TWI661662B - 盲時區間電壓補償裝置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種盲時區間電壓補償裝置及其方法，該方法包括：由一單相直交流轉換器將輸入端之直流電壓轉換成單極性之交流電壓；由一處理器依據單相直交流轉換器之電感之一第一電感電流值計算出一第一電流值、一第二電流值與一第三電流值，以依據第一電流值、第二電流值與第三電流值之極性計算出交流電壓之第一盲時區間與第三盲時區間之電壓補償量及電感之一第二電感電流值；再由處理器依據第二電感電流值計算出一第四電流值、一第五電流值與一第六電流值，以依據第四電流值、第五電流值與第六電流值之極性計算出交流電壓之第二盲時區間與第四盲時區間之電壓補償量；以及由處理器依據第一盲時區間至第四盲時區間之電壓補償量補償處理器之控制參考訊號。

Description

盲時區間電壓補償裝置及其方法
本案係關於一種電壓補償技術，特別是指一種盲時區間電壓補償裝置及盲時區間電壓補償方法。
傳統單相直交流轉換器之半導體開關元件收到驅動訊號至實際動作會有一定之延遲時間，此延遲時間因不同材料或製程方式而不盡相同，其中，因半導體開關元件之截止(off)延遲時間比導通(on)延遲時間較長，因此，為了避免上臂與下臂之半導體開關元件因導通延遲時間與截止延遲時間之誤差導致直流輸入端之短路，需在上臂之半導體開關元件截止而下臂之半導體開關元件導通以及上臂之半導體開關元件導通而下臂之半導體開關元件截止時加上一盲時區間(dead-time)，此盲時區間依據半導體開關元件之截止延遲時間來決定。
惟，雖加上盲時區間可避免直流輸入端之短路，但也會造成單相直交流轉換器之交流電壓之電壓損失，並提高單相直交流轉換器之輸出電壓之諧波失真率，進而影響整個系統之效能。
因此，如何解決上述習知技術之問題，實已成為本領域技術人員之一大課題。
本案提供一種盲時區間電壓補償裝置及其方法，其可計算出盲時區間所造成之電壓損失以補償電壓予交流電壓。
本案之盲時區間電壓補償裝置包括：一單相直交流轉換器，係具有一輸入端、一第一切換模組、一第二切換模組與一電感，且第一切換模組與第二切換模組係用以將輸入該輸入端之直流電壓轉換成單極性之交流電壓；以及一處理器，係連接該單相直交流轉換器，用以依據電感之一第一電感電流值計算出一第一電流值、一第二電流值與一第三電流值，以依據第一電流值、第二電流值與第三電流值三者之極性計算出交流電壓之第一盲時區間與第三盲時區間之電壓補償量及電感之一第二電感電流值，俾由處理器依據第二電感電流值計算出一第四電流值、一第五電流值與一第六電流值，再依據第四電流值、第五電流值與第六電流值三者之極性計算出交流電壓之第二盲時區間與第四盲時區間之電壓補償量，進而依據第一盲時區間至第四盲時區間之電壓補償量補償處理器之控制參考訊號。
本案之盲時區間電壓補償方法包括：由一單相直交流轉換器之一第一切換模組與一第二切換模組將輸入單相直交流轉換器之輸入端之直流電壓轉換成單極性之交流電壓；由一處理器依據單相直交流轉換器之電感之一第一電感電流值計算出一第一電流值、一第二電流值與一第三電流值，以依據第一電流值、第二電流值與第三電流值三者之極性計算出交流電壓之第一盲時區間與第三盲時區間之電壓補償量及電感之一第二電感電流值；再由處理器依據第二電感電流值計算出一第四電流值、一第五電流值與一第六電流值，以依據第四電流值、第五電流值與第六電流值三者之極性由處理器計算出交流電壓之第二盲時區間與第四盲時區間之電壓補償量；以及由處理器依據第一盲時區間至第四盲時區間之電壓補償量補償處理器之控制參考訊號。
為讓本案之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明。在以下描述內容中將部分闡述本案之額外特徵及優點，且此等特徵及優點將部分自所述描述內容顯而易見，或可藉由對本案之實踐習得。本案之特徵及優點借助於在申請專利範圍中特別指出的元件及組合來認識到並達到。應理解，前文一般描述與以下詳細描述兩者均僅為例示性及解釋性的，且不欲約束本案所主張之範圍。
以下藉由特定的具體實施形態說明本案之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本案之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
第1A圖為本案之盲時區間電壓補償裝置1之架構示意圖，第1B圖為本案之盲時區間電壓補償裝置1之單相直交流轉換器10之電路示意圖。如第1A圖與第1B圖所示，盲時區間電壓補償裝置1可包括一單相直交流轉換器10、一第一感測器G1、一第二感測器G2、一第三感測器G3及一處理器20。單相直交流轉換器10可為單相離網型直交流轉換器等，而處理器20可為控制器等。
單相直交流轉換器10具有輸入端、第一電容C1、第一切換模組M1、第二切換模組M2、電感L1、第二電容C2與輸出端。輸入端具有正極p、負極n與直流電壓E d，而輸出端具有輸出電壓e s並連接負載H，電感L1可為濾波電感等。
第一切換模組M1具有並聯之第一開關元件S1與第一二極體D1以及並聯之第四開關元件S4與第四二極體D4，第二切換模組M2具有並聯之第二開關元件S2與第二二極體D2以及並聯之第三開關元件S3與第三二極體D3。第一切換模組M1與第二切換模組M2之第一開關元件S1至第四開關元件S4可將輸入端之直流電壓E d轉換成單極性之交流電壓V ab，且交流電壓V ab為第1A圖或第1B圖中端點a與端點b之間的跨壓。第一開關元件S1至第四開關元件S4可為半導體開關元件。
第一感測器G1可連接至單相直交流轉換器10之電感L1，用以感測電感L1之電感電流i(見第4B'圖與第5B'圖)。第二感測器G2可連接至單相直交流轉換器10之輸入端，用以感測輸入端之直流電壓E d。第三感測器G3可連接至單相直交流轉換器10之輸出端，用以感測輸出端之輸出電壓e s。
處理器20連接單相直交流轉換器10，用以依據電感L1之一第一電感電流值I 10(見第4B'圖與第5B'圖)計算出一第一電流值I 11、一第二電流值I 12與一第三電流值I 13，再依據第一電流值I 11、第二電流值I 12與第三電流值I 13三者之極性(如電流值大於0為正極性或小於0為負極性)計算出交流電壓V ab之第一盲時區間A與第三盲時區間C之電壓補償量ΔV及電感L1之一第二電感電流值I 20，且處理器20依據第二電感電流值I 20計算出一第四電流值I 21、一第五電流值I 22與一第六電流值I 23(見第4B'圖與第5B'圖)，再依據第四電流值I 21、第五電流值I 22與第六電流值I 23三者之極性(如電流值大於0為正極性或小於0為負極性)計算出交流電壓V ab之第二盲時區間B與第四盲時區間D之電壓補償量ΔV，進而依據第一盲時區間A至第四盲時區間D之電壓補償量ΔV補償處理器20之控制參考訊號u。
進一步言，處理器20具有由硬體、韌體、軟體或其組合所構成之一輸出電壓控制器21、一輸出電流控制器22、一盲時區間電壓補償器23、一加法器24、一三角波產生器25、一反向器26、一第一比較器27、一第二比較器28、一第一盲時區間產生器29與一第二盲時區間產生器30。
輸出電壓控制器21可依據來自單相直交流轉換器10(第三感測器G3)之輸出電壓e s與對應於輸出電壓之命令e s*產生一控制訊號。輸出電流控制器22可依據來自輸出電壓控制器21之控制訊號與來自單相直交流轉換器10(第一感測器G1)之電感L1之電感電流i產生如第2圖所示之控制參考訊號u。
盲時區間電壓補償器23可依據來自單相直交流轉換器10(第一感測器G1)之電感L1之電感電流i、來自單相直交流轉換器10(第二感測器G2)之直流電壓E d與來自單相直交流轉換器10(第三感測器G3)之輸出電壓e s產生一電壓補償量ΔV。加法器24可依據來自輸出電流控制器22之控制參考訊號u與來自盲時區間電壓補償器23之電壓補償量ΔV產生一補償後之控制參考訊號u'。三角波產生器25可產生如第2圖所示之三角波。反向器26可使補償後之控制參考訊號u'成為一反向之補償後之控制參考訊號-u'。
第一比較器27可比較補償後之控制參考訊號u'相對於三角波之位置，以供第一盲時區間產生器29依據補償後之控制參考訊號u'相對於三角波之位置，產生盲時區間予單相直交流轉換器10之第一開關元件S1與第二開關元件S2的切換訊號。第二比較器28可比較反向之補償後之控制參考訊號-u'相對於三角波之位置，以供第二盲時區間產生器30依據反向之補償後之控制參考訊號-u'相對於三角波之位置，產生盲時區間予單相直交流轉換器10之第三開關元件S3與第四開關元件S4的切換訊號。
第2圖為本案第1A及1B圖之盲時區間電壓補償裝置1中，控制參考訊號u、第一開關元件S1至第四開關元件S4與交流電壓V ab等之波形圖。如第2圖所示，左半部顯示補償前(即無補償)之控制參考訊號u，右半部顯示補償後之控制參考訊號u'。以弦波(如正弦波)之正半週為例，交流電壓V ab之脈波之寬度大小由第一開關元件S1與第四開關元件S4兩者之脈波之寬度大小決定，而補償後之交流電壓V ab'之脈波之寬度大小由受控制參考訊號u補償後之第一開關元件S1'與補償後之第四開關元件S4'兩者之脈波之寬度大小決定。
例如，交流電壓V ab因第一盲時區間A與第四盲時區間D所造成之電壓損失分別為脈波Y1與脈波Y4，且交流電壓V ab之脈波Y1與脈波Y4分別對應於第一開關元件S1之脈波X1與第四開關元件S4之脈波X4。同時，將電壓補償量ΔV補償到控制參考訊號u並產生補償後之控制參考訊號u'，補償後之控制參考訊號u'的調變進一步產生補償後之第一開關元件S1' 與補償後之第四開關元件S4'的訊號，單相直交流轉換器10輸出補償後之交流電壓V ab'。補償後之交流電壓V ab'之增加成份為脈波Y1'、Y2'、Y3'與Y4'，補償後之第一開關元件S1'之脈波X1'對應於補償後之交流電壓V ab'之脈波Y1'；補償後之第四開關元件S4'之脈波X3'對應於補償後之交流電壓V ab'之脈波Y2'；補償後之第四開關元件S4'之脈波X4'對應於補償後之交流電壓V ab'之脈波Y3'；補償後之第一開關元件S1'之脈波X2'對應於補償後之交流電壓V ab'之脈波Y4'。
第3圖為本案之盲時區間電壓補償方法之流程示意圖，並請參閱第1A圖至第1B圖。第3圖之主要技術內容如下，其餘技術內容如同第1A圖至第2圖所載，於此不再重覆敘述。
在第3圖之步驟S11中，由一單相直交流轉換器10之一第一切換模組M1與一第二切換模組M2將輸入端之直流電壓轉E d換成單極性之交流電壓V ab。
在第3圖之步驟S12中，由一處理器20依據單相直交流轉換器10之電感L1之一第一電感電流值I 10(見第4B'圖與第5B'圖)計算出一第一電流值I 11、一第二電流值I 12與一第三電流值I 13，並依據第一電流值I 11、第二電流值I 12與第三電流值I 13三者之極性(如電流值大於0為正極性或小於0為負極性)計算出交流電壓V ab之第一盲時區間A與第三盲時區間C之電壓補償量ΔV及電感L1之一第二電感電流值I 20。
在第3圖之步驟S13中，由處理器20依據第二電感電流值I 20計算出一第四電流值I 21、一第五電流值I 22與一第六電流值I 23，並依據第四電流值I 21、第五電流值I 22與第六電流值I 23三者之極性(如電流值大於0為正極性或小於0為負極性)計算出交流電壓V ab之第二盲時區間B與第四盲時區間D之電壓補償量ΔV。
在第3圖之步驟S14中，由處理器20將第一盲時區間A至第四盲時區間D之電壓補償量ΔV補償處理器20之控制參考訊號u。
第4A圖為本案之單相直交流轉換器10操作於第一盲時區間A之電路示意圖。第4A'圖為本案之單相直交流轉換器10操作於第二盲時區間B之電路示意圖。第4B圖為本案第4A圖至第4A'圖之輸出電壓e s為正 (e s＞0)時，控制參考訊號u、第一開關元件S1至第四開關元件S4與交流電壓V ab等之波形圖。第4B圖的第一開關元件S1的延遲開啟造成脈波A1，脈波A1導致交流電壓V ab的脈波A2，脈波A2係不足的脈波寬度；第三開關元件S3的延遲開啟造成脈波A3，脈波A3導致交流電壓V ab的脈波A4，脈波A4係多餘的脈波寬度。同理，第四開關元件S4的延遲開啟造成脈波A5，脈波A5導致交流電壓V ab的脈波A6，脈波A6係不足的脈波寬度；第二開關元件S2的延遲開啟造成脈波A7，脈波A7導致交流電壓V ab的脈波A8，脈波A8係多餘的脈波寬度。脈波A2與脈波A6組成第4B'圖的第一盲時區間A；脈波A4與脈波A8組成第4B'圖的第二盲時區間B。第4B'圖為本案第4A圖至第4A'圖之輸出電壓e s為正時，控制參考訊號u、交流電壓V ab與電流i(電感電流)等之波形圖。
如第4A圖與第4B圖至第4B'圖所示，當單相直交流轉換器10操作於第一盲時區間A時，第一開關元件S1至第三開關元件S3皆截止(off)，第四開關元件S4導通(on)，輸出電壓e s為正 (e s＞0)，電流i(電感電流)為正(i＞0)，且電流i可依序通過電感L1、第二電容C2、第四開關元件S4、第二二極體D2而構成第一電流迴路F1。
如第4A'圖與第4B圖至第4B'圖所示，當單相直交流轉換器10操作於第二盲時區間B時， 第二開關元件S2至第四開關元件S4皆截止(off)，第一開關元件S1導通(on)，輸出電壓e s為正，電流i(電感電流)為負(i＜0)，且電流i可依序通過第一二極體D1、第一電容C1、第四二極體D4、第二電容C2、電感L1而構成第二電流迴路F2。
第5A圖為本案之單相直交流轉換器10操作於第三盲時區間C之電路示意圖。第5A'圖為本案之單相直交流轉換器10操作於第四盲時區間D之電路示意圖。第5B圖為本案第5A圖至第5A'圖之輸出電壓e s為負(e s＜0)為負時，控制參考訊號u、第一開關元件S1至第四開關元件S4與交流電壓V ab等之波形圖。第5B圖的第三開關元件S3的延遲開啟造成脈波B1，脈波B1導致交流電壓V ab的脈波B2，脈波B2係不足的脈波寬度；第一開關元件S1的延遲開啟造成脈波B3，脈波B3導致交流電壓V ab的脈波B4，脈波B4係多餘的脈波寬度。同理，第二開關元件S2的延遲開啟造成脈波B5，脈波B5導致交流電壓V ab的脈波B6，脈波B6係不足的脈波寬度；第四開關元件S4的延遲開啟造成脈波B7，脈波B7導致交流電壓V ab的脈波B8，脈波B8係多餘的脈波寬度。脈波B2與脈波B6組成第5B'圖的第三盲時區間C；脈波B4與脈波B8組成第4B'圖的第四盲時區間D。 第5B'圖為本案第5A圖至第5A'圖之輸出電壓e s為負(e s＜0)時，控制參考訊號u、交流電壓V ab與電流i(電感電流)等之波形圖。
如第5A圖與第5B圖至第5B'圖所示，當單相直交流轉換器10操作於第三盲時區間C時，第一開關元件S1、第三開關元件S3與第四開關元件S4皆截止(off)，第二開關元件S2導通(on)，輸出電壓e s為負(e s＜0)，電流i(電感電流)為負(i＜0)，且電流i可依序通過第二開關元件S2、第四二極體D4、第二電容C2、電感L1而構成第三電流迴路F3。
如第5A'圖與第5B圖至第5B'圖所示，當單相直交流轉換器10操作於第四盲時區間D時， 第一開關元件S1至第三開關元件S3皆截止(off)，第四開關元件S4導通(on)，輸出電壓e s為負(e s＜0)，電流i(電感電流)為正(i＞0)，且電流i可依序通過電感L1、第二電容C2、第三二極體D3、第一電容C1、第二二極體D2而構成第四電流迴路F4。
第6A圖至第6D圖為本案之電感電流i與交流電壓V ab於第一盲時區間A之第一模式至第四模式下之示意圖。如第6A圖所示，第一模式為開關元件要導通前之第一盲時區間A，此時第一盲時區間A將造成交流電壓V ab之電壓損失而需全部補償電壓。如第6B圖與第6C圖所示，第二模式與第三模式的電流i為通過零點，此現象將造成交流電壓V ab之部分電壓損失而需部分補償。如第6D圖所示，第四模式為開關元件完全導通時，此時交流電壓V ab無電壓損失而無需補償電壓。在第6A圖至第6D圖中，斜線部分表示因第一盲時區間A所造成之交流電壓V ab之電壓損失，從而需補償相應之電壓補償量ΔV至處理器之控制參考訊號u。
如第6A圖至第6D圖所示，電感電流i係實際量測值，而第一電流值I 11、第二電流值I 12、第三電流值I 13為演算值。當第一電流值I 11大於零且第二電流值I 12大於零視為第一盲時區間A之第一模式(見第6A圖)，當第一電流值I 11大於零且第二電流值I 12小於零視為第一盲時區間A之第二模式(見第6B圖)，當第一電流值I 11小於零且第三電流值I 13大於零視為第一盲時區間A之第三模式(見第6C圖)，而當第一電流值I 11小於零且第三電流值I 13小於零視為第一盲時區間A之第四模式(見第6D圖)。
在交流電壓V ab之第一盲時區間A時，處理器20分別依據下列三個電流值演算法(1)、電流值演算法(2)與電流值演算法(3)計算出第一電流值I 11、第二電流值I 12與第三電流值I 13。下列I 10為第一電感電流值(從電感L1量測)，I 11為第一電流值，I 12為第二電流值，I 13為第三電流值(演算值)，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，L為電感L1之電感值，T dt為第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期，以及u為處理器20之控制參考訊號。 (1) (2) (3)
第6A圖所示第一盲時區間A之第一模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(4)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 11。第6B圖所示第一盲時區間A之第二模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(5)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 12。第6C圖所示第一盲時區間A之第三模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(6)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 13。第6D圖所示第一盲時區間A之第四模式中，交流電壓V ab無電壓損失而無需補償電壓。下列電壓補償量演算法(4)至(6)中，三個電壓補償量ΔV 11、ΔV 12、ΔV 13分別為參考控制訊號u在第一盲時區間A之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，I 11為第一電流值，I 12為第二電流值，I 13為第三電流值，T dt為第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，以及T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期。電壓補償量ΔV 11、ΔV 12或ΔV 13對參考控制訊號u進行補償後，產生補償後之控制參考訊號u'，補償後之控制參考訊號u'與三角波25進行比較，進一步產生補償後之第一開關元件S1' 至補償後之第四開關元件S4'的訊號，單相直交流轉換器10輸出補償後之交流電壓V ab'，降低第一盲時區間A對交流電壓V ab'所帶來之影響。 (4) (5) (6)
第7A圖至第7D圖為本案之電感電流i與交流電壓V ab於第二盲時區間B之第一模式至第四模式下之示意圖。如圖所示，當第四電流值I 21小於零且第五電流值I 22小於零視為第二盲時區間B之第一模式(見第7D圖)，當第四電流值I 21小於零且第五電流值I 22大於零視為第二盲時區間B之第二模式(見第7C圖)，當第四電流值I 21大於零且第六電流值I 23小於零視為第二盲時區間B之第三模式(見第7B圖)，而當第四電流值I 21大於零且第六電流值I 23大於零視為第二盲時區間B之第四模式(見第7A圖)。
在交流電壓V ab之第二盲時區間B時，處理器20分別依據下列三個電流值演算法(7)、電流值演算法(8)與電流值演算法(9)計算出第四電流值I 21、第五電流值I 22與第六電流值I 23。下列I 20為第二電感電流值，I 21為第四電流值，I 22為第五電流值，I 23為第六電流值，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，L為電感L1之電感值，T dt為第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期，以及u為處理器20之控制參考訊號。 (7) (8) (9)
第7D圖所示第二盲時區間B之第一模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(10)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 21。第7C圖所示第二盲時區間B之第二模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(11)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 22。第7B圖所示第二盲時區間B之第三模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(12)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 23。第7A圖所示第二盲時區間B之第四模式中，交流電壓V ab無電壓損失而無需補償。下列電壓補償量演算法(10)至(12)中，三個電壓補償量ΔV 21、ΔV 22、ΔV 23分別為參考控制訊號u在第二盲時區間B之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，I 21為第四電流值，I 22為第五電流值，I 23為第六電流值，T dt第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，以及T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期。電壓補償量ΔV 21、ΔV 22或ΔV 23對參考控制訊號u進行補償後，產生補償後之控制參考訊號u'，補償後之控制參考訊號u'與三角波25進行比較，進一步產生補償後之第一開關元件S1' 至補償後之第四開關元件S4'的訊號，單相直交流轉換器10輸出補償後之交流電壓V ab'，降低第二盲時區間B對交流電壓V ab'所帶來之影響。 (10) (11) (12)
第8A圖至第8D圖為本案之電感電流i與交流電壓V ab於第三盲時區間C之第一模式至第四模式下之示意圖。如圖所示，當第一電流值I 11小於零且第二電流值I 12小於零視為第三盲時區間C之第一模式(見第8A圖)，當第一電流值I 11小於零且第二電流值I 12大於零視為第三盲時區間C之第二模式(見第8B圖)，當第一電流值I 11大於零且第三電流值I 13小於零視為第三盲時區間C之第三模式(見第8C圖)，而當第一電流值I 11大於零且第三電流值I 13大於零視為第三盲時區間C之第四模式(見第8D圖)。
在交流電壓V ab之第三盲時區間C時，處理器20分別依據下列三個電流值演算法(13)、電流值演算法(14)與電流值演算法(15)計算出第一電流值I 11、第二電流值I 12與第三電流值I 13。下列I 10為第一電感電流值，I 11為第一電流值，I 12為第二電流值，I 13為第三電流值，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，L為電感L1之電感值，T dt為第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期，以及u為處理器20之控制參考訊號。 (13) (14) (15)
第8A圖所示第三盲時區間C之第一模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(16)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 31。第8B圖所示第三盲時區間C之第二模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(17)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 32。第8C圖所示第三盲時區間C之第三模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(18)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 33。第8D圖所示第三盲時區間C之第四模式中，交流電壓V ab無電壓損失而無需補償電壓。下列電壓補償量演算法(16)至(18)中，三個電壓補償量ΔV 31、ΔV 32、ΔV 33分別為參考控制訊號u在第三盲時區間C之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，I 11為第一電流值，I 12為第二電流值，I 13為第三電流值，T dt為第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，以及T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期。電壓補償量ΔV 31、ΔV 32或ΔV 33對參考控制訊號u進行補償後，產生補償後之控制參考訊號u'，補償後之控制參考訊號u'與三角波25進行比較，進一步產生補償後之第一開關元件S1' 至補償後之第四開關元件S4'的訊號，單相直交流轉換器10輸出補償後之交流電壓V ab'，降低第三盲時區間C對交流電壓V ab'所帶來之影響。 (16) (17) (18)
第9A圖至第9D圖為本案之電感電流i與交流電壓V ab於第四盲時區間D之第一模式至第四模式下之示意圖。如圖所示，當第四電流值I 21大於零且第五電流值I 22大於零視為第四盲時區間D之第一模式(見第9D圖)，當第四電流值I 21大於零且第五電流值I 22小於零視為第四盲時區間D之第二模式(見第9C圖)，當第四電流值I 21小於零且第六電流值I 23大於零視為第四盲時區間D之第三模式(見第9B圖)，而當第四電流值I 21小於零且第六電流值I 23小於零視為第四盲時區間D之第四模式(見第9A圖)。
在交流電壓V ab之第四盲時區間D時，處理器20分別依據下列三個電流值演算法(19)、電流值演算法(20)電流值演算法(21)計算出第四電流值I 21、第五電流值I 22與第六電流值I 23。下列I 20為第二電感電流值，I 21為第四電流值，I 22為第五電流值，I 23為第六電流值，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，L為電感L1之電感值，T dt為第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期，以及u為處理器20之控制參考訊號。 (19) (20) (21)
第9D圖所示第四盲時區間D之第一模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(22)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 41。第9C圖所示第四盲時區間D之第二模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(23)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 42。第9B圖所示第四盲時區間D之第三模式中，處理器20依據下列電壓補償量演算法(24)計算出參考控制訊號u之電壓補償量ΔV 43。第9A圖所示第四盲時區間D之第四模式中，交流電壓V ab無電壓損失而無需補償電壓。下列電壓補償量演算法(22)至(24)中，三個電壓補償量ΔV 41、ΔV 42、ΔV 43分別為參考控制訊號u在第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為輸入端之直流電壓，e s為單相直交流轉換器10之輸出電壓，I 21為第四電流值，I 22為第五電流值，I 23為第六電流值，T dt為第一盲時區間產生器29與第二盲時區間產生器30之盲時區間大小，以及T s為單相直交流轉換器10之開關切換週期。電壓補償量ΔV 41、ΔV 42或ΔV 43對參考控制訊號u進行補償後，產生補償後之控制參考訊號u'，補償後之控制參考訊號u'與三角波25進行比較，進一步產生補償後之第一開關元件S1' 至補償後之第四開關元件S4'的訊號，單相直交流轉換器10輸出補償後之交流電壓V ab'，降低第四盲時區間D對交流電壓V ab'所帶來之影響。 (22) (23) (24)
在上述第6A圖至第9D圖中，第一盲時區間A至第四盲時區間D皆具有第一模式至第四模式，共產生16種情況，且每種情況之判斷條件不同，對參考控制訊號u進行補償之電壓補償量ΔV亦不相同。本案分別計算在第一模式至第四模式下對參考控制訊號u進行補償之電壓補償量ΔV，且單相直交流轉換器10之第一開關元件S1至第四開關元件S4之切換方式為周期性循環，故可對控制參考訊號u達到電壓補償之效果，使第一盲時區間A至第四盲時區間D對交流電壓V ab之影響變小，並使電感L1之電感值L減少而縮小電感L1之體積。
第10A圖為本案中補償前之控制參考訊號u與補償後之控制參考訊號u'之波形圖，第10B圖為放大本案第10A圖之區塊所示補償前之控制參考訊號u與補償後之控制參考訊號u'及其相應交流電壓V ab之波形圖橫軸為時間(秒)，縱軸為標么值（Per-unit value），電力系統分析和工程計算時常用的數值記法，其值等於實際值（有名值）與某一選定的基準值的比值。如第10B圖所示，經由上述電壓補償量演算法計算出之電壓補償量ΔV會加在原有之控制參考訊號u，產生補償後之控制參考訊號u'，進而調整交流電壓V ab之脈波寬度之大小，降低第一盲時區間A至第四盲時區間D對交流電壓V ab所帶來之影響。橫軸為時間(秒)，上圖縱軸為標么值，下圖縱軸為電壓(伏特)。
第11A圖為本案之盲時區間電壓補償裝置及其方法對輸出電壓之模擬驗證規格表，第11B圖為本案之盲時區間電壓補償裝置及其方法對輸出電壓之模擬驗證結果之波形圖。
如第11A圖所示之模擬驗證規格表，基本規格為輸入端之直流電壓400V與輸出電壓200V(60Hz)，性能要求為在線性之負載下輸出電壓之諧波失真率小於3%。
如第11B圖所示之模擬驗證規格表，本案對第一盲時區間至第四盲時區間之電壓補償，使補償前之輸出電壓之諧波失真率5.18%改善為補償後之輸出電壓之諧波失真率2.01%。
綜上所述，本案之盲時區間電壓補償裝置及其方法可具有下列之特色、優點或技術功效。
一、本案可用於單相直交流轉換器(如單相離網型直交流轉換器)，並計算出第一至第四盲時區間所造成之電壓損失，以預先補償電壓予原始控制參考訊號，補償後之控制參考訊號將調整交流電壓之脈波寬度之大小，如此可減少交流電壓之電壓損失，進而降低輸出電壓之諧波失真率。
二、本案計算出第一模式至第四模式下所需補償之電壓補償量演算法，以達到補償控制參考訊號之效果，提高對控制參考訊號之補償精準度，進而降低第一至第四盲時區間對交流電壓所帶來之影響。
三、本案可使第一至第四盲時區間之影響變少，以降低電感之電感值而縮小電感之體積，進而節省單相直交流轉換器之體積，並提高單相直交流轉換器之性能。
上述實施形態僅例示性說明本案之原理、特點及其功效，並非用以限制本案之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本案之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本案所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為申請專利範圍所涵蓋。因此，本案之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。
1‧‧‧盲時區間電壓補償裝置
10‧‧‧單相直交流轉換器
20‧‧‧處理器
21‧‧‧輸出電壓控制器
22‧‧‧輸出電流控制器
23‧‧‧盲時區間電壓補償器
24‧‧‧加法器
25‧‧‧三角波產生器
26‧‧‧反向器
27‧‧‧第一比較器
28‧‧‧第二比較器
29‧‧‧第一盲時區間產生器
30‧‧‧第二盲時區間產生器
a、b‧‧‧端點
A1至A8、B1至B8‧‧‧脈波
A‧‧‧第一盲時區間
B‧‧‧第二盲時區間
C‧‧‧第三盲時區間
D‧‧‧第四盲時區間
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
D4‧‧‧第四二極體
Ed‧‧‧直流電壓
es‧‧‧輸出電壓
es*‧‧‧輸出電壓之命令
F1‧‧‧第一電流迴路
F2‧‧‧第二電流迴路
F3‧‧‧第三電流迴路
F4‧‧‧第四電流迴路
G1‧‧‧第一感測器
G2‧‧‧第二感測器
G3‧‧‧第三感測器
H‧‧‧負載
i‧‧‧電流(電感電流)
I10‧‧‧第一電感電流值
I11‧‧‧第一電流值
I12‧‧‧第二電流值
I13‧‧‧第三電流值
I20‧‧‧第二電感電流值
I21‧‧‧第四電流值
I22‧‧‧第五電流值
I23‧‧‧第六電流值
L‧‧‧電感值
L1‧‧‧電感
M1‧‧‧第一切換模組
M2‧‧‧第二切換模組
n‧‧‧負極
p‧‧‧正極
S1‧‧‧第一開關元件
S1'‧‧‧補償後之第一開關元件
S2‧‧‧第二開關元件
S3‧‧‧第三開關元件
S4‧‧‧第四開關元件
S4'‧‧‧補償後之第四開關元件
Tdt‧‧‧盲時區間大小
Ts‧‧‧開關切換週期
u‧‧‧控制參考訊號
u'‧‧‧補償後之控制參考訊號
Vab‧‧‧交流電壓
Vab'‧‧‧補償後之交流電壓
ΔV‧‧‧電壓補償量
ΔV11、ΔV12、ΔV13、ΔV21、ΔV22、ΔV23‧‧‧電壓補償量
ΔV31、ΔV32、ΔV33、ΔV41、ΔV42、ΔV43‧‧‧電壓補償量
X1、X1'、X2'、X3'、X4、X4'‧‧‧脈波
Y1、Y1'、Y2'、Y3'、Y4、Y4'‧‧‧脈波
S11至S14‧‧‧步驟
第1A圖為本案之盲時區間電壓補償裝置之架構示意圖； 第1B圖為本案第1A圖之單相直交流轉換器之電路示意圖； 第2圖為本案第1A圖之盲時區間電壓補償裝置中，控制參考訊號、第一開關元件至第四開關元件與交流電壓等之波形圖； 第3圖為本案之盲時區間電壓補償方法之流程示意圖； 第4A圖為本案之單相直交流轉換器操作於第一盲時區間之電路示意圖； 第4A'圖為本案之單相直交流轉換器操作於第二盲時區間之電路示意圖； 第4B圖為本案第4A圖至第4A'圖之交流電壓為正時，控制參考訊號、第一開關元件至第四開關元件與交流電壓等之波形圖； 第4B'圖為本案第4A圖至第4A'圖之交流電壓為正時，控制參考訊號、交流電壓與電感電流等之示意圖； 第5A圖為本案之單相直交流轉換器操作於第三盲時區間之電路示意圖； 第5A'圖為本案之單相直交流轉換器操作於第四盲時區間之電路示意圖； 第5B圖為本案第5A圖至第5A'圖之交流電壓為負時，控制參考訊號、第一開關元件至第四開關元件與交流電壓等之波形圖； 第5B'圖為本案第5A圖至第5A'圖之交流電壓為負時，控制參考訊號、交流電壓與電感電流等之示意圖； 第6A圖至第6D圖為本案之電感電流與交流電壓於第一盲時區間之第一模式至第四模式下之示意圖； 第7A圖至第7D圖為本案之電感電流與交流電壓於第二盲時區間之第一模式至第四模式下之示意圖； 第8A圖至第8D圖為本案之電感電流與交流電壓於第三盲時區間之第一模式至第四模式下之示意圖； 第9A圖至第9D圖為本案之電感電流與交流電壓於第四盲時區間之第一模式至第四模式下之示意圖； 第10A圖為本案中補償前與補償後之控制參考訊號之波形圖； 第10B圖為放大本案第10A圖之區塊所示補償前與補償後之控制參考訊號及其相應交流電壓之波形圖； 第11A圖為本案之盲時區間電壓補償裝置及其方法對輸出電壓之模擬驗證規格表；以及 第11B圖為本案之盲時區間電壓補償裝置及其方法對輸出電壓之模擬驗證結果之波形圖。

Claims (20)

  1. 一種盲時區間電壓補償裝置，包括： 一單相直交流轉換器，係具有一輸入端、一第一切換模組、一第二切換模組與一電感，且該第一切換模組與該第二切換模組係用以將輸入該輸入端之直流電壓轉換成單極性之交流電壓；以及 一處理器，係連接該單相直交流轉換器，用以依據該電感之一第一電感電流值計算出一第一電流值、一第二電流值與一第三電流值，以依據該第一電流值、第二電流值與第三電流值三者之極性計算出該交流電壓之第一盲時區間與第三盲時區間之電壓補償量及該電感之一第二電感電流值，俾由該處理器依據該第二電感電流值計算出一第四電流值、一第五電流值與一第六電流值，再依據該第四電流值、第五電流值與第六電流值三者之極性計算出該交流電壓之第二盲時區間與第四盲時區間之電壓補償量，進而依據該第一盲時區間至第四盲時區間之該些電壓補償量補償該處理器之控制參考訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之盲時區間電壓補償裝置，更包括一感測器，係連接至該單相直交流轉換器之該電感，用以感測該電感之電感電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之盲時區間電壓補償裝置，更包括一感測器，係連接至該單相直交流轉換器之該輸入端，用以感測該輸入端之直流電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之盲時區間電壓補償裝置，更包括一感測器，係連接至該單相直交流轉換器之輸出端，用以感測該輸出端之輸出電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之盲時區間電壓補償裝置，其中，該處理器具有一輸出電壓控制器，用以依據該單相直交流轉換器之輸出電壓與對應於該輸出電壓之命令產生一控制訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之盲時區間電壓補償裝置，其中，該處理器更具有一輸出電流控制器，用以依據來自該輸出電壓控制器之該控制訊號與來自該單相直交流轉換器之該電感之電感電流產生一控制參考訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之盲時區間電壓補償裝置，其中，該處理器更具有一盲時區間電壓補償器，用以依據來自該單相直交流轉換器之該電感電流、該直流電壓與該輸出電壓產生該第一盲時區間至第四盲時區間之該些電壓補償量。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之盲時區間電壓補償裝置，其中，該處理器更具有一加法器，用以依據來自該輸出電流控制器之該控制參考訊號與來自該盲時區間電壓補償器之該些電壓補償量，產生一補償後之控制參考訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之盲時區間電壓補償裝置，其中，該處理器更具有一三角波產生器與一反向器，該三角波產生器產生三角波，而該反向器使該補償後之控制參考訊號成為一反向之補償後之控制參考訊號。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之盲時區間電壓補償裝置，其中，該處理器更具有一第一比較器與一第一盲時區間產生器，該第一比較器比較該補償後之控制參考訊號相對於該三角波之位置，以供該第一盲時區間產生器依據該補償後之控制參考訊號相對於該三角波之位置產生盲時區間予該單相直交流轉換器之一第一開關與一第二開關。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之盲時區間電壓補償裝置，其中，該處理器更具有一第二比較器與一第二盲時區間產生器，該第二比較器比較該反向之補償後之控制參考訊號相對於該三角波之位置，以供該第二盲時區間產生器依據該反向之補償後之控制參考訊號相對於該三角波之位置產生盲時區間予該單相直交流轉換器之一第三開關與一第四開關。
  12. 一種盲時區間電壓補償方法，包括： 由一單相直交流轉換器之一第一切換模組與一第二切換模組將輸入該單相直交流轉換器之輸入端之直流電壓轉換成單極性之交流電壓； 由一處理器依據該單相直交流轉換器之電感之一第一電感電流值計算出一第一電流值、一第二電流值與一第三電流值，以依據該第一電流值、該第二電流值與該第三電流值三者之極性由該處理器計算出該交流電壓之第一盲時區間與第三盲時區間之電壓補償量及該電感之一第二電感電流值； 由該處理器依據該第二電感電流值計算出一第四電流值、一第五電流值與一第六電流值，以由該處理器依據該第四電流值、該第五電流值與該第六電流值三者之極性計算出該交流電壓之第二盲時區間與第四盲時區間之電壓補償量；以及 由該處理器依據該第一盲時區間至第四盲時區間之該些電壓補償量補償該處理器之控制參考訊號。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電流值演算法計算出在該交流電壓之第一盲時區間時之該第一電流值、該第二電流值與該第三電流值，
    Figure TWI661662B_C0001
    Figure TWI661662B_C0002
    Figure TWI661662B_C0003
    其中，I 10為該第一電感電流值，I 11為該第一電流值，I 12為該第二電流值，I 13為該第三電流值，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，L為該電感之電感值，T dt為第一盲時區間產生器與第二盲時區間產生器之盲時區間大小，T s為該單相直交流轉換器之開關切換週期，以及u為該處理器之該控制參考訊號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電壓補償量演算法計算出該參考控制訊號在該第一盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，
    Figure TWI661662B_C0004
    Figure TWI661662B_C0005
    Figure TWI661662B_C0006
    其中，上述三個電壓補償量ΔV 11、ΔV 12、ΔV 13分別為該參考控制訊號在該第一盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，I 11為該第一電流值，I 12為該第二電流值，I 13為該第三電流值，T dt為該第一盲時區間產生器與該第二盲時區間產生器之盲時區間大小，以及T s為該單相直交流轉換器之該開關切換週期。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電流值演算法計算出在該交流電壓之第二盲時區間時之該第四電流值、該第五電流值與該第六電流值，
    Figure TWI661662B_C0007
    Figure TWI661662B_C0008
    Figure TWI661662B_C0009
    其中，I 20為該第二電感電流值，I 21為該第四電流值，I 22為該第五電流值，I 23為該第六電流值，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，L為該電感之電感值，T dt為第一盲時區間產生器與第二盲時區間產生器之盲時區間大小，T s為該單相直交流轉換器之開關切換週期，以及u為該處理器之該控制參考訊號。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電壓補償量演算法計算出該參考控制訊號在該第二盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，
    Figure TWI661662B_C0010
    Figure TWI661662B_C0011
    Figure TWI661662B_C0012
    其中，上述三個電壓補償量ΔV 21、ΔV 22、ΔV 23分別為該參考控制訊號在該第二盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，I 21為該第四電流值，I 22為該第五電流值，I 23為該第六電流值，T dt為該第一盲時區間產生器與該第二盲時區間產生器之盲時區間大小，以及T s為該單相直交流轉換器之該開關切換週期。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電流值演算法計算出在該交流電壓之第三盲時區間時之該第一電流值、該第二電流值與該第三電流值，
    Figure TWI661662B_C0013
    Figure TWI661662B_C0014
    Figure TWI661662B_C0015
    其中，I 10為該第一電感電流值，I 11為該第一電流值，I 12為該第二電流值，I 13為該第三電流值，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，L為該電感之電感值，T dt為第一盲時區間產生器與第二盲時區間產生器之盲時區間大小，T s為該單相直交流轉換器之開關切換週期，以及u為該處理器之該控制參考訊號。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電壓補償量演算法計算出該參考控制訊號在該第三盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，
    Figure TWI661662B_C0016
    Figure TWI661662B_C0017
    Figure TWI661662B_C0018
    其中，上述三個電壓補償量ΔV 31、ΔV 32、ΔV 33分別為該參考控制訊號在該第三盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，I 11為該第一電流值，I 12為該第二電流值，I 13為該第三電流值，T dt為該第一盲時區間產生器與該第二盲時區間產生器之盲時區間大小，以及T s為該單相直交流轉換器之該開關切換週期。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電流值演算法計算出在該交流電壓之第四盲時區間時之該第四電流值、該第五電流值與該第六電流值，
    Figure TWI661662B_C0019
    Figure TWI661662B_C0020
    Figure TWI661662B_C0021
    其中，I 20為該第二電感電流值，I 21為該第四電流值，I 22為該第五電流值，I 23為該第六電流值，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，L為該電感之電感值，T dt為第一盲時區間產生器與第二盲時區間產生器之盲時區間大小，T s為該單相直交流轉換器之開關切換週期，以及u為該處理器之該控制參考訊號。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之盲時區間電壓補償方法，更包括令該處理器分別依據下列三個電壓補償量演算法計算出該參考控制訊號在該第四盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，
    Figure TWI661662B_C0022
    Figure TWI661662B_C0023
    Figure TWI661662B_C0024
    其中，上述三個電壓補償量ΔV 41、ΔV 42、ΔV 43分別為該參考控制訊號在該第四盲時區間之第一模式、第二模式與第三模式時之電壓補償量，E d為該輸入端之直流電壓，e s為該單相直交流轉換器之輸出電壓，I 21為該第四電流值，I 22為該第五電流值，I 23為該第六電流值，T dt為該第一盲時區間產生器與該第二盲時區間產生器之盲時區間大小，以及T s為該單相直交流轉換器之該開關切換週期。
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