TW201534032A - 逆變裝置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種逆變裝置的控制方法。該逆變裝置包含直流轉直流轉換器與直流轉交流轉換器。該直流轉直流轉換器之一輸出側耦接於該直流轉交流轉換器之一輸入側。該控制方法包含下列步驟：自該直流轉直流轉換器之該輸出側輸出一直流電源；自該直流轉交流轉換器之該輸入側接收該直流電源，並依據該直流電源於該直流轉交流轉換器之一輸出側產生一交流電源；以及檢測該直流電源，並據以控制該直流轉交流轉換器之操作。

Description

逆變裝置及其控制方法
本發明係關於逆變裝置，尤指一種利用檢測直流母線電壓以控制逆變裝置的方法及其相關的逆變裝置。
在傳統的逆變裝置之中，直流轉直流轉換器會接收太陽能電池板輸出的直流電源，並將其進行升壓以傳送至直流轉交流轉換器，直流轉交流轉換器接著會將經升壓後的直流電源轉換成交流電源。由於太陽能電池板容易受到外在環境的影響(例如，雲朵遮蔽、飛禽糞便及/或枯葉遮蓋)，這會造成逆變裝置由太陽能電池所接收之功率能量跟著變低，當逆變裝置輸出的功率過低(輕載狀態)，會使逆變裝置在輕載的工作效率變差。
因此，需要一種創新的逆變裝置的控制方法，以解決逆變裝置因為外在環境的影響而造成工作效率不佳的問題。
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種利用檢測直流母線電壓以控制逆變裝置的方法及其相關的逆變裝置，來解決上述問題。
依據本發明之一實施例，其揭示一種逆變裝置的控制方法。該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器與一直流轉交流轉換器。該直流轉直流轉換 器之一輸出側耦接於該直流轉交流轉換器之一輸入側。該控制方法包含以下步驟：自該直流轉直流轉換器之該輸出側輸出一直流電源；自該直流轉交流轉換器之該輸入側接收該直流電源，並依據該直流電源於該直流轉交流轉換器之一輸出側產生一交流電源；以及檢測該直流電源，並據以控制該直流轉交流轉換器之操作。
依據本發明之一實施例，其揭示一種逆變裝置。該逆變裝置包含 一直流轉直流轉換器、一直流轉交流轉換器以及一控制器。該直流轉直流轉換器用以輸出一直流電源。該直流轉交流轉換器係耦接於該直流轉直流轉換器，用以接收該直流電源，並依據該直流電源來產生一交流電源。該控制器係耦接於該直流轉交流轉換器，用以檢測該直流電源，並據以控制該直流轉交流轉換器之操作。
本發明所提供之逆變裝置的控制方法透過檢測初級輸出(直流母 線電壓)，消弭/減少外在環境對逆變裝置之工作效率的影響，進而提昇逆變裝置於輕載狀態下的操作性能。
100‧‧‧逆變裝置
102‧‧‧太陽能電池
110‧‧‧直流轉直流轉換器
120‧‧‧直流轉交流轉換器
130‧‧‧控制器
302~332、402~432‧‧‧步驟
PIN‧‧‧輸入電源
PDC‧‧‧直流電源
PAC‧‧‧交流電源
SDO、SAO‧‧‧輸出側
SAI‧‧‧輸入側
SG‧‧‧脈衝寬度調變訊號
CBUS‧‧‧直流母線電容
VBUS‧‧‧直流母線電壓
VH‧‧‧上限準位
VL‧‧‧下限準位
IAC‧‧‧電流準位
t1、t2、t3、t4‧‧‧時間點
第1圖為本發明逆變裝置之一實施例的功能方塊示意圖。
第2圖為第1圖所示之逆變裝置的初級輸出與次級輸出的一波形圖。
第3圖為本發明逆變裝置的控制方法之一實施例的流程圖。
第4圖為本發明逆變裝置的控制方法之另一實施例的流程圖。
為了提昇逆變裝置於輕載狀態下的工作效率，本發明所提供之逆 變裝置的控制方法可直接檢測直流母線電壓(例如，直流轉直流轉換器所輸出之直流電源)，而據以決定是否要將逆變裝置操作於間歇模式(burst mode)以提昇工作效率。為了便於理解本發明的技術特徵，以下係以光伏逆變器(Photovoltaic inverter)來作為本發明所提供之逆變裝置的實作範例。然而，本發明所提供之逆變裝置的控制方法並不限於光伏逆變器。進一步的說明如下。
請參閱第1圖，其為本發明逆變裝置之一實施例的功能方塊示意 圖。逆變裝置100耦接於一太陽能電池(Photovoltaic cell，PV cell)102，並可包含(但不限於)一直流轉直流轉換器(direct current to direct current converter，DC/DC converter)110、一直流轉交流轉換器(direct current to alternating current converter，DC/AC converter)120以及一控制器130。直流轉直流轉換器110可接收太陽能電池102所提供之輸入電源PIN，並據以於輸出側SDO輸出一直流電源PDC(例如，直流母線電壓VBUS)。直流轉直流轉換器110之輸出側SDO耦接於直流轉交流轉換器120之輸入側SAI，用以接收直流電源PDC，並依據直流電源PDC來於輸出側SAO產生一交流電源PAC。於此實施例中(但本發明不限於此)，直流轉直流轉換器110可由一LLC諧振式轉換器(LLC resonant converter)來實作之，以利用其軟性切換的特性而提高轉換效率並且降低電磁干擾，而直流轉交流轉換器120也可稱作直流轉交流變流器(DC/AC inverter)。
控制器130耦接於直流轉交流轉換器120，用以檢測直流電源PDC， 並據以控制直流轉交流轉換器120之操作。舉例來說，控制器130可直接接收直流母線電容CBUS的跨壓(亦即，直流母線電壓VBUS)，以對直流電源VBUS進行檢測。於另一範例中，直流母線電容CBUS的跨壓可經由一分壓電路(未繪示於第1圖中)而耦接於控制器130，控制器130便可依據所接收之分壓 資訊來檢測直流電源PDC。於又一範例中，直流轉直流轉換器110另可將直流電源PDC輸出至控制器130，以供控制器130進行直流母線電壓之檢測。
當控制器130檢測出直流電源PDC滿足一切換準則時，控制器130 便可據以控制逆變裝置100之操作模式。請連同第1圖來參閱第2圖。第2圖為第1圖所示之逆變裝置100的初級輸出(直流母線電壓VBUS)與次級輸出(交流電源PAC之電流準位IAC)的一波形圖。於時間點t1之前，逆變裝置100操作於一正常模式下。於時間點t1，因為外在環境的改變，造成逆變裝置100之初級功率開始降低。舉例來說，由於雲朵遮蔽的關係，造成逆變裝置100輸出的能量大於太陽能電池102可供應的能量，因此，直流母線電壓VBUS會開始下降。於此實施例中，當控制器130檢測出直流母線電壓VBUS下降至一下限準位VL時(時間點t2)，控制器130即關閉直流轉交流轉換器120以停止其切換操作，使得直流母線電壓VBUS可開始回升。舉例來說，控制器130可藉由減少脈衝寬度調變訊號SG(用來控制直流轉交流轉換器120之操作)的責任週期、將脈衝寬度調變訊號SG設為低準位，或停止將脈衝寬度調變訊號SG提供給直流轉交流轉換器120，以關閉直流轉交流轉換器120。
在控制器130關閉直流轉交流轉換器120之後，控制器130可持 續對直流電源PDC進行檢測，以避免直流電源PDC之能量準位過高而導致電路元件損壞。於此實施例中，當控制器130檢測出直流母線電壓VBUS上升至一上限準位VH時(時間點t3)，控制器130開啟直流轉交流轉換器120以啟動變流操作。舉例來說，控制器130可藉由增加脈衝寬度調變訊號SG的責任週期或再次將脈衝寬度調變訊號SG提供予直流轉交流轉換器120，以致能直流轉交流轉換器120輸出交流電源PAC。當控制器130再次檢測出直流母線電壓VBUS下降至下限準位VL時(時間點t4)，控制器130可重複上述控制機制以提昇逆變裝置100於輕載狀態下的工作效率。
上述逆變裝置100之控制機制可簡單歸納為第3圖所示之流程圖。請連同第1圖與第2圖來參閱第3圖。第3圖為本發明逆變裝置的控制方法之一實施例的流程圖，其中該控制方法可應用於第1圖所示之逆變裝置100。請注意，第3圖所示之步驟的次序僅供說明之需。假若所得到的結果實質上大致相同，則不一定要依照第3圖所示之步驟次序來執行。第3圖所示之控制方法可簡單歸納如下。
步驟302：開始。
步驟312：檢測逆變裝置100之直流電源PDC的一能量準位(例如，初級輸出之電壓準位；直流母線電壓VBUS之準位)是否小於或等於一下限準位(例如，下限準位VL)。若是，執行步驟322；反之，執行步驟326。
步驟322：關閉直流轉交流轉換器120。
步驟326：開啟直流轉交流轉換器120。
步驟332：檢測逆變裝置100之直流電源PDC的該能量準位是否大於或等於一上限準位(例如，上限準位VH)。若是，執行步驟326；反之，執行步驟322。
於步驟302中，逆變裝置100之直流轉交流轉換器120可處於致能狀態(例如，第2圖所示之時間點t2之前，或時間點t3與時間點t4之間)。於步驟312中，控制器130可依據直流轉交流轉換器120之一額定輸出能量(例如，市電的線電壓)來設定該下限準位(如380伏特)，以確保逆變裝置100可提供足夠的能量輸出。於步驟332中，控制器130可依據逆變裝置100之元件電性規格(例如，耐壓程度)來設定該上限準位(如410伏特)。另外，於步驟312及/或步驟332中，該能量準位並不限於直流電源PDC之電壓準位。舉例來說，控制器130也可以對直流電源PDC之功率準位或電流準位進行檢 測。由於熟習技藝者經由閱讀第1圖與第2圖的相關說明之後，應可了解第3圖所示之流程圖中每一步驟的操作細節，故進一步的說明在此便不再贅述。
於一設計變化中，控制器130也可先檢測直流電源PDC之能量準 位是否高於一上限準位，而據以控制直流轉交流轉換器120之操作。請連同第1圖與第2圖來參閱第4圖。第4圖為本發明逆變裝置的控制方法之另一實施例的流程圖，其中該控制方法可應用於第1圖所示之逆變裝置100。請注意，第4圖所示之步驟的次序僅供說明之需。假若所得到的結果實質上大致相同，則不一定要依照第4圖所示之步驟次序來執行。第4圖所示之控制方法可簡單歸納如下。
步驟402：開始。
步驟412：檢測逆變裝置100之直流電源PDC的一能量準位(例如，初級輸出之電壓準位；直流母線電壓VBUS之準位)是否大於或等於一上限準位(例如，上限準位VH)。若否，執行步驟422；反之，執行步驟426。
步驟422：關閉直流轉交流轉換器120。
步驟426：開啟直流轉交流轉換器120。
步驟432：檢測逆變裝置100之直流電源PDC的該能量準位是否小於或等於一下限準位(例如，下限準位VL)。若是，執行步驟422；反之，執行步驟426。
於步驟402中，逆變裝置100之直流轉交流轉換器120可處於禁能狀態(例如，第2圖所示之時間點t2與時間點t3之間)。相似地，該下限準位(如380伏特)可依據直流轉交流轉換器120之一額定輸出能量(例如，市電的線電壓)來設定之，及/或該上限準位(如410伏特)可依據逆變裝置100之元件電性規格(例如，耐壓程度)來設定之。另外，控制器130也可 以對直流電源PDC之功率準位或電流準位進行檢測。由於熟習技藝者經由閱讀第1圖~第3圖的相關說明之後，應可了解第4圖所示之流程圖中每一步驟的操作細節，故與前述相仿之處在此便不再贅述。
由上可知，本發明控制機制所採用的切換準則可以是「直流電源 PDC之能量準位小於或等於一下限準位」及/或「直流電源PDC之能量準位大於或等於一上限準位」。如此一來，便可有效提昇逆變裝置100於輕載狀態下的工作效率。值得注意的是，第1圖所示之控制器130也可以先判斷直流轉交流轉換器120之操作狀態，再進行直流母線電壓VBUS之檢測。舉例來說，控制器130可先判斷直流轉交流轉換器120之操作狀態，而決定要先依據第2圖所示之下限準位VL來檢測直流母線電壓VBUS(例如，第3圖所示之流程)，還是先依據第2圖所示之上限準位VH來檢測直流母線電壓VBUS(例如，第4圖所示之流程)。
另外，本發明所提供之逆變器架構係於逆變裝置的二次側設置一控制器，不僅可提昇逆變裝置於輕載狀態下的工作效率，另可解決傳統逆變裝置需要額外提供回授機制才能控制直流轉直流轉換器之電源輸出的問題。具體來說，傳統的逆變裝置僅於一次側(直流轉直流轉換器)設置一控制器，因此，為了要維持該直流轉直流轉換器的電源輸出穩定在某一特定值(如400伏特)，會需要先將直流轉交流轉換器/負載端(二次側)的一控制訊號回授至一次側的該控制器，該控制器再據以調整該直流轉直流轉換器的電源輸出。
相較於傳統的逆變器架構，本發明所提供之逆變器架構可於二次側設置一控制器以控制直流轉交流轉換器，無需傳統的回授機制即可提供穩定的一次側電源輸出。舉例來說，第1圖所示之逆變裝置100另可包含耦接 於直流轉直流轉換器110的另一控制器(不同於控制器130；未繪示於第1圖中)。換言之，第1圖所示之逆變裝置100的一次側及二次側均包含一控制器。由於控制器130可偵測一次側的電源輸出(亦即，直流電源PDC或直流母線電壓VBUS)，因此，控制器130便可直接所得到的偵測結果來控制直流轉交流轉換器120是否進入間歇模式，進而控制直流轉直流轉換器110之電源輸出。另外，由於控制器130原本就可包含偵測電壓(例如，直流母線電壓VBUS)的腳位，因此本發明所提供之逆變器架構並不會增加額外的電路面積與成本。
綜上所述，本發明所提供之逆變裝置的控制方法透過檢測初級輸出(直流母線電壓)，消弭/減少外在環境對逆變裝置之工作效率的影響，進而提昇逆變裝置於輕載狀態下的操作性能。另外，本發明所提供之逆變裝置係將初級輸出耦接於次級輸出側的控制器，而無需額外的電路即可有效提昇輕載狀態之工作效率，故可具有相當簡潔的電路架構，並且幾乎不會增加生產成本。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
302~332‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種逆變裝置的控制方法，該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器與一直流轉交流轉換器，該直流轉直流轉換器之一輸出側耦接於該直流轉交流轉換器之一輸入側，該控制方法包含：自該直流轉直流轉換器之該輸出側輸出一直流電源；自該直流轉交流轉換器之該輸入側接收該直流電源，並依據該直流電源於該直流轉交流轉換器之一輸出側產生一交流電源；以及檢測該直流電源，並據以控制該直流轉交流轉換器之操作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中當檢測出該直流電源之一能量準位係小於或等於一下限準位時，控制該直流轉交流轉換器之操作的步驟包含：關閉該直流轉交流轉換器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制方法，其中在關閉該直流轉交流轉換器之後，檢測該直流電源並據以控制該直流轉交流轉換器之操作的步驟另包含：檢測該直流電源之該能量準位是否大於或等於一上限準位，其中該上限準位係大於該下限準位；以及當檢測出該能量準位係大於或等於該上限準位時，開啟該直流轉交流轉換器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中當檢測出該直流電源之一能量準位係大於或等於一上限準位時，控制該直流轉交流轉換器之操作的步驟包含：開啟該直流轉交流轉換器。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之控制方法，其中在開啟該直流轉交流轉換器之後，檢測該直流電源並據以控制該直流轉交流轉換器之操作的步驟另包含：檢測該直流電源之該能量準位是否小於或等於一下限準位，其中該下限準位係小於該上限準位；以及當檢測出該能量準位係小於或等於該下限準位時，關閉該直流轉交流轉換器。
  6. 如申請專利範圍第2或5項所述之控制方法，另包含：依據該直流轉交流轉換器之一額定輸出能量來設定該下限準位。
  7. 如申請專利範圍第2或4項所述之控制方法，其中該能量準位係為一電壓準位。
  8. 一種逆變裝置，包含：一直流轉直流轉換器，用以輸出一直流電源；一直流轉交流轉換器，耦接於該直流轉直流轉換器，用以接收該直流電源，並依據該直流電源來產生一交流電源；以及一控制器，耦接於該直流轉交流轉換器，用以檢測該直流電源，並據以控制該直流轉交流轉換器之操作。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之逆變裝置，其中當該控制器檢測出該直流電源之一能量準位係小於或等於一下限準位時，該控制器會關閉該直流轉交流轉換器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之逆變裝置，其中在該控制器關閉該直流轉 交流轉換器之後，該控制器另檢測該直流電源之該能量準位是否大於或等於一上限準位；該上限準位係大於該下限準位；以及當該控制器檢測出該能量準位係大於或等於該上限準位時，該控制器會開啟該直流轉交流轉換器。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之逆變裝置，其中當該控制器檢測出該直流電源之一能量準位係大於或等於一上限準位時，該控制器會開啟該直流轉交流轉換器。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之逆變裝置，其中在該控制器開啟該直流轉交流轉換器之後，該控制器另檢測該直流電源之該能量準位是否小於或等於一下限準位；該下限準位係小於該上限準位；以及當該控制器檢測出該能量準位係小於或等於該下限準位時，該控制器會關閉該直流轉交流轉換器。
  13. 如申請專利範圍第9或12項所述之逆變裝置，其中該控制器係依據該直流轉交流轉換器之一額定輸出能量來設定該下限準位。
  14. 如申請專利範圍第9或11項所述之逆變裝置，其中該能量準位係為一電壓準位。
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