TW305082B - - Google Patents

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305082 A7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 B7五、發明説明（1 ) 本發明關於法國專利案FR 2 679 7 1 5 A1所述型態 之轉換電能的電子電路和利用它的電源裝置。 藉由實施例，該專利案所述的轉換器顯示於圖1。主 要包括：在電壓源SE及電流源C之間的一連串可控開關 單元 CL1、CL2、...、CLn，各有二個開關 Tl、T’l ; T2、 Τ’2;...; Τη 、Τ’η，二個開關中之每一個開關的一·極形 成一對上游極的部份，每一開關的另一極形成一對下游極 的部份，上游單元的該對下游極接至下游單元的該對上游 極，第一單元CL1的該對上游極接至電流源C，而最後單 元CLn的該對下游極接至電壓源SE ，除了最後單元的電 容器於電壓源SE適於扮演相同角色時而省略之外，轉換 器也包括每一單元的各個電容器0：1、〇2、...、（：11，每一 電容器接於構成其單元之該對下游極的二極之間，轉換器 另有控制裝置（未顯示）以主控轉換器的標稱操作並作用於 連績單元的開關，使得任一單元的兩個開關一直處於各個 相反導通狀態（以諸如lcl之控制鏈表示），回應於控制裝 置所傅送的單元控制訊號，在給定單元的二個開關之一於 週期性重覆轉換器週中依序處於第一導通狀態，然後處於 第二導通狀態，回應於單元控制訊號（除了時間上偏移了 轉換器週期的分數之外均相同），連績單元的開關以相同 但在時間上偏移了週期分數的方式分別作用。 最好週期分數等於單元數目η的倒數，亦即2α/η， 對於產生於輸出的諧波爲最佳，使在轉換器之電容器上充 電的«壓自然平衡。但一些其它偏移是可以想到的。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 經濟部中央棣隼局貝X消费合作杜印製 A7 __B7_____五、發明説明（2 ) 此轉換器中，連績電容器Cl、C2、.·.、Cn具有各個 增加平均電荷電壓，配合每—單元的平均電荷電壓等於電 壓源SE所傳送之電壓VE乘以轉換器之單元數目之倒數再 乘以單元排名的乘積，當η = 3時’亦即當轉換器只有三 個單元時，分別爲VE/3、2VE/3 、VE° 、多位準轉換器# 一詞以下用來代表滿足上述的轉換 器。 本發明的目標是對每一電容器的電荷提供此多位準轉 換器，不管與標稱操作條件之無可避免的偏離。 爲更輕易檢視電荷應如何於多位準轉換器的一電容器 上變化如上述，參照顯示任一開關單元CLk及其開關Tk和 T’k 、配合單元的電容器Ck、及後縯單元CLk+Ι和其開關 Tk+Ι 和 T’k+Ι的圖 2。 指定在每一單元內之切換開關（Tk和T’k或Tk+Ι和 Τ’K+1 )之間的耦合，則圈2的二個相鄰單元CLk和 CLk+Ι有四個狀態： a) Tk和Tk + 1不導通的第一狀態，所以Ck上的電 荷不變； b) Tk和Tk + 1均導通的第二狀態，由於在此情形 下T1和T’k + Ι不導通，故Ck上的電荷也不改變； c) Tk導通而Tk + Ι不導通的第三狀態，在此情形 ，當流經Τ’k的電流I’k爲零時，電流源C强制等於ί 的電流Ik流經Tk 。當電流丨，k+1等於I以致於流經電容 器Ck的電流I’Ck等於I時，Tk+Ι之狀態强制電流ik + Ι等 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） c (請先閲讀背面之注意ί項再填寫本頁) 裝. 訂 305082 經濟部中央揉準局負工消费合作社印裝 A7 B7_五、發明説明（3 ) 於零； d) Tk不導通而Tk+1導通的第四狀態，所以當流 經Tk的電流Ik爲零時，電流源c强制等於I的電流 I，k +1流經T’k，。當電流I’k+1等於零以致於流經電容 器Ck的電流ICk等於I時，Tk+Ι之狀態强制電流Ik+1 等於I 。 電流I’ck = I，k + 1及Ick = Ik + Ι在上述第三及第四 狀態相反符號的額外電荷送到電容器Ck;第一情形爲負， 第二情形爲正。對應於此二狀態的電流由電流源驅策。若 電流源驅策非常準確的DC，且其餘事項保持不變，則在 狀態c )及d)由電流源所驅策的電流在整個Tk及Tk+Ι導 通期間相同但反向（如上所述’通常相等但在時間上有偏 移）。這意指Ck上的電荷正向改變，再負向等置改變， 所以不會在轉換器的一週期中變化。 電流Ick及I’ck由電壓源的電壓、流經電流源的電 流、電容器Ck上的電荷電壓Vck決定。一般而言，當電流 源阻抗非無窮大時，流經電流源的電流取決於橫跨其端子 的電壓，因此取決於電容器上的電壓Vck 。舉例而言，若 不論因何理由而發生電荷電壓Vek髙於其標稱値VExk/n， 則導致放電電流I*ck大於正常値，充電電流Ick小於正常 値，藉以使電容器Ck上的電荷回復至應有的値。這說明 了多位準轉換器的操作穩定，可接受電壓源及電流源任一 方向的振幅變化。雖然如此，就動態而言，這會產生問題 ，將於下解釋之。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ·裝. 訂 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（2丨0><297公釐） 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印製 A7 ___B7_ 五、發明説明（4 ) 圚3是當η = 3時之圓1及2的多位準轉換器操 作的例子：應用脈宽調變（PWM)型控,制以將正弦調 變交流電壓送到電流源C，亦即，在轉換器（線t)操作中 之連績週期？1、卩2、卩3...，開關：[1、了2、13在隨 調變输出電壓的波（此後稱爲調變波）而改變的時間 間隔中連績導通。在每一刻，對應的開關Τ’1、 Τ’2 、Τ’3在相反位置。 自然地，其它調變開關操作的模式可獲得相同結果。 很明顯地，轉換器能可以任何其它波形或調節的直流電應 來傳送電流源C 。 首先考慮轉換器操作中的週期pi。在此週期，當開關 T1、T2 、Τ3的任一個導通時，其它二個不導通。對於每 —組兩個單元及其間的電容器，這對應於上述狀態c)及 d)，其中電容器收到連績的額外負及正電荷，而其總値爲 零。也應注意到當相鄰單元CL1及CL2在狀態d)時，相鄰 單元CL2及CL3在狀態C)，以致於電容器C1從提供額外 負電荷給電容器C2的相同電流收到額外正電荷。 圖3也藉由實例顯示在週期P2、p3等等（在其內開 關ΤΙ、T2、T3的導通週期變短然後直至超過三分之一週 期才變長）多位準轉換器如何操作。若電容器的電容使得 討論中的額外電荷無法明顯改變横跨其端子的電壓，則線 VI顯示理想地傅至電流源之電壓。電壓VI以電壓源SE 的負極作爲電壓基準，表示成電壓源SE之電壓VE的分數 。此電壓VI含有在截波頻率Fd (是轉換器之該頻率）的 本紙張尺度逋用中國國家檩準（CNS ) A4规格（210X297公釐） n (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. -訂 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印装 A7 B7___ 五、發明説明（5 ) 大基波和在高於截波頻率之頻率（容易被低通濾波器消 除）的較低振幅諧波。 由於電流可變化，所以上述狀態c)及d)無法將相等 額外數置的電荷送到轉換器的電容器。只有在開關的操作 週期明顯地大於調變波頻率時，此變化才可忽略。 可預期供應至電流源的AC不會是眞正的正弦，而是 以不對稱方式失眞。相同地，控制信號的位準誤差或產生 的信號誤差、或是有關的各種開關之切換時間的眞正差異 ，不可避免地使開關導通期間在轉換器操作週期內不相等 ，或使開關導通級產生時間偏移，否則使霉容器的充電及 放電電流失衡。結果，一般而言，實際上無法以所述型態 的多位準轉換器保證滿足上述檫稱操作條件。不幸地，額 外電荷的持績誤差導致電容器上之電荷之一方向或另一方 向的誤差，因而導致其平均電荷電壓的誤差，而在送到電 流源的電壓之轉換器操作頻率產生失眞。 以圚3之軌跡VI’說明此效果，軌跡VI’類似於軌跡 VI ，除了要充電至小於其標稱電荷電壓之電壓的電容器 C1 (圖1)防止轉換器分送恆定振幅的脈衝vil、vi2、 vi3 ，相反地，當電容器Cl將本身的電荷電壓送到電流源 C時，轉換器供應諸如vil’之較小振幅的脈衝（比例被誇 大以便閱讀），當電容器C1自送到電流源的電壓扣除本身 的電壓時，供應諸如vi2’之較大振幅的脈衝，最後當電 容器C1不在電路中時，供應諸如vi3’之不變振幅之脈衝 。因此，容易看出這將截波頻率的擾動分量導入信號VI’ 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐> ---^------{—裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 305082 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（6 ) 0 圖4顯示在具有七級之此擾動分量的頻譜實例，可看 到在截波頻率Fd (亦即轉換器頻率）的線和在頻率2Fd、 3Fd等的線。 當電容器充電至個別標稱電壓時，此種線不存在。當 它們出現時，通常是有害的。 但開關所蒙受的電壓實質上不再等於二相鄰電容器之 標稱電荷電壓的差，亦即，電壓源電壓除以轉換器的級數 。這令開關危險。 自然地，如上所述，電容器上的電荷誤差自發地傾向 被再吸收，但該過程耗時。 此外，自發過程經由電流源而完成。因此，當電流源 不驅動電流時，不可能有效，當流經電流源的電流小時， 無論如何會減緩。 根據上述觀察，本發明提出多位準轉換器，其中轉換 器的每一電容器上的平均電荷較佳維持於其標稱値。 依據本發明，多位準轉換器另包括與電流源並聯的濾 波電路，耗散具有位於頻帶（從施於電流源之電壓的基頻 到等於轉換器頻率η倍的頻率）之頻率（也稱爲截波頻率 )之任一分置的至少部分能量，其中η是轉換器級數，該 二頻率不包含在該頻帶。 實施例中，濂波電路包含至少一個r L C型串聯電路 。可提供與共同電阻器串聯的多個L C串聯電路。但也可 提供並聯的多個R LC串聯電路。 本紙張尺度逋用中國困家橾率（CNS ) Α4规格（21〇Χ297公釐） ---------{-裝-- (請先閲讀背面之注意ί項再填寫本頁) 訂 經濟部中央搮準局员工消费合作社印製 A7 _____ _B7 五、發明説明（7 ) 對於考慮中的每一 R LC串聯電路，電阻器的電阻低 到足以儘快耗散能量，但高到足以防止破壞轉換器開關的 過流。. 藉由非限制的實例及參照附圖，在本發明之實施例的 下文中更清楚呈現本發明之各種目檫及特性，圚中： 圖1是已知多位準轉換器之電路圖； 圖2是圖1之多位準轉換器的一組二相鄰級的電路 圖· 圖3是波形圖，顯示包括三級之情形之圖1及2的 多位準轉換器操作； 圖4顯示在電容器上之電荷失衝情形之圇1的轉換 器所輸出之電壓頻譜的例子，用於有七級的轉換器； 圖5是圖1、2、3之類型之位準轉換器的電路圖； 圖6是片斷電路圖，顯示圖5轉換器的變型； 圖7的曲線顯示調到相同頻率之各種RLC電路的阻抗 /頻率（Z/F )響應，但有各種電容和電感。 不再說明多位準轉換器。圖1、2 、3對應於專利文 件FR 2 697 715 A1中所述之轉換器，讀者可參考此文 件以取得更多細節。圇4是有本發明提出解答之擾動分量 的例子。 圖5顯示圖1轉換器，其中各種元件賦予相同數字。 在其输出，亦即與電流源並聯，將濾波電路CF加入轉換器 ，以耗散位於頻帶（從施於電流源之電壓的基頻到等於轉 換器頻率（也稱爲f截波#頻率〉η倍的頻率）之頻率之 本紙張尺度遙用中國國家橾準（CNS > Α4规格（2丨0乂297公釐） ---·-------{ ▲-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 10 - 1- 鮮件：一第85101846 號專利申請案中文説明書修正頁 民國86年2月修正 經濟部中央標準局員工消t合作社印製 五、發械明(8 ) 任何分量的至少部分能量，其中η是轉換器級數，該二頻 率不在該頻帶內。 詳言之，濾波電路包括一個以上的RLC型串聯電路， 各包括電阻器Ra、Rm 、電感器La、Lm、電容器Ca、Cm 一個串聯共振電路。此 0 ohm電阻R和2 3 # 電阻C之三個 R L C電路 變型中，如圖6 ，共同

Lai' Cal; L a 2 ' C a 2 ，但較難實施。 理想上，濾波電路CF直 的基頻應有無限大阻抗，高 nFd (對應於開關操作頻率 的脈衝 vil、vi2、vi3)有 阻抗。 爲避免轉換器的開關必 據此來界定電容器Ra、Rra 中可爲一 ohm等級。 在指定範圍的無限大阻 可能。因此本發明提供至少 頻率應顯示於圖7，是有1 2，3#F、0.23#F (F)函數的阻抗曲線。電 率提供共振。 在6 0 0Hz，電路阻 1 〇 3 Ω 。値的分散在3 0 電阻器Rax串聯多個串聯共振 。與圖5比較，此變型較便宜 到由轉換器送到電流源之電壓 於基頻到（但不包含）頻率 乘以轉換器單元數目（見圖3 零阻抗，在較高頻率有無限大 須承載過流，不需要零阻抗。 • Rax的最小阻抗；在某些應用 抗而在其它範圍的低阻抗並不 電路的 F、 之頻率 感値在每一情形於3 k Η z頻 抗約1 0 Ω、1 0 2 Ω 或 k Η z也類似。對於小電容（ 1^ !¥· - - - - *—^1 ^^1 - .1— ->衣 I - ml i_ ----- - - -- I ! HI (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（210X 297公f ) 11 A7 B7 五、發明説明（9 ) 0 ·23#F)和相當高的電感，有顯著的V形。小電阻 的優點是電阻在含有任何可能擾動分量頻譜的頻帶之外高 。缺點是在頻帶內，阻抗只在基頻很低。如圖5，本發明 提供並聯的多個RLC電路，例如一個給圖4的每一大振幅 線，而忽略其它線。但該解決之道需要貴且大並消耗功率 的許多RLC電路。圖6的解決之道事實上類似。 但在某些應用（相當低的《壓，在此情形，耗散功率 可較大），本發明也選擇較大電容C，藉以展開V形特性 並降低RLC電路數目，或甚至只用一個此電路。 顯然上文純粹是非限制的例子和數値，可對每一應用 做改變。 ---；-------^-¾-- (_先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印«. 本紙張尺度適用中國國家棣準（CNS ) A4规格（210X297公釐） 12 -

Claims (1)

1. 附件二 中文申謓專利iiS罜I案民國86年 2月呈

   申請專利範圍 1 . 一種多位準轉換器，包括位於電壓源（SE)及電流 源（C)之間的一連串可控開關單元（CL1、 )，每一單元有二個開關（：['1、1'，1;12、1',2. · Tn 、Pn),—個開關之每一個開關的—極形成—對上游極的 部份，每一開關的另一極形成一對下游極的一個，上游單 元的該對下游極接至下游單元的該對上游極，第一單元（ CL1)的該對上游極接至電流源（C)，而最後單元（CLn)的 該對下游極接至電壓源（SE)，除了最後單元的電容器於電 壓源（SE)適於相同角色時而省略之外，轉換器另包括每 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 單元的電容器（C1 C2 Cn )，每一電容器接於 構成對應單元之該對下游極的二極之間，轉換器也包括控 制裝置，藉由作用在連續單元的開關上以主控轉換器標稱 操作任一給定單元的兩個開關一直在各個相反導通狀態回 應於控制裝置所提供的單元控制訊號（CT1、CT2、... CTn )，在給定單元的二個開關之一會於週期性重覆週期中依 序處於第一導通狀態，然後處於第二導通狀態，回應於單 元控制訊號，除了時間上偏移了該週期的分數之外均相同 ，連績單元的開關以相同但在時間上偏移了週期分數的方 式分別操作，連續的電容器（C 1、C 2、. . .、c η )具有各個 增加的標稱電荷電壓，每一單元的標稱平均電荷電壓 等於電壓源（SE)之電壓（VE)乘以單元數目倒數再乘以單 元排名的乘積，轉換器的特徵是包括與電流源（C )並聯 的濾波電路（CF)，耗散具有位於頻帶之頻率之任一分置 的至少部分能量，頻帶是從施於電流源之電壓的基頻到等 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 於轉換器頻率η倍的頻率，該頻率也稱爲截波頻率，其中 η是轉換器級數，該二頻率不包含在該頻帶。 2 .如申請專利範園第1項的多位準轉換器，其特徵 是濾波電路（CF)包括含有電阻器（Ra)和串聯共振電路 (La、Ca)的至少一個RLC型串聯電路。 3·如申請專利範園第2項的多位準轉換器，其特徵 是濾波《路（CF)包括串聯多個串聯共振電路（Lai、 Cal; La2、Ca2 )的共同電阻器（Rax)。 4 .如申請專利範園第2或3項的多位準轉換器，其 特徵是濾波電路（CF)包括轉換器頻率（Fd)和存在於較 高振幅之至少一些諧波的串聯共振電路。 5 ·如申請專利範圍第2或3項的多位準轉換器，其 特徵是是對於考慮中的任一RLC串聯電路，在對應於與電 阻器串聯之任何共振電路之共振頻率的頻率，電阻器的電 阻低到足以儘快耗散轉換器所供應的能量，而同時高到足 以避免損壞轉換器開關的過流。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）