TWI729333B

TWI729333B - 共直流電源之電源轉換器及供電裝置

Info

Publication number: TWI729333B
Application number: TW107144991A
Authority: TW
Inventors: 林鴻杰; 高肇利; 謝奕平; 黃進忠; 曾博新; 李志賢; 黃弘宇
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2021-06-01
Also published as: TW202023169A

Abstract

一種共直流電源之電源轉換器包括直流電源以及至少二個電源模組，各電源模組彼此耦接且耦接直流電源。各電源模組包括耦接直流電源的耦合式電感元件、耦接耦合式電感元件的直流輸出轉換單元以及具有耦接點的電容組。藉此，通過該耦合式電感元件，解決因耦接點彼此耦接所造成各電源模組間電流回流的問題。

Description

共直流電源之電源轉換器及供電裝置

本發明係有關一種電源轉換器與供電裝置，尤指一種共直流電源之電源轉換器以及具有該共直流電源之電源轉換器的供電裝置。

不斷電系統(Uninterruptible Power System,UPS)用於在電網異常或停電的情況下不間斷地為電器等負載設備提供備援交流或直流電源的供電，以維持電器正常運作的設備。在通常情況下，不斷電供電裝置被用於維持電腦、伺服器等關鍵性商用設備或精密儀器的不間斷的供電，防止數據損失、通訊中斷或裝置失去控制。在實際使用中，基於提高電源供電可靠度或需求功率的考量，可同時使用兩組(台)以上的UPS進行並聯耦接，形成雙機或多機UPS架構。再者，為節省可充電電池，例如蓄電池所佔的體積，因此兩組(台)以上的UPS可共同使用單一可充電電池作為備援電源之用。

對於直流輸出級(直流輸出轉換器)而言，基於滿足高輸出電壓的需求以及耐壓的要求，可使用兩個電容串聯連接(於耦接點)的方式提供雙總線(Bus)的直流輸出，多個直流輸出轉換器通過將該些耦接點共接，實現並聯供電的操作。由於該些耦接點共接的緣故，在共直流電源情況下，將使得不同直流輸出轉換器之間形成電流的回流路徑，即輸入電流會經由一組直流輸出轉換器流經另一組直流輸出轉換器造成電流回流，造成另一組直流輸出轉換器電流過流的狀況發生。

欲抑制或改善所述電流回流的狀況，若透過增設電感元件並將各個路徑的電感電流獨立控制，或增設開關元件，透過關斷開關元件的控制切斷回流電流，雖可以抑制不同直流輸出轉換器之間電流回流的問題，惟所增設的電感元件和/或開關元件以及相應的控制電路，不僅提高了成本，也增添了電路控制的複雜度與困難度。

為此，如何設計出一種共直流電源之電源轉換器及供電裝置，來解決前述的技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之目的在於提供一種共直流電源之電源轉換器，解決因耦接點彼此耦接所造成不同直流輸出轉換器之間電流回流的問題。

為了達到前述目的，本發明所提出的共直流電源之電源轉換器，包括直流電源與耦接直流電源的至少二個電源模組。各電源模組彼此耦接，且包括耦合式電感元件、直流輸出轉換單元以及電容組。耦合式電感元件耦接直流電源。直流輸出轉換單元耦接耦合式電感元件。電容組耦接直流輸出轉換單元，電容組具有串聯耦接的二個電容器，二個電容器之間具有一耦接點。所述至少二個電源模組通過耦接點彼此耦接。

藉由所提出的共直流電源之電源轉換器，能夠解決因耦接點彼此耦接所造成各電源模組間電流回流的問題，使得降低電路成本，並且簡化電路控制上的複雜度與困難度。

本發明之另一目的在於提供一種供電裝置，解決因耦接點彼此耦接所造成不同直流輸出轉換器之間電流回流的問題。

為了達到前述目的，本發明所提出的供電裝置，應用於對負載供電，供電裝置包括前述的共直流電源之電源轉換器與至少二個直流輸入轉換單元。各直流輸入轉換單元具有輸入端與輸出端，輸入端對應耦接各直流輸出轉換單元與各電容組，輸出端耦接負載。

藉由所提出的供電裝置，能夠解決因耦接點彼此耦接所造成各電源模組間電流回流的問題，使得降低電路成本，並且簡化電路控制上的複雜度與困難度。

1:電源模組

11:耦合式電感元件

12:直流輸出轉換單元

13:電容組

B1:直流電源

C1、C1’、C1”:第一電容器

C2、C2’、C2”:第二電容器

D1、D1’、D1”:第一二極體

D2、D2’、D2”:第二二極體

D3、D3’、D3”:第三二極體

D4、D4’、D4”:第四二極體

Q1、Q1’、Q1”:第一功率開關

Q2、Q2’、Q2”:第二功率開關

P1、P1’、P1”:輸入電感

N、N’、N”:耦接點

I1、I1’、I1”:第一電流

I2、I2’、I2”:第二電流

IN_1:第一輸入端

OUT_1:第一輸出端

IN_2:第二輸入端

OUT_2:第二輸出端

100:鐵心

14、14’:直流輸入轉換單元

L1:第一電源輸出端

L2:第二電源輸出端

L”:火線輸出端

N”’:中性線端

B_IN:輸入端

B_OUT:輸出端

圖1為本發明共直流電源之電源轉換器之一實施例的電路圖；圖2為本發明共直流電源之電源轉換器之另一實施例的電路圖；圖3為本發明共直流電源之電源轉換器之耦合式電感元件的示意圖；圖4為本發明共直流電源之電源轉換器應用於不斷電供電裝置的第一實施態樣的功能架構方塊示意圖；以及圖5為本發明共直流電源之電源轉換器應用於不斷電供電裝置的第二實施態樣的功能架構方塊示意圖。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參閱圖1與圖3所示，其中，圖1為本發明共直流電源之電源轉換器之一實施例的電路圖；圖3為本發明共直流電源之電源轉換器之耦合式電感元件的示意圖。

本發明的共直流電源之電源轉換器之一實施例中，其包括：一直流電源B1以及至少二個電源模組1，在本實施例中電源模組1具有兩個。其中，二個電源模組1耦接直流電源B1；各電源模組1彼此耦接且包括耦合式電感元件11、直流輸出轉換單元12以及電容組13。

進一步而言，耦合式電感元件11耦接直流電源B1，第一電流I1流進耦合式電感元件11，且流回直流電源B1一第二電流I2。直流輸出轉換單元12耦接耦合式電感元件11，直流輸出轉換單元12接收第一電流I1，且第二電流I2經由直流輸出轉換單元12流回直流電源B1。電容組 13耦接直流輸出轉換單元12，電容組13具有串聯耦接的二個電容器(如圖1所示的C1、C2)，二個電容器分別為第一電容器C1與第二電容器C2。第一電容器C1與第二電容器C2之間具有一耦接點N，即第一電容器C1與第二電容器C2耦接於耦接點N上，耦接點N可用以連接交流電源系統的中性線端。其中，各電源模組1通過各耦接點N彼此耦接，在本實施例中，共有兩個耦接點N。流出直流電源B1的第一電流I1與流回直流電源B1的第二電流I2兩者電流大小相同。在本實施例中，直流電源B1可為鋰電池或者鉛酸電池，然不以此為限制本發明。

進一步而言，如圖1與圖3所示，耦合式電感元件11包括一第一輸入端IN_1、一第二輸入端IN_2、一第一輸出端OUT_1以及一第二輸出端OUT_2。其中，第一輸入端IN_1以及第二輸出端OUT_2分別耦接直流電源B1，第一輸出端OUT_1以及第二輸入端IN_2分別耦接直流輸出轉換單元12。其中，第一輸入端IN_1與第二輸出端OUT_2具有相同極性(如圖1之耦合式電感元件11左側的兩個黑圓點所示意)。第二輸入端IN_2以及第一輸出端OUT_1具有相同極性(如圖1之耦合式電感元件11右側無黑圓點所示意)。第一電流I1通過第一輸入端IN_1流入耦合式電感元件11，且通過第一輸出端OUT_1流出耦合式電感元件11，且流至直流輸出轉換單元12。第二電流I2通過第二輸入端IN_2流入耦合式電感元件11，且通過第二輸出端OUT_2流出耦合式電感元件11，且流至直流電源B1。承前所述，通過使用耦合式電感元件11使得流入耦合式電感元件11的第一輸入端IN_1的第一電流I1與流出耦合式電感元件11的第二輸出端OUT_2的第二電流I2兩者電流大小相同，因此可以使得電流不會通過耦接點N流到其他電源模組1，藉此可解決因耦接點N彼此耦接所造成各電源模組間電流回流，而導致電源模組的電流過流的狀況發生。

如圖3所示，在本實施例中，耦合式電感元件11為一共模扼流圈，或稱為共模電感(common mode choke)，其具有一鐵心100與相對設置且相反繞製方向的兩股線圈，其中，第一輸入端IN_1與第一輸出端OUT_1為同一股線圈，第二輸入端IN_2與第二輸出端OUT_2為同一股線圈。

詳細而言，耦合式電感元件11的第一輸入端IN_1耦接直流電源B1的一正極，且各電源模組1通過第一輸入端IN_1彼此耦接；第二輸出端OUT_2耦接直流電源B1的一負極，且各電源模組1通過第二輸出端OUT_2彼此耦接。此外，直流輸出轉換單元12更可耦接交流電源(圖中未示)，因此，直流電源B1或交流電源可切換地耦接直流輸出轉換單元12，例如透過控制器控制切換開關，以切換直流電源B1或交流電源耦接直流輸出轉換單元12，且直流輸出轉換單元12轉換該直流電源B1或交流電源為一直流輸出電源，以對該負載提供不斷電供電。在本實施例中，直流輸出轉換單元12用以轉換直流輸入或交流輸入的電源，以提供直流的電源輸出，因此直流輸出轉換單元12可控制為一直流輸入-直流輸出轉換單元(DC-DC converter)，接收直流輸入電源並轉換其為直流輸出電源，或者控制為一交流輸入-直流輸出轉換單元(AC-DC converter)，接收交流輸入電源並轉換其為直流輸出電源。

復見圖1所示，直流輸出轉換單元12包括輸入電感P1、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第一功率開關Q1以及第二功率開關Q2。輸入電感P1耦接耦合式電感元件11的第一輸出端OUT_1。第一二極體D1耦接第二二極體D2於第一共接點，且形成第一支路，其中輸入電感P1的一端耦接於第一共接點。第二功率開關Q2與第一功率開關Q1耦接於第二共接點，且形成第二支路，其中第二支路並聯耦接第一支路，且第二共接點耦接耦接點N。第三二極體D3耦接第一二極體D1與第一功率開關Q1；第四二極體D4耦接第二二極體D2與第二功率開關Q2。第二二極體D2、第二功率開關Q2以及第四二極體D4耦接耦合式電感元件11的第二輸入端IN_2。第三二極體D3耦接於第一二極體D1、第一功率開關Q1與電容組13的第一電容器C1之間；第四二極體D4耦接於第二二極體D2、第二功率開關Q2與電容組13的第二電容器C2之間。其中，第一功率開關Q1與第二功率開關Q2可為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、雙載子接面電晶體(BJT)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的其中一者，然不以此為限制本發明。本實施例的直流輸出轉換單元12僅為一種可能的電路，然不以此為限制本發明，應可理解本領域人員所知輸出具有耦接點N位於兩電容之間的其它轉換電路都可適用本發明。

請參閱圖2所示，為本發明共直流電源之電源轉換器之另一實施例的電路圖，其與前述圖1所示的實施例大致相同，惟其具有多個電源模組1，並且，I1與I1’與I1”、I2與I2’與I2”、P1與P1’與P1”、D1與D1’與D1”、D2與D2’與D2”、D3與D3’與D3”、D4與D4’與D4”、C1與C1’與C1”、C2與C2’與C2”、Q1與Q1’與Q1”、Q2與Q2’與Q2”、N與N’與N”皆為相同或相近的電路配置。

請參閱圖4以及圖5所示，其中，圖4為本發明共直流電源之電源轉換器應用於供電裝置的第一實施態樣的功能架構方塊示意圖；以及圖5為本發明共直流電源之電源轉換器應用於供電裝置的第二實施態樣的功能架構方塊示意圖。

如圖4所示，本發明的供電裝置的第一實施態樣，其應用於對一負載(圖中未示)提供不斷電供電，包括如前述的共直流電源之電源轉換器(包括直流電源B1以及至少二個電源模組1)，其中，各直流輸出轉換單元12除通過耦合式電感元件11耦接直流電源B1外，更可通過切換裝置耦接交流電源(圖中未示)，其中，交流電源的一端(例如火線端)可耦接於耦合式電感元件11與該直流輸出轉換單元12之間，交流電源的另一端(例如中性線端)則耦接於耦接點N；以及至少二個直流輸入轉換單元14，各直流輸入轉換單元14具有輸入端B_IN以及輸出端B_OUT，輸入端B_IN耦接共直流電源之電源轉換器的直流輸出轉換單元12與電容組13；輸出端B_OUT耦接負載。在本發明中，各直流輸入轉換單元14對應耦接各耦合式電感元件11、各直流輸出轉換單元12與各電容組13形成一電源轉換模組，且各電源轉換模組彼此間並聯。

如果交流電源正常時，控制器控制以切換交流電源耦接直流輸出轉換單元12，使得交流電源通過直流輸出轉換單元12以及直流輸入轉換單元14進行電源轉換，以對負載供電。反之，交流電源異常時，控制器控制以切換直流電源B1通過耦合式電感元件11耦接直流輸出轉換單元12，使得直流電源B1通過直流輸出轉換單元12以及直流輸入轉換單元14 進行電源轉換，以對負載供電。如此，在直流電源B1供電時，耦接點N為耦合式電感元件11而不會發生電流回流的狀況。

如圖4所示，對負載為直流負載而言，所使用的直流輸入轉換單元14為直流對直流轉換器(DC-to-DC converter)，用以接收電容組13所提供的直流電源，且轉換此直流電源為直流電源輸出以對直流負載供電。各直流輸入轉換單元14提供第一電源輸出端L1與第二電源輸出端L2供負載耦接，第一電源輸出端L1與第二電源輸出端L2具有相異的極性(例如一者為正極，另一者為負極)，且各直流輸入轉換單元14分別通過第一電源輸出端L1以及第二電源輸出端L2彼此耦接以達成輸出並聯。其中，耦接點N與N’之間的耦接連結獨立於第一電源輸出端L1以及第二電源輸出端L2。

如果交流電源正常時，交流電源通過直流輸出轉換單元12以及電容組13、直流輸入轉換單元14以及第一電源輸出端L1與第二電源輸出端L2對負載供電。如果交流電源異常時，直流電源B1通過各電源模組1(包括耦合式電感元件11、直流輸出轉換單元12以及電容組13)、直流輸入轉換單元14以及第一電源輸出端L1與第二電源輸出端L2對負載供電，以維持負載的不斷電供電。

如圖5所示，若負載為交流負載，可使用的直流輸入轉換單元14為直流對交流轉換器(DC-to-AC converter)，用以接收電容組13所提供的直流電源，且轉換此直流電源為交流電源輸出以對交流負載供電。在此實施例中，電容組13的耦接點N耦接交流負載的一中性線端。各直流輸入轉換單元14’提供交流火線輸出端L”，各直流輸入轉換單元14’通過火線輸出端L”彼此耦接以達成輸出並聯。各電源模組1的耦接點N、N’耦接負載的中性線端N”’。此實施例的直流輸入轉換單元14可為一傳統半橋逆變器(Half-Bridge Inverter)，然不以此為限制本發明。

如果交流電源正常時，交流電源通過直流輸出轉換單元12以及電容組13、直流輸入轉換單元14’以及火線輸出端L”與中性線端N”’對負載供電。如果交流電源異常時，直流電源B1通過各電源模組1(包括耦合式電感元件11、直流輸出轉換單元12以及電容組13)、直流輸入轉換單元14’以及火線輸出端L”與中性線端N”’對負載供電，以維持負載的不斷電供電。

綜上所述，本發明具有以下之特徵與優點：透過使用簡單的電路元件-耦合式電感元件，例如共模扼流圈，即可解決因耦接點彼此耦接所造成各直流電源供電時電源模組間電流回流的問題，如此不僅可降低電路成本，亦可簡化電路控制上的複雜度與困難度。

以上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。

1:電源模組

11:耦合式電感元件

12:直流輸出轉換單元

13:電容組

B1:直流電源

C1、C1’:第一電容器

C2、C2’:第二電容器

D1、D1’:第一二極體

D2、D2’:第二二極體

D3、D3’:第三二極體

D4、D4’:第四二極體

Q1、Q1’:第一功率開關

Q2、Q2’:第二功率開關

P1、P1’:輸入電感

N、N’:耦接點

I1、I1’:第一電流

I2、I2’:第二電流

IN_1:第一輸入端

OUT_1:第一輸出端

IN_2:第二輸入端

OUT_2:第二輸出端

Claims

一種共直流電源之電源轉換器，包括：一直流電源；及至少二個電源模組，該至少二個電源模組的輸入側耦接該直流電源；各該電源模組彼此耦接，且包括：一耦合式電感元件，耦接該直流電源；一直流輸出轉換單元，耦接該耦合式電感元件；以及一電容組，耦接該直流輸出轉換單元的一直流輸出側，該電容組具有串聯耦接的二個電容器，該二個電容器之間具有一耦接點；其中該至少二個電源模組的輸出側通過該等耦接點彼此耦接。
如申請專利範圍第1項所述之共直流電源之電源轉換器，其中該耦合式電感元件包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端以及一第二輸出端，該第一輸入端以及該第二輸出端分別耦接該直流電源，該第一輸出端以及該第二輸入端分別耦接該直流輸出轉換單元；其中該第一輸入端以及該第二輸出端具有相同極性；該第二輸入端以及該第一輸出端具有相同極性。
如申請專利範圍第2項所述之共直流電源之電源轉換器，其中各該第一輸入端耦接該直流電源的一正極，各該第二輸出端耦接該直流電源的一負極。
如申請專利範圍第3項所述之共直流電源之電源轉換器，其中流入該第一輸入端的電流大小等於流出該第二輸出端的電流。
如申請專利範圍第1項所述之共直流電源之電源轉換器，其中該耦合式電感元件為一共模扼流圈。
如申請專利範圍第1項所述之共直流電源之電源轉換器，其中各該直流輸出轉換單元包括：一輸入電感；一第一二極體、一第二二極體，該第二二極體與該第一二極體耦接於一第一共接點，且形成一第一支路，其中該輸入電感的一端耦接於該第一共接點；一第一功率開關、一第二功率開關，該第二功率開關與該第一功率開關耦接於一第二共接點，且形成一第二支路，其中該第二支路並聯耦接該第一支路；一第三二極體，耦接該第一二極體與該第一功率開關；及一第四二極體，耦接該第二二極體與該第二功率開關。
如申請專利範圍第6項所述之共直流電源之電源轉換器，其中該輸入電感的另一端耦接該耦合式電感元件的該第一輸出端；該第二二極體、該第二功率開關以及該第四二極體耦接該耦合式電感元件的該第二輸入端；該第二共接點耦接該耦接點；該第三二極體耦接於該第一功率開關與該電容組之間；該第四二極體耦接於該第二功率開關與該電容組之間。
如申請專利範圍第1項所述之共直流電源之電源轉換器，其中該直流電源為一鋰電池、一鉛酸電池的其中一者。
一種供電裝置，應用於對一負載供電，包括：一共直流電源之電源轉換器，如申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述之共直流電源之電源轉換器；及至少二個直流輸入轉換單元，各該直流輸入轉換單元具有一輸入端與一輸出端，該輸入端對應耦接各該直流輸出轉換單元與各該電容組，該輸出端耦接該負載。
如申請專利範圍第9項所述之供電裝置，其中各該直流輸入轉換單元對應耦接各該耦合式電感元件、各該直流輸出轉換單元與各該電容組形成一電源轉換模組，且各該電源轉換模組彼此並聯。
如申請專利範圍第9項所述之供電裝置，其中各該直流輸入轉換單元係為一直流對交流轉換器。
如申請專利範圍第11項所述之供電裝置，其中各該耦接點耦接該負載的一中性線端。
如申請專利範圍第9項所述之供電裝置，其中各該直流輸入轉換單元係為一直流對直流轉換器。
如申請專利範圍第9項所述之供電裝置，其中各該直流輸出轉換單元更耦接一交流電源；該直流電源或該交流電源可切換地耦接各該直流輸出轉換單元，且各該直流輸出轉換單元轉換該直流電源或該交流電源為一直流輸出電源，以對該負載提供不斷電供電。
如申請專利範圍第14項所述之供電裝置，其中該交流電源的一第一端耦接於該耦合式電感元件與該直流輸出轉換單元間，且該交流電源的一第二端耦接於該耦接點。