CN103312185B - 电源转换装置 - Google Patents

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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters

Abstract

一种电源转换装置，包括：初级电路，与交流电源连接，并具有一初级绕组；多个次级电路，分别与初级电路耦合，且各次级电路分别具有次级绕组及至少一个输出相位的电源模块。各电源模块分别包括：整流单元，与次级绕组连接，并具有三个支路；滤波单元，与整流单元并联连接；逆变器，与滤波单元连接。其中各滤波单元分别包括：第一电容器；第二电容器，与第一电容器串联连接；中性点，位于第一电容器及第二电容器之间，并与各次级绕组电性连接，三个支路中的第一支路具有两个串联连接的开关组件，三个支路中的第二支路具有两个串联连接的整流组件，从而实现能够简化电路的设计，并同时提高可靠度。

Description

电源转换装置
技术领域
本发明关于一种电源转换装置，具体涉及一种电源转换装置。
背景技术
近年来，电力电子技术得到了快速的发展，并已广泛的应用到电力、化工及通讯等领域。其中就电力相关领域而言，其可区别为三相电力系统与单相电力系统，且大部分的工业设施皆采用三相电力系统。
如图1A所示例如美国专利第6301130号公报揭示的已知的三相电源转换装置的示意图。电源转换装置1与一负载M搭配运用，并具有一初级电路11及多个次级电路12。其中初级电路11具有一初级绕组W1，而次级电路12分别与初级电路11耦合，且各次级电路12分别具有一次级绕组W2及一电源模块121。
再如图1B所示，其为美国专利第6301130号公报揭示的已知的电源模块的示意图。电源模块121具有以多个主动式的开关组件SW所构成的整流单元Rec。虽然，已知的电源模块121不需额外设置相位平移的辅助电路即可调整电流成为正弦波或几乎为正弦波，但是由于电源模块121采用了大量的开关组件SW，因而将使得电源模块121的电路结构较为复杂，进而降低电源模块121及电源转换装置1的可靠度。
因此，如何提供一种电源模块及电源转换装置，使其能够简化电路的设计，并同时提高可靠度，已成为重要课题。
发明内容
本发明的目的为提供一种能够简化电路的设计，并同时提高可靠度的电源模块及电源转换装置。
为实现上述发明目的，本发明提供一种电源模块，电源模块与一电源电性连接。电源模块包括一整流单元、一滤波单元及一逆变器。整流单元具有三个支路。滤波单元与整流单元连接。逆变器与滤波单元连接。三个支路其中的第一支路具有两个开关组件，且开关组件串联连接，三个支路其中的第二支路具有两个整流组件，且整流组件串联连接。
在本发明的第一实施例中，三个支路中的第三支路具有两个整流组件，且整流组件相互串联。
在本发明的第一实施例中，滤波单元包括一第一电容器、一第二电容器及一中性点。第二电容器与第一电容器串联连接。中性点位于第一电容器及第二电容器之间，并与电源电性连接。
本发明还提供一种电源模块，电源模块与一电源电性连接。电源模块包括一整流单元、一滤波单元及一逆变器。整流单元具有三个支路。滤波单元与整流单元连接。逆变器与滤波单元连接。整流单元、滤波单元及逆变器依序连接。三个支路中的第一支路具有两个开关组件，且开关组件串联连接。三个支路中的第二支路具有两个整流组件，且整流组件串联连接。
在本发明的第三实施例中，三个支路中的第三支路具有两个开关组件，且开关组件相互串联。
在本发明的第三实施例中，滤波单元具有一电容器，且电容器与三个支路并联连接。
本发明还提供一种电源转换装置，包括一初级电路及多个次级电路。初级电路与一交流电源连接，并具有一初级绕组。次级电路分别与初级电路耦合，且各次级电路分别具有一次级绕组及至少一个输出相位的一电源模块。电源模块包括一整流单元、一滤波单元及一逆变器。整流单元与次级绕组连接，并具有三个支路。滤波单元与整流单元并联连接。逆变器与滤波单元连接。三个支路中的第一支路具有两个开关组件，且开关组件串联连接。三个支路其中的第二支路具有两个整流组件，且整流组件串联连接。
在本发明的第二实施例中，三个支路中的第三支路具有串联连接的两个整流组件。
在本发明的第二实施例中，对应不同输出相位的各电源模块的整流单元，第一支路的设置位置不同。
在本发明的第二实施例中，对应相同输出相位的各电源模块的整流单元，第一支路的设置位置相同。
在本发明的第二实施例中，滤波单元包括一第一电容器、一第二电容器及一中性点。第二电容器与第一电容器串联连接。中性点位于第一电容器及第二电容器之间，并与次级绕组电性连接。
在本发明的第四实施例中，三个支路中的第三支路具有串联连接的两个开关组件。
在本发明的第四实施例中，对应不同输出相位的各电源模块的整流单元，第二支路的设置位置不同。
在本发明的第四实施例中，对应相同输出相位的各电源模块的整流单元，第二支路的设置位置相同。
在本发明的第四实施例中，滤波单元具有一电容器，且电容器与三个支路并联连接。
承上所述，因依据本发明的一种电源模块及电源转换装置是通过整流单元中的三个支路其中的第一支路具有两个开关组件，且三个支路其中的第二支路具有两个整流组件，从而实现能够简化电路的设计，并同时提高可靠度。
附图说明
图1A为已知的电源转换装置的示意图；
图1B为已知的电源模块的示意图；
图2A为依据本发明第一实施例的一种电源模块的示意图；
图2B及图2C为依据本发明第一实施例的电源模块的变化态样的示意图；
图3为依据本发明第二实施例的一种电源转换装置的示意图；
图4A为依据本发明第三实施例的另一种电源模块的示意图；
图4B及图4C为依据本发明第三实施例的电源模块的变化态样的示意图；以及
图5为依据本发明第四实施例的另一种电源转换装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1、3、5：电源转换装置
11、31、51：初级电路
121、2A、2A1、2A2、2B、2B1、2B2、2C、2C1、2C2、4A、4A1、4A2、4B、4B1、4B2、4C、4C1、4C2：电源模块
211、212、213、411、412、413：支路
21A、21B、21C、41A、41B、41C、Rec：整流单元
22、42：滤波单元
221：第一电容器
222：第二电容器
23、43：逆变器
321、521：第一次级电路
322、522：第二次级电路
323、523：第三次级电路.
324、524：第四次级电路
325、525：第五次级电路
326、526：第六次级电路
421：电容器
D1～D6：整流组件
M：负载
N：中性点
P：电源
SW1～SW10：开关组件
W：绕组
W1：初级绕组
W21～W26：次级绕组
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明优选实施例的一种电源模块及电源转换装置，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。
首先，请参照图2A，其为依据本发明第一实施例的一种电源模块2A。电源模块2A与一电源P电性连接，并接收电源P所输出的电源讯号，经电源转换后以提供至一负载(图未显示)，且负载例如是一马达。其中，电源P可为一交流电源。此外，在本实施例中，电源P具有一绕组W，且其为Y形-曲折连接(Y-zigzag connection)。
电源模块2A包括一整流单元21A、一滤波单元22及一逆变器23。整流单元21A具有三个支路211、212与213，且各支路211、212与213相互并联连接，并分别与电源P电性连接。
在本实施例中，支路211具有两个开关组件SW1与SW2，且前述的开关组件SW1与SW2为串联连接。支路212具有两个整流组件D3与D4，且前述的整流组件D3与D4为串联连接。此外，支路213具有两个整流组件D5与D6，且支路213的整流组件D5与D6相互串联。其中，在实施上，支路212及支路213的整流组件D3、D4、D5与D6分别为一无源组件，例如是二极管，而支路211的开关组件SW1与SW2则分别为一有源的半导体开关组件，例如是绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)。
滤波单元22与整流单元21A并联连接，并具有一第一电容器221、一第二电容器222与一中性点N。第二电容器222与第一电容器221串联连接，且中性点N是位于第一电容器221与第二电容器222之间，并与电源P电性连接。在本实施例中，第一电容器221与第二电容器222其作为直流链电容(dc link capacitor)使用。
逆变器23与滤波单元22并联连接，且具有四个开关组件SW7、SW8、SW9与SW10。逆变器23接收滤波单元22所输出的直流或近乎直流的电源讯号，再通过转换后输出交流的电源讯号至负载。
当负载(马达)操作于一般的运转模式时，电源模块2A将透过由整流组件D3与D4所构成的支路212与由整流组件D5与D6所构成的支路213，将电源P所输出的电源讯号进行整流，再通过滤波单元22与逆变器23进行后续的电源转换，而输出交流的电源讯号至负载。于此同时，由开关组件SW1与SW2所构成的支路211将处于停止运作的状态。
当负载(马达)停止运转而产生一组反电动势(back EMF)时，由开关组件SW1与SW2所构成的支路211将进行运作，以提供一电流路径使得反电动势回到电力输送网络，从而避免第一电容器221与第二电容器222的电压超过其额定值。于此同时，支路212与支路213将处于停止运作的状态。
通过上述的硬件架构，电源模块2A的整流单元21A仅使用两个开关组件SW1与SW2，不但明显简化整体的电路设计，而提高可靠度，且电源模块2A同时具有电源回收，消减马达的反电动势的功效。
接着，请参照图2B及图2C，举例说明电源模块的其它架构。如图2B所示，电源模块2B包括一整流单元21B、一滤波单元22及一逆变器23。整流单元21B的支路211具有串联连接的整流组件D1与D2，支路212具有串联连接的开关组件SW3与SW4，而支路213具有串联连接的整流组件D5与D6。其中，电源模块2B与电源模块2A的区别在于，整流单元21B的支路212为通过两个开关组件所组成的支路，而与整流单元21A中通过两个开关组件所构成的支路为支路211有所不同。简单而言，整流单元21A的支路211是对应电源的第一输出相位，而整流单元21B是以其支路212对应电源的第二输出相位。
再如图2C所示，电源模块2C包括一整流单元21C、一滤波单元22及一逆变器23。整流单元21C的支路211具有串联连接的整流组件D1与D2，支路212具有串联连接的整流组件D3与D4，而支路213具有串联连接的开关组件SW5与SW6。电源模块2C与电源模块2A的区别在于，电源模块2C的整流单元21C是以其支路213对应于电源的第三输出相位。
请参照图3并搭配图2A至图2C，以说明依据本发明第二实施例的一种电源转换装置3。电源转换装置3与一负载M搭配运用，并提供负载M所需的操作电压。其中，前述的负载M为一马达。电源转换装置3包括一初级电路31、第一次级电路321、第二次级电路322、第三次级电路323、第四次级电路324、第五次级电路325及第六次级电路326。
初级电路31与一交流电源P连接连接，并具有一初级绕组W1。在本实施例中，交流电源P为一多相交流电源，例如是三相交流电源。第一次级电路321至第六次级电路326与初级电路31耦合，且第一次级电路321至第六次级电路326分别具有一次级绕组W21、W22、W23、W24、W25与W26及至少一个输出相位的一电源模块2A1、2B1、2C1、2A2、2B2与2C2。
在本实施例中，第一次级电路321的电源模块2A1及第四次级电路324的电源模块2A2的组成如同图2A所示的电源模块2A，而第二次级电路322的电源模块2B1及第五次级电路325的电源模块2B2的组成如同图2B所示的电源模块2B，且第三次级电路323的电源模块2C1及第六次级电路326的电源模块2C2的组成如同图2C所示的电源模块2C。
就电源模块2A1而言，由于其与电源模块2A2对应相同的输出相位，因而电源模块2A1与2A2中具有两个整流组件的支路的设置位置为相同，且具有两个开关组件的支路的设置位置亦相同，另外，由于电源模块2A1所对应的输出相位与电源模块2B1、2B2、2C1与2C2不同，因而电源模块2A1中具有两个开关组件的支路的设置位置与电源模块2B1、2B2、2C1与2C2不同。
需特别注意的是，电源模块2A2、2B1、2B2、2C1与2C2也具有相同的特性。换句话说，次级电路中对应相同输出相位的电源模块，其整流单元中的三个支路是具有相同的设置关系，而次级电路中对应不同输出相位的电源模块，其整流单元中的三个支路是具有不同的设置关系。
第一次级电路321的电源模块2A1的一输出端分别与第二次级电路322的电源模块2B1及第三次级电路323的电源模块2C1的一输出端电性连接。第一次级电路321的电源模块2A1的另一输出端与第四次级电路324的电源模块2A2的一输出端电性连接。第二次级电路322的电源模块2B1与第三次级电路323的电源模块2C1的另一输出端则分别电性连接第五次级电路325的电源模块2B2与第六次级电路326的电源模块2C2的一输出端。此外，第四次级电路324的电源模块2A2、第五次级电路325的电源模块2B2及第六次级电路326的电源模块2C2的另一输出端则与负载M电性连接。
电源模块2A1与2A2的整流单元21A的支路211是具有有源的开关组件SW1与SW2，且整流单元21A以其支路211对应一输出相位，电源模块2B1与2B2的整流单元21B的支路212是具有有源的开关组件SW3与SW4，且整流单元21B以其支路212对应另一个输出相位，而电源模块2C1与2C2的整流单元21C的支路213是具有有源的开关组件SW5与SW6，且整流单元21C以其支路213对应又一输出相位。因而透过将第一次级电路321至第六次级电路326的电源模块2A1～2C2中具有两个开关组件的支路211、212与213依序对应每一输出相位进行设置，将得以确保三相电流平衡，亦即三相电源的各相电压皆为对称。
接着，请参照图4A，其为依据本发明第三实施例的另一种电源模块4A。电源模块4A包括一整流单元41A、一滤波单元42及一逆变器43。整流单元41A具有三个支路411、412与413，且支路411、412与413是相互并联连接。
在本实施例中，支路411具有两个开关组件SW1与SW2，且前述的开关组件SW1与SW2为串联连接。支路412具有两个开关组件SW3与SW4，且前述的开关组件SW3与SW4为串联连接。此外，支路413具有两个整流组件D5与D6，且整流组件D5与D6相互串联。在实施上，整流组件D5与D6分别为一无源组件，例如是二极管，而开关组件SW1、SW2、SW3与SW4则分别为一有源的半导体开关组件，例如是绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)。
滤波单元42与整流单元41A并联连接，并具有一电容器421。电容器421与三个支路411、412与413并联连接，并作为直流链电容使用。逆变器43与滤波单元42连接，且具有四个开关组件SW7、SW8、SW9与SW10。逆变器43接收滤波单元42所输出的直流或近乎直流的电源讯号，再通过转换后输出交流的电源讯号至负载。整流单元41A、滤波单元42及逆变器43为依序连接。
电源模块4A与电源模块2A相较，区别在于电源模块4A的整流单元41A的支路411与412皆由两个开关组件所组成，而仅有支路413是由两个整流组件D5与D6所构成，且滤波单元42仅具有一电容器421，而不需设置中性点。
当负载(马达)操作于一般的运转模式时，电源模块4A的支路411的开关单元SW1与SW2与支路412的开关单元SW3与SW4将处于停止运作的状态，而整流动作将透过一三相输入二极管整流器所执行。
当负载(马达)停止运转时，支路413将处于停止运作的状态，并由支路411与支路412提供电流路径，以引导反电动势回到电力输送网络，并避免电容器421的电压超过其额定值。
接着，请参照图4B及图4C，举例说明电源模块的其它架构。如图4B所示，电源模块4B包括一整流单元41B、一滤波单元42及一逆变器43。整流单元41B的支路411具有串联连接的整流组件D1与D2，支路412具有串联连接的开关组件SW3与SW4，而支路413具有串联连接的开关组件SW5与SW6。其中，电源模块4B与电源模块4A的区别在于，在整流单元41B中，具有两个整流组件D1与D2的支路是支路411，而在整流单元41A中，具有两个整流组件D5与D6的支路是支路413。
此外，如图4C所示，电源模块4C包括一整流单元41C、一滤波单元42及一逆变器43。整流单元41C的支路411具有串联连接的开关组件SW1与SW2，支路412具有串联连接的整流组件D3与D4，而支路413具有串联连接的开关组件SW5与SW6。电源模块4C与电源模块4A的区别在于，在整流单元41C中，具有两个整流组件D3与D4的支路是支路412，而在整流单元41A中，具有两个整流组件D5与D6的支路是支路413。
接着，请参照图5并搭配图4A至图4C，以说明依据本发明第四实施例的一种电源转换装置5。电源转换装置5与一负载M搭配运用，并提供负载M所需的操作电压。其中，前述的负载M为一马达。电源转换装置5包括一初级电路51、第一次级电路521、第二次级电路522、第三次级电路523、第四次级电路524、第五次级电路525与第六次级电路526。
初级电路51与一交流电源连接P连接，并具有一初级绕组W1。在本实施例中，多相交流电源AC为一个三相交流电源。第一次级电路521至第六次级电路526与初级电路51耦合，且第一次级电路521至第六次级电路526分别具有一次级绕组W21、W22、W23、W24、W25与W26及一电源模块4A1、4B1、4C1、4A2、4B2与4C2。
在本实施例中，第一次级电路521的电源模块4A1及第四次级电路524的电源模块4A2的组成如同图4A所示的电源模块4A，而第二次级电路522的电源模块4B1及第五次级电路525的电源模块4B2的组成如同图4B所示的电源模块4B，且第三次级电路523的电源模块4C1及第六次级电路526的电源模块4C2的组成如同图4C所示的电源模块4C。
第一至第六次级电路521～526中对应相同输出相位的电源模块，例如是电源模块4A1与电源模块4A2，两者的整流单元中的三个支路是具有相同的设置关系，而第一至第六次级电路521～526中对应不同输出相位的电源模块，例如是电源模块4A1与电源模块4B1、4B2、4C1与4C2，电源模块4A1的整流单元中的三个支路与电源模块4B1、4B2、4C1与4C2的整流单元具有不同的设置关系。
由于在负载M产生反电动势时，各电源模块4A1、4B1、4C1、4A2、4B2与4C2的输入电流将为一单相电流，因而透过调整由整流组件所构成的支路的设置位置，将可达成三相电流的平衡。
综上所述，因依据本发明的一种电源模块及电源转换装置是通过整流单元中的三个支路其中的第一支路具有两个开关组件，且三个支路其中的第二支路具有两个整流组件，从而实现能够简化电路的设计，并同时提高可靠度。
以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种电源转换装置，其特征在于，包括：
一初级电路，与一交流电源连接，并具有一初级绕组；以及
多个次级电路，分别与所述初级电路耦合，且各所述次级电路分别具有一次级绕组及至少一个输出相位的一电源模块，各所述电源模块分别包括：
一整流单元，与所述次级绕组连接，并具有三个支路；
一滤波单元，与所述整流单元并联连接；及
一逆变器，与所述滤波单元连接，
其中各所述滤波单元分别包括：
一第一电容器；
一第二电容器，与所述第一电容器串联连接；以及
一中性点，位于所述第一电容器及所述第二电容器之间，并与各所述次级绕组电性连接，
其中所述的三个支路中的第一支路具有两个串联连接的开关组件，所述的三个支路中的第二支路具有两个串联连接的整流组件。
2.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述的三个支路中的第三支路具有串联连接的两个整流组件。
3.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，在对应不同输出相位的各所述电源模块的所述整流单元中，所述第一支路的设置位置不同。
4.根据权利要求2所述的电源转换装置，其特征在于，在对应相同输出相位的各所述电源模块的所述整流单元中，所述第一支路的设置位置相同。
5.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述的三个支路中的第三支路具有串联连接的两个开关组件。
6.根据权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，在对应不同输出相位的各所述电源模块的所述整流单元中，所述第二支路的设置位置不同。
7.根据权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，在对应相同输出相位的各所述电源模块的所述整流单元中，所述第二支路的设置位置相同。
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