TWI680622B - 具有過流保護控制之換流裝置 - Google Patents

Abstract

一種具有過流保護控制之換流裝置包括：使直流輸入端的第一端通過第一開關元件與第二開關元件耦接交流輸出端，且直流輸入端的第二端通過第四開關元件與第三開關元件耦接交流輸出端。中點電位端耦接第五開關元件與第六開關元件，並且通過第五開關元件與第二開關元件耦接交流輸出端，以及通過第六開關元件與第三開關元件耦接交流輸出端。當控制單元判斷為過流狀態時，控制單元控制換流裝置的關斷順序為第二開關元件、第一開關元件及第六開關元件。

Description

具有過流保護控制之換流裝置

本發明係有關一種具有過流保護控制之換流裝置，尤指一種具有過流保護控制之主動式中性點箝位換流裝置。

現代的電力電子領域中，電源轉換裝置越來越講求低成本、高效率及高利用率的電路設計。尤其在越來越多的電子產品需要使用換流裝置的情況下，高效率的換流裝置已成為近年來研究與發展的重點。

目前的換流裝置中，主動式中性點箝位換流裝置(Active-Neutral-Point-Clamped Inverter；ANPC)由於具有開關損耗小、電磁干擾(EMI)小等優點，因此非常適合用於太陽能領域或不斷電供電系統的技術領域上。

但是，當ANPC換流裝置在輸出端過電流時，需要設計保護電路以避免輸出端過電流而造成ANPC換流裝置的損壞，所以控制單元必須要將開關元件關閉。但是，ANPC換流裝置在開關元件關斷或啟動時，若是開關元件關斷的順序或啟動的順序錯誤會造成開關元件的兩端產生過大的電壓應力，而容易使得開關元件損壞。

因此，如何設計出一種具有過流保護控制之換流裝置，並設計出開關元件適合的關斷及開啟順序，以避免輸出端過電流而造成ANPC換流裝置的損壞，乃為本案發明人所欲行克服並加以解決的一大課題。

為了解決上述問題，本發明係提供一種具有過流保護控制之換流裝置，以克服習知技術的問題。因此，本發明具有過流保護控制之換流裝置耦接具有中點電位端的直流輸入端與交流輸出端，換流裝置包括：橋臂組，包括：第一橋臂，包括依序串接的第一開關元件、第二開關元件、第三開關元件及第四開關元件，交流輸出端耦接第二開關元件與第三開關元件，使直流輸入端的第一端通過第一開關元件與第二開關元件耦接交流輸出端，且直流輸入端的第二端通過第四開關元件與第三開關元件耦接交流輸出端。第二橋臂，包括串接的第五開關元件與第六開關元件，中點電位端耦接第五開關元件與第六開關元件，並且通過第五開關元件與第二開關元件耦接交流輸出端，以及通過第六開關元件與第三開關元件耦接交流輸出端。及控制單元，提供複數控制訊號控制橋臂組；當控制單元判斷為過流狀態時，控制單元控制橋臂組在正半週操作時的關斷順序依序為第二開關元件、第一開關元件及第六開關元件；控制單元控制橋臂組在負半週操作時的關斷順序依序為第三開關元件、第四開關元件及第五開關元件。

為了解決上述問題，本發明係提供一種具有過流保護控制之換流裝置，以克服習知技術的問題。因此，本發明具有過流保護控制之換流裝置耦接具有中點電位端的直流輸入端與交流輸出端，換流裝置包括：橋臂組，包括：第一橋臂，包括依序串接的第一開關元件、第二開關元件、第三開關元件 及第四開關元件，交流輸出端耦接第二開關元件與第三開關元件，使直流輸入端的第一端通過第一開關元件與第二開關元件耦接交流輸出端，且直流輸入端的第二端通過第四開關元件與第三開關元件耦接交流輸出端。第二橋臂，包括串接的第五開關元件與第六開關元件，中點電位端耦接第五開關元件與第六開關元件，並且通過第五開關元件與第二開關元件耦接交流輸出端，以及通過第六開關元件與第三開關元件耦接交流輸出端。及控制單元，提供複數控制訊號控制橋臂組；當控制單元判斷為過流狀態時，控制單元控制橋臂組在正半週操作時的關斷順序為第一開關元件早於第六開關元件；控制單元控制橋臂組在負半週操作時的關斷順序為第四開關元件早於第五開關元件。當控制單元判斷非為過流狀態時，控制單元控制橋臂組在正半週操作時的啟動順序為第六開關元件早於第一開關元件；控制單元控制橋臂組在負半週操作時的啟動順序為第五開關元件早於第四開關元件。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100‧‧‧換流裝置

10‧‧‧橋臂組

11‧‧‧第一橋臂

112‧‧‧第一開關單元

114‧‧‧第二開關單元

116‧‧‧第三開關單元

118‧‧‧第四開關單元

Q1‧‧‧第一開關元件

D1‧‧‧第一二極體

Q2‧‧‧第二開關元件

D2‧‧‧第二二極體

Q3‧‧‧第三開關元件

D3‧‧‧第三二極體

Q4‧‧‧第四開關元件

D4‧‧‧第四二極體

12‧‧‧第二橋臂

122‧‧‧第五開關單元

124‧‧‧第六開關單元

Q5‧‧‧第五開關元件

D5‧‧‧第五二極體

Q6‧‧‧第六開關元件

D6‧‧‧第六二極體

20‧‧‧控制單元

S1‧‧‧第一控制訊號

S2‧‧‧第二控制訊號

S3‧‧‧第三控制訊號

S4‧‧‧第四控制訊號

S5‧‧‧第五控制訊號

S6‧‧‧第六控制訊號

200‧‧‧負載

IN‧‧‧直流輸入端

IN1‧‧‧第一端

IN2‧‧‧第二端

INC‧‧‧中點電位端

OUT‧‧‧交流輸出端

L‧‧‧輸出電感

Vin‧‧‧直流電源

V1‧‧‧第一直流源

V2‧‧‧第二直流源

Vo‧‧‧交流電源輸出

Io‧‧‧輸出電流

PM‧‧‧正半週主電流路徑

PF‧‧‧正半週續流路徑

NM‧‧‧負半週主電流路徑

NF‧‧‧負半週續流路徑

Ipk‧‧‧電流保護點

Ipk_min‧‧‧電流低點

圖1為本發明換流裝置之電路示意圖；圖2為本發明第一種控制態樣的換流裝置之波形示意圖；圖3A為本發明第一種控制態樣的正半週主電流路徑示意圖；圖3B為本發明第一種控制態樣的正半週續流路徑示意圖；圖3C為本發明第一種控制態樣的負半週主電流路徑示意圖； 圖3D為本發明第一種控制態樣的負半週續流路徑示意圖；圖4A為本發明第一種控制態樣於正半週操作時的開關元件關斷順序波形示意圖；圖4B為本發明第一種控制態樣於正半週操作時的開關元件啟動順序波形示意圖；圖5A為本發明第二種控制態樣的換流裝置之波形示意圖；圖5B為本發明第三種控制態樣的換流裝置之波形示意圖；圖6A為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的正半週主電流路徑示意圖；圖6B為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的正半週續流路徑示意圖；圖6C為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的負半週主電流路徑示意圖；圖6D為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的負半週續流路徑示意圖；圖7A為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第一實施例開關元件關斷順序波形示意圖；圖7B為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第二實施例開關元件關斷順序波形示意圖；圖7C為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第一實施例開關元件啟動順序波形示意圖；圖7D為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第二實施例開關元件啟動順序波形示意圖； 圖7E為本發明二控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第三實施例開關元件啟動順序波形示意圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參閱圖1為本發明換流裝置之電路示意圖。換流裝置100耦接直流輸入端IN與交流輸出端OUT，且將直流電源Vin轉換為交流電源輸出Vo，以供應後端負載200運作所需的電力。直流輸入端IN包括第一端IN1、第二端IN2及中點電位端INC，第一端IN1與中點電位端INC耦接直流電源Vin的第一直流源V1，且第二端IN2與中點電位端INC耦接直流電源Vin的第二直流源V2，第一直流源V1與第二直流源V2可為任意直流電壓源，例如但不限於為電池或電容。值得一提，於本發明之一實施例中，交流輸出端OUT可串接輸出電感L，以供交流輸出端通過輸出電感L濾波成交流電源輸出Vo，交流電源輸出Vo可提供給負載200，負載例如但不限於為接收交流電源的電子或電機設備，亦可以是公用電力網路。此外，於本發明之一實施例中，換流裝置100為主動式中性點箝位換流器(Active-Neutral-Point-Clamped Inverter；ANPC)，且本發明之換流裝置100可應用在單相或三相換流裝置，當為三相換流裝置之應用時，使用三組換流裝置的三個交流輸出端OUT以提供三個相輸出，此為本領域技術人員所理解的，在此不多加贅述。

換流裝置100包括橋臂組10與控制單元20，且橋臂組10包括第一橋臂11與第二橋臂12。第一橋臂11包括依序串接的第一開關單元112、第二開關單元114、第三開關單元116及第四開關單元118。每個開關單元(112~118)可包括對應的開關元件(Q1~Q4)以及並接開關元件(Q1~Q4)的二極體(D1~D4)，而 與開關元件並接的二極體不限定為獨立的二極體，亦可以是開關元件本身的寄生二極體。交流輸出端OUT耦接第二開關單元114與第三開關單元116，使第一端IN1通過第一開關單元112與第二開關單元114耦接交流輸出端OUT，且第二端IN2通過第四開關單元118與第三開關單元116耦接交流輸出端OUT。

第二橋臂12包括串接的第五開關單元122與第六開關單元124，中點電位端INC耦接第五開關單元122的一端、第六開關單元124的一端，且第五開關單元122的另一端耦接第一開關單元112與第二開關單元114，第六開關單元124的另一端耦接第三開關單元116與第四開關單元118。第五開關單元122與第六開關單元124可包括對應的開關元件(Q5~Q6)以及並接開關元件(Q5~Q6)的二極體(D5~D6)，而與開關元件並接的二極體不限定為獨立的二極體，亦可以是開關元件本身的寄生二極體。中點電位端INC通過第五開關單元122與第二開關單元114耦接交流輸出端OUT，以及中點電位端INC通過第六開關單元124與第三開關單元116耦接交流輸出端OUT。控制單元20提供複數控制訊號(S1~S6)分別控制橋臂組10的開關元件(Q1~Q6)，以控制橋臂組10將直流電源Vin轉換為交流電源輸出Vo。具體而言，控制單元20控制第一開關單元112與第二開關單元114為交流電源輸出Vo的正半週操作時的主電流路徑，控制第三開關單元116與第四開關單元118為交流電源輸出Vo的負半週操作時的主電流路徑，且控制第五開關單元122與第六開關單元124為續流路徑。

進一步而言，換流裝置100可操作於不同的控制態樣以將直流電源Vin轉換為交流電源輸出Vo。而本發明的目的在於換流裝置100操作於各種控制態樣下發生過流狀態時，控制單元20提供對應的關斷順序進行過流保護，使得換流裝置100的輸出電流Io降低。當輸出電流Io下降到一定的水平，控制單元20再提供對應的啟動順序，使換流裝置100恢復正常工作狀態。

具體而言，控制單元20提供對應的關斷順序之主要技術精神在於：主電流路徑高頻切換的開關單元先關斷，於存在一續流路徑下將主電流路徑低頻切換的開關單元或其餘續流路徑開關單元關斷，最後再關斷續流路徑的開關單元。而啟動順序之主要技術精神，恰與關斷順序相反。如此，可避免換流裝置100其中之一的開關元件(Q1~Q6)的兩端電壓應力過大，而導致開關元件(Q1~Q6)損壞。有關換流裝置100的三種不同控制態樣，以及各種控制態樣操作的關斷順序與啟動順序，於後文有進一步的記載。

請參閱圖2為本發明第一種控制態樣的換流裝置之波形示意圖，復配合參閱圖1。控制訊號(S1~S6)包括控制第一開關元件Q1的第一控制訊號S1、控制第二開關元件Q2的第二控制訊號S2、控制第三開關元件Q3的第三控制訊號S3、控制第四開關元件Q4的第四控制訊號S4、控制第五開關元件Q5的第五控制訊號S5及控制第六開關元件Q6的第六控制訊號S6。

換流裝置100為第一種控制態樣且在正常工作狀態(意即非為過流狀態)時，響應於橋臂組10在正半週操作，控制單元20輸出的第二控制訊號S2為第一切換訊號、第三控制訊號S3為與第一切換訊號互補的第二切換訊號、第一控制訊號S1與第六控制訊號S6為第一準位訊號、以及第四控制訊號S4與第五控制訊號S5為第二準位訊號；而響應於橋臂組10在負半週操作，控制單元20輸出的第二控制訊號S2為第三切換訊號、第三控制訊號S3為與第三切換訊號互補的第四切換訊號、第四控制訊號S4與第五控制訊號S5為第一準位訊號、以及第一控制訊號S1與第六控制訊號S6為第二準位訊號。

值得一提，於本發明之一實施例中，控制單元20輸出的控制訊號(S1~S6)為切換訊號時，所指的是脈波寬度調變(Pulse Width Modulation；PWM)訊號。此外，控制單元20輸出的第一準位訊號的準位值高於第二準位訊號的準位值，但不限定第一準位訊號與第二準位訊號的準位值，只要第一準位 訊號的準位值可供開關元件(Q1~Q6)啟動，且第二準位訊號的準位值可供開關元件(Q1~Q6)關斷即可。

請參閱圖3A為本發明第一種控制態樣的正半週主電流路徑示意圖、圖3B為本發明第一種控制態樣的正半週續流路徑示意圖、圖3C為本發明第一種控制態樣的負半週主電流路徑示意圖、圖3D為本發明第一種控制態樣的負半週續流路徑示意圖，復配合參閱圖1~2。換流裝置100在正常工作狀態(意即非為過流狀態)時，橋臂組10的正半週主電流路徑PM為第一直流源V1、第一開關單元112、第二開關單元114、輸出電感L、交流電源輸出Vo，再回到第一直流源V1(如圖3A所示)；而橋臂組10的正半週續流路徑PF為輸出電感L、交流電源輸出Vo、第六開關單元124、第三開關單元116，再回到輸出電感L(如圖3B所示)。

換流裝置100在正常工作狀態(意即非為過流狀態)時，橋臂組10的負半週主電流路徑NM為第二直流源V2、交流電源輸出Vo、輸出電感L、第三開關單元116、第四開關單元118，再回到第二直流源V2(如圖3C所示)；而橋臂組10的負半週續流路徑NF為輸出電感L、第二開關單元114、第五開關單元122、交流電源輸出Vo，再回到輸出電感L(如圖3D所示)。

上述圖2~3D簡單說明具有第一種控制態樣的換流裝置100在正常工作狀態時的控制訊號(S1~S6)波形，以及對應的電流路徑。進一步地，當操作於第一種控制態樣的換流裝置100發生過流狀態時，控制單元20需提供對應的關斷順序，使輸出電流Io下降，並且等待輸出電流Io下降到一定水平後，再提供從過流狀態恢復至非過流狀態時的啟動順序，使換流裝置100恢復正常工作狀態。

請參閱圖4A為本發明第一種控制態樣於正半週操作時的開關元件關斷順序波形示意圖，復配合參閱圖1~3D。第一種控制態樣在正半週操作時 主電流路徑為第一開關元件Q1與第二開關元件Q2，續流路徑則是為第六開關元件Q6。控制單元20控制第一開關元件Q1的第一控制訊號S1為第一準位訊號(意即高準位訊號)，控制第二開關元件Q2的第二控制訊號S2為第一切換訊號(意即高頻切換訊號)，且控制第六開關元件Q6的第六控制訊號S6為第一準位訊號(意即高準位訊號)。當交流電源輸出Vo在正半週操作，若輸出電流Io上升而達到預先設定的電流保護點Ipk，控制單元20判斷換流裝置100發生過流狀態。具體而言，輸出電流Io可藉由設置感測元件以偵測流經輸出電感L上的電流來得知，然感測元件設置位置並不限定，只要能得知輸出電流Io的資訊即可，而輸出電流Io是否達到電流保護點Ipk的判斷，可使用比較器等類比元件或轉換為數位數值方式等本領域常用之手段。當控制單元20判斷換流裝置100發生過流狀態，控制單元20先將主電流路徑中高頻切換的開關元件關斷(意即須先關斷第二開關元件Q2)，以避免輸出電流Io持續上升，在第二開關元件Q2關斷後，控制單元20再將第一開關元件Q1關斷，以關斷主電流路徑上的所有開關元件，最後將第六開關元件Q6關斷，以關斷續流路徑。

值得一提，由於在負半週操作時主電流路徑的第四開關元件Q4與第三開關元件Q3分別對應正半週操作時主電流路徑為第一開關元件Q1與第二開關元件Q2，且續流路徑的第五開關元件Q5對應第六開關元件Q6，因此第一種控制態樣於負半週操作時的開關單元關斷順序對應於圖4A。意即，控制單元20控制橋臂組10在負半週操作時的關斷順序為第三開關元件Q3、第四開關元件Q4、第五開關元件Q5。

進一步而言，在第一種控制態樣發生過流狀態時，控制單元20控制橋臂組10的關斷依序為第二開關元件Q2、第一開關元件Q1、第六開關元件Q6(正半週)，以及第三開關元件Q3、第四開關元件Q4、第五開關元件Q5(負半週)。其原因在於，當於正半週且第一開關元件Q1先關斷的情況下(意即關斷 順序為第一開關元件Q1、第二開關元件Q2、第六開關元件Q6，或第一開關元件Q1、第六開關元件Q6、第二開關元件Q2)，在高頻切換的開關元件關斷以前(意即在第二開關元件Q2關斷以前)，高頻切換的開關元件在此區間內可能已經切換了數次，且過電流時的大輸出電流Io會造成第二開關元件Q2的切換損失很大，從而降低效率且增加元件溫度。

另一方面，參閱圖2本發明第一種控制態樣的換流裝置之波形示意圖，由於控制訊號(S1、S6)的切換頻率，相較於第二控制訊號S2或第三控制訊號S3來得低，因此第一開關元件Q1導通時間長，而切換次數相對較少。於本發明的一實施例中，第一開關元件Q1可選用與第二開關元件Q2不同類型的開關以達到效率最佳化，可使用傳導損失較小的開關(例如但不限於IGBT)，但其特性會有較顯著的關斷延遲和切換損失。因此，若第一開關元件Q1先關斷，因關斷延遲可能會使輸出電流Io持續升高，故上述關斷順序為第一開關元件Q1、第二開關元件Q2、第六開關元件Q6，或第一開關元件Q1、第六開關元件Q6、第二開關元件Q2皆為不理想的關斷順序。

當於正半週且第六開關元件Q6先關斷的情況下，由於正半週的主電源電流路徑並未關斷，而先關斷續流路徑。因此會造成輸出電流Io達到電流保護點Ipk還持續升高的情況，因此容易造成換流裝置100內的元件損壞。此外，因為第二開關元件Q2為高頻切換，一旦第二開關元件Q2關斷時，由於主電流路徑和續流路徑皆被關斷，因此續流電流被迫流經交流電源輸出Vo、第二直流源V2、第四二極體D4、第三二極體D3的電流路徑。造成第二開關元件Q2要承受的電壓應力等於第一直流源V1加上第二直流源V2，將使得第二開關元件Q2必須被迫選擇原本耐壓兩倍的元件，否則開關元件將會損壞，進而造成換流裝置100的成本增加及效率不佳的問題。因此，第六開關元件Q6先關斷也為不理想的關斷順序。

相似的，若是開關元件的關斷順序為第二開關元件Q2、第六開關元件Q6、第一開關元件Q1的情況下，由於主電流路徑和續流路徑先被關斷，因此電流也被迫流經交流電源輸出Vo、第二直流源V2、第四二極體D4、第三二極體D3的電流路徑。因此，同樣會造成第二開關元件Q2要承受的電壓應力等於第一直流源V1加上第二直流源V2。所以關斷順序為第二開關元件Q2、第六開關元件Q6、第一開關元件Q1也為不理想的關斷順序。值得一提，當於負半週時，控制單元20控制橋臂組10的關斷順序必須依照第三開關元件Q3、第四開關元件Q4、第五開關元件Q5的順序，其原因如同正半週時的關斷順序，在此不多加贅述。

請參閱圖4B為本發明第一種控制態樣於正半週操作時的開關元件啟動順序波形示意圖，復配合參閱圖1~4A。當第六開關元件Q6關斷後，輸出電流Io持續下降至控制單元20預先設定的電流低點Ipk_min，此時可開始回復開關的導通。控制單元20先將第六開關元件Q6啟動，使得輸出電流Io可流經第六開關元件Q6與第三二極體D3的續流路徑(請參閱圖3B)。然後，控制單元20再依序啟動第一開關元件Q1，以及主電流路徑中高頻切換的開關元件(意即最後將第二開關元件Q2啟動)。

值得一提，於本發明之一實施例中，由於在負半週操作時主電流路徑的第四開關元件Q4與第三開關元件Q3對應正半週操作時主電流路徑為第一開關元件Q1與第二開關元件Q2，且續流路徑的第五開關元件Q5對應第六開關元件Q6，因此第一種控制態樣式於負半週操作時的開關單元啟動順序對應於圖4B。意即，控制單元20控制橋臂組10在負半週操作時的啟動順序為第五開關元件Q5、第四開關元件Q4、第三開關元件Q3。

進一步而言，在第一種控制態樣時，控制單元20控制橋臂組10的啟動依序為第六開關元件Q6、第一開關元件Q1、第二開關元件Q2的順序(正 半週)，以及第五開關元件Q5、第四開關元件Q4、第三開關元件Q3的順序(負半週)。其原因在於，當於正半週且啟動順序為第一開關元件Q1、第六開關元件Q6、第二開關元件Q2的情況下。由於第一開關元件Q1啟動前，主電流路徑和續流路徑尚未建立，電流被迫流經交流電源輸出Vo、第二直流源V2、第四二極體D4、第三二極體D3的電流路徑，因此，一旦第一開關元件Q1啟動，會造成第二開關元件Q2要承受的電壓應力等於第一直流源V1加上第二直流源V2。所以啟動順序為第一開關元件Q1、第六開關元件Q6、第二開關元件Q2為不理想的啟動順序。

當於正半週且第二開關元件Q2先啟動的情況下(意即啟動順序為第二開關元件Q2、第一開關元件Q1、第六開關元件Q6，或第二開關元件Q2、第六開關元件Q6、第一開關元件Q1)，高頻切換的開關元件先啟動(意即第二開關元件Q2先啟動)，在高頻切換的開關元件高頻切換時，橋臂組10無法穩定提供續流路徑，且有可能在高頻切換的開關元件高頻切換的過程中，使得開關元件的啟動順序轉變成第一開關元件Q1、第六開關元件Q6、第二開關元件Q2。因此，第二開關元件Q2先啟動亦為不理想的啟動順序。

當啟動順序為第六開關元件Q6、第二開關元件Q2、第一開關元件Q1時，如先前所述，第一開關元件Q1若使用傳導損失較小的開關(例如但不限於IGBT)時，最後啟動的第一開關元件Q1因本身切換損失較大，較大的回復電流使得第一開關元件Q1容易損壞。值得一提，當於負半週時，控制單元20控制橋臂組10的啟動依序為第五開關元件Q5、第四開關元件Q4、第三開關元件Q3的順序，其原因如同正半週時的啟動順序，在此不多加贅述。

值得一提，於本發明之一實施例中，控制單元20預先設定了電流保護點Ipk與電流低點Ipk_min的磁滯區間之原因在於，避免當換流裝置100執行關斷開關元件使輸出電流Io下降至預先設定了電流保護點Ipk後，就立即執行 啟動順序使輸出電流Io又迅速地達到電流保護點Ipk，而造成控制單元20控制換流裝置100頻繁的執行關斷順序與啟動順序之狀況。

請參閱圖5A為本發明第二種控制態樣的換流裝置之波形示意圖，復配合參閱圖1~4B。換流裝置100為第二種控制態樣操作且在正常工作狀態(意即非為過流狀態)時，響應於橋臂組10在正半週操作，控制單元20輸出的第一控制訊號S1為第一切換訊號、第五控制訊號S5為與第一切換訊號互補的第二切換訊號、第二控制訊號S2與第六控制訊號S6為第一準位訊號、以及第三控制訊號S3與第四控制訊號S4為第二準位訊號；而響應於橋臂組10在負半週操作，控制單元20輸出的第四控制訊號S4為第三切換訊號、第六控制訊號S6為與第三切換訊號互補的第四切換訊號、第三控制訊號S3與第五控制訊號S5為第一準位訊號、以及第一控制訊號S1與第二控制訊號S2為第二準位訊號。

請參閱圖5B為本發明第三種控制態樣的換流裝置之波形示意圖，復配合參閱圖1~5A。第三種控制態樣與圖5A之第二種控制態樣差異在於，換流裝置100在正常工作狀態(意即非為過流狀態)，響應於橋臂組10在正半週操作，控制單元20輸出的第三控制訊號S3為該第二切換訊號，其餘的控制訊號(S1~S2、S4~S6)皆與圖5A相同；而響應於橋臂組10在負半週操作，控制單元20輸出的第二控制訊號S2為第四切換訊號，其餘的控制訊號(S1、S3~S6)皆與圖5A相同。

進一步而言，圖2的第一種控制態樣與圖5A、5B的第二種控制態樣、第三種控制態樣差異在於，第一控制訊號S1與第六控制訊號S6在正半週操作為第一準位訊號，且在負半週操作時為第二準位訊號，第四控制訊號S4與第五控制訊號S5在正半週操作與負半週操作時，恰與第一控制訊號S1、第六控制訊號S6相反。因此上述控制訊號(S1、S4~S6)的切換頻率，相較於第二控制訊號S2或第三控制訊號S3低，故開關元件(Q1、Q4~Q6)適用切換損失較大，但傳 導損失較小的開關類型(例如但不限於IGBT)。另外一方面，第二控制訊號S2與第三控制訊號S3的切換頻率，相較於第一控制訊號S1或第四控制訊號S4高，故開關元件(Q2、Q3)適用傳導損失較大，但切換損失較小的開關類型(例如但不限於MOSFET)。換言之，圖2的第一種控制態樣可針對控制訊號的切換頻率與特性來選擇相應最適合的開關元件，使效率進一步優化。請參閱圖6A為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的正半週主電流路徑示意圖、圖6B為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的正半週續流路徑示意圖、圖6C為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的負半週主電流路徑示意圖、圖6D為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣的負半週續流路徑示意圖，復配合參閱圖1~5B。當換流裝置100在正常工作狀態(意即非為過流狀態)時，橋臂組10的正半週主電流路徑PM為第一直流源V1、第一開關單元112、第二開關單元114、輸出電感L、交流電源輸出Vo，再回到第一直流源V1(如圖6A所示)；而橋臂組10的正半週續流路徑PF為輸出電感L、交流電源輸出Vo、第五開關單元122、第二開關單元114，再回到輸出電感L(如圖6B所示)；以及輸出電感L、交流電源輸出Vo、第六開關單元124、第三開關單元116，再回到輸出電感L(如圖6B所示)。

換流裝置100在正常工作狀態(意即非為過流狀態)時，橋臂組10的負半週主電流路徑NM為第二直流源V2、交流電源輸出Vo、輸出電感L、第三開關單元116、第四開關單元118，再回到第二直流源V2(如圖6C所示)；而橋臂組10的負半週續流路徑NF為輸出電感L、第二開關單元114、第五開關單元122、交流電源輸出Vo，再回到輸出電感L(如圖6D所示)；以及輸出電感L、第三開關單元116、第六開關單元124、交流電源輸出Vo，再回到輸出電感L(如圖6D所示)。

細部而言，第二種控制態樣的換流裝置100在正常工作狀態(意即非為過流狀態)的正半週時，第三控制訊號S3為低準位訊號，使得在正半週續流路徑PF時，第三開關元件Q3關斷，電流必須流經第三二極體D3。而第三種控制態樣的換流裝置100在正常工作狀態(意即非為過流狀態)的正半週時，第三控制訊號S3為與第一控制訊號S1互補的切換訊號。因此在正半週續流路徑PF，且第一開關元件Q1關斷時，第三開關元件Q3為導通狀態，若第三開關元件Q3是雙向導通的開關，電流流經第三開關元件Q3相較流經第三二極體D3有更低的損耗。而且，當負載200為感性負載而有虛功時(輸出電源Vo為正半週，但輸出電流Io為負，輸出電流Io反方向回流至換流裝置100)，由於第三開關元件Q3的導通，亦提供一個路徑使虛功電流可流經第三開關元件Q3、第六二極體D6。同理，在負半週續流路徑NF，且第四開關元件Q4關斷時，第二開關元件Q2導通，若第二開關元件Q2是雙向導通的開關，電流流經第二開關元件Q2相較流經第二二極體D2有更低的損耗。而且，當負載200為感性負載而有虛功時(電流為反向)，反向的電流可流經第二開關元件Q2、第五二極體D5的路徑。

請參閱圖7A為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第一實施例開關元件關斷順序波形示意圖，復配合參閱圖1~6B。第二種控制態樣與第三種控制態樣在正半週操作時主電流路徑為第一開關元件Q1與第二開關元件Q2，續流路徑則是為經由第六開關元件Q6或經由第五二極體D5兩條路徑。控制單元20控制第一開關元件Q1的第一控制訊號S1為第一切換訊號(意即高頻切換訊號)，控制第二開關元件Q2的第二控制訊號S2為第一準位訊號(意即高準位訊號)，且控制第六開關元件Q6的第六控制訊號S6為第一準位訊號(意即高準位訊號)。當交流電源輸出Vo在正半週操作，若輸出電流Io上升達到控制單元20預先設定的電流保護點Ipk，控制單元20判斷換流裝置100發生過流狀態。當控制單元20判斷換流裝置100發生過流狀態，控制單元20先將主 電流路徑中高頻切換的開關元件關斷(意即須先關斷第一開關元件Q1)，以避免輸出電流Io持續上升。由於第二種控制態樣與第三種控制態樣的續流路徑包括第二開關元件Q2與第五二極體D5的路徑，以及第三二極體D3與第六開關元件Q6的路徑(請參閱圖6B)，因此當控制單元20將第一開關元件Q1關斷後，可先將第二開關元件Q2關斷，此時第三二極體D3與第六開關元件Q6為續流路徑，最後再將第六開關元件Q6關斷。

請參閱圖7B為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第二實施例開關元件關斷順序波形示意圖，復配合參閱圖7A。當控制單元20將第一開關元件Q1關斷後，控制單元20也可先將第六開關元件Q6關斷，此時第二開關元件Q2與第五二極體D5為續流路徑，最後再將第二開關元件Q2關斷。當第二開關元件Q2關斷後，輸出電流Io則持續下降。值得一提，於本發明之一實施例中，由於在負半週操作時主電流路徑的第四開關元件Q4與第三開關元件Q3對應正半週操作時主電流路徑為第一開關元件Q1與第二開關元件Q2，且續流路徑的第五開關元件Q5對應第六開關元件Q6，因此第二種控制態樣與第三種控制態樣於負半週操作時的開關單元關斷順序對應於圖7A、7B。意即，控制單元20控制橋臂組10在負半週操作時的關斷順序為第四開關元件Q4、第三開關元件Q3、第五開關元件Q5，或第四開關元件Q4、第五開關元件Q5、第三開關元件Q3。

請參閱圖7C為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第一實施例開關元件啟動順序波形示意圖、圖7D為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第二實施例開關元件啟動順序波形示意圖、圖7E為本發明第二種控制態樣與第三種控制態樣於正半週操作時的第三實施例開關元件啟動順序波形示意圖，復配合參閱圖1~7B。當最後關斷的開關元件(第二開關元件Q2或第六開關元件Q6)關斷後，輸出電流Io則持續下降至 控制單元20預先設定的電流低點Ipk_min，此時可開始回復開關的導通。控制單元20先將第二開關元件Q2或第六開關元件Q6啟動，使得輸出電流Io可流經第二開關元件Q2與第五二極體D5的續流路徑，或第三二極體D3與第六開關元件Q6的續流路徑(請參閱圖6B)。由於橋臂組10僅需提供一條續流路徑供輸出電流Io流經即可避免電流被迫流經交流電源輸出Vo、第二直流源V2、第四二極體D4、第三二極體D3的電流路徑，而如先前所述，避免主電流路徑上的開關元件承受的電壓應力等於第一直流源V1加上第二直流源V2。因此控制單元20控制橋臂組10在正半週操作時的啟動順序可為第二開關元件Q2早於第六開關元件Q6、或第二開關元件Q2晚於第六開關元件S6、或第二開關元件S2與第六開關元件S6同時。

當控制單元20將第二開關元件Q2與第六開關元件Q6啟動之後，橋臂組10已可提供第二開關元件Q2與第五二極體D5，以及第三二極體D3與第六開關元件Q6的兩條續流路徑，因此控制單元20最後再將主電流路徑上高頻切換的開關元件啟動(意即最後將第一開關元件Q1啟動)，使輸出電流Io持續上升。值得一提，第二種控制態樣與第三種控制態樣於負半週操作時的開關單元啟動順序對應於圖7C、7D、7E。意即，控制單元20控制橋臂組10在負半週操作時的啟動順序為第三開關元件Q3、第五開關元件Q5、第四開關元件Q4，第五開關元件Q5、第三開關元件Q3、第四開關元件Q4，或第三開關元件Q3與第五開關元件Q5同時啟動，最後再啟動第四開關元件Q4。

綜上所述，本發明的一個或多個實施例具有以下優點：1、控制單元控制輸出電流不超過控制單元預先設定的電流保護點，因此可達成避免輸出電流超過控制單元預先設定的電流保護點，以達到過流保護之功效； 2、控制單元可提供換流裝置合適的關斷順序以及啟動順序，因此可達成避免換流裝置其中之一的開關元件的兩端電壓應力過大而導致開關元件損壞之功效；3、控制單元皆是先關斷主電流路徑上高頻切換的開關元件，因此可達成避免輸出電流達到控制單元預先設定的電流保護點時，輸出電流仍持續上升之功效；4、控制單元皆是最後啟動高頻切換的開關元件，因此可達成控制單元可控制橋臂組穩定提供續流路徑之功效；及5、控制單元皆是先啟動續流路徑上的開關元件，因此避免換流裝置主電流路徑上的開關元件電壓應力過大，而導致開關元件損壞之功效。

惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。此外，在申請專利範圍和說明書中提到的特徵可以分別單獨地或按照任何組合方式實施。

Claims (10)

1. 一種具有過流保護控制之換流裝置，耦接具有一中點電位端的一直流輸入端與一交流輸出端，該換流裝置包括：一橋臂組，包括：一第一橋臂，包括依序串接的一第一開關元件、一第二開關元件、一第三開關元件及一第四開關元件，該交流輸出端耦接該第二開關元件與該第三開關元件，使該直流輸入端的一第一端通過該第一開關元件與該第二開關元件耦接該交流輸出端，且該直流輸入端的一第二端通過該第四開關元件與該第三開關元件耦接該交流輸出端；一第二橋臂，包括串接的一第五開關元件與一第六開關元件，該中點電位端耦接該第五開關元件與該第六開關元件，並且通過該第五開關元件與該第二開關元件耦接該交流輸出端，以及通過該第六開關元件與該第三開關元件耦接該交流輸出端；及一控制單元，提供複數控制訊號控制該橋臂組；當該控制單元判斷為一過流狀態時，該控制單元控制該橋臂組在正半週操作時，該橋臂組的關斷順序依序為該第二開關元件、該第一開關元件及該第六開關元件；該控制單元控制該橋臂組在負半週操作時，該橋臂組的關斷順序依序為該第三開關元件、該第四開關元件及該第五開關元件；其中該些控制訊號包括控制該第一開關元件的一第一控制訊號、控制該第二開關元件的一第二控制訊號、控制該第三開關元件的一第三控制訊號、控制該第四開關元件的一第四控制訊號、控制該第五開關元件的一第五控制訊號及控制該第六開關元件的一第六控制訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在正半週操作，控制該第二控制訊號為一第一切換訊號、該第三控制訊號為一第二切換訊號、該第一控制訊號與該第六控制訊號為一第一準位訊號、以及該第四控制訊號與該第五控制訊號為一第二準位訊號；該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在負半週操作，控制該第二控制訊號為一第三切換訊號、該第三控制訊號為一第四切換訊號、該第四控制訊號與該第五控制訊號為該第一準位訊號、以及該第一控制訊號與該第六控制訊號為該第二準位訊號，其中該第一準位訊號的準位值高於該第二準位訊號的準位值。
3. 如申請專利範圍第2項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元控制該橋臂組在正半週操作時的啟動順序為該第六開關元件早於該第二開關元件；該控制單元控制該橋臂組在負半週操作時的啟動順序為該第五開關元件早於該第三開關元件。
4. 如申請專利範圍第3項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元控制該橋臂組在正半週操作時的啟動順序為該第一開關元件晚於該第六開關元件但早於該第二開關元件，該控制單元控制該橋臂組在負半週操作時的啟動順序為該第四開關元件晚於該第五開關元件但早於該第三開關元件。
5. 一種具有過流保護控制之換流裝置，耦接具有一中點電位端的一直流輸入端與一交流輸出端，該換流裝置包括：一橋臂組，包括：一第一橋臂，包括依序串接的一第一開關元件、一第二開關元件、一第三開關元件及一第四開關元件，該交流輸出端耦接該第二開關元件與該第三開關元件，使該直流輸入端的一第一端通過該第一開關元件與該第二開關元件耦接該交流輸出端，且該直流輸入端的一第二端通過該第四開關元件與該第三開關元件耦接該交流輸出端；一第二橋臂，包括串接的一第五開關元件與一第六開關元件，該中點電位端耦接該第五開關元件與該第六開關元件，並且通過該第五開關元件與該第二開關元件耦接該交流輸出端，以及通過該第六開關元件與該第三開關元件耦接該交流輸出端；及一控制單元，提供複數控制訊號控制該橋臂組；當該控制單元判斷為一過流狀態時，該控制單元控制該橋臂組在正半週操作時，該橋臂組的關斷順序為該第一開關元件早於該第六開關元件；該控制單元控制該橋臂組在負半週操作時，該橋臂組的關斷順序為該第四開關元件早於該第五開關元件；當該控制單元判斷非為該過流狀態時，該控制單元控制該橋臂組在正半週操作時的啟動順序為該第六開關元件早於該第一開關元件；該控制單元控制該橋臂組在負半週操作時的啟動順序為該第五開關元件早於該第四開關元件；其中該些控制訊號包括控制該第一開關元件的一第一控制訊號、控制該第二開關元件的一第二控制訊號、控制該第三開關元件的一第三控制訊號、控制該第四開關元件的一第四控制訊號、控制該第五開關元件的一第五控制訊號及控制該第六開關元件的一第六控制訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在正半週操作，控制該第一控制訊號為一第一切換訊號、該第五控制訊號為一第二切換訊號、該第二控制訊號與該第六控制訊號為一第一準位訊號、以及該第四控制訊號為一第二準位訊號；其中該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在負半週操作，控制該第四控制訊號為一第三切換訊號、該第六控制訊號為一第四切換訊號、該第三控制訊號與該第五控制訊號為該第一準位訊號、以及該第一控制訊號為該第二準位訊號，其中該第一準位訊號的準位值高於該第二準位訊號的準位值。
7. 如申請專利範圍第6項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在正半週操作，控制該第三控制訊號為該第二準位訊號；其中該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在負半週操作，控制該第二控制訊號為該第二準位訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在正半週操作，控制該第三控制訊號為該第二切換訊號；其中該控制單元用以非為該過流狀態，響應於該橋臂組在負半週操作，控制該第二控制訊號為該第四切換訊號。
9. 如申請專利範圍第5項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元控制該橋臂組在正半週操作時的關斷順序為該第二開關元件早於該第六開關元件但晚於該第一開關元件、或該第二開關元件晚於該第六開關元件；該控制單元控制該橋臂組在負半週操作時的關斷順序為該第三開關元件早於該第五開關元件但晚於該第四開關元件、或該第三開關元件晚於該第五開關元件。
10. 如申請專利範圍第5項所述的具有過流保護控制之換流裝置，其中該控制單元控制該橋臂組在正半週操作時的啟動順序為該第二開關元件早於該第六開關元件、或該第二開關元件晚於該第六開關元件但早於該第一開關元件、或該第二開關元件與該第六開關元件同時；該控制單元控制該橋臂組在負半週操作時的啟動順序為該第三開關元件早於該第五開關元件、或該第三開關元件晚於該第五開關元件但早於該第四開關元件、或該第三開關元件與該第五開關元件同時。