TWI559668B

TWI559668B - 直流轉交流轉換器的控制方法

Info

Publication number: TWI559668B
Application number: TW104133011A
Authority: TW
Inventors: 游明弘; 陳柏力
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2016-11-21
Also published as: TW201714398A; US9467066B1

Description

直流轉交流轉換器的控制方法

本發明係關於一種直流轉交流轉換器的控制方法，特別是一種操作於不連續導通模式之直流轉交流轉換器的控制方法。

傳統的太陽能發電系統會先將由太陽能模組取得之直流電源經過一組直流對直流轉換器轉換並調節後，再由橋式整流開關組成之直流轉交流轉換器產生正負交替之交流電源，最後進入LC濾波器濾除高頻訊號後輸出。由於太陽能模組之電壓與電流為非線性關係，因此輸入電壓與電流條件的不同也將影響直流轉交流轉換器的輸出功率。

具體來說，由於太陽日照強度無時無刻皆在改變，所以轉換器之輸入電壓及負載變化範圍非常的寬廣。若在日照強度較弱時，轉換器的負載較輕，轉換器的轉換率較低。然而，不論負載的輕重，轉換器的控制電路運作所需之能量幾乎是以定值作消耗，因此在輕載時，控制電路運作消耗的能量的比率將會較為明顯。此外，無論轉換器負載的輕重，轉換器在切換開關元件以輸出交流電時，亦容易造成的切換損失及儲能電感之鐵心損失，進而造成轉換器在輕載時的轉換效率較差的問題。

本發明在於提供一種直流轉交流轉換器的控制方法，藉以解決習知的直流轉交流轉換器在輕載時轉換效率較差的問題。

本發明所揭露的直流轉交流轉換器的控制方法，直流轉交流轉換器選擇性地操作於連續導通模式或不連續導通模式中。於不連續導通模式中，直流轉交流轉換器依據輸入訊號的功率值，以第一工作頻率輸出第一輸出訊號。第一工作頻率關聯於多個第一循環週期，每一個第一循環週期的第一轉換區間及第一等待區間具有第一時間比例，於第一轉換區間中，直流轉交流轉換器轉換輸入訊號，於第一等待區間中，直流轉交流轉換器不轉換輸入訊號。偵測於第一轉換區間中，第一輸出訊號的功率值。當第一輸出訊號的功率值增加時，增加第一工作頻率。當第一輸出訊號的功率值減少時，降低第一工作頻率。

根據上述本發明所揭露的直流轉交流轉換器的控制方法，藉由調整轉換區間及等待區間的時間比例，讓直流轉交流轉換器在輕載時，能先於等待區間中儲存較多的太陽能能量，之後再於轉換區間中以較高的轉換率將儲存的能量轉換成交流電能，據以解決習知的直流轉交流轉換器在輕載時轉換效率較差的問題。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

10‧‧‧轉換器

12‧‧‧脈寬調變控制器

14‧‧‧最大功率追蹤器

P1‧‧‧第一循環週期

T1‧‧‧轉換區間

T2‧‧‧等待區間

t1~t7‧‧‧時間間隔

圖1係為根據本揭露一實施例之直流轉交流轉換器的電路示意圖。

圖2係為根據本揭露另一實施例之直流轉交流轉換器的電路示意圖。

圖3係為根據本揭露一實施例之直流轉交流轉換器的控制方法的步驟流程圖。

圖4係為根據本揭露一實施例所繪示之直流轉交流轉換器於不連續導通模式下輸出訊號的示意圖。

圖5係為根據本揭露再一實施例所繪示之直流轉交流轉換器於連續導通模式下輸出訊號的示意圖。

圖6A及圖6B係為根據本揭露再一實施例之直流轉交流轉換器的控制方法的步驟流程圖。

圖7係為根據本揭露再一實施例所繪示之直流轉交流轉換器於不連續導通模式下輸出訊號的示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1至圖3，圖1係為根據本揭露一實施例之直流轉交流轉換器的電路示意圖，圖2係為根據本揭露另一實施例之直流轉交流轉換器的電路示意圖，圖3係為根據本揭露一實施例之直流轉交流轉換器的控制方法的步驟流程圖，圖4係為根據本揭露一實施例所繪示之直流轉交流轉換器於不連續導通模式下輸出訊號的示意圖。如圖所示，轉換器10例如為直流轉交流轉換器、圖1或圖2所示的三相轉換器或其他合適的轉換器，三相轉換器具有第一、第二與第三開關組。第一、第二與第三開關組的輸入端電性連接太陽能模組，以接收太陽能模組取得的直流電能，第一、第二與第三開關組的輸出端電性連接電網側(grid-side)，用以將轉換後的交流電能饋入市電網中。於一個實施例中，第一、第二與第三開關組的輸入端和輸出端可以更進一步地電性連接濾波器或其他合適的元件，本實施例不予限制。

轉換器10的第一、第二與第三開關組受控於脈寬調變(pulse-width modulation，PWM)控制器12，且脈寬調變控制器電性連接於最大功率追蹤器(Maximum Power Point Tracker，MPPT)14。於一個實施例中，最大功率追蹤器14透過脈寬調變控制器12控制第一、第二與第三開關組的工作週期，來測得轉換器10的輸出功率變化或轉換器的負載輕重。最大功率追蹤器14亦可以透過其他合適的方式來測得轉換器10的輸出功率變化，本實施例不予限制。

當轉換器10的負載，也就是太陽能模組取得的電能由重載(heavy load)逐漸減少至輕載(light load)時，轉換器10由連續導通模式(continuous-conduction mode，CCM)開始進入不連續導通模式(discontinuous-conduction mode，DCM)。

於不連續導通模式中，於步驟S301，轉換器10依據輸入訊號的功率值，以第一工作頻率輸出第一輸出訊號。於步驟S303中，偵測於第一轉換區間中，第一輸出訊號的功率值。於步驟S305中，當第一輸出訊號的功率值增加時，增加第一工作頻率。於步驟S307中，當第一輸出訊號的功率值減少時，降低第一工作頻率。

於一個實施例中，第一工作頻率為一個循環週期P1中，轉換區間T1與等待區間T2的時間比例，亦可以是轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例。如圖4所示，循環週期P1具有多個時間間隔t1~t7。於第一個輸出訊號示意圖中，循環週期P1為時間間隔t1~t5、時間間隔t6~t10，以此類推。而轉換區間T1例如為時間間隔t1~t5中的時間間隔t1，等待區間T2為時間間隔t1~t5中的時間間隔t2~t5。以第一工作頻率為轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例來說，於第一個輸出訊號示意圖中，轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/5。於第二個輸出訊號示意圖中，轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/4。同理地，於第三個輸出訊號示意圖中，轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/2.5。於第四個輸出訊號示意圖中，轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/2。

以預設轉換率為50%來說，當轉換器10依據輸入訊號的功率值判斷轉換率為10%時，依據轉換率10%為預設轉換率50%的1/5倍，轉換器10以轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/5的輸出形式來轉換輸入訊號為第一輸出訊號，也就是說，在轉換區間T1的時間間隔t1中，轉換器10可以不低於50%的轉換率，轉換輸入訊號為第一輸出訊號，而在等待區間T2的時間間隔t2~t5時，不轉換輸入訊號為第一輸出訊號，並在下一個循環週期P1中的轉換區間T1，亦即時間間隔t6時，再以不低於50%的轉換率轉換輸入訊號為第一輸出訊號。

當轉換器10依據輸入訊號的功率值判斷轉換率為12.5%時，依據轉換率12.5%為預設轉換率50%的1/4倍，轉換器10以轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/4的輸出形式來轉換輸入訊號為第一輸出訊號，也就是說，在轉換區間T1的時間間隔t1中，轉換器10以不低於50%的轉換率轉換輸入訊號為第一輸出訊號，而在等待區間T2的時間間隔t2~t4中，不轉換輸入訊號為第一輸出訊號，並在下一個循環週期P1中的轉換區間T1，亦即時間間隔t5時，再以不低於50%的轉換率轉換輸入訊號為第一輸出訊號。

於一個實施例中，當轉換器10依據輸入訊號的功率值判斷轉換率為12%時，轉換器10亦可判斷轉換率12%係介於10%~12.5%的範圍，而以轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/5的輸出形式來轉換輸入訊號為第一輸出訊號。換言之，轉換器10可判斷輸入訊號功率值的範圍，並依據輸入訊號功率值的範圍，判斷轉換區間T1和等待區間T2的時間比例。

前述的預設轉換率50%可以是轉換器10最大功率點的轉換率，亦即當轉換器10的輸入訊號功率等於預設功率值時，轉換器10可以將50%的輸入訊號轉換為輸出訊號。當轉換器10的輸入訊號功率低於預設功率值時，轉換器10的轉換率會明顯地低於50%。當轉換器10的輸入訊號功率高於預設功率值時，轉換器10的轉換率會略比50%高。

因此，於前述的實施例中，當轉換器10依據輸入訊號的功率值判斷轉換率為12.5%時，亦可以說是輸入訊號的功率值到達一個功率門檻值。具體來說，當轉換器10的輸入訊號功率等於98W時，轉換器10可以將50%的輸入訊號轉換為輸出訊號，當轉換器10的輸入訊號功率等於93W時，轉換器10判斷轉換率為12.5%，因此轉換器10以轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例為1/4的輸出形式來轉換輸入訊號為第一輸出訊號，並於等待區間T2儲存能量，於轉換區間T1中，以50%的轉換率轉換輸入訊號為第一輸出訊號。

於本實施例中，預設轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例等於1/5時為最小的時間比例，因此，當轉換區間T1佔循環週期P1的時間比例等於1/5時，於轉換區間T1中，第一輸出訊號對輸入訊號的轉換率仍小於50%時，表示轉換器10的負載過小，轉換器10停止輸出第一輸出訊號。於其他實施例中，亦可以其他的時間比例例如1/6、1/7等做為最小的時間比例門檻，本實施例不予限制。

為了更清楚說明，請一併參照圖1及圖5至圖7，圖5係為根據本揭露再一實施例所繪示之直流轉交流轉換器於連續導通模式下輸出訊號的示意圖，圖6A及圖6B係為根據本揭露再一實施例之直流轉交流轉換器的控制方法的步驟流程圖，圖7係為根據本揭露再一實施例所繪示之直流轉交流轉換器於不連續導通模式下輸出訊號的示意圖。如圖所示，當轉換器10為三相轉換器時，於連續導通模式下，轉換器10會分別有R相、S相和T相的交流訊號輸出，且R相、S相和T相的交流訊號與彼此之間具有相位差，如圖5所示。當轉換器10執行於不連續導通模式時，R相、S相和T相會選擇性地輸出交流訊號，並且依據輸入訊號的功率值，以不同的工作頻率輸出交流訊號。

為了方便說明，圖6A和圖6B係以三相轉換器從不連續導通模式切換至連續導通模式來說，因此為了圖式和說明的配合，請以右至左的方向一併參照圖7。以S相、R相和T相的順序來說，於步驟S401中，轉換器10依據輸入訊號的功率值，判斷第一轉換區間及第一等待區間的第一時間比例，例如圖7中，S相的第一轉換區間佔第一循環週期的比例為1/4，於步驟S403中，S相於第一轉換區間中，轉換輸入訊號為第一輸出訊號。於步驟S405中，偵測於第一轉換區間中，第一輸出訊號的功率值是否增加。當第一輸出訊號的功率值減少時，於步驟S407中，降低第一轉換區間的第一時間比例，並於步驟S409中，當第一時間比例到達第一預設比例，且於第一轉換區間中，第一輸出訊號對輸入訊號的轉換率小於預設轉換值時，停止輸出第一輸出訊號。

換言之，以預設功率值為50%且第一預設比例為1/5來說，當S相以第一轉換區間佔第一循環週期的比例為1/4的形式，於第一轉換區間輸出第一輸出訊號時，當第一輸出訊號功率值減少，S相調整以第一轉換區間佔第一循環週期的比例為1/5的形式，於第一轉換區間輸出第一輸出訊號。當S相以第一轉換區間佔第一循環週期的比例為1/5的形式輸出第一輸出訊號，第一輸出訊號功率值仍然減少，而使S相在第一轉換區間轉換率不到預設轉換率50%時，S相停止輸出第一輸出訊號。

承上述，當S相的第一輸出訊號功率值增加時，於步驟S411中，增加第一轉換區間的第一時間比例。於步驟S413中，當第一轉換區間為連續執行時，依據輸入訊號的功率值，以第二工作頻率輸出第二輸出訊號。從圖7中第二階段的圖來看，當S相的第一輸出功率增加，而調整S相的第一工作頻率至S相係連續輸出第一輸出訊號，亦即於S相的第一循環週期中未有等待區間時，R相開始以第二工作頻率不連續地輸出第二輸出訊號。

於步驟S415中，偵測S相的第一輸出訊號及R相的第二輸出訊號的功率值總合，於步驟S417中，判斷S相的第一輸出訊號及R相的第二輸出訊號的功率值總合是否增加。當第一輸出訊號及第二輸出訊號的功率值總合減少時，於步驟S419中，降低R相中第二轉換區間的第二時間比例，於步驟S421中，當第二時間比例到達第二預設比例，且第二輸出訊號對輸入訊號的轉換率小於預設轉換率時，R相停止輸出第二輸出訊號，而S相選擇性地輸出第一輸出訊號。換言之，當第二時間比例為1/5，R相於第二轉換區間中轉換出第二輸出訊號的轉換率仍不到預設轉換率50%時，R相停止輸出第二輸出訊號，而回到第一階段中，只有S相於第一轉換區間輸出第一輸出訊號。

承上述，當第一輸出訊號及第二輸出訊號的功率值總合增加時，於步驟S423中，增加第二轉換區間的第二時間比例。舉例來說，當轉換器10的輸入訊號功率值增加，且輸入訊號提供給S相連續輸出第一輸出訊號後，輸入訊號仍足夠令R相增加輸出第二輸出訊號的第二工作頻率時，R相的第二工作頻率增加，亦即R相的第二轉換區間佔第二循環週期的比例增加，直到R相連續地輸出第二輸出訊號。

接著，如圖7的第三階段所示，當S相連續輸出第一輸出訊號且R相連續輸出第二輸出訊號時，T相開始以第三工作頻率不連續地輸出第三輸出訊號。同理地，偵測第一輸出訊號、第二輸出訊號和第三輸出訊號的功率值總合。當第一輸出訊號、第二輸出訊號和第三輸出訊號的功率值總合減少時，降低T相中第三轉換區間的第三時間比例。

當第一輸出訊號、第二輸出訊號和第三輸出訊號的功率值總合增加時，增加T相中第三轉換區間的第三時間比例，直到T相亦連續輸出第三輸出訊號時，轉換器10切換至連續導通模式，亦即輸出如圖6所示的輸出訊號。於一個實施例中，當轉換器10切換至連續導通模式時，輸入訊號的功率值仍持續增加時，S相、R相和T相輸出訊號的振幅會跟著變大。

前述的實施例中係從不連續導通模式切換至連續導通模式來說，當轉換器10從連續導通模式切換至不連續導通模式時，亦即如圖7從左至右的過程，S相、R相和T相依序地切換至不連續輸出。此外，於本實施例中係以S相、R相和T相的順序為例說明，在實際的例子中，可以不同的順序來切換轉換器10從連續導通模式至不連續導通模式，或從不連續導通模式至連續導通模式。S相、R相和T相亦可以是隨機的選擇順序，據以避免三相中其中一相較常使用而容易受損。

綜合以上所述，本發明實施例提供一種直流轉交流轉換器的控制方法，藉由調整轉換區間及等待區間的時間比例，讓直流轉交流轉換器在輕載時，能先於等待區間中暫停轉換出輸出訊號，以儲存太陽能能量。之後再於轉換區間中，將儲存的能量轉換成交流電能，以令儲存的能量可以在較佳的轉換功率點輸出。如此一來，當轉換器的負載較輕時，轉換器不僅可以降低開關元件的切換率，減少開關元件的切換損失，亦可以解決轉換器運作消耗能量所佔的高比率問題，並且提升轉換器在輕載時的轉換效率。

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。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

Claims

一種直流轉交流轉換器的控制方法，適用於一直流轉交流轉換器，該直流轉交流轉換器選擇性地操作於一連續導通模式或一不連續導通模式中，於該不連續導通模式中，該直流轉交流轉換器的控制方法包括：依據一輸入訊號的功率值，以一第一工作頻率輸出一第一輸出訊號，其中該第一工作頻率關聯於多個第一循環週期，每一該第一循環週期的一第一轉換區間及一第一等待區間具有一第一時間比例，於該第一轉換區間中，該直流轉交流轉換器轉換該輸入訊號，於該第一等待區間中，該直流轉交流轉換器不轉換該輸入訊號；偵測於該第一轉換區間中，該第一輸出訊號的功率值；當該第一輸出訊號的功率值增加時，增加該第一工作頻率；以及當該第一輸出訊號的功率值減少時，降低該第一工作頻率。
如請求項1所述之直流轉交流轉換器的控制方法，其中每一該第一循環週期中具有多個時間間隔，該第一轉換區間及該第一等待區間的該第一時間比例為佔據該時間間隔的個數比例。
如請求項1所述之直流轉交流轉換器的控制方法，更包括判斷該輸入訊號的功率值的範圍，依據該輸入訊號的功率值的範圍，判斷該第一轉換區間及該第一等待區間的該第一時間比例。
如請求項1所述之直流轉交流轉換器的控制方法，更包括於該第一轉換區間中，該第一輸出訊號對該輸入訊號的轉換率不小於一預設轉換率。
如請求項4所述之直流轉交流轉換器的控制方法，其中於依據該輸入訊號的功率值，以該第一工作頻率輸出該第一輸出訊號的步驟中，包括依據該輸入訊號的功率值與一預設功率值的比例關係，判斷該第一轉換區間及該第一等待區間的該第一時間比例。
如請求項5所述之直流轉交流轉換器的控制方法，其中當該第一轉換區間及該第一等待區間的該第一時間比例到達一第一預設比例，且於該第一轉換區間中，該第一輸出訊號對該輸入訊號的轉換率小於該預設轉換率時，該直流轉交流轉換器停止輸出該第一輸出訊號。
如請求項5所述之直流轉交流轉換器的控制方法，其中於以該第一工作頻率輸出該第一輸出訊號的步驟中，當該第一轉換區間為連續執行時，該直流轉交流轉換器的控制方法更包括：依據該輸入訊號的功率值，以一第二工作頻率輸出一第二輸出訊號，其中該第二輸出訊號與該第一輸出訊號具有相位差，且該第二工作頻率關聯於多個第二循環週期，每一該第二循環週期的一第二轉換區間及一第二等待區間具有一第二時間比例，於該第二轉換區間中，該直流轉交流轉換器轉換部分的該輸入訊號為該第二輸出訊號，於該第二等待區間中，該直流轉交流轉換器不轉換該輸入訊號為該第二輸出訊號。
如請求項7所述之直流轉交流轉換器的控制方法，更包括：偵測該第一輸出訊號及該第二輸出訊號的功率值總合；當該第一輸出訊號及該第二輸出訊號的功率值總合增加時，增加該第二工作頻率；以及當該第一輸出訊號及該第二輸出訊號的功率值總合減少時，降低該第二工作頻率。
如請求項7所述之直流轉交流轉換器的控制方法，其中於依據該輸入訊號的功率值，以該第二工作頻率輸出該第二輸出訊號的步驟中，包括依據該輸入訊號的功率值、該第一輸出訊號的功率值和該預設功率，判斷該第二轉換區間及該第二等待區間的該第二時間比例。
如請求項9所述之直流轉交流轉換器的控制方法，其中當該第二轉換區間及該第二等待區間的該第二時間比例到達一第二預設比例時，於該第二轉換區間中，該第二輸出訊號的轉換率小於該預設轉換率時，停止輸出該第二輸出訊號，並選擇性地輸出該第一輸出訊號。