CN103378760B - 简易多阶型直交流转换电路架构 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种简易多阶型直交流转换电路架构,是由双输入直流电源、一功率控制组与一交流侧低通滤波器所构成,其中,双输入直流电源各提供额定直流电压的一半予功率控制组,而功率控制组由六个功率开关组成,并通过控制各功率开关不同的导通或截止组合,以可将直流电压转换为交流电压输出,且功率控制组的其中两个功率开关于输出电压一周期内仅作两次的低频切换且耐压为输入电压大小,其余功率开关则以高频进行切换且耐压仅为输入电压大小的一半,以合成出多阶电压等级的输出形式,再经该交流侧低通滤波器即可输出具有低谐波的交流波形。本发明应用领域广泛,可在提高使用效率的同时降低成本。

Description

简易多阶型直交流转换电路架构
技术领域
本发明有关一种直交流转换电路,尤指一种具有六个功率开关的简易多阶型(Multilevel)直交流转换电路架构。
背景技术
如图15所示,常用的直交流转换电路,其具有八个功率开关Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4,并通过控制各功率开关不同的导通或截止组合,以可达到将直流电压转换为交流电压输出的功效。
上述常用的直交流转换电路由于是采用八个功率开关Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4,因此不但构件数量多,且由于每一功率开关皆须具有可承受等同于输入电压大小的耐压值,而会造成其构件成本无法有效降低;再者,常用的直交流转换电路在进行直交流转换过程中,所有功率开关皆以高频方式进行切换动作,因此将导致其切换损失较高,以及功率开关容易损坏的问题产生。
发明内容
本发明目的之一,在于解决上述问题而提供一种简易多阶型直交流转换电路架构,其可应用于马达驱动、替代性能源发电系统、不断电系统、音频放大器等高品质单相或三相交流电气应用领域上,且仅需使用六个功率开关,以此即可有效降低构件成本,且其中两个功率开关是以低频(60Hz)切换,可大幅降低功率开关导通及切换时的损失,而达到在提高整体效率的情况下将直流电压转换为交流电压输出的功效。
本发明目的之二,在于提供一种简易多阶型直交流转换电路架构,其通过双输入直流电源各提供额定直流电压的一半予功率控制组,以可有效降低功率开关上的电压与电流应力,并进而即可采用耐压值较低的功率开关以达到降低成本的功效。
本发明目的之三,在于提供一种简易多阶型直交流转换电路架构,其以多阶合成控制方式而具有可减小输出波形的谐波失真量以达高品质输出的功效,以及具有可模组化的特性而更能够提升转换器的功率密度及可靠度的功效。
为达前述的目的,本发明采用以下技术方案:
一种简易多阶型直交流转换电路架构,其由双输入直流电源、一功率控制组与一交流侧低通滤波器所构成,其中,该双输入直流电源各提供额定直流电压的一半予功率控制组,而该功率控制组是由六个功率开关组成,并通过控制该各功率开关不同的导通或截止组合,以可将直流电压转换为交流电压输出,且该功率控制组的其中两个功率开关于输出电压一周期内仅作两次的低频切换,其余功率开关则以高频的频率进行切换,以合成出多阶电压等级的输出形式,再经该交流侧低通滤波器即可输出具有低谐波的交流波形,且于直交流转换过程中,由双输入直流电源所输入的功率最多仅通过三个功率开关。
进一步地:
所述输出电压的一周期为60Hz。
所述功率控制组具有8种开关组态而可合成出五阶电压等级。
还可通过模组化串接多组简易多阶型直交流转换电路架构以达成更多阶的电压等级输出形式,而构成(4n+1)阶输出电压,n为所串接的电路架构总数量。
还可以模组化并接三组简易多阶型直交流转换电路架构而运用至三相Y接电路上。
还可以模组化并接三组简易多阶型直交流转换电路架构而运用至三相△接电路上。
本发明的有益之处在于:
1)可应用于马达驱动、替代性能源发电系统、不断电系统、音频放大器等高品质单相或三相交流电气应用领域上,且仅需使用六个功率开关,以此即可有效降低构件成本,且其中两个功率开关是以低频(60Hz)切换,可大幅降低功率开关导通及切换时的损失,而达到在提高整体效率的情况下将直流电压转换为交流电压输出的功效;
2)通过双输入直流电源各提供额定直流电压的一半予功率控制组,以可有效降低功率开关上的电压与电流应力,并进而即可采用耐压值较低的功率开关以达到降低成本的功效;
3)以多阶合成控制方式而具有可减小输出波形的谐波失真量以达高品质输出的功效,以及具有可模组化的特性而更能够提升转换器的功率密度及可靠度的功效。
附图说明
图1是本发明的电路架构示意图。
图2是本发明处于开关组态1时的电路示意图。
图3是本发明处于开关组态2时的电路示意图。
图4是本发明处于开关组态3时的电路示意图。
图5是本发明处于开关组态4时的电路示意图。
图6是本发明处于开关组态5时的电路示意图。
图7是本发明处于开关组态6时的电路示意图。
图8是本发明处于开关组态7时的电路示意图。
图9是本发明处于开关组态8时的电路示意图。
图10a、10b是本发明的开关驱动波形图,其中C1及C3分别由高频的脉冲波形构成。
图11a、11b是本发明的开关跨压波形图,其中C1及C3分别由高频的脉冲波形构成。
图12是本发明的输出波形图,其中C1由高频的脉冲波形构成。
图13是本发明另一实施例的电路架构示意图。
图14是本发明运用至三相Y接电路上的电路架构示意图。
图15是常用直交流转换电路的架构示意图。
具体实施方式
首先,请参阅图1,是本发明所提供的一种简易多阶型直交流转换电路架构1,其主要是由双输入直流电源10、一功率控制组20与一交流侧低通滤波器30所构成,其中,该双输入直流电源10各提供额定直流电压的一半予功率控制组20,而该功率控制组20是由六个功率开关Sa1、Sa2、Sa3、Sb1、Sb2、Sb3组成,并通过控制该各功率开关Sa1、Sa2、Sa3、Sb1、Sb2、Sb3不同的导通或截止组合,以可将直流电压转换为交流电压输出,且该功率控制组20的其中两个功率开关Sa2、Sb2于输出电压一周期(60Hz)内仅作两次的低频切换,其余功率开关Sa1、Sa3、Sb1、Sb3则以高频的频率进行切换,再经该交流侧低通滤波器30,使AB端电压VAB可利用该各功率开关Sa1、Sa2、Sa3、Sb1、Sb2、Sb3不同的导通或截止组合,合成出多阶电压等级的输出形式,以达到输出低谐波的高品质交流波形。
且通过该双输入直流电源10各提供额定直流电压的一半予该功率控制组20,而使功率开关Sa2、Sb2的耐压值须等同为输入电压VS,而其余功率开关Sa1、Sa3、Sb1、Sb3的耐压值仅需为输入电压VS的一半;以此即可有效降低功率开关上的电压与电流应力,而可采用耐压值较低的功率开关以达到降低构件成本的功效。
而本发明扣除不可操作的工作状态,该功率控制组20的开关组态共有以下8种组合可供运用。
且在直交流转换过程中,该功率控制组20控制由双输入直流电源10所输入的功率最多仅通过三个功率开关。
而上述8种开关组态所构成的电路型态则分别如图2~图9所示,其中:
开关组态1的电路示意图如图2所示,由于开关Sa1、Sa2、Sa3导通,因此AB端输出电压VAB为零,电感电流呈现放电状态。
开关组态2的电路示意图如图3所示,由于开关Sa2、Sa3、Sb1导通,因此AB端提供正输出电压VAB为VS/2。
开关组态3的电路示意图如图4所示,由于开关Sa2、Sb1、Sb3导通,因此AB端提供正输出电压VAB为VS
开关组态4的电路示意图如图5所示,由于开关Sa1、Sa2、Sb3导通,因此AB端提供正输出电压VAB为VS/2。
开关组态5的电路示意图如图6所示,由于开关Sb1、Sb2、Sb3导通,因此AB端输出电压VAB为零,电感电流呈现放电状态。
开关组态6的电路示意图如图7所示,由于开关Sa1、Sb2、Sb3导通,因此AB端提供负输出电压VAB为-VS/2。
开关组态7的电路示意图如图8所示,由于开关Sa1、Sa3、Sb2导通,因此AB端提供负输出电压VAB为-VS
而开关组态8的电路示意图如图9所示,由于开关Sa3、Sb1、Sb2导通,因此AB端提供负输出电压VAB为-VS/2。
并通过各开关组态的切换即可合成出五阶电压等级的交流波形的输出形式(如图12所示)。
以下是对由本发明所构成的电路架构进行实测,其实测条件如下:
额定输出功率:Po=200W
输入电压:Vs=200V
输出电压:Vo=110VRMS
输出频率:fo=60Hz
三角载波频率:fs=40kHz
交流侧滤波电感:Lo=1mH
交流侧滤波电容:Co=4.7uF
本发明的电路架构搭配上述数据所进行的量测结果,如图10a、10b的开关驱动波形图所示,六个功率开关中的Sa2及Sb2,于输出电压一周期(60Hz)内仅作两次切换,因此可达到有效降低功率开关于一周期(60Hz)内的切换损失的功效,而其余四个开关Sa1、Sa3、Sb1、Sb3以高频的频率作切换。
而当两输入直流电压Vdc皆为100V时,如图11a、11b的开关跨压波形图所示,功率开关Sa1、Sa3、Sb1及Sb3的最大跨压为100V,其余两个功率开关Sa2及Sb2的跨压则为200V。接着由图12的输出波形图可证实本发明电路架构的AB端电压确实为五阶电压等级,输出电压为110Vrms,而输出电压总谐波则可低于3%。
然于此必须特别提出说明的是,虽然上述实施例均以使用一个由本发明所构成的电路架构为例,但是本领域技术人员应可理解,本发明并不以此为限,如图13所示,为本发明另一实施例的简易多阶型直交流转换电路架构的示意图,其可通过模组化串接多组本发明的简易多阶型直交流转换电路架构1达成更多阶的电压等级输出形式,而可以本发明的简易多阶型直交流转换电路架构1为基础拓展衍生至(4n+1)阶输出电压,n为所串接的电路架构总数量(正整数)。
而串接多组本发明的简易多阶型直交流转换电路架构1除可产生更多阶的电压等级输出形式以增加输出电压之外,还可以此以多组小电压输入而合成大电压输出的形式,而达到可有效延长本发明电路架构1中各功率元件使用寿命的功效。
当然本发明除上述的运用架构外,也可如图14所示,利用模组化并接三组简易多阶型直交流转换电路以可运用至三相Y接电路上;同理,也可运用至三相△接电路上。此外,本发明的电路架构具有双向潮流能力,还可应用于再生能源并联市电系统,以及应用于市电直接对电池充电系统上。
综上说明后可知,本发明的简易多阶型直交流转换电路架构相较于传统电路架构,本发明仅需使用六个功率开关,且其中两个功率开关Sa2、Sb2为低频(60Hz)切换,而可有效降低各功率开关的切换损失,并进而使每个功率开关Sa1、Sa2、Sa3、Sb1、Sb2、Sb3上的电压与电流应力皆能得到降低。
再者,本发明的电路架构是辅以多阶合成调变控制而可减小输出波形的谐波失真量以达高品质输出,且利用模组化特性还能够提升转换器的功率密度及可靠度;同时,在转换器运作时的能量转换过程中,功率最多仅通过三个功率开关,导通损失可效降低。
另基于本发明的电路架构,功率开关元件数目得以减少而降低构件成本,而可在提高整体效率的情况下将直流电压转换为交流电压输出。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理,对于本领域的技术人员来说,在不背离本发明的精神和范围的情况下,任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变,均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种简易多阶型直交流转换电路架构,主要由双输入直流电源、一功率控制组与一交流侧低通滤波器所构成,其特征在于:
该双输入直流电源各提供额定直流电压的一半予该功率控制组,而该功率控制组由六个功率开关Sa1、Sa2、Sa3、Sb1、Sb2、Sb3组成,并通过控制该各功率开关不同的导通或截止组合,以将直流电压转换为交流电压输出,且该功率控制组的其中两个功率开关于输出电压一周期内仅作两次的低频切换,其余功率开关则以高频的频率进行切换,以合成出多阶电压等级的输出形式,再经该交流侧低通滤波器即可输出具有低谐波的交流波形,且于直交流转换过程中,由双输入直流电源所输入的功率最多仅通过三个功率开关;
其中,功率开关Sa1、Sa2、Sa3连接于第一线路上,功率开关Sb1、Sb2、Sb3连接于第二线路上,其中一输入直流电源的正极连接于该第二线路上功率开关Sb1、Sb2之间,其负极连接于该第一线路上功率开关Sa1、Sa2之间,另一输入直流电源的正极连接于该第一线路上功率开关Sa2、Sa3之间,其负极连接于该第二线路上功率开关Sb2、Sb3之间。
2.依权利要求1所述的简易多阶型直交流转换电路架构,其特征在于:所述输出电压的一周期为60Hz。
3.依权利要求1所述的简易多阶型直交流转换电路架构,其特征在于:所述功率控制组具有8种开关组态而可合成出五阶电压等级。
4.依权利要求1所述的简易多阶型直交流转换电路架构,其特征在于:还可通过模组化串接多组简易多阶型直交流转换电路架构以达成更多阶的电压等级输出形式,而构成(4n+1)阶输出电压,n为所串接的电路架构总数量。
5.依权利要求1所述的简易多阶型直交流转换电路架构,其特征在于:还可以模组化并接三组简易多阶型直交流转换电路架构而运用至三相Y接电路上。
6.依权利要求1所述的简易多阶型直交流转换电路架构,其特征在于:还可以模组化并接三组简易多阶型直交流转换电路架构而运用至三相△接电路上。
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