TWI565214B

TWI565214B - 正負電壓增益之電壓源型電源轉換器及使用其之動態電壓恢復器

Info

Publication number: TWI565214B
Application number: TW103119030A
Authority: TW
Inventors: 陳裕愷; 吳財福
Original assignee: 國立虎尾科技大學
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2017-01-01
Also published as: TW201545461A

Description

正負電壓增益之電壓源型電源轉換器及使用其之動態電壓恢復器

本發明係關於一種電源轉換器的應用之技術，更進一步來說，本發明係關於一種正負電壓增益之交流對交流轉換器、直流對直流轉換器及使用其之動態電壓恢復器。

近年來由於工業自動化中電子設備對電力品質要求愈來愈嚴格，如電壓驟降、電壓突升、諧波要求等。一般而言，電壓驟降是電力系統中最常見的擾動，其佔電力品質各種問題的90%以上，其主因為大型馬達負載的啟動與短路故障發生；電壓突升則發生於切換式大型電容或大型負載移除及單相接地的故障發生時。輸出電壓驟降對系統影響甚大，現今高科技設備如電腦通信系統、量測儀器與生產機台等，均對電壓的變化十分敏感，即使電壓變化只有3~5週期，亦可能造成設備當機，影響工廠的生產。由此可知，以台灣科學園區中的高科技產業而言，均採用對電壓敏感性極大的電腦自動化設備，故穩定的輸出電壓與電力品質是必要的投資與需求。

電壓異常的原因依據不同的變化程度與持續時間，可分為以下幾種狀態：1.低頻衰減震盪波形(low-frequency decaying ringwave)、2.高頻突波(high-frequency impulse and ringwave)、3.穩態容忍度(stability tolerance)、4.電壓突升(voltage swell)、5.電壓驟降(voltage sag)、6.回動(dropout)。舉例而言：電壓突升為輸出電壓均方根值超過120%且持續在0.5秒以上。電壓驟降可分為兩個區段，一為輸出電壓下降後電壓為均方根值的90%以內(<10%)且持續10秒以上，其二為下降後電壓為均方根值的85%以內(<15%)且持續0.5秒以上。回動則分為兩大類，電壓驟降超過30%或是電壓完全中斷。其事件發生後立即恢復到正常狀態，其持續時間小於20ms。

動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer：DVR)是近年來解決上述問題如電壓驟降、電壓突升等問題的重要方法。其以串聯的方式來補償電源電壓之變動，可達到較佳的系統效率及穩定輸出電壓。第1圖繪示為先前技術的動態電壓恢復器之電路圖。請參考第1圖，此動態電壓恢復器包括一變壓器101、一能量儲存元件102以及一直流對交流轉換器103。另外，在第1圖中，標示了交流等效阻抗ZAC。在此動態電壓恢復器中，額外的直流對交流轉換器103產生交流補償電壓Vcan，並透過變壓器101進行交流輸入電壓Vac的補償。然而，受限於能量儲存元件102的容量，其補償時間、成本與電路體積將會受限。

本發明的一目的在於提供一種動態電壓恢復器，藉由具有正負電壓增益之交流對交流轉換器配合串接在電壓源的補償用變壓器，進行對電源電壓的補償，達到即時穩壓的功能。

本發明的另一目的在於提供一種正負增益之交流對交流轉換器，此交流對交流轉換器依照供應的脈波之責任週期，反應出正或負之電壓增益。

本發明的另一目的在於提供一種直流對直流轉換器，此直流對直流轉換器依照供應的脈波之責任週期，反應出正或負之電壓增益，並且，此直流對直流轉換器具有高升壓比，使其可應用範圍更加廣泛。

有鑒於此，本發明提供一種動態電壓恢復器，適用於補償輸出電壓驟降與輸出電壓突升，此動態電壓恢復器包括一變壓器以及一電壓源型態交流對交流轉換器。變壓器包括一次側線圈以及一二次側線圈，其中，二次側線圈的第一端耦接一第一交流端，二次側線圈的第二端用以提供一補償輸入電壓。電壓源型態交流對交流轉換器包括一ZETA拓樸電源轉換器、一電源控制電路以及一電壓回授電路。ZETA拓樸電源轉換器包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端以及一第二輸出端，其中，ZETA拓樸電源轉換器的第一輸入端耦接第一交流端，ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端耦接變壓器的一次側線圈的第一端，ZETA拓樸電源轉換器的第二輸出端耦接變壓器的一次側線圈的第二端。

電源控制電路用以提供至少一脈波給ZETA拓樸電源轉換器，以進行電源轉換。電壓回授電路包括一第一端以及一第二端，其中，電壓回授電路的第一端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第二輸出端以及ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端，電壓回授電路的第二端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端以及第二交流端，其中，電壓回授電路用以將ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端以及第二輸出端之間的電壓，依照一特定比例，回授至ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端與第二交流端之間。電壓源型態交流對交流轉換器依照供應給ZETA拓樸電源轉換器的脈波之責任週期的大小，決定輸入電壓對輸出電壓的增益為正或負。

本發明提供一種電壓源型態交流對交流轉換器，此電壓源型態交流對交流轉換器適用於補償輸出電壓驟降與輸出電壓突升的一動態電壓恢復器。此動態電壓恢復器包括一變壓器，此變壓器包括一次側線圈以及一二次側線圈，二次側線圈的第一端耦接一第一交流端，二次側線圈的第二端用以提供一補償輸入電壓，此電壓源型態交流轉交流轉換器包括一ZETA拓樸電源轉換器、一電源控制電路以及一電壓回授電路。ZETA拓樸電源轉換器包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端以及一第二輸出端，其中，ZETA拓樸電源轉換器的第一輸入端耦接第一交流端，ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端耦接變壓器的一次側線圈的第一端，ZETA拓樸電源轉換器的第二輸出端耦接變壓器的一次側線圈的第二端。

電源控制電路，用以提供至少一脈波給ZETA拓樸電源轉換器，以進行電源轉換。電壓回授電路包括一第一端以及一第二端，其中，電壓回授電路的第一端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第二輸出端以及ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端，電壓回授電路的第二端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端以及第二交流端，其中，電壓回授電路用以將ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端以及第二輸出端之間的電壓，依照一特定比例，回授至ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端與第二交流端之間。

依照本發明較佳實施例所述之電壓源型態交流對交流轉換器以及使用其之動態電壓恢復器，上述ZETA拓樸電源轉換器包括一第一電子開關、一第一電感、一第一電容、一第二電子開關以及一第二電感。電子開關包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第一電子開關的第一端耦接第一交流端以及ZETA拓樸電源轉換器的第一輸入端，第一電子開關的控制端耦接電源控制電路以接收脈波。第一電感包括一第一端以及一第二端，其中，第一電感的第一端耦接第一電子開關的第二端，第一電感的第二端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端。第一電容包括一第一端以及一第二端，其中，第一電容的第一端耦接第一電子開關的第二端。第二電子開關包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，第二電子開關的第一端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端，第二電子開關的第二端耦接第一電容的第二端，第二電子開關的控制端耦接電源控制電路。第二電感包括一第一端以及一第二端，其中，第二電感的第一端耦接第一電容的第二端，第一電感的第二端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端。

依照本發明較佳實施例所述之電壓源型態交流對交流轉換器以及使用其之動態電壓恢復器，上述電壓回授電路包括一回授電容，此回授電容包括一第一端以及一第二端，其中，回授電容的第一端耦接第二電感的第二端以及第二交流端，回授電容的第二端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端。

本發明另外提供一種電壓源型態直流對直流轉換器，此電壓源型態直流對直流轉換器包括一ZETA拓樸電源轉換器、一電源控制電路以及一電壓回授電路。ZETA拓樸電源轉換器包括一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端以及一第二輸出端。ZETA拓樸電源轉換器的第一輸入端耦接一直流電源的正端，ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端與ZETA拓樸電源轉換器的第二輸出端輸出一輸出電壓。電源控制電路用以提供至少一脈波給ZETA拓樸電源轉換器，以進行電源轉換。電壓回授電路的第一端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第二輸出端以及ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端，電壓回授電路的第二端耦接ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端以及直流電源的負端，其中，電壓回授電路用以將ZETA拓樸電源轉換器的第一輸出端以及第二輸出端之間的電壓，依照一特定比例，回授至ZETA拓樸電源轉換器的第二輸入端與第二交流端之間。

本發明的精神在於利用現有的ZETA拓樸電源轉換器配合一電壓取樣串聯混合的回授網路，將輸出電壓回授至ZETA拓樸電源轉換器的輸入端，發展出一新形態的電源轉換器。此電源轉換器應用於直流對直流轉換時，可以具有高升壓比。另外，此電源轉換器應用於交流對交流轉換時，可以同時具有正電壓增益與負電壓增益。因此，依照本發明的精神實施的交流對交流轉換器適合用於補償交流輸出電壓驟降與輸出電壓突升的動態電壓恢復器。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

101‧‧‧變壓器

102‧‧‧能量儲存元件

103‧‧‧直流轉交流轉換器

ZAC‧‧‧交流等效阻抗

Vcan‧‧‧交流補償電壓

Vac‧‧‧交流輸入電壓

201‧‧‧交流對交流轉換器

202‧‧‧電源控制器暨驅動電路

203‧‧‧變壓器

204‧‧‧輔助電源電路

Vo‧‧‧輸出電壓

Vin‧‧‧輸入電壓

50‧‧‧ZETA拓樸電源轉換器

51‧‧‧電源控制電路

52‧‧‧回授電路

501、601‧‧‧電子開關

502‧‧‧第一電感

503‧‧‧第二電感

504‧‧‧二極體

505‧‧‧第一電容

506‧‧‧第二電容

521‧‧‧回授電容

507、602‧‧‧併聯電容

第1圖繪示為先前技術的動態電壓恢復器之電路圖。

第2圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器之電路圖。

第3A圖繪示為先前技術的ZETA拓樸電源轉換器之電路圖。

第3B圖繪示為先前技術的之輸入電壓與輸出電壓轉移函數圖。

第4A圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器201之輸入電壓與輸出電壓轉移函數圖。

第4B圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器201之輸入電壓與輸出電壓轉移函數圖。

第5A圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態直流對直流電源轉換器之電路圖。

第5B圖繪示為本發明一較佳實施例的第5A圖的電壓源型態直流對直流電源轉換器之等效電路圖。

第6圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器之電路圖。

第7圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態之電源轉換器之增益函數圖。

第8A圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.2時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。

第8B圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.4時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。

第8C圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.7時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。

第9圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器之電路圖。

第10圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器之增益函數圖。

第11A圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.2時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。

第11B圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.4時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。

第11C圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.7時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。

第2圖繪示為本發明一較佳實施例的動態電壓恢復器之電路圖。請參考第2圖，在此實施例中，利用直接交流對交流轉換器201來實現對輸入電壓的補償機制。其利用交流輸入電壓或輸出電壓配合低頻變壓器來補償其過低或過高電壓，架構圖如第2圖所示。此方法效率較高且無上述第一種方法之缺點，雖其電源中斷時無法提供其所需之輸出電壓，但只要配合其他緊急發電設備亦可實現不斷電功能。在此實施例中，動態電壓恢復器(DVR)所需要的補償輸出電壓變化與快速響應，故以直接轉換的交流對交流轉換器來實現，此動態電壓恢復器包括交流對交流轉換器201、電源控制器暨驅動電路202以及變壓器203。另外，為了維持電源控制器暨驅動電路202的運作，還需要額外的一輔助電源電路204。另外，在第2圖中，標示了交流等效阻抗ZAC。

另外，為了說明本發明的精神，在此實施例中，變壓器的一次側與二次側的線圈比假設為1：N。在此實施例中，為達到動態電壓恢復器(DVR)所需要的補償輸出電壓的上下變化，交流對交流轉換器需要同時具有正電壓增益與負電壓增益。本實施例為解決輸出電壓驟降與電壓突升的問題，交流對交流轉換器所需補償電壓Vout如下式(1)所示：

其中Vo為輸出電壓、Vin為輸入電壓、G(D)為交流對交流轉換器的增益、n則為低頻變壓器的圈數比。由方程式(1)可知，電壓驟降時所需補償的電壓V_out為正，反之電壓突升時補償電壓V_out為負。亦即交流對交流轉換器的增益G(D)必須可以為正亦可以為負。因脈波的責任週期D的範圍為0~1之間，為得到可正可負的數值，在此實施例，以脈波的責任週期0.5為分界點。當責任週期D<0.5時，G(D)為正值，當責任週期D>0.5時，G(D)為負值。由上可知，增益轉移函數G(D)的分母或分子若為1-2D則符合上述需求。

第3A圖繪示為先前技術的ZETA拓樸電源轉換器之電路圖。第3B圖繪示為先前技術的之輸入電壓與輸出電壓轉移函數圖。請同時參考第3A圖以及第3B圖，在此實施例中，首先以ZETA拓樸電源轉換器為基礎來推導出具1-2D的轉移函數。第3A圖的ZETA拓樸電源轉換器為電壓源之型式，ZETA轉換器的輸入與輸出之關係式為如第3B圖所示之D/(1-D)。若以電路回授之觀念，將其輸出電壓Vo經由回授得到Vf電壓與輸入電壓Vi相加，並經由控制理論的梅森(Mason)增益公式可得：

第4A圖以及第4B圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器201之輸入電壓與輸出電壓轉移函數圖。請同時參考第4A圖以及第4B圖，藉由ZETA拓樸電源轉換器配合回授一倍輸出電壓，即可獲得分母為1-2D的電壓增益。

第5A圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態直流對直流電源轉換器之電路圖。請參考第5A圖，此電壓源型態電源轉換器包括一ZETA拓樸電源轉換器50、電源控制電路51以及一回授電路52。在此實施例中，ZETA拓樸電源轉換器50包括電子開關501、第一電感502、第二電感503、二極體504、第一電容505以及第二電容506。回授電路52則是以一回授電容521實施，用以將輸出電壓Vo回授到ZETA拓樸電源轉換器50與第二交流端N2之間。所屬技術領域具有通常知識者可以看出，此實施例的電壓源型態電源轉換器利用串並回授(series-shunt feedback，電壓取樣串聯混合Voltage sampling Series mixing)觀念，將一倍的輸出電壓回授到輸入端。第5B圖繪示為本發明一較佳實施例的第5A圖的電壓源型態直流對直流電源轉換器之等效電路圖。請同時參考第5A圖與第5B圖，其中，併聯電容507為第二電容506與回授電容521併聯的等效電容。若將第5A圖的元件進行整理後，便可以獲得如第5B的電路。

第6圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器之電路圖。請同時參考第5B圖以及第6圖，在此實施例中，二極體504被一電子開關601取代。另外，電子開關501與電子開關601是以雙向交流開關的形式實施，此雙向交流開關是以功率電晶體與四個二極體所實施，其耦接關係如圖所繪示。再者，回授電容521與第二電容506為併聯，因此，在此電路圖中，以併聯電容602以表示回授電容521與第二電容506。由於本發明是針對輸入的交流電進行補償，轉換器的電路為交流型轉換器，故將電子開關501以及二極體504以雙向開關來實現。若以電路圖中電感503的伏秒平衡(voltage-second balance)的觀念來推導，以電容521上的電容可充至Vo為例，則推導可得即可推導出轉移函數為：-(Vi+Vo)DT_s+Vo(1-D)T_s=0 (3)

經由整理後可得：

電壓源型交流對交流轉換器的導通週期與輸入/輸出轉移函數可分成以下3個區間：1、0<D<0.33，增益為正值且為降壓；2、0.33<D<0.5，增益為正值且為升壓；3、0.5<D<1，增益為負值且為升壓。

第7圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態之電源轉換器之增益函數圖。請參考第7圖，由上述的分析可知，在0.4<D<0.5以及0.5<D<0.6時，此電源轉換器的增益函數G(D)可達到相當高的增益倍數，但是，增益函數並非正負對稱。因此，電源控制電路51必須採用線性的比例積分(PI，Proportional-Integral)數位控制器或以非線性的模糊控制器經由離線(offline)查表的方式，獲取電源轉換器所需的脈波寬度調變(PWM)訊號的責任週期D。

第8A圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.2時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。第8B圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.4時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。第8C圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.7時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。請同時參考第8A圖、第8B圖、第8C圖、第7圖以及上述轉移函數之分析，由模擬結果可以對應的驗證上述轉移函數的分析的正確性與電路的可行性。

另外，請參考第5B圖，第5B圖雖然是以直流對直流轉換器的形式，由上述的推導，所屬技術領域具有通常知識者可以看出，此直流對直流轉換器具有非常高的升壓比。一般為了得到高倍數升壓比，所屬技術領域具有通常知識者會使用1、切換電容(電荷幫浦)技術；或2、耦合電感(Coupled-inductor)技術。用耦合電感之方式來達到高升壓比是本領域具有通常知識者較普遍應用的方法，但是變壓器的漏感會造成開關的電壓應力變大而導致效率降低。在此例中，採用非耦合電感的方式，改變整個直流轉換器的拓樸，獲得高升壓比。

另外，在上述實施例中，回授電壓雖然是以一倍的輸出電壓回授到輸入端，然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，若要得到同時具有正增益與負增益的電源轉換器，回授的電壓並非一定要用一倍的輸出電壓。例如用分壓的方式回授1.5倍輸出電壓、0.5倍輸出電壓、0.7倍輸出電壓，皆可以獲得同時具有正增益與負增益G(D)的電源轉換器。因此，本發明不以此為限。

第9圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器之電路圖。請參考第6圖與第9圖，此電路與第6圖的電路之差異在於，輸出端改為元件501與元件502的跨壓。此電路的轉移函數如下：Vo'=Vi+Vo

此電壓源型態交流對交流轉換器的導通週期與輸入/輸出轉移函數可分成以下3個區間：1、0<D<0.5，增益為正值且為升壓； 2、0.5<D<0.67，增益為負值且為升壓；3、0.67<D<1，增益為負值且為降壓。

由上述推導可以看出，由於輸出電壓Vo'與輸入電壓Vi的轉移函數的分母仍然具有(1-2D)，換句話說，當變壓器203的一次側線圈耦接在元件501與元件502之間時，此電路仍可藉由改變責任週期，改變輸出電壓的正負值。因此，此電路亦可以使用於上述動態電壓恢復器。

第10圖繪示為本發明一較佳實施例的電壓源型態交流對交流轉換器之增益函數圖。請參考第10圖，由上述的分析可知，在0.4<D<0.5以及0.5<D<0.6時，此電源轉換器的增益函數G(D)可達到相當高的增益倍數，但是，增益函數並非正負對稱。因此，電源控制電路51必須採用線性的比例積分(PI，Proportional-Integral)數位控制器或以非線性的模糊控制器經由離線(offline)查表的方式，獲取電源轉換器所需的脈波寬度調變(PWM)訊號的責任週期D。

第11A圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.2時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。第11B圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.4時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。第11C圖繪示為本發明實施例之電壓源型態交流對交流轉換器在脈波責任週期等於0.7時的輸入電壓與輸出電壓之波形圖。請同時參考第11A圖、第11B圖、第11C圖、第10圖以及上述轉移函數之分析，由模擬結果可以對應的驗證上述轉移函數的分析的正確性與電路的可行性。

綜上所述，本發明的精神在於利用現有的ZETA拓樸電源轉換器配合一電壓取樣串聯混合的回授網路，將輸出電壓回授至ZETA拓樸電源轉換器的輸入端，發展出一新形態的電源轉換器。此電源轉換器應用於直流對直流轉換時，可以具有高升壓比。另外，此電源轉換器應用於交流對交流轉換時，可以同時具有正電壓增益與負電壓增益。因此，依照本發明的精神實施的交流對交流轉換器適合用於補償交流輸出電壓驟降與輸出電壓突升的動態電壓恢復器。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。