TWI504103B - 混合式電力轉換系統 - Google Patents

Description

混合式電力轉換系統

本發明乃是關於一種電力轉換系統，特別是指一種用於移動載具之混合式電力轉換系統，能夠將低壓側燃料電池與鋰電池電壓昇壓轉換成一高電壓位準直流匯流排。

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，以及輸出二極體存在反向回復電流問題，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。

近年來由於溫室效應的影響，潔淨能源的發展日益受到重視，燃料電池、太陽能光電等潔淨能源，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能源，但潔淨能源其輸出電壓通常為低電壓，故需要高昇壓比轉換機制以利一般負載所使用。近年各車廠皆以發展混合動力移動載具為主要選擇，部分輔以燃料電池提升續航能力，但燃料電池最大缺點為其輸出電壓易隨負載變化而浮動，且其發電量易受工作溫度變化而有所影響，因此，以現有技術而言，燃料電池無法直接應用於一般移動載具上，為了解決上述之問題，必須搭配一儲能裝置，以提供移動載具瞬間加速及爬坡時大功率之需求。

鋰電池具有高能量密度、壽命高、成本低、可提供連續高電流輸出及能夠滿足瞬間大功率能源需求之特性，因此非常適合應用於混合式移動載具上。但單單使用鋰電池供應移動載具使用，會因鋰電池體積及重量大小受限，致使移動載具行駛距離無法提升，因此利用雙輸入直流/直流轉換器，可使鋰電池解決燃料電池動態響應緩慢之問題，也可利用燃料電池對鋰電池充電增其移動載具行駛距離，雙電源可發揮互補之功效。而傳統習用之電力電子技術，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，其中以直流/直流電源轉換器應用於傳統昇壓式直流/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；而習用之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，此系統結構中每組電源轉換器均採用獨立控制器這不但造成 電路成本的提高，更嚴重的是使用兩套獨立系統並不能同時進行功率匹配，無法產生互補之效用，且饋入直流匯流排之能量易造成電壓突波導致電源轉換器燒毀，或需於直流匯流排上放置超額電容器以穩定電壓。

本發明實施例提供一種混合式電力轉換系統，用於移動載具之供電系統，所述混合式電力轉換系統包括第一直流電路、第二直流電路、箝制電路、中壓平衡電路、充電電路與高壓電路。第一直流電路具有一第一電壓且接收第一開關信號。第二直流電路電性連接第一直流電路，所述第二直流電路具有第二電壓且接收第二開關信號。箝制電路電性連接第一及第二直流電路，所述箝制電路透過吸收漏感能量以保護第一及第二直流電路。中壓平衡電路電性連接箝制電路，具有第一昇壓比值與第二昇壓比值，所述中壓平衡電路透過與第一直流電路之間的第一耦合感應方式以產生第三電壓或透過與第二直流電路之間的第二耦合感應方式以產生第四電壓，其中第三電壓等於第一電壓乘以第一昇壓比值，並且第四電壓等於第二電壓乘以第二昇壓比值。充電電路電性連接第二直流電路，具有第三昇壓比值，所述充電電路透過與第一直流電路之間的第一耦合感應方式產生充電電壓，其中充電電壓為第一電壓乘以第三昇壓比值。高壓電路電性連接中壓平衡電路，所述高壓電路接收第三電壓與第四電壓，以傳送輸出電壓與輸出電流來驅動負載，其中當移動載具處於第一供電模式時，混合式電力轉換系統透過第一直流電路與第二直流電路兩者之一來輸出單電源能量；當移動載具處於第二供電模式時，混合式電力轉換系統透過第一直流電路來輸出單電源能量，並且透過充電電路對第二直流電路進行充電，其中第二供電模式為當充電電壓大於第二電壓；以及當移動載具處於第三供電模式時，混合式電力 轉換系統透過第一及第二直流電路來同時輸出雙電源能量。

在本發明其中一個實施例中，混合式電力轉換系統更包括偵測器與控制器。偵測器用以偵測移動載具之移動狀態，以判斷移動載具處於第一供電模式或第三供電模式，其中第一供電模式定義為移動載具處於穩定行駛之狀態，並且第三供電模式定義為移動載具處於加速或爬坡之狀態。控制器電性連接偵測器，所述控制器根據偵測器之判斷結果，以分別輸出第一開關信號與第二開關信號至對應的第一直流電路與第二直流電路，其中控制器為全數位化控制器。

在本發明其中一個實施例中，第一耦合感應方式與第二耦合感應方式為電感耦合感應方式，並且第一直流電路為主電源電路，第二直流電路為副電源電路。

在本發明其中一個實施例中，第一直流電路包括第一直流電源、第一輸入濾波電容、第一低壓開關與第一耦合電感之一次側繞組。第一直流電源用以提供第一電壓之能量。第一輸入濾波電容之其一端連接第一直流電源之正端，第一輸入濾波電容之另一端連接接地電壓。第一低壓開關之閘極接收第一開關信號並據此決定導通或截止狀態，第一低壓開關之源極連接接地電壓。第一耦合電感之一次側繞組之一端連接第一輸入濾波電容之一端且具有電壓極性點，第一耦合電感之一次側繞組之另一端連接第一低壓開關之汲極與箝制電路。第一直流電路藉由第一低壓開關之導通或截止狀態，以儲存或釋放第一耦合電感之一次側繞組之能量。

在本發明其中一個實施例中，第二直流電路包括第二直流電源、第二輸入濾波電容、第二低壓開關與第二耦合電感之一次側繞組。第二直流電源用以提供第二電壓之能量。第二輸入濾波電容之一端連接第二直流電源之正端，第二輸入濾波電容之另一端連接接地電壓。第二低壓開關之閘極接收第二開關信號並據此決定導通或截止狀態，第二低壓開關之源極連接接地電壓。第二耦 合電感之一次側繞組之一端連接第二輸入濾波電容之一端且具有電壓極性點，第二耦合電感之一次側繞組之另一端連接第二低壓開關之汲極與箝制電路。第二直流電路藉由第二低壓開關之導通或截止狀態，以儲存或釋放第二耦合電感之一次側繞組之能量。

在本發明其中一個實施例中，箝制電路包括第一箝制二極體、第二箝制二極體與箝制電容。第一箝制二極體之陽極連接第一耦合電感之一次側繞組之另一端。第二箝制二極體之陽極連接第二耦合電感之一次側繞組之另一端，第二箝制二極體之陰極連接第一箝制二極體之陰極。箝制電容之一端連接第一箝制二極體之陰極與中壓平衡電路，箝制電容之另一端連接接地電壓，用以吸收第一耦合電感之一次側繞組與第二耦合電感之一次側繞組之漏感能量，藉此以保護第一低壓開關與第二低壓開關。

在本發明其中一個實施例中，中壓平衡電路包括第一耦合電感之二次側繞組、第一中壓電容與第一導向二極體。第一耦合電感之二次側繞組之一端連接第一箝制二極體之陰極且具有電壓極性點。第一中壓電容之一端連接第一耦合電感之二次側繞組之另一端。第一導向二極體之陽極連接第一耦合電感之二次側繞組之一端，第一導向二極體之陰極連接第一中壓電容之另一端。第一耦合電感之一次側繞組與第一耦合電感之二次側繞組之間的匝數比為第一昇壓比值，並且當第一耦合電感之二次側繞組產生第一感應電壓時，則會產生第一感應電流經由第一導向二極體向第一中壓電容之另一端進行充電，以提高第三電壓之電壓值，藉此將第一耦合電感之二次側繞組與第一中壓電容之能量傳送至高壓電路。

在本發明其中一個實施例中，中壓平衡電路更包括第二耦合電感之二次側繞組、第二中壓電容與第二導向二極體。第二耦合電感之二次側繞組之一端連接第一中壓電容之另一端且具有電壓極性點。第二中壓電容之一端連接第二耦合電感之二次側繞組之 另一端。第二導向二極體之陽極連接第二耦合電感之二次側繞組之一端，第二導向二極體之陰極連接第二中壓電容之另一端。第二耦合電感之一次側繞組與第二耦合電感之二次側繞組之間的匝數比為第二昇壓比值，並且當第二耦合電感之二次側繞組產生第二感應電壓時，則會產生第二感應電流經由第二導向二極體向第二中壓電容之另一端進行充電，以提高第四電壓之電壓值，藉此將第二耦合電感之二次側繞組與第二中壓電容之能量傳送至高壓電路。

在本發明其中一個實施例中，充電電路包括充電二極體與第一耦合電感之三次側繞組。充電二極體之陰極連接第二直流電源之正端。第一耦合電感之三次側繞組之一端連接充電二極體之陽極且具有電壓極性點，第一耦合電感之三次側繞組之另一端連接接地電壓，其中第一耦合電感之三次側繞組之兩端的電壓為充電電壓。第一耦合電感之一次側繞組與第一耦合電感之三次側繞組之間的匝數比為第三昇壓比值，並且當充電電壓大於第二電壓時，則產生充電電流經由充電二極體對第二直流電源進行充電，以將第一耦合電感之三次側繞組之能量傳送至第二直流電路。

在本發明其中一個實施例中，高壓電路包括輸出二極體與輸出電容。輸出二極體之陽極連接第二中壓電容之另一端，所述輸出二極體用以提供能量之傳送路徑。輸出電容之一端連接輸出二極體之陰極，輸出電容之另一端連接接地電壓，用以穩定輸出電壓。輸出二極體將所接收之第三電壓與第四電壓之能量傳送至輸出電容以儲存，並且當輸出電容並聯連接負載時，則輸出電容會傳送輸出電壓與輸出電流至負載，藉此以將所儲存之能量傳送至負載。

在本發明其中一個實施例中，高壓準位匯流排可以作為交流器負載中之反流器之前端或移動載具中的伺服馬達所需直流電壓。

綜上所述，本發明實施例所提出之混合式電力轉換系統，利用雙輸入電源之間的互補且透過第一供電模式(單輸入電源獨立供電狀態)、第二供電模式(充電狀態)與第三供電模式(雙輸入電源聯合供電狀態)之工作機制，能夠同時控制第一直流電源與第二直流電源以達到穩定輸出電壓及減小輸出電壓漣波之功效。

此外，主電源電路內之第一直流電源能夠對副電源電路內的第二直流電源充電以維持電量，藉此以避免混合式電力轉換系統需要多組轉換器來提供不同電壓等級輸入供電之問題，達到控制簡單、降低系統成本與提高功率密度之效用。再者，混合式電力轉換系統內的所有開關均操作於柔性切換或零電流切換，有效降低第一低壓開關與第二低壓開關之切換損失。

據此，本揭露內容所提供之用於移動載具供電用之混合式電力轉換系統，具有高昇壓比、低切換損失、不同電壓等級輸入與低導通損失之特點，藉此能夠提高移動載具對加速與爬坡時對大功率之需求，並提升整體轉換效率與移動載具之行駛距離或續航能力。

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。

100、200‧‧‧混合式電力轉換系統

110‧‧‧第一直流電路

120‧‧‧第二直流電路

130‧‧‧箝制電路

140‧‧‧中壓平衡電路

150‧‧‧充電電路

160‧‧‧高壓電路

170‧‧‧負載

180‧‧‧偵測器

190‧‧‧控制器

C_O ‧‧‧輸出電容

C₁ ‧‧‧箝制電容

C₂ ‧‧‧第一中壓電容

C₃ ‧‧‧第二中壓電容

C_BT ‧‧‧第二輸入濾波電容

C_FC ‧‧‧第一輸入濾波電容

D_O ‧‧‧輸出二極體

D₁ ‧‧‧充電二極體

D₂ ‧‧‧第一導向二極體

D₃ ‧‧‧第二導向二極體

D_C1 ‧‧‧第一箝制二極體

D_C2 ‧‧‧第二箝制二極體

GND‧‧‧接地電壓

I_O ‧‧‧輸出電流

ICA‧‧‧充電電流

i_Lk1 、i_LK2 ‧‧‧漏感電流

L_1P ‧‧‧第一耦合電感之一次側繞組

L_1S1 ‧‧‧第一耦合電感之二次側繞組

L_1S2 ‧‧‧第一耦合電感之三次側繞組

L_2P ‧‧‧第二耦合電感之一次側繞組

L_2S ‧‧‧第二耦合電感之二次側繞組

L_mp1 ‧‧‧第一耦合電感之一次側激磁電感

L_mp2 ‧‧‧第二耦合電感之一次側激磁電感

L_k1 ‧‧‧第一耦合電感之一次側漏感

L_k2 ‧‧‧第二耦合電感之一次側漏感

R‧‧‧負載

RS‧‧‧判斷結果

S₁ ‧‧‧第一低壓開關

S₂ ‧‧‧第二低壓開關

T1‧‧‧第一開關信號

T2‧‧‧第二開關信號

T_r1 ‧‧‧第一耦合電感

T_r2 ‧‧‧第二耦合電感

V3、V4‧‧‧電壓

V_O ‧‧‧輸出電壓

V_C1 、V_C2 ‧‧‧電容電壓

V_BT ‧‧‧第二電壓/第二直流電源

VCA‧‧‧充電電壓

V_FC ‧‧‧第一電壓/第一直流電源

圖1為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統之區塊示意圖。

圖2為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統之電路示意圖。

圖3為對應圖2之混合式電力轉換系統之等效電路圖。

圖4為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統處於單輸入電源獨立供電狀態之波形圖。

圖5為對應圖4之工作模式之電路示意圖。

圖6為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統處於充電狀態之波形圖。

圖7為對應圖6之工作模式之電路示意圖。

圖8為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統處於雙輸入電源聯合供電狀態之波形圖。

圖9為對應圖8之工作模式之電路示意圖。

圖10為根據本發明實施例之單輸入電源獨立供電狀態之轉換效率圖。

圖11為根據本發明實施例之充電狀態之轉換效率圖。

圖12為根據本發明實施例之雙輸入電源聯合供電狀態之轉換效率圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。

〔混合式電力轉換系統的實施例〕

請參照圖1，圖1為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統 之區塊示意圖。在本實施例中，混合式電力轉換系統100具有雙輸入電源，可以將低壓側燃料電池與鋰電池電壓昇壓轉換為高電壓位準直流匯流排。如圖1所示，混合式電力轉換系統100包括第一直流電路110、第二直流電路120、箝制電路130、中壓平衡電路140、充電電路150與高壓電路160。在一實施例中，本揭露內容之混合式電力轉換系統100可以適用於一移動載具之供電系統。

在本實施例中，箝制電路130電性連接第一直流電路110與第二直流電路120。中壓平衡電路140電性連接箝制電路130。高壓電路160電性連接中壓平衡電路140。充電電路150電性連接第二直流電路120。

關於第一直流電路110，第一直流電路110具有第一電壓V_FC ，其能量來源可以是太陽能、風力或其他以類似方式從大自然取得之潔淨能源。此外，在本揭露內容中，第一直流電路110作為主電源電路，並根據所接收之第一開關信號T1來進行對應之相關動作，並據此提供一第一電源電能。具體來說，第一直流電路110為根據第一開關信號T1之責任週期來進行對應的動作，並且利用第一耦合電感之一次側漏感L_k1 ，並控制第一低壓開關S₁ 電流上升速度以達成柔性切換，降低切換損失、提高轉換效率。

關於第二直流電路120，第二直流電路120具有第二電壓V_BT ，其能量來源為充電電池，例如鋰電池。在本實施例中，其能量來源為磷酸鋰鐵電池，但並不以本實施例為限。此外，在本揭露內容中，第二直流電路120作為副電源電路，並根據所接收之第二開關信號T2來進行對應之相關動作。具體來說，第二直流電路120為根據第二開關信號T2之責任週期來進行對應的動作，並利用第二耦合電感之一次側漏感L_k2 ，控制第二低壓開關S₂ 之電流上升速度以達成柔性切換，降低切換損失、提高轉換效率。須注意的是，在本實施例中，第一電壓V_FC 與第二電壓V_BT 為不同電壓等級之輸 入。

關於箝制電路130，本揭露內容利用箝制電路130來吸收漏感能量以保護第一直流電路110與第二直流電路120，藉此以避免損壞混合式電力轉換系統100之正常功能。具體來說，箝制電路130能夠避免輸入電源之漣波(Ripple)或突波(Spike)所造成之瞬間電壓變化之發生，並且能夠將電壓箝制在特定電壓範圍內。在一實施例中，箝制電路130能夠將電壓箝制在40伏特左右，故第一直流電路110與第二直流電路120不需要太高的耐壓規格，因此可避免過大的電壓突波且避免電路元件損毀。

關於中壓平衡電路140，中壓平衡電路140具有第一昇壓比值與第二昇壓比值，其中第一昇壓比值相關於第一直流電路110，並且第二昇壓比值相關於第二直流電路120。中壓平衡電路140透過與第一直流電路110之間的第一耦合感應方式以產生第三電壓V3或透過與第二直流電路120之間的第二耦合感應方式以產生第四電壓V4，其中第三電壓V3等於第一電壓V_FC 乘以第一昇壓比值，並且第四電壓V4等於第二電壓V_BT 乘以第二昇壓比值。值得一提的是，第一耦合感應方式與第二耦合感應方式為電感耦合感應方式，並且第一耦合感應方式指示為同一耦合電感之相異側進行感應，而第二耦合感應方式指示為另一耦合電感之相異側進行感應。

關於充電電路150，充電電路150具有第三昇壓比值，充電電路150透過與第一直流電路110之間的第一耦合感應方式產生充電電壓VCA，其中充電電壓VCA為第一電壓V_FC 乘以第三昇壓比值，其中當充電電壓VCA大於第二電壓V_BT (定義為第二供電模式)時，則充電電路150會輸出充電電流ICA以對第二直流電路120進行充電。

關於高壓電路160，高壓電路160接收第三電壓V3與第四電壓V4，以傳送輸出電壓V_O 與輸出電流I_O 來驅動負載170，其中輸出電壓V_O 又稱為高壓準位匯流排，用以提供至負載170。高壓準 位匯流排可以作為交流器負載中之反流器之前端或移動載具中的伺服馬達所需直流電壓，因此本揭露內容可以達到多輸入多輸出之混合式電力轉換系統100。值得一提的是，其中第三電壓V3與第四電壓V4之產生為分別對應於第一直流電路110與第二直流電路120，並且當移動載具穩定行駛時，則混合式電力轉換系統100為處於單輸入電源獨立供電狀態，而第三電壓V3之電壓值不為零且第四電壓V4之電壓值為零；當移動載具加速或爬坡行駛時，則混合式電力轉換系統100為處於雙輸入電源聯合供電狀態，而第三電壓V3之電壓值與第四電壓V4之電壓值不為零。

在本實施例中，混合式電力轉換系統100更包括一偵測器180與電性連接至偵測器180之控制器190。偵測器180用以偵測負載之功率需求狀態。此外，控制器190根據偵測器180之判斷結果分別輸出第一開關信號T1與第二開關信號T2至對應的第一直流電路110與第二直流電路120以分別進一步調整第一直流電路110與第二直流電路120之動作，藉此以決定混合式電力轉換系統100進入第一供電模式或第三供電模式。也就是說，依照負載之功率需求來決定混合式電力轉換系統100該進入第一供電模式或第二供電模式，其中第一供電模式定義為負載處於中功率需求之狀態，並且第三供電模式定義為負載處於高功率需求之狀態。值得一提的是，只要啟動第二供電模式之充電條件一旦成立，第二供電模式可以與第一供電模式共存於混合式電力轉換系統100，或者，第二供電模式亦可以與第三供電模式共存於混合式電力轉換系統100，因此本揭露內容能夠達到多輸入多輸出直流/直流轉換器之功效。再者，控制器190為全數位化控制器(all digital controller)，藉此能夠有效控制雙電源之功率匹配，改善傳統類比控制器不易彈性修正之缺點。

接下來要教示的，是進一步說明混合式電力轉換系統100的工作原理。同樣地，在進行下述說明前，須先說明的是，以下將 就混合式電力轉換系統100之第一供電模式、第二供電模式與第三供電模式分別進行詳細說明，並且以混合式電力轉換系統100應用於一移動載具之供電系統作為一範例說明以更瞭解本揭露內容，但本揭露內容之混合式電力轉換系統100並不以應用於移動載具為限。

第一供電模式：移動載具處於穩定行駛狀態

請繼續參照圖1，當偵測器180偵測到移動載具處於一第一供電模式時，則偵測器180會將此判斷結果RS傳送至控制器190。接著，控制器190會根據所接收到之第一供電模式之判斷結果RS會分別輸出第一開關信號T1與第二開關信號T2至對應的第一直流電路110與第二直流電路120以調整其作動。此時，混合式電力轉換系統100處於「單輸入電源獨立供電狀態」，混合式電力轉換系統100會透過第一直流電路110與第二直流電路120兩者之一來輸出單電源能量。亦即，在本實施例中，混合式電力轉換系統100會透過第一直流電路110、箝制電路130與中壓平衡電路140，來輸出第三電壓V3至高壓電路160，藉此來傳送單輸入電源能量至負載170，具體來說，第一直流電路110與中壓平衡電路140會透過第一耦合感應方式將第一電壓V_FC 昇壓至第三電壓V3。或者，在另一實施例中，混合式電力轉換系統100會透過第二直流電路120、箝制電路130與中壓平衡電路140，來輸出第四電壓V4至高壓電路160，藉此來傳送單輸入電源能量至負載170。具體來說，第二直流電路120與中壓平衡電路140會透過第二耦合感應方式將第二電壓V_BT 昇壓至第四電壓V4。

第二供電模式：充電狀態

當移動載具處於第一供電模式或第三供電模式時，作為主電源電路之第一直流電路110都會透過第一耦合感應方式傳遞能量至充電電路150，亦即提高充電電壓VCA之電壓值。因此，只要充電電路150上的充電電壓VCA大於第二直流電路120之第二電 壓V_BT ，則混合式電力轉換系統100會啟動第二供電模式來進行充電。進一步來說，充電電路150會產生充電電流ICA並且對第二直流電路120進行充電，以提升第二電壓V_BT 之電壓值，亦即充電電流ICA會對第二直流電路內之充電電池(例如鋰電池)進行充電。值得一提的是，不論移動載具處於穩定或加速或爬坡之行駛狀態，只要當充電電壓VCA大於第二電壓V_BT 之充電條件一旦成立，則充電電路150即會對鋰電池進行充電。簡單來說，本發明實施例能夠透過電感耦合感應方式來使得燃料電池(主電源電路)先將能量感應傳送至充電電路150，再對鋰電池進行充電(當充電條件成立時)。

第三供電模式：移動載具處於加速或爬坡行駛狀態

當偵測器180偵測到移動載具處於一第三供電模式時，則偵測器180會將此判斷結果RS傳送至控制器190。接著，控制器190會根據所接收到之第三供電模式之判斷結果RS會分別輸出第一開關信號T1與第二開關信號T2至對應的第一直流電路110與第二直流電路120以調整其作動。此時，混合式電力轉換系統100處於「雙輸入電源聯合供電狀態」，混合式電力轉換系統100透過第一直流電路110(亦即主電源電路)與第二直流電路120(亦即副電源電路)來同時輸出雙電源能量至負載170，以提供移動載具瞬間加速及爬坡時大功率之需求。進一步來說，主電源電路與負電源電路會分別透過第一耦合感應方式與第二耦合感應方式來提供能量至中壓平衡電路140，亦即分別將第一電壓V_FC 昇壓至第三電壓V3，第二電壓V_BT 昇壓至第四電壓V4。接者，高壓電路160會將所接收到之第三電壓V3與第四電壓V4傳送至高壓位準匯流排，亦即高壓電路160會傳送輸出電壓V_O 與輸出電流I_O 至負載170。

據此，本發明實施例所提出之混合式電力轉換系統100，利用雙輸入電源(主電源電路與副電源電路)之間的互補且透過第一供電模式(單輸入電源獨立供電狀態)、第二供電模式(充電狀態)與第 三供電模式(雙輸入電源聯合供電狀態)之工作機制，來達到多功能混合式供電至移動載具以提升其行駛距離及滿足其瞬間大功率之需求。

為了更詳細地說明本發明所述之混合式電力轉換系統100的運作流程，以下將舉多個實施例中至少之一來作更進一步的說明。

在接下來的多個實施例中，將描述不同於上述圖1實施例之部分，且其餘省略部分與上述圖1實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。

〔混合式電力轉換系統的另一實施例〕

請參照圖2，圖2為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統之電路示意圖。如圖2所示，與上述圖1實施例不同的是，在本實施例中，第一直流電路110包括第一直流電源V_FC (亦即第一電壓)、第一輸入濾波電容C_FC 、第一低壓開關S₁ 與第一耦合電感之一次側繞組L_1P ，其中第一耦合電感之符號為T_r1 。第二直流電路120包括第二直流電源V_BT (亦即第二電壓)、第二輸入濾波電容C_BT 、第二低壓開關S₂ 與第二耦合電感之一次側繞組L_2P ，其中第二耦合電感之符號為T_r2 。箝制電路130包括第一箝制二極體D_C1 、第二箝制二極體D_C2 與箝制電容C₁ 。中壓平衡電路140包括第一組昇壓電路與第二組昇壓電路。第一組昇壓電路包括第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 、第一中壓電容C₂ 與第一導向二極體D₂ 。第二組昇壓電路包括第二耦合電感之二次側繞組L_2S 、第二中壓電容C₃ 與第二導向二極體D₃ 。充電電路150包括充電二極體D₁ 與第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 。高壓電路160包括輸出二極體D_O 與輸出電容C_O 。

在本實施例中，關於第一直流電路110，第一輸入濾波電容C_FC 之其一端連接第一直流電源V_FC 之正端，第一輸入濾波電容C_FC 之另一端連接接地電壓GND。第一低壓開關S₁ 之閘極接收第一開關信號T1並根據第一開關信號T1之責任週期決定導通或截止狀 態，第一低壓開關S₁ 之源極連接接地電壓GND。第一耦合電感之一次側繞組L_1P 之一端連接第一輸入濾波電容C_FC 之一端且具有電壓極性點，第一耦合電感之一次側繞組L_1P 之另一端連接第一低壓開關S₁ 之汲極與箝制電路130，並且第一耦合電感具有一對二之電感耦合能力，將能量耦合至中壓平衡電路160與充電電路150。第一直流電路110藉由第一低壓開關S₁ 之導通或截止狀態，以儲存或釋放第一耦合電感之一次側繞組L_1P 之能量，並且利用第一耦合電感之一次側漏感L_k1 ，控制第一低壓開關S₁ 之電流上升速度以達成柔性切換，降低第一低壓開關S₁ 之切換損失、提高混合式電力轉換系統200之轉換效率。

關於第二直流電路120，第二輸入濾波電容C_BT 之一端連接第二直流電源V_BT 之正端，第二輸入濾波電容C_BT 之另一端連接接地電壓GND。第二低壓開關S₂ 之閘極接收第二開關信號T2並根據第二開關信號T2之責任週期決定導通或截止狀態，第二低壓開關S₂ 之源極連接接地電壓GND。第二耦合電感之一次側繞組L_2P 之一端連接第二輸入濾波電容C_BT 之一端且具有電壓極性點，第二耦合電感之一次側繞組L_2P 之另一端連接第二低壓開關S₂ 之汲極與箝制電路140。第二直流電路120藉由第二低壓開關S₂ 之導通或截止狀態，以儲存或釋放第二耦合電感之一次側繞組L_2P 之能量，並且利用第二耦合電感之一次側漏感L_k2 ，控制第二低壓開關S₂ 電流上升速度以達成柔性切換，降低第二低壓開關S₂ 之切換損失、提高混合式電路轉換系統200之轉換效率。須注意的是，在本實施例中，第一直流電源V_FC 與第二直流電源V_BT 為不同電壓等級之輸入。

接著，關於箝制電路130，第一箝制二極體D_C1 之陽極連接第一耦合電感之一次側繞組L_1P 之另一端。第二箝制二極體D_C2 之陽極連接第二耦合電感之一次側繞組L_2P 之另一端，第二箝制二極體D_C2 之陰極連接第一箝制二極體D_C1 之陰極。箝制電容C₁ 之一端連接第一箝制二極體D_C1 之陰極與中壓平衡電路140，箝制電容C₁ 之另一端連接接地電壓GND，用以吸收第一耦合電感之一次側繞組L_1P 之漏感能量與第二耦合電感之一次側繞組L_2P 之漏感能量，藉此以保護第一低壓開關S₁ 與第二低壓開關S₂ 。進一步來說，第一箝制二極體D_C1 與第二箝制二極體D_C2 能夠避免逆向回復電流之產生以損害第一低壓開關S₁ 與第二低壓開關S₂ ，因此低壓開關S₁ 及S₂ 不需要太高之耐壓規格即可大幅降低導通損失。另，本揭露內容亦能夠達到自然之零電流切換以降低切換損失進而提高電源轉換效率。

關於第一組昇壓電路，其利用耦合電感之方式來達到倍壓並且具有高昇壓比例與高轉換效率之特性。進一步來說，第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 之一端連接第一箝制二極體D_C1 之陰極且具有電壓極性點。第一中壓電容C₂ 之一端連接第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 之另一端。第一導向二極體D₂ 之陽極連接第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 之一端，第一導向二極體D₂ 之陰極連接第一中壓電容C₂ 之另一端。第一耦合電感之一次側繞組L_1P 與第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 之間的匝數比為第一昇壓比值，並且第一昇壓比值與第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 之匝數成正比。再者當第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 產生第一感應電壓時，則會產生第一感應電流經由第一導向二極體D₂ 向第一中壓電容C₂ 之另一端進行充電，以提高第三電壓V3之電壓值，藉此將第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 與第一中壓電容C₂ 之能量傳送至高壓電路160，其中第一導向二極體D₂ 能夠避免逆向回復電流之產生，以達到高轉換效率及高昇壓比例之功效。

關於第二組昇壓電路，其亦是利用電感耦合之方式來達到高昇壓比例並且具有高轉換效率之特性。此外，第二耦合電感之二次側繞組L_2S 之一端連接第一中壓電容C₃ 之另一端且具有電壓極性點。第二中壓電容C₃ 之一端連接第二耦合電感之二次側繞組L_2S 之另一端。第二導向二極體D₃ 之陽極連接第二耦合電感之二次側 繞組L_2S 之一端，第二導向二極體D₃ 之陰極連接第二中壓電容C₃ 之另一端。第二耦合電感之一次側繞組L_2P 與第二耦合電感之二次側繞組L_2S 之間的匝數比為第二昇壓比值，並且第二昇壓比值與第二耦合電感之二次側繞組L_2S 之匝數成正比。再者，當第二耦合電感之二次側繞組L_2S 產生第二感應電壓時，則會產生第二感應電流經由第二導向二極體D₃ 向第二中壓電容C₃ 之另一端進行充電，以提高第四電壓V4之電壓值，藉此將第二耦合電感之二次側繞組L_2S 與第二中壓電容C₃ 之能量傳送至高壓電路160，其中第二導向二極體D₃ 能夠避免逆向回復電流之產生，以達到高轉換效率之及高昇壓比例之功效。

關於充電電路150，充電二極體D₁ 之陰極連接第二直流電源V_BT 之正端。第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之一端連接充電二極體D₁ 之陽極且具有電壓極性點，第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之另一端連接接地電壓GND，其中第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之兩端的電壓為充電電壓VCA。第一耦合電感之一次側繞組L_1P 與第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之間的匝數比為第三昇壓比值，並且當充電電壓VCA大於第二電壓(亦即第二直流電源V_BT )時，則產生充電電流ICA經由充電二極體D₁ 對第二直流電源V_BT 進行充電，以將第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之漏感能量傳送至第二直流電路120，其中設計者能夠透過第一耦合電感之一次側繞組L_1P 與第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之間的匝數比之設計來決定充電條件。值得一提的是，在本實施例中，第一耦合電感之一次側繞組L_1P 、二次側繞組L_1S1 與三次側繞組L_1S2 為纏繞在同一根鐵芯，因此能夠提高鐵芯之利用率，也就是說，第一耦合電感之一次側繞組L_1P 之能量能夠透過耦合電感之方式將能量感應至第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 與三次側繞組L_1S2 。

關於高壓電路160，輸出二極體D₀ 之陽極連接第二中壓電容C_O 之另一端，輸出二極體D_O 用以提供能量之傳送路徑，能夠避免 逆向回復電流之產生。輸出電容C_O 之一端連接輸出二極體D_O 之陰極，輸出電容C_O 之另一端連接接地電壓GND，用以穩定輸出電壓V_O 。輸出二極體D_O 將所接收之第三電壓V₃ 與第四電壓V₄ 之能量傳送至輸出電容C_O 以儲存，並且當輸出電容C_O 並聯連接負載170時，則輸出電容C_O 會傳送輸出電壓V_O 與輸出電流I_O 至負載170，藉此以將所儲存之能量傳送至負載170。

接下來要教示的，是進一步說明混合式電力轉換系統200的工作原理。同樣地，在進行下述說明前，須先說明的是，以下將就混合式電力轉換系統200之第一供電模式、第二供電模式與第三供電模式分別進行詳細說明，並且以混合式電力轉換系統200應用於一移動載具之供電系統作為一範例說明以更瞭解本揭露內容，但本揭露內容之混合式電力轉換系統200並不以應用於移動載具為限。再者，請參照圖3，圖3為對應圖2之混合式電力轉換系統之等效電路圖。以下之說明，請同時對應圖2與圖3之間的對應關係，本領域具有通常知識者應可理解等效電路之對應關係，在此不再贅述。

請同時參照圖2~圖5，圖4為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統處於單輸入電源獨立供電狀態之波形圖。圖5為對應圖4之工作模式之電路示意圖。首先，定義第一低壓開關S₁ 之責任週期為d₁ ，第二低壓開關S₂ 之責任週期為d₂ ，開關切換週期為T_s 。依照第一低壓開關S₁ 與第二低壓開關S₂ 之切換情形可分為三種狀態，並且設定第一直流電源V_FC 為第一優先供應者。第一種為混合式電力轉換系統200處於單輸入電源獨立供電狀態，第二種為混合式電力轉換系統200處於充電狀態，第三種為混合式電力轉換系統200處於雙輸入電源聯合供電狀態。以下依序根據此三種狀態配合附圖以進行詳細說明。

須說明的是，耦合電感T_r1 可等效為一次側繞組L_1P 、二次側繞組L_1S1 、三次側繞阻L_1S2 、一次側激磁電感L_mp1 以及一次側漏電感 為L_k1 ，其中二次側繞組L_1S1 對一次側繞組L_1P 之匝數比為N₁ =n₁₂ /n₁₁ ，三次側繞阻L_1S2 對一次側繞組L_1P 之匝數比為N₂ =n₁₃ /n₁₁ ；耦合電感T_r2 可等效為一次側繞組L_2P 、二次側繞組L_2S 、一次側激磁電感L_mp2 以及一次側漏電感為L_k2 ；其中二次側繞組L_2S 對一次側繞組L_2P 之匝數比為N₃ =n₂₂ /n₂₁ ；而耦合電感T_r1 及T_r2 之耦合係數k₁ 及k₂ 亦可定義為式(1)及式(2)

k ₁ =L _{mp 1} /(L _{k 1} +L _{mp 1} )式(1)

k ₂ =L _{mp 2} /(L _{k 2} +L _{mp 2} )式(2)

第一供電模式：移動載具處於穩定行駛狀態

在本實施例中，當偵測器180偵測到移動載具處於一第一供電模式(當移動載具處於穩定行駛狀態)時，則偵測器180會將此判斷結果RS傳送至控制器190(請配合參照圖1之偵測器180與控制器190)。接著，控制器190會根據所接收到之第一供電模式之判斷結果RS會分別輸出第一開關信號T1與第二開關信號T2至對應的第一低壓開關S₁ 與第二低壓開關S₂ 以調整其作動。此時，混合式電力轉換系統200處於「單輸入電源獨立供電狀態」，混合式電力轉換系統200根據模式一~模式六且透過第一直流電路110與第二直流電路120兩者之一來輸出單電源能量。在此，為了方便說明本實施例，以第一直流電源V_FC 為第一優先供應者，但不以本實施例作為限制，設計者可以根據實際應用需求來作設定。以下就第一供電模式下的五種模式來進行詳細說明。

1.模式一[t0~t1]：請對應於圖5(a)，第一低壓開關S₁ 已經導通一段時間，此時第一輸入電壓V_FC 對第一耦合電感之一次側激磁電感L_mp1 激磁充電，且產生一感應電壓且依匝數比感應電壓至第一耦合電感之二次側繞組L_1s1 ，並且繞組電壓極 性點端為正。此時，第一導向二極體D₂ 導通，第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 經由第一導向二極體D₂ 對第一中壓電容C₂ 進行充電，以提高其電容電壓V_C2 。對應於圖5(a)

2.模式二[t1~t2]：請對應於圖5(b)，此模式下，第一低壓開關S₁ 截止，由於漏感能量需要釋放，此時，第一導向二極體D₂ 持續導通，藉此以釋放漏感能量至第一中壓電容C₂ ，同時一次側漏感L_k1 需要續流，第一箝制二極體D_C1 自然導通以承接漏感電流i_Lk1 及第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 電流之差，以等待二次側漏感續流完畢結束此模式。

3.模式三[t2~t3]：請對應於圖5(c)，第一低壓開關S₁ 持續截止，此時二次側漏感已經釋放完畢，第一耦合電感T_r1 之所有繞組變換極性，非極性點為正。一次側激磁電感L_mp1 經由第一耦合電感之一次側繞組L_1P 傳送能量至第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 ，此時輸出二極體D_O 自然導通，將第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 及第一中壓電容C₂ 的能量一併傳送到高壓電路160之輸出端，進而傳送輸出電壓V_O 至負載170或R。

4.模式四[t3~t4]：請對應於圖5(d)，第一低壓開關S₁ 持續截止，第一耦合電感T_r1 之一次側漏感能量對箝制電容C₁ 之電容電壓V_C1 釋放能量完畢，此時第一箝制二極體D_C1 逆偏。箝制電容C₁ 、第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 及第一中壓電容C₂ ，一併對高壓電路160輸出端釋放能量。

5.模式五[t4~t5]：請對應於圖5(e)，第一低壓開關S₁ 因觸發訊號(第一開關信號T1)而導通，高壓電路160之輸出二極體D_O 持續導通，此模式下，由於第一箝制二極體D_C1 無逆向回復電流且第一耦合電感T_r1 之一次側漏感L_k1 限制一次側電流i_L1P 上升率，致使此模式下，第一低壓開關S₁ 觸發訊號之導通瞬間並無法從任何路徑得到電流，形成自然的零 電流切換(Zero Current Switching,ZCS)現象，以減少切換損失，等待第一耦合電感T_r1 極性變換結束此模式完成一切換週期(Switching Cycle)，緊接著工作模式則回到模式一的情形。

關於電壓增益： 由於耦合電感T_r1 及T_r2 採三明治疊繞方式，線圈耦合效果良好，而且耦合電感之漏感能量對相對鐵粉芯容量小，只要做好電壓箝制的功效，充分吸收漏感能量，對於系統電壓影響並不會很高。為簡化數學方程式，便於理論分析，茲將耦合係數定義為1，由模式一中可以得知，在第一低壓開關S₁ 之導通期間，第一耦合電感T_r1 一次側激磁電感電壓V/_Lmp1 可以表示成如式(3)v _{Lmp 1} =V _FC 式(3)

根據式(3)得知，耦合電感T_r1 一次側激磁電感電壓感應至二次側電壓，因此第一中壓電容C₂ 之電容電壓V_C2 可以表示為如式(4)所示V _{C 2} =N ₁ V _FC 式(4)

接著，根據伏秒平衡(Volt-Second Balance)理論，週期內耦合電感T_r1 一次側激磁電感L_mp1 之平均電壓為零，其關係式可表示為如式(5)所示d ₁ V _FC T _S +(1-d ₁ )(V _FC -V _{C 1} )T _S =0 式(5)由模式四中得知一次側激磁電感電壓可表示為如式(6)所示v _{Lmp 1} =V _FC -V _{C 1} =[-d ₁ /(1-d ₁ )]V _FC 式(6)因此，二次側繞組電壓可表示為如式(7)所示v _{L 1s 1} =N ₁ [-d ₁ /(1-d ₁ )]V _FC 式(7)此外，模式四中，高壓電路輸出端方程式可表示為如式(6)所示V _O =V _{C 1} -v _{L 1s 1} +V _{C 2} 式(8)整理式(2)至式(8)，第一直流電源V_FC 至高壓電路160輸出端之昇 壓比例G_V1 可計算如式(9)：

第二供電模式：充電狀態

請同時參照圖2~圖3與圖6~圖7，圖6為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統處於充電狀態之波形圖。圖7為對應圖6之工作模式之電路示意圖。當混合式電力轉換系統處於第一供電模式或第三供電模式時，作為主電源電路之第一直流電路110都會透過第一耦合感應方式傳遞能量至充電電路150，亦即提高充電電壓VCA之電壓值。因此，只要充電電路150上的充電電壓VCA大於第二直流電路120之第二電壓V_BT ，則混合式電力轉換系統200會啟動第二供電模式，透過第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之漏感能量來對第二直流電源V_BT 進行充電。以下就混合式電力轉換系統200之充電模式下的六種模式來進行詳細說明。

1.模式一[t0~t1]：請對應圖7(a)，此模式下，第一低壓開關S₁ 已經導通一段時間，此時第一直流電源V_FC 對第一耦合電感T_r1 之一次側激磁電感L_mp1 激磁充電，產生一感應電壓且依匝數比感應電壓至第一耦合電感之二次側繞阻L_1S1 ，第一耦合電感T_r1 之所有繞組電壓極性點端為正。此時，第一導向二極體D₂ 導通，第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 經由第一導向二極體D₂ 對第一中壓電容C₂ 充電，並經由第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 對第二直流電源V_BT 進行充電。

2.模式二[t1~t2]：請對應圖7(b)，第一低壓開關S₁ 截止，由於漏感能量需要釋放，此時，第一導向二極體D₂ 持續導通，釋放漏感能量至第一中壓電容C₂ ，同時一次側漏感L_k1 需要 續流，第一箝制二極體D_C1 自然導通以承接漏感電流i_LK1 及第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 之電流之差，第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 持續對第二直流電源V_BT 進行充電，等待二次側漏感續流完畢結束此模式。

3.模式三[t2~t3]：請對應圖7(c)，第一低壓開關S₁ 持續截止，此時二次側漏感已經釋放完畢，第一耦合電感T_r1 之所有繞組變換極性，非極性點為正，一次側激磁電感L_mp1 經由第一耦合電感之一次側繞組L_1P 傳送能量至第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 。此時，輸出二極體D_O 自然導通，將第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 及第一中壓電容C₂ 之能量一併傳送到高壓電路160輸出端(亦即輸出電壓V_O )，第一耦合電感T_r1 之三次側繞組電流i_L1S2 續流完畢結束此模式。

4.模式四[t3~t4]：請對應圖7(d)，此模式下，第一低壓開關S₁ 持續截止，第一耦合電感T_r1 之三次側繞組電流i_L1S2 續流完畢逕而停止對第二直流電源V_BT 充電，其餘電流方向不變。接著，等待第一耦合電感T_r1 之一次側漏感電流i_LK1 續流完畢結束此模式。

5.模式五[t4~t5]：請對應圖7(e)，第一低壓開關S₁ 持續截止，第一耦合電感T_r1 之漏感能量對箝制電容C₁ 之電容電壓V_C1 釋放能量完畢，此時第一箝制二極體D_C1 逆偏。箝制電容C₁ 、第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 及第一中壓電容C₂ 一併對高壓電路160輸出端釋放能量。

6.模式六[t5~t6]：請對應圖7(f)，第一低壓開關S₁ 觸發訊號(第一開關信號T1)導通，高壓電路160之輸出二極體D_O 持續導通。在此模式下，由於第一箝制二極體D_C1 並無逆向回復電流且第一耦合電感T_r1 之一次側漏感L_k1 限制一次側電流i_L1P 上升率，致使此模式下，第一低壓開關S₁ 之觸發訊號導通瞬間無法從任何路徑得到電流，形成自然的零電流切換 (Zero Current Switching,ZCS)現象，以減少切換損失，等待第一耦合電感Tr1極性變換結束此模式完成一切換週期(Switching Cycle)，緊接著工作模式則回到模式一的情形。

第三供電模式：當移動載具處於加速或爬坡行駛狀態

請同時參照圖2~圖3與圖8~圖9，圖8為根據本發明實施例之混合式電力轉換系統處於雙輸入電源聯合供電狀態之波形圖。圖9為對應圖8之工作模式之電路示意圖。當偵測器180偵測到移動載具處於加速或爬坡行駛狀態時，則偵測器180會將此判斷結果RS傳送至控制器190。接著，控制器190會根據所接收到之判斷結果RS會分別輸出第一開關信號T1與第二開關信號T2至對應的第一低壓開關S₁ 與第二低壓開關S₂ 以調整其作動，以使得混合式電力轉換系統200進入第三供電模式。此時，混合式電力轉換系統200處於「雙輸入電源聯合供電狀態」，混合式電力轉換系統200透過第一直流電路110(亦即主電源電路)與第二直流電路120(亦即副電源電路)來同時輸出雙電源能量至負載170，以提供移動載具瞬間加速及爬坡時大功率之需求。以下就混合式電力轉換系統200之第三供電模式下的八種模式來進行詳細說明。

1.模式一[t0~t1]：請對應圖9(a)，低壓開關S₁ 、S₂ 已經導通一段時間，此時第一耦合電感T_r1 之一次側激磁電感L_mp1 持續激磁儲存能量，並經由第一耦合電感之一次側繞組L_1P 感應至第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 ，藉此對第二耦合電感T_r2 之一次側激磁電感L_mp2 持續激磁，產生一感應電壓且依匝數比分別感應電壓至第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 及第二耦合電感之二次側繞組L_2S ，其中所有繞組電壓極性點端為正。此時，導向二極體D₂ 及D₃ 導通，第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 與第二耦合電感之二次側繞組L_2S 經由導向二極體D₂ 及D₃ 對中壓電容C₂ 及C₃ 充電。

2.模式二[t1~t2]：請對應圖9(b)，此模式下，第二低壓開關S₂ 截止，第一耦合電感T_r1 之三次側繞組L_1S2 之電流持續對第二耦合電感T_r2 之一次側激磁電感L_mp2 激磁。由於漏感能量需要釋放，此時，第二導向二極體D₃ 持續導通，釋放漏感能量至第二中壓電容C₃ ，同時第二耦合電感T_r2 之一次側漏感L_k2 需要續流，故第二箝制二極體D_C2 自然導通以承接漏感電流i_LK2 及第二耦合電感之二次側繞組L_2S 之電流之差，等待二次側漏感續流完畢結束此模式。

3.模式三[t2~t3]：請對應圖9(c)，第一低壓開關S₁ 持續導通，而第二低壓開關S₂ 持續截止，第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之電流持續對第二耦合電感T_r2 之一次側激磁電感L_mp2 激磁。此時，第二耦合電感T_r2 之二次側漏感已經釋放完畢，第二耦合電感T_r2 之所有繞組變換極性，非極性點為正，一次側激磁電感L_mp2 經由第二耦合電感之一次側繞組L_2P 傳送能量至第二耦合電感之二次側繞組L_2S 。此時，輸出二極體D_O 自然導通，將第二耦合電感之二次側繞組L_2S 及第二中壓電容C₃ 之能量一併傳送到高壓電路輸出端。

4.模式四[t3~t4]：請對應圖9(d)，第一低壓開關S₁ 持續導通，而第二低壓開關S₂ 持續截止，第二耦合電感T_r2 之一次側漏感能量對箝制電容C₁ 之電容電壓V_C1 釋放能量完畢，而第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 之電流對第二直流電源V_BT 釋放能量。此時，第一箝制二極體D_C1 逆偏。箝制電容C₁ 、第二耦合電感之二次側繞組L_2S 及第二中壓電容C₃ 一併對高壓電路輸出端釋放能量。

5.模式五[t4~t5]：請對應圖9(e)，此模式下，第一低壓開關S₁ 截止，由於漏感能量需要釋放，此時，第一導向二極體D₂ 持續導通，釋放漏感能量至第一中壓電容C₂ ，同時第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 持續對第二直流電源V_BT 釋放能 量。由於一次側漏感L_k1 需要續流，所以第一箝制二極體D_C1 自然導通以承接漏感電流i_LK1 及第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 電流之差，等待二次側漏感續流完畢結束此模式。

6.模式六[t5~t6]：請對應圖9(f)，低壓開關S₁ 及S₂ 持續截止，此時第一耦合電感T_r1 之二次側漏感已經釋放完畢，其中第一耦合電感T_r1 之所有繞組變換極性，非極性點為正。一次側激磁電感L_mp1 經由第一耦合電感之一次側繞組L_1P 傳送能量至第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 ，而輸出二極體D_O 持續導通。此時，將第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 與第二耦合電感之二次側繞組L_2S 及第一中壓電容C₂ 及第二中壓電容C₃ 之能量一併傳送到高壓電路輸出端，等待第一耦合電感T_r1 之一次側漏感與第一耦合電感之三次側繞組L_1S2 電流釋放完畢結束此模式。

7.模式七[t6~t7]：請對應圖9(g)，此模式下，低壓開關S₁ 及S₂ 持續截止，輸出二極體D_O 持續導通，第一耦合電感T_r1 之一次側激磁電感L_mp1 經由第一耦合電感之一次側繞組L_1P 傳送能量至第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 。箝制電容C₁ 、第一耦合電感之二次側繞組L_1S1 及第一中壓電容C₂ 之能量持續對負載供電，並經由第二耦合電感之二次側繞組L_2S 傳送能量至第二耦合電感之一次側繞組L_2P ，藉此以對第二耦合電感T_r2 之一次側激磁電感L_mp2 激磁以及透過第二低壓開關S₂ 的寄生二極體對第二直流電源V_BT 釋放能量。

8.模式八[t7~t8]：請對應圖9(h)，低壓開關S₁ 及S₂ 觸發訊號(分別對應於第一開關信號T1與第二開關信號T2)導通，並且高壓電路160之輸出二極體D_O 持續導通。此模式下，由於箝制二極體D_C1 及D_C2 無逆向回復電流，且第一耦合電感T_r1 之一次側漏感限制一次側電流上升率，致使此模式下，第一低壓開關S₁ 及第二低壓開關S₂ 之觸發訊號導通瞬間無法 從任何路徑得到電流，形成自然的零電流切換(Zero Current Switching,ZCS)現象以減少切換損失。等待耦合電感極性變換結束此模式完成一切換週期(Switching Cycle)，緊接著工作模式則回到模式一的情形。

關於電壓增益：為簡化數學方程式，便於理論分析，茲將耦合係數k定義為1，由模式一中可以得知，低壓關關S₁ 、S₂ 導通期間，耦合電感T_r1 、T_r2 一次側激磁電感電壓V_Lmp1 、V_Lmp2 分別為如式(10)及式(11)所示v _{Lmp 1} =V _FC 式(10)

v _{Lmp 2} =V _BT 式(11)

根據式(10)及式(11)得知，耦合電感T_r1 、T_r2 一次側激磁電感電壓感應至二次側電壓，因此中壓電容C2與C3之電容電壓V_C2 、V_C3 可以表示為如式(12)及式(13)所示V _{C 2} =N ₁ V _FC 式(12)

V _{C 3} =N ₃ V _BT 式(13)

於模式七中，耦合電感T_r1 一次側激磁電感L_mp1 能量傳送至二次側繞組L_1S1 ，經由耦合電感T_r2 二次側繞組L_2S 傳送至一次側繞組L_2P ，致使低壓開關S₂ 的寄生二極體導通，耦合電感T_r2 一次側繞組L_2P 電壓為V_BT ，因此二次側L_2S 電壓可以表示為如式(14)所示v _{L 2s} =N ₃ V _BT 式(14)

定義模式七區間時間為d_X T_S =t_7- t₆ 及模式五與模式六區間時間為d_L T_S =t_6- t₄ ，根據伏秒平衡(Volt-Second Balance)理論，週期內耦合電感一次側激磁電感L_mp1 、L_mp2 之平均電壓為零，其關係式可表示為如式(15)及式(16)所示d ₁ V _FC T _S +(1-d ₁ )(V _FC -V _{C 1} )T _S =0 式(15)

(d ₂ +d _x )V _BT T _S +(1-(d ₂ +d _x ))(V _BT -V _{C 1} )T _S =0 式(16)

由於耦合電感T_r2 一次側激磁電感L_mp2 從模式七開始激磁，因此L_mp2 激磁時間為d₂ +d_X ，其中d_X =1-d₁ -d_L ，d_L 為耦合電感T_r1 一次 側漏感續流時間，可表示為如式(17)所示d _L =(t ₆ -t ₄ )/T _s =2[(1-d ₁ )/(N ₁ +1)] 式(17)

根據式(15)及式(16)，耦合電感T_r1 、T_r2 一次側激磁電感電壓可表示為如式(17)及式(18)所示v _{Lmp 1} =[-d ₁ /(1-d ₁ )]V _FC =V _FC -V _{C 1} 式(18)

v _{Lmp 2} =[-(d ₂ +d _x )/(1-(d ₂ +d _x ))]V _BT =V _BT -V _{C 1} 式(19)

因此耦合電感T_r1 、T_r2 二次側繞組電壓V_L1S1 、V_L2S 可表示為如式(20)及式(21)所示v _{L 1s 1} =N ₁ [-d ₁ /(1-d ₁ )]V _FC 式(20)

v _{L 2s} =N ₃ [-(d ₂ +d _x )/(1-(d ₂ +d _x ))]V _BT 式(21)觀察模式七，高壓電路輸出端之輸出電壓V_O 可表示為如式(22)所示V _O =V _{C 1} -v _{L 1s 1} +V _{C 2} -v _{L 2s} +V _{C 3} 式(22)根據式(13)、式(14)及式(22)，高壓電路輸出端之輸出電壓方程式可以簡化為如式(23)所示V _O =V _{C 1} -v _{L 1s 1} +V _{C 2} 式(23)整理式(12)、式(18)、式(20)及式(23)，第一直流電源V_FC 至高壓電路輸出端之昇壓比例G_V2 可計算如式(24)所示 接著，請再觀察模式四，高壓電路160之輸出端之電壓方程式可以表示為如式(25)所示V _O =V _{C 1} -v _{L 2s} +V _{C 3} 式(25)整理式(13)、式(19)、式(21)及式(25)，第二直流電源V_BT 至高壓輸出端V_O 之昇壓比例G_V3 表示為如式(26)所示

接下來，請參照圖10~圖12，圖10為根據本發明實施例之單輸入電源獨立供電狀態之轉換效率圖。圖11為根據本發明實施例之充電狀態之轉換效率圖。圖12為根據本發明實施例之雙輸入電源聯合供電狀態之轉換效率圖。從圖10可知第一直流電源V_FC 之獨立供電狀態之電源轉換效率，其測試條件為燃料電池電壓(第一電壓V_FC )12V且高壓電路160之輸出電壓V_O 為200V，昇壓比例超 過16倍，在此操作狀態下之最高轉換效率可高於96.69%，並且平均轉換效率高於93%。從圖11可知於第一直流電源V_FC 之放電狀態與第二直流電源V_BT 之充電狀態之電源轉換效率，其測試條件為燃料電池電壓(第一電壓V_FC )12V以及蓄電池電壓(第二電壓V_BT )24V與高壓電路160之輸出電壓V_O 為200V，在此操作狀態下之最高轉換效率可高於96.3%，且平均轉換效率高於93%。此外，從圖12可知於第一直流電源V_FC 與第二直流電源V_BT 之放電狀態之電源轉換效率，其測試條件為燃料電池電壓(第一電壓V_FC )12V以及蓄電池電壓(第二電壓V_BT )24V與高壓電路160之輸出電壓V_O 為200V，在此操作狀態下之最高轉換效率可高於96.2%，且平均轉換效率高於92%。簡言之，由圖10至圖12可得知該混合式電力轉換系統100、200具有高昇壓比例及高電源轉換效率之特性。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例所提供的混合式電力轉換系統，利用雙輸入電源之間的互補且透過第一供電模式(單輸入電源獨立供電狀態)、第二供電模式(充電狀態)與第三供電模式(雙輸入電源聯合供電狀態)之工作機制，能夠同時控制第一直流電源與第二直流電源以達到穩定輸出電壓及減小輸出電壓漣波之功效。

在本揭露內容多個實施例中至少一實施例，主電源電路內之第一直流電源能夠對副電源電路內的第二直流電源充電以維持電量，藉此以避免混合式電力轉換系統需要多組轉換器來提供不同電壓等級輸入供電之問題，達到控制簡單、降低系統成本與提高功率密度之效用。再者，混合式電力轉換系統內的所有開關均操作於柔性切換或零電流切換，有效降低第一低壓開關與第二低壓開關之切換損失。

在本揭露內容多個實施例中至少一實施例，用於移動載具供電用之混合式電力轉換系統，具有高昇壓比、低切換損失、不同電壓等級輸入與低導通損失之特點，藉此能夠提高移動載具對加 速與爬坡時對大功率之需求，並提升整體轉換效率與移動載具之行駛距離或續航能力。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。

200‧‧‧混合式電力轉換系統

110‧‧‧第一直流電路

120‧‧‧第二直流電路

130‧‧‧箝制電路

140‧‧‧中壓平衡電路

150‧‧‧充電電路

160‧‧‧高壓電路

170‧‧‧負載

C_O ‧‧‧輸出電容

C₁ ‧‧‧箝制電容

C₂ ‧‧‧第一中壓電容

C₃ ‧‧‧第二中壓電容

C_BT ‧‧‧第二輸入濾波電容

C_FC ‧‧‧第一輸入濾波電容

D_O ‧‧‧輸出二極體

D₁ ‧‧‧充電二極體

D₂ ‧‧‧第一導向二極體

D₃ ‧‧‧第二導向二極體

D_C1 ‧‧‧第一箝制二極體

D_C2 ‧‧‧第二箝制二極體

GND‧‧‧接地電壓

ICA‧‧‧充電電流

L_1P ‧‧‧第一耦合電感之一次側繞組

L_1S1 ‧‧‧第一耦合電感之二次側繞組

L_1S2 ‧‧‧第一耦合電感之三次側繞組

L_2P ‧‧‧第二耦合電感之一次側繞組

L_2S ‧‧‧第二耦合電感之二次側繞組

R‧‧‧負載

S₁ ‧‧‧第一低壓開關

S₂ ‧‧‧第二低壓開關

T1‧‧‧第一開關信號

T2‧‧‧第二開關信號

T_r1 ‧‧‧第一耦合電感

T_r2 ‧‧‧第二耦合電感

V_BT ‧‧‧第二電壓/第二直流電源

V_CA ‧‧‧充電電壓

V_FC ‧‧‧第一電壓/第一直流電源

Claims (10)

1. 一種混合式電力轉換系統，包括：一第一直流電路，具有一第一電壓，接收一第一開關信號並據此提供一第一電源電能；一第二直流電路，電性連接該第一直流電路，該第二直流電路具有一第二電壓且接收一第二開關信號並據此提供一第二電源電能；一箝制電路，電性連接該第一及該第二直流電路，透過吸收漏感能量以保護該第一及該第二直流電路；一中壓平衡電路，具有一第一昇壓比值與一第二昇壓比值，該中壓平衡電路透過與該第一直流電路之間的一第一耦合感應方式以產生一第三電壓或透過與該第二直流電路之間的一第二耦合感應方式以產生一第四電壓，其中該第三電壓等於該第一電壓乘以該第一昇壓比值，並且該第四電壓等於該第二電壓乘以該第二昇壓比值，其中該中壓平衡電路之輸入端電性連接於該箝制電路之輸出端；一充電電路，電性連接該第二直流電路，具有一第三昇壓比值，該充電電路透過與該第一直流電路之間的該第一耦合感應方式產生一充電電壓，其中該充電電壓為該第一電壓乘以該第三昇壓比值；以及一高壓電路，電性連接該中壓平衡電路，該高壓電路接收該第三電壓與該第四電壓，以傳送一輸出電壓與一輸出電流來驅動一負載，其中當該負載處於一第一供電模式時，該混合式電力轉換系統透過該第一直流電路與該第二直流電路兩者之一來輸出單電源能量；當該負載處於一第二供電模式時，該混合式電力轉換系統透過該第一直流電路來輸出 單電源能量，並且透過該充電電路對該第二直流電路進行充電，其中該第二供電模式為當該充電電壓大於該第二電壓；以及當該負載處於一第三供電模式時，該混合式電力轉換系統透過該第一及該第二直流電路來同時輸出雙電源能量，其中該輸出電壓為一高壓準位匯流排。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混合式電力轉換系統，更包括：一偵測器，用以偵測該負載之功率需求狀態；以及一控制器，電性連接該偵測器，該控制器根據該偵測器之判斷結果，分別輸出該第一開關信號與該第二開關信號至對應的該第一直流電路與該第二直流電路，藉此決定該混合式電力轉換系統進入該第一供電模式或該第三供電模式，其中該第一供電模式定義為該負載處於中功率需求之狀態，並且該第三供電模式定義為該負載處於高功率需求之狀態，其中該高壓準位匯流排可以作為交流器負載中之反流器之前端或該移動載具中的伺服馬達所需直流電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之混合式電力轉換系統，其中該第一耦合感應方式與該第二耦合感應方式為電感耦合感應方式，並且該第一直流電路為主電源電路，該第二直流電路為副電源電路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之混合式電力轉換系統，其中該第一直流電路包括：一第一直流電源，用以提供該第一電壓之能量；一第一輸入濾波電容，其一端連接該第一直流電源之正端，其另一端連接一接地電壓；一第一低壓開關，其閘極接收該第一開關信號並據此決定導通 或截止狀態，其源極連接該接地電壓；以及一第一耦合電感之一次側繞組，其一端連接該第一輸入濾波電容之一端且具有電壓極性點，其另一端連接該第一低壓開關之汲極與該箝制電路，其中該第一直流電路藉由該第一低壓開關之導通或截止狀態，以儲存或釋放該第一耦合電感之一次側繞組之能量，並且該第一直流電路利用該第一耦合電感之一次側漏感，控制該第一低壓開關之電流上升速度以達成柔性切換，降低該第一低壓開關之切換損失、並提高該混合式電力轉換系統之轉換效率。
5. 如申請專利範圍第4項所述之混合式電力轉換系統，其中該第二直流電路包括：一第二直流電源，用以提供該第二電壓之能量；一第二輸入濾波電容，其一端連接該第二直流電源之正端，其另一端連接該接地電壓；一第二低壓開關，其閘極接收該第二開關信號並據此決定導通或截止狀態，其源極連接該接地電壓；以及一第二耦合電感之一次側繞組，其一端連接該第二輸入濾波電容之一端且具有電壓極性點，另一端連接該第二低壓開關之汲極與該箝制電路，其中該第二直流電路藉由該第二低壓開關之導通或截止狀態，以儲存或釋放該第二耦合電感之一次側繞組之能量，並且該第一直流電源透過第一耦合感應方式對該第二直流電源提供能量，並且該第二直流電路利用該第二耦合電感之一次側漏感，控制該第二低壓開關之電流上升速度以達成柔性切換，降低該第二低壓開關之切換損失、提高該混 合式電力轉換系統之轉換效率。
6. 如申請專利範圍第5項所述之混合式電力轉換系統，其中該箝制電路包括：一第一箝制二極體，其陽極連接該第一耦合電感之一次側繞組之另一端；一第二箝制二極體，其陽極連接該第二耦合電感之一次側繞組之另一端，其陰極連接該第一箝制二極體之陰極，其中該第一及該第二箝制二極體用以避免逆向回復電流之產生，進而使得該第一及該第二低壓開關達到柔性切換；以及一箝制電容，其一端連接該第一箝制二極體之陰極與該中壓平衡電路，其另一端連接該接地電壓，用以吸收該第一耦合電感之一次側繞組與該第二耦合電感之一次側繞組之漏感能量，藉此以保護該第一低壓開關與該第二低壓開關，並且將漏感能量釋放至該高壓電路之輸出端以提高昇壓比例。
7. 如申請專利範圍第5項所述之混合式電力轉換系統，其中該中壓平衡電路包括：一第一耦合電感之二次側繞組，其一端連接該第一箝制二極體之陰極且具有電壓極性點；一第一中壓電容，其一端連接該第一耦合電感之二次側繞組之另一端；一第一導向二極體，其陽極連接該第一耦合電感之二次側繞組之一端，其陰極連接該第一中壓電容之另一端，用以避免逆向回復電流之產生，其中該第一耦合電感之一次側繞組與該第一耦合電感之二次側繞組之間的匝數比為該第一昇壓比值，並且透過該第一 耦合感應方式使得第一耦合電感之二次側繞組產生一第一感應電壓時，接著產生一第一感應電流經由該第一導向二極體向該第一中壓電容之另一端進行充電，以提高該第三電壓之電壓值，藉此將該第一耦合電感之二次側繞組與該第一中壓電容之能量傳送至該高壓電路以提高昇壓比例。
8. 如申請專利範圍第5項所述之混合式電力轉換系統，其中該中壓平衡電路更包括：一第二耦合電感之二次側繞組，其一端連接該第一中壓電容之另一端且具有電壓極性點；一第二中壓電容，其一端連接該第二耦合電感之二次側繞組之另一端；一第二導向二極體，其陽極連接該第二耦合電感之二次側繞組之一端，其陰極連接該第二中壓電容之另一端，用以避免逆向回復電流之產生，其中該第二耦合電感之一次側繞組與該第二耦合電感之二次側繞組之間的匝數比為該第二昇壓比值，並且透過該第二耦合感應方式使得該第二耦合電感之二次側繞組產生一第二感應電壓時，接著產生一第二感應電流經由該第二導向二極體向該第二中壓電容之另一端進行充電，以提高該第四電壓之電壓值，藉此將該第二耦合電感之二次側繞組與該第二中壓電容之能量傳送至該高壓電路以提高昇壓比例。
9. 如申請專利範圍第5項所述之混合式電力轉換系統，其中該充電電路包括：一充電二極體，其陰極連接該第二直流電源之正端；以及一第一耦合電感之三次側繞組，其一端連接該充電二極體之陽 極且具有電壓極性點，其另一端連接該接地電壓，其中透過該第一耦合感應方式使得該第一耦合電感之三次側繞組之兩端的電壓為該充電電壓，其中該第一耦合電感之一次側繞組與該第一耦合電感之三次側繞組之間的匝數比為該第三昇壓比值，並且當該充電電壓大於該第二電壓時，則產生一充電電流經由該充電二極體對該第二直流電源進行充電，以將該第一耦合電感之三次側繞組之能量傳送至該第二直流電路。
10. 如申請專利範圍第8項所述之混合式電力轉換系統，其中該高壓電路包括：一輸出二極體，其陽極連接該第二中壓電容之另一端，該輸出二極體用以提供能量之傳送路徑；以及一輸出電容，其一端連接該輸出二極體之陰極，其另一端連接該接地電壓，用以穩定該輸出電壓，其中該輸出二極體將所接收之該第三電壓與該第四電壓之能量傳送至該輸出電容以儲存，並且當該輸出電容並聯連接該負載時，則該輸出電容會傳送該輸出電壓與該輸出電流至該負載，藉此以將所儲存之能量傳送至該負載。