TW201308848A - 具有功因校正功能之單級升壓式交流－高壓直流轉換裝置 - Google Patents
具有功因校正功能之單級升壓式交流－高壓直流轉換裝置 Download PDFInfo
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Abstract
本發明提出一種具有功因校正功能之單級升壓式交流-高壓直流轉換裝置，係由控制驅動裝置、升壓電感器、矩陣式雙向電力開關裝置及多階倍壓整流裝置(Cockcroft-Walton cascade voltage multiplier)所組合構成。於此提出的控制策略含有兩種功能：一是由功率因數修正器所提供，其可使本發明裝置獲取高的功率因數、低的電流失真及可調的高電壓直流輸出，由於高頻操作，升壓電感器的尺寸也可具體的縮小；另一則是由邏輯裝置所提供，其可視多階倍壓整流裝置之輸出電壓漣波及電容器所預設的量來調整矩陣式雙向電力開關裝置的輸出電源頻率，而此頻率是被規劃在相對低於功率因數修正器之操作頻率，以減少多階倍壓整流裝置之交替能量的損失。藉由本發明所提出之單級升壓式電路及控制方法，本發明裝置可獲得一高效能之高壓直流電源。
Description
本發明是提供一種具有功因校正功能之升壓式交流-高壓直流轉換裝置，尤指一種矩陣式雙向電力開關連接多階倍壓整流裝置(Cockcroft-Walton cascade voltage multiplier)的升壓式直流轉換裝置
傳統式高壓直流輸出的電壓源設備，大致都是選用多階倍壓整流裝置105來提升輸出直流電壓振幅的大小。如果電路裝置只利用一單相的輸入電源電壓102串接於多階倍壓整流裝置105，則此種電路裝置即為傳統式高壓直流輸出之電壓源設備電路。此傳統的電路裝置，其輸入電源電壓102為一般通用的50/60Hz的交流電源，其輸出的直流電壓理想為輸入電源電壓102峰值的兩倍(此為一階倍壓整流裝置301下之狀況)，如果此傳統電路選擇的是一個N階的多階倍壓整流裝置105，則其輸出的直流電壓為輸入電源電壓102峰值的2N倍。所以此傳統電路的輸出直流電壓大小是由輸入電源電壓102的峰值與多階倍壓整流裝置105的階數所決定，因此在串接固定的N階階數下，其輸入電源電壓102的峰值越大，則輸出的直流電壓就會越高。
然而，上述的輸出直流電壓大小為理想的狀況，實際的輸出直流電壓會比輸入電源電壓2峰值的2N倍來的小(以N階的多階倍壓整流裝置5為例)(2N×Vm)，主要原因為負載越大，所產生的負載電流就會越大，負載電流變大會使得電路本身寄生元件產生的電壓下降變大，進而降低輸出直流電壓之大小及增大輸出電壓之漣波。因此，傳統式非對稱之多階倍壓整流裝置有輸出直流電壓不可調整、輸出電壓漣波大、輸入電流半波不對稱且高失真等缺點，因此，若為了提高輸出直流電壓的大小，並不能無限的串接一階倍壓電路301，所以實際的應用上會使用高壓的升壓變壓器來將多階倍壓整流裝置105的輸入端電壓提高，以使得輸出直流電壓能為高壓。但此高壓的升壓變壓器是一個體積龐大的裝置且價格昂貴，此種裝置是較不被業界所接受的。
近年來功率半導體元件及高頻切換技術的蓬勃發展，目前已經有許多高頻切換技術運用於傳統式的多階倍壓整流裝置中，以獲取高直流電壓，並且降低輸出電壓漣波問題。然而，此些架構很難使用在高功率的應用場合，由於以下幾種缺點：輸入電流不連續、升壓變壓器伴隨之漏感將導致開關必須承受較高的耐壓、較大的開關切換損失及嚴重的電磁干擾EMI。除此之外，升壓變壓器也增加了系統的體積及成本。到目前為止，很多無使用變壓器的高升壓直流-直流轉換器被提出且研製，其大部分的架構也都是由二極體及電容器所構成，以獲取高的輸出電壓增益。此些架構通常是較適合用於如蓄電池、太陽能發電系統及燃料電池等低電源輸出的場合，以獲取約直流400V左右的等級電壓。部分無使用變壓器之高升壓直流-直流轉換器，只需使用一個主動開關來控制輸入側電流及輸出側之直流電壓。此些架構不僅可以改善轉換器之缺點，其電路的結構及控制方法也較為簡單。很可惜的是，此些直流-直流轉換器的開關、二極體及電容器的耐壓部分會受到輸出直流電壓或串接階數所影響，因此不適用於實際的高電壓場合；相對的，多階倍壓整流裝置的二極體及電容耐壓並不會受到輸出電壓大小及串接階數所影響，且最大不會超過多階倍壓整流裝置之輸入端電源峰值的兩倍。基於此特點，多階倍壓整流裝置之相關轉換器仍是值得被討論及改善的。
本發明提出一種具有功因校正功能之單級升壓式交流-高壓直流轉換裝置，此具有高效能、高功率因數、可調直流電壓輸出性能特性，為達成上述發明目的，本發明係由控制驅動裝置、升壓電感器、矩陣式雙向電力開關裝置及多階倍壓整流裝置(Cockcroft-Walton cascade voltage multiplier)所組合構成；控制驅動裝置之控制策略是由具有電流模式控制功能之升壓式功率因數修正器與邏輯裝置所構成，其功率因數修正器之脈寬調變訊號經由邏輯裝置處理後的輸出訊號，即可觸發電力開關驅動電路驅動矩陣式雙向電力開關裝置。控制驅動裝置產生複數切換信號來控制矩陣式雙向電力開關裝置內部的電晶體，以此來調整升壓式交流-高壓直流轉換裝置之輸出電壓且實施功率因數修正；電感器作用於功率轉換，當雙向電力開關裝置內的電晶體只對輸入交流電源形成封閉電流路徑時，輸入交流電源對電感器儲能，反之，當輸入交流電源、矩陣式雙向電力開關裝置與輸出端連接的多階倍壓整流裝置三者形成封閉電流路徑時，電感器釋能，此時多階倍壓整流裝置將接收到交流電源與儲存於電感器中的電力，達到升壓的效果；多階倍壓整流裝置將雙向電力開關裝置調變過後的電力整流，輸出直流電壓提供直流負載使用。
請參閱圖1，為本發明之高電壓直流輸出用之交流/直流轉換器的系統架構圖，其中包含主硬體電路裝置101及控制驅動裝置106等部份，其中包括有單相的輸入電源電壓102、升壓電感器103、矩陣式雙向電力開關裝置104、多階倍壓整流裝置105等裝置。輸入電源電壓102為一般通用的弦式電壓；升壓電感器103主要是用來儲存輸入電源電壓102之能量，然後再將儲存的能量經過矩陣式雙向電力開關裝置104傳遞至多階倍壓整流裝置105的電容上。
請參閱圖2，為矩陣式雙向電力開關裝置104以及可能的雙向電力開關實施方式，雙向電力開關是一個具有雙向導通能力的電力開關，其圖2(a)為雙向電力開關201示意圖，圖2(b)為使用四個二極體14與一個閘極隔離電晶體(IGBT) 205所組成之高功率固態電子開關202，圖2(c)為使用兩個閘極隔離電晶體205反向並按所組成之高功率固態電子開關203，圖2(d)為使用兩個二極體206及兩個閘流隔離電晶體205反向串接而成之之高功率固態電子開關204。圖2中雖以閘流隔離電晶體為實例，然而其他功率半導體開關如金氧半場效電晶體(MOSFET)、雙按面電晶體(BJT)或閘流體(Thyristor)等均為等效的組合實施例；請參閱圖3，為多階倍壓整流裝置105之構成圖，是由多個一階倍壓整流裝置301串聯而成，而一階倍壓整流裝置301，是由兩組電容器302，二極體303組成；直流電源輸出304為本發明高效能之高壓直流電源供應器的直流電源輸出，可供給其他設備直流電源。
請參閱圖4，為本發明之控制驅動裝置的邏輯示意圖，由電流模式控制功能之升壓式功率因數修正器404接收直流電源電壓感測訊號401、輸入交流電源電流感測訊號402、直流電源電壓設定之外部傳送訊號403；直流電源電壓感測訊號401是偵測直流電源正端113/負端111兩端瞬時的電壓差，輸入交流電源電流感測訊號402是偵測節點107瞬時電流值，直流電源電壓設定之外部傳送訊號403為是偵測直流電源正端113/負端111兩端電壓差；電流模式控制功能之升壓式功率因數修正器404，以單週期控制(One Cycle Control,OCC)產生脈寬調變(PWM)訊號405，透過邏輯裝置406產生四個雙向電力開關控制訊號114來驅動矩陣式雙向電力開關裝置104。
請參閱圖5，為輸入電源電壓v s ，流經升壓電感器103之電流i L ，流入多階倍壓整流裝置正端109之電流i γ ，以及雙向電力開關控制訊號114S m 1,S m 2,S c 1,and S c 2之波形圖，其中當雙向開關S c 1是導通(trig high)的情況下，則S m 1與PWM訊號(trig PWM)相同，S c 1及S c 2，S m 1及S m 2的操作為互補的狀態，因此若當雙向開關S c 2是導通的情況下，則S m 2與PWM訊號相同。
以下為矩陣式雙向電力開關裝置104操作之電路分析假設輸入電流為一連續的電流波形，其與電源電壓同相位。在矩陣式雙向電力開關裝置104架構下的操作模式將依照輸入電源電壓102及多階倍壓整流裝置105之輸入端電流極性可分成四種操作模式，模式一、模式二、模式三及模式四之電路操作所相對應的電路導通路徑，分別如圖6至圖9所示。依照矩陣式雙向電力開關裝置105之輸入端電流的極性來區分電路導通的模式，則模式一及模式四則可稱之為正導通模式。模式一圖6及模式四圖9的電流i γ 為正值。反之，模式二圖7及模式三圖8的電流i γ 為負值，因此稱之為負導通模式。
狀態一：當輸入電源電壓為正值，並且雙向開關S c 1及S m 1導通與S c 2及S m 2截止時，此時為模式一之狀態一的導通情形，如圖6(a)所示。此時輸入電源電壓會將能量儲存於升壓電感器103之中。同時，全部二極體皆為截止的狀態。奇數電容全部開路，而偶數電容則是對負載放電。
狀態二及狀態三：當輸入電源電壓為正值，並且雙向開關S c 1及S m 2導通與S c 2及S m 1截止時，此時模式一有可能為狀態二或狀態三之導通情形，分別如圖6(b)或如圖6(c)所示。此主要是多階倍壓整流裝置105將只有一個偶數二極體導通，一般來說是先由D4導通一定時間後，再換由D2導通。然而不管是狀態二或是狀態三，其輸入電源電壓與升壓電感器103之能量將傳遞於多階倍壓整流裝置105中。此時，部分奇數電容會呈現開路的現象，也有部分奇數電容會呈現放電的現象(視二極體導通情形)；而部分偶數電容會呈現充電的現象，也有部分偶數電容會呈現對負載放電的現象。
狀態一：當輸入電源電壓為正值，並且雙向開關S c 2及S m 2導通與S c 1及S m 1截止時，此時為模式二之狀態一的導通情形，如圖7(a)所示。此模式二之狀態的導通情形與模式一之狀態一相同，其輸入電源電壓會將能量儲存於升壓電感器103之中。同時，全部二極體皆為截止的狀態。奇數電容全部開路，而偶數電容則是對負載放電。
狀態二及狀態三：當輸入電源電壓為正值，並且雙向開關S c 2及S m 1導通與S c 1及S m 2截時，此時模式二有可能為狀態二或狀態三之導通情形，分別如圖7(b)或如圖7(c)所示。此模式二之狀態二或狀態三與模式一之狀態二或狀態三的導通情形相反。在模式二之狀態二或狀態三下，其多階倍壓整流裝置105將只有一個奇數二極體繪導通，一般來說是先由D3導通一定時間後，再換由D1導通。然而不管是狀態二或是狀態三，其輸入電源電壓與升壓電感器103之能量將傳遞於多階倍壓整流裝置105中。此時，部分奇數電容會呈現開路的現象，也有部分奇數電容會呈現充電的現象(視二極體導通情形)；而偶數電容則會呈現放電的現象。
狀態一：當輸入電源電壓為負值，並且雙向開關S c 1及S m 1導通與S c 2及S m 2截止時，此時為模式三之狀態一的導通情形，如圖8(a)所示。此模式三之狀態一的導通情形與模式一之狀態一相同，差別於輸入電流的流向。此時輸入電源電壓也是將能量儲存於升壓電感器103之中。同時，全部二極體皆為截止的狀態。奇數電容全部開路，而偶數電容則是對負載放電。
狀態二及狀態三：當輸入電源電壓為負值，並且雙向開關S c 1及S m 2導通與S c 2及S m 1截止時，此時模式三有可能為狀態二或狀態三之導通情形，分別如圖8(b)或如圖8(c)所示。此主要是多階倍壓整流裝置105將只有一個奇數二極體導通，一般來說是先由D3導通一定時間後，再換由D1導通。然而不管是狀態二或是狀態三，其輸入電源電壓與升壓電感器103之能量將傳遞於多階倍壓整流裝置105中。此時，部分奇數電容會呈現開路的現象，也有部分奇數電容會呈現充電的現象(視二極體導通情形)；而偶數電容則會呈現放電的現象。
狀態一：當輸入電源電壓為負值，並且雙向開關S c 2及S m 2導通與S c 1及S m 1截止時，此時為模式四之狀態一的導通情形，如圖9(a)所示。此模式四之狀態一的導通情形與模式二之狀態一相同，差別於輸入電流的流向。此時輸入電源電壓會將能量儲存於升壓電感器103之中。同時，全部二極體皆為截止的狀態。奇數電容全部開路，而偶數電容則是對負載放電。
狀態二及狀態三：當輸入電源電壓為負值，並且雙向開關S c 2及S m 1導通與S c 1及S m 2截止時，此時模式四有可能為狀態二或狀態三之導通情形，分別如圖9(b)或如圖9(c)所示。此主要是多階倍壓整流裝置105將只有一個偶數二極體導通，一般來說是先由D4導通一定時間後，再換由D2導通。然而不管是狀態二或是狀態三，其輸入電源電壓與升壓電感器103之能量將傳遞於多階倍壓整流裝置105中。此時，部分奇數電容會呈現開路的現象，也有部分奇數電容會呈現放電的現象(視二極體導通情形)；而部分偶數電容會呈現充電的現象，也有部分偶數電容會呈現對負載放電的現象。
由以上四種操作模式及各導通狀態可發現，模式一及模式三的開關操作是相同的，但因輸入電源電壓的極性，使得模式一是操作在正導通模式，而模式三是操作在負導通模式。同樣地，模式二及模式四的開關操作也是相同的，但也是因輸入電源電壓的極性，使得模式二是操作在負導通模式，而模式四是操作在正導通模式。
本發明之透過矩陣式雙向電力開關裝置104來達成調整電流之波形效果以及調整直流輸出電壓值，藉由升壓電感器103進行昇壓，不需要使用變壓器，增進倍壓電路適用場合，提供一高效能、高功率因數、低電流失真及可調之輸出直流電壓等功能。
101．．．系統電路架構
102．．．輸入交流電源
103．．．升壓電感器
104．．．矩陣式雙向電力開關裝置
105．．．多階倍壓整流裝置
106．．．控制驅動裝置
107．．．矩陣式雙向電力開關裝置輸入正端
108．．．矩陣式雙向電力開關裝置輸入負端
109．．．多階倍壓整流裝置正端
110．．．多階倍壓整流裝置負端
111．．．直流電源負端
112．．．直流負載
113．．．直流電源正端
114．．．雙向電力開關控制訊號
201．．．雙向電力開關
202．．．高功率固態電子開關
203．．．高功率固態電子開關
204．．．高功率固態電子開關
205．．．閘極隔離電晶體(IGBT)
206．．．二極體
301．．．一階倍壓整流裝置
302．．．電容器
303．．．二極體
401．．．直流電源電壓感測訊號
402．．．輸入交流電源電流感測訊號
403．．．直流電源電壓設定之外部傳送訊號
404．．．電流模式控制功能之升壓式功率因數修正器
405．．．脈寬調變(PWM)訊號
406．．．邏輯裝置
407．．．雙向電力開關訊號交替頻率f s
408．．．邏輯閘AND
409．．．邏輯閘NOT
410．．．邏輯閘AND
411．．．邏輯閘OR
412．．．邏輯閘OR
501．．．電壓感測器
502．．．運算放大器
503．．．輸出直流電壓訊號
504．．．電流感測器
505．．．輸入電源電流訊號
圖1本發明之高電壓直流輸出之交/直流轉換器系統架圖
圖2矩陣式雙向電力開關裝置
圖3多階倍壓整流裝置
圖4控制驅動裝置
圖5 電壓v s ，電流i L 、i γ ，以及雙向電力開關觸發訊號S m 1、S m 2、S c 1and S c 2之波形圖
圖6模式一之電路導通路徑
圖7模式二之電路導通路徑
圖8模式三之電路導通路徑
圖9模式四之電路導通路徑
101．．．系統電路架構
102．．．輸入交流電源
103．．．升壓電感器
104．．．矩陣式雙向電力開關裝置
105．．．多階倍壓整流裝置
106．．．控制驅動裝置
107．．．矩陣式雙向電力開關裝置輸入正端
108．．．矩陣式雙向電力開關裝置輸入負端
109．．．多階倍壓整流裝置正端
110．．．多階倍壓整流裝置負端
111．．．直流電源負端
112．．．直流負載
113．．．直流電源正端
Claims (4)
- 一種高壓直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，包括：一矩陣式雙向電力開關裝置耦接升壓電感器以及一多階倍壓整流裝置；一控制驅動裝置接收直流電源電壓、輸入交流電源電流、直流電源電壓，根據接收的訊號為雙向電力開關之閘極產生控制電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述之高壓直流電壓輸出之交流/直流轉換器，其中該矩陣式雙向電力開關裝置進一步包含：雙向電力開關係可為高功率固態電子開關，而此電子開關係由功率半導體元件所組成。
- 如申請專利範圍第1項所述之高壓直流電壓輸出之交流/直流轉換器，其中該多階倍壓整流裝置可由任意整數組之一階倍壓整流裝置串接而成。
- 如申請專利範圍第1項所述之高壓直流電壓輸出之交流/直流轉換器，其中控制驅動裝置包含：一電流模式控制功能之升壓式功率因數修正器，產生功率因數修正一脈波調變(PWM)信號；以及一邏輯裝置，將上述脈波調變(PWM)訊號與一交替頻率f s 之方波訊號，經本發明邏輯運算之規劃，產生控制訊號。
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|---|---|---|---|
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| TW100127679A TWI441431B (zh) | 2011-08-04 | 2011-08-04 | 具有功因校正功能之單級升壓式交流－高壓直流轉換裝置 |
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| CN105529934A (zh) * | 2015-12-03 | 2016-04-27 | 上海应鑫电气自动化有限公司 | 一种一步式三相升压型矩阵变换器及其拓扑结构 |
| CN113659852A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-11-16 | 广东志成冠军集团有限公司 | 开关电容谐振倍压整流变换器及其控制方法、控制系统 |
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