TWI384230B - 橋式轉換器／變頻器的電流極性偵測裝置及方法 - Google Patents

Description

橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測裝置及方法

本發明係一種應用於橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測裝置及方法。交流-直流電源轉換器、直流-交流電源變頻器以及交流-直流雙向電源轉換器等，皆為本發明所屬的技術領域。

第一圖為習知的電流極性偵測電路與橋式轉換器/變頻器，其中橋式轉換器/變頻器係由功率開關Q₁與Q₂所組成。而適當地控制功率開關導通或截止，使得輸出電流i _o 極性正負交變(alternating)。除此之外，為了使電流波形更接近於正弦波，文獻[1-3]依據電流i _o 的極性變化而採用如第二圖所示的驅動訊號以控制功率開關。於第二圖中，chop Q₁為功率開關Q₁的驅動訊號，chop Q₂則為功率開關Q₂的驅動訊號。當驅動訊號 的電壓為“H”時，功率開關導通，並且由功率開關提供電流導通路徑；而當驅動訊號的電壓為“L”時，功率開關截止，此時由二極體提供電流導通路徑。

第一圖中的電流極性偵測電路係先以霍爾效應感測元件HS根據待測電流i _o 所產生的磁場強度而輸出等比例的電壓訊號v _io ，再利用比較器U₁根據霍爾效應感測元件之輸出電壓與參考電壓的關係，得知待測電流i _o 的極性sgn(i _o )。由於傳統的電流極性偵測電路需要使用霍爾效應感測元件，所以還需要雙極性電壓源才能正常動作[4]。再者，霍爾效應感測元件的精確度也會影響待測電流極性的偵測結果[3]；然而，感測器的精確度越高，電路成本也就越高。

除此之外，橋式轉換器/變頻器所連接的負載特性亦影響了待測電流i _o 的漣波值。第三圖顯示當待測電流i _o 的漣波變大時，將增加在零點附近電流極性的變換次數及影響偵測的準確性。

【參考文獻】

[1]J. S. Choi, J. Y. Yoo, S. W. Lim and Y. S. Kim, “A novel dead time minimization algorithm of the PWM inverter,” Conference Record of the IEEE IAS, Vol. 4, pp. 2188-2193, 1999.

[2]C. Attaianese, V. Nardi and G. Tomasso, “A novel SVM strategy for VSI dead-time-effect reduction,” IEEE Trans. on Ind. Appl., Vol. 41, No. 6, pp. 1667-1674, 2005.

[3]C. Attaianese, V. Nardi and G. Tomasso, “THD and Power Losses Optimization by Means of Variable Frequency Space Vector Modulation,” in Proc. of IEEE PESC, pp. 962-968, 2005.

[4]ABB, Current Sensors Voltage Sensors, ABB, U.S.A., 2008.

本發明係一種應用於橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測裝置及方法。其原理係利用單一電源電路，比較橋式轉換器/變頻器的輸出電壓與直流鏈的正端電壓暨偵測電路電源的地端電壓，藉此偵測橋式轉換器/變頻器的輸出電流極性。

第四圖為橋式轉換器/變頻器及本發明所提出的電流極性偵測裝置，其中包含第一比較器電路25、第二比較器電路26、第一分壓電路(由21與22所組成)、第二分壓電路(由23與24所組成)以及、第三分壓電路(由27與28所組成)。第四圖中的橋式轉換器/變頻器係由功率開關11以及13所組成，而功率開關再各自與一個二極體元件(12與14)併聯連接。第一分壓電路與第二分壓電路的分壓倍率為k；第三分壓電路的分壓倍率為m，而k值與m值分別如(1)及(2)所示：

本案當待測電流i _o 實際之流動方向與第四圖中所標示的電流方向相同時，即定義為正極性；反之，當待測電流i _o 之實際流動方向與第四圖中所標示的電流方向相反時，則為負極性。

當待測電流i _o 為負極性，並且功率開關11與13同時截止的情況下，待測電流i _o 的導通路徑如第五圖所示。此時可以由(3)表示橋式轉換器/變頻器的輸出電壓v _o ，其中V _D 為二極體的導通電壓、V _DC 為橋式轉換器/變頻器的直流鏈電壓以及kv _o 係v _o 經由第二分壓電路後的電壓訊號。同理，V _DC 經由第一分壓電路後的訊號為kV _DC 。當待測電流i _o 為負極性，並且功率開關11與13同時截止的情況下：v _o =V _DC +V _D (3)

當待測電流i _o 的極性保持不變時，第一比較器25的反相輸入端電壓v _1-與非反相輸入端電壓v ₁₊的關係如(4)。而根據(4)可知第一比較器25的輸出電壓經第三分 壓電路後的電壓訊號v _ap 可用(5)表示，其中V _DD 為比較器的正飽和電壓。

(v ₁₊=kv _o )>(v _1-=kV _DC ) (4)

v _ap =mV _DD (5)

若待測電流i _o 的極性改變時，則第一比較器25的反相輸入端電壓v _1-與非反相輸入端電壓v ₁₊的關係如(6)。而根據(6)可知第一比較器25的輸出電壓經第三分壓電路後的電壓訊號v _ap 可用(7)表示，其中V _EE 為比較器的負飽和電壓。

(v ₁₊=kv _o )<(v _1-=kV _DC ) (6)

v _ap =mV _EE (7)

由以上分析可知，當待測電流i _o 為負極性，並且功率開關11與13同時截止的情況下，藉由觀察電壓訊號v _ap 即可以知道待測電流i _o 是否已經改變了極性。舉例來說，若此時v _ap =mV _DD ，則表示待測電流i _o 仍為負極性；反之，若v _ap =mV _EE ，則表示待測電流i _o 已變為正極性。

同理，當待測電流i _o 為正極性，並且功率開關11與13同時截止的情況下，電流i _o 的導通路徑如第六圖所示。此時可以由(8)而表示橋式轉換器/變頻器的輸出 電壓v _o 。當待測電流i _o 為正極性，並且功率開關11與13同時截止的情況下：v _o =0-V _D (8)

此時若待測電流i _o 保持正極性時，第二比較器26的反相輸入端電壓v _2-與非反相輸入端電壓v ₂₊的關係如(9)。而根據(9)可知第二比較器26的輸出電壓經第三分壓電路後的電壓訊號v _an 可用(10)表示。

(v _2-=kv _o )<(v ₂₊=0) (9)

v _an =mV _DD (10)

此時若待測電流i _o 的極性改變時，第二比較器26的反相輸入端電壓v _2-與非反相輸入端電壓v ₂₊的關係如(11)。而根據(11)可知第二比較器26的輸出電壓經第三分壓電路後的電壓訊號v _an 可用(12)表示。

(v _2-=kv _o )>(v ₂₊=0) (11)

v _an =mV _EE (12)

由以上分析可知，當待測電流i _o 為正極性，並且功率開關11與13同時截止的情況下，藉由觀察電壓訊號v _an 便可以知道待測電流i _o 是否已經改變了極性。

在大電流漣波的情形下，本發明以比較電流平均值 的概念判斷待測電流i _o 的極性是否改變。本案以第七圖之待測電流i _o 大於零的例子，說明以比較電流平均值概念判斷待測電流i _o 之極性改變的方法。此時功率開關11由控制訊號控制導通或截止，而功率開關13則持續保持截止的狀態。於第七圖中，i _o 係表示待測電流的實際波形，i _o,avg 係表示待測電流i _o 的平均值，訊號chop₁₁為第四圖中功率開關11的控制訊號，而sgn(i _o,avg )係表示待測電流i _o 之平均值的極性。由於chop₁₁為週期性訊號，因此本案定義訊號chop₁₁的週期為T _s 。而在完整的週期內，訊號chop₁₁控制功率開關導通所佔的時間比例以D表示，因此DT _s 係表示在週期內訊號chop₁₁控制功率開關導通所佔的時間。同理，單一週期內，訊號chop₁₁控制功率開關截止的時間以(1-D)T _s 表示。

由第七圖可知，在大電流漣波並且功率開關皆截止的情況下，待測電流i _o 極性反轉的時間與其平均值i _o,avg 大小有關，而電流極性反轉的時間係指功率開關皆截止後至發生電流極性反轉的時間長度；當待測電流平均值i _o,avg 越大時，電流極性反轉的時間就越晚。反之，當待測電流平均值i _o,avg 越小時，電流極性反轉的時間就越早。如第七圖中，電流極性反轉的時間分別為t ₁ 、t ₂ 以及t ₃ ，但因為在t ₃ 的時間點上，待測電流平均值i _o,avg 最小，所以t ₃ 的時間也最短。根據上述的現象，本發明以(13)判斷待測電流平均值的極性：

當i _o,avg 大於零時為正極性，i _o,avg 小於零則為負極性。於(13)式中，t _y 係表示為第y次的電流極性反轉的時間而n係比例係數，一般取n=0.5。而當待測電流i _o 的電流漣波很小而可忽略的情況下，n=1。

同理，當待測電流i _o 小於零，並且利用電流平均值i _o,avg 判斷電流的極性時，則可以根據(14)作為判斷待測電流平均值之極性的根據：

有關本發明的特徵與實作，將配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。

本發明係一種應用於橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測裝置及方法。詳如第四圖所示，電流極性偵測裝置包含第一比較器25、第二比較器26、第一分壓電路(由21與22所組成)、第二分壓電路(由23與24所組成)以及第三分壓電路(由27與28所組成)。

當待測電流i _o 的極性為正極性以及橋式轉換器/變頻器的功率開關11與13同時截止時，橋式轉換器/變頻器的輸出電壓經由第二分壓電路成為原信號之k倍後再輸入至第二比較器26的v _2-端，而零參考電壓則輸入至第二比較器26的v ₂₊端。第二比較器26的輸出訊號係根據第二分壓電路的輸出訊號與零參考電壓之間的大小關係而決定，其關係如(15)所示。

if(v _2-=kv _o )<(v ₂₊=0) then v _o2=V _DD if(v _2-=kv _o )>(v ₂₊=0) then v _o2=V _EE (15)

如第四圖所示，訊號v _an 係利用第三分壓電路將第二比較器26的輸出訊號v _o2調整至適合測量的電壓準位，故v _an 可以(16)表示。

v _an =mv _o2 (16)

若電流i _o 的極性保持不變，則橋式轉換器/變頻器的輸出電壓v _o 為(-V _D )，又根據(15)以及(16)可知訊號v _an 之電壓為mV _DD 。反之，若此時訊號v _an 之電壓不為mV _DD ，則表示待測電流i _o 的極性已經改變為負極性。然而，欲判斷待測電流平均值i _o,avg 的極性是否變為負 極性，則還必須視t _y <(1-D)T _s 的條件是否成立。當條件成立時，即可知待測電流平均值i _o,avg 的極性為負極性，否則仍為正極性。

當電流極性為負極性以及橋式轉換器/變頻器的功率開關11與13同時截止時，橋式轉換器/變頻器的輸出電壓經由第二分壓電路分壓k倍後再輸入至第一比較器25的v ₁₊端。直流鏈電壓V _DC 經由第一分壓電路分壓後再輸入至第一比較器25的v _1-端，並且作為第一比較器25的參考電壓。第一比較器25的輸出訊號係根據第二分壓電路的輸出訊號與參考電壓之間的大小關係而決定，其關係如(17)所示。

if(v ₁₊=kv _o )<(v _1-=kV _DC ) then v _o1=V _EE if(v ₁₊=kv _o )>(v _1-=kV _DC ) then v _o1=V _DD (17)

如第四圖所示，訊號係利用第三分壓電路將第一比較器25的輸出訊號v _o1調整至適合測量的電壓準位，故v _ap 可以(18)表示。

v _ap =mv _o1 (18)

此時若電流i _o 的極性保持不變，則橋式轉換器/變頻器的輸出電壓v _o 為(V _DC +V _D )，又根據(17)以及(18)可 知訊號v _ap 之電壓為mV _DD 。反之，若此時訊號v _ap 之電壓不為mV _DD ，則表示待測電流i _o 的極性已經改變為正極性。然而，欲判斷待測電流平均值i _o,avg 的極性是否亦變為正極性，則還必須視t _y <(1-D)T _s 的條件是否成立。當條件成立時，即可知待測電流平均值i _o,avg 的極性為正極性，否則仍為負極性。

第八圖係本發明之電流極性偵測方法的動作流程圖。首先預設待測電流平均值i _o,avg 的電流極性為正極性(步驟S1)，然後等待功率開關11與13同時截止(步驟S2)。當功率開關11與13同時截止時，接下來再判斷訊號v _an 的電壓是否為mV _DD (步驟S3)；如果v _an 的電壓為mV _DD ，表示待測電流i _o 的極性為正極性，因此需要在功率開關11與13同時截止的情況下(步驟S4)，再重複步驟S3。在步驟S3中，如果訊號v _an 的電壓不為mV _DD ，則必須再檢查t _y 小於n(1-D)T _s 的條件是否成立(步驟S5)。若條件成立，則可知待測電流平均值i _o,avg 的極性已改變為負極性(步驟S6)。反之，若條件不成立，則重複步驟S3。

接下來等待功率開關11與13同時截止後(步驟S7)，再判斷訊號v _ap 是否為mV _DD (步驟S8)；如果v _ap 的電壓為mV _DD ，表示待測電流i _o 的極性仍為負極性，因此需要在功率開關11與13同時截止的情況下(步驟S9)，再重複步驟S8。在步驟S8中，如果v _ap 的電壓不 為mV _DD 則必須再檢查t _y 小於n(1-D)T _s 的條件是否成立(步驟S10)。若條件成立則可知待測電流平均值i _o,avg 的極性已改變為正極性(步驟S11)。反之，若條件不成立，則重複步驟S8。

1‧‧‧橋式轉換器/變頻器

11‧‧‧橋式轉換器/變頻器的功率開關

12‧‧‧與功率開關併聯的二極體

13‧‧‧橋式轉換器/變頻器的功率開關

14‧‧‧與功率開關併聯的二極體

2‧‧‧電流極性偵測電路

21‧‧‧第一分壓電路之分壓電阻器

22‧‧‧第一分壓電路之分壓電阻器

23‧‧‧第二分壓電路的分壓電阻器

24‧‧‧第二分壓電路的分壓電阻器

25‧‧‧第一比較器

26‧‧‧第二比較器

27‧‧‧第三分壓電路的分壓電阻器

28‧‧‧第三分壓電路的分壓電阻器

第一圖為習知橋式轉換器/變頻器及電流極性偵測電路；第二圖為功率關關之驅動訊號與電流關係圖；第三圖係大電流漣波的情況下，電流極性的判斷結果；第四圖為橋式轉換器/變頻器及本發明之電流極性偵測電路；第五圖係顯示當功率開關同時截止並且當電流為負極性時的電流導通路徑；第六圖係顯示當功率開關同時截止並且當電流為正極性時的電流導通路徑；第七圖係大電流漣波的情況下，本發明之電流極性偵測方法及裝置；第八圖為本發明之電流極性偵測的動作流程圖；

1‧‧‧橋式轉換器/變頻器

11‧‧‧橋式轉換器/變頻器的功率開關

12‧‧‧與功率開關併聯的二極體

13‧‧‧橋式轉換器/變頻器的功率開關

14‧‧‧與功率開關併聯的二極體

2‧‧‧電流極性偵測電路

21‧‧‧第一分壓電路之分壓電阻器

22‧‧‧第一分壓電路之分壓電阻器

23‧‧‧第二分壓電路的分壓電阻器

24‧‧‧第二分壓電路的分壓電阻器

25‧‧‧第一比較器

26‧‧‧第二比較器

27‧‧‧第三分壓電路的分壓電阻器

28‧‧‧第三分壓電路的分壓電阻器

Claims (8)

1. 一種橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測方法，包含利用單一電源比較電路與分壓電路，比較橋式轉換器/變頻器的輸出電壓與直流鏈的正端電壓暨偵測電路電源的地端電壓，藉此偵測橋式轉換器/變頻器的輸出電流極性；其中單一電源比較電路與分壓電路包含第一比較器電路、第二比較器電路、第一分壓電路、第二分壓電路以及第三分壓電路；第一分壓電路的輸入端為直流鏈電壓，第二分壓電路的輸入端則為橋式轉換器/變頻器的輸出端電壓；第一比較器電路以及第二比較器電路的輸入訊號可為第一分 壓電路的輸出訊號、第二分壓電路的輸出訊號或與其它參考電壓單項或多項的組合；第三分壓電路的輸入訊號為第一比較器電路以及第二比較器電路的輸出訊號，而第三分壓電路的輸出訊號則可作為判斷電流極性的用途。
2. 如申請範圍第1項所述之橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測方法，當橋式轉換器/變頻器的輸出電壓較直流鏈的正端電壓高時，橋式轉換器/變頻器的輸出電流極性則為正；當橋式轉換器/變頻器的輸出電壓較偵測電路電源的地端電壓低時，橋式轉換器/變頻器的輸出電流極性則為負。
3. 如申請範圍第1項所述之橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測方法，當等比例分壓之橋式轉換器/變頻器的輸出電壓較同比例分壓之直流鏈的正端電壓高時，橋式轉換器/變頻器的輸出電流極性則為正；當等比例分壓之橋式轉換器/變頻器的輸出電壓較偵測電路電源的地端電壓低時，橋式轉換器/變頻器的輸出電流極性則為負。
4. 如申請範圍第1項所述之橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測方法，包含比較功率開關於週期內的截止時間與電流極性反轉時間；當功率開關於週期內的截止時間與電流極性反轉時間的比例小於某一特定比例時，則判定橋式轉換器/變頻器的輸出電流極性 改變；而上述中之“功率開關”係指橋式轉換器/變頻器中用以阻斷或接通電流迴路的元件。
5. 一種橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測裝置，包含第一比較器電路、第二比較器電路、第一分壓電路、第二分壓電路以及第三分壓電路；第一分壓電路的輸入端為直流鏈電壓，第二分壓電路的輸入端則為橋式轉換器/變頻器的輸出端電壓；第一比較器電路以及第二比較器電路的輸入訊號可為第一分壓電路的輸出訊號、第二分壓電路的輸出訊號或與其它參考電壓單項或多項的組合；第三分壓電路的輸入訊號為第一比較器電路以及第二比較器電路的輸出訊號，而第三分壓電路的輸出訊號則可作為判斷電流極性的用途。
6. 如申請範圍第5項所述之第一分壓電路、第一分壓電路以及第三分壓電路係指能將輸入電壓分壓後輸出的電路裝置，其分壓電路的分壓倍率可大於1。
7. 如申請範圍第5項所述之第一比較器電路以及第二比較器電路係指能分辨第二分壓電路之輸出訊號與比較器電路各自所使用的參考電壓之間電壓高低關係的電路裝置。
8. 如申請範圍第5項所述之橋式轉換器/變頻器的電流極性偵測裝置，其電流極性偵測程序包含下列程 序：第一次啟動電流極性偵測程序時先假設電流為某一電流極性，並且當橋式轉換器/變頻器之功率開關同時截止時，將第二分壓電路的輸出訊號與第一或第二比較器的參考電壓互相比較後，再根據第一或第二比較器的輸出電壓而判斷電流是否改變極性。