TWI692928B - 交錯式電力轉換器 - Google Patents

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吳晉昌
周宏亮
吳喜楨
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Abstract

本發明創作係關於一種交錯式電力轉換器，本創作主要採用三個電力電子開關臂，其中兩個電力電子開關臂為高頻臂，另一臂為低頻臂，兩個高頻臂利用交錯式脈寬調變以產生交錯式電流，可使其合成之輸出電流之諧波頻率提高一倍，藉以降低電流之漣波，同時，本創作透過均流控制方法，僅需一個電流感測器即可控制兩個高頻臂之均流，可大幅降低交錯式電力轉換器的製作成本。

Description

交錯式電力轉換器
本發明創作係關於一種電力轉換器，尤指一種交錯式電力轉換器。
電力轉換器主要包含IGBT、MOSFET及二極體等功率半導體元件、濾波電感及電容等被動元件及散熱元件。隨著半導體技術的進步，使得半導體元件的性能大幅提升且價格不斷下降，電力轉換器之電路設計已朝向增加電力電子元件來減少被動元件的使用，並提高電力轉換器效率以減少散熱需求之方向發展。要有效降低被動濾波器容量必須提高切換頻率及降低切換諧波，然而提高切換頻率將增加電力轉換器之切換損失。
目前市面上的交錯式電力轉換器是利用數個電力轉換器並聯，並採用交錯式脈寬調變技術使這些電力轉換器之電流產生交錯相位，合成之電流可有效降低切換諧波，並提高等效切換諧波頻率，因此亦可有效降低被動濾波器容量，交錯式電力轉換器大多應用在直流-直流電能轉換，近年來部分應用於直流-交流與交流-直流電能轉換之電路被發展出來，請參閱第一圖所示，主要是由三個電力電子開關臂組成一與直流電源供應單元電性(A1)連接之直流匯流排，其中S1-S4組成二個高頻臂，S5與S6組成一個低頻臂。
而目前市面上的交錯式電力轉換器主要的問題在於高頻臂的均流控制(即控制電流值大小趨於一致)，只要電力電路或控制電路部分參數的差異，都將引起交錯式電力轉換器兩個高頻臂嚴重不均流，造成其中一個高頻臂過載而燒燬。雖然有人提出改善方式，如第一圖所示，係針對各高頻臂分別採用獨立的電流感測器(A2)，並配合獨立的電流控制器來解決均流問題，然，此也造成整體製作成本上升。爰此，本發明創作者認為此種交錯 式電力轉換器實有改善之必要。
有鑑於先前技術所述不足之處，本發明創作者提出一種解決之手段，該手段係關於一種交錯式電力轉換器，包括： 一低頻臂、一第二高頻臂及一第一高頻臂之二端依序並聯連接形成一直流滙流排，該直流滙流排與一直流電源供應單元形成並聯，且該直流滙流排與該直流電源供應單元間設有一電流感測器；一輸出埠分別電性連接該低頻臂、該第一高頻臂，及該第二高頻臂，該輸出埠與該第一高頻臂之間設有一第一電感，該輸出埠與該第二高頻臂之間設有一第二電感；該輸出埠可供電性連接一交流電源系統，該電流感測器感測輸入該直流滙流排之直流輸入電流，再配合控制電路以控制該輸出埠之輸出電流，並對該第一高頻臂與該第二高頻臂進行均流。
本發明創作主要利用連接於該直流滙流排與該直流電源供應單元之並聯路徑之該電流感測器感測輸入該直流滙流排之直流輸入電流，再配合控制電路控制該輸出埠之輸出電流，並對該第一高頻臂與該第二高頻臂進行均流，只需使用一電流感測器即可同時達到控制該輸出埠之電流及該第一高頻臂與該第二高頻臂之均流效果，可降低整體製作成本。
(A1):直流電源供應單元
(A2):電流感測器
(S1~S6):電力電子開關
(L1,L2):電感
(1):低頻臂
(11):第一電力電子開關
(12):第一電力電子開關
(2):第一高頻臂
(21):第二電力電子開關
(22):第二電力電子開關
(3):第二高頻臂
(31):第三電力電子開關
(32):第三電力電子開關
(41):第一電感
(42):第二電感
(5):輸出埠
(6):電流感測器
(7):直流電源供應單元
(8A、8B):加法器
(8C、8D):減法器
(8E~8H):乘法器
(81):比較器
(82):放大器
(83):信號產生器
(84A):第一濾波器
(84B):第二濾波器
(84C):第三濾波器
(85):前饋控制器
(86):絕對值電路
(87):電流控制器
(88):控制器
(89A):第一脈寬調變電路
(89B):第二脈寬調變電路
(80):反相器
(9):電壓感測器
第一圖係先前技術示意圖。
第二圖係本發明創作之各元件連結示意圖。
第三圖係本發明創作之供電單元於電能由交流至直流轉換下，且二高頻臂之電力電子開關於責任周期小於0.5之狀態下，各種操作波形示意圖。
第四圖係本發明創作之供電單元於電能由交流至直流轉換下，且二高頻臂之電力電子開關於責任周期大於0.5之狀態下，各種操作波形示意圖。
第五圖係本發明創作之控制電路各元件連結示意圖。
以下藉由圖式之輔助，說明本發明創作之構造、特點與實施例，俾使貴審查人員對於本發明創作有更進一步之瞭解。
請參閱第二圖所示，本發明創作係關於一種交錯式電力轉換器，包括：一低頻臂(1)：請參閱第二圖所示，該低頻臂(1)具有二串聯之第一電力電子開關(11、12)。一第一高頻臂(2)：請參閱第二圖所示，該第一高頻臂(2)具有二串聯之第二電力電子開關(21、22)。
一第二高頻臂(3)：請參閱第二圖所示，該第二高頻臂(3)具有二串聯之第三電力電子開關(31、32)。
一第一電感(41)：請參閱第二圖所示，該第一電感(41)之一端電性連接該第一高頻臂(2)之二第二電力電子開關(21、22)串聯連接點。
一第二電感(42)：請參閱第二圖所示，該第二電感(42)之一端電性連接該第二高頻臂(3)之二第三電力電子開關(31、32)串聯連接點，該第二電感(42)之另一端電性連接至該第一電感(41)之另一端。此外，上述各電力電子開關(11、12、21、22、31、32)可為MOSFET、IGBT。
一輸出埠(5)：請參閱第二圖所示，該輸出埠(5)之一端電性連接至該第一電感(41)與該第二電感(41)之連接點，該輸出埠(5)之另一端電性連接該低頻臂(1)之二第一電力電子開關(11、12)串聯連接點；該輸出埠(5)可供電性連接一交 流電源系統。
該低頻臂(1)、該第一高頻臂(2)及該第二高頻臂(3)之二端並聯連接形成一直流滙流排，該直流滙流排再與一直流電源供應單元(7)形成並聯，且該直流滙流排與該直流電源供應單元(7)間設有一電流感測器(6)。
請再配合參閱第三圖及第四圖所示，為交錯式電力轉換器操作在電能由交流至直流轉換下之操作波形，而各操作波形分別為：(a)該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)之輸出電流、(b)該輸出埠(5)之輸出電流(Io)、(c)輸入該直流滙流排之直流輸入電流(Ic)、(d)該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)之控制信號(S21)、(e)該第二高頻臂(3)之第三電力電子開關(31)之控制信號(S31)、(f)該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)之控制信號(S21)、該第二高頻臂(3)之第三電力電子開關(31)之控制信號(S31)分別與該輸出電流之乘積S21I0與S31I0、(g)該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)之控制信號(S21)、該第二高頻臂(3)之第三電力電子開關(31)之控制信號(S31)分別與該直流輸入電流(Ic)之乘積S21Ic與S31Ic。此時該第一電感(41)與該第二電感(42)具有不同電感值，該第一電感(41)為1.5mH，內阻為0.2Ω，該第二電感(42)為0.75mH，內阻為0.1Ω，由第三圖及第四圖可看出在該第一電感(41)與該第二電感(42)不匹配的情況下，不論在責任週期小於0.5或大於0.5，該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)之輸出電流均不相等，交錯式電力轉換器之輸出電流(Io)為該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)輸出電流之和，由圖中可看出該交錯式電力轉換器之輸出電流(Io)波動較小，不論在該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)或該第二高頻臂(3)之第三電力電子開關(31)導通時，交錯式電力轉換器之輸出電流變化不大，難以區分該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)輸出電流之不同，因此由第三圖(f)與第四圖(f)可看出利用交錯式電力轉換器之輸出電流與S21、S31之乘積很難檢測出該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)輸出電流之不同；然而交錯式電力轉換之直流輸入電流(Ic)則波動幅度較大，當該第一高頻臂 (2)之第二電力電子開關(21)導通時其直流輸入電流(Ic)正比於該第一高頻臂(2)之輸出電流，而當該第二高頻臂(3)之第三電力電子開關(31)導通時其直流輸入電流(Ic)正比於該第二高頻臂(3)之輸出電流，因此由第三圖(g)與第四圖(g)可看出利用輸入該直流滙流排之該直流輸入電流(Ic)與該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)之控制信號(S21)、與該第二高頻臂(3)第三電力電子開關(31)之控制信號(S31)之乘積可明顯檢測出該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)輸出電流之不同，本專利即利用輸入該直流滙流排之該直流輸入電流(Ic)與該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)之控制信號(S21)、與該第二高頻臂(3)第三電力電子開關(31)之控制信號(S31)之乘積來修正該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)的調變信號，以達到該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)輸出電流之均流，因此只需使用一電流感測器(6)經適當控制即可達到該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)均流之效果。
第五圖為本創作之交錯式電力轉換器之控制電路之實施例，該控制電路如圖所示，包括：一比較器(81)、一放大器(82)、一信號產生器(83)、一第一濾波器(84A)、一第二濾波器(84B)、一第三濾波器(84C)、一前饋控制器(85)、一絕對值電路(86)、一電流控制器(87)、一控制器(88)、一第一脈寬調變電路(89A)、一第二脈寬調變電路(89B)、一反相器(80)、二加法器(8A、8B)、二減法器(8C、8D)，及四乘法器(8E~8H)，各元件之連結方式如圖所示，該控制電路用以控制該輸出埠(5)之輸出電流，並對該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)之輸出電流進行均流，請參閱第五圖並配合第二圖所示，本創作之交錯式電力轉換器主要由三個電力電子開關臂(即該低頻臂(1)、該第一高頻臂(2)及該第二高頻臂(3)組成，其中兩個高頻臂(2、3)採用交錯式脈寬調變技術控制，其切換相差180度，使得二者形成交錯式切換，而該低頻臂(1)作與該交流電源系統反相之低頻切換，如此一來，交錯式電力轉換器之電壓與電流可操作在四個象限，即該輸出埠(5)之輸出電流可控制在任何相位，以控制雙向的實功與虛功潮流。
接著，介紹該控制電路之作動方式：交錯式電力轉換器係採用電流控制式，故必須先決定輸出參考電流信號，輸出參考電流信號由交錯式電力轉換器之應用來決定，能量可由直流電源供應單元(7)經該交錯式電力轉換器轉換成交流電能注入該交流電源系統，或由該交流電源系統經該交錯式電力轉換器轉換成直流電能注入該直流電源供應單元(7)。由於考慮到均流控制，電流控制的對象由傳統的輸出電流Io(流經該第一電感(41)與該第二電感(42)之電流和)改為流入該直流滙流排之直流輸入電流Ic，該交流電源系統電壓送至該放大器(82)，該放大器(82)之增益為該交錯式電力轉換器之放大增益之倒數，該交錯式電力轉換器放大倍率為：
Figure 107142561-A0305-02-0008-1
 其中Vdc為該交錯式電力轉換器之直流滙流排電壓，Vtri為一常數，其值為脈寬調變電路(89A、89B)之載波振幅。該放大器(82)輸出再經一絶對值電路(86)，該輸出電流之參考信號乘以該絶對值電路(86)之輸出以得到一參考信號，該直流輸入電流經該電流感測器(6)檢出後經該第一濾波器(84A)濾波，該交流電源系統電壓送至一信號產生器(83)產生一方波信號vsq，當該交流電源系統之電壓為正半週時vsq為1，當該交流電源系統之電壓為負半週時vsq為-1，該第一濾波器(84A)輸出與該方波信號vsq相乘成為一等效交流電流，該參考信號與該等效交流電流經一第一減法器相減，相減結果送至該電流控制器(87)完成電流迴路控制；經該電流感測器(6)檢出之該直流輸入電流再分別和該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)之控制信號S21與該第二高頻臂(3)之第三電力電子開關(31)之控制信號S31經第一乘法器與第二乘法器相乘，相乘結果分別經該第二濾波器(84B)與該第三濾波器(84C)濾波，該第二濾波器(84B)與該第三濾波器(84C)的輸出經第二減法器相減，相減結果送到該控制器(88)以產生一個均流控制信號，而該控制器(88)輸出再經一反相器(80)(增益為-1)產生另一個均流控制信號；為了得到交錯式電力轉換器電流之較佳控制，在控制電路中加入該前饋控制器 (85)，其前饋控制信號為：
Figure 107142561-A0305-02-0009-2
 其中krec為該交錯式電力轉換器放大倍率，vs為該交流電源系統之電壓。因此將該放大器(82)輸出與該方波信號vsq送至該前饋控制器(85)產生如(2)式之前饋控制信號。將該電流控制器(87)輸出、該兩個均流控制信號與該前饋控制信號分別經第一加法器與第二加法器相加產生兩個調變信號，將兩個調變信號分別送至該第一脈寬調變電路(89A)與該第二脈寬調變電路(89B)，該第一脈寬調變電路(89A)與該第二脈寬調變電路(89B)將兩個調變信號分別與兩個相差180度之三角載波比較以產生該第一高頻臂(2)之第二電力電子開關(21)與(22)及該第二高頻臂(3)之第三電力電子開關(31)與(32)之控制信號。由於該低頻臂(1)作與該交流電源系統反相之低頻切換，將該交流電源系統之電壓經過該比較器(81)可得該第一電力電子開關(11、12)之控制信號。
本發明創作主要透過將該電流感測器(6)設置於該直流滙流排與該直流電源供應單元(7)間檢測出該直流輸入電流(Ic)，經適當控制即可達到該第一高頻臂(2)與該第二高頻臂(3)均流之效果，並完成該輸出埠(5)之輸出電流(Io)之控制，與第一圖所示傳統均流控制方法作比較，可簡化控制器並減少電流感測器數量，可降低整體製作成本。。
綜上所述，本發明創作確實符合產業利用性，且未於申請前見於刊物或公開使用，亦未為公眾所知悉，且具有非顯而易知性，符合可專利之要件，爰依法提出專利申請。
惟上述所陳，為本發明創作在產業上一較佳實施例，舉凡依本發明創作申請專利範圍所作之均等變化，皆屬本案訴求標的之範疇。
(1):低頻臂
(11):第一電力電子開關
(12):第一電力電子開關
(2):第一高頻臂
(21):第二電力電子開關
(22):第二電力電子開關
(3):第二高頻臂
(31):第三電力電子開關
(32):第三電力電子開關
(41):第一電感
(42):第二電感
(5):輸出埠
(6):電流感測器
(7):直流電源供應單元

Claims (5)

  1. 一種交錯式電力轉換器，包括：一低頻臂、一第二高頻臂及一第一高頻臂之二端依序並聯連接形成一直流滙流排，該直流滙流排與一直流電源供應單元形成並聯，且該直流滙流排與該直流電源供應單元間設有一電流感測器；一輸出埠分別電性連接該低頻臂、該第一高頻臂，及該第二高頻臂，該輸出埠與該第一高頻臂之間設有一第一電感，該輸出埠與該第二高頻臂之間設有一第二電感；該輸出埠可供電性連接一交流電源系統，該電流感測器感測輸入該直流滙流排之直流輸入電流，再配合控制電路以控制該輸出埠之輸出電流，並對該第一高頻臂與該第二高頻臂進行均流。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之交錯式電力轉換器，該低頻臂具有二串聯之第一電力電子開關。
  3. 依申請專利範圍第2項所述之交錯式電力轉換器，該第一高頻臂具有二串聯之第二電力電子開關。
  4. 依申請專利範圍第3項所述之交錯式電力轉換器，該第二高頻臂具有二串聯之第三電力電子開關。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之交錯式電力轉換器，該第一電感一端電性連接該第一高頻臂之二第二電力電子開關串聯連接點，該第二電感之一端電性連接該第二高頻臂之二第三電力電子開關串聯連接點，該第二電感之另一端電性連接至該第一電感之另一端。
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