TW201325058A - 直流交流轉換器及直流交流轉換電路 - Google Patents

Abstract

一種直流交流轉換器及直流交流轉換電路。直流交流轉換器包括直流時變電能產生電路及交流電能產生電路及傳輸電容。直流時變電能產生電路受控於脈寬切換訊號將直流電源轉換為直流時變電能。交流電能產生電路參考直流時變電能並受控於第一極性切換訊號及第二極性切換訊號產生交流電能。傳輸電容係耦接直流時變電能產生電路及交流電能產生電路，並將直流時變電能由直流時變電能產生電路傳輸至交流電能產生電路。

Description

直流交流轉換器及直流交流轉換電路

本發明是有關於一種直流交流轉換器及直流交流轉換電路。

傳統低頻隔離型直流交流轉換器之後級交流轉換電路之輸出電壓係透過變壓器升降壓得到負載所需交流電能。傳統低頻隔離型直流交流轉換器之低頻輸出變壓器體積較大重量較重，且輸出功率受限於輸出變壓器。

傳統高頻隔離型直流交流轉換器大多以直流轉換器為前級來控制直流鏈輸出端之電壓大小，並透過高頻切換將能量經過變壓器傳遞至二次側。傳統高頻隔離型直流交流轉換器在高頻變壓器之二次側輸出端並聯電容器，作為電路濾波與儲能之用。傳統高頻隔離型直流交流轉換器的後級為交流轉換電路可控制輸出交流電壓的大小與頻率。傳統高頻隔離型直流交流轉換器運作於高頻切換，而切換損失隨著切換頻率增加而增加，電路轉換效率較低。

傳統隔離型直交流轉換器電路其後級交流轉換器電路之輸入端，需利用直流鏈輸出電容器作為電路間能量緩衝，因此直流鏈輸出電容器的大小會隨著轉換器功率的增加而增加。同時也意味著電路體積與成本也將隨之增加，然而高容值的電容通常使用電解質電容，然而電解質電容的壽命相較於電路其他元件為短，因此如何在直流交流轉換器的電路元件中，避免使用電解質電容，以增加直流交流轉換器之工作年限，可說是相當重要研發議題。

本發明係有關於一種直流交流轉換器及直流交流轉換電路。

根據本發明，提出一種直流交流轉換器。直流交流轉換器包括直流時變電能產生電路、交流電能產生電路及傳輸電容。直流時變電能產生電路受控於脈寬切換訊號將直流電源轉換為直流時變電能。交流電能產生電路參考直流時變電能並受控於第一極性切換訊號及第二極性切換訊號產生交流電能。傳輸電容係耦接直流時變電能產生電路及交流電能產生電路，並將直流時變電能由直流時變電能產生電路傳輸至交流電能產生電路。

根據本發明，提出一種直流交流轉換電路。直流交流轉換電路包括直流時變電能產生電路、交流電能產生電路及傳輸電容。直流時變電能產生電路受控於脈寬切換訊號將直流電源轉換為直流時變電能。交流電能產生電路參考直流時變電能並受控於第一極性切換訊號及第二極性切換訊號產生交流電能。傳輸電容係耦接直流時變電能產生電路及交流電能產生電路，並將直流時變電能由直流時變電能產生電路傳輸至交流電能產生電路。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請同時參照第1圖、第2圖、第3圖及第4圖，第1圖繪示係為直流交流轉換器之示意圖，第2圖繪示係為直流交流轉換電路之示意圖，第3圖繪示係為脈寬切換訊號及極性切換訊號之示意圖，第4圖繪示係為直流時變電能、交流電能、脈寬切換訊號及極性切換訊號之波形時序圖。直流交流轉換器1包括切換訊號產生電路11及直流交流轉換電路12。切換訊號產生電路11用以產生脈寬切換訊號Vspwm、極性切換訊號Vinv1及極性切換訊號Vinv2。直流交流轉換電路12根據脈寬切換訊號Vspwm、極性切換訊號Vinv1及極性切換訊號Vinv2將直流電源Vin轉換為交流電能Vo輸出至負載RL。

直流交流轉換電路12包括直流時變電能產生電路121、交流電能產生電路122及傳輸電容C。直流時變電能產生電路121受控於脈寬切換訊號Vspwm將直流電源Vin轉換為直流時變電能，使傳輸電容跨壓Vc隨時間不同而改變大小。交流電能產生電路122經由傳輸電容跨壓Vc獲取直流時變電能。交流電能產生電路122參考直流時變電能並受控於極性切換訊號Vinv1及Vinv2產生交流電能Vo。傳輸電容C係耦接直流時變電能產生電路121及交流電能產生電路122，傳輸電容C將直流時變電能由直流時變電能產生電路121傳輸至交流電能產生電路122。亦即，兩電路間之能量可經由傳輸電容跨壓Vc傳遞。

直流時變電能產生電路121包括電感L、脈寬切換開關S及第一整流元件D1。脈寬切換開關例如為電晶體、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)或閘斷開關(Gate Turn-Off,GTO)。脈寬切換開關S根據脈寬切換訊號Vspwm調變交流電能Vo之波形。電感L之一端係連接直流電源Vin，電感L之另一端係耦接至傳輸電容C之輸入端。脈寬切換開關S係耦接至電感L之另一端及傳輸電容C之輸入端。第一整流元件D1之第一端係耦接至傳輸電容C之輸出端，第一整流元件D1之第二端係耦接至脈寬切換開關S。

交流電能產生電路122包括第二整流元件D2、第一極性切換開關S1、第二極性切換開關S2、第三整流元件D3、第四整流元件D4及變壓器1222。第一極性切換開關S1及第二極性切換開關S2分別根據極性切換訊號Vinv1及極性切換訊號Vinv2控制交流電能Vo之正負極性。第一極性切換開關S1及第二極性切換開關S2例如為電晶體、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)或閘斷開關(Gate Turn-Off,GTO)。第一整流元件D1、第二整流元件D2、第三整流元件D3及第四整流元件D4例如為二極體、金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。第一整流元件D1、第二整流元件D2、第三整流元件D3及第四整流元件D4之第一端與第二端分別例如為陽極與陰極。

第二整流元件D2之第二端耦接至傳輸電容C之輸出端，而第一極性切換開關S1及第二極性切換開關S2耦接至第二整流元件D2之第一端。第三整流元件D3之第二端及第四整流元件D4之第一端耦接至負載RL，且變壓器1222係耦接至第一極性切換開關S1、第二極性切換開關S2、負載RL、第四整流元件D4之第二端及第三整流元件D3之第一端。

變壓器1222進一步包括第一繞組T1、第二繞組T2、第三繞組T3及第四繞組T4。第一繞組T1之第一極性端係耦接至第一整流元件D1之第二端，第一繞組T1之第二極性端係耦接至第一極性切換開關S1。第一極性端於第2圖繪示係以黑點標示。第二繞組T2之第一極性端係耦接至第二極性切換開關S2，而第二繞組T2之第二極性端係耦接至第一整流元件D1之第二端。第三繞組T3之第一極性端係耦接至第三整流元件D3之第一端，而第三繞組T3之第二極性端係耦接至負載RL。第四繞組T4之第一極性端係耦接至第四整流元件D4之第二端，而第四繞組T4之第二極性端係耦接至第三繞組T3及負載RL。

請參照第5圖，第5圖繪示係為直流交流轉換電路進行直流轉換之示意圖。當直流交流轉換電路12進行直流轉換時，脈寬切換開關S關閉(Turn Off)，直流電源Vin與電感L、傳輸電容C及第一整流元件D1形成一電流迴路。

請參照第6圖，第6圖繪示係為直流交流轉換電路進行交流轉換之一種示意圖。當直流交流轉換電路12進行交流轉換時，脈寬切換開關S導通(Turn On)，直流電源Vin與電感L及脈寬切換開關S形成一電流迴路。脈寬切換開關S與傳輸電容C、第二整流元件D2、第一極性切換開關S1及第一繞組T1形成另一電流迴路。第三繞組T3與第三整流元件D3及負載RL形成一電流迴路，並於負載RL上產生極性為正之交流電能Vo。

請參照第7圖，第7圖繪示係為直流交流轉換電路進行交流轉換之另一示意圖。當直流交流轉換電路12進行交流轉換時，脈寬切換開關S導通(Turn On)，直流電源Vin與電感L及脈寬切換開關S形成一電流迴路。脈寬切換開關S與傳輸電容C、第二整流元件D2、第二極性切換開關S2及第二繞組T2形成另一電流迴路。第四繞組T4與第四整流元件D4及負載RL形成一電流迴路，並於負載RL上產生極性為負之交流電能Vo。

上述直流交流轉換器及直流交流轉換電路中的傳輸電容無須使用高成本的電解質電容，且變壓器不需採用大體積的低頻變壓器。除此之外，極性切換開關的數量能有效地減少，能降低生產成本提高市場競爭力。

綜上所述，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。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。因此，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。

1．．．直流交流轉換器

11．．．切換訊號產生電路

12．．．直流交流轉換電路

121．．．直流時變電能產生電路

122．．．交流電能產生電路

1222．．．變壓器

C．．．傳輸電容

L．．．電感

S．．．脈寬切換開關

S1．．．第一極性切換開關

S2．．．第二極性切換開關

D1．．．第一整流元件

D2．．．第二整流元件

D3．．．第三整流元件

D4．．．第四整流元件

Vspwm．．．脈寬切換訊號

Vinv1、Vinv2．．．極性切換訊號

Vin．．．直流電源

Vo．．．交流電能

Vc．．．傳輸電容跨壓

RL．．．負載

T1．．．第一繞組

T2．．．第二繞組

T3．．．第三繞組

T4．．．第四繞組

第1圖繪示係為直流交流轉換器之示意圖。

第2圖繪示係為直流交流轉換電路之示意圖。

第3圖繪示係為脈寬切換訊號及極性切換訊號之示意圖。

第4圖繪示係為直流時變電能、交流電能、脈寬切換訊號及極性切換訊號之波形時序圖。

第5圖繪示係為直流交流轉換電路進行直流轉換之示意圖。

第6圖繪示係為直流交流轉換電路進行交流轉換之一種示意圖。

第7圖繪示係為直流交流轉換電路進行交流轉換之另一示意圖。

12．．．直流交流轉換電路

121．．．直流時變電能產生電路

122．．．交流電能產生電路

1222．．．變壓器

C．．．傳輸電容

L．．．電感

S．．．脈寬切換開關

S1．．．第一極性切換開關

S2．．．第二極性切換開關

D1．．．第一整流元件

D2．．．第二整流元件

D3．．．第三整流元件

D4．．．第四整流元件

Vspwm．．．脈寬切換訊號

Vinv1、Vinv2．．．極性切換訊號

Vin．．．直流電源

Vo．．．交流電能

Vc．．．傳輸電容跨壓

RL．．．負載

T1．．．第一繞組

T2．．．第二繞組

T3．．．第三繞組

T4．．．第四繞組

Claims (23)

1. 一種直流交流轉換器，包括：一直流時變電能產生電路，用以受控於一脈寬切換訊號將一直流電源轉換為一直流時變電能；一交流電能產生電路，用以參考該直流時變電能並受控於一第一極性切換訊號及一第二極性切換訊號產生一交流電能；以及一傳輸電容，係耦接該直流時變電能產生電路及該交流電能產生電路，並將該直流時變電能由該直流時變電能產生電路傳輸至該交流電能產生電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之直流交流轉換器，更包括：一切換訊號產生電路，用以產生該脈寬切換訊號、該第一極性切換訊號及該第二極性切換訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之直流交流轉換器，其中該直流時變電能產生電路包括：一電感，該電感之一端係連接該直流電源，該電感之另一端係耦接至該傳輸電容之輸入端；一脈寬切換開關，係耦接至該電感之另一端及該傳輸電容之輸入端；以及一第一整流元件，該第一整流元件之第一端係耦接至該傳輸電容之輸出端，該第一整流元件之第二端係耦接至該脈寬切換開關。
4. 如申請專利範圍第3項所述之直流交流轉換器，其中該交流電能產生電路包括：一第二整流元件，該第二整流元件之第二端耦接至該傳輸電容之輸出端；一第一極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第二極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第三整流元件，該第三整流元件之第二端耦接至一負載；一第四整流元件，該第四整流元件之第一端耦接至該負載；以及一變壓器，係耦接至該第一極性切換開關、該第二極性切換開關、該負載、該第四整流元件之第二端及該第三整流元件之第一端。
5. 如申請專利範圍第4項所述之直流交流轉換器，其中該變壓器包括：一第一繞組，該第一繞組之第一極性端係耦接至該第一整流元件之第二端，該第一繞組之第二極性端係耦接至該第一極性切換開關；一第二繞組，該第二繞組之第一極性端係耦接至該第二極性切換開關，該第二繞組之第二極性端係耦接至該第一整流元件之第二端；一第三繞組，該第三繞組之第一極性端係耦接至該第三整流元件之第一端，該第三繞組之第二極性端係耦接至該負載；以及一第四繞組，該第四繞組之第一極性端係耦接至該第四整流元件之第二端，該第四繞組之第二極性端係耦接至該第三繞組及該負載。
6. 如申請專利範圍第4項所述之直流交流轉換器，其中該第一極性切換開關及第二極性切換開關分別根據該第一極性切換訊號及該第二極性切換訊號控制該交流電能之正負極性。
7. 如申請專利範圍第4項所述之直流交流轉換器，其中該第一極性切換開關及第二極性切換開關係為電晶體、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)或閘斷開關(Gate Turn-Off,GTO)。
8. 如申請專利範圍第4項所述之直流交流轉換器，其中該第一整流元件、該第二整流元件、該第三整流元件及該第四整流元件係為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。
9. 如申請專利範圍第3項所述之直流交流轉換器，其中該脈寬切換開關係為電晶體、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)或閘斷開關(Gate Turn-Off,GTO)。
10. 如申請專利範圍第3項所述之直流交流轉換器，其中該脈寬切換開關根據該脈寬切換訊號調變該交流電能之波形。
11. 如申請專利範圍第1項所述之直流交流轉換器，其中該交流電能產生電路包括：一第二整流元件，該第二整流元件之第二端耦接至該傳輸電容之輸出端；一第一極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第二極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第三整流元件，該第三整流元件之第二端耦接至一負載；一第四整流元件，該第四整流元件之第一端耦接至該負載；以及一變壓器，係耦接至該第一極性切換開關、該第二極性切換開關、該負載、該第四整流元件之第二端及該第三整流元件之第一端。
12. 如申請專利範圍第11項所述之直流交流轉換器，其中該第一極性切換開關及第二極性切換開關分別根據該第一極性切換訊號及該第二極性切換訊號控制該交流電能之正負極性。
13. 一種直流交流轉換電路，包括：一直流時變電能產生電路，用以根據一脈寬切換訊號產生一直流時變電能；一交流電能產生電路，用以參考該直流時變電能並受控於一第一極性切換訊號及一第二極性切換訊號輸出一交流電能；以及一傳輸電容，係耦接該直流時變電能產生電路及該交流電能產生電路，並將該直流時變電能由該直流時變電能產生電路傳輸至該交流電能產生電路。
14. 如申請專利範圍第13項所述之直流交流轉換電路，其中該直流時變電能產生電路包括：一電感，該電感之一端係連接該直流電源，該電感之另一端係耦接至該傳輸電容之輸入端；一脈寬切換開關，係耦接至該電感之另一端及該傳輸電容之輸入端；以及一第一整流元件，該第一整流元件之第一端係耦接至該傳輸電容之輸出端，該第一整流元件之第二端係耦接至該脈寬切換開關。
15. 如申請專利範圍第14項所述之直流交流轉換電路，其中該交流電能產生電路包括：一第二整流元件，該第二整流元件之第二端耦接至該傳輸電容之輸出端；一第一極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第二極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第三整流元件，該第三整流元件之第二端耦接至一負載；一第四整流元件，該第四整流元件之第一端耦接至該負載；以及一變壓器，係耦接至該第一極性切換開關、該第二極性切換開關、該負載、該第四整流元件之第二端及該第三整流元件之第一端。
16. 如申請專利範圍第15項所述之直流交流轉換電路，其中該變壓器包括：一第一繞組，該第一繞組之第一極性端係耦接至該第一整流元件之第二端，該第一繞組之第二極性端係耦接至該第一極性切換開關；一第二繞組，該第二繞組之第一極性端係耦接至該第二極性切換開關，該第二繞組之第二極性端係耦接至該第一整流元件之第二端；一第三繞組，該第三繞組之第一極性端係耦接至該第三整流元件之第一端，該第三繞組之第二極性端係耦接至該負載；以及一第四繞組，該第四繞組之第一極性端係耦接至該第四整流元件之第二端，該第四繞組之第二極性端係耦接至該第三繞組及該負載。
17. 如申請專利範圍第15項所述之直流交流轉換電路，其中該第一極性切換開關及第二極性切換開關分別根據該第一極性切換訊號及該第二極性切換訊號控制該交流電能之正負極性。
18. 如申請專利範圍第15項所述之直流交流轉換電路，其中該第一極性切換開關及第二極性切換開關係為電晶體、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)或閘斷開關(Gate Turn-Off,GTO)。
19. 如申請專利範圍第15項所述之直流交流轉換電路，其中該第一整流元件、該第二整流元件、該第三整流元件及該第四整流元件係為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。
20. 如申請專利範圍第14項所述之直流交流轉換電路，其中該脈寬切換開關係為電晶體、絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)或閘斷開關(Gate Turn-Off,GTO)。
21. 如申請專利範圍第14項所述之直流交流轉換電路，其中該脈寬切換開關根據該脈寬切換訊號調變該交流電能之波形。
22. 如申請專利範圍第13項所述之直流交流轉換電路，其中該交流電能產生電路包括：一第二整流元件，該第二整流元件之第二端耦接至該傳輸電容之輸出端；一第一極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第二極性切換開關，係耦接至該第二整流元件之第一端；一第三整流元件，該第三整流元件之第二端耦接至一負載；一第四整流元件，該第四整流元件之第一端耦接至該負載；以及一變壓器，係耦接至該第一極性切換開關、該第二極性切換開關、該負載、該第四整流元件之第二端及該第三整流元件之第一端。
23. 如申請專利範圍第22項所述之直流交流轉換電路，其中該第一極性切換開關及第二極性切換開關分別根據該第一極性切換訊號及該第二極性切換訊號控制該交流電能之正負極性。