TWI762415B - 可升降壓的雙向直流-直流諧振轉換器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種雙向直流-直流電源轉換裝置包含雙向直流-直流諧振轉換器及控制單元。該控制單元產生用於控制該電源轉換器的多個控制信號，使得該電源轉換器能根據該等控制信號操作在多個不同的轉換模式以實現在該電源轉換器的兩側之間雙向的升降壓轉換。特別是，在該電源轉換器將第二全橋斬波電路接收的輸入電壓經由LLC諧振電路轉換到該第一全橋斬波電路輸出同時該第二全橋斬波電路的控制頻率低於輸入側的諧振頻率的情況下，在該LLC諧振電路達到諧振時，增加該第一全橋斬波電路的控制以使輸出側能輸出更高的輸出電壓。

Description

可升降壓的雙向直流-直流諧振轉換器及其控制方法

本發明是有關於一種直流-直流諧振轉換器，特別是指一種可升降壓的雙向直流-直流諧振轉換器及其控制方法。

現有的直流-直流LLC電源轉換電路通常可包括一跨接於一第一側的第一全橋斬波電路、一跨接於一第二側的第二全橋斬波電路、及一耦接在該第一全橋斬波電路和該第二全橋斬波電路之間的LLC諧振電路。該第一全橋斬波電路通常是由四個功率型開關元件組成，該第二全橋斬波電路通常是由四個功率型開關元件組成，且該LLC諧振電路是由一諧振電容器、一諧振電感器和一變壓器組成。

然而，對於該第一全橋斬波電路和該第二全橋斬波電路的操作，在現有的控制方式下，雖能實現從該第一側到該第二側的升壓或降壓的電源轉換，但從該第二側到該第一側僅能實現降壓轉換。因此，如何控制此LLC電源轉換電路而能實現在該第一側與該第二側之間雙向的升/降壓電源轉換遂成為相關技術領域所欲解決的議題之一。

因此，本發明的目的，即在提供一種可升降壓的雙向直流-直流諧振轉換器及其控制方法，其能克服現有技術至少一個缺點。

於是，本發明所提供的一種雙向直流-直流電源轉換裝置包含一雙向直流-直流諧振轉換器、及一控制單元。

該雙向直流-直流諧振轉換器具有可分別用作輸入側和輸出側或者輸出側和輸入側的一第一側和一第二側，並包括一第一全橋斬波電路、一第二全橋斬波電路、及一LLC諧振電路。該第一全橋斬波電路包括彼此串聯且跨接於該第一側的第一、二開關組件以及第三、四開關組件，其中該第一、三開關組件和該第二、四開關組件分別電連接該第一側的正端和負端，並且該第一至第四開關組件分別回應於第一至第四控制信號而導通或關斷。該第二全橋斬波電路包括彼此串聯且跨接於該第二側的第五、六開關組件以及第七、八開關組件，其中該第五、七開關組件和該第六、八開關組件分別電連接該第二側的正端和負端，並且該第五至第八開關組件分別回應於第五至第八控制信號而導通或關斷。該LLC諧振電路耦接在該第一全橋斬波電路與該第二全橋斬波電路之間，並包括一諧振電容器、一諧振電感器和一變壓器。彼此串聯的該諧振電容器、該諧振電感器和該變壓器的一次側繞組耦接在該第一、二開關組件之間的一第一共同節點和該第三、四開關組件之間的一第二共同節點之間，該變壓器的二次側繞組耦接在該第五、六開關組件之間的一第三共同節點和該第七、八開關組件之間的一第四共同節點之間。

該控制單元電連接該第一、二全橋斬波電路，且組配來產生並提供用於控制該第一至第八開關組件的該第一至第八控制信號，以使該雙向直流-直流諧振轉換器可操作在第一至第三轉換模式其中一者。

當該第一側作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第二側作為一用於輸出一輸出電壓的輸出側時，該雙向直流-直流諧振轉換器操作在該第一轉換模式，其中該控制單元在該第一全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第一、四控制信號彼此相同，以致該第一、四開關組件同步操作；使該第二、三控制信號彼此相同並互補於該第一、四控制信號，以致該第二、三開關組件同步操作；使該第一/四控制信號和該第二/三控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有一與該第一至第四開關組件的切換速度有關的第一死區時間，以致在該第一死區時間內該第一、二開關組件均關斷以避免該第一、二開關組件直通或者該第三、四開關組件均關斷以避免該第三、四開關組件直通；及使該第五至第八開關組件均關斷，以致該第二全橋斬波電路用作一全波整流電路。

當該第二側作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第一側作為一用於輸出一輸出電壓的輸出側並且該第五至第八開關組件的控制頻率高於 一相對於該第二側且與該諧振電容器和該諧振電感器有關的諧振頻率時，該雙向直流-直流諧振轉換器操作在該第二轉換模式，其中該控制單元在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同，以致該第五、八開關組件同步操作；使該第六、七控制信號彼此相同並互補於該第五、八控制信號，以致該第六、七開關組件同步操作；該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有一與該第五至第八開關組件的切換速度有關的第二死區時間，以致在該第二死區時間內該第五、六開關組件均關斷以避免該第五、六開關組件直通或者該第七、八開關組件均關斷以避免該第七、八開關組件直通；及使該第一至第四開關組件均關斷，以致該第一全橋斬波電路用作一全波整流電路。

當該第二側作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第一側作為一用於輸出一輸出電壓的輸出側並且該第五至第八開關組件的該控制頻率低於該諧振頻率時，該雙向直流-直流諧振轉換器操作在該第三轉換模式，其中該控制單元在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同，以致該第五、八開關組件同步操作；使該第六、七控制信號彼此相同並互補於該第五、八控制信號以致該第六、七開關組件同步操作；使該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有該第二死區時間以致在該第二死區時間內該第五、六開關組件均關斷以避免該第五、六開關組件直通或者該第七、八開關組件均關斷以避免該第七、八開關組件直通；使該第一、三開關組件關斷；使該第二開關組件回應於該第二控制信號而於該第五、八開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第五、八開關組件同步關斷，以便在該第二開關組件的導通期間內藉由該一次側繞組的感應電流對該諧振電容器充電；及使該第四開關組件回應於該第四控制信號而於該第六、七開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第六、七開關組件同步關斷，以便在該第四開關組件的導通期間內藉由該一次側繞組的感應電流對該諧振電容器充電。

於是，本發明所提供的一種如上述的雙向直流-直流諧振轉換器的控制方法包含以下步驟：當一輸入電源從該第一側轉換至該第二側輸出的一輸出電壓時，在該第一全橋斬波電路的每一控制週期內:使該第一、四控制信號彼此相同；使該第二、三控制信號彼此相同且互補於該第一、四控制信號；及將該第一/四控制信號和該第二/三控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間插入有一與該第一至第四開關組件的切換速度有關的第一死區時間；當一輸入電壓從該第二側轉換至該第一側輸出的一輸出電壓並且該第五至第八開關組件的控制頻率高於一相對於該第二側且與該諧振電容器和該諧振電感器有關的諧振頻率時，在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同；使該第六、七控制信號彼此相同且互補於該第五、八控制信號；將該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間插入有一與該第五至第八開關組件的切換速度有關的第二死區時間；及當一輸入電壓從該第二側轉換至該第一側輸出的一輸出電壓並且該第五至第八開關組件的該控制頻率低於該諧振頻率時，在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同；使該第六、七控制信號彼此相同且互補於該第五、八控制信號；將該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間插入有一與該第五至第八開關組件的切換速度有關的第二死區時間；根據該第二控制信號使該第二開關組件於該第五、八開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第五、八開關組件同步關斷，以便在該第二開關組件的導通期間內藉由該一次側繞組的感應電流對該諧振電容器充電；及根據該第四控制信號使該第四開關組件於該第六、七開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第六、七開關組件同步關斷。

本發明的功效在於：由於在該第三轉換模式中，該控制單元利用對於該第二、四開關組件的額外控制，能使該諧振電路中的該諧振電容器被額外充電，藉此實現該雙向直流-直流諧振電路從該第二側向該第一側的升壓。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，示例性地繪示出本發明實施例的一種雙向直流-直流電源轉換裝置。該雙向直流-直流電源轉換裝置例如包含一雙向直流-直流諧振轉換器10、及一用於控制該雙向直流-直流諧振轉換器10的控制單元20。

在本實施例中，該雙向直流-直流諧振轉換器10具有一第一側DC1和一第二側DC2，其可以分別用作輸入側和輸出側或者輸出側和輸入側。該第一側DC1具有一正端DC1+和一負端DC1-，該第二側DC2具有一正端DC2+和一負端DC2+。更具體地，當該第一側DC1用作一輸入側時，該第一側DC1適於施加一直流的輸入電壓；而當該第二側DC2用作一輸入側時，該第二側DC2適於施加一直流的輸入電壓。該雙向直流-直流諧振轉換器10例如包含一第一濾波電容器C1、一第二濾波電容器C2、一第一全橋斬波電路1、一第二全橋斬波電路2、及一LLC諧振電路3。

以下，將參閱圖2進一步詳細說明該雙向直流-直流諧振轉換器10的電路結構。

該第一濾波電容器C1跨接於該第一側DC1，且該第二濾波電容器C2跨接於該第二側DC2。

該第一全橋斬波電路1包含第一至第四開關組件K1~K4。該第一、二開關組件K1，K2彼此串聯並跨接於該第一側DC1，並且該第一、二開關組件K1，K2分別電連接該第一側DC1的該正端DC1+和該負端DC1-。該第三、四開關組件K3，K4彼此串聯並跨接於該第一側DC1，並且該第三、四開關組件K1，K2分別電連接該第一側DC1的該正端DC1+和該負端DC1-。該第一至第四開關組件K1~K4分別回應於第一至第四控制信號S1~S4而導通或關斷。在本實施例中，該第一至第四開關組件其中每一者例如包含一金屬氧化物半導體場效電晶體(以下簡稱MOSFET)，如n-通道MOSFET，和一與該MOSFET反向並聯的本體二極體，並且該MOSFET的閘極用於接收對應的控制信號S1/S2/S3/S4。然而，在其他的實施例中，該第一至第四開關組件K1~K4其中每一者亦可包含一絕緣閘極雙極性電晶體(以下簡稱IGBT)。值得注意的是，當該第一至第四開關組件K1~K4的MOSFET分別回應於該第一至第四控制信號S1~S4而都關斷時，該第一全橋斬波電路1可以用作一全波整流電路。

該第二全橋斬波電路2包含第五至第八開關組件K5~K8。該第五、六開關組件K5，K6彼此串聯並跨接於該第二側DC2，並且該第五、六開關組件K5，K6分別電連接該第二側DC2的該正端DC2+和該負端DC2-。該第七、八開關組件K7，K8彼此串聯並跨接於該第二側DC2，並且該第七、八開關組件K7，K8分別電連接該第二側DC2的該正端DC2+和該負端DC2-。該第五至第八開關組件K5~K8分別回應於第五至第八控制信號S5~S8而導通或關斷。在本實施例中，該第五至第八開關組件其中每一者例如包含一MOSFET(如n-通道MOSFET)和一與該MOSFET反向並聯的本體二極體，其中該MOSFET的閘極用於接收對應的控制信號S5/S6/S7/S8。然而，在其他的實施例中，該第五至第八開關組件K5~K8其中每一者亦可包含一IGBT。相似於該第一全橋斬波電路1，當該第五至第八開關組件K5~K8的MOSFET分別回應於該第五至第八控制信號S5~S8而都關斷時，該第二全橋斬波電路2可以用作一全波整流電路。

該LLC諧振電路3耦接在該第一全橋斬波電路1和該第二全橋斬波電路2之間，並例如包含一諧振電容器Cr、一諧振電感器Lr和一變壓器T。該變壓器T包含一一次側繞組L1和一二次側繞組L2。該諧振電容器Cr、該諧振電感器Lr和該一次側繞組L1彼此串聯耦接在該第一共同節點n1與該第二共同節點n2之間(該諧振電容器Cr的一端耦接該第一共同節點n1，該一次側繞組的打點端和非打點端分別耦接該諧振電感器Lr的一端和該第二共同節點n2)。該二次側繞組L2的打點端和非打點端分別耦接該第三共同節點n3和該第四共同節點n4。

該控制單元20電連接該第一、二全橋斬波電路(見圖1)，且組配來產生並提供用於控制該第一至第八開關組件K1~K8(的MOSFET)的該第一至第八控制信號S1~S8，以使該雙向直流-直流諧振轉換器10可操作在第一至第三轉換模式其中一者。

當該第一側DC1和該第二側DC2分別作為一用於接收一輸入電壓的輸入側和一用於輸出一輸出電壓的輸出側時，該雙向直流-直流諧振轉換器10根據來自該控制單元20的該第一至第四控制號S1~S4(或者該第一至第八控制信號S1~S8)而操作在該第一轉換模式。參閱圖3，在該第一轉換模式中，該控制單元20在該第一全橋斬波電路1的每一控制週期T內：使該第一、四控制信號S1，S4彼此相同以致該第一、四開關組件K1，K4同步操作；使該第二、三控制信號S2，S3彼此相同並互補於該第一、四控制信號S1，S4以致該第二、三開關組件K2，K3同步操作；使該第一/四控制信號S1/S4和該第二/三控制信號S2/S3其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有一與該第一至第四開關組件K1~K4的切換速度有關的第一死區時間(如t ₀~t ₁和t ₂~t ₃)以致在該第一死區時間內該第一、二開關組件K1，K2均關斷以避免切換過程中該第一、二開關組件K1，K2直通或者該第三、四開關組件K3，K4均關斷以避免切換過程中該第三、四開關組件K3，K4直通；及使該第五至第八開關組件K5~K8均關斷(例如，該控制單元20停止輸出該第五至第八控制信號S5~S8，或輸出保持在邏輯-0準位的信號(圖未示)作為該第五至第八控制信號S5~S8)以致該第二全橋斬波電路2可用作一全波整流電路。請注意，由於該第一死區時間與該第一至第四開關組件K1~K4的切換速度有關，在本實施例中，該第一至第四開關組件K1~K4所含的MOSFET具有相對較快的切換速度，則該第一死區時間可以採用但不限於例如0.3µs~0.5µs範圍內的時間，在其他實施例中，若該第一至第四開關組件K1~K4包含具有相對較慢的切換速度的IGBT的情況時，該第一死區時間可以採用例如0.5µs~1µs範圍內的時間。

以下將配合圖2和圖3進一步詳細說明該雙向直流-直流諧振轉換器10操作在該第一轉換模式下於每一控制週期T的四個工作狀態。

在結束前一個控制週期T後，首先，在對應於該第一死區時間t ₀~t ₁的第一工作狀態下，該第一至第八開關組件K1~K8均關斷，以防止在切換過程中該第一、二開關組件K1，K2直通或者該第三、四開關組件K3，K4的直通；接著，在對應於時間t ₁~t ₂的第二工作狀態下，該第二、三開關組件K2，K3回應於該第二、三控制信號S2，S3而導通，且其他開關組件K1，K2，K5~K8均關斷，於是對應於該第一側DC1(輸入側)所接收的輸入電壓的輸入電流流經導通的該第三開關組件K3，然後從該一次側繞組L1的非打點端流入該一次側繞組L1且經過該諧振電感器Lr和該諧振電容器Cr(進行(反向)諧振充電)，最後流經導通的該第二開關組件K2，同時在該二次側繞組L2產生的感應電流從該二次側繞組L2的非打點端流出並經過該第七、六開關組件K7，K6的本體二極體，最後經由該二次側繞組L2的打點端流入該二次側繞組L2，以對該第二側DC2(輸出側)充電，藉此將該輸入電壓轉換成在該第二側DC2輸出的輸出電壓；接著，在對應於該第一死區時間t ₂~t ₃的第三工作狀態下，相似於上述的第一工作狀態，該第一至第八開關組件K1~K8均關斷，以防止在切換過程中該第一、二開關組件K1，K2直通或者該第三、四開關組件K3，K4的直通；最後，在對應於該時間t ₃~t ₄的第四工作狀態下，該第一、四開關組件K1，K4回應於該第一、四控制信號S1，S4而導通，且其他開關組件K2，K3，K5~K8均關斷，於是對應於該第一側DC1所接收的輸入電壓的輸入電流流經導通的該第一開關組件K1、該諧振電感器Lr和該諧振電容器Cr，然後從該一次側繞組L1的打點端流進該一次側繞組L1(進行諧振充電)，最後流經導通的該第四開關組件K4，同時在該二次側繞組L2產生的感應電流從該二次側繞組L2的打點端流出並經過該第五、八開關組件K5，K8的本體二極體，最後經由該二次側繞組L2的非打點端流進該二次側繞組L2，以對該第二側DC2充電，藉此將該輸入電壓轉換成在該第二側DC2輸出的輸出電壓。在此控制週期T結束後，將進入下一個控制週期T的第一工作狀態，也就是對應於該死區時間t ₄~t ₅的工作狀態。

當該第二側DC2作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第一側作DC1為一用於輸出一輸出電壓的輸出側並且該第五至第八開關組件K5~K8的控制頻率高於一相對於該第二側DC2且與該諧振電容器Cr和該諧振電感器Lr有關的諧振頻率時，該雙向直流-直流諧振轉換器10根據來自該控制單元20的該第五至第八控制信號S5~S8(或者該第一至第八控制信號S1~S8)而操作在該第二轉換模式。值得注意的是，該諧振頻率可以表示如

，其中L _r1代表寄生於該第二全橋斬波電路2的雜散電感與該諧振電感器Lr之電感共同作用的等效電感值(其可藉由實際量測而獲得)，且C _r1代表是寄生於該第二全橋斬波電路2的雜散電容與該諧振電容器Cr共同作用的等效電容值(其可藉由實際量測而獲得)。參閱圖4，在該第二轉換模式中，該控制單元20在該第二全橋斬波電路2的每一控制週期T’內：使該第五、八控制信號S5，S8彼此相同，以致該第五、八開關組件K5，K8同步操作；使該第六、七控制信號S6，S7彼此相同並互補於該第五、八控制信號S5，S8，以致該第六、七開關組件K6，K7同步操作；使該第五/八控制信號S5/S8和該第六/七控制信號S6/S7其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有一與該第五至第八開關組件K5~K8的切換速度有關的第二死區時間(如t ^’ ₀~t ^’ ₁和t ^’ ₂~t ^’ ₃)以致在該第二死區時間內該第五、六開關組件K5，K6均關斷以避免在切換過程中該第五、六開關組件K5，K6直通或者該第七、八開關組件K7，K8均關斷以避免在切換過程中該第七、八開關組件K7，K8直通；及使該第一至第四開關組件K1~K4均關斷(例如，該控制單元20停止輸出該第一至第四控制信號S1~S4，或輸出保持在邏輯-0準位的信號(圖未示)作為該第一至第四控制信號S1~S4)，以致該第一全橋斬波電路1用作一全波整流電路。在本實施例中，由於該第五至第八開關組件K5~K8相似於該第一至第四開關組件K1~K4(即包含n-通道MOSFET)，所以該控制週期T’可相似於該第一轉換模式中的該控制週期T，且該第二死區時間可相似於該第一轉換模式中的該第一死區時間。

舉例來說，該第二全橋斬波電路2的控制週期例如為6µs(如圖4所示)，而該諧振頻率例如約為142KHz(即，諧振週期約為7µs)。在此情況下，由於當該第五至第八開關組件K5~K8的控制頻率高於該諧振頻率，於是該雙向直流-直流諧振轉換器10會操作在該第二轉換模式。以下將配合圖2和圖4進一步詳細說明該雙向直流-直流諧振轉換器10操作在該第二轉換模式下於每一控制週期T’的四個工作狀態。

在結束前一個控制週期T’後，首先，在對應於該第二死區時間t’ ₀~t’ ₁的第一工作狀態下，該第一至第八開關組件K1~K8均關斷，以防止在切換過程中該第五、六開關組件K5，K6直通或者該第七、八開關組件K7，K8的直通；接著，在對應於時間t’ ₁~t’ ₂的第二工作狀態下，該第五、八開關組件K5，K8回應於該第五、八控制信號S5，S8而導通，且其他開關組件K1~K4，K6，K7均關斷，於是對應於該第二側DC2(輸入側)所接收的輸入電壓的輸入電流流經導通的該第五開關組件K5，然後從該二次側繞組L2的打點端流進該二次側繞組L2，最後流經導通的該第八開關組件K8，同時在該一次側繞組L1產生的感應電流從該一次側繞組L1的打點端流出且經過該諧振電感器Lr和該諧振電容器Cr(進行諧振充電)，最後流經該第一、四開關組件K1，K4的本體二極體以對該第一側DC1(輸出側)充電，藉此將該輸入電壓轉換成在該第一側DC1輸出的輸出電壓；接著，在對應於該第二死區時間t’ ₂~t’ ₃的第三工作狀態下，相似於上述的第一工作狀態，該第一至第八開關組件K1~K8均關斷，以防止在切換過程中該第五、六開關組件K5，K6直通或者該第七、八開關組件K7，K8的直通；最後，在對應於該時間t’ ₃~t’ ₄的第四工作狀態下，該第六、七開關組件K6，K7回應於該第六、七控制信號S6，S7而導通，且其他開關組件K1~K4，K5，K8均關斷，於是對應於該第二側DC2所接收的輸入電壓的輸入電流流經導通的該第七開關組件K7，然後從該二次側繞組L2的非打點端流入該二次側繞組L2，最後流經導通的該第六開關組件K6，同時在該一次側繞組L1產生的感應電流從該一次側繞組L1的非打點端流出並經過該第三、二開關組件K3，K2的本體二極體、該諧振電容器Cr和該諧振電感器Lr，最後經由該一次側繞組L1的打點端返回該一次側繞組L1，以對該第一側DC1充電，藉此將該輸入電壓轉換成在該第一側DC1的輸出的輸出電壓。在此控制週期T’結束後，將進入下一個控制週期T’的第一工作狀態，也就是對應於該死區時間t’ ₄~t’ ₅的工作狀態。

當該第二側DC2作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第一側作DC1為一用於輸出一輸出電壓的輸出側並且該第五至第八開關組件的該控制頻率低於該諧振頻率時，該雙向直流-直流諧振轉換器10根據來自該控制單元20的該第二、四控制信號和該第五至第八控制信號S5~S8(或者該第一至第八控制信號S1~S8)而操作在該第三轉換模式。參閱圖5，在該第三轉換模式中，該控制單元20在該第二全橋斬波電路2的每一控制週期T”內：使該第五、八控制信號S5，S8彼此相同，以致該第五、八開關組件K5，K8同步操作；該第六、七控制信號S6，S7彼此相同並互補於該第五、八控制信號S5，S8，以致該第六、七開關組件K6，K7同步操作；使該第五/八控制信號S5/S8和該第六/七控制信號S6/S7其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有該第二死區時間以致在該第二死區時間內該第五、六開關組件均關斷以避免在切換過程中該第五、六開關組件直通或者該第七、八開關組件均關斷以避免在切換過程中該第七、八開關組件直通；使該第一、三開關組件關斷(例如，該控制單元20停止輸出該第一、三控制信號S1，S3，或輸出保持在邏輯-0準位的信號(圖未示)作為該第一、三控制信號S1，S3)；使該第二開關組件K2回應於該第二控制信號S2而於該第五、八開關組件K5，K8的導通期間且在該諧振電容器Cr和該諧振電感器Lr達到諧振時開始導通並與該第五、八開關組件K5，K8同步關斷，以便在該第二開關組件K2的導通期間內藉由該一次側繞組L1的感應電流對該諧振電容器Cr充電；及使該第四開關組件K4回應於該第四控制信號S4而於該第六、七開關組件K6，K7的導通期間且在該諧振電容器Cr和該諧振電感器Lr達到諧振時開始導通並與該第六、七開關組件K6，K7同步關斷，以便在該第四開關組件K4的導通期間內藉由該一次側繞組L1的感應電流對該諧振電容器Cr充電。

舉例來說，該第二全橋斬波電路2的控制週期例如為10µs(如圖5所示)，而該諧振頻率例如約為142KHz(即，諧振週期約為7µs)。在此情況下，由於該第五至第八開關組件K5~K8的控制頻率低於該諧振頻率時，所以該雙向直流-直流諧振轉換器10會操作在該第三轉換模式。以下將配合圖2和圖5進一步詳細說明該雙向直流-直流諧振轉換器10操作在該第三轉換模式下於每一控制週期T”的六個工作狀態。

在結束前一個控制週期T”後，首先，在對應於該第二死區時間t” ₀~t” ₁的第一工作狀態下，該第一至第八開關組件K1~K8均關斷，以防止在切換過程中該第五、六開關組件K5，K6直通或者該第七、八開關組件K7，K8的直通；接著，在對應於時間t” ₁~t” ₂的第二工作狀態下，該第五、八開關組件K5，K8回應於該第五、八控制信號S5，S8而導通，且其他開關組件K1~K4，K6，K7均關斷，於是對應於該第二側DC2(輸入側)所接收的輸入電壓的輸入電流流經導通的該第五開關組件K5，然後從該二次側繞組L2的打點端流進該二次側繞組L2，最後流經導通的該第八開關組件K8，同時在該一次側繞組L1產生的感應電流從該一次側繞組L2的打點端流出且經過該諧振電感器Lr和該諧振電容器Cr(進行諧振充電)，最後流經該第一、四開關組件K1，K4的本體二極體以對該第一側DC1(輸出側)充電，特別是在時間點t” ₂該諧振電路3完成諧振；接著，為了能夠實現升壓，在對應於時間t” ₂~t” ₃的第三工作狀態下，該第五、八開關組件K5，K8回應於該第五、八控制信號S5，S8而持續導通，該第二開關組件K2回應於該第二控制信號S2而導通，於是對應於該輸入電壓的電能繼續往該第一側DC1傳遞，由於該第二開關組件K2已導通，所以該一次側繞組L1產生的該感應電流繼續流經該諧振電感器Lr、該諧振電容器Cr、該第二開關組件K2和該第四開關組件K4的本體二極體最後返回該一次側繞組L1，如此可對該諧振電容器Cr繼續進行諧振充電(直到時間點t” ₃結束充電)以使該諧振電容器Cr耦接該諧振電感器Lr的一端(即在圖2中的右端)的電位被充高，以便為隨後的下半個控制週期的換向充電做準備；接著，在對應於該第二死區時間t” ₃~t” ₄的第四工作狀態下，相似於上述的第一工作狀態，該第一至第八開關組件K1~K8均關斷，以防止在切換過程中該第五、六開關組件K5，K6直通或者該第七、八開關組件K7，K8的直通；接著，在對應於時間t” ₄~t” ₅的第五工作狀態下，該第六、七開關組件K6，K7回應於該第六、七控制信號S6，S7而導通，且其他開關組件K1~K4，K5，K8均關斷，於是對應於該第二側DC2所接收的輸入電壓的輸入電流流經導通的該第七開關組件K7，然後從該二次側繞組L2的非打點端流入該二次側繞組L2，最後流經導通的該第六開關組件K6，同時在該一次側繞組L1產生的感應電流從該一次側繞組L1的非打點端流出並經過該第二、三開關組件K2，K3的本體二極體、該諧振電容器Cr和該諧振電感器Lr，最後經由該一次側繞組L1的打點端返回該一次側繞組L1，以對該第一側DC1充電，特別是在時間點t” ₅該諧振電路3完成諧振；接著，為了能夠實現升壓，在對應於時間t” ₅~t” ₆的第六工作狀態下，該第六、七開關組件K6，K7回應於該第六、七控制信號S6，S7而持續導通，該第四開關組件K4回應於該第四控制信號S4而導通，於是對應於該輸入電壓的電能繼續往該第一側DC1傳遞，由於該第四開關組件K4已導通，所以該一次側繞組L1產生的該感應電流繼續流經該第四開關組件K4、該第二開關組件K2的本體二極體、該諧振電容器Cr和該諧振電感器Lr最後返回該一次側繞組L1，如此可對該諧振電容器Cr繼續進行諧振充電(直到時間點t” ₆結束充電)以使該諧振電容器Cr耦接該該第一共同節點n1的一端(即在圖2中的左端)的電位被充高，以便為隨後的下一個控制週期T”的前半個週期的換向充電做準備。在此控制週期T”結束後，將進入下一個控制週期T”的第一工作狀態，也就是對應於該死區時間t” ₆~t” ₇的工作狀態。

綜上所述，由於在該第三轉換模式中，該控制單元20利用對於該第二、四開關組件K2，K4的額外控制，能使該諧振電路3的該諧振電容器Cr被額外充電，藉此實現該雙向直流-直流諧振電路10從該第二側DC2向該第一側DC1的升壓。因此，本發明的雙向直流-直流電原轉換裝置確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

10:雙向直流-直流諧振轉換器 1:第一全橋斬波電路 2:第二全橋斬波電路 3:LLC諧振電路 20:控制單元 C1:第一濾波電容器 C2:第二濾波電容器 K1~K8:第一至第八開關組件 Cr:諧振電容器 Lr:諧振電感器 T:變壓器 L1:一次側繞組 L2:二次側繞組 n1~n4:第一至第四共同節點 DC1:第一側 DC1+:正端 DC1-:負端 DC2:第二側 DC2+:正端 DC2-:負端 S1~S4:第一至第四控制信號 S5~S8:第五至第八控制信號

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一電路方塊圖，示例性地說明本發明實施例的一種雙向直流-直流電源轉換裝置； 圖2是一電路圖，示例性地說明該實施例的一雙向直流-直流諧振轉換器； 圖3是時序圖，示例性地說明該實施例操作在第一轉換模式時一控制單元產生的第一至第四控制信號； 圖4是時序圖，示例性地說明該實施例操作在第二轉換模式時該控制單元產生的第五至第八控制信號；及 圖5是時序圖，示例性地說明該實施例操作在第三轉換模式時該控制單元產生的第二、四、五至八控制信號。

10:雙向直流-直流諧振轉換器

1:第一全橋斬波電路

2:第二全橋斬波電路

3:LLC諧振電路

20:控制單元

C1:第一濾波電容器

C2:第二濾波電容器

DC1:第一側

DC1+:正端

DC1-:負端

DC2:第二側

DC2+:正端

DC2-:負端

S1~S4:第一至第四控制信號

S5~S8:第五至第八控制信號

Claims (5)

1. 一種雙向直流-直流電源轉換裝置，包含： 一雙向直流-直流諧振轉換器，具有可分別用作輸入側和輸出側或者輸出側和輸入側的一第一側和一第二側，並包括： 一第一全橋斬波電路，包括彼此串聯且跨接於該第一側的第一、二開關組件以及第三、四開關組件，其中該第一、三開關組件和該第二、四開關組件分別電連接該第一側的正端和負端，並且該第一至第四開關組件分別回應於第一至第四控制信號而導通或關斷； 一第二全橋斬波電路，包括彼此串聯且跨接於該第二側的第五、六開關組件以及第七、八開關組件，其中該第五、七開關組件和該第六、八開關組件分別電連接該第二側的正端和負端，並且該第五至第八開關組件分別回應於第五至第八控制信號而導通或關斷；及 一LLC諧振電路，耦接在該第一全橋斬波電路與該第二全橋斬波電路之間，並包括一諧振電容器、一諧振電感器和一變壓器，彼此串聯的該諧振電容器、該諧振電感器和該變壓器的一次側繞組耦接在該第一、二開關組件之間的一第一共同節點和該第三、四開關組件之間的一第二共同節點之間，該變壓器的二次側繞組耦接在該第五、六開關組件之間的一第三共同節點和該第七、八開關組件之間的一第四共同節點之間；及 一控制單元，電連接該第一、二全橋斬波電路，且組配來產生並提供用於控制該第一至第八開關組件的該第一至第八控制信號，以使該雙向直流-直流諧振轉換器可操作在第一至第三轉換模式其中一者； 其中，當該第一側作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第二側作為一用於輸出一輸出電壓的輸出側時，該雙向直流-直流諧振轉換器操作在該第一轉換模式，其中該控制單元在該第一全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第一、四控制信號彼此相同，以致該第一、四開關組件同步操作；使該第二、三控制信號彼此相同並互補於該第一、四控制信號，以致該第二、三開關組件同步操作；使該第一/四控制信號和該第二/三控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有一與該第一至第四開關組件的切換速度有關的第一死區時間，以致在該第一死區時間內該第一、二開關組件均關斷以避免該第一、二開關組件直通或者該第三、四開關組件均關斷以避免該第三、四開關組件直通；及使該第五至第八開關組件均關斷，以致該第二全橋斬波電路用作一全波整流電路； 其中，當該第二側作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第一側作為一用於輸出一輸出電壓的輸出側並且該第五至第八開關組件的控制頻率高於一相對於該第二側且與該諧振電容器和該諧振電感器有關的諧振頻率時，該雙向直流-直流諧振轉換器操作在該第二轉換模式，其中該控制單元在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同，以致該第五、八開關組件同步操作；使該第六、七控制信號彼此相同並互補於該第五、八控制信號，以致該第六、七開關組件同步操作；該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有一與該第五至第八開關組件的切換速度有關的第二死區時間，以致在該第二死區時間內該第五、六開關組件均關斷以避免該第五、六開關組件直通或者該第七、八開關組件均關斷以避免該第七、八開關組件直通；及使該第一至第四開關組件均關斷，以致該第一全橋斬波電路用作一全波整流電路；及 其中，當該第二側作為一用於接收一輸入電壓的輸入側而該第一側作為一用於輸出一輸出電壓的輸出側並且該第五至第八開關組件的該控制頻率低於該諧振頻率時，該雙向直流-直流諧振轉換器操作在該第三轉換模式，其中該控制單元在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同，以致該第五、八開關組件同步操作；使該第六、七控制信號彼此相同並互補於該第五、八控制信號以致該第六、七開關組件同步操作；使該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間存在有該第二死區時間以致在該第二死區時間內該第五、六開關組件均關斷以避免該第五、六開關組件直通或者該第七、八開關組件均關斷以避免該第七、八開關組件直通；使該第一、三開關組件關斷；使該第二開關組件回應於該第二控制信號而於該第五、八開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第五、八開關組件同步關斷，以便在該第二開關組件的導通期間內藉由該一次側繞組的感應電流對該諧振電容器充電；及使該第四開關組件回應於該第四控制信號而於該第六、七開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第六、七開關組件同步關斷，以便在該第四開關組件的導通期間內藉由該一次側繞組的感應電流對該諧振電容器充電。
2. 如請求項1所述的雙向直流-直流電源轉換裝置，其中，該第一至第四開關組件彼此相同，且其中每一者包含一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)。
3. 如請求項1所述的雙向直流-直流電源轉換裝置，其中，該第五至第八開關組件彼此相同，且其中每一者包含一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)。
4. 如請求項1所述的雙向直流-直流電源轉換裝置，其中，該雙向直流-直流諧振轉換器還包括分別跨接於該第一側和該第二側的一第一濾波電容器及一第二濾波電容器。
5. 一種如請求項1所述的雙向直流-直流諧振轉換器的控制方法，包含： 當一輸入電源從該第一側轉換至該第二側輸出的一輸出電壓時，在該第一全橋斬波電路的每一控制週期內:使該第一、四控制信號彼此相同；使該第二、三控制信號彼此相同且互補於該第一、四控制信號；及將該第一/四控制信號和該第二/三控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間插入有一與該第一至第四開關組件的切換速度有關的第一死區時間； 當一輸入電壓從該第二側轉換至該第一側輸出的一輸出電壓並且該第五至第八開關組件的控制頻率高於一相對於該第二側且與該諧振電容器和該諧振電感器有關的諧振頻率時，在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同；使該第六、七控制信號彼此相同且互補於該第五、八控制信號；將該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間插入有一與該第五至第八開關組件的切換速度有關的第二死區時間；及 當一輸入電壓從該第二側轉換至該第一側輸出的一輸出電壓並且該第五至第八開關組件的該控制頻率低於該諧振頻率時，在該第二全橋斬波電路的每一控制週期內：使該第五、八控制信號彼此相同；使該第六、七控制信號彼此相同且互補於該第五、八控制信號；將該第五/八控制信號和該第六/七控制信號其中一者的上升緣與其中另一者的下降緣之間插入有一與該第五至第八開關組件的切換速度有關的第二死區時間；根據該第二控制信號使該第二開關組件於該第五、八開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第五、八開關組件同步關斷，以便在該第二開關組件的導通期間內藉由該一次側繞組的感應電流對該諧振電容器充電；及根據該第四控制信號使該第四開關組件於該第六、七開關組件的導通期間且在該諧振電容器和該諧振電感器達到諧振時開始導通並與該第六、七開關組件同步關斷。

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