TW202046622A - 電轉換器 - Google Patents

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Abstract

用於在三相AC信號與DC信號間轉換之電轉換器(10)包括三個相端子(A、B、C)；一第一與第二DC端子(P、N)；一相選擇器(11)，用於連接該三個相端子至一第一、一第二與一第三中間節點(x、y、z)；一第一降壓電路，其包括連接至該第一DC端子之一第一切換節點端子(p)；及一第二降壓電路，其包括連接至該第二DC端子之一第二切換節點端子(n)，該第一與第二降壓電路將在該第一、第二與第三中間節點之電壓轉換為該第一與第二DC端子間的電壓，該第一與第二降壓電路串聯連接於該第一與第二中間節點間且包括至少一個可主動切換裝置，其連接於共用節點(m)該第三中間節點間。該第一降壓電路允許連接該第一切換節點端子(p)至該第一中間節點(x)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者。該第二降壓電路允許連接該第二切換節點端子(n)至該第二中間節點(y)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者。

Description

電轉換器
本發明係關於電功率轉換領域。具體而言，本發明係關於電轉換器與用於轉換電功率之方法。
例如當將電動汽車電池充電時，來自電網的AC電壓被電轉換器轉換為DC電壓，其接著被提供至正被充電的電池。例如電轉換器可轉換三相AC電壓為可連接汽車高壓(例如200-400 V)電池的DC匯流排端子間的DC電壓。此外，用於電動車、電動馬達驅動器或磁共振成像(MRI)掃描器用的梯度放大器的無線充電系統一般需要此類三相AC至DC轉換，以自可取得功率之高壓DC匯流排產生高壓DC。
由電轉換器自三相電網的各相位取得的電流通常需實質上正弦且實質上與特定相位的正弦電壓同相，例如當負載自電轉換器的DC輸出端取得電力時，造成實質上等於一的功率因子。因此，三相AC至DC轉換的優點在於需要三相功率因子修正(PFC)電AC至DC轉換器。自電網取得的電流亦具低失真，例如低總諧波失真(THD)，一般需要此類PFC轉換器。
習知當DC匯流排端子間的電壓較全波整流AC電壓低時，所採用的包括升壓型PFC級的電轉換器具有例如700-900V DC輸出，其與DC-DC降壓轉換器串聯以產生所要的DC匯流排電壓，例如範圍在200-400V。或者已引入基於3階諧波主動濾波器原理的降壓型PFC轉換器作為取代習知二級之單級轉換器，減少轉換級數以達成較高的整體能量轉換效率及較高的功率對體積比(亦即較高功率密度)。
例如參考2012.2.5-9美國Orlando Florida舉行之第27屆Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC 2012) 會議中之T. Soeiro、T. Friedli、J. W. Kolar提出之「SWISS Rectifier – A Novel Three-Phase Buck-Type PFC Topology for Electric Vehicle Battery Charging」，進一步稱之為「參考文件1」，其中介紹的電轉換器利用3階諧波主動濾波器原理且採用單級降壓型三相PFC AC至DC轉換，其中的DC匯流排電壓位準較全波整流AC電壓低，例如範圍在200-400V。電轉換器包括相選擇器，用於轉換三相AC輸入電壓為上中間節點、下中間節點與中中間節點處的中間電壓。具有兩個DC-DC降壓電路的輸出級將中間電壓轉換為DC輸出電壓。在此類既有實施例中，中中間節點連接至兩個DC-DC降壓電路的共用節點。
如「參考文件1」之圖1中所示基於3階諧波主動濾波器原理的單級降壓型PFC轉換器的缺點在於實際施行，其中常含有耦合電容性中點的共用模式(L-C)輸出濾波器需降低對負載及/或保護性接地(PE)的漏電流，半導體開關的準無損零電壓切換(ZVS)無法在不增加兩個DC-DC降壓電路的電感器的成本、大小及複雜性下達成(例如因這些電感器磁耦合之需)。當採用數個並聯輸出級以增加轉換器額定功率時，且尤其當這些並聯輸出級以交錯方式操作以減少PFC轉換器的輸入與輸出濾波器大小時，此尤為真。
本發明之實施例之一目的在於提供一種改良的電轉換器即用於在三相AC信號與DC信號間轉換的方法，及具體而言，用於轉換三相AC輸入為DC輸出及/或用於轉換DC輸入為三相AC輸出，及更具體而言，用於三相降壓型PFC AC至DC轉換之低成本電轉換器。較佳者係電轉換器實施例具有下列一個以上優點：轉換器可在零電壓切換(ZVS)條件下操作切換裝置，以減少轉換器的切換損失及增加效率與功率密度，即使當存在與電容性中點耦合之共用模式(L-C)輸出濾波器及/或當利用交錯的數個並聯輸出級以增加轉換器額定功率及/或增加輸入與輸出濾波器大小時亦然；轉換器之設計簡單；易於延伸硬體設計至任意數量的交錯級；轉換器具高功率對體積比(功率密度)，此可由電轉換器中之少量磁能儲存達成；轉換器在三個相端子處產生低電流失真；轉換器可在三個相端子處獲得實質上正弦電流，其功率因子實質上等於一。
依本發明之第一態樣，因而提供一種用於在三相AC信號與DC信號間轉換之電轉換器(10) ，其包括三個相端子；一第一DC端子與一第二DC端子；一相選擇器，用於連接該三個相端子至該電轉換器之一第一中間節點、一第二中間節點與一第三中間節點；一第一降壓電路，其包括可操作連接至該第一DC端子之一第一切換節點端子；及一第二降壓電路，其包括可操作連接至該第二DC端子之一第二切換節點端子，其中該第一與該第二降壓電路將在該第一中間節點、該第二中間節點與該第三中間節點之電壓轉換為該第一與第二DC端子間的電壓。該第一與該第二降壓電路串聯連接於該第一中間節點與該第二中間節點間使得具有該第一與第二降壓電路之一共用節點。該第一與該第二降壓電路包括至少一個可主動切換裝置，其連接於該共用節點該第三中間節點間。
電轉換器特徵在於在電轉換器的三個相端子處提供相選擇器，當自AC轉換為DC時，用於轉換具有三個AC電壓的三相AC信號為三個DC電壓，其位於第一中間節點(一般為上中間節點)、第二中間節點(一般為下中間節點)與第三中間節點(一般為中中間節點)間，或者反之當自DC轉換為AC時。電轉換器進一步包括功率級，其包括第一與第二降壓電路。藉由使得第一與第二降壓電路與連接於共用節點與第三中間節點間的至少一個可主動切換裝置串聯連接，如上述定義，第一與第二降壓電路可具有未直接連接至第一與第二降壓電路的共用節點的第三中間節點(一般為中中間節點)。
相較於先前技術，連接於共用節點與第三中間節點間的至少一個可主動切換裝置提供用於修整及最佳化串聯連接的第一第二降壓電路的電感器中流動的電流形狀的額外控制性與撓性，使得例如可在整個轉換器操作範圍達成降壓電路的半導體開關的零電壓切換(ZVS)，亦即不增加所述電感器的成本、大小及複雜性(例如在先前技術解決方法中因電感器磁耦合之需)，即使當存在與電容性中點耦合之共用模式(L-C)輸出濾波器及/或當利用交錯的數個並聯輸出級以增加轉換器額定功率及/或增加輸入與輸出濾波器大小時亦然，轉換器的整個操作範圍均可在零電壓切換條件下操作的能力，導致轉換效率增加及/或系統尺寸降低。後者係可使用高切換頻率的結果，導致被動濾波器元件(電感器與電容器)的尺寸縮減而不增加半導體切換損失。
依一態樣，第一降壓電路構造成允許連接第一切換節點端子至第一中間節點、第三中間節點與共用節點之任一者；及第二降壓電路構造成允許連接第二切換節點端子至第二中間節點、第三中間節點與共用節點之任一者。此刻利用適當的控制信號達成，一般係脈寬調變信號，用於控制第一與第二降壓電路的可主動切換裝置。換言之，端視控制信號，第一切換節點端子將連接至第一中間節點或第三中間節點或共用節點；及第二切換節點端子將連接至第二中間節點或第三中間節點或共用節點。
在一例示性實施例中，電轉換器可構造用於AC至DC轉換，且三相AC信號可係三相AC輸入電壓及DC信號可係DC輸出電壓，其電壓位準低於全波整流AC輸入電壓，例如200-400V範圍。
較佳者係該第一降壓電路包括一第一裝置，連接用於中斷該第一切換節點端子與該第三中間節點間之電流流動；一第二裝置，連接用於中斷該第一切換節點端子與該第一中間節點間之電流流動；一第三裝置，連接用於中斷該第一切換節點端子與該共用節點間之電流流動，其中該第一降壓電路之該第一、第二與第三裝置之至少兩者係可主動切換的。此外，較佳者係該第二降壓電路包括一第四裝置，連接用於中斷該第二切換節點端子與該第三中間節點間之電流流動；一第五裝置，連接用於中斷該第二切換節點端子與該第二中間節點間之電流流動；及一第六裝置，連接用於中斷該第二切換節點端子與該共用節點間之電流流動；其中該第二降壓電路之該第四、第五與第六裝置之至少兩者係可主動切換的。
更佳者係第一與第四裝置係可主動切換的，及上述連接於共用節點與第三中間節點間的至少一個可主動切換裝置包括第一與第四裝置。當轉換器用於轉換三相AC輸入為DC輸出時，較佳者係至少第二與第五裝置係可主動切換的。當轉換器用於轉換DC輸入為三相AC輸出時，較佳者係第三與第六裝置係可主動切換的。在此情況下，上述連接於共用節點與第三中間節點間的至少一個可主動切換裝置包括第三與第六裝置。當要執行雙向轉換時，較佳者係第一、第二、第三、第四、第五與第六裝置係可主動切換的，及相選擇器的裝置亦係可主動切換的，詳見如後。在此情況下，上述連接於共用節點與第三中間節點間的至少一個可主動切換裝置包括第一、第三、第四與第六裝置係可。此外，利用可主動切換的裝置，可達成準無損零電壓切換。此允許在低切換損失下的功率轉換，及因而較高能量效率。此外，可採用較高切換頻率以增加功率密度(縮減尺寸)及降低電轉換器成本。
較佳者係相選擇器包括裝置，一般為半導體裝置，其可主動切換用於選擇性連接第三中間節點至三個相端子。更具體而言，相選擇器可構造成連接第一中間節點與具三相AC電壓的最高電壓的相端子；連接第二中間節點與具三相AC電壓的最低電壓的相端子；連接第三中間節點與電壓介於該最高電壓與該最低電壓間的相端子。
依一例示性實施例，電轉換器包括控制器，其構造成控制相選擇器及第一與第二降壓轉換器之至少一者。較佳者係相選擇器與控制器構造成使得依切換模式控制該相選擇器之該等裝置之切換，在該切換模式中：具有最高電壓的該相端子係連接至該第一中間節點；具有最低電壓的該相端子係連接至該第二中間節點；及具有介於該最高電壓與該最低電壓間之中間電壓的該相端子係連接至該第三中間節點。較佳者係控制器構造成控制第一降壓電路與第二降壓電路，使得在第一與第二DC端子間獲得所要的DC輸出。更具體而言，控制器可構造成控制用以控制第一降壓電路與第二降壓電路的控制信號的工作週期及/或切換頻率及/或傳導序列。切換頻率一般係三相AC信號頻率的至少10倍。較佳者係控制器構造成改變用以控制第一可主動切換裝置的控制信號的工作週期，當介於三相AC電壓的第三中間節點與中點間的電壓為正時，實質上與第三中間節點電壓同步，及改變用以控制第四可主動切換裝置的控制信號的工作週期，當介於三相AC電壓的第三中間節點與中點間的電壓為負時，實質上與第三中間節點電壓同步；及/或分別改變(例如增或減) 用以控制第二與第五可主動切換裝置的控制信號的工作週期，實質上與第一與第二中間節點電壓同步。
上述可切換裝置較佳係半導體裝置。注意術語「半導體裝置」可指單一半導體組件或以(反)並聯及/或(反)串聯連接之多個半導體組件。例如可主動切換的半導體裝置可包括與二極體反並聯連接的電晶體。
在一較佳實施例中，第一與第二降壓電路進一步分別包括第一濾波電感器與第二濾波電感器，該第一濾波電感器連接於第一切換節點端子與第一DC端子間，該第二濾波電感器連接於第二切換節點端子與第二DC端子間。此外，可具有至少一個濾波電容器，較佳串聯至少兩個濾波電容器，連接於第一與第二DC端子間。第一與第二濾波電感器及/或一個以上的濾波電容器可形成具中點的濾波器。在此情況下，共用節點可連接至中點。
在一較佳實施例中，電轉換器包括一濾波器，其包括與中間第一、第二及第三節點互連的電容器，較佳呈星狀或三角形連接形式。當電容器以星狀連接互連時，共用節點可連接至星狀連接的星點。此外或替代，可具有包括與相端子互連的電容器的濾波器，較佳呈星狀或三角形連接形式。
在一較佳實施例中，電轉換器包括測量手段，用以測量DC信號、影響該DC信號之一電信號、受該DC信號影響之一電信號之至少一者。電信號可係電流或電壓。控制器包括控制迴路，其構造成調整控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者，以便基於該測量手段之測量控制該第一與該第二降壓電路之至少一者。一般控制器包括控制迴路，其構造成調整至少一個脈寬調變控制信號，用以基於測量手段執行的測量控制第一與第二降壓電路的至少一者。較佳在於測量手段包括下列之至少一者：一電流測量手段，用於測量該第一切換節點端子與該第一DC端子間之電流與該第二切換節點端子與該第二DC端子間之電流之至少一者；一電壓測量手段，用於測量該三個相端子之電壓；一電壓測量手段，用於測量該第二與第一DC端子間之電壓；一電流測量手段，用於測量該相選擇器與該第一、該第三與該第二中間節點間之電流；一電壓測量手段，用於測量該共用節點之電壓。較佳在於該控制迴路構造成調整用於控制第一降壓電路的第一脈寬調變控制信號及用於控制第二降壓電路的第二脈寬調變控制信號。在一優良實施例中，控制器可構造成交錯第一與第二脈寬調變控制信號。
依一較佳實施例，相選擇器包括三個選擇器腳，用於連接該三個相端子之一者至第一中間節點、第二中間節點與第三中間節點，其中該三個選擇器腳之每一者包括一個半橋，其包括半導體開關。該相選擇器可包括具有二極體(一般為6個二極體)之半橋接構造。可選擇以具有雙向電流能力的可控制半導體裝置取代二極體。此將允許利用轉換三相AC輸入為DC輸出及轉換DC輸出為三相AC輸入兩者的電轉換器。換言之，此等實施例允許透過轉換器之雙向功率流動。
依一較佳實施例，第一與第二降壓電路可按比例調整，例如當需要較高功率時。此可輕易藉由提供多個第一降壓電路腳或多個並聯連接的第一降壓電路，及藉由提供多個第二降壓電路腳或多個並聯連接的第二降壓電路達成。當並聯連接多個第一降壓電路時，可以交錯方式控制此等第一降壓電路。前述亦適用於並聯連接之多個第二降壓電路。
依本發明之進一步態樣，提供一種電池充電系統，尤其是用於對電動車之電池充電，包括一電源單元，該電源單元包括如前述實施例中任一者之電轉換器。
依本發明之進一步態樣，提供一種無線充電系統，尤其是用於對電動車之電池充電，包括一電源單元，該電源單元包括如前述實施例中任一者之電轉換器。
依本發明之進一步態樣，提供一種電動馬達驅動系統，其包括一電源單元，該電源單元包括如前述實施例中任一者之電轉換器。
依本發明之進一步態樣，提供一種梯度放大器，其包括如前述實施例中任一者之電轉換器。此外，提供一種包括該梯度放大器之磁共振成像裝置。
依本發明之尚另一態樣，提供一種用於在三相AC信號與DC信號間轉換之方法。該方法包括下列步驟：在該三相AC信號與中間信號間轉換之步驟，其中在一第一中間節點、一第二中間節點與一第三中間節點間施加該中間信號，其中選擇性施加該三相AC信號之電壓至該第一中間節點、該第二中間節點與該第三中間節點；利用一第一與一第二降壓電路在該等中間信號與該DC信號間轉換之步驟，其中該第一與該第二降壓電路串聯連接於該第一中間節點與該第二中間節點間使得具有該第一與第二降壓電路之一共用節點，其中該轉換包括利用該共用節點與該第三中間節點間之至少一個可主動切換裝置在第一時段期間連接該第三中間節點至該第一降壓電路之一第一切換節點端子且在第二時段期間連接該第三中間節點至該第二降壓電路之一第二切換節點端子。較佳在於利用在該第一與第二時段期間的至少一個脈寬調變信號，控制共用節點與第三中間節點間之第一與第二降壓電路之至少一個可主動切換裝置。
依本發明之一態樣，利用一第一與一第二降壓電路在該中間信號與該DC信號間之該轉換包括連接第一切換節點端子至第一中間節點、第三中間節點與共用節點之任一者；及連接第二切換節點端子至第兒中間節點、第三中間節點與共用節點之任一者。較佳者係控制第一降壓電路用於在第一時段期間交替連接第一切換節點端子至第一中間節點、第三中間節點與共用節點，及用於在第二時段期間交替連接第一切換節點端子至第一中間節點與共用節點；及控制第二降壓電路用於在第二時段期間交替連接第二切換節點端子至第二中間節點、第三中間節點與共用節點，及用於在第一時段期間交替連接第二切換節點端子至第二中間節點與共用節點。
依一較佳實施例，具有最高電壓的該三相AC信號之電壓係被施加至該第一中間節點，具有最低電壓之該三相AC信號之電壓係被施加至該第二中間節點，及具有介於該最高電壓與該最低電壓間之中間電壓之該三相AC信號之電壓係被施加至該第三中間節點。
依一較佳實施例，利用一第一與一第二降壓電路在該中間信號與該DC信號間之該轉換包括：主動控制連接於該第三中間節點與該第一切換節點端子間之一第一可切換裝置，及該第三中間節點與該第二切換節點端子間之一第四可切換裝置；主動控制一第二可切換裝置及一第三可切換裝置之至少一者，該第二可切換裝置連接於該第一中間節點與該第一切換節點端子間，該第三可切換裝置連接於該共用節點與該第一切換節點端子間；主動控制一第五可切換裝置與一第六可切換裝置之至少一者，該第五可切換裝置係介於該第二中間節點與該第二切換節點端子間，第六可切換裝置係介於該共用節點與該第二切換節點端子間。
較佳者係利用一第一與一第二降壓電路在該中間信號與該DC信號間之該轉換包括控制控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者以控制該第一與第二降壓電路。更佳者係以在第一時段期間以工作週期實質上隨第三中間節點電壓同步變化的脈寬調變信號控制第一可切換裝置，及在第二時段期間以工作週期實質上隨第三中間節點電壓同步變化的脈寬調變信號控制第四可切換裝置；及/或分別以工作週期實質上隨第一與第二中間節點電壓同步變化的脈寬調變信號控制第二與第五可切換裝置。
較佳者係利用第一與第二降壓電路之該中間信號與該DC信號間之該轉換包括分別利用一第一濾波電感器及一第二濾波電感器，該第一濾波電感器連接於第一切換節點端子與第一DC端子之間，該第二濾波電感器連接於第二切換節點端子與第二DC端子之間；及/或利用至少一個濾波電容器，較佳至少兩個濾波電容器之串聯連接，連接於該第一與第二DC端子間。
較佳者係該中間信號與該DC信號間之該轉換之控制係藉由測量DC信號、影響該DC信號之一電信號、受該DC信號影響之一電信號之至少一者，及藉由基於該等測量信號調整用於控制該第一及/或該第二降壓電路之至少一個脈寬調變控制信號。該測量可包括測量下列的一個以上：第一切換節點端子與第一DC端子間及/或第二切換節點端子與第二DC端子(N)間之電流；三相AC信號；第一與第二DC端子間的電壓；第一、第三與第二中間節點之一或每一者與共用節點間之電流。該調整可包括調整用於控制第一降壓電路之第一脈寬調變控制信號與用於控制第二降壓電路之第二脈寬調變控制信號，及選擇性交錯該第一與第二脈寬調變控制信號。
電轉換器之實施例之較佳特證及技術優點在細節上做修改後適用於本方法之實施例。
圖1顯示電轉換器10，稱之為「預驅動選擇整流器」，包括呈三相主動相選擇器11與輸出功率級12形式的兩個功率級11、12。電轉換器10進一步包括置於相選擇器11與輸出功率級12間的輸入濾波器13，及輸出濾波器14。或者或此外，輸入濾波器(未顯示)可配置於相選擇器上游。
電轉換器10係AC至DC轉換器，其具有連接至三相AC電網20的三相電壓的三個相端子A、B、C及第一與第二輸出DC端子P、N，在此係上輸出端子P與下輸出端子N，其等例如可連接至DC負載21，諸如電動車的高壓(例如200-400V)電池。相選擇器11包括三相連接a、b、c，其等連接至三相輸入A、B、C及三輸出x、y、z。這些輸出可視為第一中間節點x，在此係上中間電壓節點x；第二中間節點y，在此係下中間電壓節點y；及第三中間節點z，在此係中中間電壓節點z。
相選擇器11包括三個橋接腳15、16、17或由其等組成，其中每一者包括以半橋接構造連接的兩個被動半導體裝置(用於腿15的二極體
Figure 02_image001
與
Figure 02_image003
；用於腿16的二極體
Figure 02_image007
與
Figure 02_image011
；用於腿17的二極體
Figure 02_image013
與
Figure 02_image017
)，及三個可主動切換半導體裝置，在此稱之為選擇器開關
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
與
Figure 02_image025
。在圖解實施例中，每一選擇器開關包括兩個反串聯可主動切換半導體組件。優點在於每一此可切換半導體組件包含反並聯二極體或由其補足。在此範例中，金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)用於可主動切換半導體組件，每一者包含一內部反並聯體二極體。在其他實施例中，可具有一外部反並聯二極體。
輸出功率級12包括第一與第二堆疊降壓電路的兩個堆疊(亦即串聯)降壓橋接腳18、19或由其等組成。第一上降壓橋接腳18包括第一半導體裝置1p、第二半導體裝置2p及第三半導體裝置3p。第二下降壓橋接腳19包括第四半導體裝置1n、第五半導體裝置2n及第六半導體裝置3n。第二與第五半導體裝置2p、2n係降壓開關(上降壓橋接腳18用之
Figure 02_image027
與下降壓橋接腳19用之
Figure 02_image031
)。降壓橋接腳18、19之開關
Figure 02_image027
與
Figure 02_image031
係可主動切換半導體裝置，例如MOSFET。第三與第六半導體裝置3p、3n係降壓二極體(上降壓橋接腳18用之
Figure 02_image033
與下降壓橋接腳19用之
Figure 02_image037
)。第二與第三半導體裝置2p、3p及第五與第六半導體裝置2n、3n以半橋接構造連接。上降壓橋接腳18的切換中節點形成藉由第一降壓電感器(在此稱之為上降壓電感器
Figure 02_image039
)連接至輸出P的上切換節點端子p，及下降壓橋接腳19的切換中節點形成藉由第二降壓電感器(在此稱之為下降壓電感器
Figure 02_image041
.)連接至輸出N的下切換節點端子。
兩堆疊降壓橋接腳18、19的共用節點m連接至輸出濾波器14中點，該濾波器14包括串聯連接於上輸出端子P與下輸出端子N間的兩個輸出濾波電容器CPm 、CmN 。
第一與第二降壓橋接腳18、19的第一與第四半導體裝置1p、1n係互連開關
Figure 02_image045
與
Figure 02_image049
，具有雙向電壓阻擋能力，允許連接各橋之切換中節點，亦即上降壓橋接腳18用之上切換節點端子p與下降壓橋接腳19用之下切換節點端子n，具有中中間電壓節點z。上降壓橋接腳18之互連開關
Figure 02_image045
包括可主動切換半導體組件
Figure 02_image051
，例如與二極體
Figure 02_image055
反串聯的MOSFET，產生電壓雙向互連開關。下降壓橋接腳19之互連開關
Figure 02_image049
包括可主動切換半導體組件
Figure 02_image057
，例如與二極體
Figure 02_image059
反串聯的MOSFET，產生電壓雙向互連開關。
上降壓橋接腳18連接於上中間電壓節點x與共用節點m間，且配置方式使得當開關
Figure 02_image027
閉合(傳導、導通狀態)時，電流可自上中間電壓節點x經開關
Figure 02_image027
流動至上輸出端子P，當開關
Figure 02_image051
閉合(傳導、導通狀態)且開關
Figure 02_image027
打開(非傳導、關閉狀態)時，電流可自中中間電壓節點z經互連開關
Figure 02_image045
流動至上輸出端子P，及當開關
Figure 02_image027
與
Figure 02_image051
打開(非傳導、關閉狀態)時，電流可自共用節點m經二極體
Figure 02_image033
流動至上輸出端子P。
下降壓橋接腳19連接於共用節點m與下中間電壓節點y間，且配置方式使得當開關
Figure 02_image031
閉合(傳導、導通狀態)時，電流可自下輸出端子N經開關
Figure 02_image031
流動至下中間電壓節點y，當開關
Figure 02_image057
閉合(傳導、導通狀態)且開關
Figure 02_image031
打開(非傳導、關閉狀態)時，電流可自下輸出端子N經互連開關
Figure 02_image049
流動至中中間電壓節點z，及當開關
Figure 02_image031
與
Figure 02_image057
打開(非傳導、關閉狀態)時，電流可自下輸出端子N經二極體
Figure 02_image037
流動至共用節點m。
優點在於三個高頻(HF)濾波電容器Cx 、 Cy 、 Cz (輸入濾波器13的部分)呈星狀連接形式互連中間電壓節點x、y、z。概言之，其優點在於三個Cx 、 Cy 、 Cz 實質上等值，以對稱負載AC電網。優點在於三個高頻(HF)濾波電容器Cx 、 Cy 、 Cz 的星點連接至兩個降壓橋接腳18、19的共用節點m及至輸出濾波器14的中點。
與具有三相AC輸入電壓之最高電壓的相輸入端子A、B或C連接的相選擇器11的橋接腳切換方式使得對應的相輸入端子A、B或C連接至上中間電壓節點x。為達成此目的，橋接腳藉由橋接腳的上二極體Dax 、 Dbx 、 Dcx 連接對應相連接a、b或c與節點x，同時橋接腳的對應選擇器開關Saza 、 Sbzb 、 Sczc 打開(非傳導、關閉狀態)。與具有三相AC輸入電壓之最低電壓的相輸入端子A、B或C連接的相選擇器11的橋接腳切換方式使得對應的相輸入端子A、B或C連接至下中間電壓節點y。為達成此目的，橋接腳藉由橋接腳的下二極體Dya 、 Dyb 、 Dyc 連接對應相連接a、b或c與節點y，同時橋接腳的對應選擇器開關Saza 、 Sbzb 、 Sczc 打開(非傳導、關閉狀態)。與具有三相AC輸入電壓之最高與最低電壓間的電壓的相輸入端子A、B或C連接的相選擇器11的橋接腳切換方式使得對應的相輸入端子A、B或C連接至中中間電壓節點z。為達成此目的，橋接腳藉由閉合(傳導、導通狀態)之選擇器開關Saza 、 Sbzb 、 Sczc 連接對應相連接a、b或c與節點z。
在具有實質上平衡相位電壓va 、 vb 、 vc 的三相AC電網中，例如圖2A所示，該三相AC輸入電壓(主電壓)轉換為三個中間DC電壓vxz 、 vzy 、 vxy ，示如圖2B，且其等被提供於上中間電壓節點x、下中間電壓節點y與中中間電壓節點z之間。這些DC電壓因而顯示分段正弦形狀。三線AC輸入電壓之轉換為三個中間DC電壓係相選擇器11的操作結果，如上述。選擇器開關Saza 、 Sbzb 、 Sczc 的切換狀態(開啟
Figure 02_image069
，關閉
Figure 02_image071
)示如圖2C。可見在AC主電壓週期(360o ；對應於50Hz電網頻率的20ms時段；亦稱之為線週期)內的整個特定60o 段落期間(例如自30o 至90o ，自90o 至150o 等)開關連續「開」或「關」。在AC主電壓的週期(360o )內的整個特定段落期間，相選擇器的二極體亦「傳導」或「非傳導」。參考圖2A： -
Figure 02_image073
內二極體Dax 傳導， -
Figure 02_image075
內二極體Dbx 傳導， -
Figure 02_image079
與
Figure 02_image081
內二極體Dcx 傳導， -
Figure 02_image083
內二極體Dya 傳導， -
Figure 02_image085
與
Figure 02_image087
內二極體Dyb 傳導， -
Figure 02_image089
內二極體Dyc 傳導， -
Figure 02_image081
與
Figure 02_image091
與
Figure 02_image085
內開關Saza 傳導， -
Figure 02_image093
與
Figure 02_image095
內開關Sbzb 傳導， -
Figure 02_image097
與
Figure 02_image099
內開關Sczc 傳導， 對三相AC輸入電壓的每一個60o 段落而言，開關與二極體的狀態(傳導/非傳導)組合均屬特定，且視相位輸入A、B、C的電壓值而定。開關與二極體的6特定狀態的序列本身在AC主電壓的每個週期(360o )重複。
自中間電壓節點x、y、z朝向輸出端子P、N的觀點，可識別出DC-DC降壓電路(上降壓電路)具有三個輸入埠x、z、m及兩個輸出埠P、m，且包括上降壓橋接腳18、上降壓電感器Lp 及上輸出電容器CPm 。此上降壓電路之輸入埠x與m間的電壓係跨電容器Cx 之電壓
Figure 02_image101
(
Figure 02_image103
及
Figure 02_image105
示如圖2D)，此上降壓電路之輸入埠z與m間的電壓係跨電容器Cz 之電壓
Figure 02_image107
(
Figure 02_image109
及
Figure 02_image105
示如圖2D)，及此上降壓電路之輸出埠P與m間的電壓係跨上輸出電容器CPm 之電壓
Figure 02_image111
(
Figure 02_image113
及
Figure 02_image105
示如圖2D)。VPm 電壓值實質上等於總DC匯流排電壓的一半(
Figure 02_image115
)。
自中間電壓節點x、y、z朝向輸出端子P、N的觀點，可識別出「逆」(負輸入電壓與負輸出電壓)DC-DC降壓電路(下降壓電路)具有三個輸入埠y、z、m及兩個輸出埠N、m，且包括下降壓橋接腳19、下降壓電感器Ln 及上輸出電容器CmN 。此下降壓電路之輸入埠y與m間的電壓係跨電容器Cy 之電壓
Figure 02_image117
(
Figure 02_image119
及
Figure 02_image105
示如圖2D)，此下降壓電路之輸入埠z與m間的電壓係跨電容器Cz 之電壓
Figure 02_image107
(
Figure 02_image109
及
Figure 02_image105
示如圖2D)，及此下降壓電路之輸出埠N與m間的電壓係跨下輸出電容器CmN 之電壓
Figure 02_image121
(
Figure 02_image123
及
Figure 02_image105
示如圖2D)。VNm 電壓值實質上等於總DC匯流排電壓的一半(
Figure 02_image125
)。
藉由在特定可變切換頻率fs 下之上降壓電路之開關
Figure 02_image027
與
Figure 02_image051
之控制信號之PWM調變(脈寬調變)，上降壓橋接腳18的上開關節點端子p可交替連接至上中間電壓節點x，中中間電壓z或共用節點m。此造成節點p與m間的切換電壓vpm ，該切換電壓vpm 因而可具有三個電壓位準。開關
Figure 02_image027
與
Figure 02_image051
之控制信號之PWM調變控制信號之工作比(亦即切換週期
Figure 02_image127
內的相對開啟時間)定義一切換週期內的電壓vpm 之平均值
Figure 02_image129
。對這些工作比的控制，及因而切換週期平均值
Figure 02_image129
的控制，允許控制在上降壓電感器Lp 中的電流
Figure 02_image131
之切換週期平均值
Figure 02_image133
，例如利用閉迴路PI(比例積分)控制結構。此外，這些工作比的控制允許藉由引導電感器電流
Figure 02_image131
流經
Figure 02_image027
(
Figure 02_image135
)一特定時間(亦即在
Figure 02_image027
導通時段期間)及流經
Figure 02_image045
(
Figure 02_image137
)一特定時間(亦即在
Figure 02_image051
導通時段期間)而控制上降壓橋接腳18的輸入電流
Figure 02_image139
與
Figure 02_image141
之切換週期平均值
Figure 02_image143
及/或
Figure 02_image145
。
藉由在特定可變切換頻率fs 下之下降壓電路之開關
Figure 02_image031
與
Figure 02_image057
之控制信號之PWM調變(脈寬調變)，下降壓橋接腳19的下開關節點端子n可交替連接至下中間電壓節點y，中中間電壓z或共用節點m。此造成節點m與n間的切換電壓vmn ，該切換電壓vmn 因而可具有三個電壓位準。開關
Figure 02_image031
與
Figure 02_image057
之控制信號之PWM調變控制信號之工作比(亦即切換週期
Figure 02_image127
內的相對開啟時間)定義一切換週期內的電壓vnm 之平均值
Figure 02_image147
。對這些工作比的控制，及因而切換週期平均值
Figure 02_image147
的控制，允許控制在下降壓電感器LN 中的電流
Figure 02_image149
之切換週期平均值
Figure 02_image151
，例如利用閉迴路PI(比例積分)控制結構。此外，這些工作比的控制允許藉由引導電感器電流
Figure 02_image149
流經
Figure 02_image031
(
Figure 02_image153
)一特定時間(亦即在
Figure 02_image031
導通時段期間)及流經
Figure 02_image049
(
Figure 02_image155
)一特定時間(亦即在
Figure 02_image057
導通時段期間)而控制下降壓橋接腳19的輸入電流
Figure 02_image157
與
Figure 02_image159
之切換週期平均值
Figure 02_image161
及/或
Figure 02_image163
。
電流
Figure 02_image165
等於上降壓電路輸入電流
Figure 02_image141
與下降壓電路輸入電流
Figure 02_image159
和(
Figure 02_image167
)，其對這些電流的切換週期平均值(
Figure 02_image169
)亦為真。
概言之，可稱輸出功率級12輸入處電流ix 、iy 、iz 的HF分量被HF濾波電容器Cx 、Cy 、Cz 大幅濾除。結果使得在相選擇器11輸出處的i’x 、i’y 、i’z 大致等於電流ix 、iy 、iz 的切換週期平均值
Figure 02_image143
、
Figure 02_image161
、
Figure 02_image171
，亦即
Figure 02_image173
、
Figure 02_image175
、
Figure 02_image177
。
開關
Figure 02_image027
與
Figure 02_image051
之控制信號之PWM控制信號之工作週期比使得切換週期平均值
Figure 02_image129
實質等於總DC匯流排電壓的一半(
Figure 02_image115
；見圖2D)，同時開關
Figure 02_image031
與
Figure 02_image057
之控制信號之PWM控制信號之工作週期比使得切換週期平均值
Figure 02_image147
實質等於總DC匯流排電壓的一半(
Figure 02_image179
；見圖2D)。亦即上降壓電感器Lp 與下降壓電感器Ln 兩者的切換週期平均電壓(亦及伏特-秒乘積)實質上等於零。
電感器
Figure 02_image039
、
Figure 02_image041
電流
Figure 02_image131
、
Figure 02_image149
之切換週期平均值
Figure 02_image133
、
Figure 02_image151
示如圖2E。如所見，可控制電流
Figure 02_image131
使其切換電流平均值等於所要求的DC輸出電流(
Figure 02_image183
)，同時可控制電流
Figure 02_image149
使其切換電流平均值等於負的所要求的DC輸出電流(
Figure 02_image185
)。
如圖2E所示電流ix 、iy 、iz 的切換週期平均值
Figure 02_image143
、
Figure 02_image161
、
Figure 02_image171
的一範例。如所見，可控制這些電流使具分段正弦形狀。在相選擇器11輸出處的電流
Figure 02_image187
、
Figure 02_image189
,、
Figure 02_image191
因而具有分段正弦形狀且被轉換，亦即因相選擇器11操作結果成為三個正弦AC相電流
Figure 02_image193
、
Figure 02_image195
、
Figure 02_image197
，示如圖2F，實現電轉換器10之功率因子修正(PFC)操作。
圖2G顯示上降壓橋接腳之開關及二極體(Sxp 、 Szp 、Dzp 、 Dmp )之工作週期範例(具工作週期：
Figure 02_image199
，其中
Figure 02_image201
係指在切換週期
Figure 02_image203
內的連續「關閉」且
Figure 02_image205
係指在切換週期
Figure 02_image203
內的連續「導通」，且圖2H顯示下降壓橋接腳18之開關及二極體(Sny 、 Snz 、Dnz 、 Dnm )之工作週期。這些工作週期對應於圖2A-2F的示範例。
如從圖2H可見，在主電壓線週期內特定時段期間，開關Snz 之控制信號工作週期等於零，亦即在這些時段中，開關Snz 連續打開(非傳導)。符合圖2B情況者係
Figure 02_image207
之時段。亦即在這些時段期間的電流
Figure 02_image159
(及其切換週期平均值
Figure 02_image163
)等於零，造成在這些時段期間的
Figure 02_image209
，如圖2I與2E可見。類似地，且如圖2G可見，在主電壓線週期內特定時段期間，開關Szp 之控制信號工作週期等於零，亦即在這些時段中，開關Szp 連續打開(非傳導)。符合圖2B情況者係
Figure 02_image211
之時段。亦即在這些時段期間的電流
Figure 02_image141
(及其切換週期平均值
Figure 02_image145
)等於零，造成在這些時段期間的
Figure 02_image215
，如圖2I與2E可見。如圖2G與2H所示，由上與下降壓電路實行的步階向下步驟交替包括(亦即利用PWM信號)在第一時段T1期間(其中
Figure 02_image207
)，連接中中間節點z至上降壓電路的上切換節點端子p，及在第二時段T2期間(其中
Figure 02_image211
)，連接中中間節點z至下降壓電路的下切換節點端子n。在第一時段T1期間，開關Szp 以一切換頻率及一第一可變工作週期連續開關，且開關Snz 關閉。在第二時段T2期間，開關Szp 關閉，且開關Snz 以一切換頻率及一第二可變工作週期連續開關。
圖2J顯示上降壓橋接腳18的開關Sxp 、 Szp 的狀態，及圖2K顯示下降壓橋接腳19的開關Sny 、 Snz 的狀態。這些開關Sxp 、 Szp 、 Sny 、 Snz 均係以實質上高於主頻率(例如50Hz)之頻率(亦即切換頻率
Figure 02_image219
如100 kHz)進行PWM調變，如黑色桿可見，指示對應開關的PWM調變。如上述，在主電壓線週期內
Figure 02_image207
之時段期間，開關Snz 連續打開(非傳導)，而在主電壓線週期內
Figure 02_image211
之時段期間，開關Szp 連續打開(非傳導)。
圖3-5顯示在微秒時間軸上的電流、電壓與切換信號圖，亦即關於電轉換器10輸出功率級12的橋接腳的三個連續切換週期。每一切換週期之切換週期T s 等於1/f s ，其中f s 係切換頻率。圖3對應於主電壓線週期內
Figure 02_image221
附近時段(參見圖2A-2K中代號III)，圖4對應於主電壓線週期內
Figure 02_image223
附近時段(參見圖2A-2K中代號IV)，及圖5對應於主電壓線週期內
Figure 02_image227
附近時段(參見圖2A-2K中代號V)。對於圖3-5中所有的圖，相選擇器11的選擇器開關與二極體處於下列切換狀態，亦見於圖2C： -  開關
Figure 02_image229
(關閉)、二極體
Figure 02_image231
(傳導)、二極體
Figure 02_image233
(阻擋)；相連接a連接節點x； -  開關
Figure 02_image235
(關閉)、二極體
Figure 02_image237
(阻擋)、二極體
Figure 02_image239
(傳導)；相連接b連接節點y； -  開關
Figure 02_image241
(導通)、二極體
Figure 02_image243
(阻擋)、二極體
Figure 02_image245
(阻擋)；相連接c連接節點z。
圖3-5左行(「上降壓電路」)對應於上降壓電路操作，而圖3-5右行(「下降壓電路」)對應於下降壓電路操作。圖3-5之各圖顯示： -  PWM調變之上降壓橋接腳18的開關及二極體Sxp 、 Szp 、Dzp 、 Dmp 的控制信號及PWM調變之下降壓橋接腳19的開關及二極體Sny 、 Snz 、Dzz 、 Dnm 的控制信號；「1」係指「導通」及傳導，「0」係指「關閉」及非傳導；參見圖3-5的第一列， -  跨越上降壓電感器
Figure 02_image039
的電壓
Figure 02_image247
及跨越下降壓電感器
Figure 02_image041
的電壓
Figure 02_image249
；參見圖3-5的第二列， -  上降壓電感器
Figure 02_image039
中的電流
Figure 02_image131
(及此電流的切換週期平均值
Figure 02_image183
)，及下降壓電感器
Figure 02_image041
中的電流
Figure 02_image149
(及此電流的切換週期平均值
Figure 02_image185
)；參見圖3-5的第三列， -  上降壓橋接腳18的輸入電流
Figure 02_image139
(及此電流的切換週期平均值
Figure 02_image143
)及下降壓橋接腳19的輸入電流
Figure 02_image157
(及此電流的切換週期平均值
Figure 02_image161
)；參見圖3-5的第四列， -  上降壓橋接腳18的輸入電流
Figure 02_image141
(及此電流的切換週期平均值
Figure 02_image145
)及下降壓橋接腳19的輸入電流
Figure 02_image253
(及此電流的切換週期平均值
Figure 02_image255
)；參見圖3-5的第五列。
在圖3之相關時段中，亦即主電壓線週期內
Figure 02_image221
附近時段(參見圖2A-2K中代號III)，
Figure 02_image207
，
Figure 02_image257
，且
Figure 02_image259
，亦即開關
Figure 02_image057
控制信號的工作比等於零(開關
Figure 02_image057
連續打開；非傳導)。
在圖4之相關時段中，亦即主電壓線週期內
Figure 02_image223
附近時段(參見圖2A-2K中代號IV)，
Figure 02_image261
，
Figure 02_image263
，
Figure 02_image259
，且
Figure 02_image265
，亦即開關
Figure 02_image051
與
Figure 02_image057
控制信號的工作比等於零(開關
Figure 02_image051
與
Figure 02_image057
連續打開；非傳導)。
在圖5之相關時段中，亦即主電壓線週期內
Figure 02_image227
附近時段(參見圖2A-2K中代號V)，
Figure 02_image211
，
Figure 02_image263
，且
Figure 02_image267
，亦即開關
Figure 02_image051
控制信號的工作比等於零(開關
Figure 02_image051
連續打開；非傳導)。
在圖3-5中，輸出功率級12的降壓橋接腳18、19的半導體裝置(開關與二極體)依序傳導。例如在圖3中，在一切換週期
Figure 02_image203
(
Figure 02_image269
)內的PWM調變的上降壓橋接腳18的開關與二極體的傳導序列如下： -  時段1(int1 ； 參見圖3左上方插字)：
Figure 02_image027
傳導而
Figure 02_image045
與
Figure 02_image033
不傳導， -  時段2(int2 ； 參見圖3左上方插字)：
Figure 02_image045
傳導而
Figure 02_image027
與
Figure 02_image033
不傳導， -  時段3(int3 ； 參見圖3左上方插字)：
Figure 02_image033
傳導而
Figure 02_image027
與
Figure 02_image045
不傳導。 在時段1、2與3期間，切換
Figure 02_image031
使其在
Figure 02_image045
或
Figure 02_image033
傳導時導通(亦即同時
Figure 02_image033
關閉)且因而
Figure 02_image037
與
Figure 02_image033
同時切換(參見圖3右上方插字)。此序列本身在下列切換週期中重複。注意此僅係範例，及上與下降壓電路可彼此獨立操作。例如可交錯第一與第二降壓電路的操作，造成
Figure 02_image033
與
Figure 02_image037
的導通時間重疊。可能包含更多時段的不同傳導序列亦可用於降壓橋接腳。例如在圖3中，可將第四傳導時段加入一切換週期
Figure 02_image203
(
Figure 02_image269
)內的PWM調變的上降壓橋接腳18的開關與二極體的傳導序列，可造成： -  時段1(int1’ ):
Figure 02_image027
傳導而
Figure 02_image045
與
Figure 02_image271
不傳導， -  時段2(int2’ ):
Figure 02_image045
傳導而
Figure 02_image027
與
Figure 02_image271
不傳導， -  時段3(int3’ ):
Figure 02_image271
傳導而
Figure 02_image027
與
Figure 02_image045
不傳導， -  時段4(int4’ ):
Figure 02_image045
傳導而
Figure 02_image027
與
Figure 02_image271
不傳導。 如圖2G與2H可見，當
Figure 02_image207
時，
Figure 02_image027
的工作週期(DutSxp )可隨電壓
Figure 02_image103
同步增減，
Figure 02_image031
的工作週期(DutSny )可隨電壓
Figure 02_image273
同步增減，
Figure 02_image051
的工作週期(DutSzp )可隨電壓
Figure 02_image109
同步增減，當
Figure 02_image211
時，
Figure 02_image057
的工作週期(DutSnz )可隨電壓
Figure 02_image109
同步增減。
圖6A-E分別顯示主電壓之總線週期(
Figure 02_image281
)內的電流
Figure 02_image131
、
Figure 02_image149
、
Figure 02_image139
、
Figure 02_image157
、
Figure 02_image165
。亦顯示這些電流的切換週期平均值
Figure 02_image133
、
Figure 02_image151
、
Figure 02_image143
、
Figure 02_image161
、
Figure 02_image171
對應於2E所示電流。
為使電轉換器之AC輸入電流之總諧波失真(THD)最低，由輸入濾波器13處理使相電流
Figure 02_image193
、
Figure 02_image195
、
Figure 02_image197
之高頻鏈波優化最低。
相較於第一與第二降壓電路並聯於上與下中間節點間的實施例，本發明的實施例優點在於可降低電流。確實當兩個降壓電路並聯於上與下中間節點間時，其中一個降壓電路連接至正節點，且另一個至負節點，一個降壓電路見到另一降壓電路之逆電流，造成較高電流。此缺點在如本發明之實施例中的兩個降壓電路串聯連接於上與下中間節點間時，不復存在。
在圖7中，所示電轉換器200異於轉換器10處在於第三與第六半導體裝置3p、3n不同：圖1所示轉換器輸出功率級12之二極體
Figure 02_image033
、
Figure 02_image037
被輸出功率級212中的可控制半導體開關
Figure 02_image283
、
Figure 02_image285
取代，在此係MOSFET。此允許電感器電流
Figure 02_image133
在
Figure 02_image283
之傳導時段內亦為負且電感器電流
Figure 02_image151
在
Figure 02_image285
之傳導時段內亦為負，這在以二極體(
Figure 02_image033
、
Figure 02_image037
)施行的輸出功率級12是不可能的。結果可以達成輸出功率級212之所有半導體開關(Sxp 、Szp 、Spm 、Sny 、Snz 、Smn )之準無損零電壓切換(ZVS)。此允許以較低切換損失且因而較高能量效率之功率轉換。此外，可採用較高切換頻率以增加功率密度(縮減尺寸)且降低電轉換器200成本。圖8A-E分別顯示在輸出功率級212的ZVS操作情況下，主電壓之整體線週期(
Figure 02_image281
)內的電流
Figure 02_image131
、
Figure 02_image149
、
Figure 02_image139
、
Figure 02_image157
、
Figure 02_image165
。另顯示對應於圖2E所示電流之這些電流的切換週期平均值
Figure 02_image133
、
Figure 02_image151
、
Figure 02_image143
、
Figure 02_image161
、
Figure 02_image171
。
電轉換器10(示如圖1)及200(示如圖7)因相選擇器11與輸出功率級12、212含有二極體而具單向性，僅允許自AC電網20取得電力並在輸出處將此電力提供予負載21。圖9另顯示雙向性電轉換器300。電轉換器300異於轉換器10、200處在於相選擇器11的二極體
Figure 02_image001
、
Figure 02_image007
、
Figure 02_image013
、
Figure 02_image003
、
Figure 02_image011
、
Figure 02_image017
及輸出功率級12、212的二極體
Figure 02_image055
、
Figure 02_image033
、
Figure 02_image059
、
Figure 02_image037
已分別被相選擇器311的可控半導體開關
Figure 02_image289
、
Figure 02_image291
、
Figure 02_image293
、
Figure 02_image295
、
Figure 02_image297
、
Figure 02_image299
及輸出功率級312的Spz 、Spm 、Szn 、Smn 取代。注意電轉換器300可作為DC對AC轉換器，其具輸出端子A、B、C及輸入端子P、N，如熟諳此藝者所週知。此可能適用於例如採用太陽能電池之應用。
在圖10中顯示另一電轉換器400，其異於轉換器10處在於利用具相同功能性之不同構造之第一、第二、第三、第四、第五與第六半導體裝置1p、2p、3p、1n、2n、3n施行輸出功率級412的堆疊降壓橋接腳18、19。此外，在電轉換器400中，與中間電壓節點x、y、z互連之HF電容器Cxy 、Cxz 、Czy 以三角形構造取代星狀構造連接。
在電轉換器10、200與400中，可以可主動切換半導體裝置取代二極體，以允許電轉換器之雙向電力流動(如圖9之實施例)。
在電轉換器10、200、300與400中，HF電容器Cx 、Cy 、Cz 、Cxy 、Cxz 、Czy 可位於相輸入端子A、B、C與相選擇器11、311間，且以星狀或三角形構造的形式與相輸入端子A、B、C互連。亦可採用呈星狀或三角形構造或其等組合的形式之與中間電壓節點x、y、z互連之一組HF電容器(如電轉換器10、200、300、400)及與相輸入端子A、B、C互連之一組HF電容器的組合。
在電轉換器10、200與300中，HF電容器Cx 、Cy 、Cz 以星狀構造連接。或者這些電轉換器中的任一者之電容器可採三角形構造。
在電轉換器400中，HF電容器Cxy 、Cxz 、Czy 以三角形構造連接。或者這些電容器可採星狀構造。
在圖11中顯示另一電轉換器500，其異於轉換器200在於以包含升壓級之主動輸出濾波器514取代輸出濾波器14。主動輸出濾波器適用於圖1、圖7、圖9、圖10之電轉換器。
圖12A、12B顯示三相相選擇器11的不同變體，適用於圖1、圖7、圖9、圖10、圖11之電轉換器。在圖12A的例示性實施例中，每一可主動切換半導體裝置
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
與
Figure 02_image025
包括4個二極體及具有1個反並聯二極體的1個電晶體。在圖12B的例示性實施例中，每一可主動切換半導體裝置
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
與
Figure 02_image025
包括4個二極體及具有1個反並聯二極體的1個電晶體，且半導體裝置
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
與
Figure 02_image025
分別被納於腳15、16、17內。注意當半導體裝置
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
與
Figure 02_image025
的電晶體關閉時(亦即不導通)，腳15、16、17中的電流仍可透過半導體裝置
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
與
Figure 02_image025
的二極體流動。
如圖1所示，為了完成中間電流ix ’ 、iy ’ 、iz ’ 的分段正弦形狀，造成三個正弦AC相電流
Figure 02_image193
,
Figure 02_image195
,
Figure 02_image197
，可利用中央控制單元40控制電轉換器10的所有可控半導體裝置(開關)，經由通信介面50傳送控制信號至每一開關。具體而言，以控制器40控制半導體裝置
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
、
Figure 02_image025
、Sxp 、Sny 、Szp 、Snz 。此外，控制單元具有測量輸入埠42、43、44、45、46，用以接收以下測量： ● 42：AC電網相電壓va 、vb 、vc ； ● 43：中間電流ix ’ 、iy ’ 、iz ’ ； ● 44：電感器電流iLp 、iLn ； ● 45：DC匯流排電壓
Figure 02_image301
； ● 46：DC匯流排中點電壓
Figure 02_image303
； 及輸入埠41，用以接收可係所要求的DC輸出電壓
Figure 02_image305
之設定值。
圖13顯示中央控制單元40的具優點施行的方塊圖，其中以概略方式顯示圖1。圖13中所示電轉換器10為「單接線」等效電路，其中元件代號與圖1所示對應。在信號線中的3斜線係指成束的多個信號，且可表示至向量表示之過渡。
控制單元40的目的在於控制經輸入埠41自外部單元接收的輸出電壓
Figure 02_image301
至所要求的設定值
Figure 02_image305
，及平衡跨越兩個輸出電容器
Figure 02_image307
與
Figure 02_image311
的電壓，例如藉由控制跨越下輸出電容器
Figure 02_image311
的電壓為實質上等於DC匯流排電壓的一半。此外，自相輸入(a、b、c)取得的電流需經塑形為實質上正弦且實質上控制使之與對應相電壓同相。如前述，此亦可藉由控制中間電流ix ’ 、iy ’ 、iz ’ 達成，亦即取代直接控制相電流
Figure 02_image193
、
Figure 02_image195
、
Figure 02_image197
使具分段正弦形狀。
利用包括輸出電壓控制迴路60與內電流控制迴路70的級聯控制結構控制輸出電壓
Figure 02_image301
具有優點。經輸入埠41將輸出電壓的設定值輸入比較器61且與自測量手段95(例如包括低通濾波器)所獲之測量輸出電壓做比較。比較器61的輸出係輸出電壓的控誤信號，進一步輸入至控制元件62(例如包括比例積分控制方塊)，其輸出關於相電流的即時設定值級/或關於電感器電流的DC組件的設定值。這些設定值被輸入至乘法器63，且與自輸出相電壓的正規化即時值的計算元件64所得信號相乘。計算元件64的輸入係自測量手段93(例如包括低通濾波器)所獲之測量相電壓v a 、v b 、v c 。乘法器63的輸出係用於例如即時低通濾波相電流
Figure 02_image193
、
Figure 02_image195
、
Figure 02_image197
及用於例如即時低通濾波電感器電流iLp 、iLn 的DC分量的設定值ia * 、ib * 、ic * 、iLp * 、iLn * 。ia * 、ib * 、ic * 經塑形成實質上正弦且實質上定位與對應相電壓同相。設定值iLp * 、iLn * 實質上固定，且如上述，可表示至附載21的DC輸出電流為
Figure 02_image313
與
Figure 02_image315
。設定值ia * 、ib * 、ic * 、iLp * 、iLn * 在通過加法元件67與選擇元件81(功能詳下述)後，被輸入至電流控制器70。
電流控制器70分成5個個別電流控制器71、72、73、74、75，其中： ● 用於控制中中間電流
Figure 02_image317
的個別電流控制器71。此控制係由輸出功率級12的可控開關的PWM調變為之。結果相選擇器11的操作，隨之控制器71控制電壓在三相AC電壓的最高電壓與最低電壓間的相輸入A、B、C的電流； ● 用於控制中中間電流
Figure 02_image319
的個別電流控制器72。此控制係由輸出功率級12的可控開關的PWM調變為之。一般僅有PWM控制信號的工作週期以受控方式變化，但亦可選擇使開關的切換頻率及/或傳導序列可變。例如可根據轉換器操作的測量自一可行傳導序列清單選擇傳導序列。此外，例如可選擇切換頻率以改善或最佳化轉換器操作，及尤其是確保零電壓切換。結果相選擇器11的操作，隨之控制器72控制具三相AC電壓最高電壓的相輸入A、B、C的電流； ● 用於控制中中間電流
Figure 02_image321
的個別電流控制器73。此控制係由輸出功率級12的可控開關的PWM調變為之。結果相選擇器11的操作，隨之控制器73控制具三相AC電壓最低電壓的相輸入A、B、C的電流； ● 個別電流控制器74用於控制連接至上降壓橋接腳18之輸出濾波器14之上電感器
Figure 02_image039
。此控制係由輸出功率級12的可控開關的PWM調變為之； ● 個別電流控制器75用於控制連接至下降壓橋接腳19之輸出濾波器14之下電感器
Figure 02_image041
。此控制係由輸出功率級12的可控開關的PWM調變為之； ● 電流控制器74與75聯合控制供應至負載21的電流。
選擇器元件81用以視相輸入A、B、C之電壓值傳送即時相電流的設定值ia * 、ib * 、ic * 、iLp * 、iLn * 及電感器電流至正確的個別電流控制器71、72、73、74、75，造成對於每一個別電流控制器之中間電流設定值
Figure 02_image323
、
Figure 02_image325
、
Figure 02_image327
及電感器電流設定值
Figure 02_image329
、
Figure 02_image331
，其中： ● 具三相AC電壓最高電壓的相輸入A、B、C的電流設定值被傳送至個別電流控制器72，造成設定值
Figure 02_image323
； ● 具三相AC電壓最低電壓的相輸入A、B、C的電流設定值被傳送至個別電流控制器73，造成設定值
Figure 02_image325
； ● 電壓在三相AC電壓的最高電壓與最低電壓間的相輸入A、B、C的電流設定值被傳送至個別電流控制器71，造成設定值
Figure 02_image327
； ● 輸出濾波器14之上電感器
Figure 02_image039
之電感器電流設定值被傳送至個別電流控制器74，造成設定值
Figure 02_image329
； ● 輸出濾波器14之下電感器
Figure 02_image041
之電感器電流設定值被傳送至個別電流控制器75，造成設定值
Figure 02_image331
；
在每一個別電流控制器中，針對即時電流接收的設定值
Figure 02_image323
、
Figure 02_image325
、
Figure 02_image327
、
Figure 02_image329
、
Figure 02_image331
被輸入至比較器，例如個別電流控制器71的比較器76，並與自測量手段94(例如包括低通濾波器)及自測量手段97獲得的測量電流
Figure 02_image335
、
Figure 02_image337
、
Figure 02_image339
、
Figure 02_image341
、
Figure 02_image343
做比較。比較器的輸出係電流的控誤信號，其進一步被輸入至控制元件，例如個別電流控制器71的控制元件77(例如比例積分控制器)。電流控制器70的輸出，其係例如個別電流控制器71、72、73、74、75的輸出的成束組合，被輸入至PWM產生元件，例如PWM產生元件54。PWM產生元件產生PWM調變的控制信號，用於PWM控制橋接腳的可控半導體開關，亦即上降壓電路的上降壓橋接腳18與下降壓電路的下降壓橋接腳19。這些PWM調變的控制信號經通信介面50傳送至適當的橋接腳。
相選擇器11的選擇器開關視相輸入A、B、C的電壓值在三相AC輸入電壓的每一個
Figure 02_image345
區段其間「導通」或「關閉」，如先前併圖2C所述。用於選擇器開關的控制信號係由切換信號產生器51、52、53基於自測量手段93獲得的測量相電壓產生。
DC匯流排中點平衡之達成係藉由加法元件67將偏移值加入乘法器63輸出的例如即時低通濾波相電流ia 、ib 、ic 及/或例如即時低通濾波電感器電流iLp 、iLn 之設定值ia * 、ib * 、ic * 、iLp * 、iLn * 。偏移值之獲得係利用比較器65比較自測量手段96(例如包括低通濾波器)獲得的測量DC匯流排中點電壓與設定值(例如
Figure 02_image347
)且饋送誤差信號(比較器65的輸出)至控制元件66。
圖2F所示相電流ia 、ib 、ic 係利用此控制單元40與前文中詳述的控制方法控制電轉換器10而獲得。如前述，相電流ia 、ib 、ic 非直接受控，亦即係控制中間電流ix ’ 、iy ’ 、iz ’ (示如圖2E)及/或電感器電流iLp 、iLn 及相選擇器11的操作。中間電流
Figure 02_image323
、
Figure 02_image325
、
Figure 02_image327
用之設定點係選擇器元件81基於測量相電壓自設定值ia * 、ib * 、ic * 衍生。
在圖14中顯示另一輸出級12，其中以第一並聯之上橋接腳718與第二並聯之下橋接腳719取代圖1的堆疊串連降壓橋接腳18、19，其中第一並聯之上橋接腳718與第二並聯之下橋接腳719串聯。第一並聯之上橋接腳718包括兩個第一半導體裝置、兩個第二半導體裝置及兩個第三半導體裝置。第二並聯之下橋接腳719包括兩個第四半導體裝置、兩個第五半導體裝置及兩個第六半導體裝置。第二與第五半導體裝置均係降壓開關(用於上降壓橋接腳718之
Figure 02_image349
與
Figure 02_image351
及用於下降壓橋接腳719之
Figure 02_image353
與
Figure 02_image355
)。第三與第六半導體裝置均係降壓二極體(用於上降壓橋接腳718之
Figure 02_image357
與
Figure 02_image359
及用於下降壓橋接腳719之
Figure 02_image361
與
Figure 02_image363
)。上降壓腳718的第二與第三半導體裝置及下降壓腳719的第五與第六半導體裝置以半橋接構造連接。上降壓橋接腳718之切換中間節點形成上切換節點端子p1、p2，其等經由各第一降壓電感器連接至輸出P，在此係上降壓電感器
Figure 02_image365
、
Figure 02_image367
，及下降壓橋接腳719之切換中間節點形成下切換節點端子n1、n2，其等經由各第二降壓電感器連接至輸出N，在此係下降壓電感器
Figure 02_image369
、
Figure 02_image371
。如圖1之實施例所示，堆疊降壓橋接腳718、719的共用節點m連接至輸出濾波器14中點，該輸出濾波器14包括兩個輸出濾波電容器
Figure 02_image307
、
Figure 02_image311
，其等串聯連接於上輸出端子P與下輸出端N之間。降壓橋接腳718、719的第一與第四半導體裝置均係具雙向電壓阻擋能力的互連開關
Figure 02_image375
、
Figure 02_image377
、
Figure 02_image379
與
Figure 02_image381
，允許連接各橋的切換中間節點，亦即上降壓橋接腳718之上切換節點端子p1、p2及下降壓橋接腳719之下切換節點端子n1、n2，與中中間電壓節點z。圖14圖解可藉由提供並聯之多個第一上降壓電路及並聯之多個第二下降壓電路縮放輸出級。此適用於例如需要更高功率時。當多個第一與第二降壓電路並聯如圖14時，可以交錯方式控制各第一與第二降壓電路。
標示為「控制器」的功能方塊的功能可利用專用硬體及可執行與適當軟體關聯之軟體之硬體提供。當以處理器提供時，功能可由單一專用處理器、單一共用處理器或部分可共用之複數個個別處理器提供。此外，明確採用術語「控制器」不應視為排除可執行軟體之硬體，且可隱含(無限制之意)數位信號處理器(DSP)硬體、網路處理器、應用特定積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)、儲存軟體用的唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)及非揮發性儲存器。其他硬體，不論習知及/或客製化，均可含括於內。
在此以下列編號條款描述本揭示之態樣。
1.一種用於在三相AC信號與DC信號間轉換之電轉換器(10)，其包括： 三個相端子(A、B、C)； 一第一DC端子(P)與一第二DC端子(N)； 一相選擇器(11)，用於連接該三個相端子至該電轉換器之一第一中間節點(x)、一第二中間節點(y)與一第三中間節點(z)； 一第一降壓電路，其包括可操作連接至該第一DC端子(P)之一第一切換節點端子(p)；及一第二降壓電路，其包括可操作連接至該第二DC端子(N)之一第二切換節點端子(n)，其中該第一與該第二降壓電路將在該第一中間節點(x)、該第二中間節點(y)與該第三中間節點(z)之電壓轉換為該第一與第二DC端子(P、N)間的電壓， 其中該第一與該第二降壓電路串聯連接於該第一中間節點(x)與該第二中間節點(y)間使得具有該第一與第二降壓電路之一共用節點(m)，其中該第一與該第二降壓電路包括至少一個可主動切換裝置，其連接於該共用節點該第三中間節點間。
2.如條款1之電轉換器，其中該第一降壓電路包括： 一第一裝置(1p)，連接用於中斷該第一切換節點端子(p)與該第三中間節點(z)間之電流流動； 一第二裝置(2p)，連接用於中斷該第一切換節點端子(p)與該第一中間節點(x)間之電流流動； 一第三裝置(3p)，連接用於中斷該第一切換節點端子(p)與該共用節點間之電流流動； 其中該第一降壓電路之該第一、第二與第三裝置之至少兩者係可主動切換的；及 其中該第二降壓電路包括： 一第四裝置(1n)，連接用於中斷該第二切換節點端子(n)與該第三中間節點(z)間之電流流動； 一第五裝置(2n)，連接用於中斷該第二切換節點端子(n)與該第二中間節點(y)間之電流流動；及 一第六裝置(3n)，連接用於中斷該第二切換節點端子(n)與該共用節點(m)間之電流流動；其中該第二降壓電路之該第四、第五與第六裝置之至少兩者係可主動切換的。
3.如條款2之電轉換器，其中該第一裝置與該第四裝置係可主動切換的，且該至少一個可主動切換裝置包括該第一裝置與該第四裝置。
4.如條款2或3之電轉換器，其中該第二裝置與該第三裝置之至少一者以及該第五裝置與該第六裝置之至少一者係可主動切換的。
5.如條款1至4中任一條款之電轉換器，其中該第一降壓電路構造成允許連接該第一切換節點端子(p)至該第一中間節點(x)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者，且其中該第二降壓電路構造成允許連接該第二切換節點端子(n)至該第二中間節點(y)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者。
6.如條款1至5中任一條款之電轉換器，其中該相選擇器包括裝置(
Figure 02_image019
、
Figure 02_image021
、
Figure 02_image025
)，其等可主動切換用於選擇性連接該第三中間節點至該三個相端子。
7.如條款1至6中任一條款之電轉換器，其進一步包括一控制器(40)，其構造成控制該相選擇器與該第一與第二降壓電路之至少一者。
8.如條款7之電轉換器，其中該相選擇器(11)與該控制器(40)構造使得依切換模式控制該相選擇器之該等裝置之切換，在該切換模式中： 具有最高電壓的該相端子係連接至該第一中間節點； 具有最低電壓的該相端子係連接至該第二中間節點；及 具有介於該最高電壓與該最低電壓間之中間電壓的該相端子係連接至該第三中間節點。
9.如條款7或8之電轉換器，其中該控制器構造成控制控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者，該控制信號係被使用於控制該第一降壓電路與該第二降壓電路。
10.如條款1至9中任一條款之電轉換器，其中該第一與第二降壓電路進一步分別包括一第一濾波電感器(Lp)及一第二濾波電感器(Ln)，該第一濾波電感器(Lp)連接於該第一切換節點端子(p)與該第一DC端子(P)之間，該第二濾波電感器(Ln)連接於該第二切換節點端子(n)與該第二DC端子(N)之間。
11.如條款1至10中任一條款之電轉換器，其進一步包括至少一個濾波電容器，較佳至少兩個濾波電容器(CPm、CmN)之串聯連接，連接於該第一與第二DC端子(P、N)間。
12.如條款1至11中任一項之電轉換器，其中該共用節點(m)連接至該至少兩個濾波電容器之該串聯連接之中點。
13.如條款1至12中任一項之電轉換器，其包括一濾波器(13)，其包括電容器(Cx、Cy、Cz；Cxy、Cxz、Czy)，其等互連該等中間節點(x、y、z)，較佳為星狀或三角形連接形式。
14.如條款13之電轉換器，其中該等電容器(Cx、Cy、Cz)以星狀連接互連，且其中該共用節點(m)連接至該星狀連接之一星點。
15.如條款7之電轉換器，其可選擇地與請求項1至13中任一項組合，包括測量手段(93、94、95、96、97)，其構造成用於測量該DC信號、影響該DC信號之一電信號、受該DC信號影響之一電信號之至少一者，且其中該控制器(40)包括一控制迴路(71-75)，其構造成調整控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者，以便基於該測量手段之測量控制該第一與該第二降壓電路之至少一者。
16.如條款15之電轉換器，其中該測量手段包括下列之至少一者：一電流測量手段(97)，用於測量該第一切換節點端子(p)與該第一DC端子(P)間之電流與該第二切換節點端子(n)與該第二DC端子(N)間之電流之至少一者；一電壓測量手段(93)，用於測量該三個相端子之電壓；一電壓測量手段(95)，用於測量該第二與第一DC端子間之電壓；一電流測量手段(94)，用於測量該相選擇器與該第一、該第三與該第二中間節點間之電流；一電壓測量手段(96)，用於測量該共用節點之電壓。
17.如條款1至16中任一條款之電轉換器，其中該相選擇器包括三個選擇器腳(16、17、18)，用於連接該三個相端子之一者至該第一中間節點(x)、該第二中間節點(y)與該第三中間節點(z)，其中該三個選擇器腳之每一者包括一個半橋，其包括開關(Dax 、 Dbx 、 Dcx 、 Dya 、 Dyb 、 Dyc 、 Sxa 、 Sxb 、 Sxc 、 Say 、 Sby 、 Scy )。
18.一種電池充電系統，尤其是用於對電動車之電池充電，包括一電源單元，該電源單元包括如條款1至17中任一條款之電轉換器。
19.一種電動馬達驅動系統，其包括一電源單元，該電源單元包括如條款1至17中任一條款之電轉換器。
20.一種梯度放大器，其包括如條款1至17中任一條款之電轉換器。
21.一種用於在三相AC信號與DC信號間轉換之方法，其包括： 在該三相AC信號與中間信號間轉換，其中在一第一中間節點(x)、一第二中間節點(y)與一第三中間節點(z)間施加該中間信號，其中選擇性施加該三相AC信號之電壓至該第一中間節點(x)、該第二中間節點(y)與該第三中間節點(z)； 利用一第一與一第二降壓電路在該等中間信號與該DC信號間轉換，其中該第一與該第二降壓電路串聯連接於該第一中間節點(x)與該第二中間節點(y)間使得具有該第一與第二降壓電路之一共用節點(m)，其中該轉換包括利用該共用節點與該第三中間節點間之至少一個可主動切換裝置在第一時段(T1)期間連接該第三中間節點(z)至該第一降壓電路之一第一切換節點端子(p)且在第二時段(T2)期間連接該第三中間節點(z)至該第二降壓電路之一第二切換節點端子(n)。
22.如條款21之方法，其中具有最高電壓的該三相AC信號之電壓係被施加至該第一中間節點(x)，具有最低電壓之該三相AC信號之電壓係被施加至該第二中間節點(y)，及具有介於該最高電壓與該最低電壓間之中間電壓之該三相AC信號之電壓係被施加至該第三中間節點(z)。
23.如條款22之方法，其中利用一第一與一第二降壓電路在該中間信號與該DC信號間之該轉換包括： 主動控制連接於該第三中間節點(z)與該第一切換節點端子(p)間之一第一可切換裝置(1p)，及該第三中間節點(z)與該第二切換節點端子(n)間之一第四可切換裝置(1n) ； 主動控制一第二可切換裝置(2p)及一第三可切換裝置(3p)之至少一者，該第二可切換裝置(2p)連接於該第一中間節點(x)與該第一切換節點端子(p)間，該第三可切換裝置(3p)連接於該共用節點(m)與該第一切換節點端子(p)間； 主動控制一第五可切換裝置(2n)與一第六可切換裝置(3n)之至少一者，該第五可切換裝置(2n)係介於該第二中間節點(y)與該第二切換節點端子(n)間，該第六可切換裝置(3n)係介於該共用節點(m)與該第二切換節點端子(n)間。
24.如條款21-23中任一條款之方法，其中利用一第一與一第二降壓電路在該中間信號與該DC信號間之該轉換包括控制控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者以控制該第一與第二降壓電路。
25.如條款21-24中任一條款之方法，其中利用一第一與一第二降壓電路在該等中間信號與該DC信號間之該轉換包括連接該第一切換節點端子(p)至該第一中間節點(x)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者，且連接該第二切換節點端子(n)至該第二中間節點(y)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者。
以上雖已連同特定實施例羅列本發明之原理，應知此僅係藉由範例進行描述，並未限制由隨附申請專利範圍決定之保護範疇。
10:電轉換器 11:相選擇器 12:輸出功率級 13:輸入濾波器 14:輸出濾波器 15:橋接腳 16:橋接腳 17:橋接腳 18:上降壓橋接腳 19:下降壓橋接腳 20:三相AC電網 21:負載 40:中央控制單元 41:輸入埠 42:測量輸入埠 43:測量輸入埠 44:測量輸入埠 45:測量輸入埠 46:測量輸入埠 50:通信介面 51:切換信號產生器 52:切換信號產生器 53:切換信號產生器 54:PWM產生元件 60:外電壓控制迴路 61:比較器 62:控制元件 63:乘法器 64:計算元件 65:比較器 66:控制元件 70:內電流控制迴路 71:電流控制器 72:電流控制器 73:電流控制器 74:電流控制器 75:電流控制器 76:比較器 77:控制元件 81:選擇器單元 93:測量手段 94:測量手段 95:測量手段 96:測量手段 97:測量手段 200:電轉換器 212:輸出功率級 300:電轉換器 311:相選擇器 312:輸出功率級 400:電轉換器 412:輸出功率級 500:電轉換器 514:主動輸出濾波器 718:上橋接腳 719:下橋接腳
隨附圖式用以示例本發明之裝置之較佳非限制性例示性實施例。併同隨附圖式閱讀下列實施方式將更彰明本發明之前述與其他特徵與目的的優點且將更瞭解本發明，其中： 圖1係電轉換器的例示性實施例的電路圖； 圖2A-2K圖解用於圖1的例示性實施例中的描繪各電壓、電流及控制信號對ωt(°)的函數的各圖形； 圖3圖解描繪當ωt=40°時之各電壓、電流及控制信號對時間(微秒)的函數的各圖形，參見圖2A-2K中的數值III； 圖4圖解描繪當ωt=60°時之各電壓、電流及控制信號對時間(微秒)的函數的各圖形，參見圖2A-2K中的數值IV； 圖5圖解描繪當ωt=80°時之各電壓、電流及控制信號對時間(微秒)的函數的各圖形，參見圖2A-2K中的數值V； 圖6A-E圖解用於圖1的例示性實施例中的描繪各電流對ωt(°)的函數的各圖形； 圖7係電轉換器的另一例示性實施例的電路圖； 圖8A-E圖解與圖6中相同電流對ωt(°)的函數但用於圖7之例示性實施例的各圖形； 圖9、10與11顯示電轉換器的進一步例示性實施例的電路圖； 圖12A與12B顯示圖1之相選擇器之變體的電路圖； 圖13概略圖解控制單元的例示性實施例； 圖14係電轉換器之輸出級之尚一例示性實施例之電路圖，該電轉換器具有兩個並聯的上降壓電路及兩個並聯的下降壓電路。
10:電轉換器
11:相選擇器
12:輸出功率級
13:輸入濾波器
14:輸出濾波器
15:橋接腳
16:橋接腳
17:橋接腳
18:上降壓橋接腳
19:下降壓橋接腳
20:三相AC電網
21:負載
40:中央控制單元
41:輸入埠
42:測量輸入埠
43:測量輸入埠
44:測量輸入埠
45:測量輸入埠
46:測量輸入埠
50:通信介面

Claims (23)

  1. 一種用於在三相AC信號與DC信號間轉換之電轉換器(10)，其包括： 三個相端子(A、B、C)； 一第一DC端子(P)與一第二DC端子(N)； 一相選擇器(11)，用於連接該三個相端子至該電轉換器之一第一中間節點(x)、一第二中間節點(y)與一第三中間節點(z)； 一第一降壓電路，其包括可操作連接至該第一DC端子(P)之一第一切換節點端子(p)；及一第二降壓電路，其包括可操作連接至該第二DC端子(N)之一第二切換節點端子(n)，其中該第一與該第二降壓電路將在該第一中間節點(x)、該第二中間節點(y)與該第三中間節點(z)之電壓轉換為該第一與第二DC端子(P、N)間的電壓， 其中該第一與該第二降壓電路串聯連接於該第一中間節點(x)與該第二中間節點(y)間使得具有該第一與第二降壓電路之一共用節點(m)，其中該第一與該第二降壓電路包括至少一個可主動切換裝置，其連接於該共用節點(m)該第三中間節點間， 其中該第一降壓電路構造成允許連接該第一切換節點端子(p)至該第一中間節點(x)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者，且其中該第二降壓電路構造成允許連接該第二切換節點端子(n)至該第二中間節點(y)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者。
  2. 如請求項1之電轉換器，其中該第一降壓電路包括： 一第一裝置(1p)，連接用於中斷該第一切換節點端子(p)與該第三中間節點(z)間之電流流動； 一第二裝置(2p)，連接用於中斷該第一切換節點端子(p)與該第一中間節點(x)間之電流流動； 一第三裝置(3p)，連接用於中斷該第一切換節點端子(p)與該共用節點間之電流流動； 其中該第一降壓電路之該第一、第二與第三裝置之至少兩者係可主動切換的；及 其中該第二降壓電路包括： 一第四裝置(1n)，連接用於中斷該第二切換節點端子(n)與該第三中間節點(z)間之電流流動； 一第五裝置(2n)，連接用於中斷該第二切換節點端子(n)與該第二中間節點(y)間之電流流動；及 一第六裝置(3n)，連接用於中斷該第二切換節點端子(n)與該共用節點(m)間之電流流動；其中該第二降壓電路之該第四、第五與第六裝置之至少兩者係可主動切換的。
  3. 如請求項2之電轉換器，其中該第一裝置與該第四裝置係可主動切換的，且該至少一個可主動切換裝置包括該第一裝置與該第四裝置。
  4. 如請求項2或3之電轉換器，其中該第二裝置與該第三裝置之至少一者以及該第五裝置與該第六裝置之至少一者係可主動切換的。
  5. 如請求項1至4中任一項之電轉換器，其中該相選擇器包括裝置(
    Figure 03_image019
    、
    Figure 03_image021
    、
    Figure 03_image025
    )，其等可主動切換用於選擇性連接該第三中間節點至該三個相端子。
  6. 如請求項1至5中任一項之電轉換器，其進一步包括一控制器(40)，其構造成控制該相選擇器與該第一與第二降壓電路之至少一者。
  7. 如請求項6之電轉換器，其中該相選擇器(11)與該控制器(40)構造使得依切換模式控制該相選擇器之該等裝置之切換，在該切換模式中： 具有最高電壓的該相端子係連接至該第一中間節點； 具有最低電壓的該相端子係連接至該第二中間節點；及 具有介於該最高電壓與該最低電壓間之中間電壓的該相端子係連接至該第三中間節點。
  8. 如請求項6或7之電轉換器，其中該控制器構造成控制控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者，該控制信號係被使用於控制該第一降壓電路與該第二降壓電路。
  9. 如請求項1至8中任一項之電轉換器，其中該第一與第二降壓電路進一步分別包括一第一濾波電感器(Lp)及一第二濾波電感器(Ln)，該第一濾波電感器(Lp)連接於該第一切換節點端子(p)與該第一DC端子(P)之間，該第二濾波電感器(Ln)連接於該第二切換節點端子(n)與該第二DC端子(N)之間。
  10. 如請求項1至9中任一項之電轉換器，其進一步包括至少一個濾波電容器，較佳至少兩個濾波電容器(CPm、CmN)之串聯連接，連接於該第一與第二DC端子(P、N)間。
  11. 如請求項10之電轉換器，其中該共用節點(m)連接至該至少兩個濾波電容器之該串聯連接之中點。
  12. 如請求項1至11中任一項之電轉換器，其包括一濾波器(13)，其包括電容器(Cx、Cy、Cz；Cxy、Cxz、Czy)，其等互連該等中間節點(x、y、z)，較佳為星狀或三角形連接形式。
  13. 如請求項12之電轉換器，其中該等電容器(Cx、Cy、Cz)以星狀連接互連，且其中該共用節點(m)連接至該星狀連接之一星點。
  14. 如請求項6之電轉換器，其可選擇地與請求項1至13中任一項組合，包括測量手段(93、94、95、96、97)，其構造成用於測量該DC信號、影響該DC信號之一電信號、受該DC信號影響之一電信號之至少一者，且其中該控制器(40)包括一控制迴路(71-75)，其構造成調整控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者，以便基於該測量手段之測量控制該第一與該第二降壓電路之至少一者。
  15. 如請求項14之電轉換器，其中該測量手段包括下列之至少一者：一電流測量手段(97)，用於測量該第一切換節點端子(p)與該第一DC端子(P)間之電流與該第二切換節點端子(n)與該第二DC端子(N)間之電流之至少一者；一電壓測量手段(93)，用於測量該三個相端子之電壓；一電壓測量手段(95)，用於測量該第二與第一DC端子間之電壓；一電流測量手段(94)，用於測量該相選擇器與該第一、該第三與該第二中間節點間之電流；一電壓測量手段(96)，用於測量該共用節點之電壓。
  16. 如請求項1至15中任一項之電轉換器，其中該相選擇器包括三個選擇器腳(16、17、18)，用於連接該三個相端子之一者至該第一中間節點(x)、該第二中間節點(y)與該第三中間節點(z)，其中該三個選擇器腳之每一者包括一個半橋，其包括開關(Dax 、 Dbx 、 Dcx 、 Dya 、 Dyb 、 Dyc 、 Sxa 、 Sxb 、 Sxc 、 Say 、 Sby 、 Scy )。
  17. 一種電池充電系統，尤其是用於對電動車之電池充電，包括一電源單元，該電源單元包括如請求項1至16中任一項之電轉換器。
  18. 一種電動馬達驅動系統，其包括一電源單元，該電源單元包括如請求項1至16中任一項之電轉換器。
  19. 一種梯度放大器，其包括如請求項1至16中任一項之電轉換器。
  20. 一種用於在三相AC信號與DC信號間轉換之方法，其包括： 在該三相AC信號與中間信號間轉換，其中在一第一中間節點(x)、一第二中間節點(y)與一第三中間節點(z)間施加該中間信號，其中選擇性施加該三相AC信號之電壓至該第一中間節點(x)、該第二中間節點(y)與該第三中間節點(z)； 利用一第一與一第二降壓電路在該等中間信號與該DC信號間轉換，其中該第一與該第二降壓電路串聯連接於該第一中間節點(x)與該第二中間節點(y)間使得具有該第一與第二降壓電路之一共用節點(m) ，其中該轉換包括利用該共用節點與該第三中間節點間之至少一個可主動切換裝置在第一時段(T1)期間連接該第三中間節點(z)至該第一降壓電路之一第一切換節點端子(p)且在第二時段(T2)期間連接該第三中間節點(z)至該第二降壓電路之一第二切換節點端子(n)； 其中利用一第一與一第二降壓電路在該等中間信號與該DC信號間之該轉換包括連接該第一切換節點端子(p)至該第一中間節點(x)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者，且連接該第二切換節點端子(n)至該第二中間節點(y)、該第三中間節點(z)與該共用節點(m)之任一者。
  21. 如請求項20之方法，其中具有最高電壓的該三相AC信號之電壓係被施加至該第一中間節點(x)，具有最低電壓之該三相AC信號之電壓係被施加至該第二中間節點(y)，及具有介於該最高電壓與該最低電壓間之中間電壓之該三相AC信號之電壓係被施加至該第三中間節點(z)。
  22. 如請求項21之方法，其中利用一第一與一第二降壓電路在該中間信號與該DC信號間之該轉換包括： 主動控制連接於該第三中間節點(z)與該第一切換節點端子(p)間之一第一可切換裝置(1p)，及該第三中間節點(z)與該第二切換節點端子(n)間之一第四可切換裝置(1n)； 主動控制一第二可切換裝置(2p)及一第三可切換裝置(3p)之至少一者，該第二可切換裝置(2p)連接於該第一中間節點(x)與該第一切換節點端子(p)間，該第三可切換裝置(3p)連接於該共用節點(m)與該第一切換節點端子(p)間； 主動控制一第五可切換裝置(2n)與一第六可切換裝置(3n)之至少一者，該第五可切換裝置(2n)係介於該第二中間節點(y)與該第二切換節點端子(n)間，該第六可切換裝置(3n)係介於該共用節點(m)與該第二切換節點端子(n)間。
  23. 如請求項20至22中任一項之方法，其中利用一第一與一第二降壓電路在該中間信號與該DC信號間之該轉換包括控制控制信號之工作週期、切換頻率、傳導序列之至少一者以控制該第一與第二降壓電路。
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