TWI548197B - 逆變裝置及其控制方法 - Google Patents

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游俊豪
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Description

逆變裝置及其控制方法
本發明係關於逆變裝置，尤指一種初級側驅動電路與次級側驅動電路分別由各自的直流轉直流轉換器來驅動的逆變裝置，及其相關的逆變裝置控制方法。
傳統的逆變裝置係採用返馳式直流轉直流轉換器來做為初級側驅動電路與次級側驅動電路共用的輔助電源，其中該初級側驅動電路係用來驅動直流轉直流轉換器，而該次級側驅動電路係用來驅動直流轉交流轉換器。然而，由於返馳式直流轉直流轉換器的轉換效率較差(例如，變壓器所導致的高能量損耗)，故而無法提供高效率的輔助電源予逆變裝置。
因此，需要一種創新的逆變裝置，以解決逆變裝置之性能受限於返馳式直流轉直流轉換器之低轉換效率的問題。
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種初級側驅動電路與次級側驅動電路分別由各自的輔助電源來驅動的逆變裝置及其相關的逆變裝置控制方法，來解決上述問題。
本發明的另一目的在於提供一種逆變裝置之過壓保護機制，以有 效防止該逆變裝置於初啟動時直流母線電壓的過壓情形。
依據本發明之一實施例，其揭示一種逆變裝置。該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器、一直流轉交流轉換器、一初級側控制電路以及一次級側控制電路。該直流轉直流轉換器係用以輸出一第一直流電源以及一第二直流電源。該直流轉交流轉換器係耦接於該直流轉直流轉換器，用以接收該第一直流電源。該初級側控制電路係耦接於該直流轉直流轉換器，用以控制該直流轉直流轉換器之運作。該次級側控制電路係耦接於該直流轉直流轉換器以及該直流轉交流轉換器，用以接收該第二直流電源，並依據該第二直流電源來控制該直流轉交流轉換器之運作。
於一實作範例中，該逆變裝置另包含一防護電路。該防護電路係耦接於該直流轉直流轉換器，用來檢測該第一直流電源，並據以產生一防護訊號至該初級側控制電路，其中該初級側控制電路另依據該防護訊號來控制該直流轉直流轉換器之運作。
依據本發明之一實施例，其揭示一種逆變裝置的控制方法。該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器以及一直流轉交流轉換器。該直流轉直流轉換器之一輸出側耦接於該直流轉交流轉換器之一輸入側。該控制方法包含以下步驟：自該直流轉直流轉換器之該輸出側輸出一第一直流電源以及一第二直流電源，其中該第一直流電源係輸出至該直流轉交流轉換器之該輸入側；以及接收該第二直流電源，並依據該第二直流電源來控制該直流轉交流轉換器之運作。
於一實作範例中，該控制方法另包含有：檢測該第一直流電源，並據以產生一防護訊號；以及依據該防護訊號來控制該直流轉直流轉換器之 運作。
本發明所提供之逆變裝置及其控制方法不僅可提供高效率的輔助電源予初級側/次級側的電路，並可提供過壓保護機制以避免直流母線電壓於初啟動的期間出現過壓的情形，故可廣泛應用於各種電源轉換架構之中。
100、300‧‧‧逆變裝置
102‧‧‧太陽能電池
104‧‧‧電網
110‧‧‧直流轉直流轉換器
120‧‧‧直流轉交流轉換器
130、330‧‧‧初級側控制電路
140、340‧‧‧次級側控制電路
332‧‧‧初級側輔助電源
336‧‧‧初級側驅動電路
342‧‧‧次級側輔助電源
346‧‧‧次級側驅動電路
350、550‧‧‧防護電路
452、552‧‧‧過壓保護電路
453‧‧‧分壓電路
454‧‧‧光耦合電路
455、555‧‧‧偵測電路
456‧‧‧控制器
R1、R2、R3‧‧‧電阻
M1、M2‧‧‧電晶體
D1‧‧‧光二極體
D2‧‧‧二極體
VPV‧‧‧輸入電源
VBUS、VAUX‧‧‧直流電源
VAC‧‧‧交流電源
SDO、SAO‧‧‧輸出側
SAI‧‧‧輸入側
CBUS‧‧‧直流母線電容
SC1、SC2‧‧‧控制訊號
TX‧‧‧變壓器
L11、L21、L22‧‧‧繞組
SP‧‧‧防護訊號
SA1‧‧‧初級側輔助電源訊號
SA2‧‧‧次級側輔助電源訊號
VREF‧‧‧預定準位
VS1、VS2、VM、VD‧‧‧電壓
CP、CR‧‧‧比較器
SW‧‧‧開關
N1、N2、N3‧‧‧連接端
第1圖為本發明逆變裝置之一實施例的功能方塊示意圖。
第2圖為第1圖所示之直流轉直流轉換器之局部電路的一實作範例的示意圖。
第3圖為第1圖所示之逆變裝置之一實作範例的功能方塊示意圖。
第4圖為第3圖所示之防護電路之一實作範例的示意圖。
第5圖為第3圖所示之防護電路之另一實作範例的示意圖。
第6圖為第5圖所示之偵測電路的電路示意圖。
本發明所提供之逆變裝置具有彼此分開設置的初級側輔助電源與次級側輔助電源，並提供過壓保護機制以防止初級側與次級側之間出現過壓的情形，以取代傳統逆變裝置之中初級側與次級側共用同一返馳式直流轉直流轉換器作為輔助電源的架構。為了便於理解本發明的技術特徵，以下係以光伏逆變器(Photovoltaic inverter)來作為本發明所提供之逆變裝置的實作範例。然而，本發明所提供之逆變裝置及其相關的控制方法並不侷限於光伏逆變器之範疇。進一步的說明如下。
請參閱第1圖，其為本發明逆變裝置之一實施例的功能方塊示意 圖。逆變裝置100耦接於一太陽能電池(Photovoltaic cell，PV cell)102與一電網(grid)104之間，並可包含(但不限於)一直流轉直流轉換器(direct current to direct current converter，DC/DC converter)110、一直流轉交流轉換器(direct current to alternating current converter，DC/AC converter)120、一初級側控制電路130以及一次級側控制電路140。直流轉直流轉換器110可接收太陽能電池102所提供之輸入電源VPV，並據以於輸出側SDO輸出一直流電源VBUS(例如，直流母線電壓；直流母線電容CBUS的跨壓)以及一直流電源VAUX。直流轉直流轉換器110之輸出側SDO係耦接於之直流轉交流轉換器120輸入側SAI，其中直流轉交流轉換器120可於輸入側SAI接收直流電源VBUS，並對直流電源VBUS進行轉換以於輸出側SAO產生一交流電源VAC。初級側控制電路130係耦接於直流轉直流轉換器110，用以產生一控制訊號SC1以控制直流轉直流轉換器110之運作，其中初級側控制電路130所需之電源可由太陽能電池102來供應。次級側控制電路140係耦接於直流轉直流轉換器110以及直流轉交流轉換器120，用以接收直流電源VAUX，並可依據直流電源VAUX來產生一控制訊號SC2以控制直流轉交流轉換器120之運作。
於此實施例中(但本發明不限於此)，直流轉直流轉換器110可由一LLC諧振式轉換器(LLC resonant converter)來實作之，以利用其軟性切換的特性而提高轉換效率並且降低電磁干擾，而直流轉交流轉換器120也可稱作直流轉交流變流器(DC/AC inverter)。另外，於一實作範例中，直流轉直流轉換器110可利用內部既有的變壓器來同時提供直流電源VBUS與直流電源VAUX。請參閱第2圖，其為第1圖所示之直流轉直流轉換器110之局部電路的一實作範例的示意圖。於此實作範例中，直流轉直流轉換器110可包含一變壓器TX，其可具有一一次側以及一二次側。該一次側可包含一繞組L11，而該二次側可包含複數個繞組L21與L22。變壓器TX可對來自該一次側之一供給電源(例如，輸入電源VPV)進行電壓轉換，以於該二次側之繞組L21 輸出直流電源VBUS，以及於該二次側之繞組L22輸出直流電源VAUX。
請注意，以上產生直流電源VBUS與直流電源VAUX的實作方式僅供說明之需，並非用來作為本發明之限制。舉例來說，直流轉直流轉換器110也可以利用分壓電路來產生直流電源VBUS之一分壓以作為直流電源VAUX。只要直流轉直流轉換器110可對輸入電源VPV進行轉換以於輸出側SDO產生直流電源VBUS與直流電源VAUX，設計上相關的變化與修飾均遵循本發明之精神。
實作上，初級側控制電路130/次級側控制電路140可包含一直流轉直流轉換器以作為初級側/次級側的輔助電源，其中該直流轉直流轉換器可採用高效率的降壓轉換器(Buck converter)來實現，以取代效率較低的返馳式直流轉直流轉換器。請參閱第3圖，其為第1圖所示之逆變裝置100之一實作範例的功能方塊示意圖。逆變裝置300可包含第1圖所示之直流轉直流轉換器110與直流轉交流轉換器120、一初級側控制電路330以及一次級側控制電路340，其中第1圖所示之初級側控制電路130與次級側控制電路140可分別由初級側控制電路330與次級側控制電路340來實作之。
初級側控制電路330可包含一初級側輔助電源332以及一初級側驅動電路336，而次級側控制電路340可包含一次級側輔助電源342以及一次級側驅動電路346。初級側輔助電源332可提供一初級側輔助電源訊號SA1予初級側驅動電路336，其中初級側輔助電源332所需之電源可由太陽能電池102來提供。初級側驅動電路336係耦接於初級側輔助電源332與直流轉直流轉換器110之間，用以至少依據初級側輔助電源訊號SA1來驅動直流轉直流轉換器110。次級側輔助電源342可接收直流電源VAUX來產生一次級側輔助電源訊號SA2。次級側驅動電路346係耦接於次級側輔助電源342與直流 轉交流轉換器120之間，用以依據次級側輔助電源訊號SA2來驅動直流轉交流轉換器120。於此實作範例中，初級側輔助電源332與次級側輔助電源342之至少其一可由具有高轉換效率的直流轉直流轉換器(例如，降壓轉換器)來實現，而無需採用轉換效率較低的返馳式電源轉換架構。
值得注意的是，本發明所提供之逆變裝置另可提供一防護機制以防止次級側的電路出現過壓的情形。舉例來說，於第3圖所示之實施例中，當逆變裝置300剛開始啟動時，初級側輔助電源332可依據太陽能電池102所提供之電力來啟動初級側驅動電路336，而初級側驅動電路336便可致使直流轉直流轉換器110進行輸入電源VPV之轉換操作，以逐漸提昇直流電源VBUS/直流電源VAUX之能量準位(例如，電壓準位)。由於電網104頻率與振幅的偵測需要一段時間，因此可能會出現直流電源VBUS之能量準位高於一預定準位而次級側驅動電路346仍然處於關閉的狀態。也就是說，在逆變裝置300之初啟動期間(電網104的頻率與振幅的偵測尚未完成)，次級側驅動電路346無法藉由驅動直流轉交流轉換器120來控制直流電源VBUS(直流母線電壓)的大小，這可能會造成直流電源VBUS出現電壓過高的情況。
為了避免上述情況發生而導致逆變裝置300內部元件的毀損，逆變裝置300另可包含一防護電路350，其係耦接於直流轉直流轉換器110，並可用來檢測直流電源VBUS而據以產生一防護訊號SP至初級側控制電路330。如此一來，初級側控制電路330便可依據太陽能電池102所提供之電力以及防護訊號SP來控制直流轉直流轉換器110之運作。舉例來說，防護電路350可將直流電源VBUS之能量準位與一預定準位作比較，並據以產生防護訊號SP來控制直流轉直流轉換器110之運作。於一實作範例中，當防護電路350檢測出直流電源VBUS之能量準位大於該預定準位時，初級側控制電路330可依據防護訊號SP來關閉直流轉直流轉換器110以保護次級側的電路元件。於另 一實作範例中，當防護電路350檢測出直流電源VBUS之能量準位小於該預定準位時，初級側控制電路330可依據防護訊號SP來開啟直流轉直流轉換器110。於第3圖所示之實施例中，防護電路350所產生之防護訊號SP可由初級側驅動電路336來接收，初級側驅動電路336便可依據初級側輔助電源訊號SA1以及防護訊號SP來驅動直流轉直流轉換器110。
在防護電路350係檢測直流電源VBUS之電壓準位來產生防護訊號SP的情形下，防護電路350可由包含過壓保護電路的架構來實作之。請參閱第4圖，其為第3圖所示之防護電路350之一實作範例的示意圖。於此實作範例中，防護電路350可包含一過壓保護電路452以及一控制器456。過壓保護電路452可比較直流電源VBUS之電壓準位與一預定準位VREF來產生一比較結果DR。控制器456係耦接於過壓保護電路452，用以依據比較結果DR來產生防護訊號SP。舉例來說(但本發明不限於此)，偵測電路455可將分壓電路453所產生之電壓VD作比較以產生一偵測結果，光耦合電路454便可依據該偵測結果來產生比較結果DR。當電壓VD過高時，即直流電源VBUS之電壓準位過高，光耦合電路454會將電壓VM耦接於地(亦即，電阻R3接地)，控制器456便可依據比較結果DR(電壓VM)來產生防護訊號SP，以指示第3圖所示之初級側控制電路330關閉直流轉直流轉換器110。
於第4圖所示之實施例中，分壓電路453可由電阻R1與電阻R2來實作之，偵測電路455可由比較器CP與開關SW來實作之，以及光耦合電路454可由光二極體D1與電晶體M1來實作之，其中電壓VS1與電壓VS2可分別作為電晶體M1與光二極體D1所需之電壓源。比較器CP可比較電壓VD及預定準位VREF，其中當電壓VD大於預定準位VREF(例如：2.5V)時，即直流電源VBUS之電壓準位過高，開關SW會導通，光二極體D1也會隨之導通，進而導通電晶體M1以將電壓VM耦接於地。
第4圖所示之防護電路350的電路架構係僅供說明之需，並非用來作為本發明之限制。舉例來說，分壓電路453、光耦合電路454與偵測電路455之至少其一可採用其他電路拓樸來實作之。請參閱第5圖，其為第3圖所示之防護電路之另一實作範例的示意圖。於此設計變化中，防護電路550之架構係基於第4圖所示之防護電路350之架構，而兩者之間主要的差別在於過壓保護電路552所包含之偵測電路555可由一三端可調分流穩壓器(Three-terminal Adjustable Precision Shunt Regulators；AS431)來實作之。偵測電路555之複數個連接端N1~N3分別耦接於光耦合電路454、接地端以及電壓VD，其中偵測電路555的電路細節請參照第6圖。由於熟習技藝者應可了解第6圖所示之比較器CR、電晶體M2、二極體D2及預定準位VREF彼此之間的運作細節，且該三端可調分流穩壓器的實際運作細節非本發明的重點，僅為本發明之偵測電路的其中一種實施例，因此，進一步的說明在此便不再贅述。
於第4圖所示之實施例中，過壓保護電路452利用分壓電路453(由電阻R1與電阻R2來實作之)、光耦合電路454(由光二極體D1與電晶體M1來實作之；電壓VS1為電晶體M1之電壓源)以及偵測電路455(由比較器CP與開關SW來實作之)來檢測直流電源VBUS，然而，此僅供說明之需，並非用來作為本發明之限制。於一設計變化中，分壓電路453、光耦合電路454與偵測電路455之至少其一可採用其他電路拓樸來實作之。於另一設計變化中，也可以直接利用一比較電路來將直流電源VBUS之電壓準位與預定準位VREF進行比較以產生偵測結果DR。另外，第3圖/第4圖/第5圖所示之過壓保護機制也可以應用於第1圖所示之逆變裝置100之中。
綜上所述，本發明所提供之逆變裝置及其控制方法不僅可提供高 效率的輔助電源予初級側/次級側的電路，並可提供過壓保護機制以避免直流母線電壓於初啟動的期間出現過壓的情形，故可廣泛應用於各種電源轉換架構之中。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧逆變裝置
102‧‧‧太陽能電池
104‧‧‧電網
110‧‧‧直流轉直流轉換器
120‧‧‧直流轉交流轉換器
130‧‧‧初級側控制電路
140‧‧‧次級側控制電路
VPV‧‧‧輸入電源
VBUS、VAUX‧‧‧直流電源
VAC‧‧‧交流電源
SDO、SAO‧‧‧輸出側
SAI‧‧‧輸入側
CBUS‧‧‧直流母線電容
SC1、SC2‧‧‧控制訊號

Claims (14)

  1. 一種逆變裝置，包含：一直流轉直流轉換器，用以輸出一第一直流電源以及一第二直流電源；一直流轉交流轉換器，耦接於該直流轉直流轉換器，用以接收該第一直流電源；一初級側控制電路，耦接於該直流轉直流轉換器，用以控制該直流轉直流轉換器之運作；以及一次級側控制電路，耦接於該直流轉直流轉換器以及該直流轉交流轉換器，用以接收該第二直流電源，並依據該第二直流電源來控制該直流轉交流轉換器之運作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之逆變裝置，另包含：一防護電路，耦接於該直流轉直流轉換器，用來檢測該第一直流電源，並據以產生一防護訊號至該初級側控制電路；其中該初級側控制電路另依據該防護訊號來控制該直流轉直流轉換器之運作。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之逆變裝置，其中當該防護電路檢測出該第一直流電源之能量準位大於一預定準位時，該初級側控制電路會依據該防護訊號來關閉該直流轉直流轉換器。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之逆變裝置，其中當該防護電路檢測出該第一直流電源之能量準位小於一預定準位時，該初級側控制電路會依據該防護訊號來開啟該直流轉直流轉換器。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之逆變裝置，其中該防護電路包含： 一過壓保護電路，用以比較該第一直流電源之一電壓準位與一預定準位來產生一比較結果；以及一控制器，耦接於該過壓保護電路，用以依據該比較結果來產生該防護訊號。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之逆變裝置，其中該初級側控制電路包含：一初級側輔助電源，用以提供一初級側輔助電源訊號；以及一初級側驅動電路，耦接於該初級側輔助電源與該直流轉直流轉換器之間，用以接收該初級側輔助電源訊號以及該防護訊號，並據以驅動該直流轉直流轉換器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之逆變裝置，其中該次級側控制電路包含：一次級側輔助電源，用以接收該第二直流電源來產生一次級側輔助電源訊號；以及一次級側驅動電路，耦接於該次級側輔助電源與直流轉交流轉換器之間，用以依據該次級側輔助電源訊號來驅動該直流轉交流轉換器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之逆變裝置，其中該直流轉直流轉換器包含：一變壓器，具有一一次側以及一二次側，該變壓器係對來自該一次側之一供給電源進行電壓轉換，其中該二次側包含一第一繞組以及一第二繞組，該第一直流電源係自該第一繞組輸出，以及該第二直流電源係自該第二繞組輸出。
  9. 一種逆變裝置的控制方法，該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器以及一直流轉交流轉換器，該直流轉直流轉換器之一輸出側耦接於該直流轉交流轉換器之一輸入側，該控制方法包含下列步驟： 自該直流轉直流轉換器之該輸出側輸出一第一直流電源以及一第二直流電源，其中該第一直流電源係輸出至該直流轉交流轉換器之該輸入側；以及接收該第二直流電源，並依據該第二直流電源來控制該直流轉交流轉換器之運作。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，另包含下列步驟：檢測該第一直流電源，並據以產生一防護訊號；以及依據該防護訊號來控制該直流轉直流轉換器之運作。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中當檢測出該第一直流電源之一能量準位大於一預定準位時，依據該防護訊號來控制該直流轉直流轉換器之運作的步驟包含：依據該防護訊號來關閉該直流轉直流轉換器。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中當檢測出該第一直流電源之一能量準位小於一預定準位時，依據該防護訊號來控制該直流轉直流轉換器之運作的步驟包含：依據該防護訊號來開啟該直流轉直流轉換器。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中檢測該第一直流電源並據以產生該防護訊號的步驟包含：比較該第一直流電源之一電壓準位與一預定準位來產生一比較結果；以及依據該比較結果來產生該防護訊號。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中該直流轉直流轉換器包含 一變壓器，該變壓器具有一一次側以及一二次側，該變壓器係對來自該一次側之一供給電源進行電壓轉換，以及自該直流轉直流轉換器之該輸出側輸出該第一直流電源以及該第二直流電源的步驟包含：自該二次側之一第一繞組輸出該第一直流電源；以及自該二次側之不同於該第一繞組之一第二繞組輸出該第二直流電源。
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