TW201629662A - 動態電壓恢復器與其瞬變電壓控制機制 - Google Patents
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Abstract
本發明關於一種動態電壓恢復器與其瞬變電壓控制機制。此動態電壓恢復器係用以補償電壓驟降以及電壓突升。此動態電壓恢復器主要是包括一變壓器以及一雙向全橋交流對交流轉換器。此雙向全橋交流對交流轉換器具有正負電壓增益，並且以順序導通脈波寬度調變方式，完成電壓極性可逆之交流轉換器。而本發明的雙向全橋轉換器經由低頻變壓器與輸入電壓串聯達到電壓補償穩定輸出功能。
Description
本發明係關於一種電源轉換器的應用之技術，更進一步來說，本發明係關於一種動態電壓恢復器與其瞬變電壓控制機制。
近年來由於工業自動化中電子設備對電力品質要求愈來愈嚴格，如電壓驟降、電壓突升、諧波要求等。一般而言，電壓驟降是電力系統中最常見的擾動，其佔電力品質各種問題的90%以上，其主因為大型馬達負載的啟動與短路故障發生；電壓突升則發生於切換式大型電容或大型負載移除及單相接地的故障發生時。輸出電壓驟降對系統影響甚大，現今高科技設備如電腦通信系統、量測儀器與生產機台等，均對電壓的變化十分敏感，即使電壓變化只有3~5週期，亦可能造成設備當機，影響工廠的生產。由此可知，以台灣科學園區中的高科技產業而言，均採用對電壓敏感性極大的電腦自動化設備，故穩定的輸出電壓與電力品質是必要的投資與需求。
電壓異常的原因依據不同的變化程度與持續時間，可分為以下幾種狀態：1.低頻衰減震盪波形(low-frequency decaying ringwave)、2.高頻突波(high-frequency impulse and ringwave)、3.穩態容忍度(stability tolerance)、4.電壓突升(voltage swell)、5.電壓驟降(voltage sag)、6.回動(dropout)。舉例而言：電壓突升為輸出電壓均方根值超過120%且持續在0.5秒以上。電壓驟降可分為兩個區段，一為輸出電壓下降後電壓為均方根值的90%以內(<10%)且持續10秒以上，其二為下降後電壓為均方根值的85%以內(<15%)且持續0.5秒以上。回動則分為兩大類，電壓驟降超過30%或是電壓完全中斷。其事件發生後立即恢復到正常狀態，其持續時間小於20ms。
動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer：DVR)是近年來解決上述問題如電壓驟降、電壓突升等問題的重要方法。其以串聯的方式來補償電源電壓之變動，可達到較佳的系統效率及穩定輸出電壓。第1圖繪示為先前技術的動態電壓恢復器之電路圖。請參考第1圖，此動態電壓恢復器包括一變壓器101、一能量儲存元件102以及一直流對交流轉換器103。另外，在第1圖中，標示了交流等效阻抗ZAC。在此動態電壓恢復器中，額外的直流對交流轉換器103產生交流補償電壓Vcan，並透過變壓器101進行交流輸入電壓Vac的補償。然而，受限於能量儲存元件102的容量，其補償時間、成本與電路
體積將會受限。
本發明的一目的在於提供一種動態電壓恢復器，藉由具有正負電壓增益之交流對交流轉換器配合串接在電壓源的補償用變壓器，進行對電源電壓的補償，達到即時穩壓的功能。
有鑒於此，本發明提供一種動態電壓恢復器，適用於補償輸出電壓驟降與輸出電壓突升，此動態電壓恢復器包括一變壓器以及一交流對交流轉換器。變壓器包括一次側線圈以及一二次側線圈，其中，此變壓器的二次側線圈的第一端耦接一第一交流端，此變壓器的二次側線圈的第二端用以提供一補償輸入電壓。交流對交流轉換器包括一諧振濾波電路、一第一交流雙向開關、一第二交流雙向開關、一第三交流雙向開關、一第四交流雙向開關以及一控制電路。
諧振濾波電路包括一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中，諧振濾波電路的輸出端耦接變壓器的一次側線圈的第一端，諧振濾波電路的第二輸入端耦接變壓器的一次側線圈的第二端。第一交流雙向開關包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第一交流雙向開關的第一端耦接第一交流端，第一交流雙向開關的第二端耦接諧振濾波電路的第一輸入端。第二交流雙向開關包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第二
交流雙向開關的第一端耦接諧振濾波電路的第一輸入端，第二交流雙向開關的第二端耦接第二交流端。
第三交流雙向開關包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第三交流雙向開關的第一端耦接第一交流端，第三交流雙向開關的第二端耦接諧振濾波電路的第二輸入端。第四交流雙向開關包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第四交流雙向開關的第一端耦接諧振濾波電路的第二輸入端，第四交流雙向開關的第二端耦接第二交流端。控制電路耦接第一交流雙向開關、第二交流雙向開關、第三交流雙向開關以及第四交流雙向開關的控制端，用以控制第一交流雙向開關、第二交流雙向開關、第三交流雙向開關以及第四交流雙向開關，用以輸出一第一脈波寬度調變訊號、一第二脈波寬度調變訊號、一第三脈波寬度調變訊號以及一第四脈波寬度調變訊號分別給該第一交流雙向開關、該第二交流雙向開關、該第三交流雙向開關以及該第四交流雙向開關的控制端。
上述第一脈波寬度調變訊號與上述第二脈波寬度調變訊號反相，上述第三脈波寬度調變訊號與上述第四脈波寬度調變訊號反相，上述第一脈波寬度調變訊號與上述第三脈波寬度調變訊號的相位差相差90度。上述交流對交流轉換器依照所輸入的交流電與一標準交流電之差異，決定上述第一脈波寬度調變訊號的責任週期，以決定上述輸入電壓對輸出電壓的增益為正或負。
依照本發明較佳實施例所述之動態電
壓恢復器，上述諧振濾波電路包括一諧振濾波線圈以及一諧振濾波電容。諧振濾波線圈包括一第一端以及一第二端，其中，諧振濾波線圈的第一端耦接諧振濾波電路的第一輸入端，諧振濾波線圈的第二端耦接諧振濾波電路的輸出端。諧振濾波電容包括一第一端以及一第二端，其中，諧振濾波電容的第一端耦接諧振濾波電路的輸出端，諧振濾波電容的第二端耦接諧振濾波電路的第二輸入端。
依照本發明較佳實施例所述之動態電壓恢復器，在較佳實施例中，還包括『瞬變電壓控制機制』，其中，當控制電路判斷所輸出的交流電大於一上界交流電，且所輸出的交流電小於一第一正半週門檻電壓，控制電路控制第一脈波寬度調變訊號的責任週期之一責任週期變化量乘以1。當控制電路判斷所輸出的交流電大於上界交流電，且所輸出的交流電介於第一正半週門檻電壓與第二正半週門檻電壓之間，控制電路控制第一脈波寬度調變訊號的責任週期之責任週期變化量乘以一第一倍率，以補償輸出電壓之瞬間變化。當控制電路判斷所輸出的交流電大於上界交流電，且所輸出的交流電大於第二正半週門檻電壓之間，控制電路控制第一脈波寬度調變訊號的責任週期之責任週期變化量乘以一第二倍率，以補償輸出電壓之瞬間變化，其中，第二正半週門檻電壓大於第一正半週門檻電壓，且第一正半週門檻電壓大於0。另外，第二倍率大於第一倍率，且第一倍率大於1。
依照本發明較佳實施例所述之動態電
壓恢復器，其中，當控制電路判斷所輸出的交流電小於一下界交流電，且所輸出的交流電大於一第一負半週門檻電壓，控制電路控制第一脈波寬度調變訊號的責任週期之一責任週期變化量乘以1。當控制電路判斷所輸出的交流電小於上界交流電，且所輸出的交流電介於第一負半週門檻電壓與第二負半週門檻電壓之間，控制電路控制第一脈波寬度調變訊號的責任週期之責任週期變化量乘以第一倍率，以補償輸出電壓之瞬間變化。當控制電路判斷所輸出的交流電小於上界交流電，且所輸出的交流電小於第二正半週門檻電壓之間，控制電路控制第一脈波寬度調變訊號的責任週期之責任週期變化量乘以一第二倍率，以補償輸出電壓之瞬間變化，其中，第二負半週門檻電壓小於第一負半週門檻電壓，且第一負半週門檻電壓小於0。
本發明的精神在於動態電壓回復器採用交流對交流轉換器，配合變壓器，針對輸入的交流電壓之電壓驟降以及電壓突升，給予對應之正增益與負增益之電壓補償。而在本發明的交流對交流轉換器中，採用雙向全橋轉換器，以順序導通脈波寬度調變方式，完成正負極性電壓之交流轉換器。而本發明的雙向全橋轉換器經由低頻變壓器與輸入電壓串聯達到電壓補償穩定輸出功能。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
101‧‧‧變壓器
102‧‧‧能量儲存元件
103‧‧‧直流轉交流轉換器
ZAC‧‧‧交流等效阻抗
Vcan‧‧‧交流補償電壓
Vac‧‧‧交流輸入電壓
201‧‧‧交流對交流轉換器
202‧‧‧電源控制器暨驅動電路
203‧‧‧變壓器
204‧‧‧輔助電源電路
ZAC‧‧‧交流等效阻抗
Vo‧‧‧輸出電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
L30‧‧‧一次側線圈
L31‧‧‧二次側線圈
301‧‧‧諧振濾波電路
M31‧‧‧第一交流雙向開關
M32‧‧‧第二交流雙向開關
M33‧‧‧第三交流雙向開關
M34‧‧‧第四交流雙向開關
901‧‧‧交流輸入電壓Vin的波形
902‧‧‧補償後輸出電壓Vo的波形
903‧‧‧交流對交流轉換器輸出的補償電壓Vout的波形
904‧‧‧交流輸入電壓Vin的波形
905‧‧‧補償後輸出電壓Vo的波形
906‧‧‧交流對交流轉換器輸出的補償電壓Vout的波形
1001‧‧‧補償後的輸出電壓
1002‧‧‧補償後的輸出電壓
1101‧‧‧交流電的標準波形
1102‧‧‧上界交流電
1103‧‧‧下界交流電
1104‧‧‧第一上界門檻電壓
1105‧‧‧第二上界門檻電壓
1106‧‧‧第一下界門檻電壓
1107‧‧‧第二下界門檻電壓
第1圖繪示為先前技術的動態電壓恢復器之電路圖。
第2圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器之電路圖。
第3圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器之詳細電路圖。
第4圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器之脈波寬度控制波形圖。
第5圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器之脈波寬度控制波形對輸出電壓之關係圖。
第6A圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第一階段的操作示意圖。
第6B圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第二階段的操作示意圖。
第6C圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第三階段的操作示意圖。
第6D圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第四階段的操作示意圖。
第7A圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在過電壓模式的第一階段的操作示意圖。
第7B圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在過電壓模式的第二階段的操作示意圖。
第7C圖繪示為本發明實施例的動態電
壓恢復器在過電壓模式的第三階段的操作示意圖。
第7D圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在過電壓模式的第四階段的操作示意圖。
第8圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器的雙向交流對交流轉換器的轉移曲線圖。
圖9A繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓驟降50%的操作波形圖。
圖9B繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓突升25%的操作波形圖。
第10A圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓驟降且補償機制啟動的相位約90度時的操作波形圖。
第10B圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓突升且補償機制啟動的相位約270度時的操作波形圖。
第11圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器的補償機制啟動方法示意圖。
第12A圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器在第10A圖的情況下採用第11圖的補償機制後之波形圖。
第12B圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器在第10B圖的情況下採用第11圖的補
償機制後之波形圖。
第2圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器之電路圖。請參考第2圖，在此實施例中，利用直接交流對交流轉換器201來實現對輸入電壓的補償機制。其利用交流輸入電壓或輸出電壓配合低頻變壓器來補償其過低或過高電壓，架構圖如第2圖所示。此方法效率較高且無上述第一種方法之缺點，雖其電源中斷時無法提供其所需之輸出電壓，但只要配合其他緊急發電設備亦可實現不斷電功能。在此實施例中，動態電壓恢復器(DVR)所需要的補償輸出電壓變化與快速響應，故以直接轉換的交流對交流轉換器來實現，此動態電壓恢復器包括交流對交流轉換器201、電源控制器暨驅動電路202以及變壓器203。另外，為了維持電源控制器暨驅動電路202的運作，還需要額外的一輔助電源電路204。另外，在第2圖中，標示了交流等效阻抗ZAC。
另外，為了說明本發明的精神，在此實施例中，變壓器的一次側與二次側的線圈比假設為1：N。在此實施例中，為達到動態電壓恢復器(DVR)所需要的補償輸出電壓的上下變化，交流對交流轉換器需要同時具有正電壓增益與負電壓增益。本實施例為解決輸出電壓驟降與電壓突升的問題，交流對交流轉換器所需補償電壓Vout如下式(1)所示：
其中Vo為輸出電壓、Vin為輸入電壓、G(D)為交流對交流轉換器的增益、n則為低頻變壓器的圈數比。由方程式(1)可知，電壓驟降時所需補償的電壓Vout為正，反之電壓突升時補償電壓Vout為負。亦即交流對交流轉換器的增益G(D)必須可以為正亦可以為負。因脈波的責任週期D的範圍為0~1之間，為得到可正可負的數值，在此實施例，以脈波的責任週期0.5為分界點。當責任週期D<0.5時，G(D)為負值，當責任週期D>0.5時，G(D)為正值。
第3圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器之詳細電路圖。請參考第3圖，此動態電壓恢復器包括變壓器203、電源控制器暨驅動電路202以及交流對交流轉換器201。變壓器203包括一次側線圈L30以及一二次側線圈L31，其中，此變壓器203的二次側線圈L31的第一端耦接一第一交流端，此變壓器的二次側線圈的第二端用以提供一補償輸入電壓。交流對交流轉換器201包括一諧振濾波電路301、一第一交流雙向開關M31、一第二交流雙向開關M32、一第三交流雙向開關M33以及一第四交流雙向開關M34。電源控制器暨驅動電路202用以輸出第一脈波寬度調變訊號PWM1、第二脈波寬度調變訊號PWM2、第三脈波寬度調變訊號PWM3以及第四脈波
寬度調變訊號PWM4分別給第一交流雙向開關M31、第二交流雙向開關M32、第三交流雙向開關M33以及第四交流雙向開關M34的閘極。
當輸出電壓驟降時，交流對交流轉換器201需提供正向電壓補償欠電壓，在此狀態下，交流對交流轉換器201為供應能量至輸出端。當輸出電壓突升時，交流對交流對交流轉換器201須提供反向電壓補償過電壓，在此狀態下，交流對交流轉換器201為接收能量。由此可知，交流對交流轉換器201不僅需產生可正可負增益之電壓外，還須能夠雙向工作才能達到補償的需求。在本發明的實施例中，以全橋轉換器作為交流對交流轉換器的架構，並使用順序導通脈波寬度調變方式完成電路切換控制，達到補償及穩定電壓的功能。如第4圖所示，第4圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器之脈波寬度控制波形圖。請參考第4圖，在此實施例中，以50%責任週期作舉例。另外，以第一交流雙向開關M31的導通時間作為系統的脈波寬度調變責任週期。在此實施例中，供應給第一交流雙向開關M31的第一脈波寬度調變訊號PWM1與供應給第二交流雙向開關M32的第二脈波寬度調變訊號PWM2反相；供應給第三交流雙向開關M33的第三脈波寬度調變訊號PWM3與供應給第四交流雙向開關M34的第四脈波寬度調變訊號PWM4反相；供應給第一交流雙向開關M31的第一脈波寬度調變訊號PWM1與供應給第三交流雙向開關M33的第三脈波寬度調變訊號PWM3相位差
90度。
請回頭參考第3圖，上述實施例是以四組交流雙向開關(M31~M34)實施交流全橋電路，其中，每一組交流雙向開關係由兩顆絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)以背對背的方式耦接。在此實施例中，是以交流全橋電路搭配電感電容組成的諧振濾波電路301實施交流對交流雙向轉換的電路。為了讓所屬技術領域具有通常知識者能夠瞭解本發明，第5圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器之脈波寬度控制波形對輸出電壓之關係圖。請參考第5圖，責任週期以50%做為界線，責任週期超過50%，輸出電壓為正，責任週期低於50%，輸出電壓為負。
以下將詳細說明電路動作原理。交流對交流轉換器201動作時，共有兩種模式以及四種狀態。當輸入的交流電壓低於額定交流電壓時，此時的狀態定義為欠電壓模式；而當輸入的交流電壓高過額定電壓時，此時的狀態定義為過電壓模式，欠電壓模式與過電壓模式在一個周期內分別有四種狀態。
欠電壓模式之操作：
此模式工作時由輸入端Vin對輸出端Vout供應能量，以下為各模式的動作原理，如第6A圖至第6D圖所示。
第6A圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第一階段的操作示意圖。請參考
第6A圖，在此欠電壓模式的第一階段之時間內，第一交流雙向開關M31以及第四交流雙向開關M34導通，輸入電壓經由第一交流雙向開關M31以及第四交流雙向開關M34路徑對電感充磁與電容充電，此時電感電壓為Vin-Vout。
第6B圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第二階段的操作示意圖。請參考第6B圖，在此欠電壓模式的第二階段之時間內，第二交流雙向開關M32以及第四交流雙向開關M34導通，第二交流雙向開關M32以及第四交流雙向開關M34提供電感電流繼續流動路徑，對電容充電與負載供電，此時電感電壓為(-Vout)。
第6C圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第三階段的操作示意圖。請參考第6C圖，此第三階段之操作與第一階段之操作相同，第一交流雙向開關M31以及第四交流雙向開關M34導通，輸入電壓經由第一交流雙向開關M31以及第四交流雙向開關M34對電感充磁電容充電，此時電感電壓為Vin-Vout。
第6D圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在欠電壓模式的第四階段的操作示意圖。請參考第6D圖，相似地，第一交流雙向開關M31以及第三交流雙向開關M33導通，第一交流雙向開關M31以及第三交流雙向開關M33提供電感電流繼續流動路徑，對電容充電
負載供電，此時電感電壓為(-Vout)。
過電壓模式之操作：
此模式由輸出端Vout將能量並回送至輸入端Vin，以下為各模式的動作原理，如第7A圖至第7D圖所示。
第7A圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在過電壓模式的第一階段的操作示意圖。請參考第7A圖，在此過電壓模式的第一階段之時間內，第二交流雙向開關M32以及第四交流雙向開關M34導通，輸出電壓經由第二交流雙向開關M32以及第四交流雙向開關M34對電感充磁，此時電感電壓跨壓為(-Vout)。
第7B圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在過電壓模式的第二階段的操作示意圖。請參考第7B圖，在此過電壓模式的第二階段之時間內，第二交流雙向開關M32以及第三交流雙向開關M33導通，電感電流經由第二交流雙向開關M32以及第三交流雙向開關M33對輸入端Vin供電，此時電感電壓為(-Vin-Vout)。
第7C圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在過電壓模式的第三階段的操作示意圖。請參考第7C圖，此第三階段之操作與第一階段之操作類似，第一交流雙向開關M31以及第三交流雙向開關M33導通，輸出電壓經由第一交流雙向開關M31以及第三交流雙向開關M33路徑對電感充磁，此時電感電壓跨壓為(-Vout)。
第7D圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器在過電壓模式的第四階段的操作示意圖。請參考第7D圖，此第四階段之操作與第二階段之操作相同，第二交流雙向開關M32以及第三交流雙向開關M33導通，電感電流經由第二交流雙向開關M32以及第三交流雙向開關M33將能量輸回Vin，此時電感電壓為(-Vin-Vout)。
交流對交流轉換器操作在欠電壓模式時為降壓(Buck)模式，輸入端Vin對輸出端Vout供應能量，而操作在過電壓模式時則為升壓(Boost)模式，輸出端Vout將能量並回輸入端Vin。故交流對交流轉換器可分為降壓(Buck)與為升壓(Boost)兩種操作模式。轉換器中的責任週期是以一個週期電感激磁所占的比例決定，而本申請案件的控制方式採取順序導通方式操作，一個周期內共有四種狀態。操作在降壓(Buck)模式時，一個週期內電感分別有兩次充磁現象發生，分別為第一階段與第三階段，所以在降壓(Buck)模式時，責任週期是以第一交流雙向開關M31與第四交流雙向開關M34的導通時間決定；而在升壓(Boost)模式時，也有兩次充磁現象發生，分別在第一階段與第三階段時對電感充磁。在升壓(Boost)模式的第一階段時，責任週期是以第二交流雙向開關M32與第四交流雙向開關M34的導通時間決定，在升壓(Boost)模式的第三階段時，Duty是以責任週期是以第一交流雙向開關M31與第三交流雙向開關M33的導通時間決定。
升壓(Boost)模式的電壓增益為Vin/Vout=1/(1-D)，然而，輸入端Vin以及輸出端Vout與降壓(Buck)模式相反，故公式更改為Vout/Vin=1-D，又因系統中的責任週期是以降壓(Buck)模式為主，所以責任週期的大小是由第一交流雙向開關M31的導通時間所佔之比例決定。但升壓(Boost)激磁模式與降壓(Buck)激磁模式截然不同，且剛好相反。將兩種模式合併後可得Vout/Vin=2(D-0.5)。轉移曲線如第8圖所示。第8圖繪示為本發明實施例的動態電壓恢復器的雙向交流對交流轉換器的轉移曲線圖。增益Gain為輸出電壓與輸入電壓之間的比例。
圖9A繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓驟降50%的操作波形圖。請參考第9A圖，波形901為交流輸入電壓Vin；波形902為補償後輸出電壓Vo；波形903為交流對交流轉換器輸出的補償電壓Vout。由第9A圖可知，當交流輸入電壓Vin降低時，交流對交流轉換器輸出的補償電壓Vout增大，使補償後輸出電壓Vo維持恆定。
圖9B繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓突升25%的操作波形圖。請參考第9B圖，波形904為交流輸入電壓Vin；波形905為補償後輸出電壓Vo；波形906為交流對交流轉換器輸出的補償電壓Vout。由第9B圖可知，當交流輸入電壓Vin突升時，交流對交流轉換器輸出的補償電壓vout反相
增大，使補償後輸出電壓Vo維持恆定。
然而，上述實施例是以電壓驟降與電壓突升的補償啟動的相位為0度的情況下發生。第10A圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓驟降且補償機制啟動的相位約90度時的操作波形圖。請參考第10A圖，當電壓驟降發生後，補償機制在相位約90度發生時，導致補償後的輸出電壓1001瞬間上升，如此，將導致輸出電壓Vout瞬間過高，也就是所謂發生了電源浪湧(Power Surge)。同樣的，第10B圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器應用於輸入交流電壓突升且補償機制啟動的相位約270度時的操作波形圖。請參考第10B圖，當電壓突升發生後，補償機制在相位約270度發生時，導致補償後的輸出電壓1002瞬間下降，如此，將導致輸出電壓Vout瞬間過高。上述情況，將有可能損壞所耦接的後級電路。
在本發明下述實施例中，將對上述電壓瞬間過高的情況進行電路補償。第11圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器的補償機制啟動方法示意圖。請參考第11圖，在此實施例中，標號1101表示交流電的標準波形；標號1102表示上界交流電；標號1103表示下界交流電；標號1104表示第一上界門檻電壓；標號1105表示第二上界門檻電壓；標號1106表示第一下界門檻電壓；標號1107表示第二下界門檻電壓。為了方便說明本發明之精神，上述第11圖還標示了區域A1、區域A2
以及區域A3。
當補償後的輸出電壓在交流正半週期時，電壓超過上界交流電時，本發明實施例的補償增益變動機制被啟動。此時，電源控制器暨驅動電路202開始判斷當時的輸出電壓Vo的大小。當輸出電壓Vo小於第一上界門檻電壓1104，此時，責任週期的變動量△Duty的增益大小由控制器直接求得，對交流電的補償機制增益大小維持原方式。當輸出電壓Vo介於第一上界門檻電壓1104與第二上界門檻電壓1105之間，此時，責任週期的變動量△Duty增益乘以50倍。當輸出電壓Vo大於第二上界門檻電壓1105，此時，責任週期的變動量△Duty增益乘以200倍。換句話說，當輸出電壓Vo越高時，瞬間增益越大，使輸出電壓Vo能夠瞬間被補償。在正半週期時，當輸出電壓Vo回復到上界交流電之下，此補償機制回復正常。
同樣的道理，當補償後的輸出電壓在交流負半週期時，電壓超過下界交流電時，本發明實施例的補償增益變動機制被啟動。此時，電源控制器暨驅動電路202開始判斷當時的輸出電壓Vo的大小。當輸出電壓Vo大於第一下界門檻電壓1106，此時，責任週期的變動量△Duty的增益大小由控制器直接求得，對交流電的補償機制增益大小維持原方式。當輸出電壓Vo介於第一下界門檻電壓1106與第二下界門檻電壓1107之間，此時，責任週期的變動量△Duty增益乘以50倍。當輸出電壓Vo小於第二下界門檻電壓1107，此時，責任週期的變動量△Duty
增益乘以200倍。換句話說，當輸出電壓Vo越低時，瞬間增益越大，使輸出電壓Vo能夠瞬間被補償。同樣的道理，在負半週期時，當輸出電壓Vo回復到下界交流電之上，此補償機制回復正常。
第12A圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器在第10A圖的情況下採用第11圖的補償機制後之波形圖。第12B圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器在第10B圖的情況下採用第11圖的補償機制後之波形圖。請參考第12A圖以及第12B圖，所屬技術領域具有通常知識者，可以看出，藉由本發明上述實施例的補償方式，可以讓電路快速響應，使電源浪湧(Power Surge)的情況獲得相當的改善。
綜上所述，本發明的精神在於動態電壓回復器採用交流對交流轉換器，配合變壓器，針對輸入的交流電壓之電壓驟降以及電壓突升，給予對應之正增益與負增益之電壓補償。而在本發明的交流對交流轉換器中，採用雙向全橋轉換器，以順序導通脈波寬度調變方式，完成電壓極性可為正負之交流轉換器。而本發明的雙向全橋轉換器經由低頻變壓器與輸入電壓串聯達到電壓補償穩定輸出功能。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於
本發明之範圍。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。
201‧‧‧交流對交流轉換器
202‧‧‧電源控制器暨驅動電路
203‧‧‧變壓器
204‧‧‧輔助電源電路
ZAC‧‧‧交流等效阻抗
Vo‧‧‧輸出電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
L30‧‧‧一次側線圈
L31‧‧‧二次側線圈
301‧‧‧諧振濾波電路
M31‧‧‧第一交流雙向開關
M32‧‧‧第二交流雙向開關
M33‧‧‧第三交流雙向開關
M34‧‧‧第四交流雙向開關
Claims (8)
- 一種動態電壓恢復器，適用於補償輸出電壓驟降與輸出電壓突升，包括：一變壓器，包括一次側線圈以及一二次側線圈，其中，該變壓器的二次側線圈的第一端耦接一第一交流端，該變壓器的二次側線圈的第二端用以提供一補償輸入電壓；以及一交流對交流轉換器，包括：一諧振濾波電路，包括一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中，該諧振濾波電路的輸出端耦接該一次側線圈的第一端，該諧振濾波電路的第二輸入端耦接該一次側線圈的第二端；一第一交流雙向開關(M1)，包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，該第一交流雙向開關的第一端耦接該第一交流端，該第一交流雙向開關的第二端耦接該諧振濾波電路的第一輸入端；一第二交流雙向開關(M2)，包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，該第二交流雙向開關的第一端耦接該諧振濾波電路的第一輸入端，該第二交流雙向開關的第二端耦接一第二交流端；一第三交流雙向開關(M3)，包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，該第三交流雙向開關的第一端耦接該第一交流端，該第三交流雙向開關的第二端耦接該諧振濾波電路的第二輸入端； 一第四交流雙向開關(M4)，包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，該第四交流雙向開關的第一端耦接該諧振濾波電路的第二輸入端，該第四交流雙向開關的第二端耦接該第二交流端；以及一控制電路，耦接該第一交流雙向開關、該第二交流雙向開關、該第三交流雙向開關以及該第四交流雙向開關的控制端，用以控制該第一交流雙向開關、該第二交流雙向開關、該第三交流雙向開關以及該第四交流雙向開關，用以輸出一第一脈波寬度調變訊號、一第二脈波寬度調變訊號、一第三脈波寬度調變訊號以及一第四脈波寬度調變訊號分別給該第一交流雙向開關、該第二交流雙向開關、該第三交流雙向開關以及該第四交流雙向開關的控制端，其中，該第一脈波寬度調變訊號與該第二脈波寬度調變訊號反相，該第三脈波寬度調變訊號與該第四脈波寬度調變訊號反相，該第一脈波寬度調變訊號與該第三脈波寬度調變訊號的相位差相差90度，其中，該交流對交流轉換器依照所輸入的交流電與一標準交流電之差異，決定該第一脈波寬度調變訊號的責任週期，以決定該輸入電壓對該輸出電壓的增益為正或負。
- 如申請專利範圍第1項所記載之動態電壓恢復器，其中，該諧振濾波電路包括：一諧振濾波線圈，包括一第一端以及一第二端，其 中，該諧振濾波線圈的第一端耦接該諧振濾波電路的第一輸入端，該諧振濾波線圈的第二端耦接該諧振濾波電路的輸出端；以及一諧振濾波電容，包括一第一端以及一第二端，其中，該諧振濾波電容的第一端耦接該諧振濾波電路的輸出端，該諧振濾波電容的第二端耦接該諧振濾波電路的第二輸入端。
- 如申請專利範圍第1項所記載之動態電壓恢復器，其中，當控制電路判斷所輸出的交流電大於一上界交流電，且所輸出的交流電小於一第一正半週門檻電壓，該控制電路控制該第一脈波寬度調變訊號的責任週期之一責任週期變化量乘以1；當控制電路判斷所輸出的交流電大於該上界交流電，且所輸出的交流電介於該第一正半週門檻電壓與一第二正半週門檻電壓之間，該控制電路控制該第一脈波寬度調變訊號的責任週期之該責任週期變化量乘以一第一倍率，以補償該輸出電壓之瞬間變化；當控制電路判斷所輸出的交流電大於該上界交流電，且所輸出的交流電大於該第二正半週門檻電壓之間，該控制電路控制該第一脈波寬度調變訊號的責任週期之該責任週期變化量乘以一第二倍率，以補償該輸出電壓之瞬間變化， 其中，該第二正半週門檻電壓大於該第一正半週門檻電壓，且該第一正半週門檻電壓大於0，其中，該第二倍率大於該第一倍率，且該第一倍率大於1。
- 如申請專利範圍第1項所記載之動態電壓恢復器，其中，當控制電路判斷所輸出的交流電小於一下界交流電，且所輸出的交流電大於一第一負半週門檻電壓，該控制電路控制該第一脈波寬度調變訊號的責任週期之一責任週期變化量乘以1；當控制電路判斷所輸出的交流電小於該上界交流電，且所輸出的交流電介於該第一負半週門檻電壓與一第二負半週門檻電壓之間，該控制電路控制該第一脈波寬度調變訊號的責任週期之該責任週期變化量乘以一第一倍率，以補償該輸出電壓之瞬間變化；當控制電路判斷所輸出的交流電小於該上界交流電，且所輸出的交流電小於該第二正半週門檻電壓之間，該控制電路控制該第一脈波寬度調變訊號的責任週期之該責任週期變化量乘以一第二倍率，以補償該輸出電壓之瞬間變化，其中，該第二負半週門檻電壓小於該第一負半週門檻電壓，且該第一負半週門檻電壓小於0，其中，該第二倍率大於該第一倍率，且該第一倍率大 於1。
- 如申請專利範圍第1項所記載之動態電壓恢復器，其中，該第一交流雙向開關包括：一第一絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第一絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第一交流雙向開關的控制端，該第一絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第一交流雙向開關的第一端；以及一第二絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第二絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第一交流雙向開關的控制端，該第二絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第一交流雙向開關的第二端，該第二絕緣閘雙極電晶體的射極耦接該第一絕緣閘雙極電晶體的射極。
- 如申請專利範圍第1項所記載之動態電壓恢復器，其中，該第二交流雙向開關包括：一第一絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第一絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第二交流雙向開關的控制端，該第一絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第二交流雙向開關的第一端；以及一第二絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第二絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第二交流雙向開關的控制端，該第二絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第二交流雙向開關的第二端，該第二絕緣閘雙極 電晶體的射極耦接該第一絕緣閘雙極電晶體的射極。
- 如申請專利範圍第1項所記載之動態電壓恢復器，其中，該第三交流雙向開關包括：一第一絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第一絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第三交流雙向開關的控制端，該第一絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第三交流雙向開關的第一端；以及一第二絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第二絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第三交流雙向開關的控制端，該第二絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第三交流雙向開關的第二端，該第二絕緣閘雙極電晶體的射極耦接該第一絕緣閘雙極電晶體的射極。
- 如申請專利範圍第1項所記載之動態電壓恢復器，其中，該第四交流雙向開關包括：一第一絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第一絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第四交流雙向開關的控制端，該第一絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第四交流雙向開關的第一端；以及一第二絕緣閘雙極電晶體，包括一閘極、一射極以及一集極，其中，該第二絕緣閘雙極電晶體的閘極耦接該第四交流雙向開關的控制端，該第二絕緣閘雙極電晶體的集極耦接該第四交流雙向開關的第二端，該第二絕緣閘雙極 電晶體的射極耦接該第一絕緣閘雙極電晶體的射極。
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