TW201735513A - 電力轉換裝置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種電力轉換裝置之一交直流轉換電路接收一交流訊號並輸出一輸出電壓訊號。一前饋電路接收交流訊號並輸出一前饋訊號。一諧波控制電路之一反饋電路接收輸出電壓訊號並輸出一反饋訊號。一偵測電路接收輸出電壓訊號，並依據輸出電壓訊號的電壓值輸出一調變控制訊號。一運算電路接收前饋訊號及調變控制訊號，並輸出一諧波調變訊號。一脈寬調變電路依據諧波調變訊號及反饋訊號輸出一開關控制訊號控制交直流轉換電路之一開關元件，以依據輸出電壓訊號的電壓值調變開關元件的導通率。本發明亦揭露一種電力轉換裝置的控制方法。

Description

電力轉換裝置及其控制方法

本發明關於一種電力轉換裝置及其控制方法，特別關於一種具有適應性諧波注入機制(Adaptive Harmonic Injection Mechanism)的電力轉換裝置及其控制方法。

按，在交流電源轉換成直流電源(AC/DC)的技術領域中，為了修正功率因數，單開關三相式功率因數修正電路是一種常用的電源轉換電路，但是，單開關三相式功率因數修正電路工作於不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)，因此，如圖1A及圖1B所示，交流電源輸入單開關三相式功率因數修正電路的輸入電流會有較高的五次諧波(頻率300Hz)成分，造成輸入電流的嚴重失真。

為了改善輸入電流失真現象，一種利用諧波注入機制來降低輸入電流的五次諧波的技術被提出，其係依據輸入單開關三相式功率因數修正電路的輸入電壓產生一諧波訊號，來調變功率因數修正電路的開關導通率，藉此降低輸入電流的五次諧波成分，使輸入電流的失真程度變小，其關係式如以下的公式(1)所示。另外，開關的責任週期(duty cycle)可被調變，如公式(2)所示。

D _mod(t)=D．[1+V _inj (t)]---------(2)

其中，V_inj(t)為調變開關導通率的六次諧波訊號，D為調變前的責任週期，D_mod(t)為調變後的責任週期，m為調變係數，其等於V_inj(t) 之峰對峰值(peak-to-peak)與一反饋訊號的比值。藉由諧波注入機制可減少輸入電流的五次諧波，進而改善輸入電流失真的問題。

然而，上述的諧波注入機制是注入固定的六次諧波訊號，亦即調變係數m為固定值，無法有效改善單開關三相式功率因數修正電路操作在不同電壓轉換比(電壓轉換比等於輸出電壓與輸入線電壓的比值)時的五次諧波失真。換言之，如圖1C所示，其為單開關三相升壓型功率因數修正電路在不同的電壓轉換比M之下，輸入的電感電流平均值的理論波形示意圖。

由圖1C中可得知，當電壓轉換比M的比值越高時(例如M=3)，輸入的平均電流波形與正弦波越接近，故失真越小，五次諧波成分越低；不過，當電壓轉換比M的比值越低時(例如M=1.2)可發現，輸入的平均電流波形與正弦波的差異越大，亦即失真卻越大，五次諧波的成分越高。

因此，如何提供一種電力轉換裝置及其控制方法，可在不同電壓轉換比下均可有效降低輸入電流的失真現象，以提升功率因數，已成為重要課題之一。

本發明之目的為提供一種在不同電壓轉換比下均可有效降低輸入電流的失真現象，以提升功率因數之電力轉換裝置及其控制方法。

為達上述目的，依據本發明之一種電力轉換裝置，與一交流電源耦接，交流電源輸出一交流訊號，電力轉換裝置包括一交直流轉換電路、一前饋電路以及一諧波控制電路。交直流轉換電路接收交流訊號並輸出一輸出電壓訊號，交直流轉換電路具有一開關元件。前饋電路分別與交流電源及交直流轉換電路耦接，前饋電路接收交流訊號並輸出一前饋訊號。諧波控制電路分別與前饋電路及交直流轉換電路耦接，諧波控制電路包含一反饋電路、一偵測電路、一運算電路及一脈寬調變電路。反饋電路接收輸出電壓訊號並輸出一反饋訊號。偵測電路接收輸出電壓訊號，並依據輸出電壓訊號的電壓值輸出一調變控制訊號。運算電路接收前饋訊號及 調變控制訊號，並輸出一諧波調變訊號。脈寬調變電路依據諧波調變訊號及反饋訊號輸出一開關控制訊號控制開關元件，以依據輸出電壓訊號的電壓值調變開關元件的導通率。

在一實施例中，交直流轉換電路為三相單開關升壓型轉換器。

在一實施例中，前饋電路包含一電壓感測單元、一高通濾波單元及一非反相放大單元，電壓感測單元感測交流訊號並輸出一增益訊號，高通濾波單元接收並濾除增益訊號的雜訊且輸出一第一濾波訊號，非反相放大單元接收第一濾波訊號並輸出前饋訊號。

在一實施例中，前饋訊號的頻率為交流訊號頻率的六倍。

在一實施例中，反饋電路具有一第一分壓單元及一誤差放大單元，第一分壓單元將輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第一分壓訊號，第一分壓訊號輸入誤差放大單元之一誤差放大器的負端，一第一參考電壓輸入誤差放大器之正端，且誤差放大器的輸出端輸出反饋訊號。

在一實施例中，偵測電路具有一第二分壓單元、一低通濾波單元及一減法單元，第二分壓單元將輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第二分壓訊號，低通濾波單元濾除第二分壓訊號的雜訊並輸出一第二濾波訊號，第二濾波訊號輸入減法單元之一減法器的負端，一第二參考電壓輸入減法器的正端，且減法器的輸出端輸出調變控制訊號。

在一實施例中，運算電路將前饋訊號乘以調變控制訊號後得到諧波調變訊號。

在一實施例中，諧波調變訊號依據輸出電壓訊號的電壓值大小而改變。

在一實施例中，諧波調變訊號與反饋訊號相加後輸入脈寬調變電路。

為達上述目的，依據本發明之一種電力轉換裝置的控制方法，電力轉換裝置與一交流電源耦接，交流電源輸出一交流訊號，電力轉換裝置包含一交直流轉換電路、一前饋電路以及一諧波控制電路，諧波控制電路包含一反饋電路、一偵測電路、一運算電路及一脈寬調變電路，控 制方法包括：由交直流轉換電路接收交流訊號並輸出一輸出電壓訊號，其中交直流轉換電路具有一開關元件；由前饋電路接收交流訊號並輸出一前饋訊號；由反饋電路接收輸出電壓訊號並輸出一反饋訊號；由偵測電路接收輸出電壓訊號，並依據輸出電壓訊號的電壓值輸出一調變控制訊號；由運算電路接收前饋訊號及調變控制訊號，並輸出一諧波調變訊號；以及由脈寬調變電路依據諧波調變訊號及反饋訊號輸出一開關控制訊號控制開關元件，以依據輸出電壓訊號的電壓值調變開關元件的導通率。

在一實施例中，由前饋電路輸出前饋訊號的步驟中，前饋電路包含一電壓感測單元、一高通濾波單元及一非反相放大單元，且控制方法更包括：由電壓感測單元接收交流訊號並輸出一增益訊號；由高通濾波單元接收並濾除增益訊號的雜訊且輸出一第一濾波訊號；及由非反相放大單元接收第一濾波訊號並輸出前饋訊號。

在一實施例中，於由前饋電路輸出前饋訊號的步驟中，前饋訊號的頻率為交流訊號的六倍。

在一實施例中，由反饋電路輸出反饋訊號的步驟中，反饋電路具有一第一分壓單元及一誤差放大單元，且控制方法更包括：由第一分壓單元將輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第一分壓訊號；及由誤差放大單元接收第一分壓訊號與一第一參考電壓，並輸出反饋訊號，其中第一分壓訊號輸入誤差放大單元之一誤差放大器的負端，第一參考電壓輸入誤差放大器之正端，且誤差放大器的輸出端輸出反饋訊號。

在一實施例中，於偵測電路輸出調變控制訊號的步驟中，偵測電路具有一第二分壓單元、一低通濾波單元及一減法單元，且控制方法更包括：由第二分壓單元將輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第二分壓訊號；由低通濾波單元濾除第二分壓訊號的雜訊並輸出一第二濾波訊號；及由減法單元接收第二濾波訊號及一第二參考電壓，並輸出調變控制訊號，其中第二濾波訊號輸入減法單元之一減法器的負端，第二參考電壓輸入減法器的正端，且減法器的輸出端輸出調變控制訊號。

在一實施例中，由運算電路輸出諧波調變訊號的步驟中，運算電路將前饋訊號乘以調變控制訊號後得到諧波調變訊號。

承上所述，因本發明的電力轉換裝置及其控制方法中，反饋電路接收輸出電壓訊號並輸出反饋訊號，偵測電路接收輸出電壓訊號，並依據輸出電壓訊號的電壓值輸出調變控制訊號，運算電路接收前饋訊號及調變控制訊號，並輸出諧波調變訊號，且脈寬調變電路依據諧波調變訊號及反饋訊號輸出開關控制訊號控制開關元件，以依據輸出電壓訊號的電壓值調變開關元件的導通率。藉此，相較於無諧波注入機制及固定諧波注入機制的習知技術而言，本發明的電力轉換裝置及其控制方法確實可於不同的電壓轉換比之下有效改善輸入電流失真現象而提高功率因數。

1‧‧‧電力轉換裝置

11‧‧‧交直流轉換電路

2‧‧‧交流電源

3‧‧‧前饋電路

31‧‧‧電壓感測單元

311‧‧‧全橋整流器

312‧‧‧反相放大器

32‧‧‧高通濾波單元

33‧‧‧非反相放大單元

331‧‧‧非反相放大器

4‧‧‧諧波控制電路

41‧‧‧反饋電路

411‧‧‧第一分壓單元

412‧‧‧誤差放大單元

4121‧‧‧誤差放大器

42‧‧‧偵測電路

421‧‧‧第二分壓單元

422‧‧‧低通濾波單元

4221‧‧‧電壓隨耦器

423‧‧‧減法單元

4231‧‧‧減法器

43‧‧‧運算電路

44‧‧‧脈寬調變電路

5‧‧‧EMI過濾器

A‧‧‧安培

C_h、C_h1、C_h2、C_k1、C_o‧‧‧電容

CS‧‧‧開關控制訊號

D、D₁~D₆、D_ap、D_an、D_bp、D_bn、D_cp、D_cn‧‧‧二極體

L‧‧‧負載

L_a、L_b、L_c‧‧‧電感

M‧‧‧電壓轉換比

R_a~R_d、R_D1~R_D4、R_f1~R_f4、R_h、R_h1、R_h2、R_k1、R_s、Z_h1、Z_h2‧‧‧電阻

S‧‧‧開關元件

S01~S06‧‧‧步驟

t‧‧‧時間

V‧‧‧伏特

V_A、V_B、V_C‧‧‧交流訊號

V_ab、V_bc、V_ca‧‧‧線電壓訊號

V_aut‧‧‧諧波調變訊號

V_c‧‧‧調變控制訊號

V_d1‧‧‧第一分壓訊號

V_d2‧‧‧第二分壓訊號

V_e‧‧‧反饋訊號

V_f‧‧‧增益訊號

V_h‧‧‧第一濾波訊號

V_inj‧‧‧前饋訊號

V_l‧‧‧第二濾波訊號

V_o‧‧‧輸出電壓訊號

V_r‧‧‧六倍頻訊號

V_ref1‧‧‧第一參考電壓

V_ref2‧‧‧第二參考電壓

圖1A及圖1B分別為一種習知單開關三相式功率因數修正電路之輸入電壓、輸入電流與輸入電流頻譜的示意圖。

圖1C為一種單開關三相升壓型功率因數修正電路在不同的電壓轉換比之下，輸入的電感電流平均值的理論波形示意圖。

圖2A為本發明較佳實施例之一種電力轉換裝置的示意圖。

圖2B為圖2A之電力轉換裝置的前饋電路的電路示意圖。

圖2C為圖2B之前饋電路的相關訊號波形示意圖。

圖2D為圖2A之諧波控制電路的反饋電路的電路示意圖。

圖2E為圖2A之諧波控制電路的偵測電路的電路示意圖。

圖3為習知技術與本發明具適應性諧波注入機制之輸入電流總諧波失真率與不同電壓轉換比的關係曲線示意圖。

圖4A至圖4H分別為本發明於不同電壓轉換比時的輸入電壓、輸入電流與輸入電流頻譜的示意圖。

圖5為本發明較佳實施例之一種電力轉換裝置的控制方法流程步驟示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之電力轉換裝置及其控制方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2A所示，其為本發明較佳實施例之一種電力轉換裝置1的示意圖。

本實施例之電力轉換裝置1與一交流電源2耦接。交流電源2可輸出一交流訊號。於此，交流電源2輸出的交流訊號為三相交流電壓訊號(以V_A、V_B、V_C表示)。本實施例之交流電源2產生三相的交流訊號V_A、V_B、V_C先進行EMI過濾後(經一EMI過濾器5)再輸入電力轉換裝置1。因此，可實現交流訊號V_A、V_B、V_C的三相功率因數修正，降低輸入電流的失真程度。在一實施例中，交流訊號V_A、V_B、V_C例如但不限於為三相110伏特(V)。

電力轉換裝置1包括一交直流轉換電路11、一前饋電路3以及一諧波控制電路4，諧波控制電路4分別與前饋電路3及交直流轉換電路11耦接。

交直流轉換電路11可將交流訊號V_A、V_B、V_C轉換後輸出一輸出電壓訊號V_o給一負載L。其中，交直流轉換電路11為一交流/直流(AC/DC)轉換器，使得輸出電壓訊號V_o為直流電壓。在本實施例中，交直流轉換電路11為一三相單開關升壓型轉換器，並工作於不連續導通模式(CCM)。由於交流電源2輸出之交流訊號V_A、V_B、V_C為三相，故交直流轉換電路11亦為三相電路，不過，交直流轉換電路11只具有一開關元件S，故為一三相單開關升壓型轉換器，且具有元件數少、成本低及控制簡單的優點，藉由控制開關元件S的導通率，可控制供應給負載L的輸出電壓訊號V_o。

本實施例的交直流轉換電路11具有3個電感L_a、L_b、L_c，7個二極體D_ap、D_an、D_bp、D_bn、D_cp、D_cn、D及一個電容C_o。其中，二極體D_ap、D_an、D_bp、D_bn、D_cp、D_cn是構成一全波整流器，且此全波整流器分別藉由電感L_a、L_b、L_c與三相的交流電源2電性連接。另外，電容C_o的兩端分別與二極體D之一端及一接地端電性連接，並跨接於負載L的兩端，且開關元件S的二端分別連接二極體D的另一端及接地端。在一實施例中，電感L_a、L_b、L_c的電容值為50μH，二極體D_ap、D_an、D_bp、D_bn、D_cp、D_cn、D的元件型號為FCF06A60，開關元件S的元件型號為IRFP27N60K，而電 容C_o的電容值為220μF。由於三相單開關升壓型轉換器的作動原理是習知技術，在此不再多作說明。

另外，請參照圖2B及圖2C所示，其中，圖2B為圖2A之電力轉換裝置1的前饋電路3的電路示意圖，而圖2C為圖2B之前饋電路3的相關訊號波形示意圖。

前饋電路3分別與交流電源2及交直流轉換電路11耦接，前饋電路3可接收交流訊號V_A、V_B、V_C並輸出一前饋訊號V_inj。如圖2B所示，前饋電路3包含一電壓感測單元31、一高通濾波單元32及一非反相放大單元33。

電壓感測單元31接收交流訊號V_A、V_B、V_C並輸出一增益訊號V_f。於此，電壓感測單元31包含一全橋整流器311(包含6個二極體D₁~D₆)、8個電阻(包含二個電阻R_a，1個電阻R_b，2個電阻R_c，2個電阻R_d，1個電阻R_s)及一反相放大器312。其中，全橋整流器311分別與三相的交流訊號V_A、V_B、V_C及電阻R_s的二端、二電阻R_a的一端連接，電阻R_b的二端分別與二電阻R_a的另一端連接，並分別與二電阻R_c的一端連接，二電阻R_c的另一端分別與反相放大器312的正端與負端連接，而一電阻R_d的二端跨接於反相放大器312的負端及輸出端，另一電阻R_d的二端跨接於反相放大器312的正端及接地端。其中，全橋整流器311可將三相的交流訊號V_A、V_B、V_C整流後輸出一六倍頻訊號V_r(六倍頻訊號V_r為電阻R_b二端的壓差)。於此，因交流訊號V_A、V_B、V_C的頻率與線電壓訊號V_ab、V_bc、V_ca的頻率相同，如圖2C所示，六倍頻訊號V_r的頻率為交流訊號V_A、V_B、V_C頻率的6倍，因此稱為六倍頻訊號V_r。另外，六倍頻訊號V_r分別透過電阻R_c輸入至反相放大器312之正端與負端，而反相放大器312的輸出端輸出增益訊號V_f。於此，增益訊號V_f=(-V_r×R_c/R_d)，且增益訊號V_f輸入高通濾波單元32。

高通濾波單元32具有一電容C_h及一電阻R_h，而非反相放大單元33具有二電阻Z_h1、Z_h2及一非反相放大器331。其中，電容C_h的一端與反相放大器312的輸出端連接，電容C_h的另一端分別與電阻R_h的一端及非反相放大器331的正端連接，電阻R_h的另一端與接地端連接。另外， 非反相放大器331的負端分別連接電阻Z_h1、Z_h2的一端，電阻Z_h1的另一端與接地端連接，且電阻Z_h2的另一端與非反相放大器331的輸出端連接。高通濾波單元32可濾除增益訊號V_f的低頻雜訊部分並輸出一第一濾波訊號V_h。

非反相放大單元33接收第一濾波訊號V_h並輸出前饋訊號V_inj。其中，前饋訊號V_inj與第一濾波訊號V_h為同相訊號，且前饋訊號V_inj=V_h(1+Z_h2/Z_h1)。另外，如圖2C所示，由於六倍頻訊號V_r的頻率為線電壓訊號V_ab、V_bc、V_ca頻率的6倍，因此，增益訊號V_f、第一濾波訊號V_h及前饋訊號V_inj的頻率亦為線電壓訊號V_ab、V_bc、V_ca頻率的6倍。

在一實施例中，全橋整流器311的元件型號為FCF06A60，電阻R_a、R_s、R_c分別為4MΩ，電阻R_b為400kΩ，電阻R_d為100kΩ，電阻R_h為150kΩ，電阻Z_h1為1kΩ，電阻Z_h2為4.3kΩ，電容C_h為220nF，反相放大器312、非反相放大器331是以型號為LM324N的積體電路(IC)來達成。

由於交直流轉換電路11之電壓轉換比的比值越高時，輸入電感L_a、L_b、L_c的電感電流波形失真越小、功率因數越高；反之，若電壓轉換比的比值越低時，電感電流波形失真越大，功率因數則越低。因此，交直流轉換電路11之電壓轉換比越低時，輸入交直流轉換電路11之電流會具有較大的五次諧波成分，導致輸入電流波形失真。因此，為了要降低五次諧波成分，可於交直流轉換電路11的開關控制訊號中加入六次諧波成分(六次諧波即為六倍頻之輸入電壓頻率)，以改善輸入電流的波形。因此，本發明為了克服三相單開關升壓型轉換器在低電壓轉換比時，輸入的三相交流電流訊號嚴重失真之問題，在輸入交直流轉換電路11之開關元件S的脈寬調變(PWM)訊號中注入一調變訊號(即前饋訊號V_inj)，藉此，可改善輸入電流的失真問題。其中，調變訊號(前饋訊號V_inj)的頻率為交流電源2輸出的交流訊號V_A、V_B、V_C頻率的6倍，故稱為六倍頻諧波注入機制。

不過，如本案先前技術所言，若只以調變訊號(即前饋訊號V_inj)調變開關元件時，則電壓轉換比M的比值越低時(例如圖1C中， M=1.2)，輸入的平均電流波形與正弦波的差異就會越大，五次諧波成分越高。換言之，若只以六倍頻的諧波控制交直流轉換電路11之開關元件S，並不是所有數值的電壓轉換比M都具有相同的改善效果，因此，本實施例除了將六倍頻的前饋訊號V_inj注入控制交直流轉換電路11之開關元件S的脈寬調變訊號，更將一調變控制訊號V_c也同時注入控制開關元件S的脈寬調變訊號中，使交直流轉換電路11操作在不同電壓轉換比M之下，都可具有較少的五次諧波成分。於此，是透過上述的諧波控制電路4來達成此功能，以下將詳細說明。

請再參照圖2A並配合圖2D、圖2E所示，其中，圖2D為圖2A之諧波控制電路4的反饋電路41的電路示意圖，而圖2E為圖2A之諧波控制電路4的偵測電路42的電路示意圖。

如圖2A所示，本實施例的諧波控制電路4包含一反饋電路41、一偵測電路42、一運算電路43及一脈寬調變電路44。

反饋電路41接收輸出電壓訊號V_o並輸出一反饋訊號V_e。其中，反饋電路41可依據交直流轉換電路11輸出之輸出電壓訊號V_o及一第一參考電壓V_ref1輸出反饋訊號V_e。於此，反饋訊號V_e可因應交直流轉換電路11輸出之輸出電壓訊號V_o的變化而提供對脈寬調變電路44所輸出之開關控制訊號CS的補償。

如圖2D所示，在本實施例中，反饋電路41具有一第一分壓單元411及一誤差放大單元412。第一分壓單元411可將輸出電壓訊號V_o進行分壓並輸出一第一分壓訊號V_d1。於此，第一分壓單元411包含二電阻R_f3、R_f4，而第一分壓單元411輸出之第一分壓訊號V_d1=R_f4/(R_f3+R_f4)×V_o。

第一分壓訊號V_d1輸入誤差放大單元412之一誤差放大器4121的負端，而第一參考電壓V_ref1則輸入誤差放大器4121的正端，且誤差放大器4121的輸出端則輸出反饋訊號V_e。於此，第一分壓訊號V_d1是透過一電阻R_h1輸入誤差放大器4121的負端，而電容C_h2與電阻R_h2串聯，再與電容C_h1並聯後跨接於誤差放大器4121的負端與輸出端之間。本實施例之誤差放大單元412為一電壓誤差放大器(voltage error amplifier)，且第一參考電壓V_ref1為直流電壓。在一實施例中，第一參考電壓V_ref1的電壓值為 7.5伏特，電阻R_f3為430kΩ，電阻R_f4為8.2kΩ，電阻R_h1為82kΩ，電阻R_h2為51kΩ，電容C_h1為160pF，電容C_h2為390nF，而誤差放大器4121是以型號為LM324N的積體電路(IC)來達成。

另外，如圖2E所示，偵測電路42接收輸出電壓訊號V_o並輸出一調變控制訊號V_c。其中，偵測電路42可依據交直流轉換電路11輸出之輸出電壓訊號V_o及一第二參考電壓V_ref2輸出調變控制訊號V_c。於此，調變控制訊號V_c可因應交直流轉換電路11輸出之輸出電壓訊號V_o的電壓值的變化而調變脈寬調變電路44所輸出之開關控制訊號CS。

偵測電路42具有一第二分壓單元421、一低通濾波單元422及一減法單元423。第二分壓單元421可將輸出電壓訊號V_o進行分壓後輸出一第二分壓訊號V_d2，而低通濾波單元422可濾除第二分壓訊號V_d2的高頻雜訊並輸出一第二濾波訊號V_l，第二濾波訊號V_l輸入減法單元423之一減法器4231的負端，而第二參考電壓V_ref2輸入減法器4231的正端，且減法器4231的輸出端輸出調變控制訊號V_c。

在本實施例中，第二分壓單元421包含二電阻R_f1及R_f2，故第二分壓單元421輸出之第二分壓訊號V_d2=R_f2/(R_f1+R_f2)×V_o。第二分壓訊號V_d2被包含電壓隨耦器(Voltage follower)4221、電阻R_k1及電容C_k1的低通濾波單元422濾除高頻雜訊後，輸出的第二濾波訊號V_l再透過電阻R_D1輸入減法器4231的負端，而電阻R_D2跨接於減法器4231的負端與輸出端之間，第二參考電壓V_ref2透過電阻R_D3輸入減法器4231的正端，且電阻R_D4的二端連接於減法器4231的正端與接地端之間。本實施例之第二參考電壓V_ref2亦為直流電壓。在一實施例中，第二參考電壓V_ref2的電壓值為3.6伏特，電阻R_f1為300kΩ，電阻R_f2為2kΩ，電阻R_k1為390kΩ，電阻R_D1、R_D2、R_D3、R_D4分別為100kΩ，電容C_k1為400nF，電壓隨耦器4221、減法器4231是以型號為LM324N的積體電路(IC)來達成。

因此，本發明所提出之適應性諧波注入機制，係在不同電壓轉換比M之下(電壓轉換比M等於輸出電壓訊號V_o與輸入的線電壓的比值)，根據偵測電路42所偵測的輸出電壓訊號V_o的電壓值，得到調變控制訊號V_c。其中，可由圖2E的偵測電路42中得到調變控制訊號V_c與輸出電 壓訊號V_o的關係，如以下的公式(3)所示。

V _c =V _ref2-V _o ×(R _f2/(R _f1+R _f2)---------(3)

另外，請再參照圖2A所示，運算電路43接收前饋訊號V_inj及調變控制訊號V_c，並輸出一諧波調變訊號V_aut。在本實施例中，運算電路43為一乘/除法器，並將前饋訊號V_inj乘以調變控制訊號V_c後輸出諧波調變訊號V_aut。由於調變控制訊號V_c是依據輸出電壓訊號V_o的電壓值大小而改變，因此，諧波調變訊號V_aut亦依據輸出電壓訊號V_o的電壓值大小而改變。在一實施例中，運算電路43例如但不限於包含型號為AD633的積體電路(IC)。

藉由運算電路43的運算，可將依據輸出電壓訊號V_o改變的調變控制訊號V_c與前饋電路3所產生的六倍頻前饋訊號V_inj相乘而得到諧波調變注入訊號V_aut，其關係如以下公式(4)所示。而具有適應性諧波注入機制的新的調變係數m_aut的值亦可隨著調變控制訊號V_c而改變，如公式(5)所示。其中，m為前饋訊號V_inj之峰對峰值與反饋訊號V_e的比值。

V_aut(t)=V_inj(t)．V_c---------(4)

m_aut=m．V_c---------(5)

再由上述的公式(1)、(4)、(5)可以得到以下的公式(6)：

另外，請再參照圖2A所示，脈寬調變電路44可接收諧波調變訊號V_aut及反饋訊號V_e，並依據諧波調變訊號V_aut及反饋訊號V_e輸出一開關控制訊號CS控制開關元件S，以依據輸出電壓訊號V_o的電壓值調變開關元件S的導通率。於此，諧波調變訊號V_aut與反饋訊號V_e是相加後輸入脈寬調變電路44，且脈寬調變電路44產生開關控制訊號CS。換言之，本實施例的開關控制訊號CS是依據前饋訊號V_inj、調變控制訊號V_c及反饋訊號V_e而調變開關元件S的導通率。

由以上的公式及說明可知，調變控制訊號V_c會依據輸出電壓訊號V_o的電壓值而改變(公式3)，諧波調變訊號V_aut會依據調變控制訊 號V_c而改變(公式4)，且調變係數m_aut亦會依據調變控制訊號V_c而改變(公式5)。因此，於本實施例中，在不同輸出電壓訊號V_o之下，所得到具有適應性諧波注入機制的新調變係數m_aut會改變諧波調變訊號V_aut的振幅(公式6)而調變開關元件S的導通率，藉此降低輸入電流的五次諧波失真，以實現適應性諧波注入機制之功能。

請參照圖3所示，其為習知技術與本發明具適應性諧波注入機制之輸入電流總諧波失真率(THD%)與不同電壓轉換比M的關係曲線示意圖。

在本實施例中，交流訊號V_A、V_B、V_C的電壓為三相110V均方根值(rms，即有效值)，其單相峰值(peak voltage，即電壓峰值)為155.5V，三相線電壓峰值為269.4V，而輸出電壓訊號V_o是介於320V至400V之間，故相對應的電壓轉換比M約介於1.18至1.48(320/269.4≒1.18；400/269.4≒1.48)。

由圖3中可看出，具有適應性諧波注入機制的本發明而言，其總諧波失真率(THD%)皆比習知技術的無諧波注入機制與固定諧波注入機制的方法來得低。尤其在較低的電壓轉換比M時(例如M=1.18或1.22)，相對於習知技術而言，採用本發明更可有效降低輸入電流的總諧波失真率。

請參照圖4A至圖4H所示，其分別為本發明於不同電壓轉換比M時的輸入電壓、輸入電流與輸入電流頻譜的示意圖。其中，圖4A與圖4B的電壓轉換比M為1.48，圖4C與圖4D的電壓轉換比M為1.33，圖4E與圖4F的電壓轉換比M為1.22，而圖4G與圖4H的電壓轉換比M為1.18。

由圖4A至圖4H中可看出，相較於圖1A的輸入電流波形與圖1B的輸入電流頻譜而言，於不同的電壓轉換比M之下，頻率在300Hz時的電流都相當低，因此，確實可降低輸入電流的五次諧波成分，使輸入電流的波形變形較小，因此，本發明具適應性諧波注入機制確實可於不同的電壓轉換比M之下改善輸入電流失真現象而提高功率因數。

另外，請配合圖2A至圖2E並參照圖5所示，其中，圖5為本發明較佳實施例之一種電力轉換裝置的控制方法流程步驟示意圖。

電力轉換裝置1的控制方法與交流電源2配合。交流電源2輸出交流訊號V_A、V_B、V_C，而電力轉換裝置1包含一交直流轉換電路11、一前饋電路3以及一諧波控制電路4，且諧波控制電路4包含一反饋電路41、一偵測電路42、一運算電路43及一脈寬調變電路44。其中，電力轉換裝置1的技術特徵已於上述中詳述，不再贅述。

如圖5所示，電力轉換裝置之控制方法至少包括以下步驟：由交直流轉換電路11接收交流訊號V_A、V_B、V_C並輸出輸出電壓訊號V_o，其中交直流轉換電路11具有開關元件S(步驟S01)；由前饋電路3接收交流訊號V_A、V_B、V_C並輸出前饋訊號V_inj(步驟S02)；由反饋電路41接收輸出電壓訊號V_o並輸出反饋訊號V_e(步驟S03)；由偵測電路42接收輸出電壓訊號V_o，並依據輸出電壓訊號V_o的電壓值輸出調變控制訊號V_c(步驟S04)；由運算電路43接收前饋訊號V_inj及調變控制訊號V_c，並輸出諧波調變訊號V_aut(步驟S05)；以及由脈寬調變電路44依據諧波調變訊號V_aut及反饋訊號V_e輸出開關控制訊號CS控制開關元件S，以依據輸出電壓訊號V_o的電壓值調變開關元件S的導通率(步驟S06)。

其中，在由前饋電路3輸出前饋訊號V_inj的步驟S02中，前饋電路3包含電壓感測單元31、高通濾波單元32及非反相放大單元33，且該控制方法更可包括：由電壓感測單元31接收交流訊號V_A、V_B、V_C並輸出增益訊號V_f；由高通濾波單元32接收並濾除增益訊號V_f的雜訊且輸出第一濾波訊號V_h；及由非反相放大單元33接收第一濾波訊號V_h並輸出前饋訊號V_inj。於步驟S02中，前饋訊號V_inj的頻率為交流訊號V_A、V_B、V_C的六倍。

另外，在由反饋電路41輸出反饋訊號V_e的步驟S03中，反饋電路41具有第一分壓單元411及誤差放大單元412，且該控制方法更可包括：由第一分壓單元411將輸出電壓訊號V_o進行分壓並輸出第一分壓訊號V_d1；及由誤差放大單元412接收第一分壓訊號V_d1與第一參考電壓V_ref1，並輸出反饋訊號V_e，其中第一分壓訊號V_d1輸入誤差放大單元412之誤差放大器4121的負端，第一參考電壓V_ref1輸入誤差放大器4121之正端，且誤差放大器4121的輸出端輸出反饋訊號V_e。

另外，在於偵測電路42輸出調變控制訊號V_c的步驟S04中，偵測電路42具有第二分壓單元421、低通濾波單元422及減法單元423，且該控制方法更可包括：由第二分壓單元421將輸出電壓訊號V_o進行分壓並輸出第二分壓訊號V_d2；由低通濾波單元422濾除第二分壓訊號V_d2的雜訊並輸出第二濾波訊號V_l；及由減法單元423接收第二濾波訊號V_l及第二參考電壓V_ref2，並輸出調變控制訊號V_c，其中第二濾波訊號V_l輸入減法單元423之減法器4231的負端，第二參考電壓V_ref2輸入減法器4231的正端，且減法器4231的輸出端輸出調變控制訊號V_c。

另外，在由運算電路43輸出諧波調變訊號V_aut的步驟S05中，運算電路43是將前饋訊號V_inj乘以調變控制訊號V_c後得到諧波調變訊號V_aut。另外，諧波調變訊號V_aut與反饋訊號V_e相加後再輸入脈寬調變電路44，且脈寬調變電路44可輸出開關控制訊號CS控制開關元件S，以依據輸出電壓訊號V_o的電壓值調變開關元件S的導通率，藉此達到在不同電壓轉換比下均可有效降低輸入電流的失真現象，提升功率因數。

此外，本發明之電力轉換裝置之控制方法的其它技術特徵已於上述中詳述，於此不再贅述。

綜上所述，因本發明的電力轉換裝置及其控制方法中，反饋電路接收輸出電壓訊號並輸出反饋訊號，偵測電路接收輸出電壓訊號，並依據輸出電壓訊號的電壓值輸出調變控制訊號，運算電路接收前饋訊號及調變控制訊號，並輸出諧波調變訊號，且脈寬調變電路依據諧波調變訊號及反饋訊號輸出開關控制訊號控制開關元件，以依據輸出電壓訊號的電壓值調變開關元件的導通率。藉此，相較於無諧波注入機制及固定諧波注入機制的習知技術而言，本發明的電力轉換裝置及其控制方法確實可於不同的電壓轉換比之下有效改善輸入電流失真現象而提高功率因數。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧電力轉換裝置

11‧‧‧交直流轉換電路

2‧‧‧交流電源

3‧‧‧前饋電路

31‧‧‧電壓感測單元

32‧‧‧高通濾波單元

33‧‧‧非反相放大單元

4‧‧‧諧波控制電路

41‧‧‧反饋電路

42‧‧‧偵測電路

43‧‧‧運算電路

44‧‧‧脈寬調變電路

5‧‧‧EMI過濾器

C_o‧‧‧電容

CS‧‧‧開關控制訊號

D、D_ap、D_an、D_bp、D_bn、D_cp、D_cn‧‧‧二極體

L‧‧‧負載

L_a、L_b、L_c‧‧‧電感

S‧‧‧開關元件

V_A、V_B、V_C‧‧‧交流訊號

V_aut‧‧‧諧波調變訊號

V_c‧‧‧調變控制訊號

V_e‧‧‧反饋訊號

V_f‧‧‧增益訊號

V_h‧‧‧第一濾波訊號

V_inj‧‧‧前饋訊號

V_o‧‧‧輸出電壓訊號

Claims (16)

1. 一種電力轉換裝置，與一交流電源耦接，該交流電源輸出一交流訊號，該電力轉換裝置包括：一交直流轉換電路，接收該交流訊號並輸出一輸出電壓訊號，該交直流轉換電路具有一開關元件；一前饋電路，分別與該交流電源及該交直流轉換電路耦接，該前饋電路接收該交流訊號並輸出一前饋訊號；以及一諧波控制電路，分別與該前饋電路及該交直流轉換電路耦接，該諧波控制電路包含：一反饋電路，接收該輸出電壓訊號並輸出一反饋訊號；一偵測電路，接收該輸出電壓訊號，並依據該輸出電壓訊號的電壓值輸出一調變控制訊號；一運算電路，接收該前饋訊號及該調變控制訊號，並輸出一諧波調變訊號；及一脈寬調變電路，依據該諧波調變訊號及該反饋訊號輸出一開關控制訊號控制該開關元件，以依據該輸出電壓訊號的電壓值調變該開關元件的導通率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該交直流轉換電路為三相單開關升壓型轉換器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該前饋電路包含一電壓感測單元、一高通濾波單元及一非反相放大單元，該電壓感測單元感測該交流訊號並輸出一增益訊號，該高通濾波單元接收並濾除該增益訊號的雜訊且輸出一第一濾波訊號，該非反相放大單元接收該第一濾波訊號並輸出該前饋訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該前饋訊號的頻率為該交流訊號頻率的六倍。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該反饋電路具有一第一分壓單元及一誤差放大單元，該第一分壓單元將該輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第一分壓訊號，該第一分壓訊號輸入該誤差放大單元之一 誤差放大器的負端，一第一參考電壓輸入該誤差放大器之正端，且該誤差放大器的輸出端輸出該反饋訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該偵測電路具有一第二分壓單元、一低通濾波單元及一減法單元，該第二分壓單元將該輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第二分壓訊號，該低通濾波單元濾除該第二分壓訊號的雜訊並輸出一第二濾波訊號，該第二濾波訊號輸入該減法單元之一減法器的負端，一第二參考電壓輸入該減法器的正端，且該減法器的輸出端輸出該調變控制訊號。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該運算電路將該前饋訊號乘以該調變控制訊號後得到該諧波調變訊號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該諧波調變訊號依據該輸出電壓訊號的電壓值大小而改變。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電力轉換裝置，其中該諧波調變訊號與該反饋訊號相加後輸入該脈寬調變電路。
10. 一種電力轉換裝置的控制方法，該電力轉換裝置與一交流電源耦接，該交流電源輸出一交流訊號，該電力轉換裝置包含一交直流轉換電路、一前饋電路以及一諧波控制電路，該諧波控制電路包含一反饋電路、一偵測電路、一運算電路及一脈寬調變電路，該控制方法包括：由該交直流轉換電路接收該交流訊號並輸出一輸出電壓訊號，其中該交直流轉換電路具有一開關元件；由該前饋電路接收該交流訊號並輸出一前饋訊號；由該反饋電路接收該輸出電壓訊號並輸出一反饋訊號；由該偵測電路接收該輸出電壓訊號，並依據該輸出電壓訊號的電壓值輸出一調變控制訊號；由該運算電路接收該前饋訊號及該調變控制訊號，並輸出一諧波調變訊號；以及由該脈寬調變電路依據該諧波調變訊號及該反饋訊號輸出一開關控制訊號控制該開關元件，以依據該輸出電壓訊號的電壓值調變該開關元件的導通率。
11. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中由該前饋電路輸出該前饋訊號的步驟中，該前饋電路包含一電壓感測單元、一高通濾波單元及一非反相放大單元，且該控制方法更包括：由該電壓感測單元接收該交流訊號並輸出一增益訊號；由該高通濾波單元接收並濾除該增益訊號的雜訊且輸出一第一濾波訊號；及由該非反相放大單元接收該第一濾波訊號並輸出該前饋訊號。
12. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中於由該前饋電路輸出該前饋訊號的步驟中，該前饋訊號的頻率為該交流訊號的六倍。
13. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中由該反饋電路輸出該反饋訊號的步驟中，該反饋電路具有一第一分壓單元及一誤差放大單元，且該控制方法更包括：由該第一分壓單元將該輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第一分壓訊號；及由該誤差放大單元接收該第一分壓訊號與一第一參考電壓，並輸出該反饋訊號，其中該第一分壓訊號輸入該誤差放大單元之一誤差放大器的負端，該第一參考電壓輸入該誤差放大器之正端，且該誤差放大器的輸出端輸出該反饋訊號。
14. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中於該偵測電路輸出該調變控制訊號的步驟中，該偵測電路具有一第二分壓單元、一低通濾波單元及一減法單元，且該控制方法更包括：由該第二分壓單元將該輸出電壓訊號進行分壓並輸出一第二分壓訊號；由該低通濾波單元濾除該第二分壓訊號的雜訊並輸出一第二濾波訊號；及由該減法單元接收該第二濾波訊號及一第二參考電壓，並輸出該調變控制訊號，其中該第二濾波訊號輸入該減法單元之一減法器的負端，該第二參考電壓輸入該減法器的正端，且該減法器的輸出端輸出該調變控制訊號。
15. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中由該運算電路輸出該諧波調變訊號的步驟中，該運算電路將該前饋訊號乘以該調變控制訊號後得到該諧波調變訊號。
16. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中該諧波調變訊號與該反饋訊號相加後輸入該脈寬調變電路。