[发明专利]高效能多阶电能充电方法及装置

说明书

本发明公开了一种高效能多阶电能充电方法及装置，装置包括一直流‑直流电能转换器、一选择开关组及一全桥式电能转换器。该选择开关组连接于该直流‑直流电能转换器及全桥式电能转换器之间，且将该直流‑直流电能转换器产生的一直流电压经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧，且将一电池组电压亦经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧。仅在一市电电压大于该电池组电压时，对该直流‑直流电能转换器开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换，而不需经由该直流‑直流电能转换器进行转换。

技术领域

本发明涉及一种高效能(high-performed)多阶(multi-level)电能充电装置及其方法，特别是关于一种可减少体积及简化整体构造的高效能多阶电能充电装置及其方法。

背景技术

一般而言，蓄电池的电力为直流电力，而目前配电系统仍以交流系统为主，因此蓄电池进行充电时，在蓄电池与配电系统之间均必须依赖电力转换器进行交流-直流的电能转换，方能进行蓄电池充电作业。

习用电力转换器主要包括功率半导体元件、被动元件及散热元件。近年来随着半导体技术的进步，使得电力电子元件及微控器晶片的性能大幅提升，且其价格持续不断下降，因此电力转换器的电路设计趋向，由在传统上采用简单的电力电子架构及控制方式与配置庞大数量的被动元件及散热元件，逐渐转向采用增加配置电力电子元件数量及相对比较复杂的控制方式达成减少被动元件的使用，以提高电力转换器效率，以便进一步减少散热需求。

在传统上，习用电力转换器可选择藉由提高切换频率方式将其切换谐波往更高频移动，以降低被动元件容量。然而，采用提高切换频率具有造成增加电力电子元件的切换损失的缺点，并降低电力转换器效率，因而导致增加其散热需求。

此外，另一种习用电路设计采用习用多阶电力转换器，因而可降低电力电子开关每一次切换的电压，可同时具有降低其切波换谐波电压、减少其切换损失及降低其被动元件容量。

习用多阶电力转换器需要使用较多数量的电力电子开关及采用相对较复杂的控制方式，因此早期只使用在较高压的应用，以减小电力电子开关的电压应力。然而，随着电力电子元件及微控器晶片的性能大幅提升，且其价格持续不断下降，习用多阶电力转换器已渐渐应用在低压小容量的电能转换上。

一般而言，在传统上，习用多阶电力转换器依其电路架构的不同可以区分为二极管筘位式(diode clamped)架构、飞轮电容式(flying capacitor)架构及迭接桥式(cascade bridge)架构。近年来出现许多具有单向电力潮流的习用多阶电力转换器，但是其电路架构或控制方式仍具有相对较复杂的缺点。

举例而言，图1(A)揭示了习用二极管筘位式五阶电力转换器的电路架构示意图。请参照图1(A)所示，习用二极管筘位式五阶电力转换器1A主要包括一电容臂及一电力电子开关臂。数个筘位二极管连接于该电容臂及电力电子开关臂之间，而该电容臂包括四个电容器，且该四个电容器为等值电容器。在操作上每个该电容器的电压必须相等，以建立四个等值直流电压，藉由该电力电子开关臂的切换选择该四个电容器的四个等值直流电压的一个电位输出，并配合该电容臂产生一五阶交流电压。

请再参照图1(A)所示，该筘位二极管则用以提供当该电力电子开关臂的电力电子开关截止时的电压筘位。然而，每个该筘位二极管的电压应力均不相同，且必须控制该四个电容器形成均压，因而习用二极管筘位式五阶电力转换器1A具有其控制电路复杂的缺点。

图1(B)揭示了习用飞轮电容式五阶电力转换器的电路架构示意图。请参照图1(B)所示，习用飞轮电容式五阶电力转换器1B主要包括一电容臂及一电力电子开关臂。另外，再利用数个电容器连接于该电力电子开关臂。在操作上由于每个电容器可建立不同电压，藉由该电力电子开关臂的切换，在输出端产生该电容器的电容电压的组合，配合该电容臂产生一五阶交流电压。