CN100456618C - 非隔离型直流/交流转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非隔离型直流/交流转换装置，用以将直流输入源转换成交流输出源。该装置包括直流/直流转换模组及直流/交流转换模组和反馈模组，其中直流/直流转换模组由转移电路及升压电路所构成。转移电路接收由直流输入源所得的输入电压并输出输入电压；升压电路于转移电路所输出的输入电压不足交流输出源所需时进行运作，以提升该直流/直流转换模组所输出的电压；直流/交流转换模组不使用变压器以接收由直流/直流转换模组所输出的电压，并转换所接收的电压为所要输出的交流输出源。反馈模组包括误差补偿器、第一和第二绝对值控制器。使用本发明，可以有效地减少切换损耗，并省略了使用大储能电容的必要，可减少成本并提高转换效率。

Description

非隔离型直流/交流转换装置

技术领域

本发明涉及一种电气转换装置，尤指一种非隔离型直流/交流转换装置。

背景技术

请参阅在已知技术中，应用于大范围输入电压的非隔离型直流/交流转换装置的电路架构，如图1所示。此直流/交流转换装置100包括第一级直流/直流转换器102以及第二级直流/交流转换器104。

第一级直流/直流转换器102由直流输入源106、电感108、晶体管开关110、二极管112以及电容114所构成。第一级直流/直流转换器102经由晶体管开关110对直流输入源106的直流电压Vdc作脉冲宽度调制(PWM)，以提升输出至第二级直流/交流转换器104的总线电压Vbus，并使其处于一稳定且高压的状态。

第二级直流/交流转换器104由四个晶体管开关116～122、电感124以及电容126所构成。第二级直流/交流转换器104连接于第一级直流/直流转换器102以接收总线电压Vbus，再通过晶体管开关116～122的切换以及电感124与电容126所组成滤波器的滤波作用转换总线电压Vbus而输出一交流电压Vo至负载端。

在这种常用的非隔离型直流/交流转换装置的使用上，必须将输入的直流源经由第一级的直流/直流转换器升压至最大值并作稳压，然后传输至第二级的直流/交流转换器将所接收的直流电源转换成为交流电源，以供应负载所需的交流源。

综上所述，这种传统的大范围输入电压的直流/交流转换装置在使用上具有以下缺点：

1.不论输出端所需的交流源是高电压还是低电压，在第一级的直流/直流转换器中都必须将输入直流源推升至大于输出电压峰值的最高电压值；如此一来，第二级直流/交流转换器内的开关元件就必须在高压下切换操作，此举会产生能量的损耗。

2.由于第一级的直流/直流转换器必须持续将输入直流源维持在大于输出电压峰值的最高电压值，因此其内的开关元件亦必须持续地进行切换操作，这也会产生能量的损耗。

3.由于需要采用极大的储能电容(如图1的电容114)，因此会提高生产成本，不符合经济原则。

发明内容

本发明的目的为提出一种非隔离型直流/交流转换装置，用以将一直流输入源转换为一交流输出源，可以有效地减少切换损耗，并省略了使用大储能电容的必要，以减少成本并提高转换效率。

本发明的构想为提出一种非隔离型直流/交流转换装置，由直流/直流转换模组及直流/交流转换模组和反馈模组所构成。直流/直流转换模组包括转移电路及升压电路，转移电路接收由直流输入源所得的输入电压并输出输入电压，升压电路于转移电路所输出的输入电压不足交流输出源所需时进行运作，以提升直流/直流转换模组所输出的电压。直流/交流转换模组不使用变压器以接收由该直流/直流转换模组所输出的电压，并转换所接收的电压为所要输出的该交流输出源。反馈模组包括：误差补偿器，接收该直流/交流转换模组的输出与一默认值，且比较该直流/交流转换模组的输出与该默认值，以输出一误差补偿信号；第一绝对值控制器，接收该误差补偿信号以输出一第一绝对值信号；以及第二绝对值控制器，接收三角波以输出一第二绝对值信号，其中该反馈模组还接收一锯齿波，该反馈模组根据该第一绝对值信号、该第二绝对值信号与该锯齿波，决定该升压电路所需提供的电压值。

其中该转移电路包括：一第一开关，该第一开关的一端电性耦接至该直流输入源的一端，该第一开关的另一端电性耦接至一第一电容的一端，该直流输入源的另一端电性耦接至该第一电容的另一端；该第一开关为二极管；该升压电路包括：一第一电感，该第一电感的一端电性耦接至该直流输入源的一端；一第二开关，该第二开关的一端电性耦接至该第一电感的另一端；一第一电容，该第一电容电性耦接至该第二开关的另一端与该直流输入源的另一端之间；以及一第三开关，该第三开关的一端电性耦接于该第一电感与该第二开关之间，该第三开关的另一端电性耦接于该第一电容的另一端与该直流输入源的另一端之间；该第二开关为二极管；该第三开关为晶体管；该直流/交流转换模组包括：一滤波器；一第四开关与一第五开关，该第四开关与该第五开关其中一端相电性耦接并电性耦接至该滤波器的一端，且该第四开关与该第五开关的另一端分别电性耦接至该升压电路的两输出端；以及一第六开关与一第七开关，该第六开关与该第七开关其中一端相电性耦接并电性耦接至该滤波器的另一端，且该第六开关与该第七开关的另一端分别电性耦接至该升压电路的两输出端；该滤波器包括：一第二电感，该第二电感的一端电性耦接至该第四开关与该第五开关相电性耦接的一端；以及一第二电容，该第二电容的一端电性耦接至该第二电感的另一端，该第二电容的另一端电性耦接至该第六开关与该第七开关相电性耦接的一端；该第四、第五、第六及第七开关分别为晶体管。

其中，该反馈模组还包括：一脉冲宽度调制波产生器，根据该误差补偿信号与该三角波以控制该直流/交流转换模组的动作；一峰值保持器，接收该第二绝对值信号，并保持该第二绝对值信号的峰值；一减法器，比较该第一绝对值信号与该峰值保持器的输出，以输出一减法结果；以及一比较器，比较该减法结果与该锯齿波，以控制该升压电路的动作。

本发明因采用转移电路，所以当输入直流电压足以供应输出的交流源时，升压电路保持不动作，此时输入的直流电压经由转移电路传输至直流/交流转换模组。而当输入直流电压不足以供应输出的交流源时，升压电路则开始动作，将输入直流电压调整成刚好符合输出所需的电压，以有效减少直流/交流转换模组在切换时的损耗，并省略了使用大储能电容的必要，以减少成本并提高转换效率。

本发明得通过下列附图及详细说明，以得到更深入的了解：

附图说明

图1为常用技术中一种应用于大范围输入电压的非隔离型直流/交流转换装置的电路图；

图2为本发明非隔离型直流/交流转换装置一实施例的电路图；

图3(a)和图3(b)分别为转移电路传输足以及不足以供应输出端所需最高绝对电压时，交流输出源及直流/直流转换模组输出端电压的时序图；

图4为本发明非隔离型直流/交流转换装置的反馈模组一实施例的电路方块图；以及

图5为本发明非隔离型直流/交流转换装置的反馈模组上各点的电压时序图。

其中，附图标记说明如下：

100直流/交流转换装置

102第一级直流/直流转换器

104第二级直流/交流转换器

106直流输入源

108电感

110晶体管开关

112二极管

114电容

116晶体管开关

118晶体管开关

120晶体管开关

122晶体管开关

124电感

126电容

200非隔离型直流/交流转换装置

202直流/直流转换模组

204直流/交流转换模组

206升压电路

208转移电路

210反馈模组

212二极管

214二极管

216电感

218晶体管开关

220电容

222晶体管开关

224晶体管开关

226晶体管开关

228晶体管开关

230电感

232电容

234负载

236直流输入源

302第一控制器

304第二控制器

306反馈信号

308参考信号

310误差补偿器

312误差补偿信号

314三角波

316脉冲宽度调制波产生器

318第一绝对值控制器

320第二绝对值控制器

322峰值保持器

324减法器

326减法结果

328锯齿波

330比较器

具体实施方式

请参阅图2，其为本发明非隔离型直流/交流转换装置一实施例的电路图。其中，非隔离型直流/交流转换装置200包括直流/直流转换模组202、直流/交流转换模组204以及反馈模组210。

本实施例的直流/直流转换模组202包括转移电路208以及升压电路206。

升压电路206由电感216、二极管212、晶体管开关218以及电容220所构成。电感216的一端耦接至直流输入源236的正端，另一端耦接至二极管212的一端。晶体管开关218的一端耦接至电感216与二极管212之间，另一端则耦接至电容220与直流输入源236的负端之间。电容220耦接在二极管212的另一端与直流输入源236的负端之间。

转移电路208由二极管214所构成，二极管214的一端耦接至直流输入源236的正端，另一端则耦接至电容220的一端。

此外，本实施例的直流/交流转换模组204包括晶体管开关222、224、226和228以及由电感230和电容232所构成的滤波器。

在直流/交流转换模组204中，晶体管开关222和224的其中一端彼此耦接后连接至滤波器的一端(电感230的一端)，晶体管开关222和224的另一端分别耦接至升压电路206的两输出端。而晶体管开关226和228的其中一端彼此耦接后连接至滤波器的另一端(电容232的一端)，晶体管开关226和228的另一端亦分别耦接至升压电路206的两输出端。

由直流/直流转换模组202及直流/交流转换模组204所构成的非隔离型直流/交流转换装置200的运作方式如下：

当经由转移电路208传输足以供应输出端所需的电压时，晶体管开关218保持关闭，使得升压电路206不动作，因此直流输出源236会直接经由转移电路208的二极管214作为输出电源输出至直流/交流转换模组204，接着直流/交流转换模组204中的晶体管开关222、224、226和228即进行脉冲宽度调制的切换以实施直流/交流的转换，再经由电感230及电容232的滤波作用后，转换成输出至负载234所需的交流输出源。

图3(a)为转移电路传输足以供应输出端所需最高绝对电压时，交流输出源Vo及直流/直流转换模组输出端电压Vbus的时序图；由图形可更加明了上述的控制方法。

另一方面，当经由转移电路208所输出的直流电压经由转换后不足以供应输出端所需的电压时，晶体管开关218即进行脉冲宽度调制的切换，使得升压电路206将直流输入源236的直流电源提升至输出所需的电压值，接着直流/交流转换模组204中的晶体管开关222、224、226和228即依正负半周不同保持导通或关闭，转换成输出至负载234所需的交流输出源。

关于直流/交流转换模组204中晶体管开关222、224、226和228所进行的脉冲宽度调制切换：当输出的交流电压为正半周且升压电路206开始工作时，晶体管222和226会保持导通，而晶体管224和228则保持关闭；相反地，当输出的交流电压为负半周且升压电路206开始工作时，晶体管224和228会保持导通，而晶体管222和226则保持关闭。

图3(b)为转移电路传输不足以供应输出端所需电压时，交流输出源Vo及直流/直流转换模组输出端电压Vbus的时序图；由图形可更加明了上述的控制方法。

根据上述控制方法可以了解，本发明的非隔离型直流/交流转换装置相较于常用技术的优点如下：

1.基于输出端所需的交流源是高电压还是低电压而决定第二级直流/交流转换模组的动作，使得直流/交流转换模组的晶体管开关(实施例中的晶体管开关222～228)不必一直在高压下进行切换操作，大幅减少能量的损耗。

2.基于输出端所需的交流源是高电压还是低电压而决定第一级直流/直流转换模组的动作，使得直流/交流转换模组的晶体管开关(实施例中的晶体管开关218)无需持续进行切换操作，同样降低了能量的损耗。

3.由于整个电路架构及控制方法的不同，因此本发明所采用的电容(实施例中的电容220)的电容值与常用技术的相比极小，可以有效降低生产成本，符合经济原则。

前述为本发明非隔离型直流/交流转换装置的主要电路及控制方式的叙述，以下则介绍欲达成本发明控制方式的反馈电路。必须特别声明的是，本发明的上位概念及技术特征皆在于前述的主要电路，至于反馈电路则有众多种设计方式，此处仅针对一种作控制方法的解释；不同的反馈电路架构无法回避本发明的所欲保护的最大专利保护范围。

请参阅图4，其为本发明非隔离型直流/交流转换装置的反馈模组一实施例的电路方块图，本实施例的反馈模组210由第一控制器302及第二控制器304所构成。

第一控制器302包括误差补偿器310以及脉冲宽度调制波产生器316。其中，误差补偿器310比较直流/交流转换模组204的反馈信号306与参考信号308，并且输出误差补偿信号312至脉冲宽度调制波产生器316的输入端，而脉冲宽度调制波产生器316则接收三角波314与误差补偿信号312。

第二控制器304包括第一绝对值控制器318、第二绝对值控制器320、峰值保持器322、减法器324以及比较器330。其中，第一绝对值控制器318接收误差补偿信号312以输出一第一绝对值信号，第二绝对值控制器接收三角波314以输出一第二绝对值信号，峰值保持器则接收该第二绝对值信号并保持该第二绝对值信号的峰值，减法器比较该第一绝对值信号与该峰值保持器的输出以输出减法结果326，比较器330则将减法结果326与锯齿波328进行比较。

在本实施例中，当输入的直流电压足以供应输出所需的电压时，升压电路中的晶体管开关218根据反馈模组210中的第二控制器304所反馈的信号而保持关闭，此时输入的直流电压源经由转移电路208传输至直流/交流转换模组204中，并且经由反馈模组210中的第一控制器302的误差补偿器310比较直流/交流转换模组204所反馈的电流或电压信号306与参考信号308后，输出误差补偿信号312至脉冲宽度调制波产生器316的输入端，接着脉冲宽度调制波产生器316则根据所接收的三角波314与误差补偿信号312而产生输出波以控制直流/交流转换模组204中的晶体管开关222～228作脉冲宽度调制。

另一方面，当输入的直流电压不足以供应输出所需的电压时，经由反馈模组210中的第一控制器302的误差补偿器310比较直流/交流转换模组204所反馈的电流或电压信号306与参考信号308后，输出误差补偿信号312至脉冲宽度调制波产生器316的输入端，接着脉冲宽度调制波产生器316则根据所接收的三角波314与误差补偿信号312而产生输出波将直流/交流转换模组204中的晶体管开关222～228控制在导通或关闭。

而在第二控制器304中，第一绝对值控制器318则接收误差补偿信号312以输出第一绝对值信号，第二绝对值控制器接收三角波314以输出第二绝对值信号，通过减法器比较第一绝对值信号与峰值保持器所保持的第二绝对值信号的输出，而输出减法结果326至比较器330，最后，比较器330根据减法结果326与锯齿波328控制直流/直流转换模组202中的晶体管开关218作脉冲宽度调制，将输入的直流电压调整成符合输出端所需的交流源。

附带一提的是，由于应用场合的不同，本发明可为电压源或电流源输出。

图5为本发明非隔离型直流/交流转换装置的反馈模组上各点的电压时序图，由上至下依序为误差补偿信号312(Vcmd1)、晶体管222及226、晶体管224及228、锯齿波328(Vsaw)、减法结果326(Vcmd2)、晶体管218的电压时序图；由图形可更加明了上述的控制方法。

综上所述，本发明所提供的非隔离型直流/交流转换装置可以有效地减少切换损耗，并省略了使用大储能电容的必要，达到减少成本及提高转换效率的目的。

本发明可以由本领域技术人员作各种修改和变型，然而皆不脱离权利要求书所欲保护的范围。

Claims (10)

1.一种非隔离型直流/交流转换装置，用以将一直流输入源转换成一交流输出源，该直流/交流转换装置包括：

一直流/直流转换模组，包括：

一转移电路，接收由该直流输入源所得的一输入电压并输出该输入电压；以及

一升压电路，于该转移电路所输出的该输入电压不足该交流输出源所需时进行运作，以提升该直流/直流转换模组所输出的电压；

一直流/交流转换模组，不使用变压器以接收由该直流/直流转换模组所输出的电压，并转换所接收的电压为所要输出的该交流输出源；以及

一反馈模组，包括：

一误差补偿器，接收该直流/交流转换模组的输出与一默认值，且比较该直流/交流转换模组的输出与该默认值，以输出一误差补偿信号；

一第一绝对值控制器，接收该误差补偿信号以输出一第一绝对值信号；以及

一第二绝对值控制器，接收三角波以输出一第二绝对值信号，其中该反馈模组还接收一锯齿波，该反馈模组根据该第一绝对值信号、该第二绝对值信号与该锯齿波，决定该升压电路所需提供的电压值。

2.如权利要求1的非隔离型直流/交流转换装置，其中该转移电路包括：

一第一开关，该第一开关的一端电性耦接至该直流输入源的一端，该第一开关的另一端电性耦接至一第一电容的一端，该直流输入源的另一端电性耦接至该第一电容的另一端。

3.如权利要求2的非隔离型直流/交流转换装置，其中该第一开关为二极管。

4.如权利要求2的非隔离型直流/交流转换装置，其中该升压电路包括：

一第一电感，该第一电感的一端电性耦接至该直流输入源的一端；

一第二开关，该第二开关的一端电性耦接至该第一电感的另一端；

一第一电容，该第一电容电性耦接至该第二开关的另一端与该直流输入源的另一端之间；以及

一第三开关，该第三开关的一端电性耦接于该第一电感与该第二开关之间，该第三开关的另一端电性耦接于该第一电容的另一端与该直流输入源的另一端之间。

5.如权利要求4的非隔离型直流/交流转换装置，其中该第二开关为二极管。

6.如权利要求4的非隔离型直流/交流转换装置，其中该第三开关为晶体管。

7.如权利要求1的非隔离型直流/交流转换装置，其中该直流/交流转换模组包括：

一滤波器；

一第四开关与一第五开关，该第四开关与该第五开关其中一端相电性耦接并电性耦接至该滤波器的一端，且该第四开关与该第五开关的另一端分别电性耦接至该升压电路的两输出端；以及

一第六开关与一第七开关，该第六开关与该第七开关其中一端相电性耦接并电性耦接至该滤波器的另一端，且该第六开关与该第七开关的另一端分别电性耦接至该升压电路的两输出端。

8.如权利要求7的非隔离型直流/交流转换装置，其中该滤波器包括：

一第二电感，该第二电感的一端电性耦接至该第四开关与该第五开关相电性耦接的一端；以及

一第二电容，该第二电容的一端电性耦接至该第二电感的另一端，该第二电容的另一端电性耦接至该第六开关与该第七开关相电性耦接的一端。

9.如权利要求7的非隔离型直流/交流转换装置，其中该第四、第五、第六及第七开关分别为晶体管。

10.如权利要求1的非隔离型直流/交流转换装置，其中该反馈模组还包括：

一脉冲宽度调制波产生器，根据该误差补偿信号与该三角波以控制该直流/交流转换模组的动作；

一峰值保持器，接收该第二绝对值信号，并保持该第二绝对值信号的峰值；

一减法器，比较该第一绝对值信号与该峰值保持器的输出，以输出一减法结果；以及

一比较器，比较该减法结果与该锯齿波，以控制该升压电路的动作。

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