TW201145797A - Three-phase power conversion circuit and soft-switching circuit thereof - Google Patents

Description

201145797 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明為有關於一種三相電源轉換電路，特別是指一種在開 ▲ 關整流電路中電性連接軟式切換電路，用以進行零電壓轉移之二 相電源轉換電路及其軟式切換電路。 【先前技術】 近年來，隨著電子科技的蓮勃發展，在有關電源的部份運用 也越來越廣泛，越來越多的產品都會使用到電源供應器，尤其是 * A容量之設備如交換機、料機、變頻器·..料，常使用三相電 源轉換電源，而藉由開關式結構來開啟/關閉電源。 請先參考「第1圖」’「第1圖」為習知升壓型架構的電源轉 換器之電路®，係—種非雙向的三相電轉換電路1G。-般而言， 目前電源供應H中大錄用如「第丨圖」所示意的升壓型架構之 電源轉換益’其先藉由橋式整流器將交流電源轉成直流電源，再 將其操作在升壓型轉換賴式，其操作狀態分為二種：第一種， • 當開關導通時，電感儲存能量；第二種，當開關截止時，電感經 過二極體釋放能量至負載，進而達到輸出電壓與入電流調控之目 的。不過，由於其能量路徑上具有二極體，故此方式僅能進行單 ‘ ^能量傳送’例如：僅能將纽電轉換成交流賴、，或是僅將 . 父流電源轉換成直流電源。 接著’请參閱「第2圖」，「第2圖」為習知的雙向三相電源 轉換電路之電路圖。有胁上述僅能進行單向能量傳送的缺失， 於是便有廠商提出如「第2圖」所示意之雙向的三減源轉換電 路20，使用六開關升壓型架構的功因校正之電源轉換器，其透過 201145797 電流調控技術直接將交流電源轉成直流電源，並且能夠得到良好 的電壓調控特性。由於使用六開關整流器，故具有較少的元件導 通損失。不過，上述兩種方式運作在高頻時，皆會因電流與電壓 - 交越，而導致較大的切換損失，且具有電磁干擾的問題。 綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在運作於高頻 時，電源轉換具有較大的切換損失及電磁干擾之問題，因此實有 必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。 【發明内容】 φ ㈣於先前齡存在關題，本發料揭露—種三相電源轉 換電路及其軟式切換電路。 本發明所揭路之二相電源轉換電路，包含：開關整流電路及 軟式切換電路H關整流電路包含：主_、誠電感及 电谷。所述主開關分別為第一主開關、第二主開關、第三主開關、 弟四主開關、弟五主開關及第六主開關，其中第一主開關與第二 主開關串聯形成第-Φ聯開關組，第三主開關與第四主開關串聯 鲁形成第二串聯開關組’第五主開關與第六主開關串聯形成第三串 聯開關組’且第-串聯開關組、第二串聯關組及第三串聯開關 組相互並聯；濾、波電感分別為第—歧電感、第二濾波電感及第 '三遽波電感’其中，第—紐電感電性連接於第-主開關與第二 ‘主開_串聯處’第二濾、波電感電性連接於第三主開關與第四主 開關的串聯處，第三驗電感電性連接於第五主開關與第六主開 關的串聯處；電容狀與第-串聯開關組、第二串聯劇組及第 三串聯開關組並聯。 而在軟式切換電路的部份，所述補助電路至少包含譜振電 201145797 感、辅助開關及輔助二极鹏.^ 一电偏壓-麻Φ 。體。其中’譜振電感的-端透過對應的 二串聯開二 =:關整：路之第-串聯開關組、第 的另一端·連接，碰, 極體的—端與諧振電感 另卜， -辅助—極體的另一端與輔助開關電性連接。 一虫& ’本㈣三相電轉換電路之軟式切換電路，斑且有第 盆第二串聯開關組及第三«開關組的開關整流電

二極和切換電路包含H電感、輔助開關及辅助 二極體。其中，_電感用以分別透過—組偏壓二極體與第一串 ^開關組、第二串聯_組及第三串《齡f性連接；輔助開 關的端與械的雜電感電性連接；獅二極體的—端與譜振 電感電性連接’伽二極體的另—端_關關電性連接。 曰本發明所揭露之電路如上，與先前技術之_差異在於本發 明是透過嚴人具有離電感、辅助開關及輔助二極體的軟式切換 電路’使主開關導通具有延遲時間，讀綠電感在延遲時間中 完成諧振以進行零電壓轉換。 透過上述的技術手段，本發明可以達到降低切換損失及抑制 電磁干擾之技術功效。 【實施方式】 以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉 此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的 貫現過程能充分理解並據以實施。 首先’先針對本發明三相電源轉換電路作說明，請參閱「第 3圖」，「第3圖」為本發明的三相電源轉換電路之電路圖，三相電 源轉換電路30包含：開關整流電路4〇及軟式切換電路50。其中， 201145797 開關整流電路40包含：第一主開關41a、第二主開關41b、第三 主開關41c、第四主開關4ld、第五主開關41e、第六主開關41f、 第一濾波電感42a、第二濾波電感42b、第三濾波電感42c及電容 43。其中，第一主開關4ia與第二主開關41b串聯形成第一串聯 - 開關組，第三主開關與第四主開關41d串聯形成第二串聯開 關組’第五主開關41e與第六主開關41f串聯形成第三串聯開關 組’且第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組相互 並聯。在實際實施上，上述各主開關(41a〜41f)更可如「第3圖」

籲所不意’各自包含本體二極體(b〇dy di〇de)及本體電容(b〇dy capacitor) ’且所述本體二極體與本體電容相互並聯。由於三相（“R 相'“s相”及“T相”）電源的每一相皆具有正相位及負相位， 因此需透過六個主開關(41a〜41f)來進行控制。 接著，第一濾波電感42a、第二濾波電感42b及第三濾波電感 42c的一端各自與三相電源中的“R相” 、“8相，，及“丁相，，電 性連接，而第一濾波電感42a、第二濾波電感42b及第三濾波電感 • 42C的另一端則分別電性連接於第一主開關41 a與第二主開關4lb 的串聯處、第三主開關4lc與第四主開關41d的串聯處，以及第 五主開關41e與第六主開關41£的串聯處。在實際實施上，所述第 .一濾波電感4以、第二濾波電感42b及第三濾波電感42c可使用耦 - 合式渡波電感，或是非耦合式濾波電感。 另外，所述電容4 3用以與第一串聯開關組、第二串聯開關組 及第三串聯開關組相互並聯，此電容43可用以降低導通損失。特 別要說明的是，本發明所述的三相電源轉換電路30為雙向電路， 也就是說能夠進行直流電源/交流電源的能量轉換。舉例來說：將 201145797 市電的交流電源轉換為直流電源，亦或是將太陽能板所產生的交 流電源轉換為直流電源。 而在軟式切換電路50的部份，所述軟式切換電路5〇包含： 諸振電感(51、52)、辅助開關(53、54)及輔助二極體(55、56)。其 中’譜振電感(51、52)可各自透過一組偏壓二極體π電性連接於 開關整流電路40的第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯 開關組，所述諧振電感(5卜52)可為外接式電感器或是漏電感；所 述輔助開關（53、54)可為金氧半場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET);而 輔助二極體(55、56)則可選用蕭特基二極體(Sch〇ttky Barfier Diode)。在此例中，此組偏壓二極體57是由三個二極體相互並聯 所組成，也就是說，譜振電感51的一端透過三個並聯的二極體分 別與第一開關串聯祖、第二開關串聯組及第三開關串聯組電性連 接；而諧振電感52的一端同樣透過三個並聯的二極體分別與第一 開關串聯祖、第二開關串聯組及第三開關串聯組電性連接。 承上所述’諧振電感51的另一端用以電性連接在輔助二極體 55及輔助開關54的串聯處；而諧振電感52的另一端則電性連接 在輔助開關53及輔助二極體56的串聯處，其中，串聯的輔助二 極體55及輔助開關54與串聯的辅助開關53及輔助二極體56相 互並聯。在實際實施上，所述輔助開關(53、54)皆各自包含有本體 二極體，此本體二極體與相應的輔助開關相互並聯。如此一來， 即可在每一個切換週期内’使開關整流電路4〇的主開關控制信號 之導通時刻具有延遲時間，並在此延遲時間中安插輔助開關(53、 54)的導通時間，以便諧振電感(51、52)在延遲時間中完成諧振， 201145797 達成零電壓轉換之軟式切換以降低切換損失。特 本發明並絲錄定三相麵魏魏3G所包 2旦=’ 型，在不脫離本實施例之精神和範圍内， 啻 里及類 同功能’皆為本實施例之可實施手段。 。&所組成之相 如「第4圖」所示，「第4圖」為應用本發明的具緩 奴式切換f狀f關’前喊到，_軟式城電路％ 零電壓轉換之軟式切換以降低切換損^在實際實施上=

換電路5〇中更可包含緩振電路60，所述緩振電路60包含緩振二 極體6i及緩振電容62，此緩振電容62與輔助二極體(55 性連接，所述緩振二極體61紐振電路6〇中的二極體；緩振電 容62為緩振電賴中的電容。其詳細的電性連接方式如「第*圖」 所示意，轉有二個緩振電路60，各緩振電路6Q均先將二個緩振 一極體61串聯後，再將此串聯後的二個緩振二極體&與輔助二 極體(55、56)並聯，且緩振電容62的—端電性連接於二個緩振二 極體的串聯處，而緩振電容62的另1則雜連接於相應的 輔助二極體(55、56)。特別要說明的是，輔助_ M與獅二極 體55串聯，且譜振電感SI的一端電性連接於此串聯處；輔助開 關53與獅二減56串聯’且諧振電感52的一端電性連接於此 串聯處。 田接著’此I人式切換電路50的譜振電感η之另一端透過一組 偏壓二極體57中的三個二極體分別與第一串聯開關組44、第二串 聯開關組45及第三串聯開關組46電性連接；同樣地，諧振電感 幻的另-端亦透過另-組偏壓二極體57中的三個二極體分別與 第一串聯開_44、第二争聯開關組45及第三串聯開關組牝電 201145797 性連接。在實際實施上，此組偏壓二極體57是由三個二極體指互 並聯所組成。 一/月參閱第5圖」、「第5圖」為應用本發明進行直流電源轉 "三相電源轉換電路之電路圖。前面提a，三相電源轉 -換電路30為雙向電路，能夠進行直流電源/交流電源的相互轉換， 由於上述已說明交流電源轉換為直流電源的電路佈線方式，因 此’接下來搭配「第5圖」來說明直流電源轉換為交流電源的電 _路佈線方式’從「第5圖」所示意的三相電源轉換電路3〇a可得 知’其包含的開關整流電路他與三相電源轉換電路3〇所包含的 開關整流電路4G之差異處，僅在於電容43由輸出端移往輸入端， 且濾波電感(42a〜42c)由輸入端移往輸出端並與負載(L〇ad)電性連 接。如此-來’即可達成直流電源轉換為交流電源的目的。除此 之外’軟式切換電路50同樣可搭配緩振電路6〇來實現，不過， 由於其電路佈線方式與上述交流電源轉換成直流電源的例^相 同，故在此不再多作贅述。 _ 最後’請參閱「第6圖」，「第6圖」為應用本發明的操作模 式之波形圖。其可分為九種模式(即模式“0，，至模式“8”），首 .式“〇”是指在“t〇”之前，所有主開關及二個辅助開關: ，，OFF ’但是第二主開關41b、第四主開關 -)及第六主開關41f( “—，，）的本體二極體為導通。電流透過 :主開關化（“V”）及第五主開關化（‘知”）的本體二極體釋 透過第四主開關碰（“心”）的本體二極體返回載入。 模式1是指在“to〜U”的時間間隔，“t0”為第二主開 關仙（“‘’’）、第四主開關砸（）及第六主開關4珥 201145797 )與輔助開關54( “知/’）開啟(Turned on)前，而“tl”則是譜振 電感（尤从”）的電流斜線上升至“心”時。其中，輔助二極體 55( ）隨著零電壓切換(Zer〇_cUrrent-Switch)而關閉，時間間 隔則是由公式：%ι =〆a- ’，所產生。 - 模式1是指在“tl〜t2”的時間間隔，當諧振電感 51(上价）的電流‘‘/摄”相當於飞”時，模式“2，，即開始，在 此模式“2”時，電流“/摄，，由於，及“^，，之間的諧振而 籲 持續增加。在“t2”時，“(V，放電直到零，其中，第二主開關 41b(、）及第六主開關4lf( “知/ )的本體二極體開始導通， 所述諧振的時間是在“U2”及“匕#办2)”的時期，並可分別由公 冗 ,— 式：及““⑹= + 計算得出，其 中“Cr”的數值近似於“c^C^+Ctw+CV，。 模式“3”是指在“t2〜t3”的時間間隔，在“t2”時，第二 主開關41b( “5W”）及第六主開關41fd )導通，第二主開關 41b( ^ )及第六主開關41f( “知/ )的開啟信號將被應用，同 時其本體二極體為導通，進而達成零電壓切換。此外，延遲時間 ‘V’介於輔助開關54( ）及第二主開關4lb( ‘‘&/ )間，第 六主開關41f( “ ‘ ’，）的閘極信號需滿足公式： . ”。特別要說明的是，為了滿足 條件，最壞的情況需要考I最大輸入電流及最小輸出電壓。 模式“4”是指在“t3〜t4”的時間間隔，在“t3”時，輔助 開關54為開啟，且由於辅助二極體55導通，其電壓箝制在‘卞 ”。在這段時間内，第二主開關41b( ）及第六主開關 201145797 叫“知/ )為開啟’其儲存在譜振電感的能量轉換至負载％ ”時’譜振電感的電流“W，、線性下降至零。其譜 時間放，可由公式、々如表)，，計算得出;、 模式5”是指在“t4〜t5”的時間間隔，在“t4”時，γ 達到零’且輔助二極體55咖。在此模式“5，，的電路操作: PWM升壓型轉換器相同。 ”

模式“6”是指在“t5〜t6”的時間間隔，在“行，，時，第二 主開關41b( “SW，）關閉’第二主開關41b）的輸出電容由 v，性，換m壓’其轉換期間“t56”是透過： “&=_^”計算得到。 … 板式7是指在“t6〜t7”的時間間隔，在“济，，時，第二 主開關41b( “<V’）的電壓“PW’達到“匕”龍，且第一主開 關41a( ^ )的本體二極體為導通，但第六主開關4if( “知#，，） 仍然維持開啟。在此模式“7”的電路操個軸pwM升壓:轉 換器相同。 模式“8”是指在“t7〜t8”的時間間隔，在“t7，，時，第六 主開關41f( ‘‘&/ )關閉’第六主開關41f( “‘，）的電容輸出由 /r匚線，轉換為電壓，期間“t78”是透過公式： 計算得出。在“t8”時，第六主開關41f( ) 的電壓‘％7W達到“匕”電壓’且第五主開關41d’）的本 體二極體再次導通，並開始另一個開關週期。由於第二主開關 41b( ‘‘知/ )、第四主開關41d( “私/ )及第六主開關41f( %撕，，） 與第-主關41a( “*V’）、第三主開關41e(U及第五主開 201145797 關41e(知/> )相對應，且處理流程相同，故在此不再重覆作贅 述。同樣地，由於諧振電感51、輔助開關54及辅助二極體55與 譜振電感52、輔助開關53及辅助二極體56相對應，且處理流程 ' 相同，故同樣不再重覆作贅述。 綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過嵌入 具有咕振電感(51、52)、輔助開關(53、54)及輔助二極體(55、56) 的軟式切換電路50，使主開關導通具有延遲時間，以便諧振電感 φ (51、52)在延遲時間中完成諧振以進行零電壓轉換，藉由此一技術 手段可以解決先前技術中所存在的問題，達成降低切換損失及抑鲁 制電磁干擾之技術功效。 雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内， 當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說 明書所附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 • 第1圖為習知升壓型架構的電源轉換器之電路圖。 第2圖為習知的雙向三相電源轉換電路之電路圖。 鲁 第3圖為本發明的三相電源轉換電路之電路圖。 第4圖為本發明具緩振電路的軟式切換電路之電路圖。 - 第5圖為應用本發明進行直流電源轉交流電源的三相電源轉 換電路之電路圖。 第6圖為應用本發明的操作模式之波形圖。 【主要元件符號說明】 非雙向的三相電源轉換電路 m 12 201145797 20 雙向的三相電源轉換電路 30、30a三相電源轉換電路 40、40a開關整流電路 41a 第一主開關 . 41b 第二主開關 41c 第三主開關 41d 第四主開關 41e 第五主開關 • 41f 第六主開關 42a 第一濾波電感 42b 第二濾波電感 42c 第三濾波電感 43 電容 44 第一串聯開關組 45 第二串聯開關組 • 46 第三串聯開關組 50 軟式切換電路 51 > 52 諧振電感 . 53 ' 54 輔助開關 55、56 輔助二極體 57 偏壓二極體 60 缓振電路 61 緩振二極體 62 缓振電容

Claims (1)

1. 201145797 七、申請專利範圍： 1. 一種三相電源轉換電路，包含： 一開關整流電路，該開關整流電路包含： - 至少六個主開關，分別為一第一主開關、一第二主 , 開關、一第三主開關、一第四主開關、一第五主開關及 一第六主開關，其中，該第一主開關與該第二主開關串 聯形成一第一串聯開關組，該第三主開關與該第四主開 關串聯形成一第二串聯開關組，該第五主開關與該第六 • 主開關串聯形成一第三串聯開關組，且該第一串聯開關 < 組、該第二串聯開關組及該第三串聯開關組相互並聯； 至少三個濾波電感，分別為一第一濾波電感、一第 二濾波電感及一第三濾波電感，其中該第一濾波電感電 性連接於該第一主開關與該第二主開關的串聯處，該第 二濾波電感電性連接於第三主開關與該第四主開關的 串聯處，該第三濾波電感電性連接於該第五主開關與該 ^ 第六主開關的串聯處；及 （ 一電容，用以與該第一串聯開關組、該第二串聯開 關組及該第三串聯開關組並聯；及 . 一軟式切換電路，該軟式切換電路至少包含二諧振電 感、二輔助開關及二輔助二極體，其中該二諧振電感的一端 各自透過對應的一組偏壓二極體電性連接於該開關整流電 路之該第一串聯開關組、該第二串聯開關組及該第三串聯開 關組，該二輔助二極體的一端與該二諧振電感的另一端電性 連接，該二輔助二極體的另一端與該二輔助開關電性連接。 [s] 14 201145797 2.如申請專利被圍第1項所述之二相電源轉換電路，其中該至 少六個主開關各自包含一本體二極體及一本體電容，且該本 體二極體與該本體電容相互並聯。 3’如申睛專利範圍弟1項所述之二相電源轉換電路，其中該一 輔助開關各自包含一本體二極體。 4. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該組 偏壓二極體係由三個二極體所組成。 5. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該至 少三個遽波電感與一個三相電源電性連接。 6. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該開 關整流電路為雙向電路，用以進行直流電源/交流電源的相 互轉換。 7. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該軟 式切換電路更包含二緩振電路，該二緩振電路各自包含二緩

   振二極體及-緩振電容，且該二緩振_與該二辅助二極體 電性連接。 8. 種二相電源轉換電路之軟式切換電路，與具有一第一串聯 開關組、-第二串聯開關組及一第三串聯開關組的開關整流 電路電性連接，該軟式碰電路包含： 二諧振電感，_分別透過—組偏壓二極酸該第一串 恥開關.、且β亥第一串聯開關組及該第三串聯開關組電性連 、輔助開關’ 5亥二輔助開關的—端與相應的該二譜振電 感電性連接；及 [S3 15 201145797 二辅助二極體，該二輔助二極翻—端與該二譜振電感 生連接β亥一輔助二極體的另一端與該二輔助開性連 接。 々申叫專她财8項崎之三相電_換電路之軟式切 。 、電路’、中"她偏壓二極體由至少三個二極體相互並聯所 組成。 1申吻專她圍第8項所述之三減雜換電路之軟式切 、電路’其巾該二譜振電感為外接式電感器或漏電感。 如申。月專利Ιϋ圍第8項所述之三相電源轉換電路之軟式切 換:路其中3亥一辅助開關各自包含一本體二極體，且該本 體二極體與相應的該輔助開關相互並聯。 I2.如申4專纖圍第8項所述之三相電轉換電路之軟式切 換電路，其中該二輔助開關相互並聯，且該二輔助開關為金 氧半場效電晶體。 申》月專利細第8項所述之三相電源轉換電路之軟式切 • 換電路’其中該二辅助二極體相互並聯，且該二輔助二極體 為蕭特基二極體。 14. 如申μ專利㈣第8項所叙三相電雜換電路之軟式切 . 魏路，其中該軟式讀電路更包含二緩振電路，該二緩振 • 1路各自包含二緩振二極體及-緩振電容，且該二緩振電路 各自電性連接於該二輔助二極體之一。 桃 15. 如申w專她圍第14項所述之三相電源轉換電路之軟式切 換電路’其中該二緩振二極體為串聯，且該緩振電容的一端 電性連接於該二緩振二極體串聯處。