CN103001516B - 五阶式直流转交流电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种五阶式直流转交流电源电路，主要包含有串/并联电容器组及一全桥开关电路，该串/并联电容器组包含二个储能电容，该两个储能电容是通过一电子开关串联连接后与一直流电源电路连接，再以二个二极管分别将此二个储能电容的另一端连接至该直流电源的正极及负载；当该电子开关在启闭不同状态下，二个储能电容分别为串联及并联连接，分别提供该全桥开关电路两倍直流电压及一倍直流电压，此时全桥开关电路再依据正半周或负半周建立不同放电路径，交替输出正半周的三阶式电压电平及负半周的三阶式电压电平的交流电压，实现以五个电子开关将直流电源转换为五阶式电压电平变化的交流电源后输出，不仅电路精简、成本低。

Description

五阶式直流转交流电源电路
技术领域
本发明涉及一种五阶式直流转交流电源电路，尤其是一种具有简化电路设计及电子零件成本的五阶式直流转交流电源电路。
背景技术
能源开发及应用向来是全球关注的焦点，各国无不致力于新能源开发或寻找替代能源，以应对石油耗竭来临之日。配合目前环保议题，常见替代能源不外乎太阳能、风力、水力等等，主要利用大自然本身能量转换为电能，供人类使用，实现该些能量转换电能的装置中，直流转交流电源电路即是不可或缺的必要装置。
由于全球建构电力网的电源形式为交流电源，因此通过直流转交流电源电路，即能顺利地将各种能量发电装置所输出的直流电源转换为交流电源，再馈入电力网中，达到供电目的。一般来说，直流转交流电源电路早期以半桥式电能转换器实现二阶式直流转交流电源电路，进而改变成以全桥式电能转换器实现三阶式直流转交流电源电路，再到现今发展出的多阶式直流转交流电源电路，形态不尽相同。
请参阅图4所示，是以二极管箝位式电能转换器为实现一种单相三阶式直流转交流电源电路，包含有：
二个串联储能电容50、51，其二端连接一直流总线52，提供V+、V-端点连接一外部直流电源；及
二个串联半桥开关电路53、54，连接于该直流总线52，其中各半桥开关电路53、54的串联节点通过一逆向二极管55、56连接至二个电容50、51的串联节点；其中二个半桥开关电路53、54的串联节点及该二个电容串联节点连接一交流电源输出插口57。
上述单相三阶式直流转交流电源电路是通过控制二个半桥开关电路53、54的电力电子开关交替切换，将二个串联储能电容50、51的直流电压转换为交流电压后输出；其中每次电力电子开关切换所造成的电压变化均为一储能电容50、51的电压，令输出的交流电源的电压电平有三阶变化，但由于轻载时二个储能电容50、51的电压并不容易达到相等，故此种二极管箝位式电能转换器在轻载状态下控制电力电子开关时，必须考虑二个储能电容50、51的电压的均等，才能稳定输出交流电源。
请再参阅图5所示，为另一种单相三阶飞轮电容式电能转换器所实现一种单相三阶式直流转交流电源电路，主要也是由二个串联储能电容60、61及二个串联半桥开关电路62、63组成，但二个半桥开关电路60、61的串联节点之间连接另一个储能电容64；其动作原理与上述二极管箝位式电能转换器大致相同，但是控制二个半桥开关电路62、63时，为达到输出交流电压的稳定，必须考虑储能电容60、61及64电压的充电时间与放电时间，整体而言，控制二个半桥开关电路62、63的电子开关较为复杂。
想当然的，越高阶的直流转交流电源电路其电路及控制电力电子切换方式越复杂。请参阅图6所示，一种五阶式直流转交流电源电路包含有：
二个储能电容70、71，分别连接二个直流总线701、702，提供V1+、V1-/V2+、V2-端点连接二组直流电源；及
二个全桥开关电路72、73，分别与对应的储能电容70、71并联，其中二个全桥开关电路72、73的二个输出节点相互连接，而另二个输出节点则连接一交流电源输出插口74。
由上述电路架构可知，为了输出五阶电压电平变化的交流电源，除了采用二个全桥开关电路72、73外，各储能电容70、71必须各自连接一直流电源至V1+、V1-/V2+、V2-端点；简言之，此一五阶式直流转交流电源电路必须使用二个全桥开关电路72、73共计包含八个电子开关，除电路设计复杂且成本高以外，同样基于储能电容70、71电压的均压及稳压考量，使得控制二个全桥开关电路的电子开关切换的控制变得更为复杂。
发明内容
有鉴于上述现有五阶式直流转交流电源电路的技术缺点，本发明主要目的是提供一种具有简化电路及电子元件的五阶式直流转交流电源电路，并兼具储能电容的电压的均等功效。
欲达上述目的所使用的主要技术手段是令该五阶式直流转交流电源电路包含有：
一串/并联电容器组，其包含二个储能电容、一个电子开关及二个二极管，该二个储能电容通过该电子开关串联连接，再连接于一直流总线的正极及负极之间，其中一个二极管的阳极连接至该电子开关与其中一储能电容的串联节点，而阴极则连接至该直流总线的正极；另一个二极管的阳极连接至该直流总线的负极，而阴极则连至该电子开关与另一储能电容的串联节点；
一全桥开关电路，连接于该直流总线的正极及负极之间，并包含二个并联的第一半桥开关电路及第二半桥开关电路，该第一半桥开关电路及第二半桥开关电路均由一上臂电子开关及一下臂电子开关串联组成，其中该第一及第二半桥开关电路的上臂及下臂电子开关串联节点是连接至一交流电源输出插口；及
一控制器，是连接该串/并联电容器组的该电子开关及该全桥开关电路的电子开关，控制该串/并联电容器组的该电子开关的启闭，令二个储存电容配合该二个二极管为等效并联或串联，提供两阶电压给该全桥开关电路，控制该全桥开关电路的电子开关再将该两阶电压转换成含五阶电压电平的输出电压。
换言之，该五阶式直流转交流电源电路包含有：
一串/并联电容器组，其包含二个储能电容、一电子开关及二个二极管，该二个储能电容再通过该电子开关串联连接，再连接于一直流总线的正极及负极之间，其中一个二极管的阳极是连接至该电子开关与其中一储能电容的串联节点，而阴极则连接至该直流总线的正极；另一个二极管的阳极是连接至该直流总线的负极，而阴极则连至该电子开关与另一储能电容的串联节点，该二个储能电容的两端亦各别连接至一电源电路，该电源电路连接一直流电源；一全桥开关电路，连接于该直流总线的正极及负极之间，并包含二个并联的第一半桥开关电路及第二半桥开关电路，该第一半桥开关电路及第二半桥开关电路均由两个电子开关串联组成，其中第一及第二半桥开关电路的电子开关串联节点连接至一交流电源输出插口；及
一控制器，是连接上述该串/并联电容器组及该全桥开关电路的电子开关，并于交流电源的各半周期内依序切换该串/并联电容器组及该全桥开关电路的电子开关，使该五阶式直流转交流电源电路于交流电源的各半周期在该交流电源输出插口产生含有三阶电压电平(含零电压电平)变化的电压。
上述本发明主要控制该串/并联电容器组的电子开关的启闭，令二个储存电容配合该两个二极管为等效并联或串联，提供两个电压电平，再依据正半周或负半周控制该全桥开关电路的第一及第二半桥开关电路的其中一对应电子开关开启导通，让交流电源输出插口交替输出正半周的三阶式电压电平(含零电压电平)及负半周的三阶式电位准位(含零电压电平)的交流电压；因此，本发明的控制器确实只要控制五个开关即能将直流电源转换为五阶式电压电平变化的交流电源后输出，不仅电路精简、成本低，且较容易达到储能电容电压均等的功效。
附图说明
图1：是本发明详细电路图。
图2A：是本发明滤波电路的一详细电路图。
图2B：是本发明滤波电路的另一详细电路图。
图3：是本发明时序波形图。
图4：是一现有技术的单相三阶式直流转交流电源电路的详细电路图。
图5：是另一现有技术的单相三阶式直流转交流电源电路的详细电路图。
图6：是五阶式直流转交流电源电路的详细电路图。
【主要元件符号说明】
1串/并联电容器组
10、11储能电容        12电子开关
13直流总线            131正极
132负极               14、15二极管
20全桥开关电路        21第一半桥开关电路
211上臂电子开关       212下臂电子开关
22第二半桥开关电路    221上臂电子开关
222下臂电子开关       23、23a滤波电路
24控制器              25交流电源输出插口
50、51储能电容        52直流总线
53、54半桥开关电路    55、56逆向二极管
57交流电源输出插口
60、61储能电容        62、63半桥开关电路
64储能电容
70、71储能电容        701第一直流总线
711第一直流总线
72、73全桥开关电路    74交流电源输出插口。
具体实施方式
首先请参阅图1所示，为本发明五阶式直流转交流电源电路的详细电路图，其包含有：
一串/并联电容器组1，其包含二个储能电容10、11、一电子开关12及二个二极管14、15，二个储能电容10、11，是通过一电子开关12串联连接，再连接于一直流总线13的正极131及负极132，该二个储能电容10、11的两端亦各别连接至一电源电路，该电源电路连接一直流电源，该电源电路供应电能给该二个储能电容10、11；于本实施例中，此二个储能电容10、11的电容值相同，而电子开关12为一IGBT或MOSFET等的电晶体元件；一个二极管14的阳极连接至该电子开关12与其中一储能电容11的串联节点，而阴极则连接至该直流总线的正极131；另一个二极管15的阳极连接至该直流总线的负极132，而阴极则连至该电子开关12与另一储能电容10的串联节点；
一全桥开关电路20，是连接于该直流总线13的正极131及负极132之间，并包含二个并联的第一半桥开关电路21及第二半桥开关电路22，该第一半桥开关电路21由两电子开关211、212串联组成，该第二半桥开关电路22由两电子开关221、222串联组成，其中第一及第二半桥开关电路21、22的两电子开关串联节点是可通过一滤波电路23连接至一交流电源输出插口25；请参阅图2A所示，该滤波电路23为一阶低通滤波器，亦可如图2B所示，该滤波电路23a亦可采用二阶低通滤波器；此外，各电子开关为IGBT或MOSFET等的电晶体元件，且各电晶体元件并联一附属二极管D1～D4；及
一控制器24，是连接该串/并联电容器组1的电子开关12的控制端Q5及第一与第二半桥开关电路21、22的电子开关211、212、221、222的控制端Q1～Q4，并于交流电源的各半周期内产生有三阶电压电平(含零电压电平)变化。
请配合参阅图3所示，为上述控制器24分别于正半周及负半周执行的时序图；以下谨进一步说明本发明输出一个完整交流电压VS周期的控制过程，假设二个储能电容10、11的电压均趋近于一直流电压Vds。
1.交流电源VS的正半周控制时序：
于交流电源VS正半周，本发明的全桥开关电路20应输出三阶电压电平变化的正电位电压波形(含零电压)；于交流电源VS正半周时，控制器24令该第一半桥开关电路21的下臂电子开关212及该第二半桥开关电路22的上臂电子开关221持续关闭。
当交流电源VS小于Vds时，令电子开关12持续关闭不导通，此时二个储能电容10、11因电子开关12不导通而不再串联，但却通过二个二极管14、15构成并联连接，而对全桥开关电路20提供一倍直流电压Vds。在此同时，控制器24输出高频脉宽调变信号(PWM)至该第一半桥开关电路21的上臂电子开关211，使该上臂电子开关211进行导通与截止，并令第二半桥开关电路22的下臂电子开关222持续导通，当上臂电子开关211导通时，该全桥开关电路20输出一倍正电位的直流电压+Vds；而当上臂电子开关211截止时，由于该滤波电路23含电感器，其电流将使该第一半桥开关电路的下臂电子开关212的二极管D2导通，使得该全桥开关电路20输出零电压。
当交流电源VS小于Vds时，亦可为另一种操作方式，该控制器24输出高频脉宽调变信号(PWM)至该第二半桥开关电路22的下臂电子开关222，使该下臂电子开关222进行导通与截止，并令第一半桥开关电路21的上臂电子开关211持续导通，当下臂电子开关222导通时，该全桥开关电路20输出一倍正电位的直流电压+Vds；而当下臂电子开关222截止时，由于该滤波电路23含电感器，其电流将使该上臂电子开关221的二极管D3导通，该全桥开关电路20将输出零电压。综合以上所述，当交流电源VS正半周且小于Vds时，该全桥开关电路20输出电压将于电压电平+Vds与零之间切换。
接着当交流电源VS大于Vds时，该控制器24输出一高频脉宽调变信号(PWM)控制该电子开关12，使该电子开关12进行导通与截止，控制器24并令该第一半桥开关电路21的上臂电子开关211及第该二半桥开关电路22的下臂电子开关222持续导通，当该电子开关12导通时，让二个储能电容10、11串联连接，以对全桥开关电路20提供两倍直流电压2Vds，该全桥开关电路20将输出一两倍正电位的直流电压+2Vds；而当该电子开关12截止时，该二个储能电容10、11经由该二个二极管14、15并联以对全桥开关电路20提供一倍直流电压Vds，而该全桥开关电路20将输出一倍正电位的直流电压+Vds。因此，当交流电源VS正半周且大于Vds时，该全桥开关电路20输出电压将于电压电平+2Vds与+Vds之间切换。
综合以上所述，当交流电源VS正半周时，该全桥开关电路20将随着交流电源VS的大小，输出含三阶电压电平(+2Vds、+Vds与0)变化的电压波形。
2.交流电源VS的负半周控制时序：
于交流电源VS负半周，本发明的全桥开关电路20应输出三阶电压电平变化(含零电压)的负电位电压波形；于交流电源VS负半周时，控制器24令该第一半桥开关电路21的上臂电子开关211及该第二半桥开关电路22的下臂电子开关222持续关闭。
当交流电源VS的絶对值小于Vds时，令电子开关12持续关闭不导通，此时二个储能电容10、11因电子开关12不导通而不再串联，但却通过二个二极管14、15构成并联连接，而对全桥开关电路20提供一倍直流电压Vds。在此同时，控制器24输出高频脉宽调变信号(PWM)至该第一半桥开关电路21的下臂电子开关212，使该下臂电子开关212进行导通与截止，并令第二半桥开关电路22的上臂电子开关221持续导通，当上臂电子开关212导通时，该全桥开关电路20输出一倍负电位的直流电压-Vds；而当下臂电子开关212截止时，由于该滤波电路23含电感器，其电流将使该上臂电子开关211的二极管D1导通，该全桥开关电路20将输出零电压。
当交流电源VS的絶对值小于Vds时，亦可为另一种操作方式，控制器24输出高频脉宽调变信号(PWM)至该第二半桥开关电路22的上臂电子开关221，使该电子开关221进行导通与截止，并令第一半桥开关电路21的下臂电子开关212持续导通，当电子开关221导通时，该全桥开关电路20输出一倍负电位的直流电压-Vds；而当上臂电子开关221截止时，由于该滤波电路23含电感器，其电流将使该下臂电子开关222的二极管D4导通，该全桥开关电路20将输出零电压。综合以上所述，当交流电源VS负半周且其絶对值小于Vds时，该全桥开关电路20输出电压将于电压电平-Vds与零之间切换。
接着当交流电源VS的絶对值大于Vds时，该控制器24输出一高频脉宽调变信号(PWM)控制该电子开关12，使该电子开关12进行导通与截止，控制器24并令该第一半桥开关电路21的下臂电子开关212及第该二半桥开关电路22的上臂电子开关221持续导通，当该电子开关12导通时，让二个储能电容10、11串联连接，以对全桥开关电路20提供两倍直流电压2Vds，而该全桥开关电路20将输出一两倍负电位的直流电压-2Vds；而当该电子开关12截止时，该二个储能电容10、11经由该二极管14及15并联而输出一倍直流电压Vds，而该全桥开关电路20将输出一倍负电位的直流电压-Vds。因此，当交流电源VS负半周且其絶对值大于Vds时，该全桥开关电路20输出电压将于电压电平-2Vds与-Vds之间切换。
综合以上所述，当交流电源VS负半周时，该全桥开关电路20将随着交流电源VS的大小，输出含三阶电压电平(-2Vds、-Vds与0)变化的电压波形。
综合以上正、负半周控制时序所述，本发明五阶式直流转交流电源电路主要控制该串/并联电容器组1的该电子开关12的启闭，令二个储存电容10、11配合二个二极管14、15为等效并联或串联，提供两阶电压给全桥开关电路20，而该全桥开关电路20再将其转换成含五阶电压(2Vds、Vds、0、-Vds与-2Vds)的输出电压，经适当控制，该全桥开关电路20输出的五阶电压经该滤波电路23可产生一弦波输出电流注入交流电源Vs。当二个储存电容10、11配合二个二极管14、15为等效并联供应该全桥开关电路20时，若二个储存电容10、11的电压不相等，则该二个储存电容10、11中仅有较高电压者将提供电能，而较低电压者则不提供电能，这将使得较高电压的储存电容的电压下降，使得二个储存电容10、11自动达成电压均等的效能，不须额外控制电路，相比于其它多阶直流转交流电源电路要控制其储存电容电压的均等，本发明五阶式直流转交流电源电路有其进步性，且相比于其它五阶直流转交流电源电路，本发明五阶式直流转交流电源电路只使用两个二极管及五个电子开关，可有效简化电力电路，降低制造成本，本发明的控制器确实只要控制五个开关即能将直流电源转换为五阶式电压电平变化的交流电源后输出，不仅电路精简成本低，整体的控制方法亦不复杂，且较容易达到均压的功效。

Claims (8)

1.一种五阶式直流转交流电源电路，包含有：
一串/并联电容器组，其包含二个储能电容、一个电子开关及二个二极管，该二个储能电容通过该电子开关串联连接，再连接于一直流总线的正极及负极之间，该二个储能电容中的其中一个储能电容连接在该直流总线的负极与该电子开关之间，另一个储能电容连接在该直流总线的正极与该电子开关之间，其中一个二极管的阳极连接至该电子开关与该其中一个储能电容的串联节点，而该其中一个二极管的阴极则连接至该直流总线的正极；另一个二极管的阳极连接至该直流总线的负极，而该另一个二极管的阴极则连至该电子开关与该另一个储能电容的串联节点；
一全桥开关电路，连接于该直流总线的正极及负极之间，并包含二个并联的第一半桥开关电路及第二半桥开关电路，该第一半桥开关电路及第二半桥开关电路均由一上臂电子开关及一下臂电子开关串联组成，其中该第一及第二半桥开关电路的上臂及下臂电子开关串联节点是连接至一交流电源输出插口；及
一控制器，是连接该串/并联电容器组的该电子开关及该全桥开关电路的电子开关，控制该串/并联电容器组的该电子开关的启闭，并且令二个储存电容配合该二个二极管为等效并联或串联，提供两阶电压给该全桥开关电路，控制该全桥开关电路的电子开关再将该两阶电压转换成含五阶电压电平的输出电压。
2.根据权利要求1所述的五阶式直流转交流电源电路，该第一及第二半桥开关电路的串联节点是通过一滤波电路连接至该交流电源输出插口。
3.根据权利要求2所述的五阶式直流转交流电源电路，该滤波电路为一阶低通滤波器。
4.根据权利要求2所述的五阶式直流转交流电源电路，该滤波电路为二阶低通滤波器。
5.根据权利要求1至4任一所述的五阶式直流转交流电源电路，各该电子开关为一IGBT或MOSFET的电晶体元件并联一附属二极管。
6.根据权利要求5所述的五阶式直流转交流电源电路，该二个储能电容的电容值相同，且每一个储能电容提供一倍直流电压。
7.根据权利要求6所述的五阶式直流转交流电源电路，当交流电源为正半周，该第一半桥开关电路的下臂电子开关及该第二半桥开关电路的上臂电子开关持续关闭，当交流电源小于一倍直流电压时，令该串/并联电容器组的该电子开关持续关闭不导通，该二个储能电容通过该二个二极管构成并联连接，而对全桥开关电路提供一倍直流电压，而该第一半桥开关电路的上臂电子开关及第二半桥开关电路的下臂电子开关中之一进行脉宽调变切换，而另一个则持续导通，该全桥开关电路的输出电压将于一倍直流电压及零电压间切换；接着当交流电源大于一倍直流电压时，该串/并联电容器组的该电子开关进行脉宽调变切换，而该第一半桥开关电路的上臂电子开关及第该二半桥开关电路的下臂电子开关持续导通，该全桥开关电路输出电压将于两倍直流电压与一倍直流电压之间切换。
8.根据权利要求7所述的五阶式直流转交流电源电路，当交流电源为负半周，该第一半桥开关电路的上臂电子开关及该第二半桥开关电路的下臂电子开关持续关闭，当交流电源的絶对值小于一倍直流电压时，令该串/并联电容器组的该电子开关持续关闭不导通，该二个储能电容通过该二个二极管构成并联连接，而对全桥开关电路提供一倍直流电压，而该第一半桥开关电路的下臂电子开关及第二半桥开关电路的上臂电子开关中之一进行脉宽调变切换，而另一个则持续导通，该全桥开关电路的输出电压将于负的一倍直流电压及零电压间切换；接着当交流电源的絶对值大于一倍直流电压时，该串/并联电容器组的该电子开关进行脉宽调变切换，而该第一半桥开关电路的下臂电子开关及第该二半桥开关电路的上臂电子开关持续导通，该全桥开关电路输出电压将于负的两倍直流电压与负的一倍直流电压之间切换。
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