高效率並聯負載共振式蓄電池充電器 High Efficiency Battery Charger with Parallel-Loaded Resonant Converter

高效率並聯負載共振式蓄電池充電器

High Efficiency Battery Charger with Parallel-Loaded Resonant Converter

莊英俊* 張永東* 楊嘉瑋* 莊宏祥**

Ying-Chun Chuang Yong-Dong Chang Jia-Wei Yang Hung-Shiang Chuang *

崑山科技大學電機工程系

**

高苑技術學院自動系

Department of Electrical Engineering Department of Automation Engineering Kun Shan University of Technology Kao Yuan Institute of Technology

Tainan, Taiwan, R.O.C. Kaohsiung, Taiwan, R.O.C.

Tel：+886-6-2050518 Tel：+886-7-6077028 Fax：+886-6-2050298 Fax：+886-7-6077112 E-mail：chuang@mail.ksut.edu.tw E-mail：chuanghs@cc.kyit.edu.tw 摘 要：為了實現高性能、低切換損失、高效率與低成本之

蓄電池充電器，本文採用高頻並聯負載共振式直流轉換器，

應用於蓄電池充電器。此種負載共振式蓄電池充電器具有電 路結構簡單、元件數目少、體積小、重量輕、功率密度高、

效率高及低成本等優點。最後，以電腦模擬與實際電路作理 論驗證，實驗結果相當令人滿意，效率高達89%以上。

關鍵字：柔性切換，共振式直流轉換器，充電器

Abstract：In order to achieve the goal of a high performance,

low switching loss, high efficiency, and low cost battery charger, the high-frequency parallel-loaded resonant converter is proposed in this paper. To apply this topology on battery charger bears the advantages such as simpler circuit structures, less component count, smaller volume, light weight, higher power density and efficiency, as well as lower cost. Finally, through computer simulation and laboratory circuit experiments, satisfactory results are obtained. The parallel -loaded resonant battery charger can reach an efficiency higher than 89%.

Keywords :Soft-Switching, Resonant DC-DC Converter, Charger

一、簡 介

一般傳統的切換式充電器是利用降壓的方式，經 由變壓器或者是轉換器的設計，將電路的輸入電源降 至約大於蓄電池電壓的額定值，然後再對蓄電池充 電，達到能量補充的目的。但充電器操作在高頻時，

電路的功率電晶體之切換損失、效率及散熱問題是我 們所關切的。所以本文研究方向重點將朝向效率高與 低能量切換損失為目標，且在不傷及電池極板兼顧電 池使用壽命，製作出適用於高頻環境下的切換式新型 充電器。利用並聯負載共振式轉換器(Parallel-Loaded Resonant Converter)做成蓄電池充電器，稱之並聯負載 共振式充電器(Parallel-Loaded Resonant Charger)。

不同的充電法對蓄電池充電會產生不一樣的結 果。好的充電法，不僅可縮短充電的時間、增加充電 效率、延長電池的使用壽命及增加充電次數。並聯負 載共振式充電器是結合傳統的定電流(Constant Current, CC)充電法對蓄電池充電。和傳統的充電法所不同的是 共振式充電法具有零電壓切換(Zero Voltage Switching, ZVS)的功能，可使整個電路對蓄電池充電時損失降到

最低，達到柔性切換(Soft-Switching)的技術。

並聯負載共振式充電器電路設計的方法是以脈波 寬度調變的方式控制兩個主動開關，透過適當的參數 設計使充電器操作於連續電流模式，並使主動開關能 於零電壓切換導通或截止，以維持電路高效率。至於 電路參數的設計是以共振槽的特性阻抗為基準，調變 切換頻率並固定。主動開關的責任週期，藉由頻率的 變化改變電路阻抗，以控制充電電流的大小，透過頻 率響應立體圖，挑選適當的操作點，使共振式充電器 運作於最佳狀態，同時對蓄電池施以定電流充電。

二、電路分析及操作模式

圖1 為本文所採用的並聯負載共振式蓄電池充電 器電路[1]，電路可分成三級，分別為：(一)電源側；(二) 共振槽；(三)負載側。電源側的直流電源可引入一般的 交流市電，經由橋式整流後，得到電路所需的直流電，

此直流電再經 及 兩顆電解電容濾波及穩壓，再提 供平分電源電壓給功率電晶體，由兩個開關交互切換 出高頻交流方波。圖2 則為並聯負載共振式蓄電池充 電器等效電路。

C

1

C

₂

C

O

I

O

DR

1

DR

4

DR

3

DR

2

S

2

S

1

D

2

D

1

C

1

C

2

V

S

L

O

^圖1 並聯負載共振式蓄電池充電器電路

jX

Lr

jX

Cr

−

R

_e

圖2 並聯負載共振式充電器等效電路

並聯負載共振式充電器之共振槽的位置介於電源 側與負載側之間，由共振電感 與共振電容 Cr 所組 成共振頻率為：

Lr

LrCr f

_O

π

2

= 1 (1)

共振槽之特性阻抗為：

Lr

Z

_O =

Cr

(2)

功率電晶體所切換出的交流高頻方波，經共振槽 的濾波後，共振電容電壓 及共振電感電流 可得到 如圖3 所示的波形及各模式等效電路圖[2]。電感電流 及電容電壓均為弦波波形，此圖形亦意含充電器在電 流連續導通模式下 (Continuous – Conduction Mode ; CCM)的工作波形圖。

v

Cr

i

_Lr

圖3 共振槽電容電壓及電感電流連續導通模式波形

由於開關是以 50%的任務週期交互導通與截止。

因此，為了簡化分析可將圖1 中之

v

_a視為±

V

_S 2之方 波電壓源，並將 視為一理想直流電流源。因此，欲 求圖3 共振槽操作一週期之共振電容電壓 及電感電 流 的關係式，可以利用上式假設配合拉氏轉換求

得。各操作模式的簡化等效電路圖如圖3 所示。此外，

並以開關 導通定義為模式一，可逐一推導出其餘三 個工作模式。

V

O

v

Cr

i

Lr

S

1

模式一 (

S

1 ON)

) ( ) sin

2 ) ( ( cos ) ( )

( _{0 0} ⁰

t t

₀

Z V t V

t I

I I t

i

O

O C S O

O L O

Lr = + − ω − + − ω − (3)

) ( sin ) ( ) ( cos 2 )

2 ( )

( V V V

0

t t

0

Z I

0

I t t

0

t

v

C O O L O O

S S

Cr

= − −

ω

− + −

ω

−

(4)

模式二 (

D

₁ ON)

) ( ) sin

2 ) ( ( cos ) ( )

(

2

0 2

0

t t

Z V t V

t I

I I t

i

_O

O C S O

O L O

Lr

− −

+

− +

+

−

=

ω ω (5)

) ( sin ) ( ) ( cos 2 )

2 ( )

( V V V

0

t t

2

Z I

0

I t t

2

t

v

C O O L O O

S S

Cr

= − −

ω

− + +

ω

−

(6)

模式三 (

S

₂ ON)

) ( ) sin

2 ) ( ( cos ) ( )

(

3

0 3

0

t t

Z V t V

t I I I t

i

_O

O C S O

O L O

Lr

= − + +

ω

− − +

ω

−

(7)

) ( sin ) ( ) ( cos 2 )

2 ( )

( V V V

0

t t

3

Z I

0

I t t

3

t

v

C O O L O O

S S

Cr

= − + −

ω

− + +

ω

−

(8)

模式四 (

D

₂ ON)

) ( ) sin

2 ) ( ( cos ) ( )

( _{0 5} ⁰

t t

₅

Z V t V

t I

I I t

i

_O

O C S O

O L O

Lr = + − ω − − + ω − (9)

) ( sin ) ( ) ( cos 2 ) 2 ( )

( V V V

₀

t t

₅

Z I

₀

I t t

₅

t

v

C O O L O O

S S

Cr

= − + + ω − + − ω −

(10)

其中 、 分別為 時電容電壓及電感電流之初 始值。

0

V

C

I

_L0

t

=

t

₀

並 聯 負 載 共 振 式 蓄 電 池 充 電 器 的 品 質 因 數 (Quality factor)

Q

定義為：

O L L

O L Lr L Lr L

Z R Lr R Cr Lr R X

R X I

R

Q

=

I

= = = =

ω

2 2

(11)

式中的 為蓄電池等效電阻；品質因數

Q

值越大，則 電路響應越好。

R

L

利用富利葉級數轉換，分別可求出圖2 中之基本 波

v

a1及

i

_b1，如(12)及(13)所示[3-5]。

V t

v

_a ^S

ω

π

^sin 2

1 = (12)

I t

i

_b ^O

ω

π

^sin 4

1 = (13)

圖4 是由共振槽端看入負載側所得到的等效電壓 源驅動整流器，利用此圖求出充電電流 ，其中 為 蓄電池內阻， 為蓄電池無載端電池。

V

O

R

_B

V

OC

) V

b

(rms

i

b IO 1

i

b

v

b

Lo

i

Lo

v

CO Co

i

CO

V IO

DR2

DR1 DR3

DR4

m

V

b₁

R

B

V

OC

V

O

R

L

圖4 電壓源驅動整流器

∫

=

π

ω π

₀ ^{1 sin}

ω

^{( )}

1

V td t

V

_{O bm} (14)

π

^bm

V

₁

= 2 (15)

) 8 (

2

1 1

O OC B m

b m b

e

I

R V I

R

=

V

=

π

⋅ +

(16)

可表示成：

L

e

R

R

= ⋅ 8

π

2

(17)

圖2 利用分壓原理可求得下式：

Q j u v u

v

a b

+

−

=

) 1 (

1

1 2

1

(18)

其中

Lr Q R

O e

=

ω ，

O

u

S

ω

=

ω

a1

v 與

為 與 波形之基本波，經整理後，可 得到並聯負載共振式蓄電池充電器之電壓增益為：

b1

v v

_a

v

_b

2 2 2 2

) ( ) 1 (

1 4

Q u u

V V

S O

+

−

⋅

=

π

⁽¹⁹⁾

圖5 為並聯負載共振式充電器之頻率響應圖。藉 這一張頻率響應圖可以分析以下三點的結果。一、共 振點的位置：電路具有可調性。二、充電器電路屬性 的分佈：共振點 以左，電路是呈電容性，以右 電路是呈電感性。三、適用場所：圖中顯示，電壓增 益最大值為2.5，故可知電路屬於升壓式電路且適用在 低輸入電壓、高輸出電流的場所。

O

S

f

f

=

O S O S

f u= =f

ω ω

S O

V V

圖5 並聯負載共振式充電器頻率響應圖

充電器負載側是由共振槽所濾出的交流弦波，經 全橋整流後，再經由輸出端的L-C 低通濾波器穩壓及 穩流，濾波後的電壓與電流再送至負載充電。高頻整 流後所得的漣波比在低頻時為小，可以得到更趨近純 直流的電壓及電流，對蓄電池充電更為有益。由輸出 端濾波的型式可判斷，並聯負載共振式充電器是屬於 定電流充電法。

三、充電器參數設計

並聯負載共振式充電器硬體電路未實現之前，必 須設計一套設計流程圖，規劃整個實驗步驟的順序，

依照流程圖循序漸進完成充電器電路及充電實驗，此 流程圖的設計如圖6 所示。並聯負載共振式充電器的 參數設計，首重於共振槽參數的決定，參數的選用影 響充電器之切換損失、電路屬性及輸出功率，所以參 數是決定充電器的優劣。本文共振槽參數的設計，是 利用共振電感、共振電容及充電電流三個參數之間的 關係，模擬出如圖7 所示的立體圖，再由立體圖中選 一組參數組做為共振槽參數，實驗是選用

與 。

uH Lr

=63.3

uF

Cr

=1

圖6 並聯負載共振式充電器設計流程

圖7 共振槽參數與充電電流關係圖 四、實驗結果

本文是製作並聯負載共振式充電器，蓄電池放電 終止電壓為10.35V，進行充電的實例，充電條件表如 下：

表1 並聯負載共振式充電器充電測試條件

輸入電源 切換頻率

電源側

24V 14kHz 共振電感 共振電容 特性阻抗 共振頻率

共振槽

63.3uH 1uF 0.126

Ω

^20kHz

輸出電容 輸出電感 負 載

負載側 100uF 5mH YB4L-B,4AH/HR 湯淺蓄電池

充電器電路三級的元件參數設計完畢後，便可進 行電路的模擬及實作，所模擬出的波形及實際量測各 元件波形圖如下，圖8 為第一顆功率電晶體跨電壓 及流經電晶體 的電流波形，主要是判斷切換損失的 大小及是否達到零電壓切換的功能，由圖中波形判 斷，功率電晶體確實有達到低切換損失及零電壓切換 的技術。

1

V

DS S1

i

us

Time 20

:

V

_DS1:10

V / div i

_S1:1

A / div

圖8(a) 零電壓切換波形模擬

CH1：X 軸：25μs /div Y 軸：10V/div CH2：X 軸：25μs /div Y 軸：1A/div

圖8(b) 零電壓切換波形實測

圖9 為共振槽電容電壓與電感電流接上蓄電池充 電時，共振槽發生共振時所產生的波形。由波形可知，

發生共振時共振槽的電壓及電流波形是以弦波的方式 呈現。

us

Time 20

:

v

_Cr:10

V / div i

_Lr:1

A / div

圖9(a) 共振槽共振波形模擬

CH1：X 軸：25μs /div Y 軸：10V/div CH2：X 軸：25μs /div Y 軸：1A/div

圖9(b) 共振槽共振波形實測

切換頻率控制在

f

_O 2<

f

_S <

f

_O連續模式下，使共 振電感電流 超前，充電器的屬性為電容性電路，如 圖10 所示。其中 的峰對峰值為輸入電壓的大小。

i

Lr

v

a

us

Time 20

:

v

_a:5

V / div i

_Lr:5

A / div

圖10(a) 電容性電路波形模擬

CH1：X 軸：25μs /div Y 軸：5V/div CH2：X 軸：25μs /div Y 軸：2A/div

圖10(b) 電容性電路波形實測

共振槽端電壓 波形，經負載側的橋式電路整流 後，所得的波形如圖11 所示。圖中波形，意指流經每 個二極體的電壓為一負值。

v

b

us

Time 20

:

V

_DR2:6

V / div

圖11(a) 橋式二極體電壓波形模擬

CH1：X 軸：25μs /div Y 軸：10V/div

圖11(b) 橋式二極體電壓波形實測

電壓與電流經L-C 低通濾波器穩壓及穩流後，最

終得到充電電壓 ，充電電流 ，

如圖12 所示。這一些值的大小符合蓄電池充電的安全 模式，可對蓄電池進行充電。

V

V

_O =13.44

I

_O =0.67

A

Time 20

:

us V

O:10

V / div I

O:1

A / div

圖 12(a) 充電電壓電流波形模擬

CH1：X 軸：25μs /div Y 軸：10V/div CH2：X 軸：25μs /div Y 軸：1A/div

圖 12(b) 充電電壓電流波形實測

蓄 電 池 充 電 實 驗 是 以 蓄 電 池 放 電 終 止 電 壓 及充飽電壓設定14V 進行充電。從蓄電池 放電終止電壓到蓄電池完全充飽時，共須要花360 分 鐘才能把蓄電池充飽，變化曲線如圖13 所示。

V

V _o

=10.35

0 4 8 12 16

0 60 120 180 240 300 360 Time(min)

Vo(V)

圖 13 充電電壓變化曲線

充電電流變化曲線方面，可得到如圖14 所示。剛 開始充電時的電流有0.727A，待蓄電池充飽時，充電 電流卻只有0.581A，充電電流曲線是屬於定電流充電 法，因為充電曲線不會隨蓄電池充飽而下降。

0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 60 120 180 240 300 360 Time(min)

Io(A)

圖 14 充電電流變化曲線

若把圖15 中的數值全部加總平均，可得到蓄電池 的平均等效阻抗 ，經此數據可算出，並聯 負載共振式充電器在此模式下的品質因數 ， 並聯負載共振式充電器經精密三相電力分析儀測得之 後，可量測出89.67%的高效率。

Ω

=21.84

R

L

92 .

= 3 Q

圖15 蓄電池等效阻抗變化曲線 五、結 論

本文是利用並聯負載共振式充電器電路具有低切 換損失的原理來研製蓄電池充電器，當電路操作在高 頻時，使充電器電路體積大幅縮小、重量輕、功率密 度高及低成本的優點。且充電器在連續電流模式下具 有零電壓導通之優點，可減少切換損失、提高充電器 效率及電晶體不必承受熱跑脫的風險等優點。此外，

將並聯負載共振式轉換器電路應用在蓄電池充電器 上，藉著轉換器的切換頻率可調的特性，以共振槽的 特性阻抗為基準，決定輸出電壓及電流的大小，達到 我們所要的充電條件。且輸出端有平滑的直流電壓及 電流，是當作蓄電池充電器最佳的理想電路。經由實 驗的驗證結果，高頻串聯負載共振式電路應用在蓄電 池的充電器上，效率高達89.67%以上，結果相當令人 滿意。

六、參考文獻

[1] D. W. Hart, Introduction to Power Electronics, Prentice-Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1997.

[2] 江炫樟，電力電子學，全華書局，台北，2001 年。

[3] R. L. Steigerwald, “A comparison of half-bridge resonant converter topologies,”IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 3, No. 2, 1998, pp. 174-182.

[4] M. K. Kazimierczuk and D. Czarkowski, Resonant Power Converters, Ny/John Wiley & Sons, Inc.1995 [5] 張天錫編譯，電力電子學，東華書局，台北，1995

年第二版。