TWI728503B

TWI728503B - 電力系統

Info

Publication number: TWI728503B
Application number: TW108136794A
Authority: TW
Inventors: 辛偉綸; 林信晃
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-05-21
Also published as: TW202116010A

Abstract

一種電力系統，包含正極端、負極端、中性點及轉換電路。轉換電路包含交流端、兩個飛跨電容、兩個開關模組。兩個開關模組分別包含五個開關。兩個第二開關串聯後並聯第一飛跨電容，兩個第一開關分別串聯於兩個第二開關的兩端，第三開關連接於兩個第二開關之間第一節點和交流端之間。兩個第五開關串聯後並聯第二飛跨電容，兩個第四開關分別串聯於兩個第五開關的兩端，第六開關連接於兩個第五開關之間第二節點和交流端之間。第一開關模組耦接於正極端和中性點之間，第二開關模組耦接於負極端和中性點之間。

Description

電力系統

本揭示內容是關於一種電力系統，且特別係關於一種五電平的電力轉換系統。

多電平轉換裝置由於其裝置中每個功率器件所承受的電壓較母線電壓低，使得能夠以耐壓等級較低的功率器件達到高壓系統所需的大功率輸出。

傳統上，二極體箝位式逆變器（diode clamped inverter）通常需使用電容平衡電路，因而增加更多開關與電感元件，導致轉換裝置的體積及成本增加。

本揭示內容的一種實施態樣係關於一種電力系統。電力系統包含母線電容模組和轉換電路。母線電容模組具有正極端、負極端及中性點。轉換電路包含交流端、第一飛跨電容、第二飛跨電容、第一開關模組和第二開關模組。第一開關模組包含兩個第一開關單元、兩個第二開關單元和一個第三開關單元。兩個第二開關單元串聯後並聯第一飛跨電容。兩個第一開關單元分別串聯於兩個第二開關單元的兩端。第三開關單元連接於兩個第二開關單元之間第一節點和交流端之間。第二開關模組包含兩個第四開關單元、兩個第五開關單元和一個第六開關單元。兩個第五開關單元串聯後並聯第二飛跨電容。兩個第四開關單元分別串聯於兩個第五開關單元的兩端。第六開關單元連接於兩個第五開關單元之間第二節點和交流端之間。第一開關模組耦接於正極端和中性點之間。第二開關模組耦接於負極端和中性點之間。

本揭示內容的另一種實施態樣係關於一種電力系統。電力系統包含母線電容模組、第一轉換電路和第二轉換電路。母線電容模組具有正極端、負極端及中性點。第一轉換電路的第一開關模組和第二轉換電路的第二開關模組共同耦接於正極端和中性點之間。第一轉換電路的第二開關模組和第二轉換電路的第一開關模組共同耦接於負極端和中性點之間。

本揭示內容的另一種實施態樣係關於另一種電力系統。電力系統包含母線電容模組、第一轉換電路、第二轉換電路和第三轉換電路。母線電容模組具有正極端、負極端及中性點。第一轉換電路的第一開關模組、第二轉換電路的第一開關模組和第三轉換電路的第一開關模組共同耦接於正極端和中性點之間，第一轉換電路的第二開關模組、第二轉換電路的第二開關模組和第三轉換電路的第二開關模組共同耦接於負極端和中性點之間。

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之部分實施例所繪示一種電力系統100的示意圖。本案之電力系統100可用以實現直流交流逆變器（inverter），能將直流電壓轉換為單相、三相或者多相的交流電壓，從而供應電能給予後端電路或負載。如第1圖所示，在部分實施例中，以單相為例，電力系統100包含母線電容模組120和轉換電路。母線電容模組120包含正極端V+、負極端V-和中性點Vn。轉換電路包含第一飛跨電容C3、第二飛跨電容C4、第一開關模組140、第二開關模組160和交流端Vo。第一開關模組140包含兩個第一開關單元Q1A和Q1B、兩個第二開關單元Q2A和Q2B、第三開關單元Q5。第二開關模組160包含兩個第四開關單元Q3A和Q3B、兩個第五開關單元Q4A和Q4B、第六開關單元Q6。

結構上，母線電容模組120中的第一母線電容C1耦接於正極端V+和中性點Vn之間。第一開關模組140並聯於第一母線電容C1，亦耦接於正極端V+和中性點Vn之間。第一開關模組140的兩個第二開關單元Q2A和Q2B相互串聯後再並聯第一飛跨電容C3。兩個第一開關單元Q1A和Q1B分別串聯於兩個第二開關單元Q2A和Q2B的兩端。也就是說，第一開關單元Q1A連接於正極端V+和第二開關單元Q2A之間，第一開關單元Q1B連接於第二開關單元Q2B和中性點Vn之間。此外，第三開關單元Q5連接於兩個第二開關單元Q2A和Q2B之間的節點N1和交流端Vo之間。

相似地，母線電容模組120中的第二母線電容C2耦接於負極端V-和中性點Vn之間。第二開關模組160並聯於第二母線電容C2，亦耦接於負極端V-和中性點Vn之間。第二開關模組160的兩個第五開關單元Q4A和Q4B相互串聯後再並聯第二飛跨電容C4。兩個第四開關單元Q3A和Q3B分別串聯於兩個第五開關單元Q4A和Q4B的兩端。也就是說，第四開關單元Q3A連接於負極端V-和第五開關單元Q4A之間，第四開關單元Q3B連接於第五開關單元Q4B和中性點Vn之間。此外，第六開關單元Q6連接於兩個第五開關單元Q4A和Q4B之間的節點N2和交流端Vo之間。

具體而言，開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、Q5和Q6分別可由IGBT功率電晶體、MOSFET功率電晶體或其它半導體功率開關據以實施，並分別並聯二極體，且所並聯的二極體可為開關內部的寄生二極體（Body Diode）或獨立的二極體。在部分實施例中，如第1圖所示，開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、Q5和Q6中之每一者皆包含相互並聯的一個功率半導體開關和一個續流二極體。換言之，開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、Q5和Q6中之每一者皆包含第一端、第二端和控制端。

因此，以另一個角度而言，開關單元Q1A的第一端連接正極端V+，開關單元Q1A的第二端連接開關單元Q2A的第一端和第一飛跨電容C3的第一端。開關單元Q2A的第二端連接開關單元Q2B的第一端和開關單元Q5的第一端（即，節點N1）。開關單元Q2B的第二端連接開關單元Q1B的第一端和第一飛跨電容C3的第二端。開關單元Q1B的第二端連接中性點Vn。開關單元Q5的第二端連接交流端Vo。

相似地，開關單元Q3B的第一端連接中性點Vn，開關單元Q3B的第二端連接開關單元Q4B的第一端和第二飛跨電容C4的第一端。開關單元Q4A的第一端連接開關單元Q4B的第二端和開關單元Q6的第二端（即，節點N2）。開關單元Q4A的第二端連接開關單元Q3A的第一端和第二飛跨電容C4的第二端。開關單元Q3A的第二端連接負極端V-。開關單元Q6的第一端連接交流端Vo。

操作上，母線電容C1和C2用以接收直流輸入電壓。開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、Q5和Q6中之每一者皆用以根據接收到複數個控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6中之相應一者選擇性地導通或關斷。如此一來，藉由透過控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6分別控制開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、Q5和Q6的啟閉，便能使電力系統100進行轉換，將直流輸入電壓轉換為交流電壓透過交流端Vo輸出。

關於電力系統100的具體操作內容，請參考下表一。如表一所示，根據電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓是否大於零，分為正半週期和負半週期。在正半週期中，電力系統100包含狀態1～狀態4，其交流端Vo相對於中性點Vn的電壓分別為0、+1/4∆V、+1/2∆V、+1/4∆V，其中∆V為正極端V+和負極端V-的差值（即，|V+|=|V-|=1/2∆V）。在負半週期中，電力系統100包含狀態5～狀態8，其交流端Vo相對於中性點Vn的電壓分別為0、-1/4∆V、-1/2∆V、-1/4∆V。此外，表一中的「1」代表導通，「0」代表關斷。

	正半週期	負半週期
	狀態1	狀態2	狀態3	狀態4	狀態5	狀態6	狀態7	狀態8
Q1A	0	1	1	0	0	0	0	0
Q1B	1	0	0	1	0	0	0	0
Q2A	0	0	1	1	0	0	0	0
Q2B	1	1	0	0	0	0	0	0
Q5	1	1	1	1	0	0	0	0
Q3A	0	0	0	0	0	1	1	0
Q3B	0	0	0	0	1	0	0	1
Q4A	0	0	0	0	0	0	1	1
Q4B	0	0	0	0	1	1	0	0
Q6	0	0	0	0	1	1	1	1
電平	0	+1/4∆V	+1/2∆V	+1/4∆V	0	-1/4∆V	-1/2∆V	-1/4∆V

表一

為便於說明起見，電力系統100的具體操作將搭配第2A圖～第2D圖和第3A圖～第3D圖進行說明。第2A圖～第2D圖和第3A圖～第3D圖分別為根據本揭示內容之部分實施例所繪示的電力系統100的操作狀態示意圖。在部分實施例中，第2A圖～第2D圖和第3A圖～第3D圖分別相應於表一中的狀態1～狀態4和狀態5～狀態8。

如第2A圖所示，開關單元Q1B、Q2B和Q5分別相應於邏輯高準位（logic high level）的控制訊號G1b、G2b和G5導通。開關單元Q1A、Q2A、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B和Q6相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為0。

如第2B圖所示，開關單元Q1A、Q2B和Q5分別相應於邏輯高準位的控制訊號G1a、G2b和G5導通。開關單元Q1B、Q2A、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B和Q6相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為(V+)-1/2(V+)=1/2(V+)=+1/4∆V。

如第2C圖所示，開關單元Q1A、Q2A和Q5分別相應於邏輯高準位的控制訊號G1a、G2a和G5導通。開關單元Q1B、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B和Q6相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為(V+)=+1/2△V。

如第2D圖所示，開關單元Q1B、Q2A和Q5分別相應於邏輯高準位的控制訊號G1b、G2a和G5導通。開關單元Q1A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B和Q6相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為0-[-1/2(V+)]=1/2(V+)=+1/4△V。

如第3A圖所示，開關單元Q3B、Q4B和Q6分別相應於邏輯高準位的控制訊號G3b、G4b和G6導通。開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q4A和Q5相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為0。

如第3B圖所示，開關單元Q3A、Q4B和Q6分別相應於邏輯高準位的控制訊號G3a、G4b和G6導通。開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3B、Q4A和Q5相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為(V-)-1/2(V-)=1/2(V-)=-1/4△V。

如第3C圖所示，開關單元Q3A、Q4A和Q6分別相應於邏輯高準位的控制訊號G3a、G4a和G6導通。開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3B、Q4B和Q5相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為(V-)=-1/2△V。

如第3D圖所示，開關單元Q3B、Q4A和Q6分別相應於邏輯高準位的控制訊號G3b、G4a和G6導通。開關單元 Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q4B和Q5相應關斷。因此，交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為0-[-1/2(V-)]=1/2(V-)=-1/4△V。

由此可知，透過調控相應於開關單元Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、Q5和Q6的控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6，便能使電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓為五電平(即+1/2△V、+1/4△V、0、-1/4△V、-1/2△V)中之一者。

請參考第4圖。第4圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示一種控制訊號產生電路200的示意圖。該控制訊號產生電路200僅示意一種可實施的電路以利說明本揭示內容，然不以此為限，本領域人員可設計不同的電路來完成同樣的控制邏輯。在部分實施例中，電力系統100更包含如第4圖所示的控制訊號產生電路200。控制訊號產生電路200用以輸出控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6至轉換電路中相應的第一開關模組140和第二開關模組160。如第4圖所示，控制訊號產生電路200包含比較模組220和邏輯電路240。比較模組220用以接收複數個比較輸入訊號以產生相應的複數個比較訊號S1、S2、S3、S4和S5。邏輯電路240用以根據比較訊號S1、S2、S3、S4和S5產生控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6。

在部分實施例中，比較輸入訊號包含參考訊號Vref、第一三角波訊號Tri1和第二三角波訊號Tri2。比較模組220包含第一比較器OP1、第二比較器OP2、第三比較器OP3、第四比較器OP4和第五比較器OP5。比較器OP1～OP5分別包含兩個輸入端和一個輸出端，用以根據兩個輸入端所接收的訊號進行比較運算，並透過輸出端輸出運算後的比較訊號。值得一提，參考訊號Vref可為一弦波信號，亦可是接近弦波的信號，如空間向量調變得出的類弦波信號亦可，參考訊號Vref對應不同控制方法可能會有不同的變化。

具體而言，第一比較器OP1的第一輸入端用以接收參考訊號Vref。第一比較器OP1的第二輸入端用以接收第一三角波訊號Tri1。當參考訊號Vref的準位大於第一三角波訊號Tri1的準位時，第一比較器OP1輸出高準位的第一比較訊號S1。當參考訊號Vref的準位小於第一三角波訊號Tri1的準位時，第一比較器OP1輸出低準位的第一比較訊號S1。

第二比較器OP2的第一輸入端用以接收參考訊號Vref。第二比較器OP2的第二輸入端用以接收第二三角波訊號Tri2，第二三角波訊號Tri2可為與第一三角波訊號Tri1錯相180度的訊號。當參考訊號Vref的準位大於第二三角波訊號Tri2的準位時，第二比較器OP2輸出高準位的第二比較訊號S2。當參考訊號Vref的準位小於第二三角波訊號Tri2的準位時，第二比較器OP2輸出低準位的第二比較訊號S2。

第三比較器OP3的第一輸入端用以接收參考訊號Vref。第三比較器OP3的第二輸入端用以接收接地訊號。當參考訊號Vref的準位大於接地訊號的準位時，第三比較器OP3輸出高準位的第三比較訊號S3。當參考訊號Vref的準位小於接地訊號的準位時，第三比較器OP3輸出低準位的第三比較訊號S3，第三比較訊號S3用以判斷參考訊號Vref的正半週期和負半週期。

第四比較器OP4的第一輸入端用以接收參考訊號Vref乘上-1（即參考訊號Vref的反向訊號）。第四比較器OP4的第二輸入端用以接收第一三角波訊號Tri1。當參考訊號Vref的反向訊號的準位大於第一三角波訊號Tri1的準位時，第四比較器OP4輸出高準位的第四比較訊號S4。當參考訊號Vref的反向訊號的準位小於第一三角波訊號Tri1的準位時，第四比較器OP4輸出低準位的第四比較訊號S4。

第五比較器OP5的第一輸入端用以接收參考訊號Vref乘上-1（即參考訊號Vref的反向訊號）。第五比較器OP5的第二輸入端用以接收第二三角波訊號Tri2。當參考訊號Vref的反向訊號的準位大於第二三角波訊號Tri2的準位時，第五比較器OP5輸出高準位的第五比較訊號S5。當參考訊號Vref的反向訊號的準位小於第二三角波訊號Tri2的準位時，第五比較器OP5輸出低準位的第五比較訊號S5。

在部分實施例中，邏輯電路240包含第一及閘A1、第二及閘A2、第三及閘A3、第四及閘A4、第五及閘A5、第六及閘A6、第七及閘A7和第八及閘A8。及閘A1～A8分別包含兩個輸入端和一個輸出端。當及閘的兩個輸入端所接收的訊號皆為高準位時，及閘用以透過輸出端輸出高準位的控制訊號。反之，當及閘的兩個輸入端所接收的訊號中有低準位時，及閘用以透過輸出端輸出低準位的控制訊號。

具體而言，第一及閘A1的第一輸入端耦接第一比較器OP1，用以接收第一比較訊號S1。第一及閘A1的第二輸入端耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3。當第一比較訊號S1的準位和第三比較訊號S3的準位皆為高準位時，第一及閘A1輸出高準位的控制訊號G1a。反之，第一及閘A1輸出低準位的控制訊號G1a。

第二及閘A2的第一輸入端經由反閘（NOT gate）耦接第一比較器OP1，用以接收第一比較訊號S1的互補訊號。第二及閘A2的第二輸入端耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3。

第三及閘A3的第一輸入端耦接第二比較器OP2，用以接收第二比較訊號S2。第三及閘A3的第二輸入端耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3。

第四及閘A4的第一輸入端經由反閘耦接第二比較器OP2，用以接收第二比較訊號S2的互補訊號。第四及閘A4的第二輸入端耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3。

第五及閘A5的第一輸入端經由反閘耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3的互補訊號。第五及閘A5的第二輸入端耦接第四比較器OP4，用以接收第四比較訊號S4。

第六及閘A6的第一輸入端經由反閘耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3的互補訊號。第六及閘A6的第二輸入端經由反閘耦接第四比較器OP4，用以接收第四比較訊號S4的互補訊號。

第七及閘A7的第一輸入端經由反閘耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3的互補訊號。第七及閘A7的第二輸入端耦接第五比較器OP5，用以接收第五比較訊號S5。

第八及閘A8的第一輸入端經由反閘耦接第三比較器OP3，用以接收第三比較訊號S3的互補訊號。第八及閘A8的第二輸入端經由反閘耦接第五比較器OP5，用以接收第五比較訊號S5的互補訊號。

此外，控制訊號產生電路200用以將第三比較器OP3所輸出的第三比較訊號S3作為控制訊號G5，並將第三比較器OP3所輸出的第三比較訊號S3經過反閘後作為控制訊號G6。

如此一來，藉由控制訊號產生電路200根據比較輸入訊號（如，參考訊號Vref、三角波訊號Tri1和Tri2）便能產生相應於表一中狀態1～狀態8的所有控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6。

請一併參考第5圖和第6圖。第5圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示一種控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6的波形示意圖。第6圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示一種電平波形示意圖。在本實施例中，藉由第5圖所示之控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6，便能使得電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓依序形成如第6圖所示之電平波形。值得注意的是，為了便於說明起見，第5圖僅繪示相應於第6圖中一個週期（如期間T11～T13和T21～T23）內控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6的變化。此外，控制訊號G5和G6互為互補訊號。控制訊號G1a和G1b互為互補訊號。控制訊號G2a和G2b互為互補訊號。控制訊號G3a和G3b互為互補訊號。控制訊號G4a和G4b互為互補訊號。

如第5圖所示，在P11、P12、P13期間，控制訊號G5維持高準位，控制訊號G3a、G3b、G4a、G4b和G6維持低準位，控制訊號G1a、G1b、G2a和G2b切換於高和低準位。對照上述表一可知，在P11期間，電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓切換於0和+1/4∆V之間，如第6圖中T11期間的波形所示。在P12期間，電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓切換於+1/4∆V和+1/2∆V之間，如第6圖中T12期間的波形所示。在P13期間，相似於P11期間，電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓切換於+1/4∆V和0之間，如第6圖中T13期間的波形所示。

而在P21、P22、P23期間，控制訊號G6維持高準位，控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b和G5維持低準位，控制訊號G3a、G3b、G4a和G4b切換於高和低準位。對照上述表一可知，在P21期間，電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓切換於0和-1/4∆V之間，如第6圖中T21期間的波形所示。在P22期間，電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓切換於-1/4∆V和-1/2∆V之間，如第6圖中T22期間的波形所示。在P23期間，相似於P21期間，電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓切換於0和-1/4∆V之間，如第6圖中T23期間的波形所示。

如此一來，藉由控制訊號產生電路200產生如第5圖所示之控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6，便能使得電力系統100的交流端Vo相對於中性點Vn的電壓依序形成如第6圖所示具有五電平的波形。

請參考第7圖。第7圖為根據本揭示內容之其他部分實施例所繪示一種電力系統700的示意圖。於第7圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第7圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述，此實施例是將本揭示內容應用於全橋電路架構。如第7圖所示，在部分實施例中，電力系統700包含直流輸入電壓DC、母線電容模組120、兩個轉換電路、濾波電路300、保護電路400和交流輸出電壓AC。兩個轉換電路分別包含如第1圖中的第一開關模組140和第二開關模組160。

具體而言，在本實施例中，第一轉換電路包含第一開關模組140a和第二開關模組160a。第二轉換電路包含第一開關模組140b和第二開關模組160b。結構上，第一開關模組140a和第二開關模組160b共同耦接於母線電容模組120的正極端V+和中性點Vn之間。第二開關模組160a和第一開關模組140b共同耦接於母線電容模組120的負極端V-和中性點Vn之間。控制上，如同一般全橋電路架構，兩個轉換電路彼此對角的開關具有相同的控制訊號。

在部分實施例中，如第7圖所示，濾波電路300包含第一濾波電感L1、第二濾波電感L2和濾波電容C0。第一濾波電感L1的第一端連接於第一轉換電路的交流端，第一濾波電感L1的第二端連接於濾波電容C0的第一端。第二濾波電感L2的第一端連接於第二轉換電路的交流端，第二濾波電感L2的第二端連接於濾波電容C0的第二端。

此外，在部分實施例中，如第7圖所示，保護電路400連接於濾波電路300和交流輸出電壓AC之間。保護電路400可用以在發生電壓異常時斷開連接點以保護電力系統700。舉例來說，保護電路400可由繼電器（Relay）據以實施，但本案不以此為限。

請參考第8圖。第8圖為根據本揭示內容之其他部分實施例所繪示另一種電力系統800的示意圖。於第8圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第8圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。如第8圖所示，在部分實施例中，電力系統800包含直流輸入電壓DC、母線電容模組120、三個轉換電路、濾波電路500、保護電路600和交流輸出電壓AC1～AC3。三個轉換電路分別包含如第1圖中的第一開關模組140和第二開關模組160。

具體而言，在本實施例中，第一轉換電路包含第一開關模組140_1和第二開關模組160_1。第二轉換電路包含第一開關模組140_2和第二開關模組160_2。第三轉換電路包含第一開關模組140_3和第二開關模組160_3。結構上，第一開關模組140_1、140_2和140_3共同耦接於母線電容模組120的正極端V+和中性點Vn之間。第二開關模組160a、160_2和160_3共同耦接於母線電容模組120的負極端V-和中性點Vn之間。

在部分實施例中，如第8圖所示，濾波電路500包含第一濾波電感L11和L12、第二濾波電感L21和L22、第三濾波電感L31和L32，以及三個濾波電容C01、C02和C03。第一濾波電感L11的第一端連接於第一轉換電路的交流端Nac1，第一濾波電感L11的第二端連接於第一濾波電感L12的第一端。第二濾波電感L21的第一端連接於第二轉換電路的交流端Nac2，第二濾波電感L21的第二端連接於第二濾波電感L22的第一端。第三濾波電感L31的第一端連接於第三轉換電路的交流端Nac3，第三濾波電感L31的第二端連接於第三濾波電感L32的第一端。濾波電容C01、C02和C03的各第一端可分別連接第一濾波電感L11、第二濾波電感L21及第三濾波電感L31的各第二端。濾波電容C01、C02和C03的第二端共同連接於中性點Vn。第一濾波電感L12、第二濾波電感L22和第三濾波電感L32的第二端經由保護電路600分別連接於交流輸出電壓AC1、AC2和AC3。值得注意，上述濾波電路500不限定為第8圖所揭示的配置，可根據需求配置為一階濾波或二階濾波等其它態樣。

此外，在部分實施例中，如第8圖所示，保護電路600連接於濾波電路500和交流輸出電壓AC1～AC3之間。保護電路600可用以在發生電壓異常時斷開連接點以保護電力系統800。舉例來說，保護電路600可由繼電器據以實施，但本案不以此為限。

需要說明的是，在不衝突的情況下，在本揭示內容各個圖式、實施例及實施例中的特徵與電路可以相互組合。圖式中所繪示的電路僅為示例之用，係簡化以使說明簡潔並便於理解，並非用以限制本案。此外，上述各實施例中的各個裝置、單元及元件可以由各種類型的數位或類比電路實現，亦可分別由不同的積體電路晶片實現，或整合至單一晶片。上述僅為例示，本揭示內容並不以此為限。

綜上所述，本案透過應用上述各個實施例中，藉由電力系統100、700或800中的電路拓樸設計，搭配控制訊號產生電路200所產生的控制訊號G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5和G6，便能使電力系統100、700和800進行轉換，產生多電平輸出波形。相較於傳統上的二極體箝位式逆變器，具有較少半導體元件且無須平衡電路的優點，進而達到較高的效率。

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，所屬技術領域具有通常知識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、700、800 電力系統 120 母線電容模組 140、140a、140b、140_1、140_2、140_3 第一開關模組 160、160a、160b、160_1、160_2、160_3 第二開關模組 V+ 正極端 V- 負極端 Vn 中性點 C1 第一母線電容 C2 第二母線電容 C3 第一飛跨電容 C4 第二飛跨電容 Vo、Nac1、Nac2、Nac3 交流端 Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、Q5、Q6 開關單元 N1、N2 節點 G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5、G6 控制訊號 200 控制訊號產生電路 220 比較模組 240 邏輯電路 Vref 參考訊號 Tri1 第一三角波訊號 Tri2 第二三角波訊號 OP1、OP2、OP3、OP4、OP5 比較器 S1、S2、S3、S4、S5 比較訊號 A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8 及閘 P11、P12、P13、P21、P22、P23 期間 T11、T12、T13、T21、T22、T23 期間 +1/2∆V、+1/4∆V、0、-1/4∆V、-1/2∆V 準位 DC 直流輸入電壓 AC、AC1、AC2、AC3 交流輸出電壓 300、500 濾波電路 400、600 保護電路 L1、L11、L12、L2、L21、L22、L31、L32 濾波電感 C0、C01、C02、C03 濾波電容

第1圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示一種電力系統的示意圖。第2A圖～第2D圖分別為根據本揭示內容之部分實施例所繪示的電力系統的操作狀態示意圖。第3A圖～第3D圖分別為根據本揭示內容之部分實施例所繪示的電力系統的操作狀態示意圖。第4圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示一種控制訊號產生電路的示意圖。第5圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示一種控制訊號的波形示意圖。第6圖為根據本揭示內容之部分實施例所繪示一種電平波形示意圖。第7圖為根據本揭示內容之其他部分實施例所繪示一種電力系統的示意圖。第8圖為根據本揭示內容之其他部分實施例所繪示另一種電力系統的示意圖。

100:電力系統

120:母線電容模組

140:第一開關模組

160:第二開關模組

V+:正極端

V-:負極端

Vn:中性點

C1:第一母線電容

C2:第二母線電容

C3:第一飛跨電容

C4:第二飛跨電容

Vo:交流端

Q1A、Q1B、Q2A、Q2B、Q3A、Q3B、Q4A、Q4B、 Q5、Q6:開關單元

N1、N2:節點

G1a、G1b、G2a、G2b、G3a、G3b、G4a、G4b、G5、G6:控制訊號

Claims

一種電力系統，包含：一母線電容模組，具有一正極端、一負極端及一中性點；以及一轉換電路，包含：一交流端；一第一飛跨電容和一第二飛跨電容；一第一開關模組，包含兩個第一開關單元、兩個第二開關單元和一第三開關單元，該兩個第二開關單元串聯後並聯該第一飛跨電容，該兩個第一開關單元分別串聯於該兩個第二開關單元的兩端，該第三開關單元連接於該兩個第二開關單元之間一第一節點和該交流端之間；以及一第二開關模組，包含兩個第四開關單元、兩個第五開關單元和一第六開關單元，該兩個第五開關單元串聯後並聯該第二飛跨電容，該兩個第四開關單元分別串聯於該兩個第五開關單元的兩端，該第六開關單元連接於該兩個第五開關單元之間一第二節點和該交流端之間，其中該第一開關模組耦接於該正極端和該中性點之間，該第二開關模組耦接於該負極端和該中性點之間。
如請求項1所述之電力系統，更包含：一控制訊號產生電路，用以輸出複數個控制訊號至該轉換電路，該控制訊號產生電路包含：一比較模組，用以接收複數個比較輸入訊號以產生相應的複數個比較訊號；以及一邏輯電路，用以根據該些比較訊號產生該些控制訊號。
如請求項2所述之電力系統，其中該比較模組包含：一第一比較器，該第一比較器的兩個輸入端分別接收一參考訊號和一第一三角波訊號，該第一比較器用以輸出一第一比較訊號；一第二比較器，該第二比較器的兩個輸入端分別接收該參考訊號和一第二三角波訊號，該第二比較器用以輸出一第二比較訊號；一第三比較器，該第三比較器的兩個輸入端分別接收該參考訊號和一接地訊號，該第三比較器用以輸出一第三比較訊號；一第四比較器，該第四比較器的兩個輸入端分別接收一反向參考訊號和該第一三角波訊號，該第四比較器用以輸出一第四比較訊號；以及一第五比較器，該第五比較器的兩個輸入端分別接收該反向參考訊號和該第二三角波訊號，該第五比較器用以輸出一第五比較訊號。
如請求項3所述之電力系統，其中該邏輯電路包含：一第一及閘，該第一及閘的一第一輸入端接收該第一比較訊號，該第一及閘的一第二輸入端接收該第三比較訊號，該第一及閘用以輸出一第一控制訊號；一第二及閘，該第二及閘的一第一輸入端接收該第一比較訊號的一互補訊號，該第二及閘的一第二輸入端接收該第三比較訊號，該第二及閘用以輸出一第二控制訊號；一第三及閘，該第三及閘的一第一輸入端接收該第二比較訊號，該第三及閘的一第二輸入端接收該第三比較訊號，該第三及閘用以輸出一第三控制訊號；一第四及閘，該第四及閘的一第一輸入端接收該第二比較訊號的一互補訊號，該第四及閘的一第二輸入端接收該第三比較訊號，該第四及閘用以輸出一第四控制訊號；一第五及閘，該第五及閘的一第一輸入端接收該第三比較訊號的一互補訊號，該第五及閘的一第二輸入端接收該第四比較訊號，該第五及閘用以輸出一第五控制訊號；一第六及閘，該第六及閘的一第一輸入端接收該第三比較訊號的該互補訊號，該第六及閘的一第二輸入端接收該第四比較訊號的一互補訊號，該第六及閘用以輸出一第六控制訊號；一第七及閘，該第七及閘的一第一輸入端接收該第三比較訊號的該互補訊號，該第七及閘的一第二輸入端接收該第五比較訊號，該第七及閘用以輸出一第七控制訊號；以及一第八及閘，該第八及閘的一第一輸入端接收該第三比較訊號的該互補訊號，該第八及閘的一第二輸入端接收該第五比較訊號的一互補訊號，該第八及閘用以輸出一第八控制訊號。
如請求項4所述之電力系統，其中該兩個第一開關單元分別接收該第一控制訊號和該第二控制訊號，該兩個第二開關單元分別接收該第三控制訊號和該第四控制訊號，該第三開關單元接收該第三比較訊號，該兩個第四開關單元分別接收該第五控制訊號和該第六控制訊號，該兩個第五開關單元分別接收該第七控制訊號和該第八控制訊號，該第六開關單元接收該第三比較訊號的該互補訊號。
如請求項4所述之電力系統，其中該第一控制訊號和該第二控制訊號互為互補訊號，該第三控制訊號和該第四控制訊號互為互補訊號，該第五控制訊號和該第六控制訊號互為互補訊號，該第七控制訊號和該第八控制訊號互為互補訊號。
一種電力系統，包含：一母線電容模組，具有一正極端、一負極端及一中性點；一第一轉換電路以及一第二轉換電路各自包含：一交流端；一第一飛跨電容和一第二飛跨電容；一第一開關模組，包含兩個第一開關單元、兩個第二開關單元和一第三開關單元，該兩個第二開關單元串聯後並聯該第一飛跨電容，該兩個第一開關單元分別串聯於該兩個第二開關單元的兩端，該第三開關單元連接於該兩個第二開關單元之間一第一節點和該交流端之間；以及一第二開關模組，包含兩個第四開關單元、兩個第五開關單元和一第六開關單元，該兩個第五開關單元串聯後並聯該第二飛跨電容，該兩個第四開關單元分別串聯於該兩個第五開關單元的兩端，該第六開關單元連接於該兩個第五開關單元之間一第二節點和該交流端之間，其中該第一轉換電路的該第一開關模組和該第二轉換電路的該第二開關模組共同耦接於該正極端和該中性點之間，該第一轉換電路的該第二開關模組和該第二轉換電路的該第一開關模組共同耦接於該負極端和該中性點之間。
如請求項7所述之電力系統，更包含：一濾波電路，包含：一第一濾波電感，該第一濾波電感之一第一端連接於該第一轉換電路之該交流端；一第二濾波電感，該第二濾波電感之一第一端連接於該第二轉換電路之該交流端；以及一濾波電容，連接於該第一濾波電感之一第二端和該第二濾波電感之一第二端之間。
如請求項8所述之電力系統，更包含：一保護電路，連接於該濾波電路和一交流輸出電壓之間。
一種電力系統，包含：一母線電容模組，具有一正極端、一負極端及一中性點；一第一轉換電路、一第二轉換電路以及一第三轉換電路各自包含：一交流端；一第一飛跨電容和一第二飛跨電容；一第一開關模組，包含兩個第一開關單元、兩個第二開關單元和一第三開關單元，該兩個第二開關單元串聯後並聯該第一飛跨電容，該兩個第一開關單元分別串聯於該兩個第二開關單元的兩端，該第三開關單元連接於該兩個第二開關單元之間一第一節點和該交流端之間；以及一第二開關模組，包含兩個第四開關單元、兩個第五開關單元和一第六開關單元，該兩個第五開關單元串聯後並聯該第二飛跨電容，該兩個第四開關單元分別串聯於該兩個第五開關單元的兩端，該第六開關單元連接於該兩個第五開關單元之間一第二節點和該交流端之間，其中該第一轉換電路的該第一開關模組、該第二轉換電路的該第一開關模組和該第三轉換電路的該第一開關模組共同耦接於該正極端和該中性點之間，該第一轉換電路的該第二開關模組、該第二轉換電路的該第二開關模組和該第三轉換電路的該第二開關模組共同耦接於該負極端和該中性點之間。
如請求項10所述之電力系統，更包含：一濾波電路，包含：一第一濾波電感，串聯於該第一轉換電路之該交流端和一第一交流輸出電壓之間；一第一濾波電容，該第一濾波電容之一第一端連接該第一濾波電感，該第一濾波電容之一第二端連接該中性點；一第二濾波電感，串聯於該第二轉換電路之該交流端和一第二交流輸出電壓之間；一第二濾波電容，該第二濾波電容之一第一端連接該第二濾波電感，該第二濾波電容之一第二端連接該中性點；一第三濾波電感，串聯於該第三轉換電路之該交流端和一第三交流輸出電壓之間；以及一第三濾波電容，該第三濾波電容之一第一端連接該第三濾波電感，該第二濾波電容之一第二端連接該中性點。
如請求項11所述之電力系統，更包含：一保護電路，連接於該第一交流輸出電壓、該第二交流輸出電壓、該第三交流輸出電壓和該濾波電路之間。