TWI539735B - 逆變裝置 - Google Patents

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Description

逆變裝置
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種操作於邊界傳導模式(boundary conduction mode，BCM)的逆變裝置。
對於一般直流轉交流的逆變裝置而言，通常會應用許多主動元件的架構，藉以透過切換主動元件的方式來實現電源轉換。然而，主動元件在切換時除了會造成輸入電流失真，進而產生大量諧波之外。一般硬切換的控制方式也會造成主動元件在切換期間產生較大的切換損失，從而造成逆變裝置整體的轉換效率難以提升。
在現行的技術下，設計者可藉由利用柔性切換(soft-switching)的控制方式來使主動開關的切換損失得以降低。舉例來說，一般常用的柔性切換控制方式可分為零電壓切換導通(zero voltage switching-on，ZVS)以及零電流切換導通(zero current switching-on，ZCS)等兩種。無論是零電壓切換導通或零電流切換導通的控制方式，其皆可實質上地令主動元件在切換期 間內不會產生能量損失。
然而，為了實現上述柔性切換的控制機制，一般通常必需在逆變電路中增加額外的輔助電路或減震電路，而上述額外的電路皆會使得逆變電路的設計複雜度與成本提升。
本發明提供一種逆變裝置，其可利用簡單的電路架構實現主動元件的零電壓切換導通並且令逆變裝置操作於邊界傳導模式，從而提高逆變裝置的轉換效率。
本發明的逆變裝置包括逆變電路以及控制電路。逆變電路，具有第一橋臂單元、第二橋臂單元以及能量充放單元，能量充放單元耦接於第一橋臂單元與第二橋臂單元之間，並且能量充放單元適於與電網並聯，藉以提供交流輸出電壓，其中第一橋臂單元與第二橋臂單元接收直流輸入電壓，第一橋臂單元受控於第一控制訊號與第二控制訊號而切換，第二橋臂單元受控於第三控制訊號與第四控制訊號切換，從而將直流輸入電壓轉換為交流輸出電壓。控制電路，耦接逆變電路，用以提供第一至第四控制訊號來控制逆變電路的電源轉換。控制電路取樣流經第一橋臂單元的第一激磁電流與流經第二橋臂單元的第二激磁電流，並且據以調整第一至第四控制訊號的切換時間點，藉以令逆變電路操作於邊界傳導模式(boundary conduction mode，BCM)。
在本發明一實施例中，控制電路判斷第一激磁電流與第 二激磁電流是否分別達到預設逆電流峰值與預設正電流峰值，藉以作為調整第一至第四控制訊號的切換時間點的基礎。
在本發明一實施例中，逆變電路包括第一電晶體、第二電晶體、第一電阻、第三電晶體、第四電晶體、第二電阻、激磁電感以及儲能電容。第一電晶體的第一端接收直流輸入電壓，且第一電晶體的控制端接收第一控制訊號。第二電晶體的第一端耦接第一電晶體的第二端，第二電晶體的控制端接收第二控制訊號。第一電阻的第一端耦接第二電晶體的第二端，且第一電阻的第二端耦接一接地端，其中第一電晶體、第二電晶體以及第一電阻組成第一橋臂單元，並且流經第一電阻的電流定義為第一激磁電流。第三電晶體的第一端接收直流輸入電壓，且第三電晶體的控制端接收第三控制訊號。第四電晶體的第一端耦接第三電晶體的第二端，且第四電晶體的控制端接收第四控制訊號。第二電阻的第一端耦接第四電晶體的第二端，且第二電阻的第二端耦接接地端，其中第三電晶體、第四電晶體以及第二電組組成第二橋臂單元，並且流經第二電阻的電流定義為第二激磁電流。激磁電感的第一端耦接第一電晶體的第二端與第二電晶體的第一端。儲能電容的第一端耦接激磁電感的第二端，且儲能電容的第二端耦接第三電晶體的第二端與第四電晶體的第一端，其中激磁電感與儲能電容組成能量充放單元。第一至第四電晶體分別反應於所接收的第一至第四控制訊號而切換導通狀態，從而使激磁電感與儲能電容反應於第一至第四電晶體的切換而儲存或釋放電能，並且據 以於儲能電容的兩端產生交流輸出電壓。
在本發明一實施例中，控制電路包括微控制器、第一比較器、第二比較器以及第三比較器。微控制器用以產生第一至第四控制訊號，並且依據第一比較訊號以及第二比較訊號切換第一至第四控制訊號的禁致能狀態。第一比較器的第一輸入端耦接第一電阻的第一端及第二電阻的第一端，第一比較器的第二輸入端接收指示第一預設電流的第一預設電壓，且第一比較器的輸出端輸出第一比較訊號，其中第一比較訊號指示第一激磁電流與第一預設電流的比較結果或是第二激磁電流與第一預設電流的比較結果。第二比較器的第一輸入端耦接第一電阻的第一端及第二電阻的第一端，第二比較器的第二輸入端接收指示一第二預設電流的一第二預設電壓，且第二比較器的輸出端輸出第二比較訊號，其中第二比較訊號指示第一激磁電流與第二預設電流的比較結果或是第二激磁電流與第二預設電流的比較結果。
在本發明一實施例中，逆變電路更具有零電壓偵測單元，零電壓偵測單元包括第一偵測電容、第三電阻以及第四電阻。第一偵測電容的第一端耦接第一電晶體的第二端、第二電晶體的第一端以及激磁電感的第一端。第三電阻的第一端耦接第一偵測電容的第二端。第四電阻的第一端耦接第三電阻的第二端，且第四電阻的第二端耦接接地端，其中流經第四電阻的電流定義為第一偵測電流。
在本發明一實施例中，逆變電路更具有零電壓偵測單 元，零電壓偵測單元更包括第二偵測電容、第五電阻以及第六電阻。第二偵測電容的第一端耦接第三電晶體的第二端、第四電晶體的第一端以及儲能電容的第二端。第五電阻的第一端耦接第二偵測電容的第二端。第六電阻的第一端耦接第五電阻的第二端，且第六電阻的第二端耦接接地端，其中流經第六電阻的電流定義為第二偵測電流。
在本發明一實施例中，微控制器更依據第三比較訊號以及第四比較訊號切換第一至第四控制訊號的禁致能狀態，並且控制電路更包括第三比較器以及第四比較器。第三比較器的第一輸入端耦接第四電阻的第一端，第三比較器的第二輸入端接收指示第三預設電流的第三預設電壓，且第三比較器的輸出端輸出第三比較訊號，其中第三比較訊號指示第一偵測電流與第三預設電流的比較結果。第四比較器的第一端耦接第六電阻的第一端，第四比較器的第二輸入端接收指示第四預設電流的第四預設電壓，且第四比較器的輸出端輸出第四比較訊號，其中第四比較訊號指示第二偵測電流與第四預設電流的比較結果。
在本發明一實施例中，當逆變電路操作於第一電源轉換階段時，微控制器產生致能的第一與第四控制訊號並且產生禁能的第二與第三控制訊號，藉以導通第一與第四電晶體並且截止第二與第三電晶體，其中當微控制器依據第一比較訊號判定第一激磁電流或第二激磁電流大於第一預設電流時，微控制器將第一控制訊號切換為禁能，藉以令逆變電路進入第二電源轉換階段。
在本發明一實施例中，當逆變電路操作於第二電源轉換階段時，微控制器產生致能的第四控制訊號並且產生禁能的第一至第三控制訊號，藉以導通第四電晶體並且截止第一至第三電晶體，其中微控制器於預設期間後將第二控制訊號切換為致能，藉以令逆變電路進入第三電源轉換階段。
在本發明一實施例中，當逆變電路操作於第三電源轉換階段時，微控制器產生致能的第二與第四控制訊號並且產生禁能的第一與第三控制訊號，藉以導通第二與第四電晶體並且截止第一與第三電晶體，其中當微控制器依據第二比較訊號判定第一激磁電流或第二激磁電流大於第二預設電流時，微控制器將第二控制訊號切換為禁能，藉以令逆變電路進入第四電源轉換階段。
在本發明一實施例中，當逆變電路操作於第四電源轉換階段時，微控制器產生致能的第四控制訊號並且產生禁能的第一至第三控制訊號，藉以導通第四電晶體並且截止第一至第三電晶體，其中當微控制器依據第三比較訊號判定偵測電流大於第三預設電流時，微控制器將第一控制訊號切換為致能，藉以令逆變電路進入第一電源轉換階段。
在本發明一實施例中，第一至第四電晶體係受控於微控制器而於零電壓時切換導通狀態。
基於上述，本發明實施例提出一種逆變裝置，其可藉由判斷流經各橋臂之激磁電流是否達到預設的正電流峰值或逆電流峰值，作為調整控制訊號的切換時間點的基礎，因此逆變電路中 的各電晶體可實現零電壓切換導通，並且逆變電路可操作於邊界傳導模式進行電源轉換。因此，本發明實施例的逆變裝置可在無須更動電路架構的前提下，僅憑藉著控制電路120調控逆變電路110的電路動作，即令逆變裝置100的功率因素得以提升。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧逆變裝置
110‧‧‧逆變電路
112‧‧‧第一橋臂單元
114‧‧‧第二橋臂單元
116‧‧‧能量充放單元
118‧‧‧零電壓偵測單元
120‧‧‧控制電路
122‧‧‧微控制器
124_1~124_4‧‧‧比較器
Cr‧‧‧儲能電容
CQ1‧‧‧電晶體Q1的電容
CQ2‧‧‧電晶體Q2的電容
Czd1、Czd2‧‧‧偵測電容
DQ1‧‧‧電晶體Q1的本質二極體
DQ2‧‧‧電晶體Q2的本質二極體
EG‧‧‧電網
GND‧‧‧接地端
I1、I2‧‧‧激磁電流
IL‧‧‧電感電流
Izd1、Izd2‧‧‧偵測電流
Lr‧‧‧激磁電感
NHP‧‧‧負半週期間
PCS1~PCS4‧‧‧電源轉換階段
PHP‧‧‧正半週期間
R1~R6‧‧‧電阻
S1~S4‧‧‧控制訊號
Sc1~Sc4‧‧‧比較訊號
t0~t4‧‧‧時間點
Q1~Q4‧‧‧電晶體
Vac‧‧‧交流輸出電壓
Vi1、Vi2、Vzd1、Vzd2‧‧‧電流指示電壓
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Ip、Irp、Izp1、Izp2‧‧‧預設電流
Vref1~Vref3‧‧‧預設電壓
圖1為本發明一實施例的逆變裝置的功能方塊示意圖。
圖2為本發明一實施例的逆變裝置的電路示意圖。
圖3A至圖3D為本發明一實施例的逆變裝置於不同的電源轉換階段下的等效電路示意圖。
圖4為本發明一實施例的逆變裝置的電壓/電流波形示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本發明一實施例的逆變裝置的功能方塊示意圖。請參照圖1，本實施例的逆變裝置100適於應用在一交流電源系統 中。在所述交流電源系統中，逆變裝置100可從前端的直流電源產生裝置(未繪示)接收直流輸入電源，並且據以產生交流輸出電源提供給後端的電網EG及/或負載(未繪示)。於此，所述直流電源產生裝置可例如為光電模組(photovoltaic module)、風力發電模組、水力發電模組或其他類型的直流電源產生裝置，本發明不以此為限。
逆變裝置100接收直流電源產生裝置所產生的直流輸入電壓Vin，並且據以將直流輸入電壓Vin轉換為交流輸出電壓Vac給後端並接的電網EG。其中，逆變裝置100包括有逆變電路110以及控制電路120。
逆變電路110具有第一橋臂單元112、第二橋臂單元114以及能量充放單元116。能量充放單元116耦接於第一橋臂單元112與第二橋臂單元114之間。能量充放單元116適於與電網EG並聯，藉以提供交流輸出電壓Vac。在本實施例中，第一橋臂單元112與第二橋臂單元114可分別由上臂主動元件與下臂主動元件所組成(後續實施例會說明具體電路架構)。此外，逆變電路110還包括一零電壓偵測單元118。零電壓偵測單元118耦接能量充放單元116，其可反應於第一橋臂單元112與第二橋臂單元114的電路切換，從而產生偵測電流Izd1與Izd2。
控制電路120耦接逆變電路110，其用以提供控制訊號S1~S4來控制逆變電路110的電源轉換運作。所述控制訊號S1~S4可例如為用以控制逆變電路110的切換週期的脈寬調變訊號 (PWM signal)，其中控制訊號S1~S4的準位變換可控制對應的對應的上臂主動元件/下臂主動元件的導通與截止狀態，從而控制整體逆變電路110的運作。另外，控制電路120可依據零電壓偵測單元118所產生的偵測電流Izd1與Izd2判定上臂主動元件的零電壓時間點，並且據以調整所提供的控制訊號S1~S4。
具體而言，所述第一橋臂單元112與第二橋臂單元114在接收到直流輸入電壓Vin後，第一橋臂單元112會受控於控制訊號S1與S2而切換，並且第二橋臂單元114會受控於控制訊號S3與S4而切換，從而將直流輸入電壓Vin轉換為交流輸出電壓Vac。
其中，控制電路120會取樣流經第一橋臂單元112的激磁電流I1與流經第二橋臂單元114的激磁電流I2，並且據以調整控制訊號S1~S4的切換時間點。在本實施例中，控制電路120取樣激磁電流I1與I2的具體動作可藉由分別從第一橋臂單元112與第二橋臂單元114接收關聯於激磁電流I1的電流指示電壓Vi1以及關聯於激磁電流I2的電流指示電壓Vi2的方式來實現，但本發明不僅限於此。
更具體地說，在上述的控制方式中，控制電路120可藉由判斷激磁電流I1與I2是否分別達到預設逆電流峰值與預設正電流峰值，藉以作為調整控制訊號S1~S4的切換時間點的基礎，使得第一橋臂單元112與第二橋臂單元114內的各主動元件可實現零電壓切換導通(zero voltage switching-on，ZVS)，並且令逆變 電路110可操作於邊界傳導模式(boundary conduction mode，BCM)進行電源轉換。因此，逆變裝置100可在無須更動電路架構的前提下，僅憑藉著控制電路120調控逆變電路110的電路動作，即令逆變裝置100的轉換效率得以提升。
底下搭配圖2來說明本發明實施例的逆變裝置100的具體電路架構。其中，圖2為本發明一實施例的逆變裝置的電路示意圖。
請同時參照圖1與圖2，在本實施例中，逆變電路110包括電晶體Q1~Q4、電阻R1~R6、激磁電感Lr、儲能電容Cr以及偵測電容Czd1與Czd2。另外，控制電路120包括微控制器122以及比較器124_1~124_4。
在本實施例的逆變電路110中，電晶體Q1與Q2以及電阻R1組成第一橋臂單元112(電晶體Q1與Q2可分別視為第一橋臂單元112的上臂主動元件與下臂主動元件)，並且電晶體Q3與Q4以及電阻R2組成第二橋臂單元114(電晶體Q3與Q4可分別視為第二橋臂單元114的上臂主動元件與下臂主動元件)。其中，流經電阻R1的電流係定義為激磁電流I1，而流經電阻R2的電流則係定義為激磁電流I2。激磁電感Lr與儲能電容Cr組成能量充放單元114，其中逆變電路110所產生的交流輸出電壓Vac即為儲能電容Cr的跨壓。偵測電容Czd1、Czd2以及電阻R3~R6組成零電壓偵測單元118，並且流經電阻R4與R6的電流係定義為偵測電流Izd1與Izd2。
為便於說明，本實施例的所有電晶體Q1~Q4係以N型MOS電晶體為實施範例來描述逆變電路110的電路連接組態，但本發明不僅限於此。
在第一橋臂單元112中，電晶體Q1的汲極接收直流輸入電壓Vin，並且電晶體Q1的閘極耦接微控制器122以接收控制訊號S1。電晶體Q2的汲極耦接電晶體Q1的源極，並且電晶體Q2的閘極耦接微控制器122以接收控制訊號S2。電阻R1的第一端耦接電晶體Q2的源極，並且電阻R1的第二端耦接接地端GND。
在第二橋臂單元114中，電晶體Q3的汲極接收直流輸入電壓Vin，並且電晶體Q3的閘極耦接微控制器122以接收控制訊號S3。電晶體Q4的汲極耦接電晶體Q3的源極，並且電晶體Q4的閘極耦接微控制器122以接收控制訊號S4。電阻R2的第一端耦接電晶體Q4的源極，並且電阻R2的第二端耦接接地端GND。
換言之，在本實施例中，第一橋臂單元112與第二橋臂單元114的電路架構是呈對稱的配置。
在能量充放單元116中，激磁電感Lr與儲能電容Cr串接在一起，並且耦接於第一橋臂單元112與第二橋臂單元114之間。激磁電感Lr的第一端耦接電晶體Q1的源極與電晶體Q2的汲極。儲能電容Cr的第一端耦接激磁電感Lr的第二端，並且儲能電容Cr的第二端耦接電晶體Q3的源極與電晶體Q4的汲極。
在零電壓偵測單元118中，偵測電容Czd1、電阻R3以及電阻R4三者串接在一起為其中一組零電壓偵測，而偵測電容 Czd2、電阻R5以及電阻R6三者串接在一起為另一組零電壓偵測。偵測電容Czd1的第一端耦接電晶體Q1的源極、電晶體Q2的汲極以及激磁電感Lr的第一端。電阻R3的第一端耦接偵測電容Czd的第二端。電阻R4的第一端耦接電阻R3的第二端，並且電阻R4的第二端耦接接地端GND。偵測電容Czd2的第一端耦接電晶體Q3的源極、電晶體Q4的汲極以及儲能電容的第二端。電阻R5的第一端耦接偵測電容Czd2的第二端。電阻R6的第一端耦接電阻R5的第二端，並且電阻R6的第二端耦接接地端GND。
從逆變電路110的電源轉換運作觀點來看，電晶體Q1~Q4會分別反應於所接收的控制訊號S1~S4而切換導通狀態，從而使激磁電感Lr與儲能電容Cr反應於電晶體Q1~Q4的切換而儲存或釋放電能，並且據以於儲能電容Cr的兩端產生交流輸出電壓Vac。
另一方面，在控制電路120中，比較器124_1~124_4分別具有第一輸入端、第二輸入端以及輸出端。比較器124_1的第一輸入端耦接電阻R1與R2的第一端，藉以接收指示順向的激磁電流I1與I2(於此之順向係定義為激磁電感Lr的第一端指向第二端的方向)大小的電流指示電壓Vi1與Vi2。比較器124_1的第二輸入端接收指示預設電流Ip的預設電壓Vref1。比較器124_1的輸出端輸出比較訊號Sc1，其中比較訊號Sc1指示順向的激磁電流I1、I2與預設電流Ip的比較結果。
比較器124_2的第一輸入端耦接電阻R1與R2的第一端，藉以接收指示逆向的激磁電流I1與I2(於此之逆向係定義為 激磁電感Lr的第二端指向第一端的方向)大小的電流指示電壓Vi1與Vi2。比較器124_2的第二輸入端接收指示預設電流Irp的預設電壓Vref2。比較器124_2的輸出端輸出比較訊號Sc2，其中比較訊號Sc2指示逆向的激磁電流I1、I2與預設電流Irp的比較結果。
比較器124_3的第一輸入端耦接電阻R4的第一端，藉以接收指示偵測電流Izd1大小的電流指示電壓Vzd1。比較器124_3的第二輸入端接收指示預設電流Izp1的預設電壓Vref3。比較器124_3的輸出端輸出比較訊號Sc3，其中比較訊號Sc3指示偵測電流Izd1與預設電流Izp1的比較結果。
比較器124_4的第一輸入端耦接電阻R6的第一端，藉以接收指示偵測電流Izd2大小的電流指示電壓Vzd2。比較器124_4的第二輸入端接收指示預設電流Izp2的預設電壓Vref4。比較器124_4的輸出端輸出比較訊號Sc4，其中比較訊號Sc4指示偵測電流Izd2與預設電流Izp2的比較結果。
微控制器122用以產生控制訊號S1~S4，並且依據比較訊號Sc1~Sc4切換控制訊號S1~S4的禁致能狀態。
底下以圖3A至圖3D的等效電路搭配圖4的電壓/電流波形來說明逆變裝置100的具體電源轉換動作。其中，圖3A至圖3D是繪示逆變裝置100於電源轉換階段PCS1~PCS4下的等效電路示意圖。圖4是繪示交流輸出電壓Vac與流經激磁電感Lr的電感電流IL的波形示意圖。
在本實施例中，主要是以交流輸出電壓Vac在正半週期 間PHP內的電路運作來進行說明。在正半週期間PHP內，逆變裝置100會反應於控制訊號S1~S4的禁致能狀態而在4個不同的電源轉換階段PCS1~PCS4下循環地運作。於此，先以下表(一)敘明在所述電源轉換階段PCS1~PCS4下，控制訊號S1~S4的禁致能狀態：
於此須先敘明的是，由於本實施例的電晶體Q1~Q4皆是以N型MOS電晶體作為實施範例，因此控制訊號S1~S4的高準位(以“H”表示之)表示致能狀態，並且控制訊號S1~S4的低準位(以“L”表示之)表示禁能狀態。亦即，電晶體Q1~Q4是反應於高準位H的控制訊號S1~S4而致能/導通，並且電晶體Q1~Q4是反應於低準位L的控制訊號S1~S4而禁能/截止。但本發明不限於此。本領域通常知識者應可瞭解，若電晶體Q1~Q4選用P型MOS電晶體或其他類型的主動元件，則控制訊號S1~S4的設定則需對應調整。
請先參照圖3A與圖4，首先，電感電流IL會在時間點t0從逆向電流改變為順向電流。其中，在正半週期間PHP內，從激 磁電感Lr的第一端流向第二端的電流被定義為順向電流，並且從激磁電感Lr的第二端流向第一端的電流被定義為逆向電流。逆變電路110會在零電流的時間點t0進入電源轉換階段PCS1。
當逆變電路110操作於電源轉換階段PCS1時，微控制器122會產生高準位H的控制訊號S1與S4並且產生低準位的控制訊號S2與S3，使得電晶體Q1與Q4反應於控制訊號S1與S4而導通，並且使得電晶體Q2與Q3反應於控制訊號S2與S3而截止。
於此階段的等效電路組態下，逆變電路110在直流輸入電壓Vin與接地端GND之間建立了一條電流路徑。所述電流路徑依序由電晶體Q1、激磁電感Lr、儲能電容Cr、電晶體Q4以及電阻R2所組成。
激磁電感Lr與儲能電容Cr會反應於直流輸入電壓Vin而激磁/儲能，使得電感電流Lr中的激磁電流I2在電源轉換階段PCS1內逐漸地上升。在此期間內，電流指示電壓Vi2會隨著順向的激磁電流I2的上升而隨之上升。比較器124_1會持續地比較電流指示電壓Vi2與預設電壓Vref1，藉以判斷激磁電流I2是否大於預設電流Irp。
當微控制器122在時間點t1依據比較訊號Sc1判定激磁電流I2大於預設電流Irp時，微控制器122會將控制訊號S1切換為低準位L，藉以令逆變電路110進入電源轉換階段PCS2。
接著，在電源轉換階段PCS2中，微控制器122會產生高準位H的控制訊號S4與低準位L的控制訊號S1~S3，使得電晶體 Q4反應於控制訊號S4而導通，並且使得電晶體Q1~Q3反應於控制訊號S1~S3而截止。
於此階段的等效電路組態下，截止的電晶體Q2可等效為相互並聯的一電容CQ2與一本質二極體(intrinsic body diode)DQ2。其中，本質二極體DQ2是基於電晶體Q2的基底端(body)的二極體特性所建立，並且本質二極體DQ2的陽極端與陰極端分別等效耦接於電晶體Q2的源極與汲極。
因此，於電源轉換階段PCS2中，逆變電路110的激磁電感Lr會對電容CQ2洩放電能，使得電晶體Q2的汲源極跨壓逐漸降低。
在本實施例中，微控制器122會於預設期間(於此係設定為時間點t1至t2的期間)後將控制訊號S2切換為高準位H，藉以令逆變電路110進入電源轉換階段PCS3。其中，所述預設期間會設定為至少可令電晶體Q2的汲源極跨壓降至0V的時間長度，因此微控制器122在將控制訊號S2切換為高準位H前，電晶體Q2的汲源極跨壓已降至0V，故可令電晶體Q2實現零電壓切換導通。
在電源轉換階段PCS3中，微控制器122會產生高準位H的控制訊號S2與S4以及低準位L的控制訊號S1與S3，使得電晶體Q2與Q4反應於控制訊號S2與S4而導通，並且使得電晶體Q1與Q3反應於控制訊號S1與S3而截止。
於此階段的等效電路組態下，激磁電感Lr會反應於導通 的電晶體Q2與Q4所建立的電流路徑持續地洩放電能，使得順向的電感電流IL/激磁電流I1持續降低，直至電感電流IL/激磁電流I1降至零電流後，儲能電容Cr會基於所儲存的電能而放電，從而令激磁電感Lr逆向地儲能，並據以產生逆向的電感電流IL/激磁電流I1。此時，逆向的電感電流IL/激磁電流I1會逐漸地下降，使得電流指示電壓Vi1隨著激磁電流I1的下降而隨之上升。比較器124_2會持續地比較電流指示電壓Vi1與預設電壓Vref2，藉以判斷逆向的電流I1是否大於預設電流Irp。
當微控制器122在時間點t3依據比較訊號Sc2判定逆向的激磁電流I1大於預設電流Irp時，微控制器122會將控制訊號S2切換為低準位L，藉以令逆變電路110進入電源轉換階段PCS4。
在電源轉換階段PCS4中，微控制器122會產生高準位H的控制訊號S4與低準位L的控制訊號S1~S3，使得電晶體Q4反應於控制訊號S4而導通，並且使得電晶體Q1~Q3反應於控制訊號S1~S3而截止。
於此階段的等效電路組態下，截止的電晶體Q1可等效為相互並聯的一電容CQ1與一本質二極體(intrinsic body diode)DQ1。其中，本質二極體DQ1是基於電晶體Q1的基底端(body)的二極體特性所建立，並且本質二極體DQ1的陽極端與陰極端分別等效耦接於電晶體Q1的源極與汲極。
於電源轉換階段PCS4中，逆變電路110的激磁電感Lr會對電容CQ2洩放電能。其中，電晶體Q1的汲源極跨壓會反應於 反向的電感電流IL而逐漸降低。
在本實施例中，零電壓偵測單元118會藉由偵測電容Czd1、Czd2及電阻R3~R6的架構來實現電晶體Q1與Q3的汲源極跨壓偵測。其中以電晶體Q1為例，偵測電容Czd1會反應於電晶體Q1的汲源極跨壓的變化而充電，並且據以產生偵測電流Izd1。偵測電流Izd1會隨著電晶體Q1的汲源極跨壓降低而升高，從而造成電流指示電壓Vzd1也隨之上升。
比較器124_3會接收電流指示電壓Vzd1並且與預設電壓Vref3進行比較，藉以令微控制器122可依據比較訊號Sc3判斷偵測電流Izd1所產生的電流指示電壓Vzd1是否大於預設電壓Vref3。當微控制器122依據比較訊號Sc3判定電流指示電壓Vzd1大於預設電壓Vref3時(時間點t4)，代表電晶體Q1的汲源極跨壓已降至0V，並且電感電流IL已洩放至零電流。因此，微控制器122會於此時將控制訊號S1於零電壓導通切換為致能，藉以令逆變電路110重新回到電源轉換階段PCS1，並且重新執行上述圖3A至圖3D之電源轉換階段PCS1~PCS4的電路動作。
另外需說明的是，雖然上述實施例是針對交流輸出電壓Vac在正半週期間PHP內的電源轉換動作進行說明。但本領域通常知識者應可瞭解，在本案的逆變電路110具備對稱性的前提下，負半週期間NHP內的電源轉換動作只是將每一電源轉換階段PCS1~PCS4的施加給第一橋臂單元112與第二橋臂單元114的控制訊號S1~S4對稱地調整即可實現負半週期間NHP的電源轉換動 作。其中，在負半週期間NHP的電源轉換階段PCS4內，比較器124_3所進行的電路作動會對應地改由比較器124_4依據電流指示電壓Vzd2預設電壓Vref4來進行。類似於上述電源轉換階段PCS4的運作，在負半週期間NHP的電源轉換階段PCS4內，微控制器122可依據比較訊號Sc4判斷偵測電流Izd2所產生的電流指示電壓Vzd2是否大於預設電壓Vref4，藉以調整控制訊號S1~S4的禁致能狀態。
底下以表(二)簡述負半週期間NHP內各電源轉換階段PCS1~PCS4的控制訊號S1~S4的禁致能狀態。具體電路動作可搭配表(二)並參照上述實施例的說明，於此不再贅述。
由此可知，藉由上述的控制動作，無論是在正半週期間PHP或負半週期間NHP，電晶體Q1~Q4皆係在零電壓時切換導通狀態，從而實現了零電壓切換導通的控制，使得整體逆變電路110的電源轉換運作可以具有高轉換效率的特性。
綜上所述，本發明實施例提出一種逆變裝置，其可藉由判斷流經各橋臂之激磁電流是否達到預設的正電流峰值或逆電流 峰值，作為調整控制訊號的切換時間點的基礎，因此逆變電路中的各電晶體可實現零電壓切換導通，並且逆變電路可操作於邊界傳導模式進行電源轉換。因此，本發明實施例的逆變裝置可在無須更動電路架構的前提下，僅憑藉著控制電路120調控逆變電路110的電路動作，即令逆變裝置100的轉換效率得以提升。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧逆變裝置
110‧‧‧逆變電路
112‧‧‧第一橋臂單元
114‧‧‧第二橋臂單元
116‧‧‧能量充放單元
118‧‧‧零電壓偵測單元
120‧‧‧控制電路
EG‧‧‧電網
I1、I2‧‧‧激磁電流
Izd1、Izd2‧‧‧偵測電流
S1~S4‧‧‧控制訊號
Vac‧‧‧交流輸出電壓
Vi1、Vi2‧‧‧電流指示電壓
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Vzd1、Vzd2‧‧‧電流指示電壓

Claims (11)

  1. 一種逆變裝置，包括：一逆變電路，具有一第一橋臂單元、一第二橋臂單元以及一能量充放單元，該能量充放單元耦接於該第一橋臂單元與該第二橋臂單元之間，並且該能量充放單元適於與一電網並聯，藉以提供一交流輸出電壓，其中該第一橋臂單元與該第二橋臂單元接收一直流輸入電壓，該第一橋臂單元受控於一第一控制訊號與一第二控制訊號而切換，該第二橋臂單元受控於一第三控制訊號與一第四控制訊號切換，從而將該直流輸入電壓轉換為該交流輸出電壓；以及一控制電路，耦接該逆變電路，用以提供該第一至該第四控制訊號來控制該逆變電路的電源轉換，其中，該控制電路取樣流經該第一橋臂單元的一第一激磁電流與流經該第二橋臂單元的一第二激磁電流，並且據以調整該第一至該第四控制訊號的切換時間點，藉以令該逆變電路操作於一邊界傳導模式(boundary conduction mode，BCM)，其中該控制電路判斷該第一激磁電流與該第二激磁電流是否分別達到一預設逆電流峰值與一預設正電流峰值，藉以作為調整該第一至該第四控制訊號的切換時間點的基礎。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的逆變裝置，其中該逆變電路包括：一第一電晶體，其第一端接收該直流輸入電壓，且其控制端 接收該第一控制訊號；一第二電晶體，其第一端耦接該第一電晶體的第二端，且其控制端接收該第二控制訊號；一第一電阻，其第一端耦接該第二電晶體的第二端，且其第二端耦接一接地端，其中該第一電晶體、該第二電晶體以及該第一電阻組成該第一橋臂單元，並且流經該第一電阻的電流定義為該第一激磁電流；一第三電晶體，其第一端接收該直流輸入電壓，且其控制端接收該第三控制訊號；一第四電晶體，其第一端耦接該第三電晶體的第二端，且其控制端接收該第四控制訊號；一第二電阻，其第一端耦接該第四電晶體的第二端，且其第二端耦接該接地端，其中該第三電晶體、該第四電晶體以及該第二電組組成該第二橋臂單元，並且流經該第二電阻的電流定義為該第二激磁電流；一激磁電感，其第一端耦接該第一電晶體的第二端與該第二電晶體的第一端；以及一儲能電容，其第一端耦接該激磁電感的第二端，且其第二端耦接該第三電晶體的第二端與該第四電晶體的第一端，其中該激磁電感與該儲能電容組成該能量充放單元，其中，該第一至該第四電晶體分別反應於所接收的該第一至該第四控制訊號而切換導通狀態，從而使該激磁電感與該儲能電 容反應於該第一至該第四電晶體的切換而儲存或釋放電能，並且據以於該儲能電容的兩端產生該交流輸出電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的逆變裝置，其中該控制電路包括：一微控制器，用以產生該第一至該第四控制訊號，並且依據一第一比較訊號以及一第二比較訊號切換該第一至該第四控制訊號的禁致能狀態；一第一比較器，其第一輸入端耦接該第一電阻的第一端及該第二電阻的第一端，其第二輸入端接收指示一第一預設電流的一第一預設電壓，且其輸出端輸出該第一比較訊號，其中該第一比較訊號指示該第一激磁電流與該第一預設電流的比較結果或是該第二激磁電流與該第一預設電流的比較結果；以及一第二比較器，其第一輸入端耦接該第一電阻的第一端及該第二電阻的第一端，其第二輸入端接收指示一第二預設電流的一第二預設電壓，且其輸出端輸出該第二比較訊號，其中該第二比較訊號指示該第一激磁電流與該第二預設電流的比較結果或是該第二激磁電流與該第二預設電流的比較結果。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的逆變裝置，其中該逆變電路更具有一零電壓偵測單元，該零電壓偵測單元包括：一第一偵測電容，其第一端耦接該第一電晶體的第二端、該第二電晶體的第一端以及該激磁電感的第一端；一第三電阻，其第一端耦接該第一偵測電容的第二端；以及 一第四電阻，其第一端耦接該第三電阻的第二端，且其第二端耦接該接地端，其中流經該第四電阻的電流定義為一第一偵測電流。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的逆變裝置，其中該零電壓偵測單元更包括：一第二偵測電容，其第一端耦接該第三電晶體的第二端、該第四電晶體的第一端以及該儲能電容的第二端；一第五電阻，其第一端耦接該第二偵測電容的第二端；以及一第六電阻，其第一端耦接該第五電阻的第二端，且其第二端耦接該接地端，其中流經該第六電阻的電流定義為一第二偵測電流。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的逆變裝置，其中該微控制器更依據一第三比較訊號以及一第四比較訊號切換該第一至該第四控制訊號的禁致能狀態，並且該控制電路更包括：一第三比較器，其第一輸入端耦接該第四電阻的第一端，其第二輸入端接收指示一第三預設電流的一第三預設電壓，且其輸出端輸出該第三比較訊號，其中該第三比較訊號指示該第一偵測電流與該第三預設電流的比較結果；以及一第四比較器，其第一端耦接該第六電阻的第一端，其第二輸入端接收指示一第四預設電流的一第四預設電壓，且其輸出端輸出該第四比較訊號，其中該第四比較訊號指示該第二偵測電流與該第四預設電流的比較結果。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的逆變裝置，其中當該逆變電路操作於一第一電源轉換階段時，該微控制器產生致能的該第一與該第四控制訊號並且產生禁能的該第二與該第三控制訊號，藉以導通該第一與該第四電晶體並且截止該第二與該第三電晶體，其中當該微控制器依據該第一比較訊號判定該第一激磁電流或該第二激磁電流大於該第一預設電流時，該微控制器將該第一控制訊號切換為禁能，藉以令該逆變電路進入一第二電源轉換階段。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的逆變裝置，其中當該逆變電路操作於該第二電源轉換階段時，該微控制器產生致能的該第四控制訊號並且產生禁能的該第一至該第三控制訊號，藉以導通該第四電晶體並且截止該第一至該第三電晶體，其中該微控制器於一預設期間後將該第二控制訊號切換為致能，藉以令該逆變電路進入一第三電源轉換階段。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的逆變裝置，其中當該逆變電路操作於該第三電源轉換階段時，該微控制器產生致能的該第二與該第四控制訊號並且產生禁能的該第一與該第三控制訊號，藉以導通該第二與該第四電晶體並且截止該第一與該第三電晶體，其中當該微控制器依據該第二比較訊號判定該第一激磁電流或該第二激磁電流大於該第二預設電流時，該微控制器將該第二控制訊號切換為禁能，藉以令該逆變電路進入一第四電源轉換階段。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的逆變裝置，其中當該逆變電路操作於該第四電源轉換階段時，該微控制器產生致能的該第 四控制訊號並且產生禁能的該第一至該第三控制訊號，藉以導通該第四電晶體並且截止該第一至該第三電晶體，其中當該微控制器依據該第三比較訊號判定該偵測電流大於該第三預設電流時，該微控制器將該第一控制訊號切換為致能，藉以令該逆變電路進入該第一電源轉換階段。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的逆變裝置，其中該第一至該第四電晶體係受控於該微控制器而於零電壓時切換導通狀態。
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