TW201320577A - 非隔離型逆變器及其相關的控制方式與應用 - Google Patents

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Abstract

一種非隔離型逆變器，其包括：直流輸入側、與直流輸入側並接的電容、與負載並接的交流輸出側，以及第一與第二橋臂單元。第一與第二橋臂單元係與電容並接。第一橋臂單元包括同向串接的上開關元件與下開關元件，其中上開關元件與下開關元件的共節點以及該第二橋臂單元的供應端分別連接至交流輸出側的兩端。上開關元件與下開關元件分別於非隔離型逆變器之輸出電流的正、負半周期導通，且上開關元件與下開關元件之間的箝位作用得以抑制了非隔離型逆變器中共模電流的產生（因為非隔離逆變器對地的寄生電容上沒有高頻電壓）。

Description

非隔離型逆變器及其相關的控制方式與應用
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種非隔離型逆變器及其相關的控制方式與應用。
逆變器(inverter)為一種電源轉換裝置，其通常是通過功率半導體器件(例如SCR、GTO、GTR、IGBT或者功率MOSFET)的切換把直流輸入電能(電源)轉換為交流輸出電能(電源)。
光伏並網系統(photovoltaic grid-connected system)中常採用帶工頻或高頻變壓器的隔離型光伏並網逆變器，這樣確保了電網和光伏並網系統之間的電氣隔離，從而提供人身保護以及避免了光伏並網系統和地之間的共模電流(即，漏電流)。然而，工頻變壓器的缺點有體積大、重量重且價格昂貴；另一方面，若採用高頻變壓器，則功率轉換電路將會被分成數級，從而不但使得功率轉換電路的控制複雜化，而且還同時降低了系統效率。
為了克服帶有變壓器之隔離型光伏並網系統的不足/問題，一種無變壓器的非隔離型逆變器便被發展了出來。無變壓器的非隔離型單相光伏並網逆變器具有體積小、效率高、價格低的特點/優點，其中最突出的優點是能夠將整個系統效率提高到97~98%。因此，無變壓器的非隔離型逆變器拓撲非常適用於發電成本較高的光伏並網系統，以 至於無變壓器的非隔離型逆變器拓撲被廣泛地應用在小功率光伏並網系統中。然而，在無變壓器的非隔離型光伏並網系統中，電網和光伏陣列之間存在電氣連接。由於光伏陣列和地之間存在寄生電容，故而會產生共模電流(即，漏電流)，這便增加了電磁輻射和安全隱患。
有鑒於此，本發明係提供一種能夠有效抑制非隔離型逆變器中共模電流產生的非隔離逆變器及其相關的控制方式與應用(例如：光伏並網系統，但並不限制於此)，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明之一示範性實施例提供一種非隔離型逆變器，其包括：直流輸入側、電容、交流輸出側、第一橋臂單元，以及第二橋臂單元。其中，電容與直流輸入側並接。交流輸出側與負載並接。第一橋臂單元的上端連接至電容的第一端，而第一橋臂單元的下端則連接至電容的第二端。第一橋臂單元包括連接於第一橋臂單元的上端與下端之間且同向串接的第一上開關元件與第一下開關元件，其中第一上開關元件與第一下開關元件的共節點連接至交流輸出側的第一端。
第二橋臂單元的上端連接至電容的第一端，第二橋臂單元的下端連接至電容的第二端，而第二橋臂單元的供應端則耦接至交流輸出側的第二端。在非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，第一下開關元件為導通，而第一上開 關元件為關閉。在非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，第一上開關元件為導通，而第一下開關元件為關閉。在此條件下，第一上開關元件與第一下開關元件之間的箝位作用得以抑制了非隔離型逆變器中共模電流的產生。
於本發明的一示範性實施例中，第二橋臂單元包括：第一組第二橋臂子單元。第一組第二橋臂子單元包括：第一電感以及連接於第二橋臂單元的上端與下端之間且同向串接的第二上開關元件與第二下開關元件。其中，第二上開關元件與第二下開關元件的共節點連接至第一電感的第一端，而第一電感的第二端則耦接至第二橋臂單元的供應端。
於本發明的一示範性實施例中，第一與第二上開關元件以及第一與第二下開關元件皆為開關管，且所有開關管皆以可控制開關來實施。在此條件下，所提之非隔離型逆變器可以更包括：控制電路，其經配置以反應於直流輸入側的輸入電壓訊號、交流輸出側的輸出電壓訊號以及第一電感的電感電流訊號來控制第一與第二上開關元件以及第一與第二下開關元件的切換。其中，控制電路至少能夠以數位訊號處理器來實施，且控制電路係以電感電流臨界模式(critical inductor current mode,CRM)來控制非隔離型逆變器。
於本發明的一示範性實施例中，在第一與第二上開關元件以及第一與第二下開關元件皆為開關管的條件下，在非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，第一電感的電流 於第一下開關元件與第二上開關元件為導通以及第一上開關元件以及第二下開關元件為關閉時增加；在非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，第一電感的電流於第一與第二下開關元件為導通以及第一與第二上開關元件為關閉時下降；在非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，第一電感的電流於第一上開關元件與第二下開關元件為導通以及第一下開關元件以及第二上開關元件為關閉時增加；以及在非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，第一電感的電流於第一與第二上開關元件為導通以及第一與第二下開關元件為關閉時下降。
於本發明的一示範性實施例中，對應於第二上開關元件與第二下開關元件的每一開關管可以包括並接在一起的絕緣閘雙極電晶體(IGBT)與快速恢復二極體。
於本發明的一示範性實施例中，第二橋臂單元可以更包括：第二組第二橋臂子單元。第二組第二橋臂子單元包括：第二電感以及連接於第二橋臂單元的上端與下端之間且同向串接的第三上開關元件與第三下開關元件。其中，第三上開關元件與第三下開關元件的共節點連接至第二電感的第一端，而第二電感的第二端則耦接至第二橋臂單元的供應端。
於本發明的一示範性實施例中，第一至第三上開關元件以及第一至第三下開關元件皆可以為開關管，且所有開關管皆以可控制開關來實施。在此條件下，所提之非隔離逆變器可以更包括：控制電路，其經配置以反應於直流輸 入側的輸入電壓訊號、交流輸出側的輸出電壓訊號以及第一與第二電感的電感電流訊號來控制第一至第三上開關元件以及第一至第三下開關元件的切換。相似地，控制電路至少能夠以數位訊號處理器來實施，且控制電路係以電感電流臨界模式(CRM)來控制非隔離型逆變器。
於本發明的一示範性實施例中，第一上開關元件與第一下開關元件皆為開關管。另外，第二上開關元件與第二下開關元件之其一以及第三上開關元件與第三下開關元件之其一為二極體，而第二上開關元件與第二下開關元件之另一以及第三上開關元件與第三下開關元件之另一為開關管。
於本發明的一示範性實施例中，第二上開關元件與第三下開關元件為二極體，第二下開關元件與第三上開關元件為開關管，且所有開關管皆以可控制開關來實施。在此條件下，所提之非隔離型逆變器可以更包括：控制電路，其經配置以反應於直流輸入側的輸入電壓訊號、交流輸出側的輸出電壓訊號以及第一與第二電感的電感電流訊號來控制第一至第三上開關元件以及第一至第三下開關元件的切換。相似地，控制電路至少能夠以數位訊號處理器來實施，且控制電路係以電感電流臨界模式(CRM)來控制非隔離型逆變器。
於本發明的一示範性實施例中，在第一上開關元件與第一下開關元件皆為開關管、第二上開關元件與第三下開關元件為二極體以及第二下開關元件與第三上開關元件為 開關管的條件下，在非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，第二電感的電流於第一下開關元件與第三上開關元件為導通以及第一上開關元件與第二下開關元件為關閉時增加；在非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，第二電感的電流於第一下開關元件為導通以及第一上開關元件、第二下開關元件與第三上開關元件為關閉時透過第三下開關元件以進行續流；在非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，第一電感的電流於第一上開關元件與第二下開關元件為導通以及第一下開關元件與第三上開關元件為關閉時增加；以及在非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，第一電感的電流於第一上開關元件為導通以及第一下開關元件、第二下開關元件與第三上開關元件為關閉時透過第二上開關元件以進行續流。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之非隔離型逆變器10的示意圖。請參照圖1，非隔離型逆變器10包括：直流輸入側IN、電容C、交流輸出側OUT、第一橋臂單元101、 第二橋臂單元102，以及控制電路103。其中，直流輸入側IN用以接收直流輸入電源Vin。交流輸出側OUT與負載LD並接，且用以提供交流輸出電源Vout給負載LD。
電容C與直流輸入側IN並接。第一橋臂單元101的上端UT1連接至電容C的第一端，而第一橋臂單元101的下端LT1則連接至電容C的第二端。於本示範性實施例中，第一橋臂單元101包括連接於第一橋臂單元101的上端UT1與下端LT1之間且同向串接的第一上開關元件S1與第一下開關元件S2，其中第一上開關元件S1與第一下開關元件S2的共節點連接至交流輸出側OUT的第一端。
第二橋臂單元102的上端UT2連接至電容C的第一端，第二橋臂單元102的下端LT2連接至電容C的第二端，而第二橋臂單元102的供應端ST則耦接至交流輸出側OUT的第二端。基此，可以得知的是，第一橋臂單元101與第二橋臂單元102係並接在一起。
於本示範性實施例中，第二橋臂單元102包括第一組第二橋臂子單元102-1。第一組第二橋臂子102-1單元包括電感L以及連接於第二橋臂單元102的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的第二上開關元件S3與第二下開關元件S4。其中，第二上開關元件S3與第二下開關元件S4的共節點連接至電感L的第一端，而電感L的第二端則耦接至第二橋臂單元102的供應端ST。
於此值得一提的是，在本示範性實施例中，第一與第二上開關元件(S1,S3)以及第一與第二下開關元件(S2, S4)皆可以為開關管(switch-tube)，且所有開關管皆可以採用可控制開關(controllable switch)來實施，例如：帶有本體二極體的MOSFET，但並不限制於此。
控制電路103可經配置以反應於直流輸入側IN的輸入電壓訊號(即，直流輸入電源Vin)、交流輸出側OUT的輸出電壓訊號(即，交流輸出電源Vout)以及電感L的電感電流訊號(即，電感電流檢測訊號iL)產生相應的控制訊號Vgs(S1,S2,S3,S4)來控制第一與第二上開關元件(S1,S3)以及第一與第二下開關元件(S2,S4)的切換。其中，交流輸出側OUT的輸出電壓訊號(即，交流輸出電源Vout)可以透過差分檢測電路104以進行檢測，但並不限制於此。
於本示範性實施例中，控制電路103至少能夠以數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)來實施，但並不限制於此。換言之，控制電路103亦可採用類比電路架構來實施。此外，控制電路103係以電感電流臨界模式(critical inductor current mode,CRM)來控制非隔離型逆變器10。
更清楚來說，圖2繪示為圖1之非隔離型逆變器10的操作波形圖。請合併參照圖1與圖2，於本示範性實施例中，控制電路103可以產生一輸出電流參考訊號(iref)301。基此，其中，在非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)的正半周期，第一下開關元件S2為導通(turned-on)，而第一上開關元件S1為關閉(turned-off)。 在此條件下，當電感電流檢測訊號iL大於零且小於輸出電流參考訊號(iref)301時，第二上開關元件S3為導通，而第二下開關元件S4為關閉，藉此電感L的電流將如同電流波形300般的上升(即，增加)。此外，當電感電流檢測訊號iL上升至輸出電流參考訊號(iref)301時，第二上開關元件S3為關閉，而第二下開關元件S4為導通，藉此電感L的電流將如同電流波形300般的下降。再者，當電感電流檢測訊號iL下降至零時，第二上開關元件S3可以為立即或經過一定延時導通，而第二下開關元件S4亦可為立即或經過一定延時關閉。
另一方面，在非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)的負半周期，第一上開關元件S1為導通，而第一下開關元件S2為關閉。在此條件下，當電感電流檢測訊號iL大於零且小於輸出電流參考訊號(iref)301時，第二下開關元件S4為導通，而第二上開關元件S3為關閉，藉此電感L的電流將如同電流波形300般的上升(即，增加)。此外，當電感電流檢測訊號iL上升至輸出電流參考訊號(iref)301時，第二下開關元件S4為關閉，而第二上開關元件S3為導通，藉此電感L的電流將如同電流波形300般的下降。再者，當電感電流檢測訊號iL下降至零時，第二下開關元件S4可以為立即或經過一定延時導通，而第二上開關元件S3亦可為立即或經過一定延時關閉。
為了要更加清楚地解釋繪示於圖1之電路拓樸的原理，圖3(a)~圖3(d)繪示為圖1之非隔離型逆變器10 在不同操作模式下的示意圖。請何併參照圖3(a)~圖3(d)，如圖3(a)所示，第一下開關元件S2與第二上開關元件S3為導通，而第一上開關元件S1與第二下開關元件S4為關閉。在此條件下，電流迴路則繪示如圖3(a)上的箭頭路徑般，且流經電感L的電流可以表示為： 與此同時，流經電感L之電流(iL)的波形係繪示如同在時間t0~t1的電流波形300般。
如圖3(b)所示，在時間t1，第二上開關元件S3為關閉、第二下開關元件S4為導通、第一下開關元件S2為保持導通，而第一上開關元件S1為保持關閉。與此同時，電流迴路則繪示如圖3(b)上的箭頭路徑般，且流經電感L之電流(iL)的波形係繪示如同在時間t1~t2的電流波形300般，以由電感L向負載LD提供能量。在非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)的正半周期，於時間t0~t2之開關元件(S1,S2,S3,S4)的切換行為/動作會被重複，直至非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)從正半周期進入至負半周期為止。
如圖3(c)所示，在時間t3，第一上開關元件S1與第二下開關元件S4為導通，而第一下開關元件S2與第二上開關元件S3為關閉。與此同時，電流迴路則繪示如圖3(c)上的箭頭路徑般，且流經電感L之電流(iL)的波形係繪示如同在時間t3~t4的電流波形300般。
如圖3(d)所示，在時間t4，第二下開關元件S4為 關閉、第二上開關元件S3為導通、第一下開關元件S2為保持關閉，而第一上開關元件S1為保持導通。與此同時，電流迴路則繪示如圖3(d)上的箭頭路徑般，且流經電感L之電流(iL)的波形係繪示如同在時間t4~t5的電流波形300般，以由電感L向負載LD提供能量。在非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)的負半周期，於時間t3~t5之開關元件(S1,S2,S3,S4)的切換行為/動作會被重複，直至非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)從負半周期進入至下一正半周期為止。
基於上述，可以清楚得知的是，在非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)的正半周期，第一下開關元件S2為保持導通，而第一上開關元件S1為保持關閉；此外，在非隔離型逆變器10之輸出電流Io(即，負載電流)的負半周期，第一下開關元件S2為保持關閉，而第一上開關元件S1為保持導通。如此一來，上開關元件與下開關元件(S1,S2)之間的箝位作用(clamping action)得以抑制了非隔離型逆變器10中共模電流(即，漏電流)的產生(因為非隔離逆變器10對地的寄生電容上沒有高頻電壓)。
圖4繪示為本發明另一示範性實施例之非隔離型逆變器40的示意圖。請參照圖4，非隔離型逆變器40包括：直流輸入側IN、電容C、交流輸出側OUT、第一橋臂單元401、第二橋臂單元402，以及控制電路403。其中，直流輸入側IN用以接收直流輸入電源Vin。交流輸出側OUT 與負載LD並接，且用以提供交流輸出電源Vout給負載LD。
電容C與直流輸入側IN並接。第一橋臂單元401的上端UT1連接至電容C的第一端，而第一橋臂單元401的下端LT1則連接至電容C的第二端。於本示範性實施例中，第一橋臂單元401包括連接於第一橋臂單元401的上端UT1與下端LT1之間且同向串接的第一上開關元件S1與第一下開關元件S2，其中第一上開關元件S1與第一下開關元件S2的共節點連接至交流輸出側OUT的第一端。
第二橋臂單元402的上端UT2連接至電容C的第一端，第二橋臂單元402的下端LT2連接至電容C的第二端，而第二橋臂單元402的供應端ST則耦接至交流輸出側OUT的第二端。基此，可以得知的是，第一橋臂單元401與第二橋臂單元402係並接在一起。
於本示範性實施例中，第二橋臂單元402包括第一組第二橋臂子單元402-1與第二組第二橋臂子單元402-2。第一組第二橋臂子單元402-1包括電感L1以及連接於第二橋臂單元402的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的第二上開關元件S3與第二下開關元件S4。其中，第二上開關元件S3與第二下開關元件S4的共節點連接至電感L1的第一端，而電感L1的第二端則耦接至第二橋臂單元402的供應端ST。
另外，第二組第二橋臂子單元402-2係與第一組第二橋臂子單元402-1並接。第二組第二橋臂子單元402-2包 括電感L2以及連接於第二橋臂單元402的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的第三上開關元件S5與第三下開關元件S6。其中，第三上開關元件S5與第三下開關元件S6的共節點連接至電感L2的第一端，而電感L2的第二端則耦接至第二橋臂單元402的供應端ST。
於此值得一提的是，在本示範性實施例中，第一至第三上開關元件(S1,S3,S5)以及第一至第三下開關元件(S2,S4,S6)皆可以為開關管(switch-tube)，且所有開關管皆可以採用可控制開關(controllable switch)來實施，例如：帶有本體二極體的MOSFET，但並不限制於此。
控制電路403可經配置以反應於直流輸入側IN的輸入電壓訊號(即，直流輸入電源Vin)、交流輸出側OUT的輸出電壓訊號(即，交流輸出電源Vout)以及電感L1與L2的電感電流訊號(即，電感電流檢測訊號iL1與iL2)產生相應的控制訊號來控制第一至第三上開關元件(S1,S3,S5)以及第一至第三下開關元件(S2,S4,S6)的切換。
相似地，控制電路403至少能夠以數位訊號處理器(DSP)來實施，但並不限制於此。換言之，控制電路403亦可採用類比電路架構來實施。此外，控制電路403係以電感電流臨界模式(CRM)來控制非隔離型逆變器40。
於本示範性實施例中，由於第二橋臂單元402包括兩組並接的第二橋臂子單元402-1與402-2，所以這兩組並接的第二橋臂子單元402-1與402-2可以受控制電路403的控制而交替地啟動/開啟。在此條件下，非隔離型逆變器 40的運作即可類似於非隔離型逆變器10，以至於第一上開關元件S1與第一下開關元件S2會分別於非隔離型逆變器40之輸出電流Io(即，負載電流)的正、負半周期導通。如此一來，上開關元件與下開關元件(S1,S2)之間的箝位作用(clamping action)得以抑制了非隔離型逆變器40中共模電流(即，漏電流)的產生(因為非隔離逆變器40對地的寄生電容上沒有高頻電壓)。
圖5繪示為本發明另一示範性實施例之非隔離型逆變器50的示意圖。請參照圖5，非隔離型逆變器50包括：直流輸入側IN、電容C、交流輸出側OUT、第一橋臂單元501、第二橋臂單元502，以及控制電路503。其中，直流輸入側IN用以接收直流輸入電源Vin。交流輸出側OUT與負載LD並接，且用以提供交流輸出電源Vout給負載LD。
電容C與直流輸入側IN並接。第一橋臂單元501的上端UT1連接至電容C的第一端，而第一橋臂單元501的下端LT1則連接至電容C的第二端。於本示範性實施例中，第一橋臂單元501包括連接於第一橋臂單元501的上端UT1與下端LT1之間且同向串接的第一上開關元件S1與第一下開關元件S2，其中第一上開關元件S1與第一下開關元件S2的共節點連接至交流輸出側OUT的第一端。
第二橋臂單元502的上端UT2連接至電容C的第一端，第二橋臂單元502的下端LT2連接至電容C的第二端，而第二橋臂單元502的供應端ST則耦接至交流輸出 側OUT的第二端。基此，可以得知的是，第一橋臂單元501與第二橋臂單元502係並接在一起。
於本示範性實施例中，第二橋臂單元502包括K組(K=1~n)並接的第二橋臂子單元502-K，其中n為大於等於3的正整數。第K組第二橋臂子單元502-K包括電感LK以及連接於第二橋臂單元502的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的上開關元件S(2K+1)與下開關元件S(2K+2)。舉例來說，若K=1，則第1組第二橋臂子單元502-1包括電感L1以及連接於第二橋臂單元502的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的上開關元件S3與下開關元件S4；若K=2，則第2組第二橋臂子單元502-2包括電感L2以及連接於第二橋臂單元502的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的上開關元件S5與下開關元件S6；若K=3，則第3組第二橋臂子單元502-3包括電感L3以及連接於第二橋臂單元502的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的上開關元件S7與下開關元件S8；依此類推至K=n，則第n組第二橋臂子單元502-n包括電感Ln以及連接於第二橋臂單元502的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的上開關元件S(2n+1)與下開關元件S(2n+2)。
上開關元件S(2K+1)與下開關元件S(2K+2)的共節點連接至電感LK的第一端，而電感LK的第二端則耦接至第二橋臂單元502的供應端ST。舉例來說，若K=1，則上開關元件S3與下開關元件S4的共節點連接至電感L1的第一端，而電感L1的第二端則耦接至第二橋臂單元502 的供應端ST；依此類推至K=n，則上開關元件S(2n+1)與下開關元件S(2n+2)的共節點連接至電感Ln的第一端，而電感Ln的第二端則耦接至第二橋臂單元502的供應端ST。
於此值得一提的是，在本示範性實施例中，所有上與下開關元件S1~S(2n+2)皆可以為開關管(switch-tube)，且所有開關管皆可以採用可控制開關(controllable switch)來實施，例如：帶有本體二極體的MOSFET，但並不限制於此。
控制電路503可經配置以反應於直流輸入側IN的輸入電壓訊號(即，直流輸入電源Vin)、交流輸出側OUT的輸出電壓訊號(即，交流輸出電源Vout)以及電感L1~Ln的電感電流訊號(即，電感電流檢測訊號iL1~iLn)產生相應的控制訊號來控制所有上與下開關元件S1~S(2n+2)的切換。
相似地，控制電路503至少能夠以數位訊號處理器(DSP)來實施，但並不限制於此。換言之，控制電路503亦可採用類比電路架構來實施。此外，控制電路503係以電感電流臨界模式(CRM)來控制非隔離型逆變器50。
於本示範性實施例中，由於第二橋臂單元502包括K組(K=1~n)並接的第二橋臂子單元502-1~502-n，所以這K組並接的第二橋臂子單元502-1~502-n可以受控制電路503的控制而交替地並接啟動/開啟。在此條件下，非隔離型逆變器50的運作即可類似於非隔離型逆變器10，以至 於第一上開關元件S1與第一下開關元件S2會分別於非隔離型逆變器50之輸出電流Io(即，負載電流)的正、負半周期導通。如此一來，上開關元件與下開關元件(S1,S2)之間的箝位作用(clamping action)得以抑制了非隔離型逆變器50中共模電流(即，漏電流)的產生(因為非隔離逆變器50對地的寄生電容上沒有高頻電壓)。
圖6繪示為本發明另一示範性實施例之非隔離型逆變器60的示意圖。請參照圖6，非隔離型逆變器60包括：直流輸入側IN、電容C、交流輸出側OUT、第一橋臂單元601、第二橋臂單元602，以及控制電路603。其中，直流輸入側IN用以接收直流輸入電源Vin。交流輸出側OUT與負載LD並接，且用以提供交流輸出電源Vout給負載LD。
電容C與直流輸入側IN並接。第一橋臂單元601的上端UT1連接至電容C的第一端，而第一橋臂單元601的下端LT1則連接至電容C的第二端。於本示範性實施例中，第一橋臂單元601包括連接於第一橋臂單元601的上端UT1與下端LT1之間且同向串接的第一上開關元件S1與第一下開關元件S2，其中第一上開關元件S1與第一下開關元件S2的共節點連接至交流輸出側OUT的第一端。
於此值得一提的是，在本示範性實施例中，第一上開關元件S1以及第一下開關元件S2皆可以為開關管(switch-tube)，且所有開關管皆可以採用可控制開關(controllable switch)來實施，例如：帶有本體二極體的 MOSFET，但並不限制於此。
第二橋臂單元602的上端UT2連接至電容C的第一端，第二橋臂單元602的下端LT2連接至電容C的第二端，而第二橋臂單元602的供應端ST則耦接至交流輸出側OUT的第二端。基此，可以得知的是，第一橋臂單元601與第二橋臂單元602係並接在一起。
於本示範性實施例中，第二橋臂單元602包括第一組第二橋臂子單元602-1與第二組第二橋臂子單元602-2。第一組第二橋臂子單元602-1包括電感L2以及連接於第二橋臂單元602的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的第二上開關元件D2與第二下開關元件S4。其中，第二上開關元件D2可以為二極體，而第二下開關元件S4可以為開關管(switch-tube)，且此開關管可以採用可控制開關(controllable switch)來實施，例如：帶有本體二極體的MOSFET，但並不限制於此。另外，第二上開關元件D2與第二下開關元件S4的共節點連接至電感L2的第一端，而電感L2的第二端則耦接至第二橋臂單元602的供應端ST。
另外，第二組第二橋臂子單元602-2係與第一組第二橋臂子單元602-1並接。第二組第二橋臂子單元602-2包括電感L1以及連接於第二橋臂單元602的上端UT2與下端LT2之間且同向串接的第三上開關元件S3與第三下開關元件D1。其中，第三下開關元件D1可以為二極體，而第三上開關元件S3可以為開關管(switch-tube)，且此開 關管可以採用可控制開關(controllable switch)來實施，例如：帶有本體二極體的MOSFET，但並不限制於此。另外，第三上開關元件S3與第三下開關元件D1的共節點連接至電感L1的第一端，而電感L1的第二端則耦接至第二橋臂單元602的供應端ST。
控制電路603可經配置以反應於直流輸入側IN的輸入電壓訊號(即，直流輸入電源Vin)、交流輸出側OUT的輸出電壓訊號(即，交流輸出電源Vout)以及電感L1與L2的電感電流訊號(即，電感電流檢測訊號iL1與iL2)產生相應的控制訊號來控制第一與第三上開關元件(S1,S3)以及第一與第二下開關元件(S2,S4)的切換。
相似地，控制電路603至少能夠以數位訊號處理器(DSP)來實施，但並不限制於此。換言之，控制電路603亦可採用類比電路架構來實施。此外，控制電路603係以電感電流臨界模式(CRM)來控制非隔離型逆變器60。
為了要更加清楚地解釋繪示於圖6之電路拓樸的原理，圖7(a)~圖7(d)繪示為圖6之非隔離型逆變器60在不同操作模式下的示意圖。請何併參照圖7(a)~圖7(d)，在非隔離型逆變器60之輸出電流Io(即，負載電流)的正半周期，非隔離型逆變器60之輸出電流Io的方向係與流經電感L1的電流(iL1)同向，且電流迴路係分別繪示如圖7(a)與圖7(b)上的箭頭路徑般。
更清楚來說，如圖7(a)所示，在非隔離型逆變器60之輸出電流Io(即，負載電流)的正半周期，第一下開 關元件S2與第三上開關元件S3為導通，而第一上開關元件S1與第二下開關元件S4為關閉，藉此電感L1的電流(iL1)會增加/上升，開關元件(S3,D1)與電感L1構成降壓線路工作，而開關(S4,D2)不工作。與此同時，電感L2的電流(iL2)為零，以至於藉由追蹤電感L1的電流(iL1)即可獲得正半周期的正弦電壓輸出波形。此外，如圖圖7(b)所示，在非隔離型逆變器60之輸出電流Io(即，負載電流)的正半周期，第一下開關元件S2為導通，而其餘的開關元件(S1,S3,S4)為關閉，藉此電感L1的電流(iL1)將會透過/經由第三下開關元件D1以進行續流(freewheeling)。
另一方面，在非隔離型逆變器60之輸出電流Io(即，負載電流)的負半周期，非隔離型逆變器60之輸出電流Io的方向係與流經電感L2的電流(iL2)同向，且電流迴路係分別繪示如圖7(c)與圖7(d)上的箭頭路徑般。
更清楚來說，如圖7(c)所示，在非隔離型逆變器60之輸出電流Io(即，負載電流)的負半周期，第一下開關元件S2與第三上開關元件S3為關閉，而第一上開關元件S1與第二下開關元件S4為導通，藉此電感L2的電流(iL2)會增加/上升，開關元件(S4,D2)與電感L2構成降壓線路工作，而開關(S3,D1)不工作。與此同時，電感L1的電流(iL1)為零，以至於藉由追蹤電感L2的電流(iL2)即可獲得負半周期的正弦電壓輸出波形。如此一來，即可實現非隔離型雙降壓逆變器(non-isolated dual buck inverter)以獲得完整的正弦波輸出電壓。此外，如圖圖7(d)所示，在非隔離型逆變器60之輸出電流Io(即，負載電流)的負半周期，第一上開關元件S1為導通，而其餘的開關元件(S2,S3,S4)為關閉，藉此電感L2的電流(iL2)將會透過/經由第二上開關元件D2以進行續流(freewheeling)。
於本示範性實施例中，非隔離型逆變器60的運作係類似於非隔離型逆變器10，以至於第一上開關元件S1與第一下開關元件S2會分別於非隔離型逆變器60之輸出電流Io(即，負載電流)的正、負半周期導通。如此一來，上開關元件與下開關元件(S1,S2)之間的箝位作用(clamping action)得以抑制了非隔離型逆變器60中共模電流(即，漏電流)的產生(因為非隔離逆變器60對地的寄生電容上沒有高頻電壓)。
圖8繪示為本發明一變型實施例之非隔離型逆變器10’的示意圖。請合併參照圖1與圖8，如圖1所示，由於對應於第二上開關元件S3與第二下開關元件S4的開關管具有反向恢復(reverse recovery)的特性，所以流經電感L的電流(iL)並不適合工作在連續模式(CCM)。基此，圖1與圖8所示之非隔離型逆變器(10,10’)的差異在於：如圖8所示，每一對應於第二上開關元件S3與第二下開關元件S4的開關管可以從原先帶有本體二極體的MOSFET改變為相互並接之絕緣閘雙極電晶體(isolated gate bipolar transistor,IGBT)與快速恢復二極體(例如： 碳化矽二極體(SiC))的組合。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10、10’、40、50、60‧‧‧非隔離型逆變器
101、401、501、601‧‧‧第一橋臂單元
102、402、502、602‧‧‧第二橋臂單元
102-1、402-1、 402-2、502-K(K=1~n)、602-1、602-2‧‧‧第二橋臂子單元
103、403、503、603‧‧‧控制電路
104‧‧‧差分檢測電路
300‧‧‧電流波形
301‧‧‧輸出電流參考訊號
S1~S(2n+2)、D1、D2‧‧‧開關元件
C‧‧‧電容
L、LK(K=1~n)‧‧‧電感
IN‧‧‧直流輸入側
OUT‧‧‧交流輸出側
LD‧‧‧負載
UT1、UT2‧‧‧上端
LT1、LT2‧‧‧下端
ST‧‧‧供應端
Vin‧‧‧直流輸入電源
Vout‧‧‧交流輸出電源
iL、iL1~iLn‧‧‧電感電流
Io‧‧‧輸出電流/負載電流
Vgs(S1,S2,S3,S4)‧‧‧控制訊號
t0~t5‧‧‧時間
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之非隔離型逆變器10的示意圖。
圖2繪示為圖1之非隔離型逆變器10的操作波形圖。
圖3(a)~圖3(d)繪示為圖1之非隔離型逆變器10在不同操作模式下的示意圖。
圖4繪示為本發明另一示範性實施例之非隔離型逆變器40的示意圖。
圖5繪示為本發明另一示範性實施例之非隔離型逆變器50的示意圖。
圖6繪示為本發明另一示範性實施例之非隔離型逆變 器60的示意圖。
圖7(a)~圖7(d)繪示為圖6之非隔離型逆變器60在不同操作模式下的示意圖。
圖8繪示為本發明一變型實施例之非隔離型逆變器10’的示意圖。
10‧‧‧非隔離型逆變器
101‧‧‧第一橋臂單元
102‧‧‧第二橋臂單元
102-1‧‧‧第二橋臂子單元
103‧‧‧控制電路
104‧‧‧差分檢測電路
S1~S4‧‧‧開關元件
C‧‧‧電容
L‧‧‧電感
IN‧‧‧直流輸入側
OUT‧‧‧交流輸出側
LD‧‧‧負載
UT1、UT2‧‧‧上端
LT1、LT2‧‧‧下端
ST‧‧‧供應端
Vin‧‧‧直流輸入電源
Vout‧‧‧交流輸出電源
iL‧‧‧電感電流
Io‧‧‧輸出電流/負載電流

Claims (20)

  1. 一種非隔離型逆變器(non-isolated inverter)，包括：一直流輸入側；一電容，與該直流輸入側並接；一交流輸出側，與一負載並接；一第一橋臂單元，其上端連接至該電容的第一端，而其下端則連接至該電容的第二端，其中該第一橋臂單元包括連接於該第一橋臂單元的上端與下端之間且同向串接的一第一上開關元件與一第一下開關元件，該第一上開關元件與該第一下開關元件的共節點連接至該交流輸出側的第一端；以及一第二橋臂單元，其上端連接至該電容的第一端，其下端連接至該電容的第二端，而其供應端則耦接至該交流輸出側的第二端，其中，在該非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，該第一下開關元件為導通，而該第一上開關元件為關閉，其中，在該非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，該第一上開關元件為導通，而該第一下開關元件為關閉，其中，該第一上開關元件與該第一下開關元件之間的箝位作用抑制了該非隔離型逆變器中共模電流的產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之非隔離型逆變器，其中該第二橋臂單元包括：一第一組第二橋臂子單元，包括：連接於該第二橋臂單元的上端與下端之間且同 向串接的一第二上開關元件與一第二下開關元件；以及一第一電感，其中，該第二上開關元件與該第二下開關元件的共節點連接至該第一電感的第一端，而該第一電感的第二端則耦接至該第二橋臂單元的供應端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之非隔離型逆變器，其中：該第一與該第二上開關元件以及該第一與該第二下開關元件皆為開關管；以及該些開關管皆以可控制開關來實施。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之非隔離型逆變器，更包括：一控制電路，其經配置以反應於該直流輸入側的一輸入電壓訊號、該交流輸出側的一輸出電壓訊號以及該第一電感的一電感電流訊號來控制該第一與該第二上開關元件以及該第一與該第二下開關元件的切換。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之非隔離型逆變器，其中該控制電路至少以一數位訊號處理器來實施。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之非隔離型逆變器，其中該控制電路以一電感電流臨界模式(critical inductor current mode,CRM)來控制該非隔離型逆變器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之非隔離型逆變器，其中：在該非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，該第一 電感的電流於該第一下開關元件與該第二上開關元件為導通以及該第一上開關元件以及該第二下開關元件為關閉時增加；在該非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，該第一電感的電流於該第一與該第二下開關元件為導通以及該第一與該第二上開關元件為關閉時下降；在該非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，該第一電感的電流於該第一上開關元件與該第二下開關元件為導通以及該第一下開關元件以及該第二上開關元件為關閉時增加；以及在該非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，該第一電感的電流於該第一與該第二上開關元件為導通以及該第一與該第二下開關元件為關閉時下降。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之非隔離型逆變器，其中對應於該第二上開關元件與該第二下開關元件的每一開關管包括並接在一起的一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)與一快速恢復二極體。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之非隔離型逆變器，其中該第二橋臂單元更包括：一第二組第二橋臂子單元，包括：連接於該第二橋臂單元的上端與下端之間且同向串接的一第三上開關元件與一第三下開關元件；以及一第二電感，其中，該第三上開關元件與該第三下開關元件的 共節點連接至該第二電感的第一端，而該第二電感的第二端則耦接至該第二橋臂單元的供應端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之非隔離型逆變器，其中：該第一至該第三上開關元件以及該第一至該第三下開關元件皆為開關管；以及該些開關管皆以可控制開關來實施。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之非隔離型逆變器，更包括：一控制電路，其經配置以反應於該直流輸入側的一輸入電壓訊號、該交流輸出側的一輸出電壓訊號以及該第一與該第二電感的電感電流訊號來控制該第一至該第三上開關元件以及該第一至該第三下開關元件的切換。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之非隔離型逆變器，其中該控制電路至少以一數位訊號處理器來實施。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之非隔離型逆變器，其中該控制電路以一電感電流臨界模式(CRM)來控制該非隔離型逆變器。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之非隔離型逆變器，其中：該第一上開關元件與該第一下開關元件皆為開關管；以及該第二上開關元件與該第二下開關元件之其一以及該第三上開關元件與該第三下開關元件之其一為二極體， 而該第二上開關元件與該第二下開關元件之另一以及該第三上開關元件與該第三下開關元件之另一為開關管。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之非隔離型逆變器，其中：該第二上開關元件與該第三下開關元件為二極體，而該第二下開關元件與該第三上開關元件為開關管；以及該些開關管皆以可控制開關來實施。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之非隔離型逆變器，更包括：一控制電路，其經配置以反應於該直流輸入側的一輸入電壓訊號、該交流輸出側的一輸出電壓訊號以及該第一與該第二電感的電感電流訊號來控制該第一至該第三上開關元件以及該第一至該第三下開關元件的切換。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之非隔離型逆變器，其中該控制電路至少以一數位訊號處理器來實施。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之非隔離型逆變器，其中該控制電路以一電感電流臨界模式(CRM)來控制該非隔離型逆變器。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之非隔離型逆變器，其中：在該非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，該第二電感的電流於該第一下開關元件與該第三上開關元件為導通以及該第一上開關元件與該第二下開關元件為關閉時增加； 在該非隔離型逆變器之輸出電流的正半周期，該第二電感的電流於該第一下開關元件為導通以及該第一上開關元件、該第二下開關元件與該第三上開關元件為關閉時透過該第三下開關元件以進行續流；在該非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，該第一電感的電流於該第一上開關元件與該第二下開關元件為導通以及該第一下開關元件與該第三上開關元件為關閉時增加；以及在該非隔離型逆變器之輸出電流的負半周期，該第一電感的電流於該第一上開關元件為導通以及該第一下開關元件、該第二下開關元件與該第三上開關元件為關閉時透過該第二上開關元件以進行續流。
  20. 一種具有如申請專利範圍第1項所述之非隔離型逆變器的光伏並網系統(photovoltaic grid-connected system)。
TW101133847A 2011-09-15 2012-09-14 非隔離型逆變器及其相關的控制方式與光伏並網系統 TWI482415B (zh)

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