TWI413356B - 具相對較高效率的逆變器電路 - Google Patents

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TWI413356B TW097148651A TW97148651A TWI413356B TW I413356 B TWI413356 B TW I413356B TW 097148651 A TW097148651 A TW 097148651A TW 97148651 A TW97148651 A TW 97148651A TW I413356 B TWI413356 B TW I413356B
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Description

具相對較高效率的逆變器電路
本發明揭露一種具相對較高效率的逆變器電路(inverter circuit)尤指一種運用於新能源(如風能,太陽能等)發電系統的具相對較高效率的逆變器電路。
隨著石油天然氣等礦物燃料的大量消耗，燃料價格也在不斷提升，同時對環境的影響也越來越大。現在全球都在尋找經濟又環保的可替代能源，其中利用新能源(如風能,太陽能等)發電是最重要的發展方向。目前利用太陽能電池發電，雖經過多年發展仍然存在成本過高，效率過低的缺點。第一圖是傳統無隔離式之逆變器電路的電路示意圖，該圖中包括一穩壓電路，接收一輸入直流電源並提供一直流電壓Vin；一電容Cp，其一端耦合於該直流電源之一負極端，其另一端接地；第一至第四開關S1－S4，形成一單相全橋式逆變器，以及一第一電感L1，該第一電感之一第一端耦合於連接該開關S1與S2之一第一中點，該第一電感之一第二端與電連接至一交流電源，該交流電源連結至開關S3與S4之一第二中點,該交流電源電壓為VG ，電流為IG 。該第一圖亦即為一太陽能電池發電的系統電路圖。例如，一太陽能電池板上的輸出電壓Vin，當其輸出至該穩壓電路之輸入端時，經過該穩壓電路升壓以後，達到一個穩定的直流電壓值，比如400V，再通過一個 逆變器將該穩定的直流電壓值，轉換為一交流電壓VG 輸出到電網。第一圖中的穩壓電路屬於公知技術，有很多方法可以實現，故在此不再贅述。第一圖中的逆變器採用非隔離式，所以節省了一個變壓器，第一至第四開關S1－S4都是功率開關，可以是金氧半場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)等。如果採用IGBT，由於其導通壓降很大，一般超過2V，導致導通損耗很大，最終將使採用IGBT的逆變器效率降低，按現有技術，一般的效率低於97%。如果採用了4個MOSFET，相對於IGBT，減小了導通損耗，但是卻增加了續流階段的MOSFET內含之反並二極體的損耗。在輸出交流電壓VG 為正時的正半週期內，S3常通，S1用作脈波寬調變(PWM)開關以調節輸出電壓，在S1導通時，電流流過S1－L1－S3，在S2關斷時，續流電流流過S2的反並二極體－L1－S3，由於S2的反並二極體的特性很差，所以會造成很大的損耗，不利於效率提高。在輸出電壓為負的負半週期內，S4常通，當S2用作PWM開關時，S1的反並二極體也存在續流階段，也會造成很大的損耗。
職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「具相對較高效率的逆變器電路」。
本案之主要目的在於提供一種具相對較高效率的逆變 器電路，當該逆變器電路之脈波寬調變開關關斷時，是由一獨立二極體實現續流，而非經過該開關內部之一體二極體來實現續流，因而提高了該逆變器電路之效率，且透過採用具相對較小電感值之三個電感，既減小了該逆變器電路之總體積又降低了總成本。
本案之又一主要目的在於提供一種逆變器電路，包含一第一橋臂，包括一第一子橋臂，包括一第一開關，一第一二極體，以及一第一中點，其中該第一開關與該第一二極體耦合於該第一中點，以及一第二子橋臂，包括一第二開關，一第二二極體，以及一第二中點，其中該第二開關與該第二二極體耦合於該第二中點，一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第一中點，以及一第二電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二中點，且該第二端耦合於該第一電感之該第二端，用於輸出一交流電壓。
根據上述之構想，該電路更包括具一第三開關、一第四開關與一第三中點之一第二橋臂，其中該第三與該第四開關耦合於該第三中點，且該第三中點亦用於輸出該交流電壓。
根據上述之構想，該第一至該第四開關之每一均具一第一端、一第二端與一控制端，且該第一與該第二二極體之每一均具一陽極與一陰極，該第一開關之該第二端與該第一二極體之該陰極耦合於該第一中點，該第二開關之該第一端與該第二二極體之該陽極耦合於該第二中點，該第 三開關之該第一端與該第四開關之該第二端耦合於該第三中點，該第一開關之該第一端耦合該第四開關之該第一端與該第二二極體之該陰極於一第一輸入端，且該第二開關之該第二端耦合該第三開關之該第二端與該第一二極體之該陽極於一第二輸入端。
根據上述之構想，該第一與該第二輸入端接收一直流電壓。
根據上述之構想，該直流電壓為一太陽能電池之一輸出電壓。
根據上述之構想，該電路更包括一穩壓電路，其中該穩壓電路接收一第一直流電壓並產生一第二直流電壓，且該第一與該第二輸入端接收該第二直流電壓。
根據上述之構想，該第一直流電壓為一太陽能電池之一輸出電壓。
根據上述之構想，該第一至該第四開關之每一均為一金氧半場效電晶體。
根據上述之構想，該第一與該第二開關之每一均為一CoolMOS金氧半場效電晶體，而該第三與該第四開關之每一均為一普通之金氧半場效電晶體。
根據上述之構想，該電路更包括具一第一端與一第二端之一第三電感，其中該第一端耦合於該第二電感之該第二端，該第三電感之該第二端用於輸出該交流電壓，該第三電感的電感值相對地大於該第一電感之電感值與該第二電感之電感值，該第一與該第二開關更分別包括一第一與 一第二體二極體，該第一電感之電感值以當該第一開關關斷時，能夠防止該第二體二極體之導通為下限，且該第二電感之電感值以當該第二開關關斷時，能夠防止該第一體二極體之導通為下限。
根據上述之構想，當該交流電壓處於一正半週期時，該第一開關用作一第一脈波寬調變開關，如該第一開關關斷時，將由該第一二極體提供一第一續流，且該第三開關常通，而當該交流電壓處於一負半週期時，該第二開關用作一第二脈波寬調變開關，若該第二開關關斷時，則由該第二二極體提供一第二續流，且該第四開關常通。
本案之下一主要目的在於提供一種逆變器電路，包含一第一橋臂，包括一第一子橋臂，包括一第一開關，以及一第一中點，其中該第一開關耦合於該第一中點，以及一第二子橋臂，包括一第二開關，以及一第二中點，其中該第二開關耦合於該第二中點，一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第一中點，以及一第二電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二中點，且該第二端耦合於該第一電感之該第二端，用於輸出一交流電壓。
根據上述之構想，該電路更包括具一第三開關、一第四開關與一第三中點之一第二橋臂，其中該第三與該第四開關耦合於該第三中點，該第三中點亦用於輸出該交流電壓，該第一子橋臂更包括耦合於該第一中點之一第一二極體，且該第二子橋臂更包括耦合於該第二中點之一第二二 極體。
根據上述之構想，該第一至該第四開關之每一均具一第一端、一第二端與一控制端，且該第一與該第二二極體之每一均具一陽極與一陰極，該第一開關之該第二端與該第一二極體之該陰極耦合於該第一中點，該第二開關之該第一端與該第二二極體之該陽極耦合於該第二中點，該第三開關之該第一端與該第四開關之該第二端耦合於該第三中點，該第一開關之該第一端耦合該第四開關之該第一端與該第二二極體之該陰極於一第一輸入端，該第二開關之該第二端耦合該第三開關之該第二端與該第一二極體之該陽極於一第二輸入端，且該第一與該第二輸入端接收一直流電壓。
本案之另一主要目的在於提供一種逆變器電路，包含一第一橋臂，包括一第一子橋臂，包括一第一開關，以及一第一中點，其中該第一開關耦合於該第一中點，以及一第二子橋臂，包括一第二開關，以及一第二中點，其中該第二開關耦合於該第二中點，一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第一中點，一第二電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二中點，且該第二端耦合於該第一電感之該第二端，以及一第三電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二電感之該第二端，且第三電感之該第二端用於輸出一交流電壓。
根據上述之構想，該電路更包括具一第三開關、一第 四開關與一第三中點之一第二橋臂，其中該第三與該第四開關耦合於該第三中點，該第三中點亦用於輸出該交流電壓，該第一子橋臂更包括耦合於該第一中點之一第一二極體，且該第二子橋臂更包括耦合於該第二中點之一第二二極體。
根據上述之構想，該第一至該第四開關之每一均具一第一端、一第二端與一控制端，且該第一與該第二二極體之每一均具一陽極與一陰極，該第一開關之該第二端與該第一二極體之該陰極耦合於該第一中點，該第二開關之該第一端與該第二二極體之該陽極耦合於該第二中點，該第三開關之該第一端與該第四開關之該第二端耦合於該第三中點，該第一開關之該第一端耦合該第四開關之該第一端與該第二二極體之該陰極於一第一輸入端，該第二開關之該第二端耦合該第三開關之該第二端與該第一二極體之該陽極於一第二輸入端，且該第一與該第二輸入端接收一直流電壓。
根據上述之構想，該第三電感的電感值相對地大於該第一電感之電感值與該第二電感之電感值，該第一與該第二開關更分別包括一第一與一第二體二極體，該第一電感之電感值以當該第一開關關斷時，能夠防止該第二體二極體之導通為下限，且該第二電感之電感值以當該第二開關關斷時，能夠防止該第一體二極體之導通為下限。
為了讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明 如下：
本發明之第一較佳實施例請看第二圖，其為一依據本發明構想之第一較佳實施例的逆變器電路的電路圖。其與第一圖之不同處在於：增加了一第一與一第二二極體D1與D2以及一第二電感L2。其中該開關S1與該二極體D1耦合於一第一中點A，該開關S2與該二極體D2耦合於一第二中點B，且該開關S3與S4耦合於一第三中點，該電感L1與L2各自之第一端，分別耦合於該第一與該第二中點，且該電感L1與L2各自之第二端共同耦合於一輸出端，且該輸出端與該第三中點均用於輸出該交流電壓VG 。當該逆變器電路輸入的電壓Vin為400V時，S1與S2可以是耐壓650V的COOLMOS；D1與D2可以是耐壓600V的二極體；S3與S4可以是耐壓600V之普通的金氧半場效電晶體。由於穩壓電路對本發明的實現沒有影響，所以第二圖中並未示出該穩壓電路，但不影響該領域內一般技術人員對本發明的理解。
本發明工作過程請看第三圖(a)－(b)。其係顯示分別一依據本發明構想之第一較佳實施例的逆變器電路在其輸出之交流電壓的正半週期時之工作電路與負半週期時之工作電路。第三圖(a)中實線部分顯示了輸出交流電壓VG 為正時的正半週期的工作電路(S1、S3、D1與L1)，其中虛線部分表示正半周期未工作電路(S2、S4、D2與L2)。其中S3常通，S1作脈波寬調變開關，在S1關斷時，流過電感L1的電流通過D1實現續流，而不是通過金氧半場效電晶體的體二極體，因為獨立二級體的特性遠好於體 二極體，所以本發明效率要高於現有技術。同樣在負半周期時，第三圖(b)中實線部分顯示了輸出交流電壓VG 為負時的負半週期的工作電路(S2、S4、D2與L2)，其中虛線部分表示負半周期未工作電路(S1、S3、D1與L1)。此時S4常通，S2作脈波寬調變開關，在S2關斷時，由D2提供續流。所以，採用本發明的電路能使逆變器效率提高至超過98%，甚至達到98.5%，遠高於現有技術所能達到的效率。
由於電感等磁性元件不僅體積大而且成本高，為了進一步降低本發明成本，本發明提出了一第二較佳實施例，如第四圖所示，其係顯示一依據本發明構想之第二較佳實施例的逆變器電路之電路圖。在第四圖所示之第二較佳實施例中，其與第二圖之不同處，在於增加了一第三電感Lo，該第三電感Lo之一第一端，連接於該第一與該第二電感L1與L2之各該第二端；而該第三電感Lo之一第二端連接於該輸出端，用於輸出該交流電壓VG 。其中Lo>>L1＝L2，L1和L2的取值可以很小，但是要以能夠防止金氧半場效電晶體的體二極體之導通為下限。本發明中L1和L2的電感值為Lo的一半。這樣L1和L2可以選用電感值很小的電感，既減小了體積又降低了成本。
綜上所述，本發明揭露了一種具相對較高效率的逆變器電路，當該逆變器電路之脈波寬調變開關關斷時，是由一獨立二極體實現續流，而非經過該開關內部之一體二極體來實現續流，因而提高了該逆變器電路之效率，且透過採用具相對較小電感值之三個電感，既減小了該逆變器電路之總體積又降低了總 成本，因而確實有其進步性與新穎性。
是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
第一圖：其係顯示一傳統無隔離式之逆變器電路的電路示意圖；第二圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的逆變器電路的電路圖；第三圖(a)：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的逆變器電路在其輸出之交流電壓的正半週期時之工作電路；第三圖(b)：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的逆變器電路在其輸出之交流電壓的負半週期時之工作電路；以及第四圖：其係顯示一依據本發明構想之第二較佳實施例的逆變器電路之電路圖。

Claims (17)

  1. 一種逆變器電路，包含：一第一橋臂，包括：一第一子橋臂，包括：一第一開關；一第一二極體；以及一第一中點，其中該第一開關與該第一二極體耦合於該第一中點；以及一第二子橋臂，包括：一第二開關；一第二二極體；以及一第二中點，其中該第二開關與該第二二極體耦合於該第二中點；一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第一中點；一第二電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二中點，且該第二端耦合於該第一電感之該第二端，用於輸出一交流電壓；以及一第二橋臂，包括：一第三開關；一第四開關；以及一第三中點，耦合於該第三開關與該第四開關，且亦用於輸出該交流電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該第一至該第 四開關之每一均具一第一端、一第二端與一控制端，且該第一與該第二二極體之每一均具一陽極與一陰極，該第一開關之該第二端與該第一二極體之該陰極耦合於該第一中點，該第二開關之該第一端與該第二二極體之該陽極耦合於該第二中點，該第三開關之該第一端與該第四開關之該第二端耦合於該第三中點，該第一開關之該第一端耦合該第四開關之該第一端與該第二二極體之該陰極於一第一輸入端，且該第二開關之該第二端耦合該第三開關之該第二端與該第一二極體之該陽極於一第二輸入端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該第一與該第二輸入端接收一直流電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電路，其中該直流電壓為一太陽能電池之一輸出電壓。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之電路，更包括一穩壓電路，其中該穩壓電路接收一第一直流電壓並產生一第二直流電壓，且該第一與該第二輸入端接收該第二直流電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電路，其中該第一直流電壓為一太陽能電池之一輸出電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該第一至該第四開關之每一均為一金氧半場效電晶體。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該第一與該第二開關之每一均為一CoolMOS金氧半場效電晶體，而該第三與該第四開關之每一均為一普通之金氧半場效電晶體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電路，更包括具一第一端 與一第二端之一第三電感，其中該第一端耦合於該第二電感之該第二端，該第三電感之該第二端用於輸出該交流電壓，該第三電感的電感值大於該第一電感之電感值與該第二電感之電感值，該第一與該第二開關更分別包括一第一與一第二體二極體，該第一電感之電感值以當該第一開關關斷時，能夠防止該第二體二極體之導通為下限，且該第二電感之電感值以當該第二開關關斷時，能夠防止該第一體二極體之導通為下限。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中當該交流電壓處於一正半週期時，該第一開關用作一第一脈波寬調變開關，如該第一開關關斷時，將由該第一二極體提供一第一續流，且該第三開關常通；而當該交流電壓處於一負半週期時，該第二開關用作一第二脈波寬調變開關，若該第二開關關斷時，則由該第二二極體提供一第二續流，且該第四開關常通。
  11. 一種逆變器電路，包含：一第一橋臂，包括：一第一子橋臂，包括：一第一開關；以及一第一中點，其中該第一開關耦合於該第一中點；以及一第二子橋臂，包括：一第二開關；以及一第二中點，其中該第二開關耦合於該第二中點； 一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第一中點；一第二電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二中點，且該第二端耦合於該第一電感之該第二端，用於輸出一交流電壓；以及一第二橋臂，包括：一第三開關；一第四開關；以及一第三中點，耦合於該第三開關與該第四開關，且亦用於輸出該交流電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電路，其中該第一子橋臂更包括耦合於該第一中點之一第一二極體，且該第二子橋臂更包括耦合於該第二中點之一第二二極體。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電路，其中該第一至該第四開關之每一均具一第一端、一第二端與一控制端，且該第一與該第二二極體之每一均具一陽極與一陰極，該第一開關之該第二端與該第一二極體之該陰極耦合於該第一中點，該第二開關之該第一端與該第二二極體之該陽極耦合於該第二中點，該第三開關之該第一端與該第四開關之該第二端耦合於該第三中點，該第一開關之該第一端耦合該第四開關之該第一端與該第二二極體之該陰極於一第一輸入端，該第二開關之該第二端耦合該第三開關之該第二端與該第一二極體之該陽極於一第二輸入端，且該第一與該第二輸入端接收一直流電壓。
  14. 一種逆變器電路，包含：一第一橋臂，包括：一第一子橋臂，包括：一第一開關；以及一第一中點，其中該第一開關耦合於該第一中點；以及一第二子橋臂，包括：一第二開關；以及一第二中點，其中該第二開關耦合於該第二中點；一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第一中點；一第二電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二中點，且該第二端耦合於該第一電感之該第二端；一第三電感，具一第一端與一第二端，其中該第一端耦合於該第二電感之該第二端，且該第三電感之該第二端用於輸出一交流電壓；以及一第二橋臂，包括：一第三開關；一第四開關；以及一第三中點，耦合於該第三開關與該第四開關，且亦用於輸出該交流電壓。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電路，其中該第一子橋臂更包括耦合於該第一中點之一第一二極體，且該第二子 橋臂更包括耦合於該第二中點之一第二二極體。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電路，其中該第一至該第四開關之每一均具一第一端、一第二端與一控制端，且該第一與該第二二極體之每一均具一陽極與一陰極，該第一開關之該第二端與該第一二極體之該陰極耦合於該第一中點，該第二開關之該第一端與該第二二極體之該陽極耦合於該第二中點，該第三開關之該第一端與該第四開關之該第二端耦合於該第三中點，該第一開關之該第一端耦合該第四開關之該第一端與該第二二極體之該陰極於一第一輸入端，該第二開關之該第二端耦合該第三開關之該第二端與該第一二極體之該陽極於一第二輸入端，且該第一與該第二輸入端接收一直流電壓。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之電路，其中該第三電感的電感值相對地大於該第一電感之電感值與該第二電感之電感值，該第一與該第二開關更分別包括一第一與一第二體二極體，該第一電感之電感值以當該第一開關關斷時，能夠防止該第二體二極體之導通為下限，且該第二電感之電感值以當該第二開關關斷時，能夠防止該第一體二極體之導通為下限。
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