TWI651922B - 無隔離變壓器型單相變流器 - Google Patents

無隔離變壓器型單相變流器 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種無隔離變壓器型單相變流器，包括：兩個直流側電容、包括一第一開關單元、一第二開關單元、一第三開關單元、與一第四開關單元的上下開關臂、一第五開關單元、一第六開關單元、一第七開關單元、以及一第八開關單元。特別地，當此無隔離變壓器型單相變流器處於零電壓(切換)狀態時，該第七開關單元與該第八開關單元被切換至短路，以生成一短路路徑以供電流流至輸出側。亦即，本發明之無隔離變壓器型單相變流器具有虛功調節的能力。

Description

無隔離變壓器型單相變流器
本發明係關於電源轉換電路之技術領域，尤指用以將儲能電池或綠能裝置輸出的直流電轉換成交流電的一種無隔離變壓器型單相變流器。
為了達成環境永續發展之目的，各國政府無不致力於推廣綠色能源之利用藉此增進能源使用之多元化。於各種綠色能源之中，又以太陽能及風能最具發展性。
直流-交流電能轉換器被應用在將綠能發電裝置之儲能電池所輸出的直流電轉換為交流電，以供後端連接的交流配電系統(電網)使用。無隔離變壓器型變流器為新興的一種直流-交流電能轉換器。圖1顯示習知的一種含直流旁路的全橋式變流器之拓樸架構圖(full-bridge inverter with dc bypass (FB-DCBP)topology)。如圖1所示，習知技術的含直流旁路的全橋式變流器(下文簡稱FB-DCBP電路1’)係電性連接於一太陽能發電裝置2’與一電網3’之間，並包括：一第一開關單元S1’、一第二開關單元S2’、一第三開關單元S3’、一第四開關單元S4’、一第五開關單元S5’、一第六開關單元S6’、一第一二極體D1’、一第二二極體D2’、一第一直流側電容Cdc1’、以 及一第二直流側電容Cdc2’。並且，由圖1可知每個開關單元皆包括一個二極體與一個切換開關(例如MOS電晶體)。
熟悉無隔離變壓器型變流器設計與製作的工程師應該知道，圖1所示濾波器4’用以濾除輸出電流的高頻諧波成分。另一方面，R’為太陽能發電裝置2’的寄生電阻，且CpvP’與CpvN’為太陽能發電裝置2’的對地雜散電容。FB-DCBP電路1’的特點在於，透過控制FB-DCBP電路1’的高頻切換開關(S1’,S2’)的開關週期(或切換頻率)，可使得太陽能發電裝置2’的共模電壓在每個周期的皆為定值，藉此方式達到有效抑制太陽能發電裝置2’的漏電流之功效。
即使所述FB-DCBP電路1’能夠抑制儲能電池2’的漏電流，此電路於實務應用中仍舊具有以下之缺點：
(1)半導體製程的誤差導致切換開關(S1’,S2’)的上升時間與下降時間不相等；值得注意的是，上升時間與下降時間的差異可能導致上臂直流分流電路與下臂直流分流電路產生特性不對稱的現象，造成第一直流側電容Cdc1’與第二直流側電容Cdc2’之間產生電容電壓不平衡，致使儲能電池2’的漏電流更加惡化。
(2)請參閱圖2所示習知技術的FB-DCBP電路的負載測試架構圖。以30Ω的電阻及80mH的電感對所述FB-DCBP電路1’進行負載測試之後，可以發現，當FB-DCBP電路1’的輸出電流與輸出電壓的相位不同之時，在e’>0且i’<0以及e’<0且 i’>0這兩種狀態下，所述高頻切換開關無法產生短路路徑，使得FB-DCBP電路1’沒有零電壓輸出的狀態；此時，FB-DCBP電路1’的輸出電壓e’等於輸入電壓Vdc’。簡單地說，習知的FB-DCBP電路1’無法控制虛功(reactive power)。
經由上述內容可以得知，習知的FB-DCBP電路1’仍具有實務上的缺陷，無法控制虛功以及兩個直流側電容之間的電容電壓不平衡；有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種無隔離變壓器型單相變流器。
為解決先前技術之缺點，本發明係提供一種無隔離變壓器型單相變流器，係包括：一第一直流側電容、一第二直流側電容、一第一開關單元、一第二開關單元、一第三開關單元、一第四開關單元、一第五開關單元、一第六開關單元、一第七開關單元、以及一第八開關單元。特別地，當所述無隔離變壓器型單相變流器處於零電壓(切換)狀態時，該第七開關單元與該第八開關單元被切換至短路，以生成一短路路徑。亦即，本發明之無隔離變壓器型單相變流器具有虛功(reactive power)調節的能力。
本發明之一實施例中，可進一步在該無隔離變壓器型單相變流器的電路中加入減法器與比例積分控制器，減法器會根據第一直流側電容與第二直流側電容之間的電容電 壓差值而輸出一輸出訊號至比例積分控制器。更進一步地，基於該減法器的輸出訊號，該比例積分控制器會對應地一調整訊號至該控制單元，使得該控制單元根據該調整訊號而適應性地調整用以控制該第五開關單元與該第六開關單元的驅動控制訊號的責任週期(duty cycle)，直至第一直流側電容與第二直流側電之間的電容電壓差值逐漸地縮小並達到電容電壓平衡。
本發明之一實施例中，該無隔離變壓器型單相變流器係包括：一第一直流側電容，其一端係電性連接至一直流側輸入電壓；一第二直流側電容，其一端係電性連接至該第一直流側電容的另一端，且其另一端係電性連接至該直流側輸入電壓；一第一開關組，係與該第一直流側電容及該第二直流側電容並聯，並包括彼此串聯的一第一開關單元與一第二開關單元；一第二開關組，係與該第一開關組並聯，並包括彼此串聯的一第三開關單元與一第四開關單元；一第五開關單元，係電性連接於該第一直流側電容與該第一開關單元之間；一第六開關單元，係電性連接於該第二直流側電容與該第二開關單元之間；一第七開關單元，係電性連接於該第一直流側電容、該第一開關單元與該第五開關單元之間；以及一第八開關單元，係電性連接於該第二直流側電容、該第二開關單元與該第六開關單元之間；其中，當該第一開關單元與該第四開關單元被切換至短路且該第二開關單元與該第三開關單元被切換 至斷路時，該無隔離變壓器型單相變流器輸出正半週期之輸出電流；並且，當該第一開關單元與該第四開關單元被切換至斷路且該第二開關單元與該第三開關單元被切換至短路時，該無隔離變壓器型單相變流器輸出負半週期之輸出電流，該無隔離變壓器型單相變流器處於零電壓狀態時，該第七開關單元與該第八開關單元被切換至短路，以生成一短路路徑。
本發明之一實施例中，更包括一控制單元，用以控制該些第一至第八開關單元的短路或斷路。
本發明之一實施例中，其中，該些第一至第八開關單元皆包括彼此並聯的一切換開關與一二極體。
本發明之一實施例中，其中，該第七開關單元與該第八開關單元的連接中點係連接至該第一直流側電容與該第二直流側電容的連接中點。
本發明之一實施例中，其中，當該無隔離變壓器型單相變流器連接至一電網時，至少一濾波器係電性連接於電網與該無隔離變壓器型單相變流器之間，用以濾除輸出電流之高頻諧波。
本發明之一實施例中，其中更包括：一減法器，係耦接一第一參考電壓與一第二參考電壓；以及一比例積分控制器，係耦接該減法器，用以根據該減法器的輸出訊號而輸出一調整訊號至該控制單元，使得該控制單元根據該調整訊號適應性地調整用以控制該第五開關單元與該第六開關單元 的驅動控制訊號之責任週期。
本發明之一實施例中，其中，該第一參考電壓為該無隔離變壓器型單相變流器之直流側輸入電壓的二分之一，且該第二參考電壓為該第二直流側電容的電容電壓。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。
1’‧‧‧FB-DCBP電路
2’‧‧‧太陽能發電裝置
3’‧‧‧電網
S1’‧‧‧第一開關單元
S2’‧‧‧第二開關單元
S3’‧‧‧第三開關單元
S4’‧‧‧第四開關單元
S5’‧‧‧第五開關單元
S6’‧‧‧第六開關單元
D1’‧‧‧第一二極體
D2’‧‧‧第二二極體
Cdc1’‧‧‧第一電容
Cdc2’‧‧‧第二電容
R’‧‧‧寄生電阻
CpvP’‧‧‧雜散電容
CpvN’‧‧‧雜散電容
e’‧‧‧輸出電壓
Vdc’‧‧‧輸入電壓
1‧‧‧無隔離變壓器型單相變流器
2‧‧‧太陽能發電裝置
3‧‧‧電網
Cdc1‧‧‧第一直流側電容
Cdc2‧‧‧第二直流側電容
11‧‧‧第一開關組
12‧‧‧第二開關組
S1‧‧‧第一開關單元
S2‧‧‧第二開關單元
S3‧‧‧第三開關單元
S4‧‧‧第四開關單元
S5‧‧‧第五開關單元
S6‧‧‧第六開關單元
S7‧‧‧第七開關單元
S8‧‧‧第八開關單元
4‧‧‧濾波器
Vcontrol‧‧‧正弦波控制訊號
Vcarrier‧‧‧三角波訊號
i‧‧‧電流
13‧‧‧控制單元
14‧‧‧減法器
15‧‧‧比例積分控制器
16‧‧‧第一驅動器
17‧‧‧第二驅動器
VREF1‧‧‧第一參考電壓
VREF2‧‧‧第二參考電壓
VFB‧‧‧回授訊號
Vdc‧‧‧輸入電壓
圖1係為習知技術的一種含直流旁路的全橋式變流器之拓樸架構圖。
圖2係為習知技術的FB-DCBP電路的負載測試架構圖。
圖3係為本發明之無隔離變壓器型單相變流器之第一實施例電路架構圖。
圖4係為本發明第一實施例之多個訊號的波形圖與各個開關單元的開關時序圖。
圖5係為本發明第一實施例在四個操作狀態下的無隔離變壓器型單相變流器的電路架構圖。
圖6係為本發明第一實施例之輸出電壓與輸出電流的波形圖。
圖7係為本發明第一實施例在另外四個操作狀態下的電路架構圖。
圖8係為本發明之無隔離變壓器型單相變流器之第二實施例的電路架構圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
請參閱圖3，係顯示本發明之無隔離變壓器型單相變流器之第一實施例電路架構圖。本發明之無隔離變壓器型單相變流器1係用以將一直流電轉換成交流電，例如，將一綠能裝置(例如太陽能發電裝置2)所提供的直流電轉換成交流電之後，輸出至一電網3。如圖3所示，本發明之無隔離變壓器型單相變流器1係包括：一第一直流側電容Cdc1、一第二直流側電容Cdc2、包括彼此串聯的一第一開關單元S1與一第二開關單元S2之一第一開關組11、包括彼此串聯的一第三開關單元S3與一第四開關單元S4之一第二開關組12、一第五開關單元S5、一第六開關單元S6、一第七開關單元S7、以及一第八開關單元S8。值得注意的是，每一個開關單元皆包括彼此並聯的一切換開關(例如：MOS電晶體)與一二極體。並且，至少一濾波器4係電性連接於該電網3與所述無隔離變壓器型單相變流器1之間，用以濾除輸出電流之高頻諧波。
所述綠能裝置可以例如但並不限於太陽能或風能。如圖3所示，該第一直流側電容Cdc1的一端係電性連接至 該太陽能發電裝置2；並且，該第二直流側電容Cdc2的一端係電性連接至該第一直流側電容Cdc1，且其另一端係耦接由該太陽能發電裝置2所提供的直流側輸入電壓Vdc。另一方面，該第一開關組11係與該第一直流側電容Cdc1及該第二直流側電容Cdc2並聯，且該第二開關組12係與該第一開關組11並聯。再者，該第五開關單元S5係電性連接於該第一直流側電容Cdc1與該第一開關單元S1之間，且該第六開關單元S6係電性連接於該第二直流側電容Cdc2與該第二開關單元S2之間。此外，該第七開關單元S7係電性連接於該第一直流側電容Cdc1、該第一開關單元S1與該第五開關單元S5之間，且該第八開關單元S8係電性連接於該第二直流側電容Cdc2、該第二開關單元S2與該第六開關單元S6之間。
圖4係為本發明第一實施例之多個訊號的波形圖與各個開關單元的開關時序圖，請參閱該圖內容，係顯示正弦波控制訊號Vcontrol與三角波訊號Vcarrier(又稱載波訊號)的波形圖；同時，圖4也顯示開關單元的開關時序圖；此外，圖4也顯示VAB的波形圖。根據本發明之設計，各個開關單元的啟/閉係由下表(1)所列之控制條件所決定。
基於表(1)所列之控制條件，本發明之無隔離變壓器型單相變流器1會有四個操作狀態(Operation state)。圖5係為本發明第一實施例在四個操作狀態下的無隔離變壓器型單相變流器的電路架構圖。並且，不同操作狀態下的每個開關單元的狀態係整理於下表(2)之中。
根據圖4、圖5與表(2)可以得知，當該第一開關單 元S1與該第四開關單元S4被切換至短路且該第二開關單元S2與該第三開關單元S3被切換至斷路時，該無隔離變壓器型單相變流器輸出正半週期之輸出電流。相反地，當該第一開關單元S1與該第四開關單元S4被切換至斷路且該第二開關單元S2與該第三開關單元S3被切換至短路時，該無隔離變壓器型單相變流器輸出負半週期之輸出電流。並且，特別地，當該無隔離變壓器型單相變流器1處於零電壓狀態時，該第七開關單元S7與該第八開關單元S8被切換至短路，以生成一短路路徑予該第一開關組11及該第二開關組12。
依照該第一實施例之設計，使得本發明之無隔離變壓器型單相變流器1的共模電壓在不同的操作狀態下都被箝在Vdc/2(定值)。另一方面，由於第七開關單元S7與第八開關單元S8的連接中點係連接至第一直流側電容Cdc1與第二直流側電容Cdc2的連接中點，跨在第五開關單元S5、第六開關單元S6、第七開關單元S7、與第八開關單元S8的電壓大小僅為Vdc/2。值得注意的是，習知的FB-DCBP電路1’(如圖1所示)的第五開關單元S5’與第六開關單元S6’跨壓為Vdc’。
請繼續參閱圖6，係為本發明第一實施例之輸出電壓與輸出電流的波形圖；同時，圖6也顯示VAB的波形圖。由圖6可以發現，本發明之無隔離變壓器型單相變流器1更進一步具有四個操作狀態，亦即，操作狀態5、6、7、及8。圖7係為本發明第一實施例在另外四個操作狀態下的電路架構圖。 根據圖6與圖7可以得知，不論是輸出正電壓與負電流(操作狀態5、操作狀態6)亦或者是輸出負電壓與正電流(操作狀態7、操作狀態8)，本發明之無隔離變壓器型單相變流器1仍然具有短路路徑供電流流通；因此，本發明之無隔離變壓器型單相變流器1具有虛功(reactive power)調節的能力，並利用開關切換方式抑制、降低漏電流的大小。
請繼續參閱圖8，係為本發明之無隔離變壓器型單相變流器之第二實施例的電路架構圖。比較圖3與圖8之後，本發明技術領域中具通常知識者(即熟悉變流器設計與製造的電子工程師)可以發現，圖8所示本發明之無隔離變壓器型單相變流器1的電路架構係進一步包括：一控制單元13、一減法器14與一比例積分控制器15；其中，該控制單元13係透過第一驅動器16與第二驅動器17以輸出開關單元驅動訊號至各個開關單元，以控制所有開關單元的短路或斷路。同時，控制單元13也透過訊號檢出電路單元與誤差放大電路單元而獲得一回授訊號VFB。值得說明的是，所述開關單元驅動訊號為正弦波控制訊號Vcontrol與三角波訊號Vcarrier(又稱載波訊號)的比較結果。另一方面，減法器14係耦接一第一參考電壓VREF1與一第二參考電壓VREF2。於本發明中，第一參考電壓VREF1為所述無隔離變壓器型單相變流器1之直流側的輸入電壓Vdc的二分之一，亦即，Vdc/2。另一方面，第二參考電壓VREF2為第二直流側電容Cdc2的電容電壓。
前述說明內容揭示本發明之無隔離變壓器型單相變流器1的共模電壓在不同的操作狀態下都被箝在Vdc/2(定值)，但並不表示第一直流側電容Cdc1的電容電壓會等於第二直流側電容Cdc2的電容電壓。主要原因在於第五開關單元S5、第六開關單元S6、第七開關單元S5、與第八開關單元S8有可能因為半導體製程上的誤差而具有些許特性差異。同樣地，第一驅動器16與第二驅動器17也可能因為半導體製程上的誤差而具有些許特性差異。特別地，上升時間與下降時間的差異可能導致上直流分流電路與下直流分流電路產生特性不對稱的現象，造成直流側的電容電壓不平衡。
本發明之無隔離變壓器型單相變流器1的電路中加入減法器14與比例積分控制器15作為責任週期補償器之後，減法器14會根據第一直流側電容Cdc1與第二直流側電容Cdc2之間的電容電壓差值而輸出一輸出訊號至比例積分控制器15。如此，基於該減法器14的輸出訊號，所述比例積分控制器15會對應地一調整訊號至該控制單元13，使得該控制單元13根據該調整訊號而適應性地調整用以控制該第五開關單元S5與該第六開關單元S6的驅動控制訊號的責任週期(duty cycle)。責任週期的調整方式可參考以下數學式。
DS5*=D*十△D*
DS6*=D*-△D*
於上述數學式之中，D*表示為驅動控制訊號的 初始責任週期(duty cycle)，且△D*為責任週期的調整量。舉例而言，第一直流側電容Cdc1與第二直流側電容Cdc2之間的電容電壓差值於無隔離變壓器型單相變流器1啟動瞬間為最大，此時比例積分控制器15會計算出最大△D*加速第一直流側電容Cdc1釋放電荷至輸出側。並且，第一直流側電容Cdc1與第二直流側電容Cdc2之間的電容電壓差值逐漸地縮小並達到電容電壓平衡後，△D*亦會隨著降低並固定為定值。
如上所述，本發明係提供一種無隔離變壓器型單相變流器；本發明係以不加入額外電路的方式，利用本身電路架構，來實現電容電位平衡之功能。本發明利用開關切換方式抑制漏電流，具有虛功(reactive power)調節的能力，且採用責任週期補償器解決直流側電容電壓不平衡的問題。本發明之電路架構設計可允許所屬技術領域中具通常知識者使用更高速的開關元件，使變流器切換頻率再往上提高，降低交流側濾波器體積。本發明之各開關單元上跨壓皆為輸入電壓之一半，因此可操作在高電壓市電併網的場合，亦可作為再生能源、電源供應器及電動腳踏車等電力電子核心組件。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (7)

  1. 一種無隔離變壓器型單相變流器，係包括：一第一直流側電容，其一端係電性連接至一直流側輸入電壓；一第二直流側電容，其一端係電性連接至該第一直流側電容的另一端，且其另一端係電性連接至該直流側輸入電壓；一第一開關組，係與該第一直流側電容及該第二直流側電容並聯，並包括彼此串聯的一第一開關單元與一第二開關單元；一第二開關組，係與該第一開關組並聯，並包括彼此串聯的一第三開關單元與一第四開關單元；一第五開關單元，係電性連接於該第一直流側電容正極端與該第一開關單元之間；一第六開關單元，係電性連接於該第二直流側電容負極端與該第二開關單元之間；一第七開關單元，係電性連接於該第一直流側電容負極端、該第一開關單元與該第五開關單元之間；以及一第八開關單元，係電性連接於該第二直流側電容正極端、該第二開關單元與該第六開關單元之間；其中，當該第一開關單元、第四開關單元、第五開關單元與第六開關單元被切換至短路且該第二開關單元、第三 開關單元、第七開關單元與第八開關單元被切換至斷路時，該無隔離變壓器型單相變流器輸出正半週期之輸出電流，當該第一開關單元、第四開關單元、第七開關單元與第八開關單元被切換至斷路且該第二開關單元、第三開關單元、第五開關單元與第六開關單元被切換至短路時，該無隔離變壓器型單相變流器輸出負半週期之輸出電流；當該無隔離變壓器型單相變流器處於零電壓狀態時，該第七開關單元與該第八開關單元被切換至短路，以生成一短路路徑。
  2. 如請求項1所述之無隔離變壓器型單相變流器，其中更包括一控制單元，用以控制該些第一至第八開關單元的短路或斷路。
  3. 如請求項1所述之無隔離變壓器型單相變流器，其中，該些第一至第八開關單元皆包括彼此並聯的一切換開關與一二極體。
  4. 如請求項1所述之無隔離變壓器型單相變流器，其中，該第七開關單元與該第八開關單元的連接中點係連接至該第一直流側電容與該第二直流側電容的連接中點。
  5. 如請求項1所述之無隔離變壓器型單相變流器，其中，當該無隔離變壓器型單相變流器連接至一電網時，至少一濾波器係電性連接於該電網與該無隔離變壓器型單相變流器之間，用以濾除輸出電流之高頻諧波。
  6. 如請求項2所述之無隔離變壓器型單相變流器，其中更包括：一減法器，係耦接一第一參考電壓與一第二參考電壓；以及一比例積分控制器，係耦接該減法器，用以根據該減法器的輸出訊號而輸出一調整訊號至該控制單元，使得該控制單元根據該調整訊號適應性地調整用以控制該第五開關單元與該第六開關單元的驅動控制訊號之責任週期。
  7. 如請求項6所述之無隔離變壓器型單相變流器，其中，該第一參考電壓為該無隔離變壓器型單相變流器之直流側輸入電壓的二分之一，且該第二參考電壓為該第二直流側電容的電容電壓。
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