TWI627828B - 電源轉換器與電源轉換方法 - Google Patents

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Abstract

一種電源轉換器包含複數個橋臂以及複數個切換電路。橋臂電性耦接於電源轉換器的第一直流端子、中性點端子、第二直流端子，並分別電性耦接於複數個交流輸出端子中相應之一者，以透過交流輸出端子提供交流輸出電壓與輸出電流。切換電路分別電性耦接於交流輸出端子中相應之一者與中性點端子之間。切換電路各自包含第一電晶體、第二電晶體、第一二極體與第二二極體。第一電晶體與第二電晶體彼此串聯。第一二極體與第二二極體分別反向並聯於第一電晶體與第二電晶體。

Description

電源轉換器與電源轉換方法
本案係關於一種電源轉換器，且特別係關於一種具有虛功補償能力的電源轉換器。
近來，隨著半導體技術的發展，電晶體開關被廣泛應用在各種電力電子的相關設備當中。然而，在現有的中性點鉗位型逆變器架構中，電晶體開關於一個完整週期內需要以半週期低頻、半週期高頻的方式進行切換控制。
如此一來，便無法選用適當的電晶體元件兼顧開關的切換損失與導通損失，導致電源轉換器的轉換效率無法提升。因此，如何改善現有的電路架構，實為目前相關領域重要的研究方向。
本案的一態樣為一種電源轉換器。電源轉換器包含複數個橋臂，電性耦接於該電源轉換器的一第一直流端子、一中性點端子、一第二直流端子，並分別電性耦接於複數個交流輸出端子中相應之一者，以透過該交流輸出端子提供一交流輸出電壓與一輸出電流；以及複數個切換電路，分別電性耦接於該些交流輸出端子中相應之一者與該中性點端子之間，該些切換電路各自包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第一二極體與一第二二極體，其中該第一電晶體與該第二電晶體彼此串聯，該第一二極體與該第二二極體分別反向並聯於該第一電晶體與該第二電晶體。
在部分實施例中，同一切換電路中的該第一電晶體與該第二電晶體分別用以根據互補的一第一控制訊號與一第二控制訊號選擇性地導通或關斷。
在部分實施例中，當該交流輸出電壓為正時，相應的該第一控制訊號處於一禁能準位，當該交流輸出電壓為負時，相應的該第一控制訊號處於一致能準位。
在部分實施例中，該些橋臂分別包含依序串連於該第一直流端子與該第二直流端子之間的一第三電晶體、一第四電晶體、一第五電晶體以及一第六電晶體，其中該中性點端子透過一第一鉗位二極體電性耦接於該第三電晶體與該第四電晶體之間，並透過一第二鉗位二極體電性耦接於該第五電晶體與該第六電晶體之間，該交流輸出端子電性耦接於該第四電晶體與該第五電晶體之間。
在部分實施例中，相應的該第一電晶體與該第六電晶體用以根據一第一控制訊號選擇性地導通或關斷，相應的該第二電晶體與該第三電晶體用以根據一第二控制訊號選擇性地導通或關斷，其中該第一控制訊號與該第二控制訊號彼此互補。
在部分實施例中，該第四電晶體用以根據一第三控制訊號選擇性地導通或關斷，該第五電晶體用以根據一第四控制訊號選擇性地導通或關斷，其中該第三控制訊號與該第四控制訊號彼此互補。
在部分實施例中，該第三控制訊號與該第四控制訊號的切換頻率高於該第一控制訊號與該第二控制訊號的切換頻率。
在部分實施例中，當該交流輸出電壓為正時，相應的該第一控制訊號處於一禁能準位，當該交流輸出電壓為負時，相應的該第一控制訊號處於一致能準位。
在部分實施例中，當該橋臂導通該第一直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流同向時，該橋臂透過導通的該第三電晶體與該第四電晶體以提供電流路徑。
在部分實施例中，當該橋臂導通該第一直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流反向時，該橋臂透過反向並聯於該第三電晶體的一第三二極體與反向並聯於該第四電晶體的一第四二極體以提供電流路徑。
在部分實施例中，當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流為正時，該橋臂導通該第二電晶體，以透過該第二電晶體以及該第一二極體提供電流路徑。
在部分實施例中，當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓為正，該輸出電流為負時，該橋臂透過該第五電晶體以及該第二鉗位二極體提供電流路徑。
在部分實施例中，當該橋臂導通該第二直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流同向時，該橋臂透過導通的該第五電晶體與該第六電晶體以提供電流路徑。
在部分實施例中，當該橋臂導通該第二直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流反向時，該橋臂透過反向並聯於該第五電晶體的一第五二極體與反向並聯於該第六電晶體的一第六二極體以提供電流路徑。
在部分實施例中，當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流為負時，該橋臂導通該第一電晶體，以透過該第一電晶體以及該第二二極體提供電流路徑。
在部分實施例中，當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓為負，該輸出電流為正時，該橋臂透過該第四電晶體以及該第一鉗位二極體提供電流路徑。
本案的另一態樣為一種電源轉換方法。電源轉換方法包含：透過一電源轉換器中的複數個橋臂，將該電源轉換器的複數個交流輸出端子選擇性地導通至該電源轉換器的一第一直流端子、一第二直流端子與一中性點端子當中之一者，以提供複數相的的交流輸出電壓；根據一第一控制訊號，選擇性地導通或關斷電性耦接於該些交流輸出端子中相應之一者的一第一電晶體；以及根據互補於該第一控制訊號的一第二控制訊號，選擇性地導通或關斷電性耦接於該第一電晶體與該中性點端子之間的一第二電晶體。
在部分實施例中，電源轉換方法更包含：根據該第二控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該第一直流端子的一第三電晶體；根據一第三控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該第三電晶體與該交流輸出端子之間的一第四電晶體；根據互補於該第三控制訊號的一第四控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該交流輸出端子的一第五電晶體；以及根據該第一控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該第五電晶體與該第二直流端子之間的一第六電晶體。
在部分實施例中，該第三控制訊號與該第四控制訊號的切換頻率高於該第一控制訊號與該第二控制訊號的切換頻率。
在部分實施例中，電源轉換方法更包含：當相應的該交流輸出電壓為正時，輸出處於一禁能準位的該第一控制訊號以截止該第一電晶體，並輸出處於一致能準位的該第二控制訊號以導通該第二電晶體；以及當相應的該交流輸出電壓為負時，輸出處於該禁能準位的該第二控制訊號以截止該第二電晶體，並輸出處於該致能準位的該第一控制訊號以導通該第一電晶體。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本案的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。此外，根據業界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，並未依照原尺寸作圖，實際上各種特徵的尺寸可任意地增加或減少以便於說明。下述說明中相同元件將以相同之符號標示來進行說明以便於理解。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。
此外，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。此外，本文中所使用之『及／或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。
於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。
請參考第1圖。第1圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換器100的示意圖。如第1圖所示，在部分實施例中，電源轉換器100包含橋臂120a、120b、120c，分別相應於橋臂120a、120b、120c的切換電路140a、140b、140c，直流側電容單元C1、C2，交流側電容單元Ca、Cb、Cc以及電感單元La、Lb、Lc。
如第1圖所示，直流側電容單元C1、C2彼此串聯並跨接於直流電壓源Vdc的兩端。直流側電容單元C1的第一端電性耦接於電源轉換器100的第一直流端子N1。直流側電容單元C1的第二端與直流側電容單元C2的第一端彼此電性耦接於電源轉換器100的中性點端子Nn。直流側電容單元C2的第二端電性耦接於第二直流端子N2。
在部分實施例中，電源轉換器100藉由橋臂120a、120b、120c實現中性點鉗位型（Neural-Point-Clamped，NPC）的多電平逆變器架構，並透過三組橋臂120a、120b、120c組成三相輸出。橋臂120a、120b、120c電性耦接於電源轉換器100的第一直流端子N1、中性點端子Nn、第二直流端子N2，並分別電性耦接於各相交流輸出端子Na、Nb、Nc中相應之一者，以分別透過交流輸出端子Na、Nb、Nc提供相應的交流輸出電壓Va、Vb、Vc與輸出電流Ia、Ib、Ic。
切換電路140a、140b、140c分別電性耦接於交流輸出端子Na、Nb、Nc中相應之一者與中性點端子Nn之間。具體來說，切換電路140a、140b、140c各自包含彼此串聯的第一電晶體Q1a、Q1b、Q1c與第二電晶體Q2a、Q2b、Q2c，以及第一二極體D1a、D1b、D1c與第二二極體D2a、D2b、D2c。
在結構上，第一二極體D1a、D1b、D1c與第二二極體D2a、D2b、D2c分別反向並聯於第一電晶體Q1a、Q1b、Q1c與第二電晶體Q2a、Q2b、Q2c。在部分實施例中，根據所選用的電晶體類型，第一二極體D1a、D1b、D1c與第二二極體D2a、D2b、D2c可分別為第一電晶體Q1a、Q1b、Q1c與第二電晶體Q2a、Q2b、Q2c各自的寄生二極體，亦可以是與第一電晶體Q1a、Q1b、Q1c與第二電晶體Q2a、Q2b、Q2c一同封裝的二極體元件。在部分實施例中，第一二極體D1a、D1b、D1c的陽極分別電性耦接於第二二極體D2a、D2b、D2c的陽極。第一二極體D1a、D1b、D1c的陰極分別電性耦接於各相交流輸出端子Na、Nb、Nc。第二二極體D2a、D2b、D2c的陰極彼此電性耦接於中性點端子Nn。
具體而言，橋臂120a、120b、120c分別包含依序串連於第一直流端子N1與第二直流端子N2之間的第三電晶體Q3a、Q3b、Q3c，第四電晶體Q4a、Q4b、Q4c，第五電晶體Q5a、Q5b、Q5c，第六電晶體Q6a、Q6b、Q6c，第一鉗位二極體Dca1、Dcb1、Dcc1以及第二鉗位二極體Dca2、Dcb2、Dcc2。
在結構上，中性點端子Nn透過第一鉗位二極體Dca1、Dcb1、Dcc1分別電性耦接於第三電晶體Q3a、Q3b、Q3c與第四電晶體Q4a、Q4b、Q4c之間，並透過第二鉗位二極體Dca2、Dcb2、Dcc2電性耦接於第五電晶體Q5a、Q5b、Q5c與第六電晶體Q6a、Q6b、Q6c之間。交流輸出端子Na、Nb、Nc分別電性耦接於相應的第四電晶體Q4a、Q4b、Q4c與第五電晶體Q5a、Q5b、Q5c之間。
在結構上，電感單元La、Lb、Lc分別電性耦接於交流輸出端子Na、Nb、Nc與交流側電容單元Ca、Cb、Cc之間。交流側電容單元Ca、Cb、Cc的一端分別電性耦接於電感單元La、Lb、Lc，另一端彼此電性耦接於中性點端子Nn以形成LC濾波電路。
如此一來，透過橋臂120a、120b、120c以及切換電路140a、140b、140c中電晶體開關的切換操作，便可將直流電壓源Vdc所提供的直流電力轉換為三相交流電至交流輸出端子Na、Nb、Nc，並透過交流側電容單元Ca、Cb、Cc以及電感單元La、Lb、Lc所構成的濾波電路進行濾波，提供相應的三相交流輸出電壓Va、Vb、Vc與三相輸出電流Ia、Ib、Ic。
為方便說明起見，橋臂120a、120b、120c以及切換電路140a、140b、140c中電晶體開關的切換操作將在後續段落中搭配相關圖式進行說明。此外，橋臂120a、120b、120c以及切換電路140a、140b、140c中的各個電晶體開關可透過不同種類的電晶體元件實作。雖然第1圖中所繪示的各個電晶體開關為絕緣柵雙極電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），但其僅為示例之用，並非用以限制本揭示內容。在部分實施例中，亦可根據實際需求選用其他種類的電晶體，例如雙極性接面型電晶體（bipolar junction transistor，BJT）或是金屬氧化物半導體場效應電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）等等實作。
此外，為便於說明起見，以下段落將針對橋臂120a及其相應的切換電路140a中電晶體開關的切換操作進行說明。橋臂120b、120c及其相應的切換電路140b、140c中電晶體開關的切換操作與其相似，故不再於此贅述。
如第1圖中所示，切換電路140a中的第一電晶體Q1a用以接收第一控制訊號CT1選擇性地導通或關斷。第二電晶體Q2a用以接收第二控制訊號CT2選擇性地導通或關斷。在部分實施例中，第一控制訊號CT1與第二控制訊號CT2彼此互補。
橋臂120a中的第三電晶體Q3a和第二電晶體Q2a相同，用以根據第二控制訊號CT2選擇性地導通或關斷。第四電晶體Q4a用以根據第三控制訊號CT3選擇性地導通或關斷。第五電晶體Q5a用以根據第四控制訊號CT4選擇性地導通或關斷。在部分實施例中，第三控制訊號CT3與第四控制訊號CT4彼此互補。
第六電晶體Q6a和第一電晶體Q1a相同，用以根據第一控制訊號CT1選擇性地導通或關斷。換言之，在橋臂120a中的第三電晶體Q3a與第六電晶體Q6a的啟閉操作，分別與切換電路140a中的第二電晶體Q2a與第一電晶體Q1a相同。當第一電晶體Q1a導通，第二電晶體Q2a關斷時，第六電晶體Q6a導通，第三電晶體Q3a關斷。相對地，當第一電晶體Q1a關斷，第二電晶體Q2a導通時，第六電晶體Q6a關斷，第三電晶體Q3a導通。
請一併參考第2圖。第2圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的訊號波形圖。為方便及清楚說明起見，第2圖中所繪示的訊號波形是配合第1圖所示的電源轉換器100進行說明，但不以此為限。
如第2圖所示，在期間P1、P2中，相應的第一控制訊號CT1處於禁能準位（如：低準位）以關斷第一電晶體Q1a與第六電晶體Q6a。由於第一控制訊號CT1與第二控制訊號CT2彼此互補，此時相應的第二控制訊號CT2處於致能準位（如：高準位）以導通第二電晶體Q2a與第三電晶體Q3a。此時橋臂120a輸出的交流輸出電壓Va為正。
相對地，在期間P3、P4中，相應的第一控制訊號CT1處於致能準位（如：高準位）以導通第一電晶體Q1a與第六電晶體Q6a。相對地，相應的第二控制訊號CT2處於禁能準位（如：低準位）以關斷第二電晶體Q2a與第三電晶體Q3a。此時橋臂120a輸出的交流輸出電壓Va為負。
如此一來，在完整的輸出週期中，透過輸出互補的第三控制訊號CT3與第四控制訊號CT4，便可對電感單元La選擇性地進行儲能或釋能，以輸出如第2圖所示的交流輸出電壓Va。如圖所示，由於第三控制訊號CT3與第四控制訊號CT4分別在交流輸出電壓Va為正的上半週期與交流輸出電壓Va為負的下半週期中高頻切換以進行儲能或釋能，因此第三控制訊號CT3與第四控制訊號CT4的切換頻率高於第一控制訊號CT1與第二控制訊號CT2的切換頻率。
此外，如第2圖所示，當電源轉換器100要對負載提供或吸收無效電力（虛功）時，交流輸出電壓Va與輸出電流Ia之間便會產生相位差，使得在完整的輸出週期中，電壓與電流方向可能為同向或是反向。
舉例來說，在交流輸出電壓Va為正的上半週期，在期間P1中，輸出電流Ia為負，與交流輸出電壓Va方向相反。在期間P2中，輸出電流Ia為正，與交流輸出電壓Va方向相同。相似地，在交流輸出電壓Va為負的下半週期，在期間P3中，輸出電流Ia為正，與交流輸出電壓Va方向相反。在期間P4中，輸出電流Ia為負，與交流輸出電壓Va方向相同。
因此，不論在交流輸出電壓Va為正的上半週期或者交流輸出電壓Va為負的下半週期，橋臂120a及其相應的切換電路140a都須提供直流側與交流側之間雙向的電流路徑，使得電源轉換器100可進行虛功補償，提供或接收多餘的無效電力。
以下段落中，將搭配第3A、3B圖～第6A、6B圖說明不同期間中各個電晶體開關的操作狀態與電流路徑。請參考第3A、3B圖～第6A、6B圖。第3A、3B圖～第6A、6B圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的橋臂120a及其相應的切換電路140a開關操作與電流路徑示意圖。在第3A、3B圖～第6A、6B圖中，以實線表示導通的電晶體開關，以虛線表示關斷的電晶體開關。
首先，如第3A圖與第3B圖所示，在交流輸出電壓Va為正的上半週期。第二電晶體Q2a、第三電晶體Q3a導通，第一電晶體Q1a、第六電晶體Q6a關斷。當橋臂120a對電感單元La進行儲能時，第三控制訊號CT3處於致能準位（如：高準位）以導通第四電晶體Q4a，互補的第四控制訊號CT4處於禁能準位（如：低準位）以關斷第五電晶體Q5a，使得交流輸出端子Na與第一直流端子N1之間形成通路。
如第3A圖所示，當電壓與電流同向時，導通的第三電晶體Q3a與第四電晶體Q4a形成電流路徑，使得電流可自第一直流端子N1流向交流輸出端子Na。相對地，如第3B圖所示，當電壓與電流反向時，反向並聯於第三電晶體Q3a與第四電晶體Q4a的第三二極體D3a與第四二極體D4a形成電流路徑，使得電流可透過順向的第三二極體D3a與第四二極體D4a自交流輸出端子Na流向第一直流端子N1。
接著，如第4A圖與第4B圖所示，當電感單元La進行釋能時，第三控制訊號CT3處於禁能準位以關斷第四電晶體Q4a，互補的第四控制訊號CT4處於致能準位以導通第五電晶體Q5a，使得交流輸出端子Na與中性點端子Nn之間形成通路。
如第4A圖所示，當電壓與電流同向時，導通的第二電晶體Q2a與反向並聯於第一電晶體Q1a的第一二極體D1a形成電流路徑，使得電流透過順向的第一二極體D1a自中性點端子Nn流向交流輸出端子Na。相對地，如第4B圖所示，當電壓與電流反向時，導通的第五電晶體Q5a與順向的第二鉗位二極體Dca2形成電流路徑，使得電流透過導通的第五電晶體Q5a與順向的第二鉗位二極體Dca2自交流輸出端子Na流向中性點端子Nn。
接著，如第5A圖與第5B圖所示，在交流輸出電壓Va為負的下半週期。第二電晶體Q2a、第三電晶體Q3a關斷，第一電晶體Q1a、第六電晶體Q6a導通。當橋臂120a對電感單元La進行儲能時，第三控制訊號CT3處於禁能準位以關斷第四電晶體Q4a，互補的第四控制訊號CT4處於致能準位以導通第五電晶體Q5a，使得交流輸出端子Na與第二直流端子N2之間形成通路。
如第5A圖所示，當電壓與電流同向時，導通的第五電晶體Q5a與第六電晶體Q6a形成電流路徑，使得電流可自交流輸出端子Na流向第二直流端子N2。相對地，如第5B圖所示，當電壓與電流反向時，反向並聯於第五電晶體Q5a與第六電晶體Q6a的第五二極體D5a與第六二極體D6a形成電流路徑，使得電流可透過順向的第五二極體D5a與第六二極體D6a自第二直流端子N2流向交流輸出端子Na。
接著，如第6A圖與第6B圖所示，當電感單元La進行釋能時，第三控制訊號CT3處於致能準位以導通第四電晶體Q4a，互補的第四控制訊號CT4處於禁能準位以關斷第五電晶體Q5a，使得交流輸出端子Na與中性點端子Nn之間形成通路。
如第6A圖所示，當電壓與電流同向時，導通的第一電晶體Q1a與反向並聯於第二電晶體Q2a的第二二極體D2a形成電流路徑，使得電流透過順向的第二二極體D2a自交流輸出端子Na流向中性點端子Nn。相對地，如第6B圖所示，當電壓與電流反向時，導通的第四電晶體Q4a與順向的第一鉗位二極體Dca1形成電流路徑，使得電流透過導通的第四電晶體Q4a與順向的第一鉗位二極體Dca1自中性點端子Nn流向交流輸出端子Na。
雖然第3A、3B圖～第6A、6B圖為針對橋臂120a及其相應的切換電路140a中電晶體開關的切換操作進行說明。橋臂120b、120c及其相應的切換電路140b、140c中電晶體開關的切換操作與其相似，故不再於此贅述。
如此一來，透過以上電晶體開關的啟閉切換，便可以在實現中性點鉗位型的多電平逆變器架構時，透過相應的切換電路140a、140b、140c提供電流路徑，使得電源轉換器100可在各個操作期間內提供雙向的電流路徑。如此一來，第三控制訊號CT3與第四控制訊號CT4的切換頻率可在全週期內維持高頻，而不需在上半週期與下半週期之間切換高低頻，便可實現虛功補償。
在部分實施例中，由於第一電晶體Q1a～Q1c、第二電晶體Q2a～Q2c、第三電晶體Q3a～Q3c與第六電晶體Q6a～Q6c所接收的第一控制訊號CT1與第二控制訊號CT2在完整周期中皆為低頻訊號，故可選用導通損失較小的半導體器件實現。相對地，由於第四電晶體Q4a～Q4c與第五電晶體Q5a～Q5c所接收的第三控制訊號CT3與第四控制訊號CT4在完整周期中皆為高頻訊號，故可選用切換損失較小的半導體器件實現。換言之，橋臂120a、120b、120c與切換電路140a、140b、140c的各個電晶體可分別選用適合的半導體器件，以降低整體的損失並提高電源轉換器100的轉換效率。
請參考第7圖。第7圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換方法700的流程圖。為方便及清楚說明起見，下述電源轉換方法700是配合第1圖～第6A、6B圖所示實施例進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。如第7圖所示，電源轉換方法700包含步驟S710、S720以及S730。
在步驟S710中，透過電源轉換器100中的複數個橋臂120a～120c，將電源轉換器100的複數個交流輸出端子Na～Nc選擇性地導通至電源轉換器100的第一直流端子N1、第二直流端子N2與中性點端子Nn當中之一者，以提供複數相的交流輸出電壓Va～Vc。
具體來說，在部分實施例中，步驟S710中將交流輸出端子Na～Nc選擇性地導通至第一直流端子N1、第二直流端子N2與中性點端子Nn當中之一者的操作包含：根據第二控制訊號CT2，選擇性地導通或關斷相應的橋臂（如：橋臂120a）中電性耦接於第一直流端子N1的第三電晶體Q3a；根據第三控制訊號CT3，選擇性地導通或關斷相應的橋臂120a中電性耦接於第三電晶體Q3a與交流輸出端子Na之間的第四電晶體Q4a；根據互補於第三控制訊號CT3的第四控制訊號CT4，選擇性地導通或關斷相應的橋臂120a中電性耦接於交流輸出端子Na的第五電晶體Q5a；以及根據第一控制訊號CT1，選擇性地導通或關斷相應的橋臂120a中電性耦接於第五電晶體Q5a與第二直流端子N2之間的第六電晶體Q6a。
在部分實施例中，第三控制訊號CT3與第四控制訊號CT4的切換頻率高於第一控制訊號CT1與第二控制訊號CT2的切換頻率。
在步驟S720中，電源轉換器100根據第一控制訊號CT1，選擇性地導通或關斷電性耦接於交流輸出端子Na～Nc中相應之一者（如：交流輸出端子Na）的第一電晶體Q1a。
在步驟S730中，電源轉換器100根據互補於第一控制訊號CT1的第二控制訊號CT2，選擇性地導通或關斷電性耦接於第一電晶體Q1a與中性點端子Nn之間的第二電晶體Q2a。
具體來說，在部分實施例中，在步驟S720、S730中選擇性地導通或關斷第一電晶體Q1a、第二電晶體Q2a的操作包含：當相應的交流輸出電壓Va為正時，輸出處於禁能準位（如：低準位）的第一控制訊號CT1以截止第一電晶體Q1a，並輸出處於致能準位（如：高準位）的第二控制訊號CT2以導通第二電晶體Q2a；以及當相應的交流輸出電壓Va為負時，輸出處於禁能準位的第二控制訊號CT2以截止第二電晶體Q2a，並輸出處於致能準位的第一控制訊號CT1以導通第一電晶體Q1a。
雖然本文將所公開的方法示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和／或與除了本文所示和／或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。此外，本文中的一個或多個步驟亦可能在一個或多個分離的步驟和／或階段中執行。
綜上所述，在本揭示內容的多個實施例中，透過設置相應的切換電路140a、140b、140c提供電流路徑，便可使得電源轉換器100中各個電晶體開關的啟閉切換在完整周期中維持在低頻訊號或高頻訊號，而不需要在上半週期與下半週期之間改變切換頻率。藉此，各個電晶體開關便可分別選用適合的半導體器件以降低整體損失。
雖然在圖式及上述實施例中所繪示的電源轉換器100為三相三電平逆變器（3 phase Three-Level Inverter）電路，但圖式中所繪示的電路僅為本揭示內容可能的實施方式之一，並非用以限制本案。此外，本揭示內容之電源轉換器與電源轉換方法可應用於獨立(stand-alone)型系統或併網(grid-connected)型系統，本技術領域具備通常知識者亦可在其他的多電平逆變器架構或者中性點鉗位型逆變器架構中設置相應的切換電路，以提供雙向的電流路徑實現虛功補償。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電源轉換器
120a、120b、120c‧‧‧橋臂
140a、140b、140c‧‧‧切換電路
700‧‧‧電源轉換方法
C1、C2、Ca、Cb、Cc‧‧‧電容單元
La、Lb、Lc‧‧‧電感單元
Vdc‧‧‧直流電壓源
N1、N2‧‧‧直流端子
Nn‧‧‧中性點端子
Na、Nb、Nc‧‧‧交流輸出端子
Va、Vb、Vc‧‧‧輸出電壓
Ia、Ib、Ic‧‧‧輸出電流
Q1a、Q1b、Q1c‧‧‧第一電晶體
Q2a、Q2b、Q2c‧‧‧第二電晶體
Q3a、Q3b、Q3c‧‧‧第三電晶體
Q4a、Q4b、Q4c‧‧‧第四電晶體
Q5a、Q5b、Q5c‧‧‧第五電晶體
Q6a、Q6b、Q6c‧‧‧第六電晶體
D1a、D1b、D1c‧‧‧第一二極體
D2a、D2b、D2c‧‧‧第二二極體
D3a‧‧‧第三二極體
D4a‧‧‧第四二極體
D5a‧‧‧第五二極體
D6a‧‧‧第六二極體
Dca1、Dcb1、Dcc1‧‧‧第一鉗位二極體
Dca2、Dcb2、Dcc2‧‧‧第二鉗位二極體
CT1、CT2、CT3、CT4‧‧‧控制訊號
P1、P2、P3、P4‧‧‧期間
S710、S720、S730‧‧‧步驟
第1圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換器的示意圖。 第2圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的訊號波形圖。 第3A、3B圖～第6A、6B圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的橋臂及其相應的切換電路開關操作與電流路徑示意圖。 第7圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換方法的流程圖。

Claims (19)

  1. 一種電源轉換器，包含：複數個橋臂，電性耦接於該電源轉換器的一第一直流端子、一中性點端子、一第二直流端子，並分別電性耦接於複數個交流輸出端子中相應之一者，以透過該交流輸出端子提供一交流輸出電壓與一輸出電流；以及複數個切換電路，分別電性耦接於該些交流輸出端子中相應之一者與該中性點端子之間，該些切換電路各自包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第一二極體與一第二二極體，其中該第一電晶體與該第二電晶體彼此串聯，該第一二極體與該第二二極體分別反向並聯於該第一電晶體與該第二電晶體，其中同一切換電路中的該第一電晶體與該第二電晶體分別用以根據互補的一第一控制訊號與一第二控制訊號選擇性地導通或關斷。
  2. 如請求項1所述的電源轉換器，其中當該交流輸出電壓為正時，相應的該第一控制訊號處於一禁能準位，當該交流輸出電壓為負時，相應的該第一控制訊號處於一致能準位。
  3. 如請求項1所述的電源轉換器，其中該些橋臂分別包含依序串連於該第一直流端子與該第二直流端子之間的一第三電晶體、一第四電晶體、一第五電晶體以及一第六電晶體，其中該中性點端子透過一第一鉗位二極體電性耦接於該第三電晶體與該第四電晶體之間，並透過一第二鉗位 二極體電性耦接於該第五電晶體與該第六電晶體之間，該交流輸出端子電性耦接於該第四電晶體與該第五電晶體之間。
  4. 如請求項3所述的電源轉換器，其中相應的該第一電晶體與該第六電晶體用以根據一第一控制訊號選擇性地導通或關斷，相應的該第二電晶體與該第三電晶體用以根據一第二控制訊號選擇性地導通或關斷，其中該第一控制訊號與該第二控制訊號彼此互補。
  5. 如請求項4所述的電源轉換器，其中該第四電晶體用以根據一第三控制訊號選擇性地導通或關斷，該第五電晶體用以根據一第四控制訊號選擇性地導通或關斷，其中該第三控制訊號與該第四控制訊號彼此互補。
  6. 如請求項5所述的電源轉換器，其中該第三控制訊號與該第四控制訊號的切換頻率高於該第一控制訊號與該第二控制訊號的切換頻率。
  7. 如請求項4所述的電源轉換器，其中當該交流輸出電壓為正時，相應的該第一控制訊號處於一禁能準位，當該交流輸出電壓為負時，相應的該第一控制訊號處於一致能準位。
  8. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋臂導通該第一直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流 輸出電壓與該輸出電流同向時，該橋臂透過導通的該第三電晶體與該第四電晶體以提供電流路徑。
  9. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋臂導通該第一直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流反向時，該橋臂透過反向並聯於該第三電晶體的一第三二極體與反向並聯於該第四電晶體的一第四二極體以提供電流路徑。
  10. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流為正時，該橋臂導通該第二電晶體，以透過該第二電晶體以及該第一二極體提供電流路徑。
  11. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓為正，該輸出電流為負時，該橋臂透過該第五電晶體以及該第二鉗位二極體提供電流路徑。
  12. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋臂導通該第二直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流同向時，該橋臂透過導通的該第五電晶體與該第六電晶體以提供電流路徑。
  13. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋 臂導通該第二直流端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流反向時，該橋臂透過反向並聯於該第五電晶體的一第五二極體與反向並聯於該第六電晶體的一第六二極體以提供電流路徑。
  14. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓與該輸出電流為負時，該橋臂導通該第一電晶體，以透過該第一電晶體以及該第二二極體提供電流路徑。
  15. 如請求項3所述的電源轉換器，其中當該橋臂導通該中性點端子至相應的該交流輸出端子，且該交流輸出電壓為負，該輸出電流為正時，該橋臂透過該第四電晶體以及該第一鉗位二極體提供電流路徑。
  16. 一種電源轉換方法，包含下列步驟：透過一電源轉換器中的複數個橋臂，將該電源轉換器的複數個交流輸出端子選擇性地導通至該電源轉換器的一第一直流端子、一第二直流端子與一中性點端子當中之一者，以提供複數相的的交流輸出電壓；根據一第一控制訊號，選擇性地導通或關斷電性耦接於該些交流輸出端子中相應之一者的一第一電晶體；以及根據互補於該第一控制訊號的一第二控制訊號，選擇性地導通或關斷電性耦接於該第一電晶體與該中性點端子之間的一第二電晶體。
  17. 如請求項16所述的電源轉換方法，進一步包含下列步驟：根據該第二控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該第一直流端子的一第三電晶體；根據一第三控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該第三電晶體與該交流輸出端子之間的一第四電晶體；根據互補於該第三控制訊號的一第四控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該交流輸出端子的一第五電晶體；以及根據該第一控制訊號，選擇性地導通或關斷相應的該橋臂中電性耦接於該第五電晶體與該第二直流端子之間的一第六電晶體。
  18. 如請求項17所述的電源轉換方法，其中該第三控制訊號與該第四控制訊號的切換頻率高於該第一控制訊號與該第二控制訊號的切換頻率。
  19. 如請求項16所述的電源轉換方法，進一步包含下列步驟：當相應的該交流輸出電壓為正時，輸出處於一禁能準位的該第一控制訊號以截止該第一電晶體，並輸出處於一致能準位的該第二控制訊號以導通該第二電晶體；以及當相應的該交流輸出電壓為負時，輸出處於該禁能準位 的該第二控制訊號以截止該第二電晶體，並輸出處於該致能準位的該第一控制訊號以導通該第一電晶體。
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