TW201404022A - 雙向直流／直流轉換器之控制方法 - Google Patents

雙向直流／直流轉換器之控制方法 Download PDF

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Abstract

一種雙向直流/直流轉換器之控制方法包含：該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該低壓側具有數個低壓側開關、一箝位開關及一箝位電容，而該高壓側具有數個高壓側開關；將該直流/直流轉換器操作於升壓模式時，該箝位開關於該低壓側開關全部導通前導通一切換責任週期，並使該箝位開關之切換責任週期小於該低壓側開關之截止時間，以減少該低壓側開關及該箝位開關之導通損失；或，將該直流/直流轉換器操作於降壓模式時；將操作該低壓側開關之責任週期延長至該高壓側開關之截止時間區間內，如此使該低壓側開關因此減少導通損失。

Description

雙向直流/直流轉換器之控制方法
本發明係關於一種雙向直流/直流轉換器之控制方法；特別是關於一種提升電能轉換效率之雙向直流/直流轉換器之控制方法。
習用雙向直流/直流轉換器，例如：美國專利公開第20090059622號之〝雙向直流/直流轉換器及其控制方法〞專利申請案，其揭示一種雙向直流/直流轉換器具有一變壓器連接於一電壓型全橋電路〔voltage type full bridge circuit〕及一電流型切換電路〔current type switching circuit〕。該電壓型全橋電路連接於一第一電源，而該電流型切換電路連接於一第二電源。一電壓箝制電路〔voltage clamping circuit〕由數個切換元件〔switching elements〕組成，且一箝制電容器〔clamping capacitor〕連接於該電流型切換電路。該雙向直流/直流轉換器具有一控制電路用以協調該切換元件動作，以便控制一流通電流於一諧振電抗器〔resonance reactor〕內。
另一習用雙向直流/直流轉換器，例如：美國專利公開第20120098341號之〝雙向直流/直流轉換器及其控制方法〞專利申請案，其揭示一種雙向直流/直流轉換器包含一變壓器、數個切換電路〔switching circuit〕、一二極體連接一開關、數個平滑化電容器及一控制單元。一第一電源及一第二電源並聯於該平滑化電容器，以便雙向傳送電力。當自該第一電源傳送至該高壓電源時，該開關維持在ON狀態。反之，當自該第二電源傳送至該第一電源時，該開關維持在OFF狀態，以防止該第一電源之逆向電力〔reverse electrical power flow〕。
然而，前述美國專利公開第20090059622號及第20120098341號之雙向直流/直流轉換器仍需要進一步改良，且 其必然存在進一步提升電能轉換效率的需求。前述美國專利及專利申請案僅為本發明技術背景之參考及說明目前技術發展狀態而已，其並非用以限制本發明之範圍。
有鑑於此，本發明為了滿足上述需求，其提供一種雙向直流/直流轉換器之控制方法，其將一直流/直流轉換器之升壓模式〔boost mode〕或降壓模式〔buck mode〕進行適當調整操作，以達成提升電能轉換效率及降低製造成本之目的。
本發明較佳實施例之主要目的係提供一種雙向直流/直流轉換器之控制方法，該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該直流/直流轉換器操作於升壓模式時，將低壓側之一箝位開關之切換責任週期縮小，且可將一箝位電容之電容值減少，以達成提升電能轉換效率及降低製造成本之目的。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之雙向直流/直流轉換器之控制方法包含：將一直流/直流轉換器操作於升壓模式，且該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該低壓側具有數個低壓側開關、一箝位開關及一箝位電容；將該箝位開關操作於一切換責任週期；其中該箝位開關之切換責任週期小於該低壓側開關之截止時間，以縮短該箝位電容之充放電時間，可減少該箝位電容之電容值及電流。
本發明另一較佳實施例之另一目的係提供一種雙向直流/直流轉換器之控制方法，其將一直流/直流轉換器操作於降壓模式時，且該直流/直流轉換器具有數個高壓側開關，將數個低壓側開關之責任週期延長至該高壓側開關之截止時間區間內，以減少該低壓側開關之導通損失，以達成提升電能轉換效 率之目的。
為了達成上述目的，本發明另一較佳實施例之雙向直流/直流轉換器之控制方法包含：將一直流/直流轉換器操作於降壓模式，且該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該低壓側具有數個低壓側開關，該高壓側具有數個高壓側開關；將操作該低壓側開關之責任週期延長至該高壓側開關之截止時間區間內；如此該低壓側開關可減少導通損失。
本發明另一較佳實施例之另一目的係提供一種雙向直流/直流轉換器之控制方法，其將一直流/直流轉換器操作於升壓模式時，將一箝位開關於全部低壓側開關導通前導通一切換責任週期，並使該箝位開關之切換責任週期小於該低壓側開關之截止時間，將該箝位開關之切換責任週期縮小，且可將一箝位電容之電容值減少，以達成提升電能轉換效率及降低製造成本之目的；將該直流/直流轉換器操作於降壓模式時，將該低壓側開關之責任週期延長至數個高壓側開關之截止時間區間內，以減少該低壓側開關之導通損失，以達成提升電能轉換效率之目的。
為了達成上述目的，本發明另一較佳實施例之雙向直流/直流轉換器之控制方法包含：將一直流/直流轉換器操作於升壓模式，且該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該低壓側具有數個低壓側開關、一箝位開關及一箝位電容，而該高壓側具有數個高壓側開關；將該箝位開關操作於一切換責任週期；該箝位開關於該低壓側開關全部導通前導通一切換責任週期，並使該箝位開關之 切換責任週期小於該低壓側開關之截止時間，以縮短該箝位電容之充放電時間，可減少該箝位電容之電容值及電流；或，將該直流/直流轉換器操作於降壓模式；將數個低壓側開關之責任週期延長至該高壓側開關之截止時間區間內，以減少該低壓側開關之導通損失。
本發明較佳實施例之該低壓側開關選自一低耐壓開關。
本發明較佳實施例之該高壓側開關選自一高耐壓開關。
本發明較佳實施例之該箝位電容選擇採用一小電容值電容。
本發明較佳實施例之該低壓側開關之責任週期包括該高壓側開關之截止時間區間之一部分。
為了充分瞭解本發明，於下文將舉例較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。
本發明較佳實施例採用雙向直流/直流轉換器之控制方法適用於各種雙向直流/直流轉換器，例如：電流饋入式升壓型轉換器，但其並非用以限制本發明。
第1圖揭示本發明較佳實施例採用雙向直流/直流轉換器之示意圖。請參照第1圖所示，本發明之雙向直流/直流轉換器1包含一變壓器，且該變壓器具有一低壓側〔左側〕及一高壓側〔右側〕。該低壓側具有一電感Lin、數個低壓側開關〔S1、S2、S3、S4〕、數個與低壓側開關反向並聯之二極體、一箝位開關Sc及一箝位電容Cc，且該箝位開關Sc及箝位電容Cc組成一箝位電路10，該低壓側開關S1、S2、S3、S4形成一全橋式轉換器。相對的，該高壓側具有數個高壓側開關〔G1、G2〕、數個與高壓側開關反向並聯之二極體及數個電容C0、C1、C2，該高壓側開關G1、G2與該電容C1、C2組 成一半橋式轉換器。
第2圖揭示第1圖之雙向直流/直流轉換器在升壓模式中尚未執行本發明控制方法前之開關驅動信號、箝位開關驅動信號及箝位開關電流之波形示意圖。請參照第1及2圖所示，將該直流/直流轉換器1操作在升壓模式時，該低壓側開關S1、S4之驅動信號為相同信號，且該低壓側開關S2、S3之驅動信號為相同信號。當該低壓側開關S1、S2、S3、S4之其中兩個開關〔S1、S4〕或〔S2、S3〕截止時，該箝位開關Sc導通，如第2圖之第一至三波形所示。當該低壓側開關S1、S2、S3、S4之其中兩個開關〔S1、S4〕或〔S2、S3〕截止瞬間時，該箝位開關Sc導通，該箝位電容Cc經該箝位開關Sc之反向並聯二極體與該低壓側開關S1、S2、S3、S4組成之全橋式轉換器並聯，用以作為該低壓側開關S1、S2、S3、S4之電壓箝制，以避免該低壓側開關S1、S2、S3、S4截止時產生過電壓。此時，該箝位電容Cc進行儲能，而儲存在箝位電容Cc之能量可經由該箝位開關Sc對變壓器漏感〔leakage〕釋能，以使該低壓側開關S1、S2、S3、S4於導通時能達成零電壓切換。但當該箝位開關Sc之責任週期過大時，造成該箝位開關Sc之電流I(Sc)較大，使該低壓側開關S1、S2、S3、S4及該箝位開關Sc產生較多之導通損失，如第2圖之第四波形所示。因此，為了減少導通損失，該箝位開關Sc之切換責任週期必須縮小。
第3圖揭示本發明第一較佳實施例之雙向直流/直流轉換器之控制方法在升壓模式中採用之開關驅動信號、箝位開關驅動信號及箝位開關電流之波形示意圖，其對應於第2圖。由於該低壓側開關S1、S2、S3、S4之其中兩個開關〔S1、S4〕或〔S2、S3〕截止瞬間，該箝位電容Cc是經該箝位開關Sc之反向並聯二極體作電壓箝位，該箝位開關Sc可不導通，而為了使該箝位電容Cc釋能及使該低壓側開關S1、S2、S3、S4於導通時能達成零電壓切換，該箝位開關Sc必須於該低壓側 開關S1、S2、S3、S4全部導通前導通，因此可縮小該箝位開關Sc之切換責任週期，請參照第1及3圖所示，本發明第一較佳實施例將該箝位開關Sc之切換責任週期進行縮小〔如第3圖之箭頭所示〕，該箝位開關Sc只在該低壓側開關S1、S2、S3、S4全部導通前導通，本發明低壓較佳實施例採用該箝位開關Sc之切換責任週期小於該低壓側開關S1、S2、S3、S4之其中兩開關〔S1、S4〕或〔S2、S3〕同時截止之時間，如第3圖之第一至三波形所示。如此，該箝位開關Sc之導通電流I(Sc)較小，使該低壓側開關S1、S2、S3、S4及該箝位開關Sc產生之導通損失可適當減少，如第3圖之第四波形所示
請再參照第1及3圖所示，由於該箝位開關Sc之切換責任週期減少，且該箝位電容Cc之充電及放電時間縮短，該箝位電容Cc之充電及放電電流減小，因此減少該低壓側開關S1、S2、S3、S4及該箝位開關Sc之導通損失。如此，本發明第一較佳實施例之該直流/直流轉換器1之箝位電容Cc亦可採用一較小電容值之箝位電容。
第4圖揭示第1圖之雙向直流/直流轉換器在降壓模式中尚未執行本發明控制方法前之開關驅動信號及低壓側開關電壓之波形示意圖。請參照第1及4圖所示，將該直流/直流轉換器1操作在降壓模式時，該高壓側開關G1、G2之責任週期小於0.5，且該高壓側之該高壓側開關G1、G2輪流導通，該低壓側開關S1、S2、S3、S4全部截止時，電流可流經該低壓側開關S1、S2、S3、S4之反向並聯二極體。然而，由於該低壓側開關S1、S2、S3、S4之反向並聯二極體之導通壓降大於低壓側開關S1、S2、S3、S4之導通壓降，如此便造成該低壓側電路較大之導通損失。為了降低該低壓側電路之導通損失，可採用同步整流技術。由於該低壓側開關S1、S2、S3、S4導通壓降小於其反向並聯二極體之導通壓降，因此利用該低壓側開關S1、S2、S3、S4之導通，使電流流經該低壓側開關S1、S2、 S3、S4而不流經其反向並聯二極體，便可降低該低壓側電路之導通損失。請參照第1及4圖所示，利用同步整流技術，當該高壓側開關G1導通時，該低壓側開關S1、S4必須同步導通進行整流，如第4圖之第一及三波形所示。當該高壓側開關G2導通時，該低壓側開關S2、S3必須同步導通進行整流，如第4圖之第二及四波形所示。但採用同步整流技術時，當該高壓側開關G1、G2皆截止時，該低壓側開關S1、S2、S3、S4亦截止，此為飛輪模式〔fly-wheel mode〕。在飛輪模式下該低壓側開關S1、S2、S3、S4之反向並聯二極體同時導通〔如第4圖之箭頭所示〕，此時仍會產生比低壓開關導通較大之電壓降，如第4圖之第五及六波形所示。此時，在低壓側將產生較大之導通損失。
第5圖揭示本發明第二較佳實施例之雙向直流/直流轉換器之控制方法在降壓模式中採用之開關驅動信號及低壓側開關電壓之波形示意圖，其對應於第4圖。請參照第1及5圖所示，本發明第二較佳實施例中該高壓側開關G1、G2之責任週期小於0.5，該高壓側開關G1、G2輪流導通。位於該低壓側之該低壓側開關S1、S2、S3、S4之驅動信號與該高壓側開關G1、G2之驅動信號關係需存在提前及/或延遲一預定時間△t，即其導通區間存在提前及/或延遲一預定時間，以避免當該高壓側開關G1、G2導通時，該低壓側的全部低壓側開關S1、S2、S3、S4導通而造成短路。
當該高壓側開關G1截止時，該低壓側開關S2、S3經延遲該預定時間△t後才導通，於延遲之該預定時間△t內低壓側之電流將流經該低壓側開關S2與S3之反向並聯二極體〔如第5圖之箭頭所示〕，經延遲該預定時間△t後低壓側之電流便流經該低壓側開關S2、S3，如第5圖之第一、四及六波形所示。
反之，當該高壓側開關G1導通時，該低壓側開關S2、S3 須提前該預定時間△t截止，於提前之該預定時間△t內該低壓側之電流流經該低壓側開關S2與S3之反向並聯二極體〔如第5圖之箭頭所示〕，經提前之該預定時間△t之前該低壓側之電流便流經該低壓側開關S2、S3，如第5圖之第一、四及六波形所示。
當該高壓側開關G2截止時，該低壓側開關S1、S4經延遲該預定時間△t後導通，於延遲之該預定時間△t內該低壓側之電流流經該低壓側開關S1與S4之反向並聯二極體〔如第5圖之箭頭所示〕，經延遲之該預定時間△t後該低壓側之電流便流經該低壓側開關S1、S4，如第5圖之第二、三及五波形所示。
反之，當該高壓側開關G2導通時，該低壓側開關S1、S4經提前該預定時間△t截止，於提前之該預定時間△t內該低壓側之電流流經該低壓側開關S1與S4之反向並聯二極體〔如第5圖之箭頭所示〕，經提前之該預定時間△t之前該低壓側之電流便流經該低壓側開關S1、S4，如第5圖之第二、三及五波形所示。
由於電流僅於延遲之該預定時間△t內流經反向並聯二極體，因此可降低該低壓側開關S1、S2、S3、S4之反向並聯二極體之導通損失，如第5圖之第五及六波形所示，在該高壓側開關G1或G2截止時，經延遲該預定時間△t後該低壓側開關〔S2、S3〕或〔S1、S4〕便導通，因此該低壓側之電流僅於延遲之該預定時間△t內流經該低壓側開關〔S2、S3〕或〔S1、S4〕之反向並聯二極體。
由於該低壓側電流僅於提前之該預定時間△t內流經反向並聯二極體，因此可降低該低壓側開關S1、S2、S3、S4之反向並聯二極體之導通損失，如第5圖之第五及六波形所示，在該高壓側開關G1或G2導通時，經提前之該預定時間△t前 該低壓側開關〔S2、S3〕或〔S1、S4〕截止，因此該低壓側之電流僅於提前之該預定時間△t內低壓側之電流流經該低壓側開關〔S2、S3〕或〔S1、S4〕之反向並聯二極體。
另外，本發明第三較佳實施例將該直流/直流轉換器1具有前述升壓模式及降壓模式之組合，如此其可選擇切換操作在第一較佳實施例之升壓模式或第二較佳實施例之降壓模式，於此併入參考前述說明，不予一一詳細贅述。
前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。
1‧‧‧雙向直流/直流轉換器
10‧‧‧箝位電路
第1圖：本發明較佳實施例採用雙向直流/直流轉換器之示意圖。
第2圖：第1圖之雙向直流/直流轉換器在升壓模式中尚未執行本發明控制方法前之開關驅動信號、箝位開關責任週期及箝位開關電流之波形示意圖。
第3圖：本發明第一較佳實施例之雙向直流/直流轉換器之控制方法在升壓模式中採用之驅動信號、箝位開關責任週期及箝位開關電流之波形示意圖。
第4圖：第1圖之雙向直流/直流轉換器在降壓模式中尚未執行本發明控制方法前之開關驅動信號及低壓側二極體電流之波形示意圖。
第5圖：本發明第二較佳實施例之雙向直流/直流轉換器之控制方法在降壓模式中採用高壓側、低壓側功率開關驅動信號及低壓側二極體電流之波形示意圖。
1‧‧‧雙向直流/直流轉換器
10‧‧‧箝位電路

Claims (16)

  1. 一種雙向直流/直流轉換器之控制方法，其包含：將一直流/直流轉換器操作於升壓模式，且該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該低壓側具有數個低壓側開關、一箝位開關及一箝位電容；及將該箝位開關於該低壓側開關全部導通前導通一切換責任週期，使該箝位開關之切換責任週期小於該低壓側開關之截止時間。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該箝位開關減小切換責任週期，使該箝位電容之充電及放電時間及電流減小，如此該箝位電容選擇採用一小電容值電容。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該低壓側開關選自一低耐壓開關。
  4. 一種雙向直流/直流轉換器之控制方法，其包含：將一直流/直流轉換器操作於降壓模式，且該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該低壓側具有數個低壓側開關，該高壓側具有數個高壓側開關；及操作該低壓側開關之責任週期延長至該高壓側開關之截止時間區間內；其中該低壓側開關減少導通損失。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之雙向直流/直流轉換器之方法，其中該低壓側開關之驅動信號與該高壓側開關之驅動信號關係需存在提前及/或延遲一預定時間，該低壓側開關之導通區間與該高壓側開關之導通區間存在提前及/或延遲該預定時間，以避免當該高壓側開關導通時，全部的該低壓側開關導通而造成短路。
  6. 依申請專利範圍第4項所述之雙向直流/直流轉換器之方法，其中兩個該低壓側開關之驅動信號為相同信號，且另兩個 該低壓側開關之驅動信號為相同信號。
  7. 依申請專利範圍第4項所述之雙向直流/直流轉換器之方法，其中該低壓側開關之責任週期包括該高壓側開關之截止時間區間之一部分。
  8. 依申請專利範圍第4項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該低壓側開關選自一低耐壓開關。
  9. 依申請專利範圍第4項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該高壓側開關選自一高耐壓開關。
  10. 一種雙向直流/直流轉換器之控制方法，其包含：將一直流/直流轉換器操作於升壓模式，且該直流/直流轉換器包含一低壓側及一高壓側，該低壓側具有數個低壓側開關、一箝位開關及一箝位電容，而該高壓側具有數個高壓側開關；將該箝位開關於該低壓側開關全部導通前導通一切換責任週期，使該箝位開關之切換責任週期小於該低壓側開關之截止時間；或，將該直流/直流轉換器操作於降壓模式；及將操作該低壓側開關之責任週期延長至該高壓側開關之截止時間區間內，如此該低壓側開關減少導通損失。
  11. 依申請專利範圍第10項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該箝位開關減小切換責任週期，使該箝位電容之充電及放電時間及電流減小，如此該箝位電容選擇採用一小電容值電容。
  12. 依申請專利範圍第10項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該低壓側開關之驅動信號與該高壓側開關之驅動信號關係需存在提前及/或延遲一預定時間，該低壓側開關之導通區間存在提前及/或延遲該預定時間，以避免當該高壓側開關導通時，全部的該低壓側開關導通而造成短路。
  13. 依申請專利範圍第10項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中兩個該低壓側開關之驅動信號為相同信號，且另兩個該低壓側開關之驅動信號為相同信號。
  14. 依申請專利範圍第10項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該低壓側開關之責任週期包括該高壓側開關之截止時間區間之一部分。
  15. 依申請專利範圍第10項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該低壓側開關選自一低耐壓開關。
  16. 依申請專利範圍第10項所述之雙向直流/直流轉換器之控制方法，其中該高壓側開關選自一高耐壓開關。
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