CN117639519A - 双向交流功率转换装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种双向交流功率转换装置，用于输入或输出第一交流电能，所述双向交流功率转换装置包含数字控制模块以及功率转换模块。数字控制模块用以产生控制信号。功率转换模块依据控制信号设定输入或输出的第一交流电能。其中当数字控制模块判断第一交流电能的实时电压信号为异常时，控制信号指示功率转换模块切换提供接地电压。

Description

双向交流功率转换装置

技术领域

本申请是关于一种双向交流功率转换装置，特别是关于一种随时切离待测组件的双向交流功率转换装置。

背景技术

传统上，在使用交流功率转换装置对待测组件抽载电流时，如果需要将待测组件切离(中断电性连接)交流功率转换装置，需要先归零交流功率转换装置的抽载电流，才能安全地将待测组件切离交流功率转换装置。如果待测组件无预警切离交流功率转换装置，往往会让交流功率转换装置触发保护机制而无法快速恢复工作。于一个例子中，如果待测组件无预警切离交流功率转换装置的输出端，由于交流功率转换装置无法立刻判断出待测组件已经切离输出端，交流功率转换装置仍会对已经形成开路的输出端持续拉载电流。此时，交流功率转换装置的输出端可能承受异常高电压，为了避免交流功率转换装置遭到破坏，从而传统的交流功率转换装置都会直接触发保护机制。

传统的交流功率转换装置触发保护机制之后，虽然输出端与待测组件之间的电流路径可以快速断开，但在所述电流路径中的残余电能却缺少快速释放的机制。一般来说，传统的交流功率转换装置只能等待相当长的时间，由电路内部自行消耗掉残余电能。实务上，纵使待测组件已经再次连接输出端，所述残余电能被消耗完之前，传统的交流功率转换装置还是没有办法恢复对待测组件抽载电流的工作。据此，业界需要一种新的交流功率转换装置，在待测组件切离时能够快速释放残余电能，从而当待测组件再次连接输出端时，能够快速恢复对待测组件抽载电流的工作，增加能够随时调整待测组件的弹性。

发明内容

本申请所要解决的技术问题在于提供一种双向交流功率转换装置，当待测组件无预警切离双向交流功率转换装置的输出端，双向交流功率转换装置除了可以立即侦测切离事件之外，还可以快速释放残余在电流路径中的电能。

本申请提出一种双向交流功率转换装置，用于输入或输出第一交流电能，所述双向交流功率转换装置包含数字控制模块以及功率转换模块。数字控制模块用以产生控制信号。功率转换模块依据控制信号设定输入或输出的第一交流电能。其中当数字控制模块判断第一交流电能的实时电压信号为异常时，控制信号指示功率转换模块切换提供接地电压。

于一些实施例中，当数字控制模块判断实时电压信号为异常时，数字控制模块更可以侦测功率转换模块接收到的残余电流，以设定对应残余电流的控制信号。在此，功率转换模块的输出端接收残余电流，当残余电流大于电流默认值，控制信号可以指示功率转换模块维持提供接地电压。当残余电流不大于电流默认值，控制信号可以指示功率转换模块停止提供接地电压，并将功率转换模块的占空比为零。

于一些实施例中，数字控制模块可以包含锁相回路与控制单元，锁相回路可以侦测输入或输出的第一交流电能并产生实时电压信号，实时电压信号可以定义有振幅分量与角速度分量，控制单元可以依据不同切换周期取得的振幅分量与至少一振幅变化量，设定控制信号。在此，控制单元可以判断连续的多个切换周期中每一个切换周期的振幅变化量，当连续的多个切换周期中每一个切换周期的振幅变化量皆大于第一阈值，控制单元可以判断幅变化量为异常。此外，控制单元可以判断连续的多个切换周期中每一个切换周期的振幅分量，当连续的多个切换周期中每一个切换周期的振幅分量皆未大于第二阈值，控制单元可以判断振幅分量为异常。

综上所述，本申请提出的双向交流功率转换装置，利用锁相回路锁定输入或输出的第一交流电能，并由实时电压信号的振幅分量来判断待测组件是否切离输出端。当待测组件无预警切离输出端，双向交流功率转换装置不仅可以立即侦测出并停止输入或输出交流电能，还可以有效释放电流路径中的残余电能。当待测组件再次连接回输出端后，双向交流功率转换装置便可以快速回复工作。

有关本申请的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是依据本申请一实施例的双向交流功率转换装置的功能方块图；

图2是一交流电压的示意图；

图3是依据本申请一实施例的输出端和待测组件之间的电路示意图。

符号说明

1双向交流功率转换装置

10功率转换模块 100输出端 12数字控制模块

120锁相回路 122控制单元 2外部电源

DUT待测组件 Xcap储能电容 Icap残余电流

SW开关

具体实施方式

在下文的实施方式中所述的位置关系，包括：上，下，左和右，若无特别指明，皆是以图式中组件绘示的方向为基准。

请参阅图1，图1是依据本申请一实施例的双向交流功率转换装置的功能方块图。如图1所示，双向交流功率转换装置1是电性连接于外部电源2与待测组件DUT之间，用以与待测组件DUT传输交流电能(第一交流电能)。实务上，外部电源2可以是市电或者其他的电压源，而可以应用双向交流功率转换装置1的待测组件DUT不限制是负载或者电压源。于一个例子中，当待测组件DUT是负载时，双向交流功率转换装置1可以提供电能以驱动待测组件DUT。而当待测组件DUT是电压源时，双向交流功率转换装置1可以从待测组件DUT拉载电能，以使得待测组件DUT提供的电能能够馈入外部电源2。也就是说，双向交流功率转换装置1不限制交流电能的传输方向，所述交流电能可以输入或输出双向交流功率转换装置1。

双向交流功率转换装置1包含功率转换模块10以及数字控制模块12，数字控制模块12包含锁相回路120以及控制单元122。在此，功率转换模块10具有输出端100，输出端100是用以电性连接待测组件DUT。于一个例子中，输出端100和待测组件DUT之间可以经由总线进行连接。此外，控制单元122可以分别电性连接锁相回路120以及功率转换模块10，并能够产生控制信号设定功率转换模块10要输入或输出的第一交流电能。所述控制信号可以是一种脉冲宽度调变(PWM)信号，控制单元122通过决定脉冲宽度调变信号一个工作周期(dutycycle)中的占空比(duty ratio)，便可以设定功率转换模块10输出的交流电压或交流电流的各种参数。

实务上，锁相回路120中具有相位侦测器(phase detector)，当输出端100和待测组件DUT之间确实连接后，相位侦测器应当可以锁定功率转换模块10与待测组件DUT之间传输的交流电压或交流电流。举例来说，假设功率转换模块10被设定要对待测组件DUT拉载，当相位侦测器锁定交流电压后，锁相回路120可以依据被锁定的交流电压产生实时电压信号。于一个例子中，锁相回路120产生实时电压信号能够被当成判断待测组件DUT是否正常工作的手段。也就是说，当相位侦测器成功锁定交流电压(产生实时电压信号)，此时控制单元122可以判断待测组件DUT已经投入系统。此外，锁相回路120可以对实时电压信号进行帕克转换(park transformation)，以取得实时电压信号的振幅分量与角速度分量。于所属技术领域具有通常知识者应可以理解锁相回路120的工作原理，本实施例在此不予赘述。于一个例子中，锁相回路120可以于每一个切换周期(switching cycle)中取得对应的实时电压信号，从而控制单元122可以依据相邻两个切换周期的实时电压信号，计算出两个振幅分量的差异，所述差异即为振幅变化量。实务上，控制单元122可以依据连续N个切换周期的实时电压信号，记录对应的N-1个振幅变化量，并且可以依据所述N-1个振幅变化量设定控制信号。

以实际的例子来说，假设功率转换模块10被设定要对待测组件DUT拉载，输出端100和待测组件DUT之间的连接线路突然中断，导致待测组件DUT无预警切离输出端100。由于原本双向交流功率转换装置1与待测组件DUT之间传输的是交流电能，待测组件DUT无预警切离输出端100时，此一时点的交流电压有可能是接近峰值电压或者接近零电压。以下将以这两种情况来示范本实施例双向交流功率转换装置1的处理方式。请一并参阅图1和图2，图2是一交流电压的示意图。如图所示，假设待测组件DUT在时间T1切离输出端100，交流电压在接近峰值的数值。此时，控制单元122可以从实时(前一个切换周期和当前切换周期)的实时电压信号，得知振幅变化量突然异常变大，例如电压快速从峰值衰落而使振幅变化量大于预设的第一阈值。实务上，控制单元122判断振幅变化量发生异常之后，便会快速地调整控制信号，从而指示功率转换模块10不再继续提供交流电能。

本实施例在此不限制第一阈值的确实数值，于所属技术领域具有通常知识者可以理解第一阈值可依据传输的交流电压而决定。另一方面，控制单元122也不一定只依据单一个振幅变化量发生异常，就立刻调整控制信号。举例来说，控制单元122也可以从连续多个相邻切换周期的实时电压信号，判断振幅变化量是否发生异常。例如，当控制单元122得知至少连续6个振幅变化量都大于预设的第一阈值，即能够以此判断待测组件DUT已经切离输出端100。

于一个例子中，假设待测组件DUT在时间T2切离输出端100，由于时间T2的交流电压接近零，输出端100输入或输出的电流原本就趋近于零。若以传统的交流功率转换装置来说，传统的交流功率转换装置无法立刻判断待测组件是否切离，容易导致误判。特别是，传统的交流功率转换装置用数字测量电流的方式，就存在噪声干扰等误差，从而电流零点周围侦测的微小数值难以确定究竟是否为电流零点。换句话说，当待测组件DUT在电流零点周围切离时，传统的交流功率转换装置会无法掌握快速触发保护机制的时机点。相比之下，本实施例的振幅分量是已经经过帕克转换而分离角速度分量(相位)的数值，从而控制单元122能更快看出电压振幅是否有变化。据此，当待测组件DUT在时间T2切离输出端100，本实施例控制单元122也可以由振幅变化量判断是否发生异常并快速地调整控制信号，从而指示功率转换模块10不再继续提供交流电能。

以上利用振幅变化量的判断手段适用于功率转换模块10输入或输出交流电压变化大的情况，如果功率转换模块10输入或输出交流电压变化小，则控制单元122可以利用振幅分量判断待测组件DUT是否切离。于一个例子中，由于功率转换模块10输入或输出交流电压的电压峰值已知，本实施例可以参考所述电压峰值设定阈值(第二阈值)。实务上，第二阈值不一定等于所述电压峰值而可能略小于所述电压峰值，本实施例不加以限制。以实际的例子来说，假设功率转换模块10被设定要对待测组件DUT拉载，并且锁相回路120的相位侦测器已经锁定了实时电压信号而取振幅分量与角速度分量。此时，控制单元122可以由一个或多个振幅分量是否低于第二阈值，来判断待测组件DUT是否切离。举例来说，控制单元122有可能记录连续多个切换周期的振幅分量，当连续多个切换周期的振幅分量持续小于第二阈值时，控制单元122即能判断待测组件DUT已经切离。如前所述，本实施例的振幅分量是已经经过帕克转换而分离角速度分量(相位)的数值，从而纵使交流电压变化小，控制单元122也能快速判断待测组件DUT是否切离。

值得一提的是，由于输出端100通常跨接有储能电容(例如跨接于两个端点之间)，本实施例还设计了释放储能电容中的电能的机制。请一并参阅图1至图3，图3是依据本申请一实施例的输出端和待测组件之间的电路示意图。如图所示，两个输出端100之间可以跨接有储能电容Xcap，储能电容Xcap不一定是有意被设计于电流路径中的，例如储能电容Xcap也有可能是输出端100到待测组件DUT之间的线路中的非理想电容特性。以下将说明储能电容Xcap对于双向交流功率转换装置1造成的影响。

以实际的例子来说，假设功率转换模块10正常地对待测组件DUT拉载，储能电容Xcap会一直保持储存有电能的状态。此时，当待测组件DUT切离(图3用开关SW断路来表示)时，于所属技术领域具有通常知识者可以理解，储能电容Xcap中还存有相当的残余电能，从而持续释放残余电流Icap。本实施例在此不限制储能电容Xcap的大小以及残余电流Icap的释放方向。传统上，残余电流Icap是可以被电路内部的阻抗消耗掉，但是通常是需要花费较长的时间。为了加快释放储能电容Xcap中的残余电能，当控制单元122判断待测组件DUT切离后，会控制功率转换模块10维持接地电压(或称零电压)一段时间。于一个例子中，由于功率转换模块10主动地在输出端100控制在接地电压，强制储能电容Xcap和输出端100之间有电压差，让储能电容Xcap能更有效率地放出残余电流Icap(也就是可以有更大的残余电流Icap)。

实务上，控制单元122会持续监测馈入输出端100的残余电流Icap的数值。当残余电流Icap的数值大于一个电流默认值时，表示储能电容Xcap中的残余电能还没有释放完毕，则控制单元122提供的控制信号继续指示功率转换模块10要维持提供接地电压。反之，当残余电流Icap的数值不大于电流默认值时，表示储能电容Xcap中的残余电能已经完全或几乎释放完毕，则控制单元122提供的控制信号便指示功率转换模块10停止提供接地电压。并且，控制单元122可以调整控制信号让占空比归零，使得功率转换模块10不输入或输出第一交流电能，以等待重新启动的指令。

由上述可知，本实施例的双向交流功率转换装置1在待测组件DUT无预警切离输出端100时，因为控制单元122是基于被锁相回路120锁定的交流电压产生的实时电压信号进行判断，从而可以减少受电压相位影响造成的误判，而能够在待测组件DUT切离导致电压值推升之前，控制功率转换模块10不再继续提供交流电能。在此同时，功率转换模块10还可以在输出端100保持接地电压，以快速释放储能电容Xcap中的残余电能。如此一来，双向交流功率转换装置1不会因输出端100的异常高电压而触发保护机制，也由于储能电容Xcap已经快速被释放完，当待测组件DUT再次连接上输出端100后，双向交流功率转换装置1可以快速回复工作。

值得一提的是，虽然上述是以功率转换模块10对待测组件DUT拉载做为例子，但实际上前述实施例还可以应用于功率转换模块10对待测组件DUT供电。也就是说，控制单元122判断振幅变化量大于第一阈值、振幅分量小于第二阈值、功率转换模块10的占空比大于第三阈值等异常情况和电能传输方向无关。纵使功率转换模块10用于对待测组件DUT供电，控制单元122还是可以由上述实施例判断待测组件DUT是否切离。

综上所述，本申请提出的双向交流功率转换装置，利用锁相回路锁定输入或输出的第一交流电能，并由实时电压信号的振幅分量来判断待测组件是否切离输出端。当待测组件无预警切离输出端，双向交流功率转换装置不仅可以立即侦测出并停止输入或输出交流电能，还可以有效释放电流路径中的残余电能。当待测组件再次连接回输出端后，双向交流功率转换装置便可以快速回复工作。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本申请技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本申请技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本申请内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本申请实质相同的技术或实施例。

Claims (7)

1.一种双向交流功率转换装置，用于输入或输出一第一交流电能，其特征在于，所述双向交流功率转换装置包含：

一数字控制模块，用以产生一控制信号；以及

一功率转换模块，依据该控制信号设定输入或输出的该第一交流电能；

其中当该数字控制模块判断该第一交流电能的一实时电压信号为异常时，该控制信号指示该功率转换模块切换提供一接地电压。

2.根据权利要求1所述的双向交流功率转换装置，其特征在于，当该数字控制模块判断该实时电压信号为异常时，该数字控制模块更侦测该功率转换模块接收到的一残余电流，以设定对应该残余电流的该控制信号。

3.根据权利要求2所述的双向交流功率转换装置，其特征在于，该功率转换模块的一输出端接收该残余电流，当该残余电流大于一电流默认值，该控制信号指示该功率转换模块维持提供该接地电压。

4.根据权利要求3所述的双向交流功率转换装置，其特征在于，当该残余电流不大于该电流默认值，该控制信号指示该功率转换模块停止提供该接地电压，并将该功率转换模块的一占空比为零。

5.根据权利要求1所述的双向交流功率转换装置，其特征在于，该数字控制模块包含一锁相回路与一控制单元，该锁相回路侦测输入或输出的该第一交流电能并产生该实时电压信号，该实时电压信号定义有一振幅分量与一角速度分量，该控制单元依据不同切换周期取得的该振幅分量与至少一振幅变化量，设定该控制信号。

6.根据权利要求6所述的双向交流功率转换装置，其特征在于，该控制单元判断连续的多个切换周期中每一该切换周期的该振幅变化量，当连续的该些切换周期中每一该切换周期的该振幅变化量皆大于一第一阈值，该控制单元判断该振幅变化量为异常。

7.根据权利要求6所述的双向交流功率转换装置，其特征在于，该控制单元判断连续的多个切换周期中每一该切换周期的该振幅分量，当连续的该些切换周期中每一该切换周期的该振幅分量皆未大于一第二阈值，该控制单元判断该振幅分量为异常。