TWI451684B - 三相ac-dc變換電路和其變換方法與控制系統 - Google Patents

三相ac-dc變換電路和其變換方法與控制系統 Download PDF

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Description

三相AC-DC變換電路和其變換方法與控制系統
本發明係有關於電力電子技術領域，特別係有關於功率變換器的三相AC-DC變換電路、三相AC-DC變換電路的變換方法及三相AC-DC變換電路的控制系統。
隨著電力電子技術的發展，對電力電子變換器的輸入電流的諧波含量要求越來越高。以三相功率因數校正(PFC，Power Factor Correction)電路來說，其輸入電流的諧波主要來自高頻開關器件切換時所造成的電流脈動，因而，為減小該輸入電流的諧波，在高頻開關器件的開關頻率保持不變的情形下，習知技術中的一種解決方式是在於，增加三相PFC電路中的電感量或提高EMI環節的濾波效果，以減少電流脈動。但是，無論是增大PFC電路中的電感量還是EMI環節中的濾波電感，均會導致電感體積的增大。
另一方面，在電力電子變換器中，考慮電路的可靠性和生產的簡便，往往採用多級電路的級聯結構，因而在級聯時幾乎都具有直流母線(DC Bus)，並且在直流母線上往往並聯很大的電解電容。舉例來說，常見的通信電源模組，通常使用具有直流母線的兩級 結構，前級電路通常是功率因數校正電路，後級電路通常是直流-直流變換電路。在前級電路和後級電路穩態工作時，注入電流的平均值與抽取電流的平均值相同，但注入電流和抽取電流各自的暫態電流不同，藉由該電解電容僅使交流電流通過，以平衡前後兩級暫態功率的不平衡。
然而，電解電容在功率變換器中也會佔據很大的體積，成本也很高。此外，由於電解電容自身的工藝特點，其工作時需要盡可能地降低它的溫升來延長使用壽命。一般來說，電解電容溫度的升高，主要包括兩方面的因素，其一是交流電流在其等效串聯電阻上的損耗，其二是由於環境溫度及散熱條件對它的影響，也包括其他發熱元件對它的溫度影響。在習知技術中，針對電解電容發熱問題，一種解決方式是在於增加電解電容的數量或體積，以便減小其等效串聯電阻，進而降低損耗。但是，電解電容的數量增加或體積增大勢必會增大整個系統的體積，導致變換器的功率密度降低。另一解決方式是僅僅增強電解電容的散熱能力，諸如增大系統的風量，但系統若運行在高溫環境下，電解電容的散熱效果並不明顯。
有鑑於此，如何設計一種新的功率變換器，以便減小其輸入電感、降低電解電容的溫升、提高功率變換器的功率密度，是業內相關技術人員亟待解決的課 題。
針對習知技術中的功率變換器在提升功率密度時所存在的上述阻礙，本揭示內容提供一種三相AC-DC變換電路、變換方法及其控制系統。
本揭示內容之一態樣係在於提供一種三相AC-DC變換電路，包括一三相交流源、一第一、第二和第三AC-DC變換模組、一直流側輸出端。該三相交流源包括一第一輸出端、一第二輸出端和一第三輸出端，藉由第一輸出端、第二輸出端和第三輸出端來輸出三相交流電。該第一AC-DC變換模組電性連接至該三相交流源的第一輸出端，其包括N1個並聯連接的AC-DC變換器。該第二AC-DC變換模組電性連接至該三相交流源的第二輸出端，其包括N2個並聯連接的AC-DC變換器。該第三AC-DC變換模組電性連接至該三相交流源的第三輸出端，其包括N3個並聯連接的AC-DC變換器。該直流側輸出端與第一變換模組、第二變換模組和第三AC-DC變換模組的相互並聯的輸出端電性連接，用以輸出一直流電壓。其中，N1、N2和N3均為自然數，N1、N2和N3中的至少一個大於或等於2。
在一些實施例中，該AC-DC變換器包括一輸入電 感和一整流電路，輸入電感電性連接於三相交流源與整流電路之間。直流側輸出端也並聯接有一直流母線電容。該整流電路為半橋、全橋或維也納整流電路。該三相AC-DC變換電路還包括一驅動控制器，驅動控制器控制第一變換模組、第二變換模組和第三AC-DC變換模組中各自的AC-DC變換器運行，且控制同一AC-DC變換模組中的N個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間以預設相位差運行，N為大於等於2的自然數。
在一些實施例中，N1、N2和N3可取均大於或等於2。N1、N2和N3均等於2時，同一個AC-DC變換模組中的兩個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間預設的相位差大於0°且小於等於180°。N1、N2和N3均大於等於3時，同一AC-DC變換模組中的第N個AC-DC變換器與第N-1個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差等於第N-1個AC-DC變換器與第N-2個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差。當然，在其他的實施例中，對於N1、N2和N3均大於等於2情況，同一AC-DC變換模組中兩個變換器的驅動控制信號之間的預設相位差也可以不相等，視不同設計要求而定。
在另一些實施例中，三個AC-DC變換模組中每個AC-DC變化模組中兩個AC-DC變換器之間驅動控制 信號之間的預設相位差等於360°/N。N代表該AC-DC變換模組中AC-DC變換器的個數。
本揭示內容之另一態樣係在於提供三相AC-DC變換電路的變換方法。在該變換方法中，首先提供一三相AC-DC變換電路和一三相交流源，三相AC-DC變換電路包括至少三個AC-DC變換模組，分別對應連接三相交流源中的一相，三個AC-DC變換模組之中至少有一個AC-DC變換模組包括多個並聯連接的AC-DC變換器，三個AC-DC變換模組的輸出端並聯連接作為三相AC-DC變換電路的直流側輸出端。接著，在包括多個並聯連接的AC-DC變換器的至少一個AC-DC變換模組中，控制多個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間以預設相位差運行，以實現交流到直流的變換。
在一些實施例中，AC-DC變換器設置有一輸入電感和一整流電路。該輸入電感設置於該三相交流源與該整流電路之間。此外，整流電路設置為維也納整流電路。
在一些實施例中，AC-DC變換電路設置三個AC-DC變換模組均包括兩個或兩個以上並聯連接的AC-DC變換器。控制三個AC-DC變換模組中的每一AC-DC變換模組各自的AC-DC變換器的驅動控制信號之間以預設相位差運行。控制同一個AC-DC變換模 組中的兩個AC-DC變換器的驅動控制信號之間的相位差等於360°/N，或者根據設計需要設定同一個AC-DC變換模組中兩個AC-DC變換器的驅動控制信號之間的相位差，並非侷限於360°/N。
本揭示內容之又一態樣係在於提供三相AC-DC變換電路的控制系統。該控制系統包括一三相參考電流生成電路、多個電流誤差調節器和一驅動控制器。該三相參考電流生成電路接收三相AC-DC變換電路直流側輸出端的電壓信號、一參考輸出電壓信號以及三相交流源每一相的相電壓信號，輸出一三相參考電流信號。電流誤差調節器的數目與AC-DC變換器的數目相等，每一電流誤差調節器接收三相參考電流信號中的一相參考電流信號和與電流誤差調節器接收的相參考電流信號對應的AC-DC模組中一AC-DC變換器的輸入電流採樣信號，輸出一電流調節信號用於調節所接收的輸入電流採樣信號對應的AC-DC變換器。該驅動控制器存儲有AC-DC變換模組中兩個或兩個以上的AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差，接收多個電流誤差調節器輸出的多個電流調節信號，基於存儲的AC-DC變換模組中AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差，輸出對應於每個AC-DC變換模組中AC-DC變換器的驅動控制信號。
在一些實施例中，該三相參考電流生成電路包括一電壓調節器和一參考電流構建器。該電壓調節器接收AC-DC變換電路直流側輸出端的電壓信號和參考輸出電壓信號，輸出一電壓調節信號。該參考電流構建器接收電壓調節信號和三相交流源每一相的相電壓信號，輸出三相參考電流信號。在此些實施例中，參考電流構建器包括三個乘法器，三個乘法器一對一接收三相交流源每一相的相電壓信號，三個乘法器均接收電壓調節信號，每個乘法器將電壓調節信號與接收的相電壓信號相乘輸出三相參考電流信號中的一相參考電流信號，三個乘法器輸出三相參考電流信號。其中，電壓調節器為比例積分調節器、比例積分微分調節器或比例調節器。電流誤差調節器為比例積分調節器、比例積分微分調節器或比例調節器。
採用本發明的三相AC-DC變換電路、變換方法及其控制系統，通過至少一個AC-DC變換模組中的兩個或兩個以上並聯連接的AC-DC變換器並聯交錯工作，使電感在較小感量下可得到較小的輸入電流紋波，也可提高功率變換器的功率密度。若本發明的三相AC-DC變換電路輸出端並接有一直流母線電容，本發明提供的三相AC-DC變換電路可有效降低流過直流母線電容的電流有效值，緩解直流母線電容發熱問題。
為了使本申請所揭示之技術內容更加詳盡與完備，可參照附圖以及本發明之下述各種具體實施例，附圖中相同之標記代表相同或相似之組件。然而，本領域的普通技術人員應當理解，下文中所提供的實施例並非用來限制本發明所涵蓋之範圍。此外，附圖僅僅用於示意性地加以說明，未依照其原尺寸進行繪製。
下面參照附圖，對本發明各個方面的具體實施方式作進一步的詳細描述。
第1圖係繪示一種三相AC-DC變換電路的電路框圖。參照第1圖，該三相AC-DC變換電路採用維也納(Vienna)整流電路架構，並且，該三相AC-DC變換電路中的每一相均包括單個變換器。以R相為例，該變換器包括電感L1，二極體D1和D2串聯組成的第一橋臂，開關管Q1和Q2串聯組成的第二橋臂，以及二極體D3和D4。其中，電感L1連接於三相交流源的R相與第一橋臂的中點之間，二極體D3設置於第一橋臂的上橋臂端與直流側輸出端的正輸出端子，二極體D4設置於第一橋臂的下橋臂端與直流側輸出端的負輸出端子，並且二極體D3和D4的設置方向相反。
第2圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在一個工頻(fline)週期內的電流波形。第 3圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在5個開關週期(Ts)內的電流波形。
請參照第2圖和第3圖，以三相交流電200VAC RMS(Root Mean Square，均方根)，直流母線電壓800V，功率12kW，開關管的開關頻率20kHz為例，若電感L1、L2和L3的感量均為600uH，則流經R相的電流，亦即，流過R相上的電感L1的電流在一個工頻週期內的電流紋波有效值為2A，該電流波形的THD(Total Harmonic Distortion，總諧波失真)為10.05%，如第2圖所示。而第3圖為流經R相的電流在5個開關週期(即從20Ts到25Ts)內的電流波形。
第4圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在一個工頻週期內的電流波形。第5圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在5個開關週期內的電流波形。
請參照第4圖和第5圖，若三相AC-DC變換電路後級為阻性負載僅吸收直流電流，則流經直流母線電容C1的電流在一個工頻週期內的電流紋波有效值為12.89A，如第4圖所示。第5圖為流過直流母線電容C1的電流在5個開關週期(即從0到5Ts)內的電流波形。
從以上內容可以得出，在該三相AC-DC變換電路 中，雖然Vienna電路具有效率高、開關頻率高、可使用低耐壓半導體器件和綜合成本低等優點。然而，該變換電路中的輸入電流的紋波成分較大，並且直流母線並聯的電解電容的溫升較大。為了降低輸入電流諧波、降低電容溫升，對應地需要增大變換電路的體積，因而會導致變換電路的功率密度降低。
第6圖係繪示依據本發明的一實施方式的三相AC-DC變換電路的電路框圖。參照第6圖，該三相AC-DC變換電路包括一三相交流源10、一第一AC-DC變換模組21、一第二AC-DC變換模組22、一第三AC-DC變換模組23和一直流側輸出端。
具體來說，該三相交流源10包括一第一(R相)輸出端、一第二(S相)輸出端和一第三(T相)輸出端，藉由該R相、S相和T相各自的輸出端來輸出三相交流電。第一AC-DC變換模組21電性連接至三相交流源10的第一輸出端，其包括N1個並聯連接的AC-DC變換器(AC/DC變換器1，AC/DC變換器2，...，AC/DC變換器N1)；第二AC-DC變換模組22電性連接至三相交流源10的第二輸出端，其包括N2個並聯連接的AC-DC變換器(AC/DC變換器1，AC/DC變換器2，...，AC/DC變換器N2)；第三AC-DC變換模組23電性連接至三相交流源10的第三輸出端，其包括N3個並聯連接的AC-DC變換器(AC/DC變換器1， AC/DC變換器2，...，AC/DC變換器N3)。其中，N1、N2和N3均為自然數，N1、N2和N3中的至少一個大於或等於2。
請參閱第7圖，第7圖例舉了在本發明三相AC-DC變換電路的實施例中，包含大於等於2個並聯的AC-DC變換器的AC-DC變換模組，對應於其中兩個AC-DC變換器的兩個驅動控制信號U1和U2。從第7圖可看出此兩個驅動控制信號之間存在一預設相位差，可實現同一AC-DC變換模組中兩個AC-DC變換器的錯相工作。
第8圖~第11圖例舉了本發明三相AC-DC變換電路中AC-DC變換模組所包括的AC-DC變換器的拓撲圖結構，但並不局限於此。如第8圖至第11圖所示，R相並聯的AC-DC變換器R1、R2，S相並聯的AC-DC變換器S1、S2和T相並聯的AC-DC變換器T1、T2，每一AC-DC變換器包括一輸入電感和一整流電路，輸入電感電性連接於三相交流源與整流電路之間。第8圖~第11圖例舉的整流電路的結構有半橋、全橋或維也納整流電路。由於這些整流電路的結構為本領域人員所熟知，所以不在這進一步具體的描述。
第8圖~第11圖雖然例舉了三相AC-DC變換電路中三個AC-DC變換模組均包括兩個或兩個以上的AC-DC變換器的實施例，然而三相AC-DC變換電路 中只要有一個AC-DC變換模組採用多個AC-DC變換器並聯的結構，可使得該AC-DC變換模組中的輸入電流諧波減小。該AC-DC變換模組中的多個輸入電感總體積相對同功率的僅包含一個AC-DC變換器的AC-DC變換模組所采用的輸入電感的體積可得到一定程度地減小。當然三個AC-DC變換模組均採用多個AC-DC變換器並聯的結構可使本發明AC-DC變換電路的三相輸入電流的諧波均得到抑制。
此外，在第8圖~第11圖所例舉的本發明三相AC-DC變換電路的實施例，三相AC-DC變換電路還包括一驅動控制器，在第6圖，第8圖~第11圖中並未示意出。如第6圖所示，該驅動控制器控制第一、第二和第三AC-DC變換模組21、22和23中各自的AC-DC變換器運行，且控制同一AC-DC變換模組中的N個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間以預設相位差運行，實現同一個AC-DC變換模組中N個AC-DC變換器的驅動信號之間錯相工作即可。其中，N為大於等於2的自然數。
如第6圖、第8圖~第11圖所示，直流側輸出端包括正輸出端子OUT1和負輸出端子OUT2，其與第一變換模組、第二變換模組和第三AC-DC變換模組的相互並聯的輸出端電性連接，用來輸出一直流電壓。該直流側輸出端可如第8圖~第11圖所示，直流側輸 出端並聯接有一直流母線電容支路，直流母線電容支路包括兩相互串聯的直流母線電容C1和C2。也可如第9圖所示，兩直流母線電容共接於一中點，中點與所述三相交流源的中性點N電性連接。或者，如第11圖所示，直流側輸出端並聯接有一直流母線電容C1。
因此，無論本發明三相AC-DC變換電路直流輸出端連接有何種拓撲結構的直流母線電容，三相AC-DC變換電路中只要有一包含多個AC-DC變換器的AC-DC變換模組中多個AC-DC變換器的驅動控制信號之間相互錯相，實現多個AC-DC變換器的錯相工作，可使流過AC-DC變換電路直流輸出端的直流母線電容的電流有效值降低，從而緩解直流母線電容的發熱問題，也可使直流母線電容值得到一定程度降低。當然，若三個AC-DC變換模組中均有多個AC-DC變換器，且每個AC-DC變換模組中的多個AC-DC變換器錯相工作，可獲得更好的效果，不在這贅述了。
第8圖至第11圖例舉的本發明三相AC-DC變換電路的實施例為三個AC-DC變換模組均包含兩個AC-DC變換器的情況。對於N等於2的情況，同一個AC-DC變換模組中的兩個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間預設相位差大於0°且小於等於360°/2。當然，在本發明AC-DC變換電路的其他一些實施例中，也會存在N大於等於3的情況，同一AC-DC變 換模組中的兩個AC-DC變換器的驅動信號之間的預設相位差可以相同，也可以不同。在另一些實施例中，為簡化AC-DC變換模組中各AC-DC驅動控制信號設置和控制，對與N大於等於3的情況，第N個AC-DC變換器與第N-1個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差等於第N-1個AC-DC變換器與第N-2個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差。無論實施例是上述N的何種情況，同一個AC-DC變換模組中兩AC-DC變換器的預設相位差大於0°且小於等於360°/N。然而，在一些實施例，在達到本發明所要解決的問題前提下，進一步簡化AC-DC變換模組的控制，也可以將包含N個AC-DC變換器的同一AC-DC變換模組中兩個AC-DC變換器的驅動控制信號之間的預設相位差均設置為360°/N。
本領域的技術人員應當理解，第6圖不僅可用來闡述本發明的三相AC-DC變換電路的電路框圖，也可用於說明與該三相AC-DC變換電路相對應的變換方法。在該變換方法中，提供一三相AC-DC變換電路和一三相交流源。其中，該三相AC-DC變換電路包括至少三個AC-DC變換模組，它們分別對應連接該三相交流源中的一相，並且這些AC-DC變換模組之中至少有一個AC-DC變換模組包括兩個或兩個以上並聯連接的AC-DC變換器。三個AC-DC變換模組的輸出端並 聯連接作為該三相AC-DC變換電路的直流側輸出端。在包括多個並聯連接的AC-DC變換器的至少一個AC-DC變換模組中，控制這些AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間以預設相位差運行，以實現交流到直流的變換。
在本發明三相AC-DC變換電路的變換方法的一些實施例中，該三相AC-DC變換電路設置三個AC-DC變換模組均包括兩個或兩個以上並聯連接的AC-DC變換器。對應地，控制三個AC-DC變換模組中的每一AC-DC變換模組各自的AC-DC變換器的驅動控制信號之間以預設相位差運行。
第7圖係繪示第6圖的三相AC-DC變換電路中，同一相的兩個AC-DC變換器各自的驅動控制信號的電壓波形。請參照第7圖，以三相AC-DC變換電路中的第一AC-DC變換模組為例，U1為該變換模組的一AC-DC變換器的驅動控制信號的電壓波形，U2為該變換模組的另一AC-DC變換器的驅動控制信號的電壓波形，並且上述兩個電壓波形之間的週期差為Ts/n，Ts為AC-DC變換器中的開關管的開關週期，對應地，兩個驅動控制信號的電壓波形的相位差相差360°/N。對於三相AC-DC變換電路中同一個AC-DC變換模組中多個AC-DC變換器的驅動控制信號的控制方法以上AC-DC變換電路的實施例中有描述，因 此，不在此做重複的說明。
以下為基於第9圖所示AC-DC變換電路的變換方法，對此變換方法所存在的優點進行進一步補充說明。第12圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在一個工頻週期內的電流波形。第13圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在5個開關週期內的電流波形。
請參照第12圖和第13圖，以三相交流電200VAC RMS(Root Mean Square，均方根)，直流母線電壓800V，功率12kW，開關管的開關頻率20kHz為例進行說明，電感L1、L2、L3、L4、L5和L6的感量均為600uH。採用本發明的三相AC-DC變換電路後，流過R相的電流在一個工頻週期內的電流紋波有效值為0.9A，該電流波形的THD(Total Harmonic Distortion，總諧波失真)為4.5%，如第12圖所示。而第13圖為流經R相的電流在5個開關週期(即從20Ts到25Ts)內的電流波形。相比於第2圖和第3圖，流過R相的電流在一個工頻週期內的電流紋波有效值從2A降為0.9A，並且電流波形的THD也從10.05%減小至4.5%。由此可知，在每一AC-DC變換模組中設置至少兩個AC-DC變換器使其各自開關管的驅動控制信號以預設相位差錯相工作，可使輸入電流的紋波成分減小，也可改善其THD參數指標。
在一具體實施例中，為了達到相同的輸入電流諧波要求，即電流諧波維持不變的情況下，在每一AC-DC變換模組中設置至少兩個AC-DC變換器使其各自開關管的驅動控制信號以預設相位差錯相工作，也可使每一AC-DC變換器的輸入電感的感量減小。這是因為，儘管輸入電感的數量增多，但是在本實施例中，包含兩個AC-DC變換器的AC-DC變換模組中每個AC-DC變換器所分擔的功率相對同功率僅包含一個AC-DC變換器的AC-DC變換模組承擔的功率要小，每個AC-DC變換器中輸入電感的電流相對同功率僅包含一個AC-DC變換器的AC-DC變換模組中輸入電感的電流要小。因此，包含多個AC-DC變換的AC-DC變換模組的輸入電感可使用磁芯體積或繞線直徑更小的電感，從而使得在相同功率條件下，多個輸入電感的總體積可比僅包含一個AC-DC變換器的AC-DC變換模組的輸入電感體積小，可容易達到高功率密度的效果。
第14圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在一個工頻週期內的電流波形。第15圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在5個開關週期內的電流波形。
請參照第14圖和第15圖，若三相AC-DC變換電 路後級為阻性負載僅吸收直流電流，則流經直流母線電容C1的電流在一個工頻週期內的電流紋波有效值為6.7A。因此，從電容溫升角度考慮，在電容相同溫升的設計要求下，本發明的三相AC-DC變換電路可以減少電容使用量，降低成本。若從直流母線電容大小考慮，在電容值相同情況下，本發明的三相AC-DC變換電路可有效緩解電容發熱問題，延長直流母線電容的使用壽命。此外，由於每一AC-DC變換模組中均至少有兩個並聯連接的AC-DC變換器錯相運行，因而可達到倍頻的效果，即輸入電流波動頻率為開關頻率的2倍，對比第3圖和第13圖可看出。第15圖為流過直流母線電容C1的電流在5個開關週期(即從0到5Ts)內的電流波形，同樣對比第5圖和第15圖可得知，本實施例中流過直流母線電容C1的電流波動頻率為開關頻率的2倍。
第16圖係繪示依據本發明的另一實施方式的用於三相AC-DC變換電路的控制系統的電路原理示意圖。參照第16圖，該控制系統包括一三相參考電流生成電路161、多個電流誤差調節器163和一驅動控制器165。
其中，三相參考電流生成電路161接收三相AC-DC變換電路直流側輸出端的電壓信號VO、參考輸出電壓信號VREF以及三相交流源每一相的相電壓 信號，輸出一三相參考電流信號，即R相參考電流信號IRref、S相參考電流信號ISref和T相參考電流信號ITref。
電流誤差調節器163的數目與三相AC-DC變換電路的AC-DC變換器的數目相等，每一電流誤差調節器163接收三相參考電流信號中的一相參考電流信號和與該電流誤差調節器接收的相參考電流信號對應的AC-DC變換模組中一AC-DC變換器的輸入電流採樣信號，輸出一電流調節信號用於調節所接收的輸入電流採樣信號對應的AC-DC變換器的輸出。例如，第16圖中最左側的電流誤差調節器163接收R相參考電流信號IRref和第一AC-DC變換模組中的AC-DC變換器R1的輸入電流採樣信號Ir1，從而輸出一電流調節信號來調節該輸入電流採樣信號Ir1所對應的AC-DC變換器R1。又如，第16圖中最右側的電流誤差調節器163接收T相參考電流信號ITref和第三AC-DC變換模組中的AC-DC變換器Tn3的輸入電流採樣信號Itn3，從而輸出一電流調節信號來調節該輸入電流採樣信號Itn3所對應的AC-DC變換器Tn3。在一具體實施例中，該電流誤差調節器163為比例積分調節器(PI)、比例積分微分調節器(PID)或比例調節器(P)。
驅動控制器165存儲有每一AC-DC變換模組中兩個或兩個以上的AC-DC變換器各自的驅動控制信號 之間的預設相位差，並且還用來接收多個電流誤差調節器163輸出的多個電流調節信號，然後基於所存儲的預設相位差，輸出對應於每個AC-DC變換模組中AC-DC變換器的驅動控制信號。例如，該驅動控制器165基於最左側的電流誤差調節器163來輸出對應於AC-DC變換器R1的驅動控制信號。又如，該驅動控制器165基於最右側的電流誤差調節器163來輸出對應於AC-DC變換器Tn3的驅動控制信號。在一具體實施例中，該驅動控制器165為一PWM調製器，該驅動控制器165輸出的驅動控制信號為PWM控制信號。
在一具體實施例中，該三相參考電流生成電路161還包括一電壓調節器1612和一參考電流構建器1610。該電壓調節器1612接收AC-DC變換電路直流側輸出端的電壓信號VO和參考輸出電壓信號VREF，輸出一電壓調節信號。例如，該電壓調節器1612為比例積分調節器(PI)、比例積分微分調節器(PID)或比例調節器(P)。該參考電流構建器1610接收該電壓調節信號(VRn、VSn、VTn)和三相交流源每一相的相電壓信號，輸出三相參考電流信號IRref、ISref、ITref。例如，參考電流構建器1610可先接收三相交流源的多個線電壓信號，然後藉由線電壓/相電壓轉換單元將每個線電壓信號轉換為對應相的相電壓信號。
在另一具體實施例中，該參考電流構建器1610還 包括三個乘法器，這三個乘法器一對一接收三相交流源每一相的相電壓信號，並且這三個乘法器均接收電壓調節信號，每個乘法器將相應的電壓調節信號與所接收的相電壓信號相乘從而輸出三相參考電流信號中的一相參考電流信號，進而三個乘法器一起來輸出該三相參考電流信號。例如，圖中最左側的乘法器輸出該三相參考電流信號中的IRref，而圖中最右側的乘法器輸出該三相參考電流信號中的ITref。
採用本發明的三相AC-DC變換電路、變換方法及其控制系統，通過至少一個AC-DC變換模組中的兩個或兩個以上並聯連接的AC-DC變換器並聯交錯工作，使電感在較小感量下可得到較小的輸入電流紋波，提高功率變換器的功率密度。此外，本發明的三相AC-DC變換電路藉由同一AC-DC變換模組中的多個AC-DC變換器的交錯運行，還可降低流過直流母線電容的電流，從而可緩解直流母線電容發熱問題，也可使得電容的使用數量減少或所占的體積減小，降低功率變換器成本。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
L1~L6‧‧‧輸入電感
D1~D4‧‧‧二極體
Q1、Q2‧‧‧開關管
C1、C2‧‧‧直流母線電容
10‧‧‧三相交流源
21~23‧‧‧AC-DC變換模組
U1、U2‧‧‧驅動控制信號
OUT1、OUT2‧‧‧輸出端子
N‧‧‧中性點
161‧‧‧三相參考電流生成電路
1610‧‧‧參考電流構建器
1612‧‧‧電壓調節器
163‧‧‧電流誤差調節器
165‧‧‧驅動控制器
VO‧‧‧電壓信號
VREF‧‧‧參考輸出電壓信號
IRref、ISref、ITref‧‧‧參考電流信號
VRn、VSn、VTn‧‧‧電壓調節信號
R1~Rn1、S1~Sn2、T1~Tn3‧‧‧AC-DC變換器
Ir1~Irn1、Is1~Isn2、It1~Itn3‧‧‧輸入電流採樣信號
Sr1~Srn1、Ss1~Ssn2、St1~Stn3‧‧‧驅動控制信號
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示習知技術中的三相AC-DC變換電路的電路框圖；第2圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在一個工頻週期內的電流波形；第3圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在5個開關週期內的電流波形；第4圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在一個工頻週期內的電流波形；第5圖係繪示第1圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在5個開關週期內的電流波形；第6圖係繪示依據本發明的一實施方式的三相AC-DC變換電路的電路框圖；第7圖係繪示第6圖的三相AC-DC變換電路中，同一相的兩個AC-DC變換器各自的驅動控制信號的電壓波形；第8圖係繪示第6圖的三相AC-DC變換電路的一具體實施例的電路原理圖； 第9圖係繪示第6圖的三相AC-DC變換電路的另一具體實施例的電路原理圖；第10圖係繪示第6圖的三相AC-DC變換電路的又一具體實施例的電路原理圖；第11圖係繪示第6圖的三相AC-DC變換電路的再一具體實施例的電路原理圖；第12圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在一個工頻週期內的電流波形；第13圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流經R相的電流在5個開關週期內的電流波形；第14圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在一個工頻週期內的電流波形；第15圖係繪示第9圖的三相AC-DC變換電路中流過直流母線電容C1的電流在5個開關週期內的電流波形；及第16圖係繪示依據本發明的另一實施方式的用於三相AC-DC變換電路的控制系統的電路原理示意圖。
10‧‧‧三相交流源
21~23‧‧‧AC-DC變換模組
OUT1‧‧‧輸出端子
OUT2‧‧‧輸出端子

Claims (16)

  1. 一種三相AC-DC變換電路，包括：一三相交流源，包括一第一輸出端、一第二輸出端和一第三輸出端，藉由該第一輸出端、該第二輸出端和該第三輸出端來輸出三相交流電；一第一AC-DC變換模組，電性連接至該三相交流源的該第一輸出端，並包括N1個並聯連接的AC-DC變換器；一第二AC-DC變換模組，電性連接至該三相交流源的第二輸出端，並包括N2個並聯連接的AC-DC變換器；一第三AC-DC變換模組，電性連接至該三相交流源的第三輸出端，並包括N3個並聯連接的AC-DC變換器；及一直流側輸出端，與該第一、第二和第三AC-DC變換模組的相互並聯的輸出端電性連接，用以輸出一直流電壓；其中，N1、N2和N3均為自然數，N1、N2和N3中的至少一個大於或等於2。
  2. 根據請求項1所述之三相AC-DC變換電路，其中，該AC-DC變換器包括一輸入電感和一整流電路，該輸入電感電性連接於該三相交流源與該整流電路之 間。
  3. 根據請求項1或2所述之三相AC-DC變換電路，更包括一驅動控制器，該驅動控制器控制該第一AC-DC變換模組、該第二AC-DC變換模組和該第三AC-DC變換模組中各自的AC-DC變換器運行，且控制同一AC-DC變換模組中的N個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間以預設相位差運行，N為大於等於2的自然數。
  4. 根據請求項3所述之三相AC-DC變換電路，其中，N取大於等於3的自然數，並且，同一AC-DC變換模組中的第N個AC-DC變換器與第N-1個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差等於第N-1個AC-DC變換器與第N-2個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差。
  5. 根據請求項4所述之三相AC-DC變換電路，其中同一AC-DC變換模組中的N個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差均大於0°且小於等於360°/N。
  6. 根據請求項3所述之三相AC-DC變換電路，其 中，N取等於2的自然數，並且，同一個AC-DC變換模組中的兩個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間預設的相位差大於0°且小於等於180°。
  7. 根據請求項3所述之三相AC-DC變換電路，其中，該直流側輸出端並聯接有一直流母線電容。
  8. 根據請求項3所述之三相AC-DC變換電路，其中，該直流側輸出端並聯接有一直流母線電容支路，該直流母線電容支路包括兩相互串聯的直流母線電容，該兩直流母線電容共接於一中點，該中點與該三相交流源的中性點電性連接。
  9. 一種三相AC-DC變換電路的變換方法，包括：提供一三相AC-DC變換電路和一三相交流源，該三相AC-DC變換電路包括至少三個AC-DC變換模組，分別對應連接該三相交流源中的一相，該些AC-DC變換模組中至少一個AC-DC變換模組包括複數個並聯連接的AC-DC變換器，該些AC-DC變換模組之輸出端並聯連接作為該三相AC-DC變換電路之直流側輸出端；及在包括複數個並聯連接的AC-DC變換器之至少一個AC-DC變換模組中，控制該些AC-DC變換器各自的 驅動控制信號之間以預設相位差運行，以實現交流到直流的變換。
  10. 根據請求項9所述之變換方法，其中，該AC-DC變換電路中設置之三個AC-DC變換模組均包括兩個或兩個以上並聯連接的AC-DC變換器，該變換方法更包含：控制三個AC-DC變換模組中之每一AC-DC變換模組各自的AC-DC變換器的驅動控制信號之間以預設相位差運行。
  11. 根據請求項9或10所述之變換方法，其中，控制同一AC-DC變換模組中的第N個AC-DC變換器與第N-1個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差等於第N-1個AC-DC變換器與第N-2個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差，N為大於等於3的自然數，同一AC-DC變換模組中之N個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差均大於0°且小於等於360°/N。
  12. 根據請求項9或10所述之變換方法，其中，同一AC-DC變換模組中設置兩個AC-DC變換器，兩個AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差 大於0°且小於等於180°。
  13. 一種如請求項1所述之三相AC-DC變換電路的控制系統，包括：一三相參考電流生成電路，接收該三相AC-DC變換電路直流側輸出端的電壓信號、一參考輸出電壓信號以及三相交流源每一相的相電壓信號，輸出一三相參考電流信號；複數個電流誤差調節器，該些電流誤差調節器的數目與該些AC-DC變換器的數目相等，每一電流誤差調節器接收該三相參考電流信號中的一相參考電流信號和與該電流誤差調節器接收的相參考電流信號對應的AC-DC模組中一AC-DC變換器的輸入電流採樣信號，輸出一電流調節信號用以調節所接收的輸入電流採樣信號對應的AC-DC變換器；及一驅動控制器，存儲有該AC-DC變換模組中兩個或兩個以上的AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差，接收該些電流誤差調節器輸出的複數個電流調節信號，基於存儲的該AC-DC變換模組中AC-DC變換器各自的驅動控制信號之間的預設相位差，輸出對應於每個AC-DC變換模組中AC-DC變換器的驅動控制信號。
  14. 根據請求項13所述之控制系統，其中，該三相參考電流生成電路包括：一電壓調節器，接收該AC-DC變換電路直流側輸出端的電壓信號和該參考輸出電壓信號，輸出一電壓調節信號；及一參考電流構建器，接收該電壓調節信號和該三相交流源每一相的相電壓信號，輸出該三相參考電流信號。
  15. 根據請求項14所述之控制系統，其中，該參考電流構建器包括：三個乘法器，用以一對一地接收該三相交流源每一相的相電壓信號，三個乘法器均接收該電壓調節信號，每個乘法器將該電壓調節信號與接收的相電壓信號相乘輸出該三相參考電流信號中的一相參考電流信號，三個乘法器輸出該三相參考電流信號。
  16. 根據請求項14或15所述之控制系統，其中，該電壓調節器為比例積分調節器、比例積分微分調節器或比例調節器，該電流誤差調節器為比例積分調節器、比例積分微分調節器或比例調節器。
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