可用於燃料電池的電源轉換器的製作方法
2023-08-03 10:44:06
專利名稱：可用於燃料電池的電源轉換器的製作方法
技術領域：
本發明是關於一種電源轉換器，尤指一種可用於燃料電池的電源轉換器。
背景技術：
燃料(fuel cell)電池為一種高效率、低汙染的新電源供應器，其輸出電壓可為48V，輸出電流可超過100A，當使用者欲使用燃料電池作為電源供應器時，於燃料電池與負載之間需使用全橋式換流器(Full-Bridge Inverter)、變壓器、及整流器以進行電氣特性的轉換。如圖1所示，傳統電源轉換器10可提供5KW電力轉換，其包括全橋式換流器12、變壓器16、及整流器18，且全橋式直流變壓器12、變壓器16、及整流器18是為依序串接而組成傳統電源轉換器10。傳統電源轉換器10可將燃料電池20所輸出的電源進行電氣特性的轉換，例如48V直流轉換成400V直流，以供負載30的消耗。
由於全橋式換流器12的功率電晶體13所能承受的峰值漏極電流無法超過70A，因此，每一切換電路14皆採用二個平行的功率電晶體13，以降低每一功率電晶體13所要承受的漏極電流，並輪流導通/關閉切換電路14，以提供功率電晶體13充份的散熱時間，可避免全橋式換流器12而過熱而損壞。
然而，傳統電源轉換器10具有下列缺點全橋式換流器12的濾波電容C1及功率電晶體13、變壓器16、整流器18的濾波電感L1及濾波電容C2的體積，皆無法縮小，這將造成傳統電源轉換器10於應用領域上的限制。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種可用於燃料電池的電源轉換器，具有體積小、應用範圍寬的優點。同時具有降低功率消耗、提供功率轉換效率、及低成本的優點為避免已知電源轉換器的缺點，本發明揭露一種可用於燃料電池的電源轉換器，是用以輸入該燃料電池所提供的一輸入電壓，並進行一電氣特性轉換，以輸出一輸出電壓至一負載，其特徵在於，該電源轉換器包括一複數相位PWM控制器，是用以偵測該輸出電壓的電壓準位以輸出複數PWM控制信號；一複數相位橋接轉換器，是依據該等PWM控制信號以輸入並輸出該輸入電壓；一變壓器，是輸入該複數相位橋接轉換器所輸出的該輸入電壓，並進行該電氣特性轉換，以輸出該輸出電壓；以及其中該等相位PWM控制器是包括一PWM產生器及至少一相位偏移器。
其中，該電源轉換器還包括一整流器，是輸入該輸出電壓，並輸出整流後的該輸出電壓至該負載。
其中，該PWM產生器偵測該輸出電壓的電壓準位以輸出一第一PWM控制信號及一第四PWM控制信號，該至少一相位偏移器依據該第一PWM控制信號及該第四PWM控制信號以分別輸出一第三PWM控制信號、一第六PWM控制信號、一第五PWM控制信號、一第二PWM控制信號。
其中，該第三PWM控制信號的相位是落後該第一PWM控制信號的相位120度，該第五PWM控制信號的相位是落後該第三PWM控制信號的相位120度，該第六PWM控制信號的相位是落後該第四PWM控制信號的相位120度，該第二PWM控制信號的相位是落後該第六PWM控制信號的相位120度。
其中，該至少一相位偏移器是為一先進先出元件。
圖1是已知電源轉換器的示意圖。
圖2是本發明三相電源轉換器的功能方塊圖。
圖3是重載時六個PWM控制信號的波形圖。
圖4是輕載時六個PWM控制信號的波形圖。
具體實施例方式
有關本發明的電源轉換器，請先參照圈2所示，其是使用多相脈波長度調變(PWM)控制以進行電氣特性的轉換，使燃料電池20所輸出的電源能輸出至負載30，以提供負載30順利運作所需消耗的能量，並具有高效率、體積小等優點，使本發明多相電源轉換器較已知電源轉換器具有顯著的進步性。其中，本發明電源轉換器較佳是為三相電源轉換器，並進行下述說明，但不以此為限。
如圖2所示，本發明電源轉換器40是耦合至燃料電池20及負載30，從燃料電池20輸入輸入電壓VIN，並對輸入電壓VIN進行電氣特性轉換，將高電流低電壓的輸入電壓VIN轉換成低電流高電壓的輸出電壓VOUT，並將輸出電壓VOUT輸出至負載30。其中，本發明電源轉換器40是包括下列元件三相PWM控制器60，是用以偵測輸出電壓VOUT的電壓準位以輸出六個PWM控制信號，每一PWM控制信號可切換一個功率電晶體的開啟(ON)或關閉(OFF)的狀態。三相PWM控制器60包括PWM產生器62、相位偏移器(phase shifter)64、及相位偏移器66。PWM產生器62依據輸出電壓VOUT的電壓準位以分別輸出第一PWM控制信號及第四PWM控制信號至切換電路50的功率電晶體51及功率電晶體54的柵極，功率電晶體51及功率電晶體54可分別依第一PWM控制信號及第四PWM控制信號的電壓準位而切換至開啟或關閉，且功率電晶體51及功率電晶體54兩者的開啟/關閉狀態是為互斥。相位偏移器64是輸入第一PWM控制信號及第四PWM控制信號，並進行相位偏移處理，較佳是延遲(delay)120度相位，以分別輸出第三PWM控制信號及第六PWM控制信號至功率電晶體53及功率電晶體56的柵極，以控制功率電晶體53及功率電晶體56的開啟/關閉狀態。相位偏移器66是輸入第三PWM控制信號及第六PWM控制信號，並進行相位偏移處理，較佳是延遲(delay)120度相位，以分別輸出第五PWM控制信號及第二PWM控制信號至功率電晶體55及功率電晶體52的柵極，以控制功率電晶體55及功率電晶體52的開啟/關閉狀態。相位偏移器64及相位偏移器66較佳是為德洲儀器(Texas Instruments)公司所產生的雙先進先出(FIFO)元件，產品編號SN 74AACT 2226，並由調整PWM產生器62與相位偏移器64及相位偏移器66的時脈頻率，使相位偏移器64及相位偏移器66提供相位延遲120度相位的功能。當負載30改變時，第一PWM控制信號及第四PWM控制信號的波形將隨負載程度而改變，而第三PWM控制信號、第六PWM控制信號以及第五PWM控制信號、第二PWM控制信號的波形分別與第一PWM控制信號及第四PWM控制信號相同，僅有相位上的差異，故能精準地控制三相橋接轉換器50的運作。
三相橋接轉換器50依據三相PWM控制器60所輸出的六個PWM控制信號而輸出輸入電壓VIN至變壓器46。其包括功率電晶體51、52、53、54、55、及56，其中，功率電晶體51與54串聯，功率電晶體53與56串聯，功率電晶體55與52串聯。每一功率電晶體可依據柵極的電壓準位而切換至開啟/關閉狀態，例如高電壓準位時，功率電晶體切換至開啟狀態；低電壓準位時，功率電晶體切換至關閉狀態。
變壓器46是用以將三相橋接轉換器50所輸入的輸入電壓VIN進行電氣特性轉換，以輸出輸出電壓VOUT至整流器48。
整流器48是對輸出電壓VOUT進行整流。其包括六個二極體、濾波電感L2、及濾波電容C3。
如圖3所示，當負載為重載時，功率電晶體51、53、及55置於開啟狀態的時間較長，使變壓器46提供較充裕電流的輸出電壓VOUT；如圖4所示，當負載為輕載時，功率電晶體51、53、及55置於開啟狀態的時間較短，使變壓器46提供較小量電流的輸出電壓VOUT。由於功率電晶體51、52、53、54、55、及56是輪流切換至開啟或關閉狀態，且功率電晶體的切換速度較已知功率電晶體13為快，電流漣波(current ripple)將相互抵消，使變壓器46的輸出電壓VOUT的產生較小的電流漣波。由於輸出電壓VOUT的電流漣波較已知電源轉換器10小，故濾波電成L2及濾波電容C3的體積可較已知濾波電感L1及濾波電容C2為小，並隱含降低功率消耗、提供功率轉換效率、及低成本等優點。
由上述說明中可知，本發明多相電源轉換器可降低電流漣波而減少濾波電感L2及濾波電容C3的體積，以及濾波電容C1的體積。
上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發明所主張的權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
權利要求
1.一種可用於燃料電池的電源轉換器，是用以輸入該燃料電池所提供的一輸入電壓，並進行一電氣特性轉換，以輸出一輸出電壓至一負載，其特徵在於，該電源轉換器包括一複數相位PWM控制器，是用以偵測該輸出電壓的電壓準位以輸出複數PWM控制信號；一複數相位橋接轉換器，是依據該等PWM控制信號以輸入並輸出該輸入電壓；一變壓器，是輸入該複數相位橋接轉換器所輸出的該輸入電壓，並進行該電氣特性轉換，以輸出該輸出電壓；以及其中該等相位PWM控制器是包括一PWM產生器及至少一相位偏移器。
2.如權利要求1所述的可用於燃料電池的電源轉換器，其特徵在於，其中，該電源轉換器還包括一整流器，是輸入該輸出電壓，並輸出整流後的該輸出電壓至該負載。
3.如權利要求1所述的可用於燃料電池的電源轉換器，其特徵在於，其中，該PWM產生器偵測該輸出電壓的電壓準位以輸出一第一PWM控制信號及一第四PWM控制信號，該至少一相位偏移器依據該第一PWM控制信號及該第四PWM控制信號以分別輸出一第三PWM控制信號、一第六PWM控制信號、一第五PWM控制信號、一第二PWM控制信號。
4.如權利要求2所述的可用於燃料電池的電源轉換器，其特徵在於，其中，該第三PWM控制信號的相位是落後該第一PWM控制信號的相位120度，該第五PWM控制信號的相位是落後該第三PWM控制信號的相位120度，該第六PWM控制信號的相位是落後該第四PWM控制信號的相位120度，該第二PWM控制信號的相位是落後該第六PWM控制信號的相位120度。
5.如權利要求2所述的可用於燃料電池的電源轉換器，其特徵在於，其中，該至少一相位偏移器是為一先進先出元件。
全文摘要
本發明是有關於一種可用於燃料電池的電源轉換器，是用以輸入燃料電池所提供的輸入電壓，並進行電氣特性轉換，以輸出一輸出電壓至負載，電源轉換器包括複數相位PWM控制器，是用以偵測輸出電壓的電壓準位以輸出複數PWM控制信號；複數相位橋接轉換器，是依據複數PWM控制信號以輸入並輸出輸入電壓；以及變壓器，是輸入複數相位橋接轉換器所輸出的輸入電壓，並進行電氣特性轉換，以輸出一輸出電壓，其中複數相位PWM控制器是包括PWM產生器及至少一相位偏移器。
文檔編號H02M3/24GK1767337SQ200410085988
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月25日 優先權日2004年10月25日
發明者賴日生, 陳宏亮, 吳志崇 申請人:大同股份有限公司