简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法与流程

本发明涉及一种简化单向(unidirectional)隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法，特别是关于一种可减少体积的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法，更特别是关于一种可降低输出电压及电流涟波量的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法。

背景技术：

一般而言，习用的隔离式直流-直流电能转换器已广泛应用于各种技术领域。虽然传统隔离式直流-直流电能转换器具有控制简单的优点，但其在特性上具有效率较低、高涟波量、高电磁干扰及所需要使用的滤波电路容量较大的缺点。相对的，虽然习用的多阶直流-直流电能转换器具有控制较为复杂的缺点，但其在特性上却具有效率相对较高、电磁干扰相对较小及所需要使用的滤波电路容量较小的优点。

举例而言，图1揭示了习用多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图，其主要包括四个方块。请参照图1所示，习用多阶直流-直流电能转换装置1包括一双半桥型逆变器11、一双高频变压器12、一全桥整流器13及一输出滤波电路14，其适当组成该多阶直流-直流电能转换装置1。另外，该双半桥型逆变器11需要采用四个功率开关及四个电容器。

请再参照图1所示，该双半桥型逆变器11由两个半桥型逆变器串联组成，而该双高频变压器12包括两个高频变压器分别连接至该双半桥型逆变器11的两个半桥型逆变器的交流端。在电能转换操作上藉由控制该双半桥型逆变器11的功率开关切换方式，使该双高频变压器12的一次侧(primaryside)产生三种电压。另外，该双高频变压器12的二次侧(secondaryside)再经由该全桥整流器13进行适当整流后，可输出两种电压阶层。

然而，在实际应用上，由于该双半桥型逆变器11包括两个半桥型逆变器，因此导致其控制复杂，且其需要使用四个该电容器。另外，由于四个该电容器的电容值可能不相同，因此可能导致其电压不一致，进一步导致其控制更复杂。另外，该双高频变压器12包括两个高频变压器，其必须使用两个铁心，因此造成其成本增加及体积庞大。

举例而言，另一习用多阶直流-直流电能转换器，如中国台湾第tw-i575861号的″单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法″发明专利，其对应美国发明专利公开号为us-20170207712的发明专利申请，揭示了一种单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法。

图2揭示了中国台湾第tw-i575861号发明专利及美国发明专利公开号为us-20170207712的申请的习用单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图。请参照图2所示，习用单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置2包括一逆变器21、一具有三绕组的高频变压器22、一第一全桥式整流器23、一第二全桥式整流器24、一选择电路25及一滤波电路27，且该选择电路25具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端。

请再参照图2所示，该逆变器21的输入端并联连接一输入直流电压源28，且该逆变器21选自一半桥式(half-bridge)逆变器、一全桥式(full-bridge)逆变器或其它结构逆变器。

请再参照图2所示，该半桥式逆变器包括两个电力电子开关及两个电容，且将该两个电力电子开关及两个电容之间适当连接。另外，该全桥式逆变器包括四个电力电子开关及一个电容，且将该四个电力电子开关及一个电容之间适当连接。

请再参照图2所示，该第一全桥式整流器23具有一第一直流正输出端及一第一直流负输出端，且该第一直流正输出端及第一直流负输出端并联连接一第一电容器261而形成一第一输出直流电压。相对的，该第二全桥式整流器24具有一第二直流正输出端及一第二直流负输出端，且该第二直流正输出端及第二直流负输出端并联连接一第二电容器262而形成一第二输出直流电压。

请再参照图2所示，该单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置输出两种电压阶层而形成一多阶输出电压，并经该滤波电路27在一输出端29输出一直流电压vout。

图3揭示了中国台湾第tw-i575861号发明专利及美国发明专利公开号为20170207712的申请的另一习用单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图，其对应于图2的习用单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置。请参照图3所示，相对的，该逆变器21包括一上电力电子开关s1、一下电力电子开关s2及两个电容c1、c2。

请参照图2及3所示，事实上，该单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置2的第一全桥式整流器23、一第二全桥式整流器24及选择电路25需要使用至少9个二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9，因此其相对具有整体构造复杂、增加制造成本及增加产品体积的技术问题。

显然，习用多阶直流-直流电能转换器在架构上仍需要改善其结构或组件特性的技术缺点。因此，习用直流-直流电能转换器或隔离式多阶直流-直流电能转换器必然存在进一步提供或发展简化隔离式多阶直流-直流电能转换器的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法，其简化了整体构造、降低了制造成本及减少了产品体积，改善了习用单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置的技术缺点。

本发明较佳实施例的主要目的在于提供一种简化隔离式多阶直流-直流电能转换装置，其包括：

一逆变器，其用以连接至一输入电压源，并产生一固定脉波宽度的高频交流电压，且该逆变器包括一交流输出端；

一具有三绕组的高频变压器，其包括一次侧及二次侧，该高频变压器的一次侧具有一第一绕组，并将该高频变压器的一次侧的第一绕组连接于该逆变器的交流输出端，而该具有三绕组的高频变压器的二次侧具有一第二绕组及一第三绕组；

一第一全波整流器，其输入连接于该高频变压器的二次侧的第二绕组，而该第一全波整流器具有一第一直流正输出端及一第一直流负输出端，且该第一直流正输出端及第一直流负输出端并联连接一第一电容器而形成一第一输出直流电压；

一第二全波整流器，其输入连接于该高频变压器的二次侧的第三绕组，而该第二全波整流器具有一第二直流正输出端及一第二直流负输出端，且该第二直流正输出端及第二直流负输出端并联连接一第二电容器而形成一第二输出直流电压，且该第二全波整流器的第二直流正输出端连接至该第一全波整流器的第一直流负输出端；

一选择电路，其具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端，而该第一输入端连接于该第一全波整流器的第一直流正输出端，且该第二输入端连接于该第一全波整流器的第一直流负输出端及该第二全波整流器的第二直流正输出端；及

一滤波电路，其连接于该选择电路的输出端及第二全波整流器的第二直流负输出端。

本发明较佳实施例的该逆变器选自一半桥式逆变器或一全桥式逆变器。

本发明较佳实施例利用操作该选择电路，控制该选择电路的输出电压为该第一输出直流电压及该第二输出直流电压之和，或为单一的该第二输出直流电压与一压降电压相减，以便输出两种电压阶层而形成一多阶输出电压，并经该滤波电路输出一直流电压。

本发明较佳实施例的该压降电压为一二极管的压降电压。

本发明较佳实施例的该选择电路包括一电力电子开关及一二极管，而该电力电子开关连接于该选择电路的第一输入端与该选择电路的输出端之间。

本发明较佳实施例的该二极管的阳极连接至该选择电路的第二输入端，且该二极管的阴极连接至该选择电路的输出端。

本发明较佳实施例利用操作控制该选择电路的电力电子开关，使该选择电路的输出电压可为该第一输出直流电压及该第二输出直流电压之和或仅为该第二输出直流电压与该压降电压相减，以便输出两种电压阶层而形成一多阶输出电压，并经该滤波电路输出一直流电压。

本发明较佳实施例的该滤波电路包括一电感器及一电容器。

为了达成上述目的，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法，其包括：

提供一逆变器、一具有三绕组的高频变压器、一第一全波整流器、一第二全波整流器、一选择电路及一滤波电路，且该选择电路具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端；

将该逆变器连接至一输入直流电压源，并产生一固定脉波宽度的高频交流电压；

该具有三绕组的高频变压器的一次侧具有一第一绕组，将该具有三绕组的高频变压器的一次侧的第一绕组连接于该逆变器的一交流输出端，且该具有三绕组的高频变压器的二次侧具有一第二绕组及一第三绕组；

将该第一全波整流器的输入连接于该具有三绕组的高频变压器的二次侧的第二绕组，而该第一全波整流器具有一第一直流正输出端及一第一直流负输出端，且该第一直流正输出端及第一直流负输出端并联连接一第一电容器而形成一第一输出直流电压；

将该第二全波整流器的输入连接于该具有三绕组的高频变压器的二次侧的第三绕组，且该第二全波整流器具有一第二直流正输出端及一第二直流负输出端，且该第二直流正输出端及第二直流负输出端并联连接一第二电容器而形成一第二输出直流电压，且该第二全波整流器的第二直流正输出端连接至该第一全波整流器的第一直流负输出端；

将该选择电路的第一输入端连接于该第一全波整流器的第一直流正输出端，且将该选择电路的第二输入端连接于该第一全波整流器的第一直流负输出端及该第二全波整流器的第二直流正输出端；及

将该滤波电路连接于该选择电路的输出端及第二全波整流器的第二直流负输出端；

其中，利用操作控制该选择电路，使该选择电路的输出电压为该第一输出直流电压及该第二输出直流电压之和，或为单一的该第二输出直流电压与一压降电压相减，以便输出两种电压阶层而形成一多阶输出电压，并经该滤波电路输出一直流电压。

本发明较佳实施例的该压降电压为一二极管的压降电压。

本发明较佳实施例的该逆变器选自一半桥式逆变器或一全桥式逆变器。

本发明较佳实施例的该选择电路包括一电力电子开关及一二极管，而该电力电子开关连接于该选择电路的第一输入端与该选择电路的输出端之间。

本发明较佳实施例的该二极管的阳极连接至该选择电路的第二输入端，且该二极管的阴极连接至该选择电路的输出端。

本发明较佳实施例利用操作控制该选择电路的电力电子开关，使该选择电路的输出电压可为该第一输出直流电压及该第二输出直流电压之和或仅为该第二输出直流电压与该压降电压相减，以便输出两种电压阶层而形成一多阶输出电压，并经该滤波电路输出一直流电压。

本发明较佳实施例的该滤波电路包括一电感器及一电容器。

本发明的优点在于，达成简化整体构造、减少产品体积、降低制造成本及提升操作效率的目的。

附图说明

图1是习用多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图。

图2是另一习用单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图。

图3是再一习用单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图。

图4是本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图。

图5(a)是本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置采用半桥式逆变器的架构示意图。

图5(b)是本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置采用全桥式逆变器的架构示意图。

图6是本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置、其操作及控制方法适用于各种多阶电能转换装置或其类似功能装置，但其并非用以限定本发明的范围。

图4揭示了本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置的架构示意图。请参照图4所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置3包括一逆变器31、一具有三绕组的高频变压器32、一第一全波整流器331、一第二全波整流器332、一选择电路35及一滤波电路36，且该选择电路35具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端。

请再参照图4所示，举例而言，该逆变器31的输入端并联连接一输入直流电压源37，且该逆变器31可选自一半桥式逆变器、一全桥式逆变器或其它结构逆变器。该逆变器31(组件左侧)的输入端并联连接一输入直流电压源37。另外，该逆变器31(组件右侧)包括一交流输出端。

图5(a)揭示了本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置可选择采用半桥式逆变器的架构示意图。请参照图5(a)所示，举例而言，该半桥式逆变器包括一上电力电子开关s1、一下电力电子开关s2及两个电容c1、c2，且该上电力电子开关s1、下电力电子开关s2及两个电容c1、c2之间适当电性连接。

图5(b)揭示了本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置可选择采用全桥式逆变器的架构示意图。请参照图5(b)所示，举例而言，该全桥式逆变器包括四个电力电子开关s1、s2、s3、s4及一个电容c1，且该四个电力电子开关s1、s2、s3、s4及电容c1之间适当电性连接。

请再参照图4所示，举例而言，该具有三绕组的高频变压器32包括一次侧及二次侧，而该一次侧具有一第一绕组321，且该二次侧具有一第二绕组322及一第三绕组323。该第一绕组321、第二绕组322及第三绕组323的匝数比为n1∶n2∶n3，且该第二绕组322及第三绕组323为一中心抽头绕组。将该具有三绕组的高频变压器32的第一绕组321适当连接至该逆变器31的交流输出端。

请再参照图4所示，举例而言，该第一全波整流器331包括两个二极管d1、d2，且将该两个二极管d1、d2及第二绕组322组成该第一全波整流器331，以简化整体构造。将该第一全波整流器331的交流输入连接于该具有三绕组的高频变压器32的第二绕组322，且该第一全波整流器331具有一第一直流正输出端及一第一直流负输出端，且该第一直流正输出端及第一直流负输出端并联连接一第一电容器341而形成一第一输出直流电压。

请再参照图4所示，举例而言，该第二全波整流器332包括两个二极管d3、d4，且将该两个二极管d3、d4及第三绕组323组成该第二全波整流器332，以简化整体构造。将该第二全波整流器332的输入连接于该具有三绕组的高频变压器32的第三绕组323，而该第二全波整流器332具有一第二直流正输出端及一第二直流负输出端，且该第二直流正输出端及第二直流负输出端并联连接一第二电容器342而形成一第二输出直流电压，且该第二全波整流器332的第二直流正输出端连接至该第一全波整流器331的第一直流负输出端。

请再参照图4所示，举例而言，该选择电路35包括一电力电子开关351及一二极管352。将该电力电子开关351连接至该第一全波整流器331的第一直流正输出端形成为该选择电路35的第一输入端，且该二极管352的阳极连接至该第一全波整流器331的第一直流负输出端及该第二全波整流器332的第二直流正输出端，并形成为该选择电路35的第二输入端，且该二极管352的阴极连接至该电力电子开关351的另一端形成为该选择电路35的输出端。

请再参照图4所示，举例而言，该滤波电路36包括一电感361及一电容362。将该滤波电路36并联连接于该选择电路35的输出端及第二全波整流器332的第二直流负输出端。

请再参照图4所示，举例而言，利用操作控制该选择电路35的电力电子开关351，使该选择电路35的输出电压可为该第一输出直流电压及该第二输出直流电压之和或仅为该第二输出直流电压与该二极管352的压降电压(或其它压降电压)的相减，以便输出两种电压阶层而形成一多阶输出电压，并经该滤波电路36于一输出端38输出一直流电压vout。

请参照图4及5(a)所示，该逆变器31的上电力电子开关s1及下电力电子开关s2均采用固定责任周期为0.5的切换。因此，该逆变器31将输出一固定宽度的高频方波电压，将该固定宽度的高频方波电压连接至该具有三绕组的高频变压器32的第一绕组321，而在该具有三绕组的高频变压器32的第二绕组322及第三绕组323感应出相同波形的高频方波电压，分别经该第一全波整流器331及该第二全波整流器332产生该第一输出直流电压及该第二输出直流电压。假设输入电压为vin，该具有三绕组的高频变压器32的第二绕组322及第三绕组323的匝数比n2∶n3为1∶3，则该第一输出直流电压为50v，该第二输出直流电压为150v，且经该滤波电路36的输出为180v。该第一输出直流电压可小于或等于该第二输出直流电压与该二极管352的压降电压的相减。举例而言，该电力电子开关351的切换讯号的切换频率选择为该逆变器31的高频方波电压的频率的任意倍数。

请再参照图4所示，由于在当该电力电子开关351导通时，该第一输出直流电压及该第二输出直流电压形成串联供应电力，因此该选择电路35输出电压为该第一输出直流电压及该第二输出直流电压之和(vin*n2/n1+vin*n3/n1)。反之，当该电力电子开关351截止时，该第二输出直流电压将经由该二极管352供应电力，因此该选择电路35输出电压为该第二直流电压(vin*n3/n1)，因此该选择电路35将输出(vin*n2/n1+vin*n3/n1)及(vin*n3/n1)两种电压阶层的输出电压至该滤波电路36。最后，该选择电路35的输出电压经由该滤波电路36经由一输出端38产生一直流电压供给一负载，该选择电路35输出的两种电压阶层中(vin*n2/n1+vin*n3/n1)必须高于该供给负载的直流电压，而(vin*n3/n1)必须低于(即不高于)该供给负载的直流电压。

图6揭示了本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法的流程示意图。请参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法包括步骤s1：首先，提供该逆变器31、具有三绕组的高频变压器32、第一全波整流器331、第二全波整流器332、选择电路35及滤波电路36，且该选择电路35具有一第一输入端、一第二输入端及一输出端。

请再参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法还包括步骤s2：接着，将该逆变器31连接至该输入直流电压源37，并产生一固定脉波宽度的高频交流电压。

请再参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法还包括步骤s3：接着，该具有三绕组的高频变压器32的一次侧具有该第一绕组321，将该具有三绕组的高频变压器32的一次侧的第一绕组321连接于该逆变器31的一交流输出端，且该具有三绕组的高频变压器32的二次侧具有该第二绕组322及第三绕组323。

请再参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法还包括步骤s4：接着，将该第一全波整流器331的输入连接于该具有三绕组的高频变压器32的二次侧的第二绕组322，而该第一全波整流器331具有一第一直流正输出端及一第一直流负输出端，且该第一直流正输出端及第一直流负输出端并联连接该第一电容器341而形成一第一输出直流电压。

请再参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法还包括步骤s5：接着，将该第二全波整流器332的输入连接于该具有三绕组的高频变压器32的二次侧的第三绕组323，且该第二全波整流器332具有一第二直流正输出端及一第二直流负输出端，且该第二直流正输出端及第二直流负输出端并联连接该第二电容器342而形成一第二输出直流电压，且该第二全波整流器332的第二直流正输出端连接至该第一全波整流器331的第一直流负输出端。

请再参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法还包括步骤s6：接着，将该选择电路35的第一输入端连接于该第一全波整流器331的第一直流正输出端，且将该选择电路35的第二输入端连接于该第一全波整流器331的第一直流负输出端及该第二全波整流器332的第二直流正输出端。

请再参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法还包括含步骤s7：接着，将该滤波电路36连接于该选择电路35的输出端及第二全波整流器332的第二直流负输出端。

请再参照图4及6所示，本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换方法还包括步骤s8：接着，利用操作控制该选择电路35，使该选择电路35的输出电压为该第一输出直流电压及该第二输出直流电压之和，或为单一的该第二输出直流电压与一压降电压的相减，以便输出两种电压阶层而形成一多阶输出电压，并经该滤波电路36输出一直流电压。

请再参照图3及4所示，在传统上该单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置2的第一全桥式整流器23、一第二全桥式整流器24及选择电路25需要使用至少9个二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9，如图3所示；本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置3的第一全波整流器331、第二全波整流器332及选择电路35需要使用至少5个二极管d1、d2、d3、d4、d5，如图4所示，因此其相对具有简化整体构造、降低制造成本及减少产品体积的功效。

另外，传统隔离式直流-直流电能转换装置供给滤波电路的电压为零与高于该供给负载的直流电压两个电压阶层，由于本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置3中供给该滤波电路36的电压相较于传统隔离式直流-直流电能转换装置供给滤波电路的电压具有较小的电压谐波，因此本发明较佳实施例的简化单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置3可降低该滤波电路36的容量，以达成减少整体体积、降低制造成本及操升效率的目的。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。