TW201501461A - 直交流轉換電路 - Google Patents

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Chien-Sen Hsu
Chuang-Wei Tseng
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Abstract

一種直交流轉換電路，包括一控制器、一第一直流電源、一第二直流電源、一第一電子開關、一第二電子開關、一第一輸出端及一第二輸出端。該控制器控制該第一及第二電子開關的導通及截止，以使該第一輸出端與該第二輸出端之間輸出的交流電的週期與市電的週期相等，且該交流電在一個週期內的電壓絕對值的平均值與市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值相等。

Description

直交流轉換電路
本發明係關於一種直交流轉換電路，尤指一種不間斷電源的直交流轉換電路。
不間斷電源用於在市電無法繼續提供電能時，透過內部電力轉換器，將直流電轉換為交流電以繼續提供短時間的電能給負載。然，不間斷電源內部的電力轉換器是透過電感或者變壓器等磁性元件進行直交流轉換的。磁性元件的設計複雜，且會大幅度的降低轉換器的效率。
鑒於上述內容，有必要提供一種不需要任何的磁性元件、設計簡單且擁有較高效率的直交流轉換電路。
一種直交流轉換電路，包括一控制器、一第一直流電源、一第二直流電源、一第一電子開關、一第二電子開關、一第一輸出端及一第二輸出端，該第一及第二電子開關的第一端均與該控制器相連，該第一電子開關的第二端與該第一直流電源的正極相連，該第一電子開關的第三端與該第一輸出端相連，該第二電子開關的第二端與該第一輸出端相連，該第二電子開關的第三端與該第二直流電源的負極相連，該第一直流電源的負極與該第二直流電源的正極相連並與該第二輸出端相連，該控制器控制該第一及第二電子開關的導通及截止，以使該第一輸出端與該第二輸出端之間輸出的交流電的週期與市電的週期相等，且該交流電在一個週期內的電壓絕對值的平均值與市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值相等。
一種直交流轉換電路，包括一控制器、一第一直流電源、一第二直流電源、第一至第六電子開關及第一至第四輸出端，該第一至第六電子開關的第一端均與該控制器相連，該第一至第三電子開關的第二端均與該第一直流電源的正極相連，該第一電子開關的第三端與該第一輸出端相連，該第二電子開關的第三端與該第二輸出端相連，該第三電子開關的第三端與該第三輸出端相連，該第四電子開關的第二端與該第一輸出端相連，該第五電子開關的第二端與該第二輸出端相連，該第六電子開關的第二端與該第三輸出端相連，該第四至第六電子開關的第三端均與該第二直流電源的負極相連，該第一直流電源的負極與該第二直流電源的正極相連並與該第四輸出端相連，該控制器控制該第一至第六電子開關的導通及截止，以使該第一輸出端與該第四輸出端之間輸出的第一相交流電的週期、該第二輸出端與該第四輸出端之間輸出的第二相交流電的週期及該第三輸出端與該第四輸出端之間輸出的第三相交流電的週期均與市電的週期相等，該第一相至第三相交流電在一個週期內的電壓絕對值的平均值均與市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值相等，且該第一相交流電與該第二相交流電的相位相差2π/3，該第二相交流電與該第三相交流電的相位相差2π/3，該第三相交流電與該第一相交流電的相位相差2π/3。
本發明直交流轉換電路透過該控制器控制該電子開關的導通與截止，以使輸出端輸出交流電來替代市電給負載供電。該直交流轉換電路不含任何的磁性元件、設計簡單且擁有較高效率。
10、20‧‧‧直交流轉換電路
12、22‧‧‧控制器
16、26‧‧‧第一直流電源
18、28‧‧‧第二直流電源
A、C‧‧‧第一輸出端
B、D‧‧‧第二輸出端
E‧‧‧第三輸出端
F‧‧‧第四輸出端
C0‧‧‧電容
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
C3‧‧‧第三電容
R0‧‧‧負載
R1‧‧‧第一負載
R2‧‧‧第二負載
R3‧‧‧第三負載
S1、S3‧‧‧第一電子開關
S2、S4‧‧‧第二電子開關
S5‧‧‧第三電子開關
S6‧‧‧第四電子開關
S7‧‧‧第五電子開關
S8‧‧‧第六電子開關
圖1係本發明直交流轉換電路第一較佳實施方式的電路圖。
圖2係圖1中第一電子開關導通時的等效電路圖。
圖3係圖1中第二電子開關導通時的等效電路圖。
圖4係圖1中第一輸出端與第二輸出端之間輸出交流電的波形圖。
圖5係市電的波形圖。
圖6係本發明直交流轉換電路第二較佳實施方式的電路圖。
請參閱圖1，本發明直交流轉換電路10的第一較佳實施方式包括一控制器12、一第一直流電源16、一第二直流電源18、一第一電子開關S1、一第二電子開關S2、一電容C0、一第一輸出端A及一第二輸出端B。該第一電子開關S1及該第二電子開關S2的第一端均與該控制器12相連。該第一電子開關S1的第二端與該第一直流電源16的正極相連。該第一電子開關S1的第三端與該第一輸出端A相連。該第二電子開關S2的第二端與該第一輸出端A相連。該第二電子開關S2的第三端與該第二直流電源18的負極相連。該第一直流電源16的負極與該第二直流電源18的正極相連，並與該第二輸出端B相連。該電容C0及一負載R0並聯在該第一輸出端A與該第二輸出端B之間。在本實施方式中，該第一直流電源16的電壓與該第二直流電源18的電壓相等均為V1，且該第一直流電源16及該第二直流電源18均為充電電池。
請一併參閱圖2及圖3，工作時，該控制器12控制該第一電子開關S1及該第二電子開關S2的導通及截止。當該第一電子開關S1導通時，該直交流轉換電路10的等效電路圖如圖2所示，該第一直流電源16為該負載R0供電，該第一輸出端A與該第二輸出端B之間輸出的電壓等於該第一直流電源16的電壓V1。當該第二直流電源18導通時，該直交流轉換電路10的等效電路圖如圖3所示，該第二直流電源18為該負載R0供電，該第一輸出端A與該第二輸出端B之間輸出的電壓等於該第二直流電源18的反向電壓-V1。在本實施方式中，該電容C0為濾波電容，故，該電容C0的充放電效應對該第一輸出端A與該第二輸出端B之間輸出的電壓的影響可以忽略。
請參閱圖4，該控制器12控制該第一電子開關S1在一個週期T1的相位區間φ至π-φ內導通，而在該週期T1的其他相位區間內該第一電子開關S1均截止。該控制器12控制該第二電子開關S2在該週期T1的相位區間π+φ至2π-φ內導通，而在該週期T1的其他相位區間內第二電子開關S2均截止。該第一輸出端A與該第二輸出端B之間輸出交流電的波形為方波。該交流電在該週期T1內的電壓絕對值的平均值V平 =V1(π-2φ)/π (公式一)，其中，V1為該第一直流電源16及該第二直流電源18的電壓。
同理，其他週期T1內，該控制器12控制該第一電子開關S1在相位區間2kπ+φ至(2k+1)π-φ內導通，並控制該第二電子開關S2在相位區間(2k+1)π+φ至2(k+1)π-φ內導通，其中，k為整數。並且，在每一週期T1內該交流電的電壓絕對值的平均值V平 =V1(π-2φ)/π。
請參閱圖5，市電的波形為正弦波，且由積分公式可算得市電在一個週期T2內的電壓絕對值的平均值V2=2Vpeak/π，其中，Vpeak為市電的峰值電壓。由於市電的頻率及峰值電壓Vpeak均已知，故，市電的週期T2及市電在一個週期T2內的電壓絕對值的平均值V2亦已知。
由於該直交流轉換電路10用於在市電無法繼續給該負載R0供電時，將該第一直流電源16及該第二直流電源18提供的直流電轉換成交流電，並將該交流電透過該第一輸出端A及該第二輸出端B輸出給該負載R0，以替代市電給該負載R0供電。因此，該交流電的週期T1應與市電的週期T2相等，且該交流電在一個週期內的電壓絕對值的平均值與市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值相等。即，T1=T2且V平 =V2 (公式二)。由公式一及公式二可推導出φ＝(V1-V2)π/2V1 (公式三)，且V1>V2，其中，V1為該第一直流電源16及該第二直流電源18的電壓，V2為市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值。
在本實施方式中，該第一電子開關S1及該第二電子開關S2均為NMOS場效應電晶體。該第一電子開關S1及該第二電子開關S2的第一端、第二端及第三端分別對應於NMOS場效應電晶體的閘極、汲極及源極。
請參閱圖6，本發明直交流轉換電路20的第二較佳實施方式包括一控制器22、一第一直流電源26、一第二直流電源28、第一至第六電子開關S3-S8、第一至第四輸出端C-F及第一至第三電容C1-C3。
該第一至第六電子開關S3-S8的第一端均與該控制器22相連。該第一至第三電子開關S3-S5的第二端均與該第一直流電源26的正極相連。該第一電子開關S3的第三端與該第一輸出端C相連。該第二電子開關S4的第三端與該第二輸出端D相連。該第三電子開關S5的第三端與該第三輸出端E相連。該第四電子開關S6的第二端與該第一輸出端C相連。該第五電子開關S7的第二端與該第二輸出端D相連。該第六電子開關S8的第二端與該第三輸出端E相連。該第四至第六電子開關S6-S8的第三端均與該第二直流電源28的負極相連。該第一直流電源26的負極與該第二直流電源28的正極相連，並與該第四輸出端F相連。該第一電容C1及一第一負載R1並聯在該第一輸出端C與該第四輸出端F之間。該第二電容C2及一第二負載R2並聯在該第二輸出端D與該第四輸出端F之間。該第三電容C3及一第三負載R3並聯在該第三輸出端E與該第四輸出端F之間。在本實施方式中，該第一直流電源26的電壓與該第二直流電源28的電壓相等均為V1，且該第一直流電源26及該第二直流電源28均為充電電池。該第一至第三電容C1-C3均為濾波電容。
該控制器22控制該第一電子開關S3及該四電子開關S6的導通及截止，以使該第一輸出端C與該第四輸出端F之間輸出第一相交流電給該第一負載R1供電。該控制器22控制該第二電子開關S4及該五電子開關S7的導通及截止，以使該第二輸出端D與該第四輸出端F之間輸出第二相交流電給該第二負載R2供電。該控制器22控制該第三電子開關S5及該六電子開關S8的導通及截止，以使該第三輸出端E與該第四輸出端F之間輸出第三相交流電給該第三負載R3供電。該第一相交流電與該第二相交流電的相位相差2π/3。該第二相交流電與該第三相交流電的相位相差2π/3。該第三相交流電與該第一相交流電的相位相差2π/3。該第一相交流電的波形與該直交流轉換電路10輸出的交流電的波形相同。該第二相交流電的波形與該第一相交流電的波形的相位相差2π/3。該第三相交流電的波形與該第二相交流電的波形的相位相差2π/3。
該控制器22控制該第一電子開關S3在相位區間2kπ+φ至(2k+1)π-φ內導通，該第二電子開關S4在相位區間(6k+2)π/3+φ至(6k+5)π/3-φ內導通，該第三電子開關S5在相位區間(6k+4)π/3+φ至(6k+8)π/3-φ內導通，該第四電子開關S6在相位區間(2k+1)π+φ至2(k+1)π-φ內導通，該第五電子開關S7在相位區間(6k+5)π/3+φ至(6k+8)π/3-φ內導通，該第六電子開關S8在相位區間(6k+7)π/3+φ至(6k+10)π/3-φ內導通，以使該第一至第三相交流電的週期均與市電的週期相等，且該第一至第三相交流電在一個週期內的電壓絕對值的平均值均與市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值相等。其中，φ＝(V1-V2)π/2V1，V1>V2，V1為第一及第二直流電源的電壓，V2為市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值，k為整數。φ＝(V1-V2)π/2V1的推導過程與該直交流轉換電路10中φ＝(V1-V2)π/2V1的推導過程相同，在此不再贅述。
在本實施方式中，該第一至第六電子開關S3-S8均為NMOS場效應電晶體。該第一至第六電子開關S3-S8的第一端、第二端及第三端分別對應於NMOS場效應電晶體的閘極、汲極及源極。在其它實施方式中，該第一至第六電子開關S3-S8可為NPN型電晶體或其它具有相同功能的開關，該第一至第三負載R1-R3可為同一負載，即，該直交流轉換電路20輸出的三相交流電為同一負載供電。
本發明直交流轉換電路透過該控制器控制該電子開關的導通與截止，以使輸出端輸出交流電來替代市電給負載供電。該直交流轉換電路不含任何的磁性元件、設計簡單且擁有較高效率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
無
10‧‧‧直交流轉換電路
12‧‧‧控制器
16‧‧‧第一直流電源
18‧‧‧第二直流電源
A‧‧‧第一輸出端
B‧‧‧第二輸出端
C0‧‧‧電容
R0‧‧‧負載
S1‧‧‧第一電子開關
S2‧‧‧第二電子開關

Claims (8)

  1. 一種直交流轉換電路，包括一控制器、一第一直流電源、一第二直流電源、一第一電子開關、一第二電子開關、一第一輸出端及一第二輸出端，該第一及第二電子開關的第一端均與該控制器相連，該第一電子開關的第二端與該第一直流電源的正極相連，該第一電子開關的第三端與該第一輸出端相連，該第二電子開關的第二端與該第一輸出端相連，該第二電子開關的第三端與該第二直流電源的負極相連，該第一直流電源的負極與該第二直流電源的正極相連並與該第二輸出端相連，該控制器控制該第一及第二電子開關的導通及截止，以使該第一輸出端與該第二輸出端之間輸出的交流電的週期與市電的週期相等，且該交流電在一個週期內的電壓絕對值的平均值與市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值相等。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之直交流轉換電路，其中該第一直流電源的電壓與該第二直流電源的電壓相等，該控制器控制該第一電子開關在相位區間2kπ+φ至(2k+1)π-φ內導通，並控制該第二電子開關在相位區間(2k+1)π+φ至2(k+1)π-φ內導通，其中，φ＝(V1-V2)π/2V1，V1>V2，V1為第一及第二直流電源的電壓，V2為市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值，k為整數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之直交流轉換電路，其中該第一及第二電子開關均為NMOS場效應電晶體，該第一及第二電子開關的第一端、第二端及第三端分別對應於NMOS場效應電晶體的閘極、汲極及源極。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之直交流轉換電路，其中該第一及第二輸出端之間並聯一濾波電容及一負載。
  5. 一種直交流轉換電路，包括一控制器、一第一直流電源、一第二直流電源、第一至第六電子開關及第一至第四輸出端，該第一至第六電子開關的第一端均與該控制器相連，該第一至第三電子開關的第二端均與該第一直流電源的正極相連，該第一電子開關的第三端與該第一輸出端相連，該第二電子開關的第三端與該第二輸出端相連，該第三電子開關的第三端與該第三輸出端相連，該第四電子開關的第二端與該第一輸出端相連，該第五電子開關的第二端與該第二輸出端相連，該第六電子開關的第二端與該第三輸出端相連，該第四至第六電子開關的第三端均與該第二直流電源的負極相連，該第一直流電源的負極與該第二直流電源的正極相連並與該第四輸出端相連，該控制器控制該第一至第六電子開關的導通及截止，以使該第一輸出端與該第四輸出端之間輸出的第一相交流電的週期、該第二輸出端與該第四輸出端之間輸出的第二相交流電的週期及該第三輸出端與該第四輸出端之間輸出的第三相交流電的週期均與市電的週期相等，該第一相至第三相交流電在一個週期內的電壓絕對值的平均值均與市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值相等，且該第一相交流電與該第二相交流電的相位相差2π/3，該第二相交流電與該第三相交流電的相位相差2π/3，該第三相交流電與該第一相交流電的相位相差2π/3。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之直交流轉換電路，其中該第一直流電源的電壓與該第二直流電源的電壓相等，該控制器控制該第一電子開關在相位區間2kπ+φ至(2k+1)π-φ內導通，該第二電子開關在相位區間(6k+2)π/3+φ至(6k+5)π/3-φ內導通，該第三電子開關在相位區間(6k+4)π/3+φ至(6k+8)π/3-φ內導通，該第四電子開關在相位區間(2k+1)π+φ至2(k+1)π-φ內導通，該第五電子開關在相位區間(6k+5)π/3+φ至(6k+8)π/3-φ內導通，該第六電子開關在相位區間(6k+7)π/3+φ至(6k+10)π/3-φ內導通，其中，φ＝(V1-V2)π/2V1，V1>V2，V1為第一及第二直流電源的電壓，V2為市電在一個週期內的電壓絕對值的平均值，k為整數。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之直交流轉換電路，其中該第一至第六電子開關均為NMOS場效應電晶體，該第一至第六電子開關的第一端、第二端及第三端分別對應於NMOS場效應電晶體的閘極、汲極及源極。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之直交流轉換電路，其中該第一輸出端與該第四輸出端之間並聯一第一濾波電容及一第一負載，該第二輸出端與該第四輸出端之間並聯一第二濾波電容及一第二負載，該第三輸出端與該第四輸出端之間並聯一第三濾波電容及一第三負載。
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