TWI752360B - 具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法 - Google Patents

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一種雙向多階直流-直流電能轉換裝置具有寬電壓範圍轉換之特點，其包含提供一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路。該變壓器一次側之第一繞組連接於該第一電能轉換器，且該變壓器二次側之第二繞組及第三繞組分別連接於第二電能轉換器及第三電能轉換器。該第一選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流正輸出端，而該第二選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流負輸出端及第三電能轉換器之第二直流正輸出端。該濾波電路連接於該第一選擇開關之輸出端、第二選擇開關之輸出端及第三電能轉換器之第二直流負輸出端。

Description

具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法
本發明係關於一種具寬電壓範圍之雙向〔bidirectional〕隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法；特別是關於一種可輸出一可變寬電壓範圍〔variably wide voltage range〕之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法；更特別是關於一種可減少體積〔dimensions-reduced〕之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法。
一般而言，習用之隔離式直流-直流電能轉換器已廣泛應用於各種技術領域。雖然傳統隔離式直流-直流電能轉換器具有控制簡單的優點，但其在特性上具有效率較低、高漣波量、高電磁干擾及所需要使用之濾波電路容量較大之缺點。相對的，雖然習用之多階直流-直流電能轉換器具有控制較為複雜的缺點，但其在特性上卻具有效率相對較高、電磁干擾相對較小及所需要使用之濾波電路容量較小的優點。
舉例而言，第1圖揭示習用多階直流-直流電能轉換裝置之架構示意圖。請參照第1圖所示，習用多階直流-直流電能轉換裝置9包含一變壓器90，且該變壓器90具有一低壓側〔左側〕及一高壓側〔右側〕。該低壓側具有一電感911及四個二極體912。相對的，該高壓側設置 六個高壓側開關92及兩個二極體93。
然而，該多階直流-直流電能轉換裝置9顯然在該變壓器90之高壓側電路具有構造複雜、成本增加及體積龐大缺點，且其電力只能單方向傳遞。因此，為了簡化整體構造、降低成本及減少體積，於該變壓器90之高壓側可考慮省略部分元件〔例如：省略兩個二極體93〕。
另一習用雙向直流/直流轉換器，例如：美國專利公開第US-20090059622號之〝Bidirectional DC-DC converter and method for controlling the same〞專利申請案，其揭示一種雙向直流/直流轉換器及其控制方法。該雙向直流/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US-20120098341號之〝Bidirectional DC-DC converter and control method thereof〞專利申請案，其揭示一種雙向直流/直流轉換器及其控制方法。該雙向直流/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〕。
另一習用雙向直流/直流轉換器，例如：美國專利公開第US-20060176719號之〝Soft switching DC-DC converter〞專利申請案，其揭示一種柔性切換直流/直流轉換器。該柔性切換直流/直流轉換器包含：一第一切換元件具有一第一端連接至一輸入側及具有一控制端用以控制一主電流〔main electric current〕；一第一二極體具有一第一端連接至該第一切換元件之一第二端；一變壓器主線圈具有一主線圈及一副線圈，且該變壓器主線圈連接至該第一切換元件之第二端；一第二二極體具有一第一端連接至該第一切換元件之第一端；一第二切換元件具有一第一端連接至該第二二極體之一第二端；及該變壓器之副線圈具有一第一端連接至該第二切換元件之一第二端，且該變壓器之副線圈具有一第二端連接至該第一切換元件之第二端。
另一習用雙向直流/直流轉換器，例如：美國專利公開第US-20160087545號之〝DC-DC converter〞專利申請案，其揭示一種直流/直流轉換器。一第一切換電路連接於一變壓器第一線圈及一直流電源之間。一第二切換電路連接於一變壓器第二線圈及一蓄電池之間。當充電該蓄電池時，一控制電路於該第二切換電路中關閉一第二橋式電路之一元件，並控制一第一診斷元件之一相位偏移量，且於該第二切換電路中控制一第二診斷元件之一相位偏移量，其相對於該第一切換電路中一第一橋式電路之一第一參考元件之一驅動相位〔drive phase〕。當該蓄電池放電時，該控制電路關閉該第一橋式電路之一元件，並控制一第二診斷元件之一相位偏移量及該第一診斷元件之一相位偏移量，其相對於該第二橋式電路之一第二參考元件之一驅動相位。
另一習用雙向直流/直流轉換器，例如：申請人 已獲准美國專利第US-9787201號之〝Bidirectional isolated multi-level DC-DC converter and method thereof〞專利，其揭示一種雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法。該多階直流-直流電能轉換裝置包含提供一逆變器、一具三繞組之高頻變壓器、一第一全橋式整流器、一第二全橋式整流器、一選擇電路及一濾波電路。該高頻變壓器一次側之第一繞組連接於該逆變器，該高頻變壓器二次側之第二繞組及第三繞組分別連接於第一全橋式整流器及第二全橋式整流器。該選擇電路連接於該第一全橋式整流器及第二全橋式整流器之直流輸出端，用以選擇該第一全橋式整流器及第二全橋式整流器之操作方式為兩全橋式整流器串聯輸出或由單一全橋式整流器輸出，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。該濾波電路連接於該選擇電路及一負載之間，用以濾除諧波，並輸出一直流電壓。
然而，前述美國專利公開第US-20090059622號、第US-20120098341號、第US-20060176719號、第US-20160087545號及美國專利第US-9787201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簡化構造及提升電能轉換效率的需求。前述美國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，其提供一種具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法，其包含一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路，並藉由控制該第一電能轉換器、第二電能轉換器、第三電能轉換器、第一選擇開關及第二選擇開關可擴大輸出一可變電壓範圍〔例如：50V至500V之範圍或其它電壓範圍〕，以降低該濾波電路之 容量，以達成擴大輸出電壓範圍、雙向電能轉換及提升操作效率之目的，並改善習用雙向多階直流-直流電能轉換裝置之功能及效能。
本發明較佳實施例之主要目的係提供一種具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法，其包含一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路，並藉由控制該第一電能轉換器、第二電能轉換器、第三電能轉換器、第一選擇開關及第二選擇開關可擴大輸出一可變電壓範圍〔例如：50V至500V之範圍或其它電壓範圍〕，以降低該濾波電路之容量，以達成擴大輸出電壓範圍、雙向電能轉換及提升操作效率之目的。
本發明較佳實施例之另一目的係提供一種具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置及其方法，其包含一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路，其僅採用單一個該第一電能轉換器及單一個該變壓器，並藉由控制該第一選擇開關及第二選擇開關可產生一低諧波電壓之脈波電壓輸出至該濾波電路，以降低該濾波電路之容量，以達成減少體積、降低製造成本及提升操作效率之目的。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置包含：一直流/直流轉換器，其包含一第一輸入/輸出側及一第二輸入/輸出側；一第一電能轉換器，其設置於該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側及第二輸入/輸出側之間，且該第一電 能轉換器選自一半橋式電能轉換器；一變壓器，其設置於該直流/直流轉換器，而該變壓器包含一次側及二次側，且該變壓器之一次側具有一第一繞組，並將該變壓器之第一繞組連接於該第一電能轉換器，且該變壓器之二次側具有一第二繞組及一第三繞組；一第二電能轉換器，其輸入連接於該變壓器之第二繞組，而該第二電能轉換器具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端，且該第二電能轉換器選自一半橋式電能轉換器；一第三電能轉換器，其輸入連接於該變壓器之第三繞組，而該第三電能轉換器具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第三電能轉換器之第二直流正輸出端連接至該第二電能轉換器之第一直流負輸出端，且該第三電能轉換器選自一半橋式電能轉換器；一第一選擇開關，其連接於該第二電能轉換器之第一直流正輸出端；一第二選擇開關，其連接於該第二電能轉換器之第一直流負輸出端及第三電能轉換器之第二直流正輸出端；及一濾波電路，其連接於該第一選擇開關之輸出端、第二選擇開關之輸出端及第三電能轉換器之第二直流負輸出端；其中當輸入一高壓直流輸入至該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側時，將該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關進行切斷，並控制操作該第一電能轉換器及該第一選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第二輸入/輸出側選擇輸出一低電壓變化至一高電壓；或其中當輸入一直流電壓輸入至該直流/直流轉 換器之第二輸入/輸出側時，將該第一電能轉換器及該第一選擇開關進行切斷，並控制操作該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側選擇輸出一固定電壓。
本發明較佳實施例之該第一電能轉換器選自一全橋式電能轉換器。
本發明較佳實施例之該第二電能轉換器及第三電能轉換器選自一全橋式電能轉換器。
本發明較佳實施例於該第二電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組及一第二電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第三電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第三電容器組及一第四電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第二電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第三電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第二電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
本發明較佳實施例利用操作控制該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法包含： 於一直流/直流轉換器提供一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路，且該直流/直流轉換器包含一第一輸入/輸出側及一第二輸入/輸出側；將該第一電能轉換器連接至一輸入直流電壓源；該變壓器之一次側具有一第一繞組，並將該變壓器之一次側之第一繞組連接於該第一電能轉換器之一交流輸出端，且該變壓器之二次側具有一第二繞組及一第三繞組；將該第二電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第二繞組，而該第二電能轉換器具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端，且該第一直流正輸出端及第一直流負輸出端形成一第一輸出直流電壓；將該第三電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第三繞組，且該第三電能轉換器具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第二直流正輸出端及第二直流負輸出端形成一第二輸出直流電壓，且該第三電能轉換器之第二直流正輸出端連接至該第二電能轉換器之第一直流負輸出端；將該第一選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流正輸出端；將該第二選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流負輸出端及第三電能轉換器之第二直流正輸出端；將該濾波電路連接於該第一選擇開關之輸出端、第二選擇開關之輸出端及第三電能轉換器之第二直流負輸出端； 當輸入一高壓直流輸入至該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側時，將該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關進行切斷，並控制操作該第一電能轉換器及該第一選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第二輸入/輸出側選擇輸出一低電壓變化至一高電壓。
本發明較佳實施例之該第一電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
本發明較佳實施例之該第二電能轉換器及第三電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
本發明較佳實施例於該第二電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組及一第二電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第三電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第三電容器組及一第四電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第二電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第三電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第二電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
本發明較佳實施例利用操作控制該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。
為了達成上述目的，本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法包含：於一直流/直流轉換器提供一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路，且該直流/直流轉換器包含一第一輸入/輸出側及一第二輸入/輸出側；將該第一電能轉換器連接至一輸入直流電壓源；該變壓器之一次側具有一第一繞組，並將該變壓器之一次側之第一繞組連接於該第一電能轉換器之一交流輸出端，且該變壓器之二次側具有一第二繞組及一第三繞組；將該第二電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第二繞組，而該第二電能轉換器具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端，且該第一直流正輸出端及第一直流負輸出端形成一第一輸出直流電壓；將該第三電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第三繞組，且該第三電能轉換器具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第二直流正輸出端及第二直流負輸出端形成一第二輸出直流電壓，且該第三電能轉換器之第二直流正輸出端連接至該第二電能轉換器之第一直流負輸出端；將該第一選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流正輸出端；將該第二選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流負輸出端及第三電能轉換器之第二直流正輸出端；將該濾波電路連接於該第一選擇開關之輸出 端、第二選擇開關之輸出端及第三電能轉換器之第二直流負輸出端；當輸入一直流電壓輸入至該直流/直流轉換器之第二輸入/輸出側時，將該第一電能轉換器及該第一選擇開關進行切斷，並控制操作該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側選擇輸出一固定電壓。
本發明較佳實施例之該第一電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
本發明較佳實施例之該第二電能轉換器及第三電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
本發明較佳實施例於該第二電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組及一第二電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第三電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第三電容器組及一第四電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第二電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
本發明較佳實施例於該第三電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第二電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
本發明較佳實施例利用操作控制該第一輸出 直流電壓及該第二輸出直流電壓，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。
10‧‧‧具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置
10a‧‧‧具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置
1‧‧‧第一半橋式電能轉換器
1a‧‧‧第一全橋式電能轉換器
2‧‧‧變壓器
21‧‧‧第一繞組
22‧‧‧第二繞組
23‧‧‧第三繞組
31‧‧‧第二半橋式電能轉換器
32‧‧‧第三半橋式電能轉換器
31a‧‧‧第二全橋式電能轉換器
32a‧‧‧第三全橋式電能轉換器
41‧‧‧第一選擇開關
42‧‧‧第二選擇開關
5‧‧‧濾波電路
9‧‧‧習用多階直流-直流電能轉換裝置
90‧‧‧變壓器
911‧‧‧電感
912‧‧‧二極體
92‧‧‧高壓側開關
93‧‧‧二極體
第1圖：習用多階直流-直流電能轉換裝置之架構示意圖。
第2圖：本發明第一較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第一電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖。
第3圖：本發明第一較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第二電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖。
第4(A)至4(C)圖：本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第一電能轉換方向採用控制方法之波形示意圖。
第5(A)及5(B)圖：本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第二電能轉換方向採用另一控制方法之波形示意圖。
第6圖：本發明第二較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第一電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖。
第7圖：本發明第二較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第二電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖。
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。
本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置、其架構、其操作方法或 其控制方法皆適用於各種雙向多階電能轉換裝置或具其類似功能裝置〔其操作方法或其控制方法〕，但其並非用以限定本發明之應用範圍。
第2圖揭示本發明第一較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第一電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖；第3圖揭示本發明第一較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第二電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖。請參照第2及3圖所示，本發明第一較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10具有一第一輸入/輸出側〔第2圖之左側所示〕及一第二輸入/輸出側〔第2圖之右側所示〕，而該第一輸入/輸出側可輸入數種固定電壓〔例如：400V、800V或其它電壓〕，且該第二輸入/輸出側可擴大輸出一可變電壓範圍〔例如：50V至500V之範圍或其它電壓範圍〕。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10包含一第一半橋式電能轉換器1、一變壓器2、一第二半橋式電能轉換器31、一第三半橋式電能轉換器32、一第一選擇開關41、一第二選擇開關42及一濾波電路5。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該第一半橋式電能轉換器1包含一第一開關〔例如：一個電力電子開關〕S 1 及一第二開關〔例如：一個電力電子開關〕S 2 、一第一電容器組C 1 及一第二電容器組C 2 。該第一半橋式電能轉換器1可選擇變更為一全橋式電能轉換器或其它電能轉換器，且該第一半橋式電能轉換器1之輸入端並聯連接一輸入直流電壓源V in 。另外，該第一半橋式電能轉換器1包含一交流輸出端。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該變壓 器2可選自一具三繞組之變壓器，而該變壓器2包含一次側及二次側，且該一次側具有一第一繞組21，且該二次側具有一第二繞組22及第三繞組23。將該變壓器2之第一繞組21適當連接至該第一半橋式電能轉換器1之交流輸出端。另外，該濾波電路5包含一電感器及一電容器。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該第二半橋式電能轉換器31可選擇變更為一全橋式電能轉換器或其它電能轉換器，且該第二半橋式電能轉換器31具有一第三開關〔例如：一個電力電子開關〕S 3 、一第四開關〔例如：一個電力電子開關〕S 4 、一第三電容器組C 3 及一第四電容器組C 4 。將該第二半橋式電能轉換器31之交流輸入連接於該變壓器2之第二繞組22，且該第二半橋式電能轉換器31具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端，且該第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接該第三電容器組C 3 及第四電容器組C 4 而形成一第一輸出直流電壓。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該第三半橋式電能轉換器32可選擇變更為一全橋式電能轉換器或其它電能轉換器，且該第三半橋式電能轉換器32具有一第五開關〔例如：一個電力電子開關〕S 5 、一第六開關〔例如：一個電力電子開關〕S 6 、一第五電容器組C 5 及一第六電容器組C 6 。將該第三半橋式電能轉換器32之交流輸入連接於該變壓器2之第三繞組23，且該第三半橋式電能轉換器32具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接該第五電容器組C 5 及第六電容器組C 6 而形成一第二輸出直流電壓，且該第三半橋式電能轉換器32之第二直流正輸出端連接至該第二半橋式電能轉換器31之第一直流負輸出端。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該第一選擇開關〔例如：電力電子開關〕41具有一第一端〔輸入/輸出端〕及一第二端〔輸入/輸出端〕，且該第一選擇開關41之第一端連接於該第二半橋式電能轉換器31之第一直流正輸出端。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該第二選擇開關〔例如：電力電子開關〕42具有一第一端〔輸入/輸出端〕及一第二端〔輸入/輸出端〕，且該第二選擇開關42之第一端連接於該第二半橋式電能轉換器31之第一直流負輸出端及第三半橋式電能轉換器32之第二直流正輸出端。
請再參照第2及3圖所示，舉例而言，該濾波電路5連接於該第一選擇開關41之第二端、第二選擇開關42之第二端及第三半橋式電能轉換器32之第二直流負輸出端。
第4(A)至4(C)圖揭示本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第一電能轉換方向採用控制方法之波形示意圖。請再參照第2、4(A)及4(B)圖所示，舉例而言，當輸入該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10之第一輸入/輸出側時，將該第二半橋式電能轉換器31之第三開關S 3 及第四開關S 4 、該第三半橋式電能轉換器32之第五開關S 5 及第六開關S 6 與該第二選擇開關42進行切斷〔off〕，並控制操作該第一半橋式電能轉換器1之第一開關S 1 〔如第4(A)圖上半部之切換訊號所示〕及第二開關S 2 〔如第4(A)圖下半部之切換訊號所示〕與該第一選擇開關41〔如第4(B)圖之切換訊號所示〕，以便由該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10之第二輸入/輸出側選擇輸出一低電壓變化至一高電壓。
請參照第2及4(A)圖所示，該第一半橋式電能轉換器1之第一開關S 1 及第二開關S 2 均採用固定責任週期為0.5之切換。因此，該第一半橋式電能轉換器1將輸出一固定寬度之高頻方波電壓，將該固定寬度之高頻方波電壓連接至該變壓器2之第一繞組21，而在該變壓器2之第二繞組22及第三繞組23感應出相同波形之高頻方波電壓，分別經該第二半橋式電能轉換器31及該第三半橋式電能轉換器32產生該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓。假設輸入電壓為V in ，該變壓器22之第一繞組21、第二繞組22及第三繞組23之匝數比為n1：n2：n3，則該第一輸出直流電壓為Vin*n2/n1，該第二輸出直流電壓為Vin*n3/n1。
請參照第2及4(A)至4(C)圖所示，利用操作控制該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。選擇該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓形成串聯供應電力，因此該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓之和(Vin*n2/n1+Vin*n3/n1)，或選擇輸出電壓為該第二直流電壓(Vin*n3/n1)。
第5(A)及5(B)圖揭示本發明較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第二電能轉換方向採用另一控制方法之波形示意圖。請再參照第3、5(A)及5(B)圖所示，舉例而言，當輸入一直流電壓輸入至該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10之第二輸入/輸出側時，將該第一半橋式電能轉換器1之第一開關S 1 及第二開關S 2 與該第一選擇開關41進行切斷〔off〕，並控制操作該第二半橋式電能轉換器31之第三開關S 3 〔如第5(A)圖上半部之切換訊號所示〕及第四開關S 4 〔如第5(A)圖下半部之切換訊號所示〕、該第三半橋式電能轉換器32之第五開關S 5 〔如第 5(A)圖上半部之切換訊號所示〕及第六開關S 6 〔如第5(A)圖下半部之切換訊號所示〕與該第二選擇開關42〔如第5(B)圖之切換訊號所示〕，以便由該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10之第一輸入/輸出側選擇輸出一固定電壓。
請參照第3及5(A)圖所示，該第二半橋式電能轉換器31之第三開關S 3 及第三半橋式電能轉換器32之第五開關S 5 均採用相同切換訊號〔如第5(A)圖上半部之切換訊號所示〕，而該第二半橋式電能轉換器31之第四開關S 4 及第三半橋式電能轉換器32之第六開關S 6 均採用另一相同切換訊號〔如第5(A)圖下半部之切換訊號所示〕，且其固定責任週期為0.5之切換。
第6圖揭示本發明第二較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第一電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖；第7圖揭示本發明第二較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置於第二電能轉換方向進行電能轉換之架構示意圖。請參照第6及7圖所示，相對於第一實施例，本發明第二較佳實施例之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10a包含一第一全橋式電能轉換器1a、一變壓器2、一第二全橋式電能轉換器31a、一第三全橋式電能轉換器32a、一第一選擇開關41、一第二選擇開關42及一濾波電路5。
請再參照第6及7圖所示，舉例而言，該第一全橋式電能轉換器1a包含一第一開關〔例如：兩個電力電子開關〕S 1 及一第二開關〔例如：兩個電力電子開關〕S 2 及一第一電容器組C 1 。該第一全橋式電能轉換器1a可選擇變更為一半橋式電能轉換器或其它電能轉換器。
請再參照第6及7圖所示，舉例而言，該變壓 器2可選自一具三繞組之變壓器，而該變壓器2包含一次側及二次側，且該一次側具有一第一繞組21，且該二次側具有一第二繞組22及第三繞組23。將該變壓器2之第一繞組21適當連接至該第一全橋式電能轉換器1a之交流輸出端。另外，該濾波電路5包含一電感器及一電容器。
請再參照第6及7圖所示，舉例而言，該第二全橋式電能轉換器31a可選擇變更為一半橋式電能轉換器或其它電能轉換器，且該第二全橋式電能轉換器31a具有一第三開關〔例如：兩個電力電子開關〕S 3 、一第四開關〔例如：兩個電力電子開關〕S 4 及一第二電容器組C 2 。將該第二全橋式電能轉換器31a之交流輸入連接於該變壓器2之第二繞組22，且該第二全橋式電能轉換器31a具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端，且該第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接該第二電容器組C 2 而形成一第一輸出直流電壓。
請再參照第6及7圖所示，舉例而言，該第三全橋式電能轉換器32a可選擇變更為一半橋式電能轉換器或其它電能轉換器，且該第三全橋式電能轉換器32a具有一第五開關〔例如：兩個電力電子開關〕S 5 、一第六開關〔例如：兩個電力電子開關〕S 6 及一第三電容器組C 3 。將該第三全橋式電能轉換器32a之交流輸入連接於該變壓器2之第三繞組23，且該第三全橋式電能轉換器32a具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接該第三電容器組C 3 而形成一第二輸出直流電壓，且該第三全橋式電能轉換器32a之第二直流正輸出端連接至該第二全橋式電能轉換器31a之第一直流負輸出端。
請再參照第6及7圖所示，舉例而言，該第一選擇開關〔例如：電力電子開關〕41具有一第一端〔輸入 /輸出端〕及一第二端〔輸入/輸出端〕，且該第一選擇開關41之第一端連接於該第一全橋式電能轉換器31a之第一直流正輸出端。
請再參照第6及7圖所示，舉例而言，該第二選擇開關〔例如：電力電子開關〕42具有一第一端〔輸入/輸出端〕及一第二端〔輸入/輸出端〕，且該第二選擇開關42之第一端連接於該第二全橋式電能轉換器31a之第一直流負輸出端及第三全橋式電能轉換器32a之第二直流正輸出端。
請再參照第6及7圖所示，舉例而言，該濾波電路5連接於該第一選擇開關41之第二端、第二選擇開關42之第二端及第三全橋式電能轉換器32a之第二直流負輸出端。
請再參照第6、4(A)及4(B)圖所示，舉例而言，當輸入該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10a之第一輸入/輸出側時，將該第二全橋式電能轉換器31a之第三開關S 3 及第四開關S 4 、該第三全橋式電能轉換器32a之第五開關S 5 及第六開關S 6 與該第二選擇開關42進行切斷〔off〕，並控制操作該第一全橋式電能轉換器1a之第一開關S 1 〔如第4(A)圖上半部之切換訊號所示〕及第二開關S 2 〔如第4(A)圖下半部之切換訊號所示〕與該第一選擇開關41〔如第4(B)圖之切換訊號所示〕，以便由該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10a之第二輸入/輸出側選擇輸出一低電壓變化至一高電壓。
請再參照第7、5(A)及5(B)圖所示，舉例而言，當輸入一直流電壓輸入至該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10a之第二輸入/輸出側時，將該第一全橋式電能轉換器1a之第一開關S 1 及第二開關S 2 與 該第一選擇開關41進行切斷〔off〕，並控制操作該第二全橋式電能轉換器31a之第三開關S 3 〔如第5(A)圖上半部之切換訊號所示〕及第四開關S 4 〔如第5(A)圖下半部之切換訊號所示〕、該第三全橋式電能轉換器32a之第五開關S 5 〔如第5(A)圖上半部之切換訊號所示〕及第六開關S 6 〔如第5(A)圖下半部之切換訊號所示〕與該第二選擇開關42〔如第5(B)圖之切換訊號所示〕，以便由該具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置10a之第一輸入/輸出側選擇輸出一固定電壓。
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。本案著作權限制使用於中華民國專利申請用途。
10‧‧‧具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置
1‧‧‧第一半橋式電能轉換器
2‧‧‧變壓器
21‧‧‧第一繞組
22‧‧‧第二繞組
23‧‧‧第三繞組
31‧‧‧第二半橋式電能轉換器
32‧‧‧第三半橋式電能轉換器
41‧‧‧第一選擇開關
42‧‧‧第二選擇開關
5‧‧‧濾波電路

Claims (24)

  1. 一種具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其包含：一直流/直流轉換器，其包含一第一輸入/輸出側及一第二輸入/輸出側，其包含：一第一電能轉換器，其設置於該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側及第二輸入/輸出側之間；一變壓器，其設置於該直流/直流轉換器，而該變壓器包含一次側及二次側，且該變壓器之一次側具有一第一繞組，並將該變壓器之第一繞組連接於該第一電能轉換器，且該變壓器之二次側具有一第二繞組及一第三繞組；一第二電能轉換器，其輸入連接於該變壓器之第二繞組，而該第二電能轉換器具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端；一第三電能轉換器，其輸入連接於該變壓器之第三繞組，而該第三電能轉換器具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第三電能轉換器之第二直流正輸出端連接至該第二電能轉換器之第一直流負輸出端；一第一選擇開關，其連接於該第二電能轉換器之第一直流正輸出端；一第二選擇開關，其連接於該第二電能轉換器之第一直流負輸出端及第三電能轉換器之第二直流正輸出端；及一濾波電路，其連接於該第一選擇開關之輸出端、第二選擇開關之輸出端及第三電能轉換器之第二直流負輸出端；其中當輸入一高壓直流輸入至該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側時，將該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關進行切斷，並控制操作該第一電能轉換器及該第一選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第二輸入/輸出側選擇輸出一低電壓至一高電壓；或 其中當輸入一直流電壓輸入至該直流/直流轉換器之第二輸入/輸出側時，將該第一電能轉換器及該第一選擇開關進行切斷，並控制操作該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側選擇輸出一固定電壓。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該第一電能轉換器選自一全橋式電能轉換器或一半橋式電能轉換器。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中該第二電能轉換器及第三電能轉換器選自一全橋式電能轉換器或一半橋式電能轉換器。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中於該第二電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組及一第二電容器組而形成一第一輸出直流電壓。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中於該第三電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第三電容器組及一第四電容器組而形成一第二輸出直流電壓。
  6. 依申請專利範圍第1項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中於該第二電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組而形成一第一輸出直流電壓。
  7. 依申請專利範圍第1項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中於該第三電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第 二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第二電容器組而形成一第二輸出直流電壓。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換裝置，其中利用操作控制該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組而形成一第一輸出直流電壓及利用操作控制該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第二電容器組而形成一第二輸出直流電壓，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。
  9. 一種具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其包含：於一直流/直流轉換器提供一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路，且該直流/直流轉換器包含一第一輸入/輸出側及一第二輸入/輸出側；將該第一電能轉換器連接至一輸入直流電壓源；該變壓器之一次側具有一第一繞組，並將該變壓器之一次側之第一繞組連接於該第一電能轉換器之一交流輸出端，且該變壓器之二次側具有一第二繞組及一第三繞組；將該第二電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第二繞組，而該第二電能轉換器具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端，且該第一直流正輸出端及第一直流負輸出端形成一第一輸出直流電壓；將該第三電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第三繞組，且該第三電能轉換器具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第二直流正輸出端及第二直流負輸出端形成一第二輸出直流電壓，且該第三電能轉換器之第二直流正輸出端連接至該第二電能轉換器之第一直流負輸出端；將該第一選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直 流正輸出端；將該第二選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流負輸出端及第三電能轉換器之第二直流正輸出端；將該濾波電路連接於該第一選擇開關之輸出端、第二選擇開關之輸出端及第三電能轉換器之第二直流負輸出端；當輸入一高壓直流輸入至該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側時，將該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關進行切斷，並控制操作該第一電能轉換器及該第一選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第二輸入/輸出側選擇輸出一低電壓至一高電壓。
  10. 依申請專利範圍第9項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該第一電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
  11. 依申請專利範圍第9項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該第二電能轉換器及第三電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
  12. 依申請專利範圍第9項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第二電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組及一第二電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
  13. 依申請專利範圍第9項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第三電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第三電容器組及一第四電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
  14. 依申請專利範圍第9項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第二電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第 一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
  15. 依申請專利範圍第9項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第三電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第二電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
  16. 依申請專利範圍第9項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中利用操作控制該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。
  17. 一種具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其包含：於一直流/直流轉換器提供一第一電能轉換器、一變壓器、一第二電能轉換器、一第三電能轉換器、一第一選擇開關、一第二選擇開關及一濾波電路，且該直流/直流轉換器包含一第一輸入/輸出側及一第二輸入/輸出側；將該第一電能轉換器連接至一輸入直流電壓源；該變壓器之一次側具有一第一繞組，並將該變壓器之一次側之第一繞組連接於該第一電能轉換器之一交流輸出端，且該變壓器之二次側具有一第二繞組及一第三繞組；將該第二電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第二繞組，而該第二電能轉換器具有一第一直流正輸出端及一第一直流負輸出端，且該第一直流正輸出端及第一直流負輸出端形成一第一輸出直流電壓；將該第三電能轉換器之輸入連接於該變壓器之二次側之第三繞組，且該第三電能轉換器具有一第二直流正輸出端及一第二直流負輸出端，且該第二直流正輸出端及第二直流負輸出端形成一第二輸出直流電壓，且該第三電能轉換器之第二直流正輸出端連接至該第二電能轉換器之第一 直流負輸出端；將該第一選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流正輸出端；將該第二選擇開關連接於該第二電能轉換器之第一直流負輸出端及第三電能轉換器之第二直流正輸出端；將該濾波電路連接於該第一選擇開關之輸出端、第二選擇開關之輸出端及第三電能轉換器之第二直流負輸出端；當輸入一直流電壓輸入至該直流/直流轉換器之第二輸入/輸出側時，將該第一電能轉換器及該第一選擇開關進行切斷，並控制操作該第二電能轉換器、該第三電能轉換器及該第二選擇開關，以便由該直流/直流轉換器之第一輸入/輸出側選擇輸出一固定電壓。
  18. 依申請專利範圍第17項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該第一電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
  19. 依申請專利範圍第17項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中該第二電能轉換器及第三電能轉換器選自一半橋式電能轉換器或一全橋式電能轉換器。
  20. 依申請專利範圍第17項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第二電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組及一第二電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
  21. 依申請專利範圍第17項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第三電能轉換器選擇為一半橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第三電容器組及一第四電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
  22. 依申請專利範圍第17項所述之具寬電壓範圍之雙向隔 離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第二電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第二電能轉換器之第一直流正輸出端及第一直流負輸出端並聯連接一第一電容器組而形成該第一輸出直流電壓。
  23. 依申請專利範圍第17項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中於該第三電能轉換器選擇為一全橋式電能轉換器時，該第三電能轉換器之第二直流正輸出端及第二直流負輸出端並聯連接一第二電容器組而形成該第二輸出直流電壓。
  24. 依申請專利範圍第17項所述之具寬電壓範圍之雙向隔離式多階直流-直流電能轉換方法，其中利用操作控制該第一輸出直流電壓及該第二輸出直流電壓，以便輸出兩種電壓階層而形成一多階輸出電壓。
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