TWI489754B - 可逆型多輸入交錯式直流／直流轉換器 - Google Patents

Description

可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器

本發明有關於一種直流/直流轉換器，且特別是一種關於直流/直流轉換器的可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器。

因綠色能源(例如燃料電池、太陽能電池等)具有直流低電壓之發電特性，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能源。一般而言，綠色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綠色能源不可或缺之電力裝置。一般燃料電池的電壓易受負載所需之影響且因暫態響應緩慢，無法瞬間輸出大功率，因此，輔助儲能設施(例如蓄電池、超級電容器等)為不可或缺之元件。通常，一組供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能源，但此作法易造成成本增加且控制相對複雜發展。

昇壓式電源轉換器之應用以傳統單電感式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，以及輸出二極體存在反向恢復電流問題，當功率半導體開關導通之暫態期間，二極體必須以瞬間大電流以建立逆偏電壓，此電流流經功率半導體開關，可能會引起切換損失與具有較低的轉換效率。

本發明實施例提供一種可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換 器，其具分相式開關切換機制之高效率，且經並接提供可逆型多輸入的特徵。透過同時控制多輸入電源及確保雙向能量傳遞功能，可達成降低輸入電流漣波及提高電力轉換效率之功效。

本發明實施例提供一種可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，用以透過直流匯流排提供電力至負載。可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器包括至少一第一交錯式昇壓電路、至少一第二交錯式昇壓電路與控制電路。第一交錯式昇壓電路具有第一電源端與第一輸出端，第一電源端接收第一電源，第一輸出端耦接直流匯流排。第一交錯式昇壓電路包括耦接第一輸入端的第一電感、耦接於第一電感與接地端之間的第一開關、耦接於第一電感與第一輸出端之間的第二開關、耦接第一輸入端的第二電感、耦接於第二電感與接地端之間的第三開關、耦接於第二電感與第一輸出端之間的第四開關。第二交錯式昇壓電路具有第二電源端與第二輸出端，第二電源端接收第二電源，第二輸出端耦接直流匯流排。第二交錯式昇壓電路包括耦接第二輸入端的第三電感、耦接於第三電感與接地端之間的第五開關、耦接於第三電感與第二輸出端之間的第六開關、耦接第二輸入端的第四電感、耦接於第四電感與接地端之間的第七開關、耦接於第四電感與第二輸出端之間的第八開關。控制電路耦接第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、第五開關、第六開關、第七開關與第八開關之控制端，並驅動第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、第五開關、第六開關、第七開關與第八開關的導通與截止。第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、第五開關、第六開關、第七開關與第八開關操作在零電壓導通模式(Zero Voltage Switching，ZVS)。第一電感、第二電感、第三電感與第四電感操作在同步導通模式(Synchronous Conduction Mode，SCM)。

綜上所述，本發明實施例提供一種可逆型多輸入交錯式電源轉換器，其可操作於單輸入、多輸入或雙輸入電源及雙向昇降壓， 開關操作於零電壓導通模式，二極體以功率開關取代之，以對稱架構有效減少輸入電流漣波。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1‧‧‧可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器

101‧‧‧高壓直流匯流排

11‧‧‧第一交錯式昇壓電路

12‧‧‧第二交錯式昇壓電路

13‧‧‧控制電路

11a‧‧‧第一電源端

V₁ ‧‧‧第一電源

11b‧‧‧第一輸出端

12a‧‧‧第二電源端

V₂ ‧‧‧第二電源

12b‧‧‧第二輸出端

L_a ‧‧‧第一電感

L_b ‧‧‧第二電感

L_c ‧‧‧第三電感

L_d ‧‧‧第四電感

S_ad ‧‧‧第一開關

S_au ‧‧‧第二開關

S_bd ‧‧‧第三開關

S_bu ‧‧‧第四開關

S_cd ‧‧‧第五開關

S_cu ‧‧‧第六開關

S_dd ‧‧‧第七開關

S_du ‧‧‧第八開關

T_ad 、T_au 、T_bd 、T_bu 、T_cd 、T_cu 、T_dd 、T_du 、T_p1 、T_p2 ‧‧‧驅動訊號

S_p1 ‧‧‧第一電源開關

S_p2 ‧‧‧第二電源開關

Vo‧‧‧輸出電壓

Ro‧‧‧負載

C₁ 、C₂ 、Co‧‧‧電容

GND‧‧‧接地端

I₁ 、I₂ 、i_La 、i_Lb 、i_Lc 、i_Ld 、i_Sad 、i_Sau 、i_Sbd 、i_Sbu 、i_Scd 、i_Scu 、i_Sdd 、i_Sdu ‧‧‧電流

V_Sad 、V_Sau 、V_Sbd 、V_Sbu 、V_Scd 、V_Scu 、V_Sdd 、V_Sdu ‧‧‧電壓

t₀ 、t₁ 、t₂ 、t₃ 、t₄ 、t₅ 、t₆ 、t₇ 、t₈ 、t₉ 、t₁₀ 、t₁₁ 、t₁₂ 、t₁₃ 、t₁₄ 、t₁₅ 、t₁₆ 、t₁₇ ‧‧‧時間

T_S ‧‧‧切換週期時間

d₁ 、d₂ 、d₃ 、d₄ 、d_d ‧‧‧責任週期

圖1為本發明實施例提供的可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器的電路圖。

圖2為本發明實施例提供的單輸入電源獨立供電狀態之電壓電流時序波形圖。

圖3為本發明實施例提供的雙輸入電源聯合供電狀態之電壓電流時序波形圖。

圖4為本發明實施例提供的高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態之電壓電流時序波形圖。

圖5為本發明實施例提供的可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器的效率圖。

圖6為本發明實施例提供的可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器與傳統昇壓轉換器的輸入電流的示意圖。

〔可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器之實施例〕

請參照圖1，本發明的可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器之所有電感操作在同步導通模式(Synchronous Conduction Mode，SCM)模式下，其架構如圖1所示，本電路架構之優點為電路中所有開關均操作於零電壓導通(Zero Voltage Switching，ZVS)模式，可達成柔性切換之特性並降低其切換損失。當應用於輸入電源為低電壓高電流之可逆式固態氧化物燃料電池與蓄電池時，所述轉 換器以分相式電路架構可減小導通損失，以進一步提升效率。值得一提的是，圖1的電路以雙輸入轉換器為例子，用以幫助說明，但本發明並不因此限定。本實施例的雙輸入轉換器的例子可以擴充到三輸入、四輸入或多輸入的轉換器。另外，做為單一輸入電源的交錯式直流/直流轉換器時，控制電路13控制第一交錯式昇壓電路11輸出電力至直流匯流排101，此時單一輸入電源的交錯式直流/直流轉換器亦提供電壓柔性切換及電感同步導通，藉此達到高轉換效率。電感的同步導通模式是，當電感的電流在放電時，電流遞減至零以下並持續放電的情況。

復參照圖1，可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器1，用以透過高電壓位準的直流匯流排101提供電力至負載R_o 。可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器1包括至少一第一交錯式昇壓電路11、至少一第二交錯式昇壓電路12與控制電路13。第一交錯式昇壓電路11具有第一電源端11a與第一輸出端11b，第一電源端11a接收第一電源V₁ ，第一輸出端11b耦接直流匯流排101。第一交錯式昇壓電路11包括耦接第一電源端11a的第一電感L_a 、耦接於第一電感L_a 與接地端GND之間的第一開關S_ad 、耦接於第一電感L_a 與第一輸出端11b之間的第二開關S_au 、耦接第一電源端11a的第二電感L_b 、耦接於第二電感L_b 與接地端GND之間的第三開關S_bd 、耦接於第二電感L_b 與第一輸出端11b之間的第四開關S_bu 。

第二交錯式昇壓電路12具有第二電源端12a與第二輸出端12b，第二電源端12a接收第二電源V₂ ，第二輸出端12b耦接直流匯流排101。第二交錯式昇壓電路12包括耦接第二電源端12a的第三電感L_c 、耦接於第三電感L_c 與接地端GND之間的第五開關S_cd 、耦接於第三電感L_c 與第二輸出端12b之間的第六開關S_cu 、耦接第二電源端12a的第四電感L_d 、耦接於第四電感L_d 與接地端GND之間的第七開關S_dd 、耦接於第四電感L_d 與第二輸出端12b之間的第八開關S_du 。

控制電路13耦接第一開關S_ad 、第二開關S_au 、第三開關S_bd 、第四開關S_bu 、第五開關S_cd 、第六開關S_cu 、第七開關S_dd 與第八開關S_du 之控制端(分別對應驅動訊號T_ad 、T_au 、T_bd 、T_bu 、T_cd 、T_cu 、T_dd 、T_du )，並驅動上述開關的導通與截止。上述開關操作在零電壓導通模式。第一電感L_a 、第二電感L_b 、第三電感L_c 與第四電感L_d 操作在同步導通模式。

可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器1透過將上述電感操作在同步導通模式下，將儲存在電感之能量透過開關切換傳送到負載Ro，並利用電感同步導通時負電流特性，達成開關電壓柔性切換以及電路昇壓之目的。直流匯流排101的輸出電路由輸出電容Co及輸出負載Ro所構成，其中輸出電容Co上電壓為高電壓位準之直流匯流排101電壓Vo。第一電源開關S_p1 及第二電源開關S_p2 可使第一電源V₁ 或第二電源V₂ 連接或切離。

本發明實施例的可逆型雙輸入交錯式直流/直流轉換器可以操作在四種狀態，(一)單輸入電源獨立供電狀態，即控制電路13控制第一交錯式昇壓電路11或第二交錯式昇壓電路12獨立供電至直流匯流排101。(二)雙輸入電源聯合供電狀態，即當第一交錯式昇壓電路11與第二交錯式昇壓電路12皆輸出功率時，控制電路13控制第一交錯式昇壓電路11與第二交錯式昇壓電路12供電至直流匯流排101。(三)高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態，即直流匯流排101對第一交錯式昇壓電路11耦接的第一電源V₁ 與第二交錯式昇壓電路12耦接的第二電源V₂ 的至少其中之一充電。(四)雙電源逆向儲能狀態，即第一交錯式昇壓電路11對第二交錯式昇壓電路12耦接的第二電源V₂ 充電，或第二交錯式昇壓電路12對第一交錯式昇壓電路11耦接的第一電源V₁ 充電。

首先，值得注意的是，第一開關S_ad 、第二開關S_au 、第三開關S_bd 、第四開關S_bu 、第五開關S_cd 、第六開關S_cu 、第七開關S_dd 以及第八開關S_du 具有寄生二極體(Body diode)。第一開關S_ad 與第二 開關S_au 的導通狀態為互補，且第一開關S_ad 與第二開關S_au 的導通/截止具有死區時間(Dead Time)。同樣地，第三開關S_bd 與第四開關S_bu 的導通狀態為互補，且第三開關S_bd 與第四開關S_bu 的導通/截止具有死區時間。第五開關S_cd 與第六開關S_cu 的導通狀態為互補，且第五開關S_cd 與第六開關S_cu 的導通/截止具有死區時間。第七開關S_dd 與第八開關S_du 的導通狀態為互補，且第七開關S_dd 與第八開關S_du 的導通/截止具有死區時間。死區時間的設計是為了確保互補的兩開關間不會同時導通，並且讓所對應的電感能量有足夠時間流過開關的寄生二極體。

(一)單輸入電源獨立供電狀態：此狀態即單一輸入電源的交錯式直流/直流轉換器，控制電路13控制第一交錯式昇壓電路11輸出電力至直流匯流排101。請參照圖2，圖2為本發明實施例提供的單輸入電源獨立供電狀態之電壓電流時序波形圖。當電源管理因應不同輸出負載功率、儲能或供電、或節省能源之目的，欲調節第二電源V₂ 不輸出功率時，可將第二電源開關S_p2 截止以完成電源切離之目的。第一電源V₁ 獨立供電狀態之電壓電流時序波形如圖2所示。在此定義開關切換週期時間T_S 、第一開關S_ad 及第三開關S_bd 的責任週期(Duty Cycle)是d₁ 、第二開關S_au 及第四開關S_bu 的責任週期是d₂ ，以及死區時間的責任週期是d_d 。

模式一[t₀ -t₁ ]：時間t=t₀ 之前，第一開關S_ad 的寄生二極體因第一電感L_a 續流導通，當t=t₀ 時，第一開關S_ad 零電壓導通，此時第一開關S_ad 電流為負，第一電源V₁ 對第二電感L_b 充電。模式二[t₁ -t₂ ]：當時間t=t₁ ，第三開關S_bd 截止，第二電感電流i_Lb 續流並流經第四開關S_bu 的寄生二極體，對輸出負載Ro供電，第一開關S_ad 電流由負漸增為正。模式三[t₂ -t₃ ]：當時間t=t₂ ，第四開關電流i_Sbu 仍為負，第四開關S_bu 的寄生二極體導通情形下，將第四開關S_bu 零電壓導通，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電。模式四[t₃ -t₄ ]：當時間t=t₃ ，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電，此時 第二電感L_b 操作在同步導通模式，第二電感電流i_Lb 遞減至零以下並持續放電，第四開關電流i_Sbu 由負轉為正。模式五[t₄ -t₅ ]：當時間t=t₄ ，將第四開關S_bu 截止，此時第二電感L_b 續流並流經第三開關S_bd 寄生二極體，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電。模式六[t₅ -t₆ ]：當時間t=t₅ 時，第三開關S_bd 的寄生二極體導通情形下，將第三開關S_bd 零電壓導通，此時第二電感L_b 的電流i_Lb 仍為負，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電。模式七[t₆ -t₇ ]：當時間t=t₆ 時，第一開關S_ad 截止，第一電感L_a 能量續流並流經第二開關S_au 的寄生二極體，對輸出負載供電，第三開關S_bd 電流由負漸增為正。模式八[t₇ -t₈ ]：當時間t=t₇ ，第二開關電流i_Sau 仍為負，第二開關S_au 的寄生二極體導通情形下，將第二開關S_au 零電壓導通，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電。模式九[t₈ -t₉ ]：當時間t=t₈ ，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電，此時第一電感L_a 操作在同步導通模式，第一電感電流i_La 遞減至零以下並持續放電，第二開關電流i_Sau 由負轉為正。模式十[t₉ -t₁₀ ]：當時間t=t₉ ，第二開關S_au 截止，此時第一電感L_a 續流並流經第一開關S_ad 的寄生二極體，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電，以完成一個周期的操作。

(二)雙輸入電源聯合供電狀態：請參照圖3，圖3為本發明實施例提供的雙輸入電源聯合供電狀態之電壓電流時序波形圖。第一電源V₁ 及第二電源V₂ 聯合供電，且假設第一電源的電流I₁ 大於第二電源的電流I₂ 。定義開關切換週期時間T_S 、第一開關S_ad 及第三開關S_bd 的責任週期d₁ 、第二開關S_au 及第四開關S_bu 的責任週期d₂ 、第五開關S_cd 及第七開關S_dd 的責任週期d₃ 、第六開關S_cu 及第八開關S_du 的責任週期d₄ ，以及死區時間的責任週期d_d 。

模式一[t₀ -t₁ ]：時間t=t₀ 之前，第一開關S_ad 零電壓導通，當時間t=t₀ ，第一開關S_ad 電流為負，第一電源V₁ 對第二電感L_b 充電，第二交錯式昇壓電路12(以下簡稱第二電源電路12)之第四電感L_d 對負載Ro供電，第二電源V₂ 對第三電感L_c 充電。模式二[t₁ -t₂ ]： 當時間t=t₁ ，第一開關S_ad 電流為負，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電，第四電感L_d 操作在同步導通模式，第四電感電流i_Ld 遞減至零以下並持續放電，第二電源V₂ 持續對第三電感L_c 充電。模式三[t₂ -t₃ ]：當時間t=t₂ ，第二開關S_bd 截止，第二電感電流i_Lb 續流並流經第四開關S_bu 的寄生二極體，對負載Ro供電，第一開關S_ad 電流由負漸增為正，在第二電源電路12，第八開關S_du 截止，第四電感L_d 續流並流經第七開關S_dd 的寄生二極體，第二電源V₂ 持續對第三電感L_c 充電。模式四[t₃ -t₄ ]：當時間t=t₃ ，第四開關S_bu 的電流i_Sbu 仍為負，第四開關S_bu 的寄生二極體導通情形下，將第四開關S_bu 零電壓導通，第一電源V₁ 開始對第一電感L_a 充電，在第二電源電路12，第七開關S_dd 的寄生二極體導通情形下，將第七開關S_dd 零電壓導通，第二電源V₂ 持續對第三電感L_c 充電。模式五[t₄ -t₅ ]：當時間t=t₄ ，此時第二電感L_b 操作在同步導通模式，第二電感電流i_Lb 遞減至零以下並持續放電，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電，第四開關S_bu 的電流i_Sbu 由負轉為正，第二電源V₂ 持續對第三電感L_c 充電，第八開關S_dd 電流仍為負。模式六[t₅ -t₆ ]：當時間t=t₅ ，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電，第四開關S_bu 截止，第二電感L_b 續流並流經第三開關S_bd 的寄生二極體，第二電源V₂ 持續對第三電感L_c 充電，第八開關S_dd 電流由負漸增為正。模式七[t₆ -t₇ ]：當時間t=t₆ 時，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電，第三開關S_bd 的寄生二極體導通情形下，將第三開關S_bd 零電壓導通，此時第二電感電流i_Lb 仍為負，第二電源電路12之第五開關S_cd 截止，第三電感L_c 能量續流並流經第六開關S_cu 的寄生二極體，第二電源V₂ 持續對第四電感L_d 充電。模式八[t₇ -t₈ ]：當時間t=t₇ 時，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電，第二電感電流i_Lb 仍為負，第二電源電路12之第六開關S_cu 在二極體導通情況下，將第六開關S_cu 零電壓導通，第三電感L_c 能量續流並對負載Ro持續供電，第二電源V₂ 持續對第四電感L_d 充電。模 式九[t₈ -t₉ ]：當時間t=t₈ 時，第一電源V₁ 持續對第一電感L_a 充電，第二電感電流i_Lb 仍為負，第二電源電路12之第三電感L_c 操作在同步導通模式，第三電感電流i_Lc 遞減至零以下並持續放電，第二電源V2持續對第四電感L_d 充電。模式十[t₉ -t₁₀ ]：當時間t=t₉ 時，第一開關S_ad 截止，第一電感L_a 能量續流並流經第二開關S_au 寄生二極體，對輸出負載Ro供電，第二電感L_b 持續放電，第二電源電路12之第三電感L_c 持續放電，第二電源V₂ 持續對第四電感L_d 充電。模式十一[t₁₀ -t₁₁ ]：當時間t=t₁₀ 時，第一電感L_a 能量經由第二開關S_au 的寄生二極體，對輸出負載Ro供電，第三開關S_bd 電流由負漸增為正，第二電源電路12之第六開關S_cu 截止，第三電感L_c 能量續流並流經第五開關S_cd 的寄生二極體，第二電源V₂ 持續對第四電感L_d 充電。模式十二[t₁₁ -t₁₂ ]：當時間t=t₁₁ 時，第二開關電流i_Sau 仍為負，第二開關S_au 的寄生二極體導通情形下，將第二開關S_au 零電壓導通，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電，第二電源電路12之第五開關S_cd 在寄生二極體導通情形下，將第五開關S_cd 零電壓導通，第二電源V₂ 持續對第四電感L_d 充電。模式十三[t₁₂ -t₁₃ ]：當時間t=t₁₂ 時，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電，此時第一電感L_a 操作在同步導通模式，第一電感電流i_La 遞減至零以下並持續放電，第二開關電流i_Sau 由負轉為正，第二電源電路12之第五開關S_cd 的電流仍為負，第二電源V₂ 則持續對第四電感L_d 充電。模式十四[t₁₃ -t₁₄ ]：當時間t=t₁₃ 時，第一電感L_a 持續放電，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電，第二電源電路12之第八開關S_dd 截止，第四電感L_d 電感能量續流並流經第八開關S_du 的寄生二極體對輸出負載供電，第五開關S_cd 的電流仍為負。模式十五[t₁₄ -t₁₅ ]：當時間t=t₁₄ 時，第二開關S_au 截止，此時第一電感L_a 續流並流經第一開關S_ad 的寄生二極體，第一電源V₁ 持續對第二電感L_b 充電，在第八開關S_du 的寄生二極體導通情形下，將第八開關S_du 零電壓導通，第五開關電流i_Scd 也由負轉為正， 第二電源V₂ 持續對第三電感L_c 充電，以完成一個周期的操作。

(三)高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態：請參照圖4，圖4為本發明實施例提供的高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態之電壓電流時序波形圖。直流匯流排101逆向對第一電源V₁ 及第二電源V₂ 降壓儲能狀態，當直流匯流排101有足夠且多餘能量時，電路可透過逆向降壓由直流匯流排101對第一交錯式昇壓電路11(以下簡稱第一電源電路11)及第二電源電路12進行儲能。定義開關切換週期時間T_s 、第二開關S_au 及第四開關S_bu 的責任週期d₁ 、第一開關S_ad 及第三開關S_bd 的責任週期d₂ 、第六開關S_cu 及第八開關S_du 的責任週期d₃ 、第五開關S_cd 及第七開關S_dd 的責任週期d₄ 以及死區時間責任週期d_d 。

模式一[t₀ -t₁ ]：時間t=t₀ 之前，第二開關S_au 的寄生二極體導通，當t=t₀ 時，第二開關S_au 零電壓導通，第二電感L_b 持續放電，第二電源電路12之第四電感L_d 對第二電源V₂ 充電，第三電感L_c 持續放電。模式二[t₁ -t₂ ]：當時間t=t₁ ，第二開關電流i_Sau 電流遞增至零以上，直流匯流排101對第一電感L_a 充電，同時對第一電源V₁ 充電，第二電感L_b 持續放電，第二電源電路12之第四電感L_d 對第二電源V₂ 充電，第三電感L_c 持續放電。模式三[t₂ -t₃ ]：當時間t=t₂ ，第二開關S_au 截止，第一電感L_a 能量續流並流經第一開關S_ad 的寄生二極體，同時第一電感L_a 持續對第一電源V₁ 充電，第二電感L_b 持續放電，第二電源電路12之第四電感L_d 對第二電源V₂ 充電，第三電感L_c 持續放電。模式四[t₃ -t₄ ]：當時間t=t3，第一開關S_ad 的寄生二極體導通情形下，將第一開關S_ad 零電壓導通，第一電感L_a 持續對第一電源V₁ 充電，第二電感L_b 持續放電，第二電源電路12之第五開關S_cd 截止，第三電感L_c 能量續流並流經第六開關S_cu 的寄生二極體，第四電感L_d 操作在同步導通模式，第四電感電流i_Ld 遞增至零以上並持續放電。模式五[t₄ -t₅ ]：當時間t=t₄ ，第一電感L_a 持續對第一電源V₁ 充電，第二電感L_b 持續放電， 第二電源電路12之第六開關S_cu 在寄生二極體導通情形下，將第六開關S_cu 零電壓導通，第四電感L_d 持續放電。模式六[t₅ -t₆ ]：當時間t=t₅ ，第一電感L_a 持續對第一電源V₁ 充電，第二電感L_b 持續放電，在第二電源電路12，第六開關S_cu 的電流i_Scu 電流遞增至零以上，直流匯流排101開始對第三電感L_c 儲能，並同時對第二電源V₂ 充電，第四電感L_d 持續放電。模式七[t₆ -t₇ ]：當時間t=t₆ ，第一電感L_a 持續對第一電源V₁ 充電，第二電感L_b 持續放電，第二電源電路12之第六開關S_cu 截止，第三電感L_c 能量續流並流經第五開關S_cd 寄生二極體，第三電感L_c 同時也對第二電源V₂ 充電，第四電感L_d 持續放電。模式八[t₇ -t₈ ]：當時間t=t₇ ，第一電感L_a 操作在同步導通模式，第一電感電流i_La 遞增至零以上並持續放電，第三開關S_bd 截止，第二電感L_b 能量續流並流經第四開關S_bu 的寄生二極體，第二電源電路12之第五開關S_cd 在寄生二極體導通情形下，將第五開關S_cd 零電壓導通，同時第三電感L_c 也對第二電源V₂ 充電，第四電感L_d 持續放電。模式九[t₈ -t₉ ]：當時間t=t₈ ，第一電感L_a 持續放電，第四開關S_bu 在寄生二極體導通情形下，將第四開關S_bu 零電壓導通，第二電源電路12之第三電感L_c 持續對第二電源V₂ 充電，第四電感L_d 持續放電。模式十[t₉ -t₁₀ ]：當時間t=t₉ ，第一電感L_a 持續放電，第四開關S_bu 的電流i_Sbu 電流遞增至零以上，直流匯流排101開始對第二電感L_b 儲能，並同時對第一電源V₁ 充電，第二電源電路12之第三電感L_c 持續對第二電源V₂ 充電，第四電感L_d 持續放電。模式十一[t₁₀ -t₁₁ ]：當時間t=t₁₀ ，第一電感L_a 持續放電，第四開關S_bu 截止，第二電感L_b 能量續流並流經第三開關S_bd 的寄生二極體，同時也對第一電源V₁ 充電，第二電源電路12之第三電感L_c 持續對第二電源V₂ 充電，第四電感L_d 持續放電。模式十二[t₁₁ -t₁₂ ]：當時間t=t₁₁ ，第一電感L_a 持續放電，第三開關S_bd 的寄生二極體持續導通，並對第一電源V₁ 充電，第二電源電路12之第七開關S_dd 截止，第四電感L_d 能量續流 並流經第八開關S_du 的寄生二極體，第三電感L_c 持續對第二電源V₂ 充電。模式十三[t₁₂ -t₁₃ ]：當時間t=t₁₂ ，第一電感L_a 持續放電，在第三開關S_bd 的寄生二極體導通的情形下，將第三開關S_bd 零電壓導通，第二電源電路12之第八開關S_du 的寄生二極體持續導通，第三電感L_c 操作在同步導通模式，第三電感電流i_Lc 遞增至零以上並持續放電。模式十四[t₁₂ -t₁₄ ]：當時間t=t₁₃ ，第一電感L_a 持續放電，第二電感L_b 持續對第一電源V₁ 充電，第二電源電路12之第八開關S_du 在寄生二極體導通情形下，將第八開關S_du 零電壓導通，第三電感L_c 持續放電。模式十五[t₁₄ -t₁₅ ]：當時間t=t₁₄ ，第一電感L_a 持續放電，第二電感L_b 持續對第一電源V₁ 充電，第二電源電路12之第三電感L_c 持續放電，第八開關S_du 的電流i_Sdu 電流遞增至零以上，直流匯流排101開始對第四電感L_d 儲能，並同時對第二電源V₂ 充電。模式十六[t₁₅ -t₁₆ ]：當時間t=t₁₅ ，第一開關S_ad 截止，第一電感L_a 能量續流並流經第二開關S_au 的寄生二極體，第二電感L_b 持續對第一電源V₁ 充電，第二電源電路12之第三電感L_c 持續放電，將第八開關S_du 截止，第四電感L_d 能量續流，並流經第七開關S_dd 的寄生二極體同時也對第二電源V₂ 充電。模式十七[t₁₆ -t₁₇ ]：當時間t=t₁₆ ，第一電感L_a 能量繼續續流經第二開關S_au 的寄生二極體，第二電感L_b 操作在同步導通模式，第二電感L_b 的電流i_Lb 遞增至零以上並持續放電，第二電源電路12之第七開關S_dd 在寄生二極體導通情形下，將第七開關S_dd 零電壓導通，第三電感L_c 持續放電，完成一個周期的操作。

(四)雙電源逆向儲能狀態：第一電源V₁ 及第二電源V₂ 在雙電源逆向儲能狀態，假定第一電源電壓V₁ 大於第二電源電壓V₂ ，第一電源V₁ 可降壓對第二電源V₂ 充電，或第二電源V₂ 昇壓對第一電源V₁ 充電，雙電源逆向昇壓儲能狀態與降壓儲能狀態模式一樣，僅操作的開關責任周期不同，故以昇壓儲能狀態為例作說明，在雙輸入供電狀態的模式十四、模式十五及模式一，為第二電源 V₂ 經由第四電感L_d 昇壓後對直流匯流排101供電。雙輸入供電狀態的模式七到模式十，為第二電源V₂ 經由第三電感L_c 昇壓後對直流匯流排101供電。在高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態的模式十到模式十六，為直流匯流排101的能量經由第二電感L_b 傳送到第一電源V₁ ，對第一電源V₁ 充電。在高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態的模式二到模式七，為直流匯流排101的能量經由第一電感L_a 傳送到第一電源V₁ ，對第一電源V₁ 充電，此為第二電源V₂ 對第一電源V₁ 昇壓儲能狀態。第一電源V₁ 對第二電源V₂ 降壓儲能狀態與昇壓儲能狀態為對稱，故略之。

為了使電路操作在同步導通模式，第一到第四電感感值必須特別設計，以符合電路所需要。在此以第一電源V₁ 採用42-63V直流電源仿效可逆式固態氧化物燃料電池輸出電壓，第二電源V₂ 採用48V直流電源仿效鋰離子電池輸出電壓。直流匯流排101電壓則為200V直流，總輸出功率為5千瓦，電路操作於40KHz。

在(一)單輸入電源獨立供電狀態，要使第一電感L_c 操作在同步 導通模式的感值為，其中η為系統操作在單輸入 電源獨立供電狀態(2.5KW)時的轉換效率(假設為95%)。根據上式，當已選定死區時間為0.05T_s 且d₁ =0.71，此時第一電感L_a 電感值選擇為14.4μ。同時由圖2可知，一個電路操作周期是由兩個責任周期d₁ 與d₂ 以及兩個死區時間d_d 所組成，死區時間d_d 則為防止第一開關S_ad 及第二開關S_au 同時導通以及確保電感操作於同步導通模式所設計。由上可推導出第二開關S_au 的責任周期d₂ =1-d₁ -2d_d ，並由之前所選取的責任周期d₁ 及死區時間d_d 可以得到d₂ =0.19。

在(三)高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態，使第三電感L_c 的感 值大小為

當第二電源V₂ 為48V及輸出電壓Vo(直流匯流排101的電壓)為200V時，根據已選定死區時間0.05T_s 及上式，可得知第六開關S_cu 的責任周期d₃ =0.19。此時，第三電感L_c 電感值可選擇為9.7μH。同時，第五開關S_cd 的責任周期d₄ =1-d₃ -2d_d ，並由之前所選取的責任周期d₃ 及死區時間d_d 可以得到d₄ =0.71。綜合以上，當電路操作於單輸入電源獨立供電狀態以及雙輸入電源聯合供電狀態時，第一電感到第四電感的電感值的臨界值為14.4μH。當電路操作於高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態時，第一到第四電感的電感值的臨界值為9.7μH，為了使本實施例所提出的電路在順向昇壓以及逆向降壓等狀態都可以正常運作，第一到第四電感的電感值以挑選較小的感值為基準，並考慮到電路上的雜訊干擾以及確保電路可以操作在同步導通模式，本架構第一到第四電感的電感值選擇為9μH。

在本發明一實施例中，第一電源V₁ 採用42~63V直流電源仿效可逆式固態氧化物燃料電池輸出電壓，第二電源V₂ 採用48V直流電源仿效鋰離子電池輸出電壓，直流匯流排101電壓則為200V直流，第一電源電路11最大功率設定為2.5kW及第二電源電路12最大功率設定為2.5千瓦，本電源轉換器最大功率5kW為基礎做實施例之驗證。設定電路操作於40kHz，同時根據電路推導理論並適當選取功率半導體開關及二極體，第一開關到第八開關上的跨壓均為輸出電壓200V，流經功率半導體開關上最大電流為78.07A，第一到第八開關選用IXTQ88N28T，第一電感至第四電感的感值選用9μH，輸出電容Co選擇150μF確保有較低的輸出漣波電壓。

請參照圖5，圖5為本發明實施例提供的可逆型多輸入交錯式 直流/直流轉換器的效率圖，圖5中之(a)曲線表示單輸入獨立供電狀態之電源轉換效率，測試條件為第一電源V₁ 輸入電壓48V以及轉換器輸出電壓為200V，此操作狀態下最高轉換效率為95.8%，圖5中之(b)曲線表示第一電源V₁ 及第二電源V₂ 聯合供電狀態之電源轉換效率，測試條件為第一電源V₁ 輸入電壓63V以及第二電源V₂ 輸入電壓為48V，轉換器輸出電壓200V，此操作狀態下最高轉換效率為95.1%，圖5中之(c)曲線為高壓直流匯流排逆向降壓儲能狀態之電源轉換效率，測試條件為直流匯流排101的電壓200V、第一電源端11a電壓為63V以及第二電源端12a電壓為48V，此操作狀態下最高轉換效率為95.3%，圖5中之(d)曲線為雙電源逆向儲能狀態之電源轉換效率，測試條件第一電源端11a電壓為42V以及第二電源端12a電壓為48V，此操作狀態下最高轉換效率為91%，圖5可驗證本發明所提轉換器具有高電源轉換效率之特性。

請參照圖6，圖6為本發明實施例提供的可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器與傳統昇壓轉換器的輸入電流的示意圖。在兩轉換器輸入電壓皆為170V，輸出功率皆為2.5kW時，平均輸入電流為15.4A。由圖6可以看到傳統的昇壓轉換器其電感能量為連續充放電，在輸出功率為2.5kW時輸入電流漣波高達78%(參考曲線(e))，本發明交錯式轉換器在輸出功率為2.5kW時，其輸入電流漣波為35%(參考曲線(f))，可大幅改善傳統昇壓架構輸入電流漣波過大的問題，同時也可以有效的保護前端輸入電源。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例所提供的可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器可操作於多輸入電源(例如雙輸入電源)及雙向昇降壓，透過適當選擇電感值以使電感操作於同步導通模式，且開關操作於零電壓導通模式，二極體以功率開關取代之，並以對稱架構。藉此，可有效減少輸入電流漣波，並可達成高轉換效率。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

1‧‧‧可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器

101‧‧‧高壓直流匯流排

11‧‧‧第一交錯式昇壓電路

12‧‧‧第二交錯式昇壓電路

13‧‧‧控制電路

11a‧‧‧第一電源端

V₁ ‧‧‧第一電源

11b‧‧‧第一輸出端

12a‧‧‧第二電源端

V₂ ‧‧‧第二電源

12b‧‧‧第二輸出端

L_a ‧‧‧第一電感

L_b ‧‧‧第二電感

L_c ‧‧‧第三電感

L_d ‧‧‧第四電感

S_ad ‧‧‧第一開關

S_au ‧‧‧第二開關

S_bd ‧‧‧第三開關

S_bu ‧‧‧第四開關

S_cd ‧‧‧第五開關

S_cu ‧‧‧第六開關

S_dd ‧‧‧第七開關

S_du ‧‧‧第八開關

T_ad 、T_au 、T_bd 、T_bu 、T_cd 、T_cu 、T_dd 、T_du 、T_p1 、T_p2 ‧‧‧驅動訊號

S_p1 ‧‧‧第一電源開關

S_p2 ‧‧‧第二電源開關

Vo‧‧‧輸出電壓

Ro‧‧‧負載

C₁ 、C₂ 、Co‧‧‧電容

GND‧‧‧接地端

I₁ 、I₂ ‧‧‧電流

Claims (9)

1. 一種可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，用以透過一直流匯流排提供電力至一負載，該可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器包括：至少一第一交錯式昇壓電路，具有一第一電源端以及一第一輸出端，該第一電源端接收一第一電源，該第一輸出端耦接該直流匯流排，該第一交錯式昇壓電路包括：一第一電感，耦接一第一輸入端；一第一開關，耦接於該第一電感以及一接地端之間；一第二開關，耦接於該第一電感以及該第一輸出端之間；一第二電感，耦接該第一輸入端；一第三開關，耦接於該第二電感以及該接地端之間；以及一第四開關，耦接於該第二電感以及該第一輸出端之間；至少一第二交錯式昇壓電路，具有一第二電源端以及一第二輸出端，該第二電源端接收一第二電源，該第二輸出端耦接該直流匯流排，該第二交錯式昇壓電路包括：一第三電感，耦接該第二輸入端；一第五開關，耦接於該第三電感以及該接地端之間；一第六開關，耦接於該第三電感以及該第二輸出端之間；一第四電感，耦接該第二輸入端；一第七開關，耦接於該第四電感以及該接地端之間；以及一第八開關，耦接於該第四電感以及該第二輸出端之間；以及一控制電路，耦接該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關、該第六開關、該第七開關以及該第八開關之控制端，並驅動該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關、該第六開關、該第七開關以及該第八開關的導通與截止； 其中，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關、該第六開關、該第七開關以及該第八開關操作在零電壓導通(Zero Voltage Switching，ZVS)模式，該第一電感、該第二電感、該第三電感以及該第四電感操作在同步導通模式(Synchronous Conduction Mode，SCM)。
2. 根據申請專利範圍第1項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中該控制電路控制該第一交錯式昇壓電路或該第二交錯式昇壓電路獨立供電至該直流匯流排。
3. 根據申請專利範圍第1項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中當該第一交錯式昇壓電路以及該第二交錯式昇壓電路皆輸出功率時，該控制電路控制該第一交錯式昇壓電路以及該第二交錯式昇壓電路供電至該直流匯流排。
4. 根據申請專利範圍第1項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中該高壓直流匯流排對該第一交錯式昇壓電路耦接之該第一電源以及該第二交錯式昇壓電路耦接之該第二電源的至少其中之一充電。
5. 根據申請專利範圍第1項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中該第一交錯式昇壓電路對該第二交錯式昇壓電路耦接之該第二電源充電，或該第二交錯式昇壓電路對該第一交錯式昇壓電路耦接之第一電源充電。
6. 根據申請專利範圍第1項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中該第一開關以及該第二開關的導通狀態為互補，且該第一開關以及該第二開關的導通/截止具有一死區時間；其中該第三開關以及該第四開關的導通狀態為互補，且該第三開關以及該第四開關的導通/截止具有該死區時間；其中，該第五開關以及該第六開關的導通狀態為互補，且該第五開關以及該第六開關的導通/截止具有該死區時間； 其中，該第七開關以及該第八開關的導通狀態為互補，且該第七開關以及該第八開關的導通/截止具有該死區時間。
7. 根據申請專利範圍第2項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中當該第一交錯式昇壓電路獨立供電至該直流匯流排時，該控制電路控制該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關、該第六開關、該第七開關以及該第八開關導通/截止的順序如下：在該第一電感的電流使該第一開關的寄生二極體導通時，將該第一開關零電壓導通，此時該第一電源對該第二電感充電；將該第二開關截止，此時該第二電感的電流透過該第四開關的寄生二極體對該直流匯流排供電；將該第四開關零電壓導通，此時該第一電源對該第一電感充電；在該第二電感的電流遞減至零以下並持續放電後，將該第四開關截止，使該第二電感的電流流經該第三開關的寄生二極體；將該第三開關零電壓導通；將該第一開關截止，此時該第一電感的電流透過該第二開關的寄生二極體對該直流匯流排供電；將該第二開關零電壓導通，此時該第一電源對該第二電感充電；在該第一電感的電流遞減至零以下並持續放電後，將該第二開關截止，以完成一個周期的操作。
8. 根據申請專利範圍第3項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中當該控制電路控制該第二交錯式昇壓電路以及該第一交錯式昇壓電路供電至該直流匯流排時，該控制電路控制該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關、該第六開關、該第七開關以及該第八開關導通/截止的順序如下： 將該第一開關零電壓導通，此時該第一電源對該第二電感充電，該第四電感對該直流匯流排充電，該第二電源對該第三電感充電；在該第四電感的電流遞減至零以下並持續放電後，將該第二開關與該第八開關截止，此時該第二電感的電流透過該第四開關的寄生二極體對該直流匯流排充電，該第四電感的電流流過該第七開關的寄生二極體；將該第四開關以及該第七開關零電壓導通，此時該第一電源對該第一電感充電；在該第二電感的電流遞減至零以下並持續放電後，將該第四開關截止，此時該第二電感的電流流過該第三開關的寄生二極體；將該第三開關零電壓導通，且將該第五開關截止，此時該第三電感的電流流過該第六開關的寄生二極體，該第二電源對該第四電感充電；將該第六開關零電壓導通，此時該第三電感對該直流匯流排供電；在該第三電感的電流遞減至零以下並持續放電後，將該第一開關截止，此時該第一電感透過該第二開關的寄生二極體對該直流匯流排供電；將該第六開關截止，此時該第三電感的電流流過該第五開關的寄生二極體；將該第二開關以及該第五開關零電壓導通，此時該第一電源對該第二電感充電，該第二電源對該第四電感充電；在該第一電感的電流遞減至零以下並持續放電後，將該第八開關截止，此時該第四電感的電流透過該第八開關的寄生二極體對該直流匯流排供電；將該第二開關截止，且將第八開關零電壓導通，以完成一個週期的操作。
9. 根據申請專利範圍第4項之可逆型多輸入交錯式直流/直流轉換器，其中當該高壓直流匯流排對該第一交錯式昇壓電路以及該第二交錯式昇壓電路充電時，該控制電路控制該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關、該第六開關、該第七開關以及該第八開關導通/截止的順序如下：將該第二開關零電壓導通，且在該第二開關的電流遞增至零以上後，該直流匯流排透過該第一電感對該第一電源充電；將該第二開關截止，此時該第一電感的電流流過該第一開關的寄生二極體；將該第一開關零電壓導通，且將該第五開關截止，此時該第三電感的電流流過該第六開關的寄生二極體，該第四電感的電流遞增至零以上並持續放電；將該第六開關零電壓導通，且在該第六開關的電流遞增至零以上後，該直流匯流排透過該第三電感對該第二電源充電；將該第六開關截止，此時該第三電感的電流流過該第五開關的寄生二極體；在該第一電感的電流遞增至零以上並持續放電後，將該第三開關截止且將該第五開關零電壓導通，此時該第二電感的電流流過第四開關的寄生二極體；將該第四開關零電壓導通，且在該第四開關的電流遞增至零以上後，該直流匯流排透過該第二電感對該第一電源充電；將該第四開關截止，此時該第二電感的電流流過該第三開關的寄生二極體；將該第七開關截止，此時該第四電感的電流流過該第八開關的的寄生二極體；將該第三開關零電壓導通；在該第三電感電流遞增至零以上並持續放電後，將該第八開關零電壓導通； 在該第八開關的電流遞增至零以上後，該直流匯流排透過該第四電感對該第二電源充電；將該第一開關以及該第八開關截止，此時該第一電感的電流流過該第二開關的寄生二極體，該第四電感的電流流過該第七開關的寄生二極體而對該第二電源充電；將該第七開關零電壓導通，以完成一個週期的操作。