TW202141912A

TW202141912A - 交流電源供應系統

Info

Publication number: TW202141912A
Application number: TW109112643A
Authority: TW
Inventors: 賴慶明; 林原郅
Original assignee: 國立中興大學
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-11-01
Also published as: TWI741560B

Abstract

一種交流電源供應系統，包含一升壓轉換模組、一逆變模組與一控制裝置，升壓轉換模組連接一直流電且包括一變壓器、一第一電晶體、一第二電晶體、一諧振電路、一整流電路；第一、第二電晶體連接變壓器之一次側的兩個繞組；諧振電路連接變壓器之二次側的繞組，且用以將二次側的電力轉換為交流電輸出；整流電路將諧振電路輸出的交流電轉換為直流電；逆變模組將整流電路輸出的直流電轉換為交流電後輸出至一負載；控制裝置交替地控制第一、第二電晶體其中一者導通，另一者截止，使一次側的電力傳遞至二次側輸出。藉此，有效簡化電路並降低成本。

Description

交流電源供應系統

本發明係與交流電的供電系統有關；特別是指一種將直流電轉換為交流電的交流電源供應系統。

近年來，直流/交流轉換系統（逆變器系統）技術之應用包括不斷電系統（UPS）和再生能源發電系統發展迅速。當逆變器系統輸入是連接低壓蓄電池供電時，系統內部線路必須要求具有特殊的升壓功能，也就是必須採用高電壓增益轉換器拓樸，同時也希望達到高效率電能轉換之目的。此外，為了兼顧成本、安全性與使用可靠度考量，逆變器系統所使用的電池數量應該盡量地減少，以避免多顆電池高壓串聯時所造成之短路危險情況。一般而言，高電壓增益是很難在傳統非隔離的轉換器結構中實現，例如降壓、升壓、升降壓轉換器等，因為它們必須以極高的工作週期比運作；又或者以串接多級轉換器方能提高電壓增益，其缺點是增加成本和低轉換效率。

而另一種提高輸出電壓的方法則是轉換器使用具有較高匝數比的變壓器，例如傳統推挽式升壓轉換器仍在低、中功率的UPS系統中占有一席之地，但其缺點則是變壓器高匝數比繞製，導致了一次側電流大幅上升並影響效率。

有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種交流電源供應系統，可有效簡化電路並降低成本。

本發明之另一目的在於提供一種交流電源供應系統，在直流電源之電壓較低的情況下，亦可達到高轉換效率。

本發明之又一目的在於提供一種交流電源供應系統，可採用一相對匝數比較低的變壓器。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種交流電源供應系統，具有一直流輸入埠與一交流輸出埠，該直流輸入埠供連接一直流電源，該交流輸出埠供連接一負載，該交流電源供應系統用以將該直流電源的電力轉換為交流電輸出予該負載；該交流電源供應系統包含一升壓轉換模組、一逆變模組與一控制裝置，其中，該升壓轉換模組包括一變壓器、一第一電晶體、一第二電晶體、一諧振電路、一整流電路；其中，該變壓器包括一一次側與一二次側，該一次側具有一第一繞組與一第二繞組，該第一繞組的一正端及該第二繞組的一負端電性連接該直流輸入埠的一正端；該二次側具有一繞組；該第一電晶體與該第二電晶體各別具有一第一端與一第二端，且該第一電晶體與該第二電晶體各別受控制而使各自的第一端與第二端之間導通或截止，該第一電晶體的第一端電性連接該第一繞組的一負端，該第二電晶體的第一端電性連接該第二繞組的一正端，該第一電晶體的第二端及該第二電晶體的第二端電性連接該直流輸入埠的一負端；該諧振電路電性連接該變壓器的二次側的繞組，且用以將該二次側輸出的電力轉換為交流電輸出；該整流電路電性連接該諧振電路，且將該諧振電路輸出的交流電轉換為直流電輸出；

該逆變模組電性連接該整流電路及該交流輸出埠，該逆變模組將該整流電路輸出的直流電轉換為交流電後輸出至該交流輸出埠；以及

該控制裝置電性連接該第一電晶體與該第二電晶體，該控制裝置交替地控制該第一電晶體與該第二電晶體其中一者導通，另一者截止，使該一次側的電力傳遞至該二次側輸出。

其中，該諧振電路包括一第一諧振電感、一第二諧振電感與一諧振電容，其中該第一諧振電感的一端電性連接該二次側之繞組的一正端，該第二諧振電感的一端電性連接該第一諧振電感的另一端，該諧振電容的一端電性連接該二次側之繞組的一負端，該諧振電容的另一端電性連接該第二諧振電感的另一端；該整流電路電性連接該第二諧振電感的兩端。

本發明之效果在於升壓轉換模組的第一電晶體、第一電晶體連接在變壓器的一次側的兩個繞組，且形成共地驅動，無需額外使用靴帶式電路（bootstrap circuit），可有效簡化電路並降低成本。

此外，諧振電路連接在變壓器的二次側，即使在電池電壓較低的情況下，亦可達到高轉換效率。可避免多個電池串聯成高壓所產生的危險。位在二次側之諧振電路採用LLC組態，相同功率輸出下諧振電流較小，故線路傳導損耗較小、可提升轉換效率。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖１至圖３所示，為本發明第一較佳實施例之交流電源供應系統100，其具有一直流輸入埠102與一交流輸出埠104，該直流輸入埠102連接一以電池B為例的直流電源，該交流輸出埠104供連接一負載L。該交流電源供應系統100用以將該電池B的直流電之電力轉換為交流電輸出予該負載L。該交流電源供應系統100包含一升壓轉換模組10、一逆變模組20與一控制裝置30，其中，該升壓轉換模組10電性連接該直流輸入埠102的一正端102a與一負端102b，該逆變模組20電性連接該直流輸入埠102且電性連接該交流輸出埠104的一第一端104a與一第二端104b。該控制裝置30電性連接該升壓轉換模組10及該逆變模組20，以輸出對應的控制訊號至該升壓轉換模組10及該逆變模組20。

更詳而言，請配合圖２，該升壓轉換模組10包括一變壓器12、一第一電晶體S1、一第二電晶體S2、一諧振電路14、一整流電路16，其中：

該變壓器12包括一一次側122與一二次側124，該一次側122具有一第一繞組Np1與一第二繞組Np2，該第一繞組Np1的一正端及該第二繞組Np2的一負端電性連接該直流輸入埠102的正端102a。該二次側124具有一繞組Ns。本實施例中，該一次側122的第一繞組Np1與第二繞組Np2之匝數皆為一第一匝數（例如4匝），該二次側124的繞組Ns之匝數為一第二匝數（例如32匝），該第一匝數與該第二匝數的比為1比8。

該第一電晶體S1與該第二電晶體S2各別具有一第一端與一第二端，且該第一電晶體S1與該第二電晶體S2的閘極分別電性連接該控制裝置30，且各別受該控制裝置30的控制而使各自的第一端與第二端之間導通或截止。該第一電晶體S1的第一端電性連接該第一繞組Np1的一負端，該第二電晶體S2的第一端電性連接該第二繞組Np2的一正端，該第一電晶體S1的第二端及該第二電晶體S2的第二端電性連接該直流輸入埠102的負端102b。

該諧振電路14電性連接該變壓器12的二次側124，且用以將該二次側124輸出的電力轉換為交流電輸出。本實施例中，該諧振電路14是採用LLC諧振電路，包括該諧振電路14包括一第一諧振電感Lr、一第二諧振電感Lm與一諧振電容Cr，其中該第一諧振電感Lr的一端電性連接該二次側124之繞組Ns的一正端，該第二諧振電感Lm的一端電性連接該第一諧振電感Lr的另一端，該諧振電容Cr的一端電性連接該二次側124之繞組Ns的一負端，該諧振電容Cr的另一端電性連接該第二諧振電感Lm的另一端。

該整流電路16電性連接該諧振電路14的第二諧振電感Lm的兩端，且將該諧振電路14輸出的交流電轉換為直流電輸出。本實施例中，該整流電路16包括四個二極體D1~D4，且該四二極體D1~D4連接成一全橋式整流電路，其中，該整流電路16的二極體D1的陽極電性連接至第一諧振電感Lr與第二諧振電感Lm的連接處，二極體D4的陽極電性連接至第二諧振電感Lm與諧振電容Cr的連接處。

本實施例中升壓轉換模組10包括更包括一輸入電容Cin以及一輸出電容Cd，輸入電容Cin的兩端分別電性連接該直流輸入埠102的正端102a與負端102b，輸出電容Cd的兩端分別電性連接二極體D4的陰極與二極體D3的陽極。

該逆變模組20電性連接該整流電路16及該交流輸出埠104，該逆變模組20將該整流電路16輸出的直流電轉換為交流電後輸出至該交流輸出埠104。

該控制裝置30輸出控制訊號至該第一電晶體S1與該第二電晶體S2的閘極以交替地控制該第一電晶體S1與該第二電晶體S2其中一者導通，另一者截止，使該一次側122的電力傳遞至該二次側124輸出。經由該變壓器12的升壓，二次側124即會由繞組Ns正端、及負端交替輸出電力，二次側124的電力經諧振電路14轉換成具有一特定頻率的交流電輸出，且藉由該諧振電路14可提升功率。整流電路16將具有該特定頻率的交流電轉成直流電，經該輸出電容Cd穩壓輸出至該逆變模組20。

請配合圖３，本實施例中，該逆變模組20包括一開關電路22與二輸出電感（第一輸出電感Lf1、第二輸出電感Lf2），該開關電路22電性連接該整流電路16，該二輸出電感電性連接該交流輸出埠104。更詳而言，該開關電路22包括複數個電晶體，於本實施例中為四個電晶體，分別為第三電晶體S3、第四電晶體S4、第五電晶體S5、第六電晶體S6，且連接為全橋式組態，該第三電晶體S3的第一端與該第六電晶體S6的第一端電性連接至該整流電路16之二極體D4的陰極，該第四電晶體S4的第一端電性連接該第三電晶體S3的第二端及該第一輸出電感Lf1的一端，該第六電晶體S6的第二端電性連接該第五電晶體S5的第一端及該第二輸出電感Lf2的一端，該第四電晶體S4的第二端及該第五電晶體S5的第二端電性連接至該二極體D3的陽極。

第三電晶體S3、第四電晶體S4、第五電晶體S5、第六電晶體S6的閘極分別電性連接該控制裝置30，且受控制裝置30的控制訊號控制而交替切換以將該整流電路16輸出的直流電轉換為交流電經由第一輸出電感Lf1、第二輸出電感Lf2輸出至該交流輸出埠104。例如，開關電路22在二種組態交替切換，第一種組態為該第三電晶體S3與該第五電晶體S5導通，該第四電晶體S4與該第六電晶體S6截止；第二種組態該第四電晶體S4與該第六電晶體S6導通，該第三電晶體S3與該第五電晶體S5截止。本實施例中，該控制裝置輸出至第三電晶體S3、第四電晶體S4、第五電晶體S5、第六電晶體S6的控制訊號為SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈衝寬度調變）訊號。

來自整流電路16的直流電經由第三電晶體S3、第四電晶體S4、第五電晶體S5、第六電晶體S6的調變輸出給第一輸出電感Lf1及第二輸出電感Lf2後，即可由第一輸出電感Lf1的另一端及第二輸出電感Lf2的另一端輸出正弦波的交流電至該交流輸出埠104的第一端104a及第二端104b。

本實施例中，該逆變模組20更包括一輸入電容Ci與一輸出電容Cf，輸入電容Ci的兩端分別電性連接第三電晶體S3的第一端與第四電晶體S4的第二端；輸出電容Cf的兩端分別電性連接第一輸出電感Lf1及第二輸出電感Lf2的另一端，且透過一電磁干擾濾波器24電性連接至該交流輸出埠104。

下表一、表二為本實施例的元件參數

表一升壓轉換模組的元件參數

電池B之電壓	18-36V
整流電路16之輸出電壓	200V
第一諧振電感Lr	130μH
第二諧振電感Lm	750μH
諧振電容Cr	0.1μF
輸出電容Cd	1120μF
第一電晶體S1、第二電晶體S2各別的切換頻率	30-65kHz

表二逆變模組的元件參數

輸入逆變模組20之電壓	200V
交流輸出埠104之輸出電壓	100Vrms 60Hz
交流輸出埠104之輸出功率	500W
第一輸出電感Lf1、第二輸出電感Lf2	260μH
輸出電容Cf	5μH
輸入電容Ci	1120μF
第三電晶體S3~第六電晶體S6各別的切換頻率	17kHz

藉由上述元件參數，以示波器測量可得到如圖４所示之波形，其中通道1為電池B之電壓波形，通道2為交流輸出埠104之輸出電壓波形，通道3為交流輸出埠104之輸出電流波形，其中，電池B之電壓為25V，交流輸出埠104之輸出電壓為100Vrms，交流輸出埠104之輸出電流為5Arms，輸出電壓總諧波失真因數（THD）為3.5%。

上述之交流電源供應系統100，可具有下列優點：

1. 升壓轉換模組10的第一電晶體S1、第二電晶體S2連接在變壓器12的一次側，且形成共地驅動，可有效簡化電路並降低成本，無需額外使用靴帶式電路（bootstrap circuit）。

2. 諧振電路14連接在變壓器12的二次側124，即使在電池B電壓較低的情況下，也能進行諧振、電路可維持工作，因而避免多個電池串聯成高壓所產生的危險。

3. LLC組態之諧振電路14位於二次側124，如此可採用低匝數比的變壓器12，降低一次側122的電流及變壓器12傳導損耗，提升轉換效率。

4. 以該升壓轉換模組10作為該逆變模組20的輸入升壓級，可達到高效率的電力轉換。

5. 交流電源供應系統100亦具有零電壓開關（Zero Voltage Switch，ZVS）、零電流開關（Zero Current Switch，ZCS）及寬輸入電壓範圍之特點。

藉此，交流電源供應系統100配合電池B即可作為不斷電系統之用。前述中，該直流電源是以電池B為例，實務上，該直流電源亦可是再生能源發電系統，例如太陽能發電模組、燃料電池等。

圖５所示為本發明第二較佳實施例之交流電源供應系統200，其係以第一實施例為基礎，更包含一冷卻風扇40，該冷卻風扇40電性連接該控制裝置30，且該控制裝置30電性連接該直流輸入埠102及該交流輸出埠104。該控制裝置30偵測該直流輸入埠102的電力及該交流輸出埠104的電力，並執行電池B過電壓/低電壓保護（OVP/UVP）之機制，執行負載L過載/過電流保護（OLP/OCP），以及依系統節能之目的控制冷卻風扇40的運轉。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

［本發明］ 100:交流電源供應系統 102:直流輸入埠 102a:正端 102b:負端 104:交流輸出埠 104a:第一端 104b:第二端 10:升壓轉換模組 12:變壓器 122:一次側 Np1:第一繞組 Np2:第二繞組 124:二次側 Ns:繞組 S1:第一電晶體 S2:第二電晶體 14:諧振電路 Lr:第一諧振電感 Lm:第二諧振電感 Cr:諧振電容 16:整流電路 D1~D4:二極體 Cin:輸入電容 Cd:輸出電容 20:逆變模組 22:開關電路 S3:第三電晶體 S4:第四電晶體 S5:第五電晶體 S6:第六電晶體 Lf1:第一輸出電感 Lf2:第二輸出電感 Ci:輸入電容 Cf:輸出電容 24:電磁干擾濾波器 30控制裝置 200:交流電源供應系統 40:冷卻風扇 B:電池 L:負載

圖１為本發明第一較佳實施例之交流電源供應系統的方塊圖。圖２為本發明上述較佳實施例之升壓轉換模組的電路圖。圖３為本發明上述較佳實施例之逆變模組的電路圖。圖４為示波器所量測之波形。圖５為本發明第二較佳實施例之交流電源供應系統的方塊圖。

100:交流電源供應系統

102:直流輸入埠

102a:正端

102b:負端

104:交流輸出埠

104a:第一端

104b:第二端

10:升壓轉換模組

20:逆變模組

30:控制裝置

B:電池

L:負載

Claims

一種交流電源供應系統，具有一直流輸入埠與一交流輸出埠，該直流輸入埠供連接一直流電源，該交流輸出埠供連接一負載，該交流電源供應系統用以將該直流電源的電力轉換為交流電輸出予該負載；該交流電源供應系統包含：一升壓轉換模組，包括一變壓器、一第一電晶體、一第二電晶體、一諧振電路、一整流電路；其中：該變壓器包括一一次側與一二次側，該一次側具有一第一繞組與一第二繞組，該第一繞組的一正端及該第二繞組的一負端電性連接該直流輸入埠的一正端；該二次側具有一繞組；該第一電晶體與該第二電晶體各別具有一第一端與一第二端，且該第一電晶體與該第二電晶體各別受控制而使各自的第一端與第二端之間導通或截止，該第一電晶體的第一端電性連接該第一繞組的一負端，該第二電晶體的第一端電性連接該第二繞組的一正端，該第一電晶體的第二端及該第二電晶體的第二端電性連接該直流輸入埠的一負端；該諧振電路電性連接該變壓器的二次側的繞組，且用以將該二次側輸出的電力轉換為交流電輸出；該整流電路電性連接該諧振電路，且將該諧振電路輸出的交流電轉換為直流電輸出；一逆變模組，電性連接該整流電路及該交流輸出埠，該逆變模組將該整流電路輸出的直流電轉換為交流電後輸出至該交流輸出埠；以及一控制裝置，電性連接該第一電晶體與該第二電晶體，該控制裝置交替地控制該第一電晶體與該第二電晶體其中一者導通，另一者截止，使該一次側的電力傳遞至該二次側輸出。
如請求項1所述之交流電源供應系統，其中該諧振電路包括一第一諧振電感、一第二諧振電感與一諧振電容，其中該第一諧振電感的一端電性連接該二次側之繞組的一正端，該第二諧振電感的一端電性連接該第一諧振電感的另一端，該諧振電容的一端電性連接該二次側之繞組的一負端，該諧振電容的另一端電性連接該第二諧振電感的另一端；該整流電路電性連接該第二諧振電感的兩端。
如請求項2所述之交流電源供應系統，其中該第一諧振電感的電感值為130μH，該第二諧振電感的電感值為750μH，該諧振電容的電容值為0.1μF。
如請求項3所述之交流電源供應系統，其中該第一電晶體與該第二電晶體各別的切換頻率為30-65kHz。
如請求項2所述之交流電源供應系統，其中該整流電路為一全橋式整流電路。
如請求項1所述之交流電源供應系統，其中該逆變模組包括一開關電路與二輸出電感，該開關電路電性連接該整流電路，該二輸出電感電性連接該交流輸出埠；該開關電路包括複數個電晶體；該控制裝置電性連接該開關電路的該些電晶體，使該些電晶體交替切換以將該整流電路輸出的直流電轉換為交流電經由該二輸出電感輸出至該交流輸出埠。
如請求項6所述之交流電源供應系統，其中該開關電路的該些電晶體的數量為四個且連接為全橋式組態。
如請求項7所述之交流電源供應系統，其中該些電晶體各別的切換頻率為17kHz。
如請求項1所述之交流電源供應系統，其中該變壓器的該一次側的該第一繞組與該第二繞組之匝數皆為一第一匝數，該二次側的繞組之匝數為一第二匝數，該第一匝數與該第二匝數的比為1比8。