TWI454038B - 三相電源轉換電路及其軟式切換電路 - Google Patents

Description

三相電源轉換電路及其軟式切換電路

本發明為有關於一種三相電源轉換電路，特別是指一種在開關整流電路中電性連接軟式切換電路，用以進行零電壓轉移之三相電源轉換電路及其軟式切換電路。

近年來，隨著電子科技的蓬勃發展，在有關電源的部份運用也越來越廣泛，越來越多的產品都會使用到電源供應器，尤其是大容量之設備如交換機、電焊機、變頻器…等等，常使用三相電源轉換電源，而藉由開關式結構來開啟/關閉電源。

請先參考「第1圖」，「第1圖」為習知升壓型架構的電源轉換器之電路圖，係一種非雙向的三相電源轉換電路10。一般而言，目前電源供應器中大多採用如「第1圖」所示意的升壓型架構之電源轉換器，其先藉由橋式整流器將交流電源轉成直流電源，再將其操作在升壓型轉換器模式，其操作狀態分為二種：第一種，當開關導通時，電感儲存能量；第二種，當開關截止時，電感經過二極體釋放能量至負載，進而達到輸出電壓與入電流調控之目的。不過，由於其能量路徑上具有二極體，故此方式僅能進行單向能量傳送，例如：僅能將直流電源轉換成交流電源，或是僅將交流電源轉換成直流電源。

接著，請參閱「第2圖」，「第2圖」為習知的雙向三相電源轉換電路之電路圖。有鑒於上述僅能進行單向能量傳送的缺失，於是便有廠商提出如「第2圖」所示意之雙向的三相電源轉換電路20，使用六開關升壓型架構的功因校正之電源轉換器，其透過 電流調控技術直接將交流電源轉成直流電源，並且能夠得到良好的電壓調控特性。由於使用六開關整流器，故具有較少的元件導通損失。不過，上述兩種方式運作在高頻時，皆會因電流與電壓交越，而導致較大的切換損失，且具有電磁干擾的問題。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在運作於高頻時，電源轉換具有較大的切換損失及電磁干擾之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

有鑒於先前技術存在的問題，本發明遂揭露一種三相電源轉換電路及其軟式切換電路。

本發明所揭露之三相電源轉換電路，包含：開關整流電路及軟式切換電路。其中，開關整流電路包含：主開關、濾波電感及電容。所述主開關分別為第一主開關、第二主開關、第三主開關、第四主開關、第五主開關及第六主開關，其中第一主開關與第二主開關串聯形成第一串聯開關組，第三主開關與第四主開關串聯形成第二串聯開關組，第五主開關與第六主開關串聯形成第三串聯開關組，且第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組相互並聯；濾波電感分別為第一濾波電感、第二濾波電感及第三濾波電感，其中，第一濾波電感電性連接於第一主開關與第二主開關的串聯處，第二濾波電感電性連接於第三主開關與第四主開關的串聯處，第三濾波電感電性連接於第五主開關與第六主開關的串聯處；電容用以與第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組並聯。

而在軟式切換電路的部份，所述補助電路至少包含諧振電 感、輔助開關及輔助二極體。其中，諧振電感的一端透過對應的一組偏壓二極體電性連接於開關整流電路之第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組，此組偏壓二極體係由三個二極體所組成，輔助二極體的一端與諧振電感的另一端電性連接，而輔助二極體的另一端與輔助開關電性連接。

另外，本發明三相電源轉換電路之軟式切換電路，與具有第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組的開關整流電路電性連接，其軟式切換電路包含：諧振電感、輔助開關及輔助二極體。其中，諧振電感用以分別透過一組偏壓二極體與第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組電性連接；輔助開關的一端與相應的諧振電感電性連接；輔助二極體的一端與諧振電感電性連接，輔助二極體的另一端與輔助開關電性連接。

本發明所揭露之電路如上，與先前技術之間的差異在於本發明是透過嵌入具有諧振電感、輔助開關及輔助二極體的軟式切換電路，使主開關導通具有延遲時間，以便諧振電感在延遲時間中完成諧振以進行零電壓轉換。

透過上述的技術手段，本發明可以達到降低切換損失及抑制電磁干擾之技術功效。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

首先，先針對本發明三相電源轉換電路作說明，請參閱「第3圖」，「第3圖」為本發明的三相電源轉換電路之電路圖，三相電 源轉換電路30包含：開關整流電路40及軟式切換電路50。其中，開關整流電路40包含：第一主開關41a、第二主開關41b、第三主開關41c、第四主開關41d、第五主開關41e、第六主開關41f、第一濾波電感42a、第二濾波電感42b、第三濾波電感42c及電容43。其中，第一主開關41a與第二主開關41b串聯形成第一串聯開關組，第三主開關41c與第四主開關41d串聯形成第二串聯開關組，第五主開關41e與第六主開關41f串聯形成第三串聯開關組，且第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組相互並聯。在實際實施上，上述各主開關(41a~41f)更可如「第3圖」所示意，各自包含本體二極體(body diode)及本體電容(body capacitor)，且所述本體二極體與本體電容相互並聯。由於三相(“R相”、“S相”及“T相”)電源的每一相皆具有正相位及負相位，因此需透過六個主開關(41a~41f)來進行控制。

接著，第一濾波電感42a、第二濾波電感42b及第三濾波電感42c的一端各自與三相電源中的“R相”、“S相”及“T相”電性連接，而第一濾波電感42a、第二濾波電感42b及第三濾波電感42c的另一端則分別電性連接於第一主開關41a與第二主開關41b的串聯處、第三主開關41c與第四主開關41d的串聯處，以及第五主開關41e與第六主開關41f的串聯處。在實際實施上，所述第一濾波電感42a、第二濾波電感42b及第三濾波電感42c可使用耦合式濾波電感，或是非耦合式濾波電感。

另外，所述電容43用以與第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組相互並聯，此電容43可用以降低導通損失。特別要說明的是，本發明所述的三相電源轉換電路30為雙向電路， 也就是說能夠進行直流電源/交流電源的能量轉換。舉例來說：將市電的交流電源轉換為直流電源，亦或是將太陽能板所產生的交流電源轉換為直流電源。

而在軟式切換電路50的部份，所述軟式切換電路50包含：諧振電感(51、52)、輔助開關(53、54)及輔助二極體(55、56)。其中，諧振電感(51、52)可各自透過一組偏壓二極體57電性連接於開關整流電路40的第一串聯開關組、第二串聯開關組及第三串聯開關組，所述諧振電感(51、52)可為外接式電感器或是漏電感；所述輔助開關(53、54)可為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)；而輔助二極體(55、56)則可選用蕭特基二極體(Schottky Barrier Diode)。在此例中，此組偏壓二極體57是由三個二極體相互並聯所組成，也就是說，諧振電感51的一端透過三個並聯的二極體分別與第一開關串聯祖、第二開關串聯組及第三開關串聯組電性連接；而諧振電感52的一端同樣透過三個並聯的二極體分別與第一開關串聯祖、第二開關串聯組及第三開關串聯組電性連接。

承上所述，諧振電感51的另一端用以電性連接在輔助二極體55及輔助開關54的串聯處；而諧振電感52的另一端則電性連接在輔助開關53及輔助二極體56的串聯處，其中，串聯的輔助二極體55及輔助開關54與串聯的輔助開關53及輔助二極體56相互並聯。在實際實施上，所述輔助開關(53、54)皆各自包含有本體二極體，此本體二極體與相應的輔助開關相互並聯。如此一來，即可在每一個切換週期內，使開關整流電路40的主開關控制信號之導通時刻具有延遲時間，並在此延遲時間中安插輔助開關(53、 54)的導通時間，以便諧振電感(51、52)在延遲時間中完成諧振，達成零電壓轉換之軟式切換以降低切換損失。特別要注意的是，本發明並未以此限定三相電源轉換電路30所包含的元件數量及類型，在不脫離本實施例之精神和範圍內，以等效電路所組成之相同功能，皆為本實施例之可實施手段。

如「第4圖」所示，「第4圖」為應用本發明的具緩振電路的軟式切換電路之電路圖，前面提到，透過軟式切換電路50可達成零電壓轉換之軟式切換以降低切換損失。在實際實施上，軟式切換電路50中更可包含緩振電路60，所述緩振電路60包含緩振二極體61及緩振電容62，此緩振電容62與輔助二極體(55、56)電性連接，所述緩振二極體61為緩振電路60中的二極體；緩振電容62為緩振電路60中的電容。其詳細的電性連接方式如「第4圖」所示意，其具有二個緩振電路60，各緩振電路60均先將二個緩振二極體61串聯後，再將此串聯後的二個緩振二極體61與輔助二極體(55、56)並聯，且緩振電容62的一端電性連接於二個緩振二極體61的串聯處，而緩振電容62的另一端則電性連接於相應的輔助二極體(55、56)。特別要說明的是，輔助開關54與輔助二極體55串聯，且諧振電感51的一端電性連接於此串聯處；輔助開關53與輔助二極體56串聯，且諧振電感52的一端電性連接於此串聯處。

接著，此軟式切換電路50的諧振電感51之另一端透過一組偏壓二極體57中的三個二極體分別與第一串聯開關組44、第二串聯開關組45及第三串聯開關組46電性連接；同樣地，諧振電感52的另一端亦透過另一組偏壓二極體57中的三個二極體分別與 第一串聯開關組44、第二串聯開關組45及第三串聯開關組46電性連接。在實際實施上，此組偏壓二極體57是由三個二極體相互並聯所組成。

請參閱「第5圖」、「第5圖」為應用本發明進行直流電源轉交流電源的三相電源轉換電路之電路圖。前面提到，三相電源轉換電路30為雙向電路，能夠進行直流電源/交流電源的相互轉換，由於上述已說明交流電源轉換為直流電源的電路佈線方式，因此，接下來搭配「第5圖」來說明直流電源轉換為交流電源的電路佈線方式，從「第5圖」所示意的三相電源轉換電路30a可得知，其包含的開關整流電路40a與三相電源轉換電路30所包含的開關整流電路40之差異處，僅在於電容43由輸出端移往輸入端，且濾波電感(42a~42c)由輸入端移往輸出端並與負載(Load)電性連接。如此一來，即可達成直流電源轉換為交流電源的目的。除此之外，軟式切換電路50同樣可搭配緩振電路60來實現，不過，由於其電路佈線方式與上述交流電源轉換成直流電源的例子相同，故在此不再多作贅述。

最後，請參閱「第6圖」，「第6圖」為應用本發明的操作模式之波形圖。其可分為九種模式(即模式“0”至模式“8”)，首先，模式“0”是指在“t0”之前，所有主開關及二個輔助開關為“OFF”，但是第二主開關41b(“S _RN ”)、第四主開關41d(“S _SN ”)及第六主開關41f(“S _RN ”)的本體二極體為導通。電流透過第一主開關41a(“S _RP ”)及第五主開關41e(“S _TP ”)的本體二極體釋放，且透過第四主開關41d(“S _SN ”)的本體二極體返回載入。

模式“1”是指在“t0~t1”的時間間隔，“t0”為第二主開 關41b(“S _RN ”)、第四主開關41d(“S _SN ”)及第六主開關41f(“S _TN ”)與輔助開關54(“S _Nr ”)開啟(Turned on)前，而“t1”則是諧振電感(“L _Nr ”)的電流斜線上升至“I _S ”時。其中，輔助二極體55(“D _Nr ”)隨著零電壓切換(Zero-Current-Switch)而關閉，時間間隔“t01”則是由公式：“”所產生。

模式“2”是指在“t1~t2”的時間間隔，當諧振電感51(“L _Nr ”)的電流“I _LNr ”相當於“I _S ”時，模式“2”即開始，在此模式“2”時，電流“I _LNr ”由於“L _Nr ”及“C _r ”之間的諧振而持續增加。在“t2”時，“C _r ”放電直到零，其中，第二主開關41b(“S _RN ”)及第六主開關41f(“S _TN ”)的本體二極體開始導通，所述諧振的時間是在“t12”及“i _LNr (t2)”的時期，並可分別由公式：“”及“”計算得出，其中“C _r ”的數值近似於“C _RN +C _RP +C _TN +C _TP ”。

模式“3”是指在“t2~t3”的時間間隔，在“t2”時，第二主開關41b(“S _RN ”)及第六主開關41f(“S _TN ”)導通，第二主開關41b(“S _RN ”)及第六主開關41f(“S _TN ”)的開啟信號將被應用，同時其本體二極體為導通，進而達成零電壓切換。此外，延遲時間“t _d ”介於輔助開關54(“S _Nr ”)及第二主開關41b(“S _RN ”)間，第六主開關41f(“S _TN ”)的閘極信號需滿足公式：“”。特別要說明的是，為了滿足條件，最壞的情況需要考量最大輸入電流及最小輸出電壓。

模式“4”是指在“t3~t4”的時間間隔，在“t3”時，輔助開關54為開啟，且由於輔助二極體55導通，其電壓箝制在“V _o ”。在這段時間內，第二主開關41b(“S _RN ”)及第六主開關41f(“S _TN ”)為開啟，其儲存在諧振電感的能量轉換至負載。在“t3”時，諧振電感的電流“I _LNr ”線性下降至零。其諧振電感的重置時間“t34”可由公式“”計算得出。

模式“5”是指在“t4~t5”的時間間隔，在“t4”時，“I _LNr ”達到零，且輔助二極體55關閉。在此模式“5”的電路操作與PWM升壓型轉換器相同。

模式“6”是指在“t5~t6”的時間間隔，在“t5”時，第二主開關41b(“S _RN ”)關閉，第二主開關41b(“S _RN ”)的輸出電容由“I _R ”線性轉換為“V _o ”電壓，其轉換期間“t56”是透過公式：“”計算得到。

模式“7”是指在“t6~t7”的時間間隔，在“t6”時，第二主開關41b(“S _RN ”)的電壓“V _SRN ”達到“V _o ”電壓，且第一主開關41a(“S _RP ”)的本體二極體為導通，但第六主開關41f(“S _TN ”)仍然維持開啟。在此模式“7”的電路操作同樣與PWM升壓型轉換器相同。

模式“8”是指在“t7~t8”的時間間隔，在“t7”時，第六主開關41f(“S _TN ”)關閉，第六主開關41f(“S _TN ”)的電容輸出由“I _T ”線性轉換為“V _o ”電壓，期間“t78”是透過公式：“”計算得出。在“t8”時，第六主開關41f(“S _TN ”)的電壓“V _STN ”達到“V _o ”電壓，且第五主開關41e(“S _TP ”)的本體二極體再次導通，並開始另一個開關週期。由於第二主開關41b(“S _RN ”)、第四主開關41d(“S _SN ”)及第六主開關41f(“S _TN ”) 與第一主開關41a(“S _RP ”)、第三主開關41c(“S _SP ”)及第五主開關41e(“S _TP ”)相對應，且處理流程相同，故在此不再重覆作贅述。同樣地，由於諧振電感51、輔助開關54及輔助二極體55與諧振電感52、輔助開關53及輔助二極體56相對應，且處理流程相同，故同樣不再重覆作贅述。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過嵌入具有諧振電感(51、52)、輔助開關(53、54)及輔助二極體(55、56)的軟式切換電路50，使主開關導通具有延遲時間，以便諧振電感(51、52)在延遲時間中完成諧振以進行零電壓轉換，藉由此一技術手段可以解決先前技術中所存在的問題，達成降低切換損失及抑制電磁干擾之技術功效。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧非雙向的三相電源轉換電路

20‧‧‧雙向的三相電源轉換電路

30、30a‧‧‧三相電源轉換電路

40、40a‧‧‧開關整流電路

41a‧‧‧第一主開關

41b‧‧‧第二主開關

41c‧‧‧第三主開關

41d‧‧‧第四主開關

41e‧‧‧第五主開關

41f‧‧‧第六主開關

42a‧‧‧第一濾波電感

42b‧‧‧第二濾波電感

42c‧‧‧第三濾波電感

43‧‧‧電容

44‧‧‧第一串聯開關組

45‧‧‧第二串聯開關組

46‧‧‧第三串聯開關組

50‧‧‧軟式切換電路

51、52‧‧‧諧振電感

53、54‧‧‧輔助開關

55、56‧‧‧輔助二極體

57‧‧‧偏壓二極體

60‧‧‧緩振電路

61‧‧‧緩振二極體

62‧‧‧緩振電容

第1圖為習知升壓型架構的電源轉換器之電路圖。

第2圖為習知的雙向三相電源轉換電路之電路圖。

第3圖為本發明的三相電源轉換電路之電路圖。

第4圖為本發明具緩振電路的軟式切換電路之電路圖。

第5圖為應用本發明進行直流電源轉交流電源的三相電源轉換電路之電路圖。

第6圖為應用本發明的操作模式之波形圖。

30‧‧‧三相電源轉換電路

40‧‧‧開關整流電路

41a‧‧‧第一主開關

41b‧‧‧第二主開關

41c‧‧‧第三主開關

41d‧‧‧第四主開關

41e‧‧‧第五主開關

41f‧‧‧第六主開關

42a‧‧‧第一濾波電感

42b‧‧‧第二濾波電感

42c‧‧‧第三濾波電感

43‧‧‧電容

50‧‧‧軟式切換電路

51、52‧‧‧諧振電感

53、54‧‧‧輔助開關

55、56‧‧‧輔助二極體

57‧‧‧偏壓二極體

Claims (14)

1. 一種三相電源轉換電路，包含：一開關整流電路，該開關整流電路包含：至少六個主開關，分別為一第一主開關、一第二主開關、一第三主開關、一第四主開關、一第五主開關及一第六主開關，其中，該第一主開關與該第二主開關串聯形成一第一串聯開關組，該第三主開關與該第四主開關串聯形成一第二串聯開關組，該第五主開關與該第六主開關串聯形成一第三串聯開關組，且該第一串聯開關組、該第二串聯開關組及該第三串聯開關組相互並聯；至少三個濾波電感，分別為一第一濾波電感、一第二濾波電感及一第三濾波電感，其中該第一濾波電感電性連接於該第一主開關與該第二主開關的串聯處，該第二濾波電感電性連接於第三主開關與該第四主開關的串聯處，該第三濾波電感電性連接於該第五主開關與該第六主開關的串聯處；及一電容，用以與該第一串聯開關組、該第二串聯開關組及該第三串聯開關組並聯；及一軟式切換電路，該軟式切換電路至少包含二諧振電感、二輔助開關及二輔助二極體，其中該二諧振電感的一端各自透過對應的一組偏壓二極體電性連接於該開關整流電路之該第一串聯開關組、該第二串聯開關組及該第三串聯開關組，該二輔助二極體的一端與該二諧振 電感的另一端電性連接，該二輔助二極體的另一端與該二輔助開關電性連接，該組偏壓二極體係由三個二極體所組成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該至少六個主開關各自包含一本體二極體及一本體電容，且該本體二極體與該本體電容相互並聯。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該二輔助開關各自包含一本體二極體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該至少三個濾波電感與一個三相電源電性連接。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該開關整流電路為雙向電路，用以進行直流電源/交流電源的相互轉換。
6. 如申請專利範圍第1項所述之三相電源轉換電路，其中該軟式切換電路更包含二緩振電路，該二緩振電路各自包含二緩振二極體及一緩振電容，且該二緩振電路與該二輔助二極體電性連接。
7. 一種三相電源轉換電路之軟式切換電路，與具有一第一串聯開關組、一第二串聯開關組及一第三串聯開關組的開關整流電路電性連接，該軟式切換電路包含：二諧振電感，用以分別透過一組偏壓二極體與該第一串聯開關組、該第二串聯開關組及該第三串聯開關組電性連接；二輔助開關，該二輔助開關的一端與相應的該二諧振電 感電性連接；及二輔助二極體，該二輔助二極體的一端與該二諧振電感電性連接，該二輔助二極體的另一端與該二輔助開關電性連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之三相電源轉換電路之軟式切換電路，其中該組偏壓二極體由至少三個二極體相互並聯所組成。
9. 如申請專利範圍第7項所述之三相電源轉換電路之軟式切換電路，其中該二諧振電感為外接式電感器或漏電感。
10. 如申請專利範圍第7項所述之三相電源轉換電路之軟式切換電路，其中該二輔助開關各自包含一本體二極體，且該本體二極體與相應的該輔助開關相互並聯。
11. 如申請專利範圍第7項所述之三相電源轉換電路之軟式切換電路，其中該二輔助開關相互並聯，且該二輔助開關為金氧半場效電晶體。
12. 如申請專利範圍第7項所述之三相電源轉換電路之軟式切換電路，其中該二輔助二極體相互並聯，且該二輔助二極體為蕭特基二極體。
13. 如申請專利範圍第7項所述之三相電源轉換電路之軟式切換電路，其中該軟式切換電路更包含二緩振電路，該二緩振電路各自包含二緩振二極體及一緩振電容，且該二緩振電路各自電性連接於該二輔助二極體之一。
14. 如申請專利範圍第13項所述之三相電源轉換電路之軟式切換電路，其中該二緩振二極體為串聯，且該緩振電容的一端 電性連接於該二緩振二極體串聯處。