TWI509972B - 柔性切換式雙向電源轉換器及其操作方法 - Google Patents

柔性切換式雙向電源轉換器及其操作方法 Download PDF

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Description

柔性切換式雙向電源轉換器及其操作方法
本發明係有關一種電源轉換器及其操作方法，尤指一種柔性切換式雙向電源轉換器及其操作方法。
請參閱第一圖係為先前技術之無隔離式直流對直流轉換器之電路圖。該無隔離式直流對直流轉換器係由一輸入電容Ci、一主電感L、一主開關Sm、一主二極體Db以及一輸出電容Co彼此串、並聯電性連接所構成，並且對一外部負載RL 供電。該傳統的無隔離式直流對直流轉換器係屬硬性切換(hard switching)之架構。因此，若想提高切換頻率將導致切換損失大幅提升，也直接地影響用以提供散熱的散熱裝置尺寸加大。此外，電磁干擾的問題也將因為切換頻率的提高而益加明顯，同時為了解決此電磁干擾問題所需使用的電磁干擾濾波器體積也隨之加大。
再者，傳統的無隔離式直流對直流轉換器僅具有單一的電源傳遞方向，亦即，該無隔離式直流對直流轉換器所產生的電源係由該輸入電容Ci傳遞至該輸出電容Co，並且再提供該外部負載RL 供電。若傳統的無隔離式直流對直流轉換器若要達成雙向轉換，則必須將主二極體更換成開關，並且此種雙向之轉換器所採用之柔性切換甚為複雜。
因此，如何設計出一種架構簡單之柔性切換式雙向電源轉換器 及其操作方法，透過控制單元所產生互補之控制信號，對應控制雙向開關組之兩電晶體開關，以實現雙向電源傳遞時皆有柔性切換，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。
本發明之一目的在於提供一種柔性切換式雙向電源轉換器，以克服習知技術的問題。因此本發明柔性切換式雙向電源轉換器具有輸入側與輸出側，係包含雙向開關模組、主電感、第一開關模組、第二開關模組以及控制單元。雙向開關模組係連接輸入側，包含雙向開關以及與雙向開關串聯連接之諧振電感。主電感係並聯連接雙向開關模組。第一開關模組係連接雙向開關模組與主電感，包含第一開關與一第一諧振電容。第二開關模組係連接雙向開關模組與主電感，包含第二開關與第二諧振電容。其中，當諧振電感與第一諧振電容及第二諧振電容產生諧振，使得第一諧振電容的電壓降為零時，控制單元導通第一開關，並且透過高頻切換第一開關，進而控制雙向電源轉換器產生的電源由輸入側傳遞至輸出側；當諧振電感與第一諧振電容及第二諧振電容產生諧振時，使得第二諧振電容的電壓降為零時，控制單元導通第二開關，進而控制雙向電源轉換器產生的電源由輸出側傳遞至輸入側。
本發明之另一目的在於提供一種柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，以克服習知技術的問題。因此本發明操作方法係包含下列步驟：(a)提供雙向開關模組，雙向開關模組係連接輸入側，並且包含雙向開關與諧振電感；(b)提供主電感，主電感係並聯連接雙向開關模組；(c)提供第一開關模組，係連接雙向開關模組與主電感，包含第一開關與第一諧振電容；(d)提供第二開關模組，係連接雙向開關模組與主電感，包含第二開關與第二諧振電容；(e)提供控制單元；以及(f)當諧振電感與第一諧振電容及第二諧振電容產生諧振，使得第一諧振電容的電壓降為零時，控制單元導通第一開關，並且透過高頻切換第一開關，進而控制雙向電源轉換器產生的電源由輸入側傳遞至輸出側； 當諧振電感與第一諧振電容及第二諧振電容產生諧振，使得第二諧振電容的電壓降為零時，控制單元導通第二開關，並且透過高頻切換第二開關，進而控制雙向電源轉換器產生的電源由輸出側傳遞至輸入側。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
 〔先前技術〕
Ci‧‧‧輸入電容
L‧‧‧主電感
Sm‧‧‧主開關
Db‧‧‧主二極體
Co‧‧‧輸出電容
RL ‧‧‧負載
Vi‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
〔本發明〕
10‧‧‧雙向開關模組
11‧‧‧第一開關模組
12‧‧‧第二開關模組
13‧‧‧控制單元
Lr‧‧‧諧振電感
Lm‧‧‧主電感
Sbi‧‧‧雙向開關組
Bch1‧‧‧第一支路
S1‧‧‧第一開關
D1‧‧‧第一二極體
Cr1‧‧‧第一諧振電容
S2‧‧‧第二開關
D2‧‧‧第二二極體
Cr2‧‧‧第二諧振電容
Cin‧‧‧輸入電容
Cout‧‧‧輸出電容
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Sin‧‧‧輸入側
Sout‧‧‧輸出側
Sm1‧‧‧第一金屬氧化物半導體場效電晶體開關
Sm2‧‧‧第二金屬氧化物半導體場效電晶體開關
Sm3‧‧‧第三金屬氧化物半導體場效電晶體開關
Sm4‧‧‧第四金屬氧化物半導體場效電晶體開關
Si1‧‧‧第一絕緣柵雙極電晶體開關
Si2‧‧‧第二絕緣柵雙極電晶體開關
Ssbi‧‧‧雙向開關控制信號
Ssbi1‧‧‧第一雙向開關控制信號
Ssbi2‧‧‧第二雙向開關控制信號
Ss1‧‧‧第一開關控制信號
Ss2‧‧‧第二開關控制信號
t1‧‧‧時間點
t2‧‧‧時間點
S10~S60‧‧‧步驟
第一圖係為先前技術之無隔離式直流對直流轉換器之電路圖；第二圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之方塊示意圖；第三圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之電路圖；第四圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之電路控制示意圖；第五圖A係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之電源傳遞由輸入側傳遞至輸出側之信號控制波形圖；第五圖B係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之電源傳遞由輸出側傳遞至輸入側之信號控制波形圖；第六圖A係為本發明該雙向開關第一實施例之電路圖；第六圖B係為本發明該雙向開關第二實施例之電路圖；第六圖C係為本發明該雙向開關第三實施例之電路圖；第六圖D係為本發明該雙向開關第四實施例之電路圖；第六圖E係為本發明該雙向開關第五實施例之電路圖；第六圖F係為本發明該雙向開關第六實施例之電路圖；第六圖G係為本發明該雙向開關第七實施例之電路圖；第七圖A係為本發明該第一開關與該第一二極體或該第二開關與該第二二極體第一實施例之電路圖；第七圖B係為本發明該第一開關與該第一二極體或該第二開關與該第二二極體第二實施例之電路圖；及 第八圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器操作方法之流程圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參閱第二圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之方塊示意圖。該柔性切換式雙向電源轉換器具有一輸入側Sin與一輸出側Sout，係包含一雙向開關模組10、一主電感Lm、一第一開關模組11、一第二開關模組12以及一控制單元13(配合參閱第四圖)。該輸入側設置有一輸入電容Cin，並且該輸出側設置有一輸出電容Cout。該雙向開關模組10係連接該輸入電容Cin、該主電感Lm、該第一開關模組11以及該第二開關模組12。該輸出電容Cout係連接該第一開關模組11與該第二開關模組12。
請參閱第三圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之電路圖。該雙向開關模組10係連接該輸入側Sin之該輸入電容Cin，係主要包含一雙向開關組Sbi、一諧振電感Lr。該諧振電感Lr係串聯連接該雙向開關組Sbi以形成一第一支路Bch1，並且該主電感Lm係並聯連接該第一支路Bch1。該第一開關模組11係包含一第一開關S1、一第一二極體D1以及一第一諧振電容Cr1。該第一二極體D1係並聯連接該第一開關S1，並且該第一諧振電容Cr1係並聯連接該第一開關S1與該第一二極體D1。該第二開關模組12係包含一第二開關S2、一第二二極體D2以及一第二諧振電容Cr2。該第二二極體D2係並聯連接該第二開關S2，並且該第二諧振電容Cr2係並聯連接該第二開關S2與該第二二極體D2。
請參閱第四圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之電路控制示意圖。相較於第三圖，第四圖進一步揭露本發明雙向電源轉換器具有一控制單元13。該控制單元13係操作性連接該雙向開關模組10、該第一開關模組11以及該第二開關模組12。換言之，該控制單元13係產生一雙向開關控制信號Ssbi、一第一 開關控制信號Ss1以及一第二開關控制信號Ss2，並且該雙向開關控制信號Ssbi係控制該雙向開關組Sbi、該第一開關控制信號Ss1係控制該第一開關S1以及該第二開關控制信號Ss2係控制該第二開關S2。
為了更進一步具體說明該柔性切換式雙向電源轉換器能夠提供雙向電源傳遞，以下將配合參閱第五圖A與第五圖B係分別為本發明柔性切換式雙向電源轉換器之電源傳遞由輸入側傳遞至輸出側以及由輸出側傳遞至輸入側之信號控制波形圖。當該諧振電感Lr與該第一諧振電容Cr1及該第二諧振電容Cr2產生諧振，使得該第一諧振電容Cr1的電壓降為零時，該控制單元13即導通該第一開關S1，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側Sin傳遞至該輸出側Sout。配合第五圖A說明：在時間點t1，流經該諧振電感Lr的電流為零時，該控制單元13係控制該雙向開關控制信號Ssbi導通該雙向開關組Sbi，如此，該雙向開關組Sbi導通為零電流導通(zero-current turned on)，以實現柔性切換該雙向開關組Sbi。然後，當該諧振電感Lr與該第一諧振電容Cr1及該第二諧振電容Cr2產生諧振，並且在時間點t2，使得該第一諧振電容Cr1的電壓降為零時，該控制單元13即控制該第一開關控制信號Ss1導通該第一開關S1，如此，該第一開關S1為零電壓導通(zero-voltage turned on)，以實現柔性切換該第一開關S1，使得該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側Sin傳遞至該輸出側Sout時具柔性切換操作。
如圖五A所示，值得一提，在該階段(電源由該輸入側Sin傳遞至該輸出側Sout)操作中，該第二開關控制信號Ss2係與該第一開關控制信號Ss1為具有死區時間(dead time)之互補信號(如圖中實線所示)，又或該第二開關控制信號Ss2係可為低準位截止信號(如圖中虛線所示)。其中，對該第二開關控制信號Ss2為該第一開關控制信號Ss1之互補信號來說，係能夠達到更低之轉換損失。更具體而言，對於電源由該輸入側Sin傳遞至該輸出側Sout之操作階段，該第一開關控制信號Ss1導通時機與責任 週期(duty cycle)的控制，乃為主要關鍵，並且配合該雙向開關控制信號Ssbi導通時機的控制，以達到電源轉換器產生的電源由該輸入側Sin傳遞至該輸出側Sout時具柔性切換操作。
當該諧振電感Lr與該第一諧振電容Cr1及該第二諧振電容Cr2產生諧振，使得該第二諧振電容Cr2的電壓降為零時，該控制單元13即導通該第二開關S2，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側Sout傳遞至該輸入側Sin。配合第五圖B說明：在時間點t1，流經該諧振電感Lr的電流為零時，該控制單元13係控制該雙向開關控制信號Ssbi導通該雙向開關組Sbi，如此，該雙向開關組Sbi導通為零電流導通(zero-current turned on)，以實現柔性切換該雙向開關組Sbi。然後，當該諧振電感Lr與該第一諧振電容Cr1及該第二諧振電容Cr2產生諧振，並且在時間點t2，使得該第二諧振電容Cr2的電壓降為零時，該控制單元13即控制該第二開關控制信號Ss2導通該第二開關S2，如此，該第二開關S2為零電壓導通(zero-voltage turned on)，以實現柔性切換該第二開關S2，使得該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側Sout傳遞至該輸出側Sin時具柔性切換操作。
如圖五B所示，值得一提，在該階段(電源由該輸出側Sout傳遞至該輸入側Sin)操作中，該第一開關控制信號Ss1係與該第二開關控制信號Ss2為具有死區時間(dead time)之互補信號(如圖中實線所示)，又或該第一開關控制信號Ss1係可為低準位截止信號(如圖中虛線所示)。其中，對該第一開關控制信號Ss1為該第二開關控制信號Ss2之互補信號來說，係能夠達到更低之轉換損失。更具體而言，對於電源由該輸出側Sout傳遞至該輸入側Sin之操作階段，該第二開關控制信號Ss2導通時機與責任週期(duty cycle)的控制，乃為主要關鍵，並且配合該雙向開關控制信號Ssbi導通時機的控制，以達到電源轉換器產生的電源由該輸出側Sout傳遞至該輸入側Sin時具柔性切換操作。
請參閱第六圖A~第六圖G係分別為本發明該雙向開關第一實施 例至第七實施例之電路圖。在第六圖A與第六圖B中，該雙向開關組Sbi係由兩金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)開關所組成。
在第六圖A中，每一該金屬氧化物半導體場效電晶體開關係並聯連接一本體二極體(body diode)。值得一提，為了達成該雙向開關模組10具有雙向電源傳輸，亦即具有由該輸入側Sin至該輸出側Sout傳輸以及由該輸出側Sout至該輸入側Sin傳輸的能力，因此，該兩金屬氧化物半導體場效電晶體開關係以背接方式電性串聯連接。以本實施例而言，該兩金屬氧化物半導體場效電晶體開關之源極(source)係彼此電性連接。
對第六圖A該第一實施例而言，該雙向開關控制信號Ssbi係包含一第一雙向開關控制信號Ssbi1與一第二雙向開關控制信號Ssbi2分別控制一第一金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm1與一第二金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm2。該第一雙向開關控制信號Ssbi1與該第二雙向開關控制信號Ssbi2為高準位導通該第一金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm1與該第二金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm2。
在第六圖B中，該雙向開關組Sbi係由兩金屬氧化物半導體場效電晶體開關以及兩二極體所組成，其中，每一該金屬氧化物半導體場效電晶體開關係並聯連接一本體二極體。為了達成該雙向開關模組10具有雙向電源傳輸，每一該金屬氧化物半導體場效電晶體開關係串聯連接一該二極體，以形成該兩電性支路，並且兩電性支路再彼此電性並聯連接。
對第六圖B該第二實施例而言，該雙向開關控制信號Ssbi係包含一第一雙向開關控制信號Ssbi1與一第二雙向開關控制信號Ssbi2分別控制一第四金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm4與一第三金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm3。當該第一雙向開關控制信號Ssbi1為高準位導通該第四金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm4時，該第二雙向開關控制信號Ssbi2係為 低準位截止該第三金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm3，此時，該雙向開關模組10係以提供由該輸入側Sin至該輸出側Sout電源傳輸之操作；反之，當該第一雙向開關控制信號Ssbi1為低準位截止該第四金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm4時，該第二雙向開關控制信號Ssbi2係為高準位導通該第三金屬氧化物半導體場效電晶體開關Sm3，此時，該雙向開關模組10係以提供由該輸出側Sout至該輸入側Sin電源傳輸之操作。
在第六圖C中，該雙向開關組Sbi係由兩絕緣柵雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT)開關以及兩二極體所組成。為了達成該雙向開關模組10具有雙向電源傳輸，每一該絕緣柵雙極電晶體開關係串聯連接一該二極體，以形成兩電性支路，並且兩電性支路再彼此電性並聯連接。
對第六圖C該第三實施例而言，該雙向開關控制信號Ssbi係包含一第一雙向開關控制信號Ssbi1與一第二雙向開關控制信號Ssbi2分別控制一第一絕緣柵雙極電晶體開關Si1與一第二絕緣柵雙極電晶體開關Si2。當該第一雙向開關控制信號Ssbi1為高準位導通該第一絕緣柵雙極電晶體開關Si1時，該第二雙向開關控制信號Ssbi2係為低準位截止該第二絕緣柵雙極電晶體開關Si2，此時，該雙向開關模組10係以提供由該輸入側Sin至該輸出側Sout電源傳輸之操作；反之，當該第一雙向開關控制信號Ssbi1為低準位截止該第一絕緣柵雙極電晶體開關Si1時，該第二雙向開關控制信號Ssbi2係為高準位導通該第二絕緣柵雙極電晶體開關Si2，此時，該雙向開關模組10係以提供由該輸出側Sout至該輸入側Sin電源傳輸之操作。
在第六圖D與第六圖E中，該雙向開關組Sbi係由兩氮化鎵電晶體(gallium nitride,GaN)開關所組成，並且每一該氮化鎵電晶體係並聯連接一本體二極體(body diode)。在第六圖F與第六圖G中，該雙向開關組Sbi係由兩碳化矽電晶體(silicon carbide,SiC)開關所組成，並且每一該碳化矽電晶體係並聯連接一本體二極體(body diode)。至於該氮化鎵電晶體(gallium nitride,GaN)開關與 該碳化矽電晶體(silicon carbide,SiC)開關的控制，可配合對應上述該些實施例操作之說明實現控制雙向電源轉換器提供雙向電源傳遞。
請參見第七圖A與第七圖B係分別為本發明該第一開關與該第一二極體或該第二開關與該第二二極體第一實施例與第二實施例之電路圖。在第七圖A中，該第一開關S1或該第二開關S2係為一金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)開關，並且，該金屬氧化物半導體場效電晶體開關係並聯連接一本體二極體(body diode)。在第七圖B中，該第一開關S1或該第二開關S2係為一絕緣柵雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT)開關，並且，該絕緣柵雙極電晶體開關係並聯連接一二極體。值得一提，上述該金屬氧化物半導體場效電晶體開關與該絕緣柵雙極電晶體開關所並聯連接的二極體差別在於：該金屬氧化物半導體場效電晶體開關所並聯連接的該本體二極體係為該金屬氧化物半導體場效電晶體開關本身固有的寄生二極體，而該絕緣柵雙極電晶體開關所並聯連接的該二極體係為一實體的二極體元件。
請參見第八圖係為本發明柔性切換式雙向電源轉換器操作方法之流程圖。本發明該操作方法係包含下列步驟：首先，提供一雙向開關模組，該雙向開關模組係連接該輸入側，並且包含一雙向開關與一諧振電感(S10)。該柔性切換式雙向電源轉換器具有一輸入側與一輸出側，並且該輸入側設置有一輸入電容，該輸出側設置有一輸出電容。然後，提供一主電感，該主電感係並聯連接該雙向開關模組(S20)。
然後，提供一第一開關模組，係連接該雙向開關模組與該主電感，包含一第一開關以及並聯連接該第一開關之一第一諧振電容(S30)。該第一開關模組係更包含與該第一開關、該第一諧振電容並聯之一第一二極體。然後，提供一第二開關模組，係連接該雙向開關模組與該主電感，包含一第二開關以及並聯連接該第二開關之一第二諧振電容(S40)。該第二開關模組係更包含 與該第二開關、該第二諧振電容並聯之一第二二極體。
然後，提供一控制單元(S50)。該控制單元係操作性連接該雙向開關模組、該第一開關模組以及該第二開關模組。換言之，該控制單元係產生一雙向開關控制信號、一第一開關控制信號以及一第二開關控制信號，並且該雙向開關控制信號係控制該雙向開關、該第一開關控制信號係控制該第一開關以及該第二開關控制信號係控制該第二開關。
最後，當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第一諧振電容的電壓降為零時，該控制單元導通該第一開關，並且透過高頻切換該第一開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側傳遞至該輸出側；當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第二諧振電容的電壓降為零時，該控制單元導通該第二開關，並且透過高頻切換該第二開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側傳遞至該輸入側(S60)。
更具體而言，當流經該諧振電感的電流為零時，該控制單元係控制該雙向開關控制信號導通該雙向開關，如此，該雙向開關導通為零電流導通(zero-current turned on)，以實現柔性切換該雙向開關。然後，當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第一諧振電容的電壓降為零時，該控制單元係即控制該第一開關控制信號導通該第一開關，如此，該第一開關為零電壓導通(zero-voltage turned on)，以實現柔性切換該第一開關，使得該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側傳遞至該輸出側時具柔性切換操作。
再者，當流經該諧振電感的電流為零時，該控制單元係控制該雙向開關控制信號導通該雙向開關，如此，該雙向開關導通為零電流導通(zero-current turned on)，以實現柔性切換該雙向開關。然後，當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第二諧振電容的電壓降為零時，該控制單元即控制該第二開關控制信號導通該第二開關，如此，該第二開 關為零電壓導通(zero-voltage turned on)，以實現柔性切換該第二開關，使得該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側傳遞至該輸出側時具柔性切換操作。
值得一提，本發明該雙向開關組係可具有以下幾種實施態樣：
一、該雙向開關組係由兩金屬氧化物半導體場效電晶體開關所組成，其中，每一該金屬氧化物半導體場效電晶體開關係並聯連接一本體二極體。該兩金屬氧化物半導體場效電晶體開關係以背接方式電性串聯連接，亦即，該兩金屬氧化物半導體場效電晶體開關之源極係彼此電性連接。該雙向開關控制信號係包含一第一雙向開關控制信號與一第二雙向開關控制信號分別控制一第一金屬氧化物半導體場效電晶體開關與一第二金屬氧化物半導體場效電晶體開關。當該第一雙向開關控制信號為高準位導通該第一金屬氧化物半導體場效電晶體開關時，該第二雙向開關控制信號係為低準位截止該第二金屬氧化物半導體場效電晶體開關，進而控制該電源轉換器產生的電源由該輸入電容傳遞至該輸出電容。反之，當該第一雙向開關控制信號為低準位截止該第一金屬氧化物半導體場效電晶體開關時，該第二雙向開關控制信號係為高準位導通該第二金屬氧化物半導體場效電晶體開關，進而控制該電源轉換器產生的電源由該輸出電容傳遞至該輸入電容。此外，該二雙向開關亦可同時導通來達到柔性切換之目的。
二、該雙向開關組係由兩金屬氧化物半導體場效電晶體開關以及兩二極體所組成，其中，每一該金屬氧化物半導體場效電晶體開關係並聯連接一本體二極體。每一該金屬氧化物半導體場效電晶體開關係串聯連接一該二極體，以形成該兩電性支路，並且兩電性支路再彼此電性並聯連接。該雙向開關控制信號係包含一第一雙向開關控制信號與一第二雙向開關控制信號分別控制一第四金屬氧化物半導體場效電晶體開關與一第三金屬氧化物半導體場效電晶體開關。當該第一雙向開關控制信號為高準位導通該第四金屬氧化物半導體場效電晶體開關時，該第二 雙向開關控制信號係為低準位截止該第三金屬氧化物半導體場效電晶體開關，進而控制該電源轉換器產生的電源由該輸入電容傳遞至該輸出電容。反之，當該第一雙向開關控制信號為低準位截止該第四金屬氧化物半導體場效電晶體開關時，該第二雙向開關控制信號係為高準位導通該第三金屬氧化物半導體場效電晶體開關，進而控制該電源轉換器產生的電源由該輸出電容傳遞至該輸入電容。
三、該雙向開關組係由兩絕緣柵雙極電晶體開關以及兩二極體所組成。其中，每一該絕緣柵雙極電晶體開關係串聯連接一該二極體，以形成兩電性支路，並且兩電性支路再彼此電性並聯連接。該雙向開關控制信號係包含一第一雙向開關控制信號與一第二雙向開關控制信號分別控制一第一絕緣柵雙極電晶體開關與一第二絕緣柵雙極電晶體開關。當該第一雙向開關控制信號為高準位導通該第一絕緣柵雙極電晶體開關時，該第二雙向開關控制信號係為低準位截止該第二絕緣柵雙極電晶體開關，進而控制該電源轉換器產生的電源由該輸入電容傳遞至該輸出電容。反之，當該第一雙向開關控制信號為低準位截止該第一絕緣柵雙極電晶體開關時，該第二雙向開關控制信號係為高準位導通該第二絕緣柵雙極電晶體開關，進而控制該電源轉換器產生的電源由該輸出電容傳遞至該輸入電容。
四、該雙向開關組係由兩氮化鎵電晶體(gallium nitride,GaN)開關所組成，並且每一該氮化鎵電晶體係並聯連接一本體二極體(body diode)。其中，該些氮化鎵電晶體(gallium nitride,GaN)開關係可為串聯連接方式，或並聯連接方式電性連接，以實現控制雙向電源轉換器提供雙向電源傳遞。
五、該雙向開關係由兩碳化矽電晶體(silicon carbide,SiC)開關所組成，並且每一該碳化矽電晶體係並聯連接一本體二極體(body diode)。其中，該些氮化鎵電晶體(gallium nitride,GaN)開關係可為串聯連接方式，或並聯連接方式電性連接，以實現控制雙向電源轉換器提供雙向電源傳遞。
綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：1、透過該控制單元13所產生互補之控制信號，對應控制該雙向開關組Sbi之兩電晶體開關，以實現雙向電源轉換具柔性切換的功能，亦即，該控制單元13係以控制該電源轉換器產生的電源由該輸入電容Cin傳遞至該輸出電容Cout以及控制該電源轉換器產生的電源由該輸出電容Cout傳遞至該輸入電容Cin使其具柔性切換；2、透過控制該雙向開關組Sbi為零電流導通(zero-current turned on)，以及該第一開關S1與該第二開關S2為零電壓導通(zero-voltage turned on)，以實現柔性切換功能，藉此大大地降低開關元件於高頻切換時所造成的切換損失；及3、透過使用氮化鎵電晶體(gallium nitride,GaN)或碳化矽電晶體(silicon carbide,SiC)來組成該雙向開關組Sbi，以實現低導通損失和切換損失、提高開關切換速度，並且可達到高耐熱性與高耐壓性使用。
惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
10‧‧‧雙向開關模組
11‧‧‧第一開關模組
12‧‧‧第二開關模組
13‧‧‧控制單元
Lr‧‧‧諧振電感
Lm‧‧‧主電感
Sbi‧‧‧雙向開關組
Bch1‧‧‧第一支路
S1‧‧‧第一開關
D1‧‧‧第一二極體
Cr1‧‧‧第一諧振電容
S2‧‧‧第二開關
D2‧‧‧第二二極體
Cr2‧‧‧第二諧振電容
Cin‧‧‧輸入電容
Cout‧‧‧輸出電容
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Ssbi‧‧‧雙向開關控制信號
Ss1‧‧‧第一開關控制信號
Ss2‧‧‧第二開關控制信號

Claims (16)

  1. 一種柔性切換式雙向電源轉換器，具有一輸入側與一輸出側，該雙向電源轉換器係包含：一雙向開關模組，係連接該輸入側，包含：一雙向開關；及一諧振電感，係串聯連接該雙向開關；一主電感，係並聯連接該雙向開關模組；一第一開關模組，係連接該雙向開關模組與該主電感，包含一第一開關、一第一諧振電容及一第一二極體，該第一二極體係並聯連接該第一開關與該第一諧振電容；一第二開關模組，係連接該雙向開關模組與該主電感，包含一第二開關、一第二諧振電容及一第二二極體，該第二二極體係並聯連接該第二開關與該第二諧振電容；一控制單元；其中，當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第一諧振電容的電壓降為零時，該控制單元導通該第一開關，並且透過高頻切換該第一開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側傳遞至該輸出側；當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第二諧振電容的電壓降為零時，該控制單元導通該第二開關，並且透過高頻切換該第二開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側傳遞至該輸入側。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之柔性切換式雙向電源轉換器，其中該控制單元係以產生一雙向開關控制信號、一第一開關控制信號以及一第二開關控制信號；該雙向開關控制信號係以控制該雙向開關，該第一開關控制信號係以控制該第一開關，該第二開關控制信號係以控制該第二開關；其中當該雙向開關控制信號導通該雙向開關，且經過一第一延遲時間後，確保該第一諧振電容的電壓降為零時，該第一開關控制信號係導通該第一開關；其中當該雙向開關控制信號導通該雙向開關，且經過一第二延遲時間後，確保該第二諧振電容的電壓降 為零時，該第二開關控制信號係導通該第二開關。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之柔性切換式雙向電源轉換器，其中當該諧振電感的電流為零時，該雙向開關控制信號導通該雙向開關，進而當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第一諧振電容的電壓降為零時，該第一開關控制信號為高準位以導通該第一開關，並且透過高頻切換該第一開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側傳遞至該輸出側。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之柔性切換式雙向電源轉換器，其中當該諧振電感的電流為零時，該雙向開關控制信號導通該雙向開關，進而當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第二諧振電容的電壓降為零時，該第二開關控制信號為高準位以導通該第二開關，並且透過高頻切換該第二開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側傳遞至該輸入側。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之柔性切換式雙向電源轉換器，其中該第一二極體及該第二二極體係為寄生二極體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之柔性切換式雙向電源轉換器，其中該雙向開關係由兩電晶體開關以串聯連接或並聯連接方式所電性連接組成，其中每一電晶體開關係為一金屬氧化物半導體場效電晶體開關(MOSFET)、一絕緣柵雙極電晶體開關(IGBT)、一氮化鎵電晶體開關(GaN)或一碳化矽電晶體開關(SiC)。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之柔性切換式雙向電源轉換器，其中該第二開關控制信號係與該第一開關控制信號為具有死區時間(dead time)之互補信號，或該第二開關控制信號係為低準位截止信號。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之柔性切換式雙向電源轉換器，其中該第一開關控制信號係與該第二開關控制信號為具有死區時間(dead time)之互補信號，或該第一開關控制信號係為低準位截止信號。
  9. 一種柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，該柔性切換式雙向電源轉換器具有一輸入側與一輸出側，該操作方法係包含下列步驟：(a)提供一雙向開關模組，該雙向開關模組係連接該輸入側，並且包含一雙向開關與一諧振電感； (b)提供一主電感，該主電感係並聯連接該雙向開關模組；(c)提供一第一開關模組，係連接該雙向開關模組與該主電感，包含一第一開關、一第一諧振電容及一第一二極體，該第一二極體係並聯連接該第一開關與該第一諧振電容；(d)提供一第二開關模組，係連接該雙向開關模組與該主電感，包含一第二開關、一第二諧振電容及一第二二極體，該第二二極體係並聯連接該第二開關與該第二諧振電容；(e)提供一控制單元；及(f)當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第一諧振電容的電壓降為零時，該控制單元導通該第一開關，並且透過高頻切換該第一開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側傳遞至該輸出側；當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第二諧振電容的電壓降為零時，該控制單元導通該第二開關，並且透過高頻切換該第二開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側傳遞至該輸入側。
  10. 如申請專利範圍第9項所述柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，其中該控制單元係以產生一雙向開關控制信號、一第一開關控制信號以及一第二開關控制信號；該雙向開關控制信號係以控制該雙向開關，該第一開關控制信號係以控制該第一開關，該第二開關控制信號係以控制該第二開關；其中當該雙向開關控制信號導通該雙向開關，且經過一第一延遲時間後，確保該第一諧振電容的電壓降為零時，該第一開關控制信號係導通該第一開關；其中當該雙向開關控制信號導通該雙向開關，且經過一第二延遲時間後，確保該第二諧振電容的電壓降為零時，該第二開關控制信號係導通該第二開關。
  11. 如申請專利範圍第10項所述柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，其中當該諧振電感的電流為零時，該雙向開關控制信號導通該雙向開關，進而當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第一諧振電容的電壓降為零時，該第一開關控制信號諧振電容導通該第一開關，並且透過高頻切換該第一開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸入側傳遞至該輸出側。
  12. 如申請專利範圍第10項所述柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，其中當該諧振電感的電流為零時，該雙向開關控制信號導通該雙向開關，進而當該諧振電感與該第一諧振電容及該第二諧振電容產生諧振，使得該第二諧振電容的電壓降為零時，該第二開關控制信號為高準位以導通該第二開關，並且透過高頻切換該第二開關，進而控制該雙向電源轉換器產生的電源由該輸出側傳遞至該輸入側。
  13. 如申請專利範圍第9項所述柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，其中該第一二極體及該第二二極體係為寄生二極體。
  14. 如申請專利範圍第9項所述柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，其中該雙向開關係由兩電晶體開關以串聯連接或並聯連接方式所電性連接組成，其中每一電晶體開關係為一金屬氧化物半導體場效電晶體開關(MOSFET)、一絕緣柵雙極電晶體開關(IGBT)、一氮化鎵電晶體開關(GaN)或一碳化矽電晶體開關(SiC)。
  15. 如申請專利範圍第11項所述柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，其中該第二開關控制信號係與該第一開關控制信號為具有死區時間(dead time)之互補信號，或該第二開關控制信號係為低準位截止信號。
  16. 如申請專利範圍第12項所述柔性切換式雙向電源轉換器之操作方法，其中該第一開關控制信號係與該第二開關控制信號為具有死區時間(dead time)之互補信號，或該第一開關控制信號係為低準位截止信號。
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