具双向功率转换的三相电源装置

技术领域

本发明是有关一种电源装置，特别涉及一种应用于电动车充电的具双向功率转换的三相电源装置。

背景技术

节能减碳已经是全球共识，全球各大车厂也积极开发插电式油电混合车、纯电动车。各国政府也通过法令与能源政策的制订，鼓励车厂们投入更多的研究，带动产业升级，促进绿色经济的发展。

新一代的电动车充电设备除了要符合未来各大车厂充电的规格，更重要的是必须能与电网互相调节，因为电动车的使用量快速增加，因应的充电设备扩充必需考虑到整体的电网架构。

为此，如何设计出一种应用于电动车充电的具双向功率转换的三相电源装置，来达到前述的技术目标，乃为本公开发明人所研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具双向功率转换的三相电源装置，达到前述的技术目标。

为实现前揭目的，本发明所提出的具双向功率转换的三相电源装置，其包含交流对直流转换单元、第一直流总线、第一直流对直流转换单元、第二直流总线以及第二直流对直流转换单元。交流对直流转换单元具有第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂，交流对直流转换单元的第一侧耦接交流市电。第一直流总线耦接交流对直流转换单元的第二侧，具有第一直流电压。第一直流对直流转换单元包含隔离变压器、第一桥臂组以及第二桥臂组。隔离变压器具有初级侧与次级侧。第一桥臂组耦接第一直流总线与初级侧，具有第一桥臂与第二桥臂。第二桥臂组耦接次级侧，具有第一桥臂与第二桥臂。第二直流总线耦接第二桥臂组的第二桥臂，具有第二直流电压。第二直流对直流转换单元的第一侧耦接第二直流总线，第二直流对直流转换单元的第二侧耦接电池。隔离变压器的初级侧及/或次级侧具有谐振槽，第一直流对直流转换单元为开回路操作，并且操作在谐振频率点。

在一实施例中，第二直流对直流转换单元为非隔离型转换电路。

在一实施例中，交流对直流转换单元为三电平架构，当三相电源装置的功率潮流方向由交流市电往电池时，对交流市电提供功率因数校正，并且提供稳定的第一直流电压。

在一实施例中，当三相电源装置的功率潮流方向由电池往交流市电时，交流对直流转换单元为三电平的控制，交流对直流转换单元以电流源操作。

在一实施例中，当三相电源装置的功率潮流方向由交流市电往电池时，第二直流对直流转换单元操作为降压式直流转换器。

在一实施例中，当三相电源装置的功率潮流方向由电池往交流市电时，第二直流对直流转换单元操作为升压式直流转换器。

在一实施例中，当三相电源装置的功率潮流方向由电池送出，且为独立操作时，交流对直流转换单元为三电平的控制，交流对直流转换单元以电压源操作。

在一实施例中，交流对直流转换单元的第一桥臂包含两串联的第一功率开关、第二功率开关与耦接于第一功率开关与第二功率开关共接点的第一二极管，以及两串联的第三功率开关、第四功率开关与耦接于第三功率开关与第四功率开关共接点的第二二极管；第二功率开关耦接第三功率开关，且共接于第一接点，第一二极管耦接第二二极管，且共接于电位中点。交流对直流转换单元的第二桥臂包含两串联的第五功率开关、第六功率开关与耦接于第五功率开关与第六功率开关共接点的第三二极管，以及两串联的第七功率开关、第八功率开关与耦接于第七功率开关与第八功率开关共接点的第四二极管；第六功率开关耦接第七功率开关，且共接于第二接点，第三二极管耦接第四二极管，且共接于电位中点。交流对直流转换单元的第三桥臂包含两串联的第九功率开关、第十功率开关与耦接于第九功率开关与第十功率开关共接点的第五二极管，以及两串联的第十一功率开关、第十二功率开关与耦接于第十一功率开关与第十二功率开关共接点的第六二极管；第十功率开关耦接第十一功率开关，且共接于第三接点，第五二极管耦接第六二极管，且共接于电位中点。

在一实施例中，第一直流对直流转换单元的第一桥臂组的第一桥臂包含两串联的第一功率开关与第二功率开关，且第一功率开关与第二功率开关共接于第四接点；第一直流对直流转换单元的第一桥臂组的第二桥臂包含两串联的第三功率开关与第四功率开关，且第三功率开关与第四功率开关共接于第五接点；其中，第四接点与第五接点分别耦接于初级侧的两端。第一直流对直流转换单元的第二桥臂组的第一桥臂包含两串联的第五功率开关与第六功率开关，且第五功率开关与第六功率开关共接于第六接点。第一直流对直流转换单元的第二桥臂组的第二桥臂包含两串联的第七功率开关与第八功率开关，且第七功率开关与第八功率开关共接于第七接点；其中，第六接点与第七接点分别耦接于次级侧的两端。

在一实施例中，第一直流电压或第二直流电压根据实时转换效率、元件温度或电池电压为依据，进行动态的调整。

通过所提出的应用于具双向功率转换的三相电源装置，可达到新一代电动车充电设备的需求与要求。

为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1A、1B、1C：为本发明具双向功率转换的三相电源装置的电路图。

附图标记说明：

11交流对直流转换单元

12第一直流总线

13第一直流对直流转换单元

14第二直流总线

15第二直流对直流转换单元

16电池

111第一桥臂

112第二桥臂

113第三桥臂

131第一桥臂组

132第二桥臂组

133隔离变压器

1311第一桥臂

1312第二桥臂

1321第一桥臂

1322第二桥臂

1331初级侧

1332次级侧

Vac交流市电

Q

Q

D

P

P

P

P

P

P

P

P

Ca,Cb,C

V

V

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。

请参见图1(由于图面大小的限制，因此由图1A、图1B与图1C所构成)所示，其为本发明具双向功率转换的三相电源装置的电路图。所述具双向功率转换的三相电源装置是应用于电动车充电。其中，电池16是可为电动车(electric vehicle)内置的充电电池。该三相电源装置是包含交流对直流转换单元11、第一直流总线12、第一直流对直流转换单元13、第二直流总线14以及第二直流对直流转换单元15。

交流对直流转换单元11(参见图1A)是具有一第一桥臂111、一第二桥臂112以及一第三桥臂113。交流对直流转换单元11的第一侧耦接交流市电Vac，在本发明中，交流市电Vac为一三相交流电源，或一交流电网。

第一桥臂111包含两串联的功率开关Q

第二桥臂112包含两串联的功率开关Q

第三桥臂113包含两串联的功率开关Q

其中，各个桥臂为三电平桥臂，每个桥臂可以控制输出三个电压准位，这样配置可以减少开关应力及减少谐波。第一接点P

第一直流总线12耦接交流对直流转换单元11的第二侧，具有第一直流电压V

第一直流对直流转换单元13(参见图1B)是包含第一桥臂组131、第二桥臂组132以及隔离变压器133和谐振槽。隔离变压器133具有一初级侧1331与一次级侧1332。隔离变压器133的初级侧1331可具有一电感电容(LC)谐振槽，其中第一直流对直流转换单元13为开回路操作，并且操作在一谐振频率点，容后详述。另一实施例，隔离变压器133的次级侧1332亦可包含LC谐振槽，如此第一直流对直流转换单元13在顺向操作或逆向操作具备对称的电路，或者次级侧仅包含电容。依不同的负载与范围去配置谐振槽，使控制上更加优化。

第一桥臂组131耦接第一直流总线12与隔离变压器133的初级侧1331，具有第一桥臂1311与第二桥臂1312。第一桥臂1311包含两串联的功率开关Q

第二桥臂组132耦接隔离变压器133的次级侧1332，具有第一桥臂1321与第二桥臂1322。第一桥臂1321包含两串联的功率开关Q

第二直流总线14耦接第二桥臂组132的第二桥臂1322，具有第二直流电压V

第二直流对直流转换单元15(参见图1C)的第一侧耦接第二直流总线14，第二直流对直流转换单元15的第二侧耦接电池16，第二直流对直流转换单元15使用非隔离型转换电路。

值得一提，第一直流对直流转换单元13的第一桥臂组131、第二桥臂组132以及隔离变压器133和谐振槽形成一个直流转直流的谐振转换电路，一般谐振转换电路的操作原理是通过反馈输出电压，控制每一桥臂的开关切换频率，借此控制输出电压。然而，于电动车充电应用时，由于电池电压变动范围大，将导致谐振转换电路的开关切换频率变动范围很广，且要设计特别的谐振参数以符合全范围电压的调节，这样导致大部分时间切换频率都偏离谐振频率点太远，且整体效率会降低。本发明的第一直流对直流转换单元13为开回路操作，并且操作在一谐振频率点，这样可以保持第一直流对直流转换单元13效率最佳化，且实现电气隔离的效果，再利用第二直流对直流转换单元15对电池16进行充电。如此搭配可以达到高效率、宽范围且具电气隔离的技术效果。

此外，第一直流电压V

以下，针对所述具双向功率转换的三相电源装置的操作加以说明。本发明的三相电源装置具双向功率潮流的操作模式，所述双向模式可为储能模式(energy-storingmode)，或称顺向操作(forward operation)以及释能模式(energy-releasing mode)，或称逆向操作(reverse operation)。所谓顺向操作是指电源装置接收交流市电Vac，并且通过交流对直流转换单元11、第一直流对直流转换单元13以及第二直流对直流转换单元15转换为直流电源供电池16使用。具体的应用可例如但不限制为，电网所提供的电能供应充电站所需电力，以供电动车充电。

反之，所谓逆向操作是指直流电源经由第二直流对直流转换单元15、第一直流对直流转换单元13以及交流对直流转换单元11转换为交流市电Vac。具体的应用可例如但不限制为电池16多余的电力输出其直流电源，作为区域尖峰用电需求时的补偿、电力供电品质的调整，甚至趸售至电网(电力公司)。

在本发明一实施例中，交流对直流转换单元11为三电平架构，当三相电源装置的功率潮流方向由交流市电Vac往电池16时，交流对直流转换单元11为三电平的控制，对交流市电Vac提供功率因数校正(power factor correction)，并且提供稳定的第一直流电压V

再者，当三相电源装置的功率潮流方向由交流市电Vac往电池16时，第二直流对直流转换单元15操作为一降压式(buck)直流转换器，可以以电流源对电池16充电。反之，当三相电源装置的功率潮流方向欲由该电池16往交流市电Vac时，第二直流对直流转换单元15操作为一升压式(boost)直流转换器。

再者，当三相电源装置的功率潮流方向由该电池16送出，且为独立(standalone)操作时，交流对直流转换单元11为三电平的控制，且以电压源操作，提供一个电压源给其它交流负载使用。

综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：

1、由于有第一直流总线12与第二直流总线14，因此，可以依效率的需求作为控制的依据，也可以依温度的需求作为控制的依据，动态地调整第一直流总线12与第二直流总线14的电压，以优化效率。

2、为因应电池16，例如电动车的电池的电压是宽范围的，因此，第二直流对直流转换单元15的设计可轻易地实现宽电压范围的输出。

3、交流对直流转换单元11优选的使用三电平架构，这样可以减少开关的应力，有助于在第一直流总线12建立较高电压时，不需要使用高耐压高成本的开关元件，且连接交流电网时有助于减少谐波。

4、隔离变压器133的初级侧1331或次级侧1332可依不同的负载与范围去配置谐振槽，使控制上更加优化。

5、第一直流对直流转换单元13为开回路操作，并且操作在一谐振频率点，这样可以保持第一直流对直流转换单元13效率最佳化，且实现电气隔离的效果，再利用第二直流对直流转换单元15对电池16进行充电。如此搭配可以达到高效率、宽范围且具电气隔离的技术效果。

以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本公开的权利要求。