TWI441440B

TWI441440B - 多階層反流器

Info

Publication number: TWI441440B
Application number: TW100110909A
Authority: TW
Inventors: Paul Bleus; Thierry Joannes; Francois Milstein
Original assignee: Ce & T S A
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2014-06-11
Also published as: TW201240318A

Description

多階層反流器

本發明係相關於將多階層之直流電源轉換交流電源之反流器（converters），有時也稱為變頻器。
更具體地來說，本發明係相關於一種反流器模組其包含以下之構件：
-三個直流輸入（IN1、IN2、IN3），用於分別接收第一直流電壓（V1）、第二直流電壓（V2）和第三直流電壓（V3），其中 V1> V2> V3，
- 一個第一開關裝置（T1）、一個第二開關裝置（T2）、一個第三開關裝置（T3）和一個第四開關裝置（T4），依序串聯在第一直流輸入（IN1）和第三直流輸入（IN3）之間，而第二直流輸入（IN2）則係設置在第二開關裝置（T2）和第三開關裝置（T3）之串聯之間
- 一個第五開關裝置（T5）和一個第六開關裝置（T6），依序串聯起來，它們一面連接到第一開關裝置（T1）和第二開關裝置（T2）的串聯之間，而另一面它們連接到第三開關裝置（T3）和第四開關裝置（T4）的串聯之間，
- 一個交流輸出（OUT1）連接到第五開關裝置（T5）和第六開關裝置（T6）之間的串聯，提供一個與第二直流輸入（IN2）相關的交流電壓（Va），
- 若干開關控制裝置（switch control means）用來控制六個開關裝置（T1、T2、T3、T4、T5、T6）之中各別開關裝置之接通與斷開的狀態。

本發明之目的即在於提供一個反流器模組，其相較於已知的反流器模組，為具有更高的整體效率（higher overall efficiency）者。
為此，根據本發明之反流器模組，其特徵為，其開關控制裝置是設計成：

*當要在交流輸出（OUT1）上，輸出一個正極交替時，T3和T4和T6都是斷開的、T5是接通的，而T1和T2以互補的方式接通與斷開數次，以及

其設計要能：

*當要在交流輸出（OUT1）上，輸出一個負極交替時，T1和T2和T5都將被斷開、T6則係被接通，而T3和T4以互補的方式令其接通與斷開數次。

重點是，當這種反流器模組投入運作時，用於轉換直流輸入電壓成為交流輸出電壓，在交流輸出電壓的一個完整週期過程中，T5將只被接通與斷開一次，但是，在習知技術的反流器模組中，在同樣的週期過程中，T5將被接通與斷開多數次，（該次數通常為一個非常大數目）。對T6來說，其情形也是一樣。

換言之，本發明的反流器模組，係將T5和T6僅以一個基頻（一階頻率）來作接通與斷開之動作，而該基頻即係交流輸出之頻率，但是，基於習知技術的反流器模組中，T5和T6皆以較高（很高）的頻率來作接通與斷開之動作。

因此之故，在T5和在T6中的開關損耗（switching losses），相較於習知的反流器而言，能得以降低。因此，相較於已知的反流器模組而言，本解決方案有助於提高反流器模組的整體效率。

有利的是，根據本發明的反流器模組，其特徵為，該第一、第二、第三和第四開關裝置（T1、T2、T3、T4）係具有第一規格之半導體元件（semiconductor devices having first specifications），而第五開關裝置（T5）和第六開關裝置（T6）為具有第二規格的半導體元件（semiconductor devices having second specifications），而該第二規格係不同於第一規格者。

一方面藉由對於T5和T6使用具有第一規格之半導體元件，而另一方面相對於T1、T2、T3和T4選用具有第二規格之半導體元件（意即，依該元件原廠資料表中之所示而選用具有不同規格之元件），吾人即可選擇合適之半導體元件，以最佳化該特定開關頻率（specific switching frequency）。

更有利的是，根據本發明的反流器模組，其特徵為，第五開關裝置（T5）和第六開關裝置（T6）所表現的一個半導體本質傳導損耗（intrinsic conduction loss），其為低於第一開關裝置（T1）、第二開關裝置（T2）、第三開關裝置置（T3）和第四開關裝置（T4）各自之本質傳導損耗者。

所謂『半導體本質傳導損耗』（intrinsic conduction loss），我們必須理解該本質傳導損耗，本質上係源自於半導體本身（意即其可自其原廠資料表中之規格數據中得出）。

因此，T5和T6的本質傳導損耗可予以降低，從而，進一步，相較於已知的反流器模組，可提高該反流器模組的整體效率。

圖1為一個整體流程圖，以示意圖方式顯示本發明的一個反流器模組。其包含至少六個開關裝置（T1至T6），其相互聯接為如圖中之所示者，三個直流輸入（IN1、IN2、IN3），用於分別接收三個直流電壓（V1、V2、V3），其關係為V1> V2 > V3，一個交流輸出（OUT1）用來提供一個交流電壓（Va），以及一個開關控制裝置（a switch control means），其經由開關控制線路（CT1至CT6）傳送開關控制信號（C1至C6）用來控制六個開關裝置（T1至T6）中各別開關裝置之接通與斷開的狀態。

該電路拓撲（circuit topology）在現有技術之中是眾所習知的，故在此不再進一步作詳細描述。

在此關注之重點為開關控制裝置其控制開關裝置之接通與斷開狀態之方法。
為此，圖2顯示出一個圖1中本發明的之反流器模組開關表（switching table）。
此表顯示該六個開關裝置之中，各別開關裝置之接通與斷開的狀態係如何藉由開關控制裝置來設定，以決定V1、V2或V3之中的那一個來輸出至交流輸出（OUT1）處。此外，該表的兩個中間列，進一步說明，該交流輸出是如何在V1改變成V2之間，或在V2改變成V3之間，來達成者。一個邏輯符號1對應一個開關裝置之接通的狀態，而一個邏輯符號0對應一個開關裝置之斷開的狀態。

吾人可以容易地讀取該表，例如，為了將交流輸出提昇到V1階層，T5和T1都要是接通的，而T2、T3、T4和T6都要是斷開的。為了要將交流輸出從V1階層轉變至V2階層，T5要是保持接通的，T1要是斷開的，T2要是接通的，而T3、T4和T6都是要是保持斷開的。

在交流輸出之中，正極和負極之交替變化，得以基於此表的開關規則（based on the switching rules of this table）而產生。

進一步來說：

*為了在交流輸出（OUT1）之中，提供一個相對於第二直流輸入（IN2）而言之正極交替（a positive alternation），T5要是接通的，而T1和T2要以互補的方式接通與斷開數次（即，若T1是接通的，則T2是斷開的，反之亦然），而T3、T4和T6要是保持斷開的，

以及

*為了在交流輸出（OUT1）之中，提供一個相對於第二直流輸入（IN2）而言之負極交替（a negative alternation），則T6要是接通的，而T3和T4要以互補的方式接通與斷開數次（即，若T3是接通的，則T4是斷開的，反之亦然），而T1、T2和T5要是保持斷開的。

因此，在交流電壓（Va）的一個完整週期（Ta = 1/Fa）期間，T5僅被接通與斷開一次，T6僅被接通與斷開一次，而T1、T2、T3和T4則各自需被接通與斷開數次。
有利的是，V2 = (V1–V3)/2，以利交流電壓（Va）的正負交替得以平衡。
圖3顯示在本發明之控制條件下，由開關控制裝置所產生的開關控制信號（CT1至CT6）之波形之示例，以及在圖1反流器模組的交流輸出（OUT1）中，所產生之交流電壓（Va）波形之實施例。

在此圖中，Va係為相對於V2之電壓（標記為Va2），因為交流輸出此時係為OUT1和IN2之間的電壓。

此處之波形僅顯示了Va的第一個完整循環之週期（Ta = 1/Fa）。隨後的循環週期可能相同或不同於此已示出的第一個完整循環週期，這取決於吾人是否要令Va為週期型式的（periodical）。有利的是，全部的循環週期都大致相同。
正極交替（當Va高於V2）並不一定必須與負極交替（當Va低於V2）持續相同的時間（Ta/ 2）：吾人可根據所需的Va波形，而令其涵蓋一個較長（> Ta/2）或一個較短（< Ta/2）的時間。

吾人必須同時了解，在實際實施的條件下，可能藉由開關控制裝置，在開關控制信號之間，穿插一些簡短的等待時間（some brief dead time），以利一對互補組合（T1/T2、T3/T4、T5/T6）的兩個開關裝置，在這個轉換期間的少量時間之中，可以都是接通的或都是斷開的，而這樣做也是沒有脫離本發明的範圍的。

在此例中，在正極交替的期間內，T1被接通與斷開三次，而在負極交替的期間，T3被接通與斷開三次。

有利的是，該開關控制裝置，開關T1和/或T3的接通與斷開之頻率，可令其遠高於在交流輸出之Va的基本頻率（Fa = 1/Ta），因為這樣可以允許在交流輸出之中使用較小的過濾裝置（例如圖5中使用較小的自感應線圈L1）。

在交流輸出之中，基頻（Fa）可能通常是一個在1 Hz和1 KHz之間的數值，而T1和/或T3則正常要被以1 KHz和500 KHz之間的頻率來接通與斷開。例如，以提供一個基本的交流輸出頻率（Fa）50Hz的情況下，T1和/或T3可以以15 KHz的頻率來被接通與斷開。

此外，T1和/或T3可依據習知的脈波寬度調變（PWM, Pulse Width Modulation）方案或任何其它適當的方案，來被接通與斷開。

有利的是，該開關裝置為可主動控制之半導體元件（actively controllable semiconductor devices），如晶體管型元件（transistor-type devices）或晶閘管開關型元件（thyristor-type devices）。

有利的是，選擇用於T1、T2、T3和T4的那些半導體元件，不同於選擇用於T5和T6的那些半導體元件。例如，吾人可以選擇使用下列半導體元件之組合：
T1、T2、T3、T4：一個第一類型之絕緣閘雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistors,IGBT, offirst type），以及
T5、T6：一個不同於第一類型（根據其數據表,data sheet）之第二類型絕緣閘雙極晶體管（IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistors of a second type）；
或
T1、T2、T3、T4：一個第一類型之絕緣閘雙極晶體管（IGBT），以及
T5、T6：集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristors,IGCT），
或
T1、T2、T3、T4：金屬氧化層場效晶體管（Metal Oxide Sem. Field Effect Transistor, MOSFET），以及
T5、T6：集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristors,IGCT），
或
T1、T2、T3、T4：集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristors,IGCT），以及
T5、T6：閘控可關斷晶閘管（Gate Turn Off Thyristor,GTO）。

圖4示反流器模組的一個實施例，其使用絕緣閘雙極晶體管（IGBT），其分別提供給每個IGBT（T1至T6）依反向平行（anti-parallel）的方式安裝一個IGBT之續流二極管（freewheel diode）（D1至D6）。

有利的是，用於T5和T6的半導體元件，具有相較於用於T1、T2、T3和T4的半導體元件而言，更低的傳導損耗。正如技術人員眾所周知的，半導體元件的傳導損耗，主要取決於其正向壓降（forward voltage drop）及其通態電阻（on-state resistance），兩者都會存在於伴隨該元件的數據表（data sheet）中。至於半導體元件之計算或測量傳導損耗的一些方法，也是眾所周知的。

更為有利的情況為， T1、T2、T3和T4是晶體管型元件（transistor-type devices），例如是IGBT，而其中T5和T6是晶閘管開關型元件（thyristor-type devices），如IGCT。

圖5顯示圖4中所示意之反流器模組的一個應用實施例。在此例之中，兩個電池（B1、B2）和兩個平行的緩衝電容器（C1、C2），係被連接到反流器模組的直流輸入上，如圖中之所示者，以供給三個直流電壓（V1、V2、V3）。一個低通濾頻器（A low-pass filter: L1、C3）係被連接至反流器模組的交流輸出（OUT1）上，用於過濾Va的高階頻率，其根據眾所周知的過濾方法。為了清楚起見，開關控制裝置（the switch control means）並不顯示在這個圖中。

一個交流負載（Z）係被連接於低通濾頻器（OUT2）輸出與第二個直流輸入（IN2）之間。因此，當該系統投入運作時，電池的直流電壓將被轉換成為一個，例如說，大致上，相對於V2（=V_N ）的正弦交流電壓（V_AC ）。
圖6以示意方式顯示依據本發明的一個五階層反流器。為了清楚起見，開關控制裝置和開關控制線路（the switch control means and the switch control lines），皆不顯示在此圖之中，但我們必須明白，其類似於圖1所顯示的部分，即開關控制線路Ci，控制Ti的接通與斷開之開關，而開關控制信號CTi是藉由開關控制裝置傳送至開關控制線路Ci之信號。我們也應注意，圖6顯示的虛線部分，不代表電氣連接，而是對稱的拓撲軸線（topological axes of symmetry）。

這種五階層反流器至少包含兩個三階層反流器模組（MOD-A1、MOD-A2），兩個模組各自為一個基本的三階層反流器模組（MOD-A1），其設計與控制皆如上文之描述。第一反流器模組之第三直流輸入（MOD-A1），連接至第二反流器模組（MOD-A2）之第一直流輸入，使反流器呈現五個直流輸入，用於分別接收五個直流電壓（V1至V5），其關係為V1 >V2 >V3 >V4 >V5

。
最有利的是，V3=(V1+V5)/2、V2=(V1+V3)/2，以及V4=(V3+V5)/2。

此外，兩個附加的開關裝置（T13、T14），串聯在第一反流器模組（MOD-A1）的第一交流輸出（OUT- A1）與第二反流器模組（MOD-A2）的第二交流輸出（OUT- A1）之間，而中點在T13和T14之間，為該反流器的交流輸出（OUT1）。

為了在交流輸出（OUT1）之中，輸出一個相對於第三直流輸入（即相對於V3）的正極交替，T13要是被接通的，而T14如同T11、T12、T5、T6、T7和T8是要被斷開的，而T9、T10、T1、T2、T3和T4則係根據圖2和圖3之設計而被接通與斷開，來傳送V1或V2或V3至交流輸出。

為了在交流輸出（OUT1）之中，輸出一個相對第三直流輸入（即相對V3）的負極交替，T14要是被接通的，而T13如同T9,T10, T1,T2,T3和T4是要被斷開的，而T11,T12,T5,T6,T7和T8則係根據圖2和圖3之設計而被接通與斷開，來傳送V3或V4或V5至交流輸出。

圖7顯示根據本發明之控制之開關控制信號（CT1至CT14）的各種示例波形，以及在圖6五階層反流器的交流輸出（OUT1）之中所產生出之交流電壓（Va）的結果波形。
對於技術人員來說，現在即可以清楚得知，如何建立和控制2ⁿ +1階層（2的n次方加1，其中n=1,2,3,4...）的多階層反流器。因此，本發明為相關於這些任何及全部之各類多階層反流器者。

一個如同上文描述的實施例的九階層反流器（n=3），其至少包含兩個五階層反流器（MOD-B1、MOD-B2），係示意圖於圖8之中者。

圖9以示意方式顯示依據本發明的一個三階層之三相反流器。其至少包含三個反流器模組（MOD-A1、MOD-A2、MOD-A3），而構成三個相腳（constituting the three phase legs），每個模組皆為上文描述的模組（MOD-A）之一。每個模組的第一直流輸入（V11、V12、V13）和第三直流輸入（V31、V32、V33），皆被連接至一個直流導線（a DC rail,V+、V-），如該圖中所示者，而每個模組的第二直流輸入（V21、V22、V23），則係被連接至一個電容器組（C、C）的中點，亦如該圖中之所示者。其所提供的開關控制信號（未顯示），皆係互相有相移120度（phase-shifted by 120 degrees）者，以控制三個反流器模組之中之每一個（即每個相腳，i.e. for each phase leg），因而三相交流電壓將得以傳送至輸出（Va1、Va2、Va3）中，而以電容器組中點之電壓（Vo）為中性點（neutral point）。

本發明已藉數個具體實施例而得以描述，唯該些具體實施例其為本發明的說明例，而絕非將本發明限制於此具體實施例之範圍內。更一般而言，熟習該項技術者將會了解，本發明並不受限於上文所特別示出和/或描述出的各項內容。本發明實包括每項及所有各項俱有新穎性之特徵與特點，以及該每項及所有各項俱有新穎性的特徵與特點之各種組合。

申請專利範圍各項中所使用之元件符號，並非限制各該元件之保護範圍者。
動詞『包含』、『包括』、『構成』的使用，或任何其它的詞語變體，如同其各自的連接詞受詞，皆不排除該說明以外的其它元件之存在。

冠詞『一』、『一個』，或『該』的使用，加在一個元件之前，不排除有複數個該類元件存在之情況。

總結而言，本發明同時也可說明如下：
一種將多階層直流電源轉換為交流電源的反流器，至少包含三個直流輸入（IN1、IN2、IN3），用於分別接收三個直流電壓（V1、V2、V3），其中V1>V2 >V3；一個交流輸出（OUT1），用於提供一個交流電壓（Va），將一組為至少六個的開關裝置（T1、T2、T3、T4、T5、T6），安排於一個對稱的金字塔樣式之安排之中，如圖1所示；以及開關的控制裝置，用於控制六個開關裝置之中每個接通與斷開的狀態。此開關控制裝置是配置成為，上端的兩個開關裝置（T5、T6）是於交流電壓的一個基頻（Fa）上，以互補的方式被接通與斷開，傳送一個該基頻之交流電壓至交流輸出處（OUT1），而其它四個開關裝置（T1、T2、T3、T4）之中至少有些是被控制在更高的頻率上作接通與斷開者。因此，前面兩個開關裝置（T5、T6），受到較低的開關損耗（subject to lower switching losse），從而提高反流器的整體效率。

B1．．．電池1

B2．．．電池2

C1．．．開關控制信號1，緩衝電容器1

C2．．．開關控制信號2，緩衝電容器2

C3．．．開關控制信號3，電容器3

C4．．．開關控制信號4

C5．．．開關控制信號5

C6．．．開關控制信號6

CT1．．．開關控制線路1

CT2．．．開關控制線路2

CT3．．．開關控制線路3

CT4．．．開關控制線路4

CT5．．．開關控制線路5

CT6．．．開關控制線路6

D1．．．續流二極管1

D2．．．續流二極管2

D3．．．續流二極管3

D4．．．續流二極管4

D5．．．續流二極管5

D6．．．續流二極管6

Fa．．．交流電頻率

IN1．．．直流輸入1

IN2．．．直流輸入2

IN3．．．直流輸入3

L1．．．自感應線圈1

L1,C3．．．低通濾頻器

MOD-A．．．基本型三階層反流器模組

MOD-A1．．．三階層反流器模組1

MOD-A2．．．三階層反流器模組2

MOD-A3．．．三階層反流器模組3

MOD-B1．．．五階層反流器模組1

MOD-B2．．．五階層反流器模組2

OUT1．．．交流輸出1

OUTA1．．．相對於V1之交流輸出電壓

OUTA2．．．相對於V2之交流輸出電壓

t．．．時間

T1．．．開關裝置1

T10．．．開關裝置10

T11．．．開關裝置11

T12．．．開關裝置12

T13．．．開關裝置13

T14．．．開關裝置14

T15．．．開關裝置15

T16．．．開關裝置16

T2．．．開關裝置2

T3．．．開關裝置3

T4．．．開關裝置4

T5．．．開關裝置5

T6．．．開關裝置6

T7．．．開關裝置7

T8．．．開關裝置8

T9．．．開關裝置9

Ta．．．交流電週期

V-．．．直流輸入負極導線

V+．．．直流輸入正極導線

V1．．．直流電壓1

V11．．．第一直流輸入1

V12．．．第一直流輸入2

V13．．．第一直流輸入3

V2．．．直流電壓2

V21．．．第二直流輸入1

V22．．．第二直流輸入2

V23．．．第二直流輸入3

V3．．．直流電壓3

V31．．．第三直流輸入1

V32．．．第三直流輸入2

V33．．．第三直流輸入3

V4．．．直流電壓4

V5．．．直流電壓5

VA．．．輸出交流電壓

Va1．．．輸出交流電壓第1相

Va2．．．輸出交流電壓第2相

Va3．．．輸出交流電壓第3相

VAC．．．交流輸出

VN．．．交流輸出中線

z．．．交流負載

本發明在這些方面與其它進一步方面之細節，將藉由實施例以及參考所附之圖來更詳細加以解釋，其中：

圖1為根據本發明的一個反流器模組之示意圖；

圖2顯示圖1中反流器模組之開關表（Switching table）；

圖3顯示圖1所示意反流器模組之典型之控制信號和輸出電壓之波形；

圖4顯示圖1所示意的反流器模組之一個實施例；

圖5顯示圖4所示意之反流器模組的一個應用之實施例；

圖6以示意方式顯示依據本發明的一個五階層反流器；

圖7顯示圖6五階層反流器之典型控制信號和輸出電壓波形；

圖8以示意方式顯示根據本發明的一個九階層反流器；

圖9以示意方式顯示依據本發明的一個三階層之三相反流器；

這些圖表並非係按實際比例繪製而成者。一般來說，在各圖之中，相同構件皆由相同的元件符號所表示。