TWI399026B - High voltage DC output of the AC / DC converter method and device - Google Patents

Description

高電壓直流輸出之交流/直流轉換器的方法與裝置

本發明係關於一種產生高電壓直流輸出用之交流/直流轉換器的方法及裝置，特別是只利用一升壓電感器3與一雙向電力開關4整合於多階式倍壓整流電路5上之裝置，其電力開關4切換的控制方法是利用功率因數修正技術，將程式規劃於數位微處理器23中，使產生輸出開關切換訊號，經電力開關驅動電路26驅動雙向電力開關4，使得輸出直流電壓為一穩定值且可隨意依照輸出直流電壓命令進行調整，並提高功率因數及降低輸入電源電流失真之高效能的高電壓直流輸出之交流/直流轉換器的方法及裝置。

傳統式高壓直流輸出的電壓源設備，大致都是選用多階倍壓整流電路5來提升輸出直流電壓振福的大小。如果電路裝置只利用一單相的輸入電源電壓2串接於多階倍壓整流電路5，則此種電路裝置即為傳統式高壓直流輸出之電壓源設備電路。此傳統的電路裝置，其輸入電源電壓2為一般通用的50/60Hz的交流弦式電源，其輸出的直流電壓理想為輸入電源電壓2峰值的兩倍(此為一階倍壓整流電路6下之狀況)，如果此傳統電路選擇的是一個N階的多階倍壓整流電路5，則其輸出的直流電壓為輸入電源電壓2峰值的2N倍。所以此傳統電路的輸出直流電壓大小是由輸入電源電壓2的峰值與多階倍壓整流電路5的階數所決定，因此在串接固定的N階階數下， 其輸入電源電壓2的峰值越大，則輸出的直流電壓就會越高。

以上所述之輸出直流電壓大小為理想狀況，實際的輸出直流電壓通常會比輸入電源電壓2峰值的2N倍來的小(以N階的多階倍壓整流電路5為例)，主要原因是因為負載越大，所產生的電流就會越大，使得電路本身一些寄生元件上的電壓降變大，進而降低輸出直流電壓之大小。因此，若為了提高輸出直流電壓的大小，並不能無限的串接一階倍壓電路6，所以實際的應用上會使用高壓的升壓變壓器來將多階倍壓整流電路5的輸入端電壓提高，以使得輸出直流電壓源能產生一個高壓直流電壓。但此高壓的升壓變壓器是一個體積龐大的裝置且價格昂貴，於目前習知的技術上，此種裝置是較不被業界所接受的。

近年來功率半導體元件的蓬勃發展，使得有些高頻的開關切換技術與裝置，已經漸漸整合於多階倍壓整流電路5之中，其大部分的做法是使用高頻共振技巧來提升多階倍壓整流電路5的輸入端電壓頻率，進而降低多階倍壓整流電路5之電容器7的電壓漣波，相對的，電容器7所需的電容值及體積也都可以大大的縮小。若系統裝置有使用高頻升壓變壓器，則此變壓器的容量也相對的可以大大降低。但高頻共振技術的電路元件及其參數的匹配較複雜，且輸入電源電流半波不對稱及嚴重的失真現象皆未被改善。以目前嚴格的功率因數及諧波限制規範的標準，此類型的方法與裝置是需被改善，以因應目前高效率、高功率因數及低電流失真之高壓直流輸出電壓源設備使用的需求。

雖然習知技術已經有具有功率因數修正技術的方法與裝置是運用於多階倍壓整流電路5上，其功率能量的轉換大致為交流-直流-交流的轉換模式或是直接為交流-交流的轉換模式等兩種類型，其共通的缺點就是多使用了很多功率半導體元件，因此在任一能量傳導的路徑上都會經過數個功率半導體元件，使得電流流經功率元件所產生的損耗嚴重降低系統的效能。而目前高壓直流輸出電壓源設備的需求日趨增多，為了改善全球能源的消耗與浪費。如何有效的節約能源是目前大家都在研製的議題？倘若有一個高效率、高性能之高壓直流輸出電壓源的方法與裝置，勢必是被大家所期待。

本發明之目的即在提供一個高電壓直流輸出用之交流/直流轉換器的方法與裝置，此具有高效能、高功率因數、可調直流電壓輸出、輸入電源電流半波對稱及低電流失真等高性能特性。

為達成上述發明目的，本發明係由控制驅動裝置11、升壓電感器3、雙向電力開關4及多階倍壓整流電路5所組合構成。控制驅動裝置11之數位微處理器23程式規劃所使用的控制方法有兩個控制迴圈，一為電壓控制迴圈，主要是調節輸出功率之大小，以改變輸出直流電壓振福，使輸出直流電壓穩定在已設定的設定值大小；另一為電流控制迴圈，主要是即時調節輸入電源電流實際振幅大小，以追隨輸入電源電流的命令值，並維持輸入電源電流與輸入電源電壓同相位，其輸出訊號將經由電力開關驅動電路驅動雙向電力開關，使進行輸出直流 電壓的調整及降低輸入電流失真現象，並提高系統功率因數，以提供一高效能之高壓直流電源供應器。

本發明的控制驅動裝置11主要是以數位方式實現，只有電壓感測電路18、電流感測電路21及電力開關驅動電路26等電路是由類比元件所構成，其中大致為運算放大器、電阻、電容、光耦合隔離器等電子元件。電壓感測器電路18、電流感測器電路21主要是將實際偵測到的輸入電源電壓、輸入電源電流及輸出直流電壓訊號轉換成數位微處理器23之類比/數位模組可接收之訊號。而數位微處理器23之類比/數位模組在此控制驅動裝置中，除了會接收電壓、電流訊號外，也要接收輸出直流電壓設定之外部傳送訊號29，其中此輸出直流電壓設定之外部傳送訊號29大致是由外部傳送一類比電壓或電流訊號來做為輸入直流電壓設定值的大小，如以0~10V或4~20mA設定輸出直流電壓最小值~最大值，此訊號通常會先經過比例放大/縮小及準位的調整後，才會將訊號傳送至數位微處理器23之類比/數位模組接收。而數位方式的實現主要是利用數位微處理器23，如單晶片微處理器(single-chip CPU)或數位信號處理器(digital signal processor,DSP)，配合可程式規劃進行相關信號的設定、偵測、比較與產生。而由數位微處理器23所產生的信號將經由電力開關驅動電路26來驅動雙向電力開關4，以完成本發明之控制驅動裝置11。

本發明的雙向電力開關4是由高功率半導體元件，如二極體(Diode)、雙接面電晶體(BJT)、閘極隔離電晶體(IGBT)或金 氧半場效電晶體(MOSFET)等組成。而組成的方式依使用的電子開關種類與數目有數種不同的結構，其圖二為可採用的高功率固態電子開關，其中IGBT亦可以BJT或MOSFET代替。

請參閱圖一為本發明之高電壓直流輸出用之交流/直流轉換器的系統架構圖，其中包含主硬體電路裝置1及控制驅動裝置11等部份，其中：本發明之主硬體電路裝置1的示意圖如圖一所示，其中包括有單相的輸入電源電壓2、升壓電感器3、雙向電力開關4、多階倍壓整流電路5等裝置。輸入電源電壓2為一般通用的弦式電壓，其電源頻率為50Hz或60Hz；升壓電感器3主要是用來儲存輸入電源電壓2之能量，然後再將儲存的能量傳遞至多階倍壓整流電路5的電容器7上，因此升壓電感器3在此具有使輸出直流電壓大於輸入電源電壓峰值2N倍的能力；請參閱圖二為本發明之主硬體電路裝置1所使用的雙向電力開關4的示意圖，此開關裝置是一個具有雙向導通能力的電力開關，其圖二(a)為雙向電力開關12示意圖，圖二(b)為使用四個二極體14與一個閘極隔離電晶體(IGBT)15所組成之高功率固態電子開關13，圖二(c)為使用兩個閘極隔離電晶體15反向並接所組成之高功率固態電子開關16，圖二(d)為使用兩個二極體14及兩個閘流隔離電晶體15反向串接而成之之高功率固態電子開關17。圖二中雖以閘流隔離電晶體為實例，然而其他功率半導體開關如金氧半場效電晶體(MOSFET)、雙接面電晶體(BJT) 或閘流體(Thyristor)等均為等效的組合實施例；本發明所使用之多階倍壓整流電路5的示意圖如圖一所示，其中多階倍壓整流電路5則是由多組一階倍壓整流電路6串接而成，而其中每組一階倍壓整流電路6都是利用兩個電容器7及兩個二極體8元件所構成。

請參閱圖四為本發明之控制驅動裝置的示意圖，其中包括有電壓感測電路18、電流感測電路21、電力開關驅動電路26及數位微處理器23等裝置。請參閱圖三A、B為本發明電壓/電流感測電路的示意圖，其主要是偵測主硬體電路裝置1之輸入電源電壓、輸入電源電流及輸出直流電壓之正、負兩端的電壓等電力訊號，經電壓感測器19、電流感測器22將電壓/電流之電力訊號依比例轉換成電流源訊號輸出，然後在經由運算放大器20依所需比例調整輸出訊號振福及直流位準，以提供數位微處理器23之類比轉數位轉換器模組接收主硬體電路裝置1之輸入電源電壓、輸入電源電流及輸出直流電壓之正、負兩端的電壓等偵測的回授訊號；請參閱圖五為本發明之電力開關驅動電路26的示意圖，其電路主要利用光耦合隔離器30與適當的輸入電阻31及輸出電阻32所構成，其驅動電路的輸入訊號電壓及功率半導體開關之內部阻抗都會直接影響輸入電阻31及輸出電阻32的設計，所以圖五所示之輸入電阻31及輸出電阻32在此只是一個大約值。此電力開關驅動電路26的輸入訊號分別為數位微處理器23所產生之輸出訊號A 24及輸出訊號B 25，而電力開關驅動電路26所輸出的電力開關驅動訊號A 27及電力開關驅動訊號B 28將同步於數位微處理器23 之輸出訊號A 24及輸出訊號B 25；本發明之數位微處理器23的示意圖如圖四所示，其中數位微處理器23之類比轉數位模組則是用來接收電壓/電流回授訊號及外部輸出電壓命令訊號用，而數位微處理器23之內部可程式規劃模組可用來規劃程式，以求取開關切換訊號之控制器，其中控制器架構如圖六所示，此包含輸出直流電壓控制控制迴圈33及輸入電源電流控制迴圈34等兩個控制迴圈。輸出直流電壓控制控制迴圈33之控制方法是由數位微處理器23之類比/數位模組37接收輸出直流電壓設定之外部傳送訊號29，求得輸出直流電壓設定值35，然後將輸出直流電壓訊號經一數位低通濾波器38，濾除輸入電源電壓的兩倍頻，而濾波後之輸出直流電壓訊號39將與輸出直流電壓設定值35相減，求出輸出直流電壓誤差值40，以作為比例-積分控制器41之輸入訊號，其輸出值則將作為輸入電源電流振幅的命令值42，以提供負載所欲之輸出功率。以上為輸出直流電壓控制控制迴圈33部份；輸入電源電流控制迴圈34之控制方法是由數位微處理器23之類比/數位模組37接收輸入電源電壓訊號43，然後將此訊號做單位化處理44，求取輸入電源電壓之單位化訊號45，其輸入電源電流振幅的命令值42與輸入電源電壓之單位化訊號45之乘積，及為輸入電源電流命令值46。為了求取輸入電源電流誤差值48，在此必須先由抓取輸入電源電流訊號47，然後再與輸入電源電流命令值46相減而求得，其輸入電源電流誤差值48與輸入電源電壓之單位化訊號45將拿來做為電流補償器49的輸入值，其電流補償器49輸出值與脈寬調變之載波訊號50將經由 比較器51求得輸出訊號24及輸出訊號25之脈寬調變訊號，以供電力開關驅動電路26驅動雙向電力開關2。依圖六之控制器架構的控制方法規劃數位微處理器23之程式，即可求取開關切換訊號，以提供本發明裝置產生一高效能、高功率因數、低電流失真及可調之輸出直流電壓等功能。

請參閱圖七A為本發明之數位微處理器23之主程式流程示意圖。首先要啟動本發明之系統裝置，接著程式會先判斷外部是否有送入輸出直流電壓設定命令，若數位微處理器23有偵測到外部設定命令，則程式將存取輸出直流電壓命令值，以作為系統控制電壓控制迴圈之參數值，但若沒有偵測到外部設定命令，則程式將會進入到求取開關切換訊號流程，直到求得輸出訊號A 24及輸出訊號B 25為止，其程式才會又重新回到判斷外部輸出直流電壓設定流程位置，程式持續反覆的運作，將達到我們系統裝置所預期之性能。

請參閱圖七B為本發明之數位微處理器23之求取開關切換訊號程式流程示意圖。首先，程式將會啟動數位微處理器23之類比轉數位模組，以抓取電壓/電流感測器電路所偵測之輸入電源電壓、輸入電源電流及輸出直流電壓等訊號，並將此些訊號之類比電壓轉換為數位值儲存於暫存器中，則此些訊號的數位值將被拿來作為電壓控制迴圈及電流控制迴圈的程式流程參數使用。此時程式才會進入電壓控制迴圈流程，求取輸入電源電流命令值，然後才會進入電流控制迴圈流程，求取輸出訊號A 24及輸出訊號B 25，則求取開關切換訊號之程式流程 動作完成。

請參閱圖七C為本發明之數位微處理器23之電壓控制迴圈程式流程示意圖。當取得輸入電源電壓、輸出直流電壓設定值及實際值參數後，程式流程首先會先判斷輸出直流電壓之設定值與實際值的誤差，若電壓誤差值大於零，也就是誤差值為正值時，則表示輸入功率小於輸出功率，所以必須調升輸入電源電流振幅命令，直到輸入功率達到輸出功率，也就是電壓誤差值等於零時，此時輸入電源電流振幅命令將維持不變，以保持輸入功率與輸出功率平衡，這樣實際輸出直流電壓值才會與設定輸出直流電壓值相同；反之，若電壓誤差值小於零，則表示輸入功率大於輸出功率，所以必須調降輸入電源電流振幅命令，直到輸入功率達到輸出功率，此時輸入電源電流振幅命令將維持不變，以保持輸入功率與輸出功率平衡。得到輸入電源電流之振幅命令後，程式會求取輸入電源電壓相位，然後再與輸入電流振幅命令相乘，求得輸入電源電流命令，此時電壓控制迴圈流程動作完成。所得之輸入電流命令將供給為電流控制迴圈流程使用。

請參閱圖七D為本發明之數位微處理器23之電流控制迴圈程式流程示意圖。由於輸入電源電流之命令值與實際值於電流控制迴圈流程前皆已獲得，所以當程式進入電流控制迴圈流程時，首先是求取輸入電源電流命令值與實際值之誤差量，然後再判斷輸入電源電壓的正、負半週，其主要原因是輸入電源電壓在正半週下的雙向電力開關4導通/截止與在負半週下的 雙向電力開關4導通/截止，所造成輸入電源電流的斜率狀態剛好相反，也就是會影響輸出訊號A 24及輸出訊號B 25之輸出狀態，所以在判斷輸入電源電流命令值與實際值誤差量前，程式流程會先經判斷輸入電源電壓的正、負半週，以正確的掌握輸入電源電流的斜率變化，而產生適當的切換訊號。

當輸入電源電壓為正半週時，輸入電源電流的誤差量若大於上限設定值時，表示輸入電源電流實際值太小，所以要控制開關導通使得輸入電源電流斜率為正的上升。因此，在此狀態下輸出訊號A 24為Hi，而輸出訊號B 25為Low，也就是觸發雙向電力開關4順向導通、逆向截止(輸出訊號A 24是觸發雙向電力開關4順向導通/截止的訊號，而輸出訊號B 25則是觸發雙向電力開關4逆向導通/截止的訊號)。

當輸入電源電壓為正半週時，輸入電源電流的誤差量若小於下限設定值時，表示輸入電源電流實際值太大，所以要控制開關截止使得輸入電源電流斜率為負的下降。因此，在此狀態下輸出訊號A 24為Low，而輸出訊號B 25為Low，也就是觸發雙向電力開關4順向截止、逆向截止。

當輸入電源電壓為正半週時，輸入電源電流的誤差量若界於上、下限設定值之間時，表示輸入電源電流斜率的走向是正確的，所以必須要控制開關維持前一種開關狀態。因此，在此狀態下之輸出訊號A 24與前次輸出訊號相同，而輸出訊號B 25仍為Low，也就是維持雙向電力開關4順向狀態與前次狀態相同、逆向截止。

反之，當輸入電源電壓為負半週時，輸入電源電流的誤差量若小於下限設定值時，表示輸入電源電流實際值太大，所以要控制開關導通使得輸入電源電流斜率為負的下降。因此，在此狀態下輸出訊號A 24為Low，而輸出訊號B 25為Hi，也就是觸發雙向電力開關4順向截止、逆向導通。

當輸入電源電壓為負半週時，輸入電源電流的誤差量若大於上限設定值時，表示輸入電源電流實際值太小，所以要控制開關截止使得輸入電源電流斜率為正的上升。因此，在此狀態下輸出訊號A 24為Low，而輸出訊號B 25為Low，也就是觸發雙向電力開關4順向截止、逆向截止。

當輸入電源電壓為負半週時，輸入電源電流的誤差量若界於上、下限設定值之間時，表示輸入電源電流斜率的走向是正確的，所以必須要控制開關維持前一種開關狀態。因此，在此狀態下輸出訊號A 24仍為Low，而輸出訊號之狀態與前次輸出訊號相同，也就是維持雙向電力開關4順向截止、逆向狀態與前次狀態相同。得到輸出訊號A 24及輸出訊號B 25之狀態後，電流控制迴圈流程動作完成。

以上所述之輸入電源電流之誤差量判斷機制稱之為電流遲滯控制法。若使用平均電流控制法，則必須先將輸入電流誤差量經過比例積分控制器，然後將比例積分控制器輸出量與載波(三角波)做比較，亦可完成電流控制之效果。

本發明之數位微處理器之程式流程，將輸出適當的觸發訊號給電力開關驅動電路26，以驅動雙向電力開關4，進而穩定 及調整輸出直流電壓之大小，並改善輸入電源電流之半波不對稱及高失真等現象。因此，本發明之高效能、高功率因數、低電流失真及具可調式之高電壓直流輸出之交流/直流轉換器的實施方法在此已經完整的呈現並說明。

1‧‧‧主硬體電路裝置

2‧‧‧輸入電源電壓

3‧‧‧升壓電感器

4‧‧‧雙向電力開關

5‧‧‧多階倍壓整流電路

6‧‧‧一階倍壓整流電路

7‧‧‧電容器

8‧‧‧二極體

9‧‧‧輸出直流電壓的正端輸出點

10‧‧‧輸出直流電壓的負端輸出點(接地點)

11‧‧‧控制驅動裝置

12‧‧‧雙向電力開關

13‧‧‧高功率固態電子開關

14‧‧‧二極體

15‧‧‧閘極隔離電晶體

16‧‧‧高功率固態電子開關

17‧‧‧高功率固態電子開關

18‧‧‧電壓感測電路

19‧‧‧電壓感測器

20‧‧‧運算放大器

21‧‧‧電流感測電路

22‧‧‧電流感測器

23‧‧‧數位微處理器

A 24‧‧‧輸出訊號

B 25‧‧‧輸出訊號

26‧‧‧雙向電力開關驅動電路

A 27‧‧‧雙向電力開關驅動訊號

B 28‧‧‧雙向電力開關驅動訊號

29‧‧‧輸出直流電壓設定之外部傳送訊號

30‧‧‧光耦合隔離器

31‧‧‧輸入電阻

32‧‧‧輸出電阻

33‧‧‧輸出直流電壓控制迴圈

34‧‧‧輸入電源電流控制迴圈

35‧‧‧輸出直流電壓設定值

36‧‧‧輸出直流電壓訊號

37‧‧‧類比/數位模組

38‧‧‧數位低通濾波器

39‧‧‧濾波後之輸出直流電壓訊號

40‧‧‧輸出直流電壓誤差值

41‧‧‧比例-積分控制器

42‧‧‧輸入電源電流振幅的命令值

43‧‧‧輸入電源電壓訊號

44‧‧‧單位化處理

45‧‧‧輸入電源電壓之單位化訊號

46‧‧‧輸入電源電流命令值

47‧‧‧輸入電源電流訊號

48‧‧‧輸入電源電流誤差值

49‧‧‧電流補償器

50‧‧‧脈寬調變之載波訊號

51‧‧‧比較器

圖一為本發明之高電壓直流輸出之交/直流轉換器之系統架圖；圖二為本發明之雙向電力開關示意圖；圖三A、三B為本發明之電壓、電流感測器電路的示意圖；圖四為本發明之控制驅動裝置示意圖；圖五為本發明之電力開關驅動電路示意圖；圖六為本發明之數位微處理器之可程式規劃內容的控制器架構示意圖；圖七A為本發明之數位微處理器程式規劃流程示意圖；圖七B為本發明之求取開關切換訊號流程示意圖；圖七C為本發明之電壓控制迴圈流程示意圖；圖七D為本發明之電流控制迴圈流程示意圖。

1‧‧‧主硬體電路裝置

2‧‧‧輸入電源電壓

3‧‧‧升壓電感器

4‧‧‧雙向電力開關

5‧‧‧多階倍壓整流電路

6‧‧‧一階倍壓整流電路

7‧‧‧電容器

8‧‧‧二極體

9‧‧‧輸出直流電壓的正端輸出點

10‧‧‧輸出直流電壓的負端輸出點(接地點)

11‧‧‧控制驅動裝置

Claims (5)

1. 一種使用於高壓直流電壓輸出之交流/直流轉換器之裝置，包括一主硬體電路裝置及一控制驅動裝置；其中該主硬體電路裝置包括一升壓電感器、一雙向電力開關與一多階倍壓整流電路，該控制驅動裝置包括兩電壓感測電路、一電流感測電路、一數位微處理器與一雙向電力開關驅動電路；該升壓電感器與該雙向電力開關升壓調整該多階倍壓整流電路的輸出，並具有功率因數修正之功能，該多階倍壓整流電路用以轉換一交流電壓輸入成為一直流電壓輸出，而其中該多階倍壓整流電路之每一階倍壓整流電路的輸出直流電壓為輸入交流電壓峰值的兩倍，該兩電壓感測電路與一電流感測電路用以偵測一輸入電源電壓、一輸入電源電流及一輸出直流電壓，該數位微處理器用以接收兩電壓感測電路與一電流感測電路所偵測的訊號，並產生輸出訊號觸發該控制驅動裝置之一雙向電力開關驅動電路，該雙向電力開關驅動電路用以接收該控制驅動裝置之一數位微處理器的輸出訊號，並產生該主硬體電路裝置之一雙向電力開關的驅動訊號，以啟閉該主硬體電路裝置之一雙向電力開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之主硬體電路裝置，其中該雙向電力開關係可為高功率固態電子開關，而此電子開關係由功率半導體元件所組成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之主硬體電路裝置，其中該多階倍壓整流電路可由任意整數組之一階倍壓整流電路串接而成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之控制驅動裝置，其中該電壓感測電路、電流感測電路係由電壓感測器、電流感測器組成，將電 壓及電流轉換為電氣訊號，以提供控制驅動裝置之數位微處理器作為輸出訊號產生的依據。
5. 如申請專利範圍第1項所述之控制驅動裝置，其中該數位微處理器接收電壓及電流的電氣訊號後，經一控制程序處理後，產生的輸出訊號用以觸發雙向電力開關驅動電路，而該驅動電路所產生的驅動訊號可以啟閉雙向電力開關，以使輸出直流電壓具有可調之功能，並具有修正電源側功率因數之功能。