TWI460984B - 直交流轉換電路 - Google Patents

Description

直交流轉換電路

一種轉換電路，特別有關於一種直交流轉換電路。

一般來說，部分的直交流轉換電路會配置有反流器(Inverter)，而大都採用高頻切換方式，以產生脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)訊號，如此將導致大量的高次諧波電流，而干擾後端的電路或設備，使得後端的電路或設備產生問題。因此，在直交流轉換電路中，與反流器之交流輸出端所連接的濾波器，在選擇與設計上將變得相當重要。

在相同電感值的情況下，相較於傳統的L型濾波器來說，LCL型濾波器對於高階諧波抑制效果更為理想，並以逐漸應用於大功率、低開關頻率的反流器上。

LCL型濾波器大都採用訊號處理以及三階濾波設計的概念，並利用LCL型濾波器中的第一個電感與電容所組成的電路結構，以作為反流器所輸出之訊號的高頻成分提供低阻通路，進而降低LCL型濾波器中之第二個電感所產生之電流的高頻成分。

雖然，LCL型濾波器濾除高次諧波的效果明顯，但是設計過程繁瑣，且需要多次嘗試，反覆試驗才能找到合適的參數，並且LCL型濾波器的電路特性易受到參數影響。因此，直交流轉換電路仍有改善的空間。

鑒於以上的問題，本發明在於提供一種直交流轉換電路，藉以降低設計的複雜度，並達成低電磁干擾、低漣波輸出電壓、高轉換效率等作用。

本發明之一種直交流轉換電路，包括反流器、第一電感、第一電容、第二電容與第二電感。反流器具有兩輸入接點與兩輸出接點，兩輸入接點用以接收直流訊號，兩輸出接點用以產生交流訊號。第一電感具有第一端與第二端，第一電感的第一端耦接反流器之兩輸出接點的其中之一。第一電容具有第一端與第二端，第一電容的第一端耦接第一電感的第一端，第一電容的第二端耦接第一電感的第二端。第二電容具有第一端與第二端，第二電容的第一端耦接第一電感的第二端，第二電容的第二端耦接反流器之兩輸出接點的其中另一。第二電感具有第一端與第二端，第二電感的第一端耦接第二電容的第一端，第二電感的第二端耦接負載。

本發明之直交流轉換電路，藉由反流器、第一電感及第一電容所形成的共振電路以及第二電感與第二電容的電路結構，並且藉由柔性切換操作，以降低開關的切換損失，且第一電容上的跨壓產生極性反轉並產生負電壓，以克服負載電壓之電位障避問題。如此一來，可降低設計的複雜度，並達成低電磁干擾、低漣波輸出電壓、高轉換效率等作用。

有關本發明的特徵與實作，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

以下所列舉之各實施例中，將以相同的標號代表相同或相似的元件。

請參考「第1圖」所示，其為本發明第一實施例之直交流轉換電路的方塊圖。本揭露之直交流轉換電路100適於耦接一負載180，以提供負載180所需之工作電壓，其中負載180可為電阻、電感或電源供應器等。

本實施例之直交流轉換電路100包括反流器110、第一電感L1、第一電容C1、第二電容C2與第二電感L2。反流器110具有兩輸入接點111、112與兩輸出接點113、114。其中，反流器110的兩輸入接點111、112例如耦接一直流輸入源170，用以接收此直流輸入源170所產生的直流訊號，並且反流器110對前述的直流訊號進行處理，以於反流器110的兩輸出接點113、114輸出交流訊號。在本實施例中，前述的直流輸入源170例如為直流電流源。

第一電感L1具有第一端121與第二端122，第一電感L1的第一端121耦接反流器110之兩輸出接點113、114的其中之一，亦即反流器110的輸出接點113。第一電容C1具有第一端131與第二端132，第一電容C1的第一端131耦接第一電感L1的第一端121，第一電容C1的第二端132耦接第一電感L1的第二端122，亦即第一電容C1與第一電感L1並聯連接。其中，第一電感L1與第一電容C1例如組成一共振電路。

第二電容C2具有第一端141與第二端142，第二電容C2的第一端141耦接第一電感L1的第二端122，第二電容C2的第二端142耦接反流器110之兩輸出接點113、114的其中另一，例如反流器110的輸出接點114。第二電感L2具有第一端151與第二端152，第二電感L2的第一端151耦接第二電容C2的第一端141，第二電感L2的第二端152耦接負載180。

首先，當直交流轉換電路100開始運作後，反流器110會將所接收的直流訊號轉換為交流訊號，且交流訊號會輸出至第一電感L1與第一電容C1所組成的共振電路，以進行能量的儲存，使得第一電容C1上的跨壓快速上升。接著，藉由第一電感L1與第一電容C1的共振電路產生共振，以將第一電容C1所儲存之能量轉換成電感電流，並前述的能量對第二電容C2進行充電，進而抑制能量快速增加所造成的電流漣波。

在第一電容C1所儲存之能量轉換成電感電流的同時，並且反流器100藉由柔性切換(Soft Switching)操作，且第一電容C1上的跨壓極性會產生反轉並產生負電壓，以改變直交流轉換電路100的結構。此時，藉由第二電容C2與第二電感L2將能量傳送至負載180，以提供負載180所需之工作電壓。如此一來，本實施例之直交流轉換電路100可具有低電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)、低漣波輸出電壓與高轉換效率等作用。

另外，在本實施例中，第一電感L1的電感值可設計例如小於第二電感L2的電感值，使得流過第一電感L1的電流較大，並且 第一電容C1的電容值也可以設計較小，使得第一電容C1上的跨壓極性產生反轉時，第一電容C1上的負電壓也足夠大。

請參考「第2圖」所示，其為本發明第二實施例之直交流電壓轉換電路的示意圖。本實施例之直交流轉換電路200包括反流器110、第一電感L1、第一電容C1、第二電容C2與第二電感L2。其中，反流器110、第一電感L1、第一電容C1、第二電容C2與第二電感L2的耦接關係可以參考「第1圖」之實施例的說明，故在此不再贅述。

在本實施例中，直流輸入源170亦為直流電流源，而反流器110例如為全橋式反流器，此反流器110包括第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4與四飛輪二極體D1、D2、D3、D4。

第一開關S1具有第一端211、第二端212與第三端213，第一開關S1的第一端211接收第一控制訊號CS1，第一開關S1的第二端212作為反流器110之兩輸入接點111、112的其中之一，例如反流器110的輸入接點111，第一開關S1的第三端213作為反流器110之兩輸出接點113、114的其中之一，例如反流器110的輸出接點113。

第二開關S2具有第一端221、第二端222與第三端223，第二開關S2的第一端221接收第二控制訊號CS2，第二開關S2的第二端222耦接第一開關S1的第二端212，第二開關S2的第三端223作為反流器110之兩輸出接點113、114的其中另一，例如 反流器110的輸出接點114。

第三開關S3具有第一端231、第二端232與第三端233，第三開關S3的第一端231接收第二控制訊號CS2，第三開關S3的第二端232耦接第一開關S1的第三端213，第三開關S3的第三端233作為反流器100之兩輸入接點111、112的其中另一，例如反流器110的輸入接點112。

第四開關S4具有第一端241、第二端242與第三端243，第四開關S4的第一端241接收第一控制訊號CS1，第四開關S4的第二端242耦接第二開關S2的第三端223，第四開關S4的第三端243耦接第三開關S3的第三端233。在本實施例中，第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3與第四開關S4例如為N型電晶體，並且第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3與第四開關S4的第一端211、221、231、241、第二端212、222、232、242與第三端213、223、233、243分別為N型電晶體的閘極端、汲極端與源極端。但本發明不限於此，第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3與第四開關S4亦可為P型電晶體或是其他開關元件。

飛輪二極體D1、D2、D3、D4分別反向並聯耦接第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3與第四開關S4。其中，第一控制訊號CS1與第二控制訊號CS2除此兩控制訊號CS1、CS2同時處於低邏輯準位之死帶(Dead Zone)狀態，其餘時間為互補，亦即當第一控制訊號CS1為高邏輯準位時，第二控制訊號CS2為低邏輯準位。反之，當第一控制訊號CS1為低邏輯準位時，第二控制訊號 CS2為高邏輯準位。

首先，在直交流轉換電路200開始運作後，第一控制訊號CS1例如為高邏輯準位，第二控制訊號CS2例如為低邏輯準位，使得第一開關S1與第四開關S4導通，且第二開關S2與第三開關S3斷開，則直交流轉換電路200進入第一模式。此時，直流輸入源170所產生的直流訊號經由第一開關S1與第四開關S4，傳送至第一電感L1與第一電容C1所組成之共振電路，以開始對第一電感L1、第一電容C1及第二電容C2進行充電。

接著，第一控制訊號CS1例如轉換為低邏輯準位，且第二控制訊號CS2例如仍為低邏輯準位，使得第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3與第四開關S4斷開，則直交流轉換電路200進入第二模式。此時，反流器110藉由柔性切換操作，使得飛輪二極體D2、D3導通，且第一電容C1上的跨壓產生極性反轉並產生負電壓，則第一電容C1與第一電感L1經由第一開關S1及第四開關S4的寄生電容與飛輪二極體D2、D3構成迴路，以改變直交流轉換電路200的電路結構。另一方面，直交流轉換電路200藉由第二電容C2與第二電感L2將儲存能量傳送至負載180，以提供負載180所需之工作電壓。

之後，第一控制訊號CS1例如為低邏輯準位，第二控制訊號CS2例如為高邏輯準位，使得第二開關S2與第三開關S3導通，且第一開關S1與第四開關S4斷開，則直交流轉換電路200進入第三模式。此時，直流輸入源170所產生的直流訊號經由第二開 關S2與第三開關S3，傳送至第一電感L1與第一電容C1所組成之共振電路，以開始對第一電感L1、第一電容C1及第二電容C2進行充電。

接著，第一控制訊號CS1例如仍為低邏輯準位，且第二控制訊號CS2例如轉換為低邏輯準位，使得第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3與第四開關S4斷開，則直交流轉換電路200進入第四模式。此時，反流器110藉由柔性切換操作，使得飛輪二極體D2、D3導通，且第一電容C1上的跨壓產生極性反轉並產生負電壓，則第一電容C1與第一電感L1經由第一開關S1及第四開關S4的寄生電容與飛輪二極體D2、D3構成迴路，並且藉由第二電容C2與第二電感L2將儲存能量傳送至負載180，以提供負載180所需之工作電壓。如此一來，直交流轉換電路200即完成一個完整週期的動作。

另外，在本實施例中，第一電感L1的電感值可設計例如小於第二電感L2的電感值，使得流過第一電感L1的電流較大，並且第一電容C1的電容值也可以設計較小，使得第一電容C1上的跨壓極性產生反轉時，第一電容C1上的負電壓也足夠大。

請參考「第3圖」所示，其為本發明第三實施例之直交流轉換電路的示意圖。本實施例之直交流轉換電路300包括反流器110、第一電感L1、第一電容C1、第二電容C2與第二電感L2。

在本實施例中，反流器110例如為半橋式反流器，且此反流器110包括第五開關S5、第六開關S6、第三電容C3、第四電容 C4與二飛輪二極體D5、D6。

第五開關S5具有第一端311、第二端312與第三端313，第五開關S5的第一端311接收第三控制訊號CS3，第五開關S5的第二端312作為反流器110之兩輸入接點111、112的其中之一，例如反流器110的輸入接點111，第五開關S5的第三端313作為反流器110之兩輸出接點113、114的其中之一，例如反流器110的輸出接點113。

第三電容C3具有第一端321與第二端322，第三電容C3的第一端321耦接第五開關S5的第二端312，第三電容C3的第二端322作為反流器110之兩輸出接點113、114的其中另一，例如反流器110的輸出接點114。

第六開關S6具有第一端331、第二端332與第三端333，第六開關S6的第一端331接收第四控制訊號CS4，第六開關S6的第二端332耦接第五開關S5的第三端313，第六開關S6的第三端333作為反流器110之兩輸入接點111、112的其中另一，例如反流器110的輸入接點112。

在本實施例中，第五開關S5與第六開關S6例如為N型電晶體，並且第五開關S5與第六開關S6的第一端311、331、第二端312、332與第三端313、333分別為N型電晶體的閘極端、汲極端與源極端。但本發明不限於此，第五開關S5與第六開關S6亦可為P型電晶體或是其他開關元件。

第四電容C4具有第一端341與第二端342，第四電容C4的 第一端341耦接第三電容C3的第二端322，第四電容C4的第二端342耦接第六開關S6的第三端333。

飛輪二極體D5、D6分別反向並聯耦接第五開關S5與第六開關S6。其中，第三控制訊號CS3與第四控制訊號CS4除此兩控制訊號CS3、CS4同時處於低邏輯準位之死帶狀態，其餘時間為互補，亦即當第三控制訊號CS3為高邏輯準位時，第四控制訊號CS4為低邏輯準位。反之，當第三控制訊號CS3為低邏輯準位時，第四控制訊號CS4為高邏輯準位。

首先，在直交流轉換電路300開始運作後，第三控制訊號CS3例如為高邏輯準位，第四控制訊號CS4例如為低邏輯準位，使得第五開關S5導通，且第六開關S6斷開，則直交流轉換電路300進入第一模式。此時，直流輸入源170所產生的直流訊號經由第一開關S5與第四電容C4，傳送至第一電感L1與第一電容C1所組成之共振電路，以開始對第一電感L1、第一電容C1及第二電容C2進行充電。

接著，第三控制訊號CS3例如轉換為低邏輯準位，且第四控制訊號CS4例如仍為低邏輯準位，使得第五開關S5與第六開關S6斷開，則直交流轉換電路300進入第二模式。此時，反流器110藉由柔性切換操作，使得飛輪二極體D6導通，且第一電容C1上的跨壓產生極性反轉並產生負電壓，則第一電容C1與第一電感L1經由第五開關S5的寄生電容、第三電容C3、第四電容D4與飛輪二極體D6構成迴路，並且藉由第二電容C2與第二電感L2 將儲存能量傳送至負載180，以提供負載180所需之工作電壓。

之後，第三控制訊號CS3例如為低邏輯準位，第四控制訊號CS4例如為高邏輯準位，使得第六開關S6，且第五開關S5，則直交流轉換電路300進入第三模式。此時，直流輸入源170所產生的直流訊號經由第六開關S6與第三電容C3，傳送至第一電感L1與第一電容C1所組成之共振電路，以開始對第一電感L1、第一電容C1及第二電容C2進行充電。

接著，第三控制訊號CS3例如仍為低邏輯準位，且第四控制訊號CS4例如轉換為低邏輯準位，使得第五開關S5與第六開關S6斷開，則直交流轉換電路300進入第四模式。此時，反流器110藉由柔性切換操作，使得飛輪二極體D6導通，且第一電容C1上的跨壓產生極性反轉並產生負電壓，則第一電容C1與第一電感L1經由第六開關S6的寄生電容、第三電容C3、第四電容C4與飛輪二極體D5構成迴路，並且藉由第二電容C2與第二電感L2將儲存能量傳送至負載180，以提供負載180所需之工作電壓。如此一來，直交流轉換電路300即完成一個完整週期的動作。

請參考「第4圖」所示，其為本發明第四實施例之直交流電壓轉換電路的示意圖。本實施例之直交流轉換電路400包括反流器110、第一電感L1、第一電容C1、第二電容C2、第二電感L2與第三電感L3。其中，反流器110、第一電感L1、第一電容C1、第二電容C2與第二電感L2的耦接關係可參考「第2圖」所示，故在此不再贅述。

本實施例之直交流轉換電路400與「第2圖」之直交流轉換電路200的差異在於，本實施例之直流輸入源170例如為直流電壓源，「第2圖」之直流輸入源170為直流電流源。並且，本實施例之直交流轉換電路400還多了第三電感L3。

第三電感L3具有第一端411與第二端412，第三電感L3的第一端411耦接反流器110的輸出接點113，第三電感L3的第二端412耦接第一電感L1的第一端121。也就是說，第三電感L3耦接於反流器110之兩輸出節點113和114的其中之一與第一電感L1的第一端121之間。而第三電感L3的作用在於防止湧入電流(Inrush Current)的產生，以避免湧入電流造成後端的電路損壞。

另外，本實施例之直交流轉換電路400的操作可參考「第2圖」之直交流轉換電路200的實施方式，故在此不再贅述。並且，直交流轉換電路400仍可藉由柔性切換操作，降低開關切換的損失，並且可達成低電磁干擾、低漣波輸出電壓與高轉換效率等作用。

請參考「第5圖」所示，其為本發明第五實施例之直交流電壓轉換電路的示意圖。本實施例之直交流轉換電路500與「第4圖」之直交流轉換電路400的差異在於，本實施例之反流器110為半橋式反流器，「第4圖」之反流器110為全橋式反流器。

另外，本實施例之直交流轉換電路500與「第3圖」之直交流轉換電路300的差異在於，本實施例之直流輸入源170例如為 直流電壓源，「第3圖」之直流輸入源170為直流電流源。並且，本實施例之直交流轉換電路500還多了第三電感L3。

因此，本實施例之直交流轉換電路500的操作可合併參考第3圖與「第4圖」之直交流轉換電路300與400的實施方式，故在此不再贅述。並且，直交流轉換電路500仍可藉由柔性切換操作，降低開關切換的損失，並且可達成低電磁干擾、低漣波輸出電壓與高轉換效率等作用。

本發明之實施例的直交流轉換電路，其藉由反流器、第一電感及第一電容所形成的共振電路以及第二電感與第二電容的電路結構，並且藉由柔性切換操作，以降低開關的切換損失，且第一電容上的跨壓產生極性反轉並產生負電壓，以克服負載電壓之電位障避問題。另外，第一電感的電感值可設計小於第二電感的電感值，使得流過第一電感的電流較大，並且使得第一電容的跨壓極性產生反轉時，第一電容上的負電壓也足夠大。此外，當直流輸入源為直流電壓源時，於反流器與第一電感之間配置第三電感，以防止湧入電流的產生，進而避免後端電路產生損壞。如此一來，可降低設計的複雜度，並達成低電磁干擾、低漣波輸出電壓、高轉換效率等作用。

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。

100、200、300、400、500‧‧‧直交流轉換電路

110‧‧‧反流器

111、112‧‧‧輸入接點

113、114‧‧‧輸出接點

121、131、141、151、211、221、231、241、311、321、331、341、411‧‧‧第一端

122、132、142、152、212、222、232、242、312、322、332、342、412‧‧‧第二端

170‧‧‧直流輸入源

180‧‧‧負載

213、223、233、243、313、333‧‧‧第三端

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容

C4‧‧‧第四電容

L1‧‧‧第一電感

L2‧‧‧第二電感

L3‧‧‧第三電感

S1‧‧‧第一開關

S2‧‧‧第二開關

S3‧‧‧第三開關

S4‧‧‧第四開關

S5‧‧‧第五開關

S6‧‧‧第六開關

D1、D2、D3、D4、D5、D6‧‧‧飛輪二極體

CS1‧‧‧第一控制訊號

CS2‧‧‧第二控制訊號

CS3‧‧‧第三控制訊號

CS4‧‧‧第四控制訊號

第1圖為本發明第一實施例之直交流轉換電路的示意圖。

第2圖為本發明第二實施例之直交流轉換電路的示意圖。

第3圖為本發明第三實施例之直交流轉換電路的示意圖。

第4圖為本發明第四實施例之直交流轉換電路的示意圖。

第5圖為本發明第五實施例之直交流轉換電路的示意圖。

100‧‧‧直交流轉換電路

110‧‧‧反流器

111、112‧‧‧輸入接點

113、114‧‧‧輸出接點

121、131、141、151‧‧‧第一端

122、132、142、152‧‧‧第二端

170‧‧‧直流輸入源

180‧‧‧負載

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

L1‧‧‧第一電感

L2‧‧‧第二電感

Claims (9)

1. 一種直交流轉換電路，包括：一反流器，具有兩輸入接點與兩輸出接點，該兩輸入接點用以接收一直流訊號，該兩輸出接點輸出一交流訊號；一第一電感，具有一第一端與一第二端，該第一電感的該第一端耦接該反流器之該兩輸出接點的其中之一；一第一電容，具有一第一端與一第二端，該第一電容的該第一端耦接該第一電感的該第一端，該第一電容的該第二端耦接該第一電感的該第二端；一第二電容，具有一第一端與一第二端，該第二電容的該第一端耦接該第一電感的該第二端，該第二電容的該第二端耦接該反流器之兩輸出接點的其中另一與一負載；以及一第二電感，具有一第一端與一第二端，該第二電感的該第一端耦接該第二電容的該第一端，該第二電感的該第二端耦接該負載；其中，該交流訊號輸出至該第一電感與該第一電容，以進行一能量的儲存，並以該能量對該第二電容進行充電，該反流器藉由一柔性切換操作，使該第一電容上的跨壓極性會產生反轉，藉以將該能量傳送至該負載。
2. 如請求項1所述之直交流轉換電路，其中該直流訊號為一直流電壓源。
3. 如請求項2所述之直交流轉換電路，更包括一第三電感，耦接 於該反流器之該兩輸出接點的其中之一與該第一電感的該第一端之間。
4. 如請求項1所述之直交流轉換電路，其中該直流訊號為一直流電流源。
5. 如請求項1所述之直交流轉換電路，其中該第一電感的電感值小於該第二電感的電感值。
6. 如請求項1所述之直交流轉換電路，其中該反流器為一全橋式反流器。
7. 如請求項6所述之直交流轉換電路，其中該反流器包括：一第一開關，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第一開關的該第一端接收一第一控制訊號，該第一開關的該第二端作為該反流器之該兩輸入接點的其中之一，該第一開關的該第三端作為該反流器之該兩輸出接點的其中之一；一第二開關，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第二開關的該第一端接收一第二控制訊號，該第二開關的該第二端耦接該第一開關的該第二端，該第二開關的該第三端作為該反流器之該兩輸出接點的其中另一；一第三開關，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第三開關的該第一端接收該第二控制訊號，該第三開關的該第二端耦接該第一開關的該第三端，該第三開關的該第三端作為該反流器之該兩輸入接點的其中另一；一第四開關，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第 四開關的該第一端接收該第一控制訊號，該第四開關的該第二端耦接該第二開關的該第三端，該第四開關的該第三端耦接該第三開關的該第三端；以及四飛輪二極體，其分別反向並聯耦接該第一開關、該第二開關、該第三開關與該第四開關，其中該第一控制訊號與該第二控制訊號除該第一控制訊號該第二控制訊號同時處於一低邏輯準位之一死帶狀態，其餘時間為互補。
8. 如請求項1所述之直交流轉換電路，其中該反流器為一半橋式反流器。
9. 如請求項8所述之直交流轉換電路，其中該反流器包括：一第五開關，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第五開關的該第一端接收一第三控制訊號，該第五開關的該第二端作為該反流器之該兩輸入接點的其中之一，該第五開關的該第三端作為該反流器之該兩輸出接點的其中之一；一第三電容，具有一第一端與一第二端，該第三電容的該第一端耦接該第五開關的該第二端，該第三電容的該第二端作為該反流器之該兩輸出接點的其中另一；一第六開關，具有一第一端、一第二端與一第三端，該第六開關的該第一端接收一第四控制訊號，該第六開關的該第二端耦接該第五開關的該第三端，該第六開關的該第三端作為該反流器之該兩輸入接點的其中另一；一第四電容，具有一第一端與一第二端，該第四電容的該 第一端耦接該第三電容的該第二端，該第四電容的該第二端耦接該第六開關的該第三端；以及二飛輪二極體，其分別反向並聯耦接該第五開關與該第六開關，其中該第三控制訊號與該第四控制訊號除該第三控制訊號與該第四控制訊號同時處於一低邏輯準位之一死帶狀態，其餘時間為互補。