圈的另一端點，該等並接點分別連接至該第一及第二整流器D1及D2的另一端，並藉由該等並接點而可取出該電壓調節裝置100的輸出電壓V2。
在本實施例中，可藉由對上述各主動式開關適當的切換控制方法，達成高頻切換模式的直流轉直流電壓轉換功能，並採用變頻操作模式，其中最大的操作頻率為200kHz。藉由適當的主動式開關之切換頻率及隔離變壓器的線圈匝數比，可將直流輸入電壓V1提升至直流輸出電壓V2；但不以此為限，亦可以為V1至V2的降壓，且本發明並不對升降壓的範圍加以限制。本實施例的電壓調節裝置可應用於太陽電池模組之前級的高頻切換模式直流轉直流電壓轉換器；但本發明並不限制於此應用。
關於上述實施例的電壓調節裝置之操作，以下為針對各主動式開關Q1至Q4進行開關切換的操作方法200，其流程圖如圖2所示。請同時參照圖1及2，該操作方法200包括下列步驟：
步驟210，導通該第一主動式開關Q1，並在該第一電感器Lr1所流過的電流為零時，截止該第一主動式開關Q1；
步驟220，導通該第三主動式開關Q3，並在該第二電感器Lr2所流過的電流為零時，截止該第三主動式開關Q3；
步驟230，導通該第二主動式開關Q2，並在該第一電感器Lr1所流過的電流為零時，截止該第二主動式開關Q2；以及
步驟240，導通該第四主動式開關Q4，並在該第二電感器Lr2所流過的電流為零時，截止該第四主動式開關Q4。
圖3為本實施例操作方法200對應的各主動式開關Q1至Q4的切換控制信號及各電感器Lr1及Lr2所流過的電流信號圖。為了便於了解該電源調節裝置100的操作，可先將該等主動式開關Q1至Q4截止，再依步驟210至240的順序進行各主動式開關Q1至Q4的切換控制。以下各步驟的說明請同時參照圖3。
在步驟210中，全部的該等主動式開關Q1至Q4之中，只有該第一主動式開關Q1被導通，此時電流在該電源調節裝置100之電路中的流動路徑可如圖4A所示。因為該第一主動式開關Q1的導通，初級側電流I1可由該隔離變壓器TR的第一初級側正電端流入該隔離變壓器TR，藉由變壓器的感應及耦合效應，可在該隔離變壓器TR的次級側產生次級側電流I2，其電流路徑為由該次級側線圈流經該第一電感器Lr1、該電容器Cr及該被動式開關D3，而使該電壓調節裝置100可形成該輸出電源V2，且該電容器Cr因為該次級側電流I2的充電而儲存能量。該次級側電流I2將會如圖3的電感器Lr1所流過電流所示，弦波式的先升後降；當該次級側電流Io的為零時，可使該第一主動式開關Q1被截止，以進行下一步驟的主動式開關切換。
在步驟220中，全部的該等主動式開關Q1至Q4之中，只有該第三主動式開關Q3被導通，此時電流在該電源調節裝置100之電路中的流動路徑可如圖4B所示。因為該第三主動式開關Q3的導通，儲存於該電容器Cr的能量將釋出為次級側電流I2，而流經該第二電感器Lr2、該第三主動式開關Q3及該第一整流器D1，而使該電壓調節裝置100可形成該輸出電源V2。該次級側電流I2將會如圖3的電感器Lr2所流過電流的反相，弦波式的先升後降；當該次級側電流Io的為零時，可使該第三主動式開關Q3被截止，以進行下一步驟的主動式開關切換。
在步驟230中，全部的該等主動式開關Q1至Q4之中，只有該第二主動式開關Q2被導通，此時電流在該電源調節裝置100之電路中的流動路徑可如圖4C所示。因為該第二主動式開關Q2的導通，初級側電流I1可由該隔離變壓器TR的第二初級側負電端流入該隔離變壓器TR，藉由變壓器的感應及耦合效應，可在該隔離變壓器TR的次級側產生次級側電流I2，其電流路徑為由該被動式開關D4流經該電容器Cr、該第一電感器Lr1、該次級側線圈及該被動式開關D5，而使該電壓調節裝置100可形成該輸出電源V2，且該電容器Cr再次因為該次級側電流I2的充電而儲存能量。該次級側電流I2將會如圖3的電感器Lr1所流過電流的反相，弦波式的先升後降；當該次級側電流Io的為零時，可使該第二主動式開關Q2被截止，以進行下一步驟的主動式開關切換。
在步驟240中，全部的該等主動式開關Q1至Q4之中，只有該第四主動式開關Q4被導通，此時電流在該電源調節裝置100之電路中的流動路徑可如圖4D所示。因為該第四主動式開關Q4的導通，儲存於該電容器Cr的能量將釋出為次級側電流I2，而由該第二整流器D2流經該第四主動式開關Q4、該第二電感器Lr2及該被動式開關D3，而使該電壓調節裝置100可形成該輸出電源V2。該次級側電流I2將會如圖3的電感器Lr2所流過電流所示，弦波式的先升後降；當該次級側電流Io的為零時，可使該第四主動式開關Q4被截止，以進行下一循環的主動式開關切換。
總結以上對於本實施例操作方法200各步驟的說明，透過如圖3的切換控制信號分別對各主動式開關Q1至Q4進行控制，各主動式開關的導通時間將會根據該諧振單元之諧振頻率。當諧振單元的諧振電流為零時，將初級側的主動式開關截止，並控制次級側主動式開關的導通時間，如此便可降低主動式開關在截止時所產生之切換損失。此外，由於該諧振單元設置於電壓較高的次級側，將可使諧振電容與諧振電感在導通時所產生的損失降低，因而提高此類電壓轉換裝置的轉換效率。
每一次主動式開關進行切換時，必然會產生能量損失，例如切換損失及導通損失。在上述的實施例中，該電壓調節裝置100對各主動式開關的切換操作，每次只進行一個主動式開關的切換與導通，相較於習知的全橋式架構的直流轉直流電壓轉換器，其必須一次進行至少二個主動式開關的切換；因此，本實施例可具有低損失的優勢。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
100．．．電源調節裝置
110．．．直流轉直流轉換單元
Q1/Q2．．．主動式開關
120．．．諧振單元
Lr1．．．第一電感器
Lr2．．．第二電感器
Cr．．．電容器
130．．．輸出級單元
D3/D4/D5/D6．．．被動式開關
TR．．．隔離變壓器
Q3/Q4．．．主動式開關
D1/D2．．．整流器
V1．．．輸入電源
V2．．．輸出電源
I1．．．初級側電流
I2．．．次級側電流
200．．．操作方法
210/220/230/240．．．步驟
圖1為根據本發明之直流轉直流電壓調節裝置的電路結構圖，並作為本發明之電源調節裝置控制方法的實施對象。
圖2為根據本發明實施例對電壓調節裝置之主動式開關的切換操作流程圖。
圖3為本實施例各主動式開關的切換控制信號及各電感器流過的電流信號圖。
圖4A為本實施例電源調節裝置在步驟210的電流路徑示意圖。
圖4B為本實施例電源調節裝置在步驟220的電流路徑示意圖。
圖4C為本實施例電源調節裝置在步驟230的電流路徑示意圖。
圖4D為本實施例電源調節裝置在步驟240的電流路徑示意圖。
100．．．電源調節裝置
110．．．直流轉直流轉換單元
Q1/Q2．．．主動式開關
120．．．諧振單元
Lr1．．．第一電感器
Lr2．．．第二電感器
Cr．．．電容器
130．．．輸出級單元
D3/D4/D5/D6．．．被動式開關
TR．．．隔離變壓器
Q3/Q4．．．主動式開關
D1/D2．．．整流器
V1．．．輸入電源
V2．．．輸出電源

Claims (10)

  1. 一種直流轉直流的電壓調節裝置，其輸入電源具有一電壓V1，該電源調節裝置包括：一推挽式(Push-pull)直流轉直流轉換單元，包含第一及第二主動式開關，用以將該輸入電源的電壓V1轉換為一電壓方波；一隔離變壓器，具有二初級側線圈及一次級側線圈，該等初級側線圈分別連接至該第一及第二主動式開關；一諧振單元，包含一電容器及第一及第二電感器，該第一電感器連接至該隔離變壓器的次級側線圈；第三及第四主動式開關，同時連接至該第二電感器的一端；第一及第二整流器，分別連接至該第三及第四主動式開關；以及一輸出級單元，包含由四被動式開關構成的全波整流器，具有複數個連接點，分別連接至該諧振單元、該隔離變壓器、及該第一及第二整流器，並提供該電壓調節裝置一電壓V2的輸出電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，其中該隔離變壓器的該等初級側線圈之間的匝數比值為1，該次級側線圈與該初級側線圈之間的匝數比值大於1。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，其中該第一及第二電感器的一端同時連接至該電容器的一端，該輸出級單元的該等被動式開關兩兩串接後並接而形成該等連接點，其包含二串接點及二並接點，該等串接點分別連接至該電容器及該次級側線圈的另一端，該等並接點分別連接至該第一及第二整流器的另一端，並藉由該等並接點而取出該電壓調節裝置的輸出電源。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置，其中該第一及第二整流器分別包含第一及第二箝位二極體。
  5. 一種如申請專利範圍第1項所述之電壓調節裝置的操作方法，包括下列步驟：(A)導通該第一主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第一主動式開關；(B)導通該第三主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第三主動式開關；(C)導通該第二主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第二主動式開關；以及(D)導通該第四主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第四主動式開關。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之操作方法，其進行步驟依序為步驟(A)、(B)、(C)、及(D)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之操作方法，其中在啟動步驟(A)之前，先截止該等主動式開關。
  8. 一種如申請專利範圍第3項所述之電壓調節裝置的操作方法，包括下列步驟：(A)導通該第一主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第一主動式開關；(B)導通該第三主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第三主動式開關；(C)導通該第二主動式開關，並在該第一電感器所流過的電流為零時，截止該第二主動式開關；以及(D)導通該第四主動式開關，並在該第二電感器所流過的電流為零時，截止該第四主動式開關。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之操作方法，其進行步驟依序為步驟(A)、(B)、(C)、及(D)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之操作方法，其中在啟動步驟(A)之前，先截止該等主動式開關。
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