TW201308863A - 五階式直流轉交流電源電路 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種五階式直流轉交流電源電路，係主要包含有串/並聯電容器組及一全橋開關電路，該串/並聯電容器組包含二儲能電容，該兩儲能電容係透過一電子開關串聯連接後與一直流電源電路連接，再以二個二極體分別將此二儲能電容的另一端連接至該直流電源的正極及負載；當該電子開關在啟閉不同狀態下，二儲能電容分別為串聯及並聯連接，分別提供該全橋開關電路兩倍直流電壓及一倍直流電壓，此時全橋開關電路再依據正半週或負半週建立不同放電路徑，交替輸出正半週的三階式電壓準位及負半週的三階式電位準位的交流電壓，實現以五顆電子開關將直流電源轉換為五階式電壓準位變化的交流電源後輸出，不僅電路精簡、成本低。

Description

五階式直流轉交流電源電路
本發明係關於一種五階式直流轉交流電源電路，尤其是一種具有簡化電路設計及電子零件成本的五階式直流轉交流電源電路。
能源開發及應用向來是全球關注的焦點，各國無不致力於新能源開發或尋找替代能源，以因應石油耗竭來臨之日。配合目前環保議題，常見替代能源不外乎有太陽能、風力、水力等等，主要利用大自然本身能量轉換為電能，供人類使用，實現該些能量轉換電能的裝置中，直流轉交流電源電路即是不可或缺的必要裝置。
由於全球建構電力網的電源形式為交流電源，因此藉由直流轉交流電源電路，即能順利地將各種能量發電裝置所輸出的直流電源轉換為交流電源，再饋入電力網中，達到供電目的。一般來說，直流轉交流電源電路早期以半橋式電能轉換器實現二階式直流轉交流電源電路，進而改變成以全橋式電能轉換器實現三階式直流轉交流電源電路，再到現今發展出的多階式直流轉交流電源電路，形態不盡相同。
請參閱圖4所示，係以二極體箝位式電能轉換器為實現一種單相三階式直流轉交流電源電路，係包含有：二串聯儲能電容50、51，其二端係連接一直流匯流排52，提供V+、V-端點連接一外部直流電源；及二串聯半橋開關電路53、54，係連接於該直流匯流排52，其中各半橋開關電路53、54的串聯節點透過一逆向二極體55、56連接至二電容50、51的串聯節點；其中二半橋開關電路53、54的串聯節點及該二電容串聯節點係連接一交流電源輸出埠57。
上述單相三階式直流轉交流電源電路係藉由控制二半橋開關電路53、54的電力電子開關交替切換，將二串聯儲能電容50、51的直流電壓轉換為交流電壓後輸出；其中每次電力電子開關切換所造成的電壓變化均為一儲能電容50、51的電壓，令輸出的交流電源之電壓準位有三階變化，但由於輕載時二儲能電容50、51之電壓並不容易達到相等，故此種二極體箝位式電能轉換器在輕載狀態下控制電力電子開關時，必須考慮二儲能電容50、51之電壓的均等，才能穩定輸出交流電源。
請再參閱圖5所示，係為另一種單相三階飛輪電容式電能轉換器所實現一種單相三階式直流轉交流電源電路，主要也是由二串聯儲能電容60、61及二串聯半橋開關電路62、63組成，但二半橋開關電路60、61的串聯節點之間連接另一個儲能電容64；其動作原理與上述二極體箝位式電能轉換器大致相同，惟控制二半橋開關電路62、63時，為達到輸出交流電壓的穩定，必須考慮儲能電容60、61及64電壓的充電時間與放電時間，整體而言，控制二半橋開關電路62、63的電子開關較為複雜。
想當然爾，愈高階的直流轉交流電源電路其電路及控制電力電子切換方式愈形複雜。請參閱圖6所示，一種五階式直流轉交流電源電路包含有：二儲能電容70、71，係分別連接二直流匯流排701、702，提供V1+、V1-/V2+、V2-端點連接二組直流電源；及二全橋開關電路72、73，係分別與對應的儲能電容70、71並聯，其中二全橋開關電路72、73的二輸出節點係相互連接，而另二輸出節點則連接一交流電源輸出埠74。
由上述電路架構可知，為了輸出五階電壓準位變化的交流電源，除了採用二全橋開關電路72、73外，各儲能電容70、71必須各自連接一直流電源至V1+、V1-/V2+、V2-端點；簡言之，此一五階式直流轉交流電源電路必須使用二全橋開關電路72、73共計包含八個電子開關，除電路設計複雜且成本高以外，同樣基於儲能電容70、71電壓的均壓及穩壓考量，使得控制二全橋開關電路的電子開關切換之控制變得更為複雜。
有鑑於上述現有五階式直流轉交流電源電路的技術缺點，本發明主要目的係提供一種具有簡化電路及電子元件的五階式直流轉交流電源電路，並兼具儲能電容之電壓的均等功效。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該五階式直流轉交流電源電路包含有：一串/並聯電容器組，其包含二儲能電容、一電子開關及二個二極體，該二儲能電容再透過該電子開關串聯連接，再連接於一直流匯流排的正極及負極之間，其中一個二極體的陽極係連接至該電子開關與其中一儲能電容的串接節點，而陰極則連接至該直流匯流排的正極；另一個二極體的陽極係連接至該直流匯流排的負極，而陰極則連至該電子開關與另一儲能電容的串接節點，該二儲能電容之兩端亦各別連接至一電源電路，該電源電路係連接一直流電源；一全橋開關電路，係連接於該直流匯流排的正極及負極之間，並包含二並聯的第一半橋開關電路及第二半橋開關電路，該第一半橋開關電路及第二半橋開關電路均由兩電子開關串聯組成，其中第一及第二半橋開關電路的電子開關串接節點係連接至一交流電源輸出埠；及一控制器，係連接上述該串/並聯電容器組及該全橋開關電路之電子開關，並於交流電源的各半週期內依序切換該串/並聯電容器組及該全橋開關電路之電子開關，使該五階式直流轉交流電源電路於交流電源的各半週期在該交流電源輸出埠產生含有三階電壓準位(含零電壓準位)變化之電壓。
上述本發明主要控制該串/並聯電容器組之電子開關的啟閉，令二儲存電容配合該兩個二極體為等效並聯或串聯，提供兩個電壓準位，再依據正半週或負半週控制該全橋開關電路之第一及第二半橋開關電路的其中一對應電子開關開啟導通，讓交流電源輸出埠交替輸出正半週的三階式電壓準位(含零電壓準位)及負半週的三階式電位準位(含零電壓準位)的交流電壓；是以，本發明的控制器確實只要控制五顆開關即能將直流電源轉換為五階式電壓準位變化的交流電源後輸出，不僅電路精簡、成本低，且較容易達到儲能電容電壓均等的功效。
首先請參閱圖1所示，係為本發明五階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖，其包含有：一串/並聯電容器組1，其包含二儲能電容10、11、一電子開關12及二個二極體14、15，二儲能電容10、11，係透過一電子開關12串聯連接，再連接於一直流匯流排13的正極131及負極132，該二儲能電容10、11之兩端亦各別連接至一電源電路，該電源電路係連接一直流電源，該電源電路供應電能給該二儲能電容10、11；於本實施例中，此二儲能電容10、11的電容值相同，而電子開關12係為一IGBT或MOSFET等之電晶體元件；一個二極體14的陽極係連接至該電子開關12與其中一儲能電容11的串接節點，而陰極則連接至該直流匯流排的正極131；另一個二極體15的陽極係連接至該直流匯流排的負極132，而陰極則連至該電子開關12與另一儲能電容10的串接節點；一全橋開關電路20，係連接於該直流匯流排13的正極131及負極132之間，並包含二並聯的第一半橋開關電路21及第二半橋開關電路22，該第一半橋開關電路21由兩電子開關211、212串聯組成，該第二半橋開關電路22由兩電子開關221、222串聯組成，其中第一及第二半橋開關電路21、22的兩電子開關串聯節點係可透過一濾波電路23連接至一交流電源輸出埠25；請參閱圖2A所示，該濾波電路23係為一階低通濾波器，亦可如圖2B所示，該濾波電路23a亦可採用二階低通濾波器；此外，各電子開關係為IGBT或MOSFET等之電晶體元件，且各電晶體元件並聯一附屬二極體D1~D4；及一控制器24，係連接該串/並聯電容器組1之電子開關12的控制端Q5及第一與第二半橋開關電路21、22之電子開關211、212、221、222的控制端Q1~Q4，並於交流電源的各半週期內產生有三階電壓準位(含零電壓準位)變化。
請配合參閱圖3所示，係為上述控制器24分別於正半週及負半週執行的時序圖；以下謹進一步說明本發明輸出一個完整交流電壓VS週期的控制過程，假設二儲能電容10、11之電壓均趨近於一直流電壓Vds。
1.交流電源VS的正半週控制時序：於交流電源VS正半週，本發明的全橋開關電路20應輸出三階電壓準位變化的正電位電壓波形(含零電壓)；於交流電源VS正半週時，控制器24令該第一半橋開關電路21的下臂電子開關212及該第二半橋開關電路22的上臂電子開關221持續關閉。
當交流電源VS小於Vds時，令電子開關12持續關閉不導通，此時二儲能電容10、11因電子開關12不導通而不再串聯，但卻藉由二個二極體14、15構成並聯連接，而對全橋開關電路20提供一倍直流電壓Vds。在此同時，控制器24輸出高頻脈寬調變訊號(PWM)至該第一半橋開關電路21的上臂電子開關211，使該上臂電子開關211進行導通與截止，並令第二半橋開關電路22的下臂電子開關222持續導通，當上臂電子開關211導通時，該全橋開關電路20輸出一倍正電位的直流電壓+Vds；而當上臂電子開關211截止時，由於該濾波電路23含電感器，其電流將使該第一半橋開關電路的下臂電子開關212之二極體D2導通，使得該全橋開關電路20輸出零電壓。
當交流電源VS小於Vds時，亦可為另一種操作方式，該控制器24輸出高頻脈寬調變訊號(PWM)至該第二半橋開關電路22的下臂電子開關222，使該下臂電子開關222進行導通與截止，並令第一半橋開關電路21的上臂電子開關211持續導通，當下臂電子開關222導通時，該全橋開關電路20輸出一倍正電位的直流電壓+Vds；而當下臂電子開關222截止時，由於該濾波電路23含電感器，其電流將使該上臂電子開關221之二極體D3導通，該全橋開關電路20將輸出零電壓。綜合以上所述，當交流電源VS正半週且小於Vds時，該全橋開關電路20輸出電壓將於電壓準位+Vds與零之間切換。
接著當交流電源VS大於Vds時，該控制器24輸出一高頻脈寬調變訊號(PWM)控制該電子開關12，使該電子開關12進行導通與截止，控制器24並令該第一半橋開關電路21的上臂電子開關211及第該二半橋開關電路22的下臂電子開關222持續導通，當該電子開關12導通時，讓二儲能電容10、11串聯連接，以對全橋開關電路20提供兩倍直流電壓2Vds，該全橋開關電路20將輸出一兩倍正電位的直流電壓+2Vds；而當該電子開關12截止時，該二儲能電容10、11經由該二個二極體14、15並聯以對全橋開關電路20提供一倍直流電壓Vds，而該全橋開關電路20將輸出一倍正電位的直流電壓+Vds。因此，當交流電源VS正半週且大於Vds時，該全橋開關電路20輸出電壓將於電壓準位+2Vds與+Vds之間切換。
綜合以上所述，當交流電源VS正半週時，該全橋開關電路20將隨著交流電源VS之大小，輸出含三階電壓準位(+2Vds、+Vds與0)變化的電壓波形。
2.交流電源VS的負半週控制時序：於交流電源VS負半週，本發明的全橋開關電路20應輸出三階電壓準位變化(含零電壓)的負電位電壓波形；於交流電源VS負半週時，控制器24令該第一半橋開關電路21的上臂電子開關211及該第二半橋開關電路22的下臂電子開關222持續關閉。
當交流電源VS之絶對值小於Vds時，令電子開關12持續關閉不導通，此時二儲能電容10、11因電子開關12不導通而不再串聯，但卻藉由二個二極體14、15構成並聯連接，而對全橋開關電路20提供一倍直流電壓Vds。在此同時，控制器24輸出高頻脈寬調變訊號(PWM)至該第一半橋開關電路21的下臂電子開關212，使該下臂電子開關212進行導通與截止，並令第二半橋開關電路22的上臂電子開關221持續導通，當上臂電子開關212導通時，該全橋開關電路20輸出一倍負電位的直流電壓-Vds；而當下臂電子開關212截止時，由於該濾波電路23含電感器，其電流將使該上臂電子開關211之二極體D1導通，該全橋開關電路20將輸出零電壓。
當交流電源VS之絶對值小於Vds時，亦可為另一種操作方式，控制器24輸出高頻脈寬調變訊號(PWM)至該第二半橋開關電路22的上臂電子開關221，使該電子開關221進行導通與截止，並令第一半橋開關電路21的下臂電子開關212持續導通，當電子開關221導通時，該全橋開關電路20輸出一倍負電位的直流電壓-Vds；而當上臂電子開關221截止時，由於該濾波電路23含電感器，其電流將使該下臂電子開關222之二極體D4導通，該全橋開關電路20將輸出零電壓。綜合以上所述，當交流電源VS負半週且其絶對值小於Vds時，該全橋開關電路20輸出電壓將於電壓準位-Vds與零之間切換。
接著當交流電源VS之絶對值大於Vds時，該控制器24輸出一高頻脈寬調變訊號(PWM)控制該電子開關12，使該電子開關12進行導通與截止，控制器24並令該第一半橋開關電路21的下臂電子開關212及第該二半橋開關電路22的上臂電子開關221持續導通，當該電子開關12導通時，讓二儲能電容10、11串聯連接，以對全橋開關電路20提供兩倍直流電壓2Vds，而該全橋開關電路20將輸出一兩倍負電位的直流電壓-2Vds；而當該電子開關12截止時，該二儲能電容10、11經由該二極體14及15並連而輸出一倍直流電壓Vds，而該全橋開關電路20將輸出一倍負電位的直流電壓-Vds。因此，當交流電源VS負半週且其絶對值大於Vds時，該全橋開關電路20輸出電壓將於電壓準位-2Vds與-Vds之間切換。
綜合以上所述，當交流電源VS負半週時，該全橋開關電路20將隨著交流電源VS之大小，輸出含三階電壓準位(-2Vds、-Vds與0)變化的電壓波形。
綜合以上正、負半週控制時序所述，本發明五階式直流轉交流電源電路主要控制該串/並聯電容器組1之該電子開關12的啟閉，令二儲存電容10、11配合二個二極體14、15為等效並聯或串聯，提供兩階電壓給全橋開關電路20，而該全橋開關電路20再將其轉換成含五階電壓(2Vds、Vds、0、-Vds與-2Vds)之輸出電壓，經適當控制，該全橋開關電路20輸出之五階電壓經該濾波電路23可產生一弦波輸出電流注入交流電源Vs。當二儲存電容10、11配合二個二極體14、15為等效並聯供應該全橋開關電路20時，若二儲存電容10、11之電壓不相等，則該二儲存電容10、11中僅有較高電壓者將提供電能，而較低電壓者則不提供電能，這將使得較高電壓之儲存電容之電壓下降，使得二儲存電容10、11自動達成電壓均等之效能，不須額外控制電路，相較於其它多階直流轉交流電源電路要控制其儲存電容電壓之均等上，本發明五階式直流轉交流電源電路有其進步性，且相較於其它五階直流轉交流電源電路，本發明五階式直流轉交流電源電路只使用兩個二極體及五個電子開關，可有效簡化電力電路，降低製造成本，本發明的控制器確實只要控制五顆開關即能將直流電源轉換為五階式電壓準位變化的交流電源後輸出，不僅電路精簡成本低，整體的控制方法亦不複雜，且較容易達到均壓的功效。
1．．．串/並聯電容器組
10、11．．．儲能電容
12．．．電子開關
13．．．直流匯流排
131．．．正極
132．．．負極
14、15．．．二極體
20．．．全橋開關電路
21．．．第一半橋開關電路
211．．．上臂電子開關
212．．．下臂電子開關
22．．．第二半橋開關電路
221．．．上臂電子開關
222．．．下臂電子開關
23、23a．．．濾波電路
24．．．控制器
25．．．交流電源輸出埠
50、51．．．儲能電容
52．．．直流匯流排
53、54．．．半橋開關電路
55、56．．．逆向二極體
57．．．交流電源輸出埠
60、61．．．儲能電容
62、63．．．半橋開關電路
64．．．儲能電容
70、71．．．儲能電容
701．．．第一直流匯流排
711．．．第一直流匯流排
72、73．．．全橋開關電路
74．．．交流電源輸出埠
圖1：係本發明詳細電路圖。
圖2A：係本發明濾波電路的一詳細電路圖。
圖2B：係本發明濾波電路的另一詳細電路圖。
圖3：係本發明時序波形圖。
圖4：係一習知技術之單相三階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖。
圖5：係另一習知技術之單相三階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖。
圖6：係五階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖。
1．．．串/並聯電容器組
10、11．．．儲能電容
12．．．電子開關
13．．．直流匯流排
131．．．正極
132．．．負極
14、15．．．二極體
20．．．全橋開關電路
21．．．第一半橋開關電路
211．．．上臂電子開關
212．．．下臂電子開關
22．．．第二半橋開關電路
221．．．上臂電子開關
222．．．下臂電子開關
23、23a．．．濾波電路
24．．．控制器
25．．．交流電源輸出埠

Claims (8)

  1. 一種五階式直流轉交流電源電路，係包含有：一串/並聯電容器組，其包含二儲能電容、一電子開關及二個二極體，該二儲能電容透過該電子開關串聯連接，再連接於一直流匯流排的正極及負極之間，其中一個二極體的陽極係連接至該電子開關與其中一儲能電容的串接節點，而陰極則連接至該直流匯流排的正極；另一個二極體的陽極係連接至該直流匯流排的負極，而陰極則連至該電子開關與另一儲能電容的串接節點；一全橋開關電路，係連接於該直流匯流排的正極及負極之間，並包含二並聯的第一半橋開關電路及第二半橋開關電路，該第一半橋開關電路及第二半橋開關電路均由一上臂電子開關及一下臂電子開關串聯組成，其中該第一及第二半橋開關電路的上臂及下臂電子開關串聯節點係連接至一交流電源輸出埠；及一控制器，係連接該串/並聯電容器組之該電子開關及該全橋開關電路之電子開關，控制該串/並聯電容器組之該電子開關的啟閉，令二儲存電容配合該二個二極體為等效並聯或串聯，提供兩階電壓給該全橋開關電路，控制該全橋開關電路之電子開關再將該兩階電壓轉換成含五階電壓準位之輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之五階式直流轉交流電源電路，該第一及第二半橋開關電路的串接節點係透過一濾波電路連接至該交流電源輸出埠。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之五階式直流轉交流電源電路，該濾波電路係為一階低通濾波器。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之五階式直流轉交流電源電路，該濾波電路係為二階低通濾波器。
  5. 如申請專利範圍第1至4項任一項所述之五階式直流轉交流電源電路，各電子開關為一IGBT或MOSFET等之電晶體元件並聯一附屬二極體。
  6. 如申請專利範圍第5所述之五階式直流轉交流電源電路，該二儲能電容的電容值相同，且每一個儲能電容提供一倍直流電壓。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之五階式直流轉交流電源電路，當交流電源正半週，該第一半橋開關電路的下臂電子開關及該第二半橋開關電路的上臂電子開關持續關閉，當交流電源小於一倍直流電壓時，令該串/並聯電容器組之該電子開關持續關閉不導通，該二儲能電容藉由該二個二極體構成並聯連接，而對全橋開關電路提供一倍直流電壓，而該第一半橋開關電路的上臂電子開關及第二半橋開關電路的下臂電子開關中之一進行脈寬調變切換，而另一個則持續導通，該全橋開關電路之輸出電壓將於一倍直流電壓及零電壓間切換；接著當交流電源大於一倍直流電壓時，該串/並聯電容器組之該電子開關進行脈寬調變切換，而該第一半橋開關電路的上臂電子開關及第該二半橋開關電路的下臂電子開關持續導通，該全橋開關電路輸出電壓將於兩倍直流電壓與一倍直流電壓之間切換。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之五階式直流轉交流電源電路，當交流電源負半週，該第一半橋開關電路的上臂電子開關及該第二半橋開關電路的下臂電子開關持續關閉，當交流電源之絶對值小於一倍直流電壓時，令該串/並聯電容器組之該電子開關持續關閉不導通，該二儲能電容藉由該二個二極體構成並聯連接，而對全橋開關電路提供一倍直流電壓，而該第一半橋開關電路的下臂電子開關及第二半橋開關電路的上臂電子開關中之一進行脈寬調變切換，而另一個則持續導通，該全橋開關電路之輸出電壓將於負的一倍直流電壓及零電壓間切換；接著當交流電源之絶對值大於一倍直流電壓時，該串/並聯電容器組之該電子開關進行脈寬調變切換，而該第一半橋開關電路的下臂電子開關及第該二半橋開關電路的上臂電子開關持續導通，該全橋開關電路輸出電壓將於負的兩倍直流電壓與負的一倍直流電壓之間切換。
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