TWI513160B

TWI513160B - Power supply system and its DC converter

Info

Publication number: TWI513160B
Application number: TW103101367A
Authority: TW
Inventors: Andrew Ferencz
Original assignee: Acbel Polytech Inc
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-12-11
Also published as: TW201528672A

Description

電源系統及其直流轉換器

本發明是一種電源系統及其直流轉換器，尤指一種由作為前級的一非隔離型轉換模組和作為後級的一隔離型轉換模組組成的直流轉換器，用以解決傳統直流轉換器由二組以上隔離轉換器組成所衍生變壓器佔用體積空間的問題。

如圖7所示係一種電源系統，其包括一交直流轉換器80、一直流轉換器70及兩電池組73、74，其中，交直流轉換器80具有一交流電源輸入端及一直流電源輸出端，其交流電源輸入端用以連接交流市電，其直流電源輸出端則與直流轉換器70的直流電源輸入端連接，而兩電池組73、74分別跨接在直流轉換器70的直流電源輸入端上作為備援，當交流市電異常時，由直流轉換器70將電池組73、74電源轉換為要求的電壓後，持續供應給負載。

當前述電源系統運用在通訊系統時，其直流轉換器70須有負輸出電壓，而具有負輸出電壓直流轉換器70的基本架構係如圖8所示，包括一第一電源轉換模組71、一第二電源轉換模組72，該第一電源轉換模組71、第二電源轉換模組72分別具有一正電源輸入端Vcom及一負電源輸入端RTN1、RTN2，該第一、第二電源轉換模組71、72的正電源輸入端Vcom共同連接至二電池組73、74的正電源端，其負電源輸入端RTN1、RTN2則分別獨立地連接至電池組73、74的負電源端。再者，該第一、第二電源轉換模組71、72分別具有一組電源輸出端，且作並聯連接。

上述的直流轉換器係採用一冗餘架構，其可各自地進行直流電源轉換，而共同地對負載供應直流電源。當電池組73、74之一異常或與電池組73、74對應之任一、第一電源轉換模組71或第二電源轉換模組72異常時，正常的第一電源轉換模組71或第二電源轉換模組72仍可維持對負載供電，而達到冗餘供電之效果。

由於上述直流轉換器的第一電源轉換模組71、第二電源轉換模組72都是由隔離型轉換器所構成，而隔離型轉換器具備至少一變壓器，對於接受供電的通訊系統或伺服器系統而言，不論其本身或其使用的電源系統，如何縮小體積、減少佔用空間一直是一個重要的課題，然而上述的直流轉換器，其由隔離型轉換器構成的兩個電源轉換模組71、72分別具有一變壓器，而極佔空間的變壓器自然成為縮小體積的最大障礙。

由上述可知，已知電源系統中具有冗餘架構的直流轉換器，因其具有二個以上分別由隔離型轉換器構成的電源轉換模組，而衍生變壓器佔用空間且令直流轉換器無法縮小體積的問題，故既有直流轉換器有待進一步檢討並謀求可行的解決方案。

因此本發明主要目的在提供一種直流轉換器，主要係由一採用非隔離型的前級轉換模組和一隔離型的後級轉換模組所組成，可解決傳統直流轉換器由二組以上隔離轉換器組成所衍生變壓器佔用體積空間的問題。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述直流轉換器包括有：一非隔離型轉換模組，係一冗餘架構，其包括一第一電源轉換迴路、一第二電源轉換迴路及一儲能元件，該第一、第二電源轉換迴路連接且共用該儲能元件；一隔離型轉換模組，具有一組輸入端及一組輸出端，該組輸入端係與儲能元件連接；前述的直流轉換器主要係由其非隔離型轉換模組的第一、第二電源轉換迴路將二電池組輸出的直流電源轉換後輸出給隔離型轉換模組，再由隔離型轉換模組供應直流電源給負載；由於非隔離型轉換模組中的第一、第二電源轉換迴路未含有變壓器，在體積上可大幅縮小，而搭配後級的隔離型轉換模組也只有一個變壓器，因此相較於傳統的直流轉換器已大幅縮小體積，並解決傳統直流轉換器採用兩組隔離型轉換器所衍生變壓器佔用空間的體積問題。

本發明又一目的在提供一種可縮小體積的電源系統，為達成前述目的係令該電源系統包括有：一交直流轉換器，具有一交流電源輸入端及一直流電源輸出端，其交流電源輸入端用以連接交流市電；一直流轉換器，係由前述的直流轉換器構成，其具有一直流電源輸入端及一電源輸出端，其直流電源輸入端係與交直流轉換器的直流電源輸出端連接；兩電池組，分別跨接在直流轉換器的直流電源輸入端上。

上述電源系統包括前述直流轉換器，故有助於縮小電源系統的體積。

10‧‧‧非隔離型轉換模組

11,11’‧‧‧第一電源轉換迴路

12,12’‧‧‧第二電源轉換迴路

20‧‧‧隔離型轉換模組

30‧‧‧控制器

41‧‧‧第一EMI濾波器

42‧‧‧第二EMI濾波器

51,52‧‧‧電流檢測元件

100‧‧‧電源系統

101‧‧‧交直流轉換器

102‧‧‧直流轉換器

103‧‧‧第一電池組

104‧‧‧第二電池組

105,106‧‧‧無熔絲開關

70‧‧‧直流轉換器

71‧‧‧第一電源轉換模組

72‧‧‧第二電源轉換模組

73,74‧‧‧電池組

圖1 係本發明直流轉換器一較佳實施例的系統方塊圖。

圖2 係本發明非隔離型轉換模組之一較佳實施例電路圖。

圖3 係本發明非隔離型轉換模組又一較佳實施例電路圖。

圖4 係本發明非隔離型轉換模組再一較佳實施例電路圖。

圖5 係本發明非隔離型轉換模組另一較佳實施例電路圖。

圖6 係本發明電源系統的方塊圖。

圖7 係已知電源系統的方塊圖。

圖8 已知直流轉換器的系統方塊圖。

關於本發明直流轉換器一較佳實施例的基本架構，請參閱圖1所示，包括一非隔離轉換模組10、一隔離型轉換模組20及一控制器30；其中：該非隔離型轉換模組10主要係由一第一電源轉換迴路11和一第二電源轉換迴路12組成，該第一、第二電源轉換迴路11、12分別具有一正電源端Vcom、一負電源端RTN1、RTN2。在本實施例中，本發明的直流轉換器進一步包括一第一EMI濾波器41及一第二EMI濾波器42，該非隔離型轉換模組10的第一電源轉換迴路11、第二電源轉換迴路12以其正電源端Vcom、負電源端RTN1、RTN2分別透過第一EMI濾波器41、第二EMI濾波器42與一第一電池組103、一第二電池組104連接，其中第一、第二電池組103、104的正極端V+共接且分別與第一、第二電源轉換迴路11、12的正電源端Vcom連接，第一、第二電池組103、104的負極端則分別與第一、第二電源轉換迴路11、12的負電源端RTN1、RTN2連接。

該控制器30分別和非隔離型轉換模組10的第一電源轉換迴路11、第二電源轉換迴路12和隔離型轉換模組20連接，以控制該非隔離型轉換模組10和隔離型轉換模組20的電源轉換工作。

關於該非隔離型轉換模組10一較佳實施例的具體構造，請參閱圖2所示，在本實施例中，該非隔離型轉換模組10的第一、第二電源轉換迴路11、12分別為一降壓型轉換器；其中：該第一電源轉換迴路11包括一第一二極體D1、一第一開關Q1、一第一電感L1及一儲能元件；在本實施例中，儲能元件為一輸出電容C，該輸出電容C具有一第一端及一第二端，其第一端和第一二極體D1的陰極連接至正電源端Vcom，其第二端和第一電感L1的一端連接，第一電感L1的另端和第一二極體D1的陽極、第一開關Q1連接，本實施例中，第一開關Q1為一場效電晶體，其以汲極和第一電感L1的另端、第一二極體D1的陽極連接，第一開關Q1的源極連接負電源端RTN1，其閘極則連接並受控於該控制器30。

該第二電源轉換迴路12包括一第二二極體D2、一第二開關Q2、一第二電感L2及一儲能元件；在本實施例中，儲能元件與第一電源轉換迴路11共用該輸出電容C，該輸出電容C的第一端是和第二二極體D2的陰極共同連接至正電源端Vcom，第二端則和第二電感L2的一端連接，第二電感L2的另端和第二二極體D2的陽極、第二開關Q2連接，與第一電源轉換迴路11相同的是：第二開關Q2為一場效電晶體，其以汲極和第二電感L2的另端、第二二極體D2的陽極連接，第二開關Q2的源極連接負電源端RTN2，其閘極和控制器30連接，而受該控制器30所控制。

前述輸出電容C的第一端、第二端並分別構成非隔離型轉換模組10的正電源輸出端Vout和負電源輸出端RTN，且和隔離型轉換模組20的該組輸入端連接。

前述非隔離型轉換模組10的第一、第二電源轉換迴路11、12在控制器30的交替驅動下，分別將第一、第二電池組103、104電源轉換為一設定電壓的直流電源傳送給隔離型轉換模組20轉換為另一設定電壓的直流電源再供應給負載。關於非隔離型轉換模組10的工作原理詳如以下所述：就第一電源轉換迴路11而言，當其第一開關Q1導通，電流流經輸出電容C、第一電感L1，此時輸出電容C的電壓升高，而第一電感L1進行儲能。俟第一開關Q1關閉，儲存在第一電感L1上的能量透過第一二極體D1對輸出電容C充電。另一方面，當第二電源轉換迴路12的第二開關Q2導通，電流流經輸出電容C、第二電感L2，此時輸出電容C的電壓升高，並由第二電感L2進行儲能。而在第二開關Q2關閉，儲存在第二電感L2上的能量透過第二二極體D2對輸出電容C充電。如此交替的驅動，共同地輸出直流電源給該隔離型轉換模組20，該隔離型轉換模組20輸出的直流電源可以是正電壓，也可以是負電壓。

由於非隔離型轉換模組10的第一、第二電源轉換迴路11、12並未使用變壓器，在其後級的隔離型轉換模組20也只有一個變壓器，因此可以有效解決變壓器佔用空間所衍生的體積問題。

關於前述非隔離型轉換模組10的又一較佳實施例，請參閱圖3所示，其第一、第二電源轉換迴路11’、12’係由升壓型轉換器所構成，其中：該第一電源轉換迴路11’包括一第一二極體D1、一第一開關Q1、一第一電感L1及一輸出電容C，該輸出電容C具有一第一端及一第二端，其第一端和第一開關Q1的汲極連接至正電源端Vcom，其第二端和第一二極體D1的陽極連接，第一二極體D1的陰極和第一開關Q1的源極連接，其源極又和第一電感L1的一端連接，第一電感L1的另端係連接至負電源端RTN1，第一開關Q1的閘極則和控制器30連接。

該第二電源轉換迴路12’包括一第二二極體D2、一第二開關Q2、一第二電感L1及一輸出電容C，該輸出電容C係與第一電源轉換迴路12’共用，其第一端和第二開關Q2的汲極連接至正電源端Vcom，其第二端和第二二極體D2 的陽極連接，第二二極體D2的陰極和第二開關Q2的源極連接，第二開關Q2的源極又和第二電感L2的一端連接，第二電感L2的另端係連接至負電源端RTN2，第二開關Q2的閘極則和控制器30連接。

上述實施例與前一實施例的差異，非隔離型轉換模組10的第一、第二電源轉換迴路11’、12’係對第一、第二電池組103、104的電源進行升壓轉換，再由隔離型轉換模組20轉換為其他設定電壓的直流電源，其依然可以是正電壓，也可以是負電壓。關於上述非隔離型轉換模組10的工作原理詳如以下所述：關於第一電源轉換迴路11’的工作方式，當其第一開關Q1導通，係對第一電感L1儲能。俟第一開關Q1關閉，儲存在第一電感L1上的能量對輸出電容C放電，電流流經輸出電容C及第一二極體D1。

關於第二電源轉換迴路12’的工作方式是：當第二開關Q2導通，即對第二電感L2儲能。俟第二開關Q2關閉，儲存在第二電感L2上的能量對輸出電容C放電，電流流經輸出電容C及第二二極體D2。如此交替的驅動，共同地輸出直流電源給該隔離型轉換模組20，同樣的，該隔離型轉換模組20輸出的直流電源可以是正電壓，也可以是負電壓。

關於本發明直流轉換器之又一較佳實施例，請參閱圖4所示，該非隔離型轉換模組10的第一、第二電源轉換迴路11、12在其負電源端RTN1、RTN2上分設有一電流檢測元件51、52，該電流檢測元件51、52分別連接至控制器30，以便由控制器30感測非隔離型轉換模組10的輸入電流。所述的電流檢測元件51、52可以是霍爾元件、電阻或比流器(CT)。

由於第一、第二電源轉換迴路11、12的正電源端Vcom共接，而第一、第二電源轉換迴路11、12在其負電源端RTN1、RTN2分設電流檢測元件51、52，可由控制器30分別準確地判斷第一、第二電源轉換迴路11、12的輸入電流，並由控制器30控制第一、第二電源轉換迴路11、12以執行均流，當非隔離型轉換模組10的輸出電流為Iout，第一、第二電源轉換迴路11、12的輸出電流分別為I1、I2時，則Iout=I1+I2，且I1=I2。至於控制器30實現均壓、均流的技術可使用主僕式控制法(Master-Slave method)或主動式均流法(Active current sharing method)。另一方面，前述設計同時可方便決定非隔離型轉換模組10前級無熔絲開關105、106的規格(請參閱圖1所示)，透過該等方式決定的無熔絲開關若得以降低規格，則可降低成本。

前述實施例係以降壓型的第一、第二電源轉換迴路11、12為例說明，對於所屬技術領域具有通常知識者可以理解的是：其亦可運用在升壓型的第一、第二電源轉換迴路11’、12’上(如圖5所示)。

由上述可知，本發明的直流轉換器主要係由一非隔離型轉換模組與一隔離型轉換模組所構成，由於非隔離型轉換模組中的第一、第二電源轉換迴路不具有變壓器，搭配作為後級的隔離型轉換模組也只一個變壓器，因此相較於至少有二個變壓器的傳統直流轉換器可大幅縮小佔用空間，並解決體積問題。

請參閱圖6所示，係一種包括有前述直流轉換器的電源系統100，該電源系統100包括：一交直流轉換器101，具有一交流電源輸入端及一直流電源輸出端，其交流電源輸入端用以連接交流市電；一直流轉換器102，可分別由前述各實施例的直流轉換器所構成，該直流轉換器102具有一直流電源輸入端及一電源輸出端，其直流電源輸入端由其第一、第二電源轉換迴路的正、負電源端所構成，且與該交直流轉換器101的直流電源輸出端連接；兩電池組，分別跨接在直流轉換器102的直流電源輸入端上；更具體的說，兩電池組包括一第一電池組103、一第二電池組104，該第一、第二電池組103、 104的正極端共同和直流轉換器102中第一、第二電源轉換迴路的正電源端連接，第一電池組103的負極端係與直流轉換器102中第一電源轉換迴路的負電源端連接，第二電池組104的負極端係與直流轉換器102中第二電源轉換迴路的負電源端連接。

前述電源系統因採用上述各實施例的直流轉換器，該直流轉換器的設計可減少使用變壓器，有助於縮小體積，而電源系統運用了該直流轉換器，對系統而言亦有助於體積的縮小。

10‧‧‧非隔離型轉換模組

11‧‧‧第一電源轉換迴路

12‧‧‧第二電源轉換迴路

Claims

一種直流轉換器，包括有：一非隔離型轉換模組，係一冗餘架構，其包括：一第一電源轉換迴路及一第二電源轉換迴路，該第一、第二電源轉換迴路分別具有一正電源端、一負電源端；及一儲能元件，該第一、第二電源轉換迴路連接且共用該儲能元件，該儲能元件為一輸出電容，且具有一第一端及一第二端，該輸出電容的第一端、第二端並分別構成非隔離型轉換模組的一正電源輸出端和一負電源輸出端；一隔離型轉換模組，具有一組輸入端及一組輸出端，該組輸入端係與該輸出電容的第一端及第二端連接。
如請求項1所述之直流轉換器，該非隔離型轉換模組的第一、第二電源轉換迴路分別為一降壓型轉換器；其中：該第一電源轉換迴路包括一第一二極體、一第一開關、一第一電感；該輸出電容的第一端和第一二極體的陰極連接至第一電源轉換迴路的正電源端，其第二端和第一電感的一端連接，第一電感的另端和第一二極體的陽極、第一開關連接，該第一開關為一場效電晶體，其以源極和第一電感的另端、第一二極體的陽極連接，第一開關的汲極連接第一電源轉換迴路的負電源端，其閘極連接至一控制器；該第二電源轉換迴路包括一第二二極體、一第二開關、一第二電感，該輸出電容的第一端是和第二二極體的陰極共同連接至第二電源轉換迴路的正電源端，該輸出電容的第二端和第二電感的一端連接，第二電感的另端和第二二極體的陽極、第二開關連接；第二開關為一場效電晶體，其以源極和第二電感的另端、第二二極體的陽極連接，第二開關的汲極連接第二電源轉換迴路的負電源端，其閘極和控制器連接，而受該控制器控制。
如請求項1所述之直流轉換器，該非隔離型轉換模組的第一、第二電源轉換迴路分別為一升壓型轉換器；其中：該第一電源轉換迴路包括一第一二極體、一第一開關及一第一電感，該輸出電容的第一端和第一開關的源極連接至第一電源轉換迴路的正電源端，其第二端和第一二極體的陽極連接，第一二極體的陰極和第一開關的汲極連接，其汲極又和第一電感的一端連接，第一電感的另端係連接至第一電源轉換迴路的負電源端，第一開關的閘極和一控制器連接；該第二電源轉換迴路包括一第二二極體、一第二開關及一第二電感，該輸出電容的第一端和第二開關的源極連接至第二電源轉換迴路的正電源端，其第二端和第二二極體的陽極連接，第二二極體的陰極和第二開關的汲極連接，第二開關的汲極又和第二電感的一端連接，第二電感的另端係連接至第二電源轉換迴路的負電源端，第二開關的閘極和控制器連接。
如請求項2或3所述之直流轉換器，該非隔離型轉換模組的第一、第二電源轉換迴路在其負電源端上分設有一電流檢測元件，兩電流檢測元件分別連接至控制器。
如請求項4所述之直流轉換器，該非隔離型轉換模組的第一電源轉換迴路、第二電源轉換迴路的正電源端、負電源端分別連接一第一EMI濾波器及一第二EMI濾波器。
如請求項4所述之直流轉換器，該電流檢測元件為一霍爾元件。
如請求項4所述之直流轉換器，該電流檢測元件為一電阻。
如請求項4所述之直流轉換器，該電流檢測元件為一比流器。
一種電源系統，包括有：一交直流轉換器，具有一交流電源輸入端及一直流電源輸出端，其交流電源輸入端用以連接交流市電；一直流轉換器，係由請求項1至8中任一項所述的直流轉換器構成，其具有一直流電源輸入端及一電源輸出端，其直流電源輸入端係與交直流轉換器的直流電源輸出端連接；兩電池組，分別跨接在直流轉換器的直流電源輸入端上。
如請求項9所述之電源系統，該非隔離型轉換模組的第一、第二電源轉換迴路分別具有一正電源端、一負電源端，兩電池組包括一第一電池組、一第二電池組，該第一、第二電池組的正極端共同和直流轉換器中第一、第二電源轉換迴路的正電源端連接，第一電池組的負極端係與直流轉換器中第一電源轉換迴路的負電源端連接，第二電池組的負極端係與直流轉換器中第二電源轉換迴路的負電源端連接。