TWI779846B - 並聯轉換器之載波同步方法及其系統 - Google Patents

並聯轉換器之載波同步方法及其系統 Download PDF

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鐵明 蕭
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Abstract

本發明提供一種並聯轉換器之載波同步方法。低頻漣波模擬步驟係驅動高頻控制單元根據模擬程序模擬低頻漣波。等距網格取樣步驟係驅動高頻控制單元根據等距網格取樣高頻載波以產生高頻基準組，且根據等距網格及複數參考偏移角取樣低頻漣波以產生複數低頻參考組。實際偏移角搜尋步驟係驅動高頻控制單元將高頻基準組分別比對低頻參考組，以從參考偏移角搜尋出實際偏移角。高頻載波調整步驟係驅動比例積分控制器根據調整程序運算實際偏移角以產生同步參數，然後週期計數器根據同步參數調整高頻載波之起始點。藉此，同步高頻載波至低頻載波。

Description

並聯轉換器之載波同步方法及其系統
本發明是關於一種載波同步方法及其系統，特別是關於一種應用於不斷電系統的並聯轉換器之載波同步方法及其系統。
在天然資源越來越少而用電需求卻越來越多的現代，非永續發電方式如核能發電及化石燃料發電等造成諸多環境問題。發展永續綠色能源已成一種國際趨勢，驅使分散式發電與電力電子應用技術快速發展。綠色能源轉換裝置大多以併網運作，用以提升分散式電源系統穩定度。當電網端發生問題時，如何維持分散式發電系統的能量並及時給予負載能源直到電網恢復穩定，則需要不斷電系統(Uninterruptible Power System；UPS)的協助。
隨著應用於不斷電系統之並聯轉換器的功率提升，要如何消除或補償低頻高功率轉換器之漣波電流，其關鍵在於低頻高功率轉換器與高頻低功率轉換器的驅動訊號(即脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation；PWM)訊號)必須同步。習知的同步方法將低頻高功率轉換器作為主要轉換器。低頻高功率轉換器的控制板透過訊號線發送同步訊號給控制高頻低功率轉換器的控制板，控制板的驅動訊號就會從波峰開始進行同步。
然而，額外的訊號線具有寄生參數，其會導致訊號延遲。若須將訊號延遲給補償回來，則需要手動校正時序，使得系統變得複雜。倘若高低頻控制板仍然工作在複合頻率下，意味著高低頻控制板之間會具有雜訊干擾。此外，這條訊號線可能會成為天線而容易從環境中吸收不必要的雜訊，進而影響到高低頻控制板的邏輯判斷。因此，習知的同步方法使系統變得不可靠且複雜化。
有鑑於此，針對習知的同步方法所存在之問題點，如何建立一種避免使用多餘的訊號線的並聯轉換器之載波同步方法及其系統，實為民眾所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。
因此，本發明之目的在於提供一種並聯轉換器之載波同步方法及其系統，其在不使用額外的訊號線，即可將高頻載波同步至低頻載波。
依據本發明的一實施方式提供一種並聯轉換器之載波同步方法，其用以將一高頻載波同步至一低頻載波。並聯轉換器之載波同步方法包含一轉換器並聯步驟、一低頻漣波模擬步驟、一等距網格取樣步驟、一實際偏移角搜尋步驟以及一高頻載波調整步驟。轉換器並聯步驟係並聯一低頻高功率轉換器與一高頻低功率轉換器，其中低頻高功率轉換器受低頻載波控制，高頻低功率轉換器受高頻載波控制。低頻漣波模擬步驟係驅動一高頻控制單元根據一模擬程序模擬對應低頻高功率轉換器之一低頻漣波，其中高頻控制單元包含一比例積分控制器與一週期計數器，週期計數器用以產生高頻載波。等距網格取樣步驟係驅動高頻控制單元根據一等距網格取樣高頻載波以產生一高頻基準組，且根據等距網格及複數參考偏移角取樣低頻漣波以產生複數低頻參考組，其中此些低頻參考組分別對應此些參考偏移角。實際偏移角搜尋步驟係驅動高頻控制單元將高頻基準組分別比對此些低頻參考組，以從此些參考偏移角搜尋出高頻載波與低頻載波之間的一實際偏移角。高頻載波調整步驟係驅動比例積分控制器根據一調整程序運算實際偏移角以產生一同步參數，然後週期計數器根據同步參數調整高頻載波之一起始點。
藉此，本發明之並聯轉換器之載波同步方法透過模擬的低頻漣波來求得高頻載波與低頻載波之間的實際偏移角，並利用實際偏移角將高頻載波朝低頻載波同步，以實現高動態響應且避免使用高頻高功率的元件來同步高頻載波，進而提升電路配置上的自由度。
前述實施方式之其他實施例如下：前述並聯轉換器之載波同步方法更包含一高頻載波同步步驟。高頻載波同步步驟係驅動高頻控制單元根據已調整的高頻載波重新執行等距網格取樣步驟、實際偏移角搜尋步驟及高頻載波調整步驟，直到當下週期的高頻載波之起始點等於下一週期的高頻載波之起始點為止，藉以將高頻載波同步至低頻載波。
前述實施方式之其他實施例如下：前述低頻漣波模擬步驟包含一電流擷取步驟與一資料儲存步驟。電流擷取步驟係驅動高頻控制單元透過一電流感測器從連接低頻高功率轉換器的一低頻電感擷取一電感電流。資料儲存步驟係驅動高頻控制單元儲存對應低頻高功率轉換器之一低頻開關責任比、一直流電壓及一輸出電壓。其中，高頻控制單元根據模擬程序計算電感電流、低頻開關責任比、直流電壓及輸出電壓以產生低頻漣波。
前述實施方式之其他實施例如下：前述模擬程序包含一第一轉折點、一第二轉折點及一斜率。第一轉折點表示為
Figure 02_image001
，第二轉折點表示為
Figure 02_image003
，斜率表示為
Figure 02_image005
且符合下式：
Figure 02_image007
；
Figure 02_image009
；
Figure 02_image011
。
其中，
Figure 02_image013
為一第一時間，
Figure 02_image015
為一第二時間，
Figure 02_image017
為低頻漣波之一最大電流值，
Figure 02_image019
為低頻漣波之一最小電流值，
Figure 02_image021
為斜率之一正值，
Figure 02_image023
為一低頻漣波週期，
Figure 02_image025
為一低頻開關責任比，
Figure 02_image027
為一給定週期，
Figure 02_image029
為一直流電壓，
Figure 02_image031
為一輸出電壓，
Figure 02_image033
為一電感電流差，
Figure 02_image035
為一電感值。
前述實施方式之其他實施例如下：前述等距網格取樣步驟包含一高頻載波切割步驟與一低頻漣波切割步驟。高頻載波切割步驟係驅動高頻控制單元根據等距網格將高頻載波切割出複數基準點，其中此些基準點為高頻基準組。低頻漣波切割步驟係驅動高頻控制單元根據等距網格將低頻漣波切割出對應各參考偏移角的複數參考點，其中對應各參考偏移角的此些參考點為各低頻參考組。
前述實施方式之其他實施例如下：於前述實際偏移角搜尋步驟中，高頻基準組包含複數基準點，各基準點對應一基準向量。各低頻參考組包含複數參考點，各參考點對應一參考向量。高頻控制單元根據一二分搜尋演算法對複數個基準向量及此些低頻參考組的複數個參考向量進行一內積運算，以選取具有一最大內積值者所對應的參考偏移角作為實際偏移角。
前述實施方式之其他實施例如下：前述調整程序包含一同步參數、實際偏移角及一積分增益。同步參數表示為
Figure 02_image037
，實際偏移角表示為
Figure 02_image039
，積分增益表示為
Figure 02_image041
且符合下式：
Figure 02_image043
。
其中，
Figure 02_image027
為一給定週期。
依據本發明的另一實施方式提供一種並聯轉換器之載波同步系統，其用以將一高頻載波同步至一低頻載波。並聯轉換器之載波同步系統包含一低頻高功率轉換器、一低頻控制單元、一高頻低功率轉換器以及一高頻控制單元。低頻控制單元電性連接並控制低頻高功率轉換器，且用以產生低頻載波。高頻低功率轉換器並聯於低頻高功率轉換器。高頻控制單元電性連接並控制高頻低功率轉換器，且高頻控制單元包含一比例積分控制器與一週期計數器，週期計數器用以產生高頻載波。高頻控制單元經配置以實施一低頻漣波模擬步驟、一等距網格取樣步驟、一實際偏移角搜尋步驟及一高頻載波調整步驟。低頻漣波模擬步驟係根據一模擬程序模擬對應低頻高功率轉換器之一低頻漣波。等距網格取樣步驟係根據一等距網格取樣高頻載波以產生一高頻基準組，且根據等距網格及複數參考偏移角取樣低頻漣波以產生複數低頻參考組，其中此些低頻參考組分別對應此些參考偏移角。實際偏移角搜尋步驟係將高頻基準組分別比對此些低頻參考組，以從此些參考偏移角搜尋出高頻載波與低頻載波之間的一實際偏移角。高頻載波調整步驟係驅動比例積分控制器根據一調整程序運算實際偏移角以產生一同步參數，然後週期計數器根據同步參數調整高頻載波之一起始點。
藉此，本發明之並聯轉換器之載波同步系統比對高頻基準組和具有不同參考偏移角的低頻參考組來求得高頻載波與低頻載波之間的實際偏移角，並利用實際偏移角將高頻載波朝低頻載波同步，以實現高動態響應且避免使用高頻高功率的元件來同步高頻載波，進而提升電路配置上的自由度。
前述實施方式之其他實施例如下：前述高頻控制單元更實施一高頻載波同步步驟。高頻載波同步步驟係根據已調整的高頻載波重新執行等距網格取樣步驟、實際偏移角搜尋步驟及高頻載波調整步驟，直到當下週期的高頻載波之起始點等於下一週期的高頻載波之起始點為止，藉以將高頻載波同步至低頻載波。
前述實施方式之其他實施例如下：前述低頻漣波模擬步驟包含一電流擷取步與一資料儲存步驟。電流擷取步驟係驅動高頻控制單元透過一電流感測器從連接低頻高功率轉換器的一低頻電感擷取一電感電流。資料儲存步驟係驅動高頻控制單元儲存對應低頻高功率轉換器之一低頻開關責任比、一直流電壓及一輸出電壓。其中，高頻控制單元根據模擬程序計算電感電流、低頻開關責任比、直流電壓及輸出電壓以產生低頻漣波。
前述實施方式之其他實施例如下：前述模擬程序包含一第一轉折點、一第二轉折點及一斜率。第一轉折點表示為
Figure 02_image001
，第二轉折點表示為
Figure 02_image003
，斜率表示為
Figure 02_image005
且符合下式：
Figure 02_image007
；
Figure 02_image009
；
Figure 02_image011
。
其中，
Figure 02_image013
為一第一時間，
Figure 02_image015
為一第二時間，
Figure 02_image017
為低頻漣波之一最大電流值，
Figure 02_image019
為低頻漣波之一最小電流值，
Figure 02_image021
為斜率之一正值，
Figure 02_image023
為一低頻漣波週期，
Figure 02_image025
為一低頻開關責任比，
Figure 02_image027
為一給定週期，
Figure 02_image029
為一直流電壓，
Figure 02_image031
為一輸出電壓，
Figure 02_image033
為一電感電流差，
Figure 02_image035
為一電感值。
前述實施方式之其他實施例如下：前述等距網格取樣步驟包含一高頻載波切割步驟與一低頻漣波切割步驟。高頻載波切割步驟係驅動高頻控制單元根據等距網格將高頻載波切割出複數基準點，其中此些基準點為高頻基準組。低頻漣波切割步驟係驅動高頻控制單元根據等距網格將低頻漣波切割出對應各參考偏移角的複數參考點，其中對應各參考偏移角的此些參考點為各低頻參考組。
前述實施方式之其他實施例如下：於前述實際偏移角搜尋步驟中，高頻基準組包含複數基準點，各基準點對應一基準向量。各低頻參考組包含複數參考點，各參考點對應一參考向量。高頻控制單元根據一二分搜尋演算法對複數個基準向量及此些低頻參考組的複數個參考向量進行一內積運算，以選取具有一最大內積值者所對應的參考偏移角作為實際偏移角。
前述實施方式之其他實施例如下：前述調整程序包含一同步參數、實際偏移角及一積分增益。同步參數表示為
Figure 02_image037
，實際偏移角表示為
Figure 02_image039
，積分增益表示為
Figure 02_image041
且符合下式：
Figure 02_image043
。
其中，
Figure 02_image027
為一給定週期。
以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。
此外，本文中當某一元件(或單元或模組等)「連接/連結」於另一元件，可指所述元件是直接連接/連結於另一元件，亦可指某一元件是間接連接/連結於另一元件，意即，有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而當有明示某一元件是「直接連接/連結」於另一元件時，才表示沒有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而第一、第二、第三等用語只是用來描述不同元件，而對元件本身並無限制，因此，第一元件亦可改稱為第二元件。且本文中之元件/單元/電路之組合非此領域中之一般周知、常規或習知之組合，不能以元件/單元/電路本身是否為習知，來判定其組合關係是否容易被技術領域中之通常知識者輕易完成。
請參閱第1圖，其係繪示依照本發明一第一實施例的並聯轉換器之載波同步方法100的流程示意圖。如第1圖所示，並聯轉換器之載波同步方法100用以將一高頻載波同步至一低頻載波，且包含一轉換器並聯步驟S01、一低頻漣波模擬步驟S02、一等距網格取樣步驟S03、一實際偏移角搜尋步驟S04以及一高頻載波調整步驟S05。
轉換器並聯步驟S01係並聯一低頻高功率轉換器(Low-Frequency High Power Inverter；LFHPI)與一高頻低功率轉換器(High-Frequency Low Power Inverter；HFLPI)。低頻高功率轉換器受低頻載波控制，高頻低功率轉換器受高頻載波控制。
低頻漣波模擬步驟S02係驅動一高頻控制單元根據一模擬程序模擬對應低頻高功率轉換器之一低頻漣波。高頻控制單元包含一比例積分控制器與一週期計數器，週期計數器用以產生高頻載波。
等距網格取樣步驟S03係驅動高頻控制單元根據一等距網格取樣高頻載波以產生一高頻基準組，且根據等距網格及複數參考偏移角取樣低頻漣波以產生複數低頻參考組。此些低頻參考組分別對應此些參考偏移角。
實際偏移角搜尋步驟S04係驅動高頻控制單元將高頻基準組分別比對此些低頻參考組，以從此些參考偏移角搜尋出高頻載波與低頻載波之間的一實際偏移角。
高頻載波調整步驟S05係驅動比例積分控制器根據一調整程序運算實際偏移角以產生一同步參數，然後週期計數器根據同步參數調整高頻載波之一起始點。
藉此，本發明之並聯轉換器之載波同步方法100透過模擬的低頻漣波來求得高頻載波與低頻載波之間的實際偏移角，並利用實際偏移角將高頻載波朝低頻載波同步，以實現高動態響應且避免使用高頻高功率的元件來同步高頻載波，進而提升電路配置上的自由度。
請參閱第2圖，其係繪示依照本發明一第二實施例的並聯轉換器之載波同步方法200的流程示意圖。如第2圖所示，並聯轉換器之載波同步方法200包含轉換器並聯步驟S11、低頻漣波模擬步驟S12、等距網格取樣步驟S13、實際偏移角搜尋步驟S14及高頻載波調整步驟S15，其中轉換器並聯步驟S11、實際偏移角搜尋步驟S14及高頻載波調整步驟S15均與並聯轉換器之載波同步方法100所對應之步驟相同，故不另贅述。
特別的是，並聯轉換器之載波同步方法200可更包含一高頻載波同步步驟S16。高頻載波同步步驟S16係驅動高頻控制單元根據已調整的高頻載波120重新執行等距網格取樣步驟S13、實際偏移角搜尋步驟S14及高頻載波調整步驟S15，直到當下週期的高頻載波120之起始點等於下一週期的高頻載波120之起始點為止，藉以將高頻載波120逐漸地同步至低頻載波110。
於上述並聯轉換器之載波同步方法200中，將低頻高功率轉換器並聯高頻低功率轉換器以形成一並聯轉換器，且可透過高頻控制單元執行模擬程序與調整程序。以下段落將配合後續之圖式及實施例詳細說明本發明之並聯轉換器之載波同步方法200之運作機制。
下述表一列示出本發明之第5圖對應的電路符號，以便於理解本發明。 表一
符號 定義
Figure 02_image029
 直流電壓
Figure 02_image045
~
Figure 02_image047
 低頻開關元件
Figure 02_image049
 低頻高功率轉換器的R相輸出端點
Figure 02_image051
 低頻高功率轉換器的S相輸出端點
Figure 02_image053
 低頻高功率轉換器的T相輸出端點
Figure 02_image055
 由R相輸出端點
Figure 02_image049
輸出的R相電感電流
Figure 02_image057
 由S相輸出端點
Figure 02_image051
輸出的S相電感電流
Figure 02_image059
 由T相輸出端點
Figure 02_image053
輸出的T相電感電流
Figure 02_image061
~
Figure 02_image063
 高頻開關元件
Figure 02_image065
 高頻低功率轉換器的R相輸出端點
Figure 02_image067
 高頻低功率轉換器的S相輸出端點
Figure 02_image069
 高頻低功率轉換器的T相輸出端點
Figure 02_image071
 由R相輸出端點
Figure 02_image065
輸出的R相電感電流
Figure 02_image073
 由S相輸出端點
Figure 02_image067
輸出的S相電感電流
Figure 02_image075
 由T相輸出端點
Figure 02_image069
輸出的T相電感電流
Figure 02_image077
 R相低頻電感
Figure 02_image079
 S相低頻電感
Figure 02_image081
 T相低頻電感
Figure 02_image083
 R相高頻電感
Figure 02_image085
 S相高頻電感
Figure 02_image087
 T相高頻電感
Figure 02_image089
 R相電容
Figure 02_image091
 S相電容
Figure 02_image093
 T相電容
Figure 02_image095
 濾波器的R相電容兩端之輸出電壓
Figure 02_image097
 濾波器的S相電容兩端之輸出電壓
Figure 02_image099
 濾波器的T相電容兩端之輸出電壓
Figure 02_image101
 R相輸出電容電流
Figure 02_image103
 S相輸出電容電流
Figure 02_image105
 T相輸出電容電流
Figure 02_image107
 R相負載電流
Figure 02_image109
 S相負載電流
Figure 02_image111
 T相負載電流
Figure 02_image113
 R相交流端電感
Figure 02_image115
 S相交流端電感
Figure 02_image117
 T相交流端電感
Figure 02_image119
 R相交流端電壓
Figure 02_image121
 S相交流端電壓
Figure 02_image123
 T相交流端電壓
請一併參閱第3圖、第4圖及第5圖，其中第3圖係繪示依照本發明一第三實施例的並聯轉換器之載波同步系統300的方塊示意圖；第4圖係繪示依照第3圖的高頻控制單元340之方塊示意圖；以及第5圖係繪示依照第3圖的並聯轉換器之載波同步系統300之電路示意圖。須說明的是，第三實施例的並聯轉換器之載波同步系統300係用以實施並聯轉換器之載波同步方法100、200，且可將一高頻載波120同步至一低頻載波110。
如第3-5圖所示，並聯轉換器之載波同步系統300包含一低頻高功率轉換器310、一高頻低功率轉換器320、一低頻控制單元330、一高頻控制單元340、一直流電350、一濾波器360以及一電網370。直流電350電性連接低頻高功率轉換器310、高頻低功率轉換器320、低頻控制單元330及高頻控制單元340，並提供電力。高頻低功率轉換器320並聯於低頻高功率轉換器310以形成應用於不斷電系統的並聯轉換器。
低頻控制單元330電性連接低頻高功率轉換器310，且用以產生低頻載波110，然後轉換低頻載波110以輸出一第一脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation；PWM)訊號111，藉以控制低頻高功率轉換器310的開關責任比。
高頻控制單元340電性連接高頻低功率轉換器320，且可包含一記憶體341、一處理器342、一比例積分控制器343及一週期計數器344。記憶體341係用以存取一模擬程序3411、一調整程序3412、一二分搜尋演算法3413(Binary Search Algorithm)、對應低頻高功率轉換器310之一低頻開關責任比
Figure 02_image025
、一直流電壓
Figure 02_image029
及一輸出電壓
Figure 02_image031
(即表一內的輸出電壓
Figure 02_image095
、
Figure 02_image097
、
Figure 02_image099
的任一者)。處理器342電性連接記憶體341，並用以執行模擬程序3411，且處理器342係可為一數位訊號處理器(Digital Signal Processor；DSP)、微處理器(Micro Processing Unit；MPU)、中央處理器(Central Processing Unit；CPU)或其他電子處理器，但本發明不以此為限。
比例積分控制器343與週期計數器344電性連接記憶體341。比例積分控制器343用以執行調整程序3412。週期計數器344用以產生高頻載波120，並將高頻載波120傳輸至記憶體341。處理器342轉換高頻載波120以輸出一第二脈衝寬度調變訊號121，藉以控制高頻低功率轉換器320的開關責任比。此外，在第三實施例中，低頻高功率轉換器310與高頻低功率轉換器320係可為一全橋式轉換器，但本發明不以此為限。於其他實施例中，低頻高功率轉換器與高頻低功率轉換器亦可為一半橋式轉換器，或是其他類型之轉換器。
濾波器360電性連接低頻高功率轉換器310、高頻低功率轉換器320、低頻控制單元330及高頻控制單元340，且係可為一LCL濾波器。電網370電性連接濾波器360。詳細地說，低頻高功率轉換器310與高頻低功率轉換器320之直流端相互並接，藉以共同接收直流電350。濾波器360之輸出端並接至電網370，藉以令將直流電350提供至後端的電網370，或從電網370接收三相交流電並據以進行相反之轉換(即AC轉DC)。
以下續說明本發明之並聯轉換器之載波同步方法200之演算機制，請一併參閱第2-5圖。
於並聯轉換器之載波同步方法200中，低頻漣波模擬步驟S12可包含一電流擷取步驟S121與一資料儲存步驟S122。電流擷取步驟S121係驅動高頻控制單元340透過一電流感測器(未另繪示)從連接低頻高功率轉換器310的一低頻電感擷取一電感電流130。詳細地說，電流感測器係可為一霍爾感測器，其從第5圖的R相低頻電感
Figure 02_image077
、S相低頻電感
Figure 02_image079
及T相低頻電感
Figure 02_image081
之任一者擷取對應的R相電感電流
Figure 02_image055
、S相電感電流
Figure 02_image057
或T相電感電流
Figure 02_image059
來作為電感電流130。
資料儲存步驟S122係驅動高頻控制單元340之記憶體341儲存對應低頻高功率轉換器310之一低頻開關責任比
Figure 02_image025
、一直流電壓
Figure 02_image029
及一輸出電壓
Figure 02_image031
。高頻控制單元340之處理器342根據模擬程序3411計算電感電流130、低頻開關責任比
Figure 02_image025
、一直流電壓
Figure 02_image029
及一輸出電壓
Figure 02_image031
以模擬用來控制低頻高功率轉換器310的低頻載波110，並產生低頻漣波140。
請一併參閱第2-5圖及第6圖，其中第6圖係繪示第2圖的並聯轉換器之載波同步方法200的低頻漣波模擬步驟S12的示意圖。在低頻漣波模擬步驟S12中，模擬程序3411可包含一第一轉折點、一第二轉折點及一斜率。第一轉折點表示為
Figure 02_image001
，第二轉折點表示為
Figure 02_image003
，斜率表示為
Figure 02_image005
且符合下式子(1)、式子(2)及式子(3)：
Figure 02_image007
(1)；
Figure 02_image009
(2)；
Figure 02_image125
(3)。
其中，
Figure 02_image013
為一第一時間，
Figure 02_image015
為一第二時間，
Figure 02_image017
為低頻漣波140之一最大電流值，
Figure 02_image019
為低頻漣波140之一最小電流值，
Figure 02_image021
為斜率之一正值，
Figure 02_image023
為一低頻漣波週期，
Figure 02_image025
為一低頻開關責任比，
Figure 02_image027
為一給定週期，
Figure 02_image029
為一直流電壓，
Figure 02_image031
為一輸出電壓，
Figure 02_image033
為當前週期與前一個週期之間的一電感電流差，
Figure 02_image035
為一電感值。詳細地說，高頻控制單元340係透過從模擬程序3411模擬出來的低頻漣波140來預測低頻載波110。低頻漣波140可透過第一轉折點
Figure 02_image001
、第二轉折點
Figure 02_image003
及斜率
Figure 02_image005
來表示，其中從正斜率轉向負斜率的第一轉折點
Figure 02_image001
可透過低頻開關責任比
Figure 02_image025
來計算，並利用第一轉折點
Figure 02_image001
推導第二轉折點
Figure 02_image003
。
請一併參閱第2-6圖及第7圖，其中第7圖係繪示第2圖的並聯轉換器之載波同步方法200的低頻漣波切割步驟S132的示意圖。等距網格取樣步驟S13可包含一高頻載波切割步驟S131與一低頻漣波切割步驟S132。高頻載波切割步驟S131係驅動高頻控制單元340的處理器342根據等距網格Grid將高頻載波120切割出8個基準點(如第8圖所示)。此8個基準點即為一高頻基準組142。
低頻漣波切割步驟S132係驅動高頻控制單元340的處理器342根據等距網格Grid將低頻漣波140切割出對應各個參考偏移角的複數參考點，且對應各個參考偏移角的多個參考點即為各個低頻參考組141。須說明的是，第7圖僅繪示透過其中一個參考偏移角
Figure 02_image127
所切割出的多個參考點0、1、2、3、4、5、6、7，且參考偏移角
Figure 02_image127
可為0~360度。
如第7圖所示，等距網格Grid的長度係可為一高頻載波週期
Figure 02_image129
的時間長度。處理器342將等距網格Grid偏移一個參考偏移角
Figure 02_image127
之後，接著再根據偏移後的等距網格Grid從低頻漣波140切割出8個參考點0、1、2、3、4、5、6、7。此8個參考點0、1、2、3、4、5、6、7即為其中一個低頻參考組141。同理，處理器342可將等距網格Grid再偏移另一個參考偏移角
Figure 02_image127
，接著根據偏移後的等距網格Grid從低頻漣波140再切割出另8個參考點，作為另一個低頻參考組141，並依此類推以產生多個低頻參考組141。另外，處理器342將前述所取樣的高頻基準組142以及多個低頻參考組141均暫存至處理器342內部的一先進先出緩衝器(First-In-First-Out Buffer；FIFO Buffer)。
於實際偏移角搜尋步驟S14中，高頻基準組142的各個基準點對應一基準向量。此些低頻參考組141內的各個參考點0、1、2、3、4、5、6、7亦對應一參考向量。高頻控制單元340的處理器342根據記憶體341內的二分搜尋演算法3413對複數個基準向量及此些低頻參考組141的複數個參考向量進行一內積運算，以選取具有一最大內積值者所對應的參考偏移角
Figure 02_image127
作為實際偏移角150。
詳細地說，二分搜尋演算法3413主要用以搜尋高頻載波120與低頻漣波140之間的偏移角度。為此，本發明將8個基準點視為8個基準向量，並將8個參考點0、1、2、3、4、5、6、7視為8個參考向量。眾所周知，正交向量的內積值等於零，且相同長度的共線或平行向量會產生最大內積值。於本實施例中，處理器342把8個基準向量分別與對應不同參考偏移角
Figure 02_image127
的低頻參考組141之8個參考向量進行一對一內積運算。因此，具有最大內積值者所對應的參考偏移角
Figure 02_image127
，代表此參考偏移角
Figure 02_image127
實為高頻載波120與低頻漣波140兩者相差的角度，且此角度代表高頻載波120與低頻載波110兩者相差實際偏移角150。
請一併參閱第2-7圖及第8圖，其中第8圖係繪示第2圖的並聯轉換器之載波同步方法200的高頻載波調整步驟S15的示意圖。於高頻載波調整步驟S15中，調整程序3412可包含一同步參數、實際偏移角150及一積分增益。同步參數表示為
Figure 02_image037
，實際偏移角150表示為
Figure 02_image039
，積分增益表示為
Figure 02_image041
且符合下列式子(4)：
Figure 02_image131
(4)。
其中，
Figure 02_image027
為一給定週期。詳細地說，實際偏移角150係用於找出同步目標和週期計數器344與同步參數
Figure 02_image037
的交點之間的差異。為此，比例積分控制器343執行調整程序3412以校正同步參數
Figure 02_image037
。首先，比例積分控制器343透過代入實際偏移角150至上述式子(4)以計算出當下週期的同步參數
Figure 02_image037
。接著，週期計數器344根據當下週期的同步參數
Figure 02_image037
調整高頻載波120之一起始點O，藉以令高頻載波120逐漸同步至用來預測低頻載波110的低頻漣波140。
請一併參閱第2-8圖及第9圖，其中第9圖係繪示本發明之對應低頻載波110的第一脈衝寬度調變訊號111與對應調整後的高頻載波120之第二脈衝寬度調變訊號121的示意圖。於高頻載波同步步驟S16中，高頻控制單元340根據調整起始點O後之已調整的高頻載波120重新執行等距網格取樣步驟S13、實際偏移角搜尋步驟S14及高頻載波調整步驟S15，直到當下週期的高頻載波120之起始點O等於下一週期的高頻載波120之起始點O為止。藉此，調整後的高頻載波120逐漸同步至低頻載波110；換言之，第二脈衝寬度調變訊號121亦逐漸同步至第一脈衝寬度調變訊號111(如第9圖所示)，且第一脈衝寬度調變訊號111與第二脈衝寬度調變訊號121之間的誤差可為-0.12%。另外，由於振盪器的不完善，低頻高功率轉換器310的開關週期是浮動的，因此比例積分控制器343可以在低頻高功率轉換器310的每N個週期之間執行一次調整程序3412。於本實施例中，N可為25，但本發明不以此為限。
綜上所述，本發明具有下列優點：其一，利用模擬的低頻漣波來找出低頻載波與高頻載波之間的實際偏移角，進而逐步調整高頻載波以同步至低頻載波。其二，實現高動態響應且避免使用高頻高功率的元件來同步高頻載波，進而提升電路配置上的自由度。其三，由於無需使用多餘的訊號線來同步高頻載波，藉以減少低頻控制單元與高頻控制單元之間的雜訊干擾。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
0,1,2,3,4,5,6,7:參考點 100,200:並聯轉換器之載波同步方法 110:低頻載波 111:第一脈衝寬度調變訊號 120:高頻載波 121:第二脈衝寬度調變訊號 130:電感電流 140:低頻漣波 141:低頻參考組 142:高頻基準組 150:實際偏移角 300:並聯轉換器之載波同步系統 310:低頻高功率轉換器 320:高頻低功率轉換器 330:低頻控制單元 340:高頻控制單元 341:記憶體 3411:模擬程序 3412:調整程序 3413:二分搜尋演算法 342:處理器 343:比例積分控制器 344:週期計數器 350:直流電 360:濾波器 370:電網 S01,S11:轉換器並聯步驟 S02,S12:低頻漣波模擬步驟 S121:電流擷取步驟 S122:資料儲存步驟 S03,S13:等距網格取樣步驟 S131:高頻載波切割步驟 S132:低頻漣波切割步驟 S04,S14:實際偏移角搜尋步驟 S05,S15:高頻載波調整步驟 S16:高頻載波同步步驟
Figure 02_image025
:低頻開關責任比
Figure 02_image029
:直流電壓
Figure 02_image031
:輸出電壓
Figure 02_image045
,
Figure 02_image133
,
Figure 02_image135
,
Figure 02_image137
,
Figure 02_image139
,
Figure 02_image141
:低頻開關元件
Figure 02_image049
:低頻高功率轉換器的R相輸出端點
Figure 02_image051
:低頻高功率轉換器的S相輸出端點
Figure 02_image053
:低頻高功率轉換器的T相輸出端點
Figure 02_image055
,
Figure 02_image143
:由R相輸出端點輸出的R相電感電流
Figure 02_image057
,
Figure 02_image145
:由S相輸出端點輸出的S相電感電流
Figure 02_image059
,
Figure 02_image147
:由T相輸出端點輸出的T相電感電流
Figure 02_image061
,
Figure 02_image149
,
Figure 02_image151
,
Figure 02_image153
,
Figure 02_image155
,
Figure 02_image157
:高頻開關元件
Figure 02_image065
:高頻低功率轉換器的R相輸出端點
Figure 02_image067
:高頻低功率轉換器的S相輸出端點
Figure 02_image069
:高頻低功率轉換器的T相輸出端點
Figure 02_image077
:R相低頻電感
Figure 02_image079
:S相低頻電感
Figure 02_image081
:T相低頻電感
Figure 02_image083
:R相高頻電感
Figure 02_image085
:S相高頻電感
Figure 02_image087
:T相高頻電感
Figure 02_image089
:R相電容
Figure 02_image091
:S相電容
Figure 02_image093
:T相電容
Figure 02_image095
:濾波器的R相電容兩端之輸出電壓
Figure 02_image097
:濾波器的S相電容兩端之輸出電壓
Figure 02_image099
:濾波器的T相電容兩端之輸出電壓
Figure 02_image101
:R相輸出電容電流
Figure 02_image103
:S相輸出電容電流
Figure 02_image105
:T相輸出電容電流
Figure 02_image107
:R相負載電流
Figure 02_image109
:S相負載電流
Figure 02_image111
:T相負載電流
Figure 02_image113
:R相交流端電感
Figure 02_image115
:S相交流端電感
Figure 02_image117
:T相交流端電感
Figure 02_image119
:R相交流端電壓
Figure 02_image121
:S相交流端電壓
Figure 02_image123
:T相交流端電壓
Figure 02_image005
:斜率
Figure 02_image013
:第一時間
Figure 02_image015
:第二時間
Figure 02_image017
:最大電流值
Figure 02_image019
:最小電流值
Figure 02_image129
:高頻載波週期
Figure 02_image023
:低頻漣波週期 Grid:等距網格
Figure 02_image037
:同步參數 O:起始點
Figure 02_image001
:第一轉折點
Figure 02_image003
:第二轉折點
Figure 02_image127
:參考偏移角
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖係繪示依照本發明一第一實施例的並聯轉換器之載波同步方法的流程示意圖； 第2圖係繪示依照本發明一第二實施例的並聯轉換器之載波同步方法的流程示意圖； 第3圖係繪示依照本發明一第三實施例的並聯轉換器之載波同步系統的方塊示意圖； 第4圖係繪示依照第3圖的高頻控制單元之方塊示意圖； 第5圖係繪示依照第3圖的並聯轉換器之載波同步系統之電路示意圖； 第6圖係繪示第2圖的並聯轉換器之載波同步方法的低頻漣波模擬步驟的示意圖； 第7圖係繪示第2圖的並聯轉換器之載波同步方法的低頻漣波切割步驟的示意圖； 第8圖係繪示第2圖的並聯轉換器之載波同步方法的高頻載波調整步驟的示意圖；以及 第9圖係繪示本發明之對應低頻載波的第一脈衝寬度調變訊號與對應調整後的高頻載波之第二脈衝寬度調變訊號的示意圖。
200:並聯轉換器之載波同步方法
S11:轉換器並聯步驟
S12:低頻漣波模擬步驟
S121:電流擷取步驟
S122:資料儲存步驟
S13:等距網格取樣步驟
S131:高頻載波切割步驟
S132:低頻漣波切割步驟
S14:實際偏移角搜尋步驟
S15:高頻載波調整步驟
S16:高頻載波同步步驟
110:低頻載波
120:高頻載波
130:電感電流
140:低頻漣波
141:低頻參考組
142:高頻基準組
150:實際偏移角

Claims (14)

  1. 一種並聯轉換器之載波同步方法，用以將一高頻載波同步至一低頻載波，且該並聯轉換器之載波同步方法包含以下步驟： 一轉換器並聯步驟，係並聯一低頻高功率轉換器與一高頻低功率轉換器，其中該低頻高功率轉換器受該低頻載波控制，該高頻低功率轉換器受該高頻載波控制； 一低頻漣波模擬步驟，係驅動一高頻控制單元根據一模擬程序模擬對應該低頻高功率轉換器之一低頻漣波，其中該高頻控制單元包含一比例積分控制器與一週期計數器，該週期計數器用以產生該高頻載波； 一等距網格取樣步驟，係驅動該高頻控制單元根據一等距網格取樣該高頻載波以產生一高頻基準組，且根據該等距網格及複數參考偏移角取樣該低頻漣波以產生複數低頻參考組，其中該些低頻參考組分別對應該些參考偏移角； 一實際偏移角搜尋步驟，係驅動該高頻控制單元將該高頻基準組分別比對該些低頻參考組，以從該些參考偏移角搜尋出該高頻載波與該低頻載波之間的一實際偏移角；以及 一高頻載波調整步驟，係驅動該比例積分控制器根據一調整程序運算該實際偏移角以產生一同步參數，然後該週期計數器根據該同步參數調整該高頻載波之一起始點。
  2. 如請求項1所述之並聯轉換器之載波同步方法，更包含： 一高頻載波同步步驟，係驅動該高頻控制單元根據已調整的該高頻載波重新執行該等距網格取樣步驟、該實際偏移角搜尋步驟及該高頻載波調整步驟，直到當下週期的該高頻載波之該起始點等於下一週期的該高頻載波之該起始點為止，藉以將該高頻載波同步至該低頻載波。
  3. 如請求項1所述之並聯轉換器之載波同步方法，其中該低頻漣波模擬步驟包含： 一電流擷取步驟，係驅動該高頻控制單元透過一電流感測器從連接該低頻高功率轉換器的一低頻電感擷取一電感電流；及 一資料儲存步驟，係驅動該高頻控制單元儲存對應該低頻高功率轉換器之一低頻開關責任比、一直流電壓及一輸出電壓； 其中，該高頻控制單元根據該模擬程序計算該電感電流、該低頻開關責任比、該直流電壓及該輸出電壓以產生該低頻漣波。
  4. 如請求項1所述之並聯轉換器之載波同步方法，其中該模擬程序包含一第一轉折點、一第二轉折點及一斜率，該第一轉折點表示為
    Figure 03_image001
    ，該第二轉折點表示為
    Figure 03_image003
    ，該斜率表示為
    Figure 03_image005
    且符合下式：
    Figure 03_image159
    Figure 03_image161
    Figure 03_image163
    其中，
    Figure 03_image013
    為一第一時間，
    Figure 03_image015
    為一第二時間，
    Figure 03_image017
    為該低頻漣波之一最大電流值，
    Figure 03_image019
    為該低頻漣波之一最小電流值，
    Figure 03_image021
    為該斜率之一正值，
    Figure 03_image023
    為一低頻漣波週期，
    Figure 03_image025
    為一低頻開關責任比，
    Figure 03_image027
    為一給定週期，
    Figure 03_image029
    為一直流電壓，
    Figure 03_image031
    為一輸出電壓，
    Figure 03_image033
    為一電感電流差，
    Figure 03_image035
    為一電感值。
  5. 如請求項1所述之並聯轉換器之載波同步方法，其中該等距網格取樣步驟包含： 一高頻載波切割步驟，係驅動該高頻控制單元根據該等距網格將該高頻載波切割出複數基準點，其中該些基準點為該高頻基準組；及 一低頻漣波切割步驟，係驅動該高頻控制單元根據該等距網格將該低頻漣波切割出對應各該參考偏移角的複數參考點，其中對應各該參考偏移角的該些參考點為各該低頻參考組。
  6. 如請求項1所述之並聯轉換器之載波同步方法，其中於該實際偏移角搜尋步驟中，該高頻基準組包含複數基準點，各該基準點對應一基準向量，各該低頻參考組包含複數參考點，各該參考點對應一參考向量，該高頻控制單元根據一二分搜尋演算法對複數該基準向量及該些低頻參考組的複數該參考向量進行一內積運算，以選取具有一最大內積值者所對應的該參考偏移角作為該實際偏移角。
  7. 如請求項1所述之並聯轉換器之載波同步方法，其中該調整程序包含該同步參數、該實際偏移角及一積分增益，該同步參數表示為
    Figure 03_image037
    ，該實際偏移角表示為
    Figure 03_image039
    ，該積分增益表示為
    Figure 03_image041
    且符合下式：
    Figure 03_image165
    ； 其中，
    Figure 03_image027
    為一給定週期。
  8. 一種並聯轉換器之載波同步系統，用以將一高頻載波同步至一低頻載波，且該並聯轉換器之載波同步系統包含： 一低頻高功率轉換器； 一低頻控制單元，電性連接並控制該低頻高功率轉換器，且用以產生該低頻載波； 一高頻低功率轉換器，並聯於該低頻高功率轉換器；以及 一高頻控制單元，電性連接並控制該高頻低功率轉換器，且該高頻控制單元包含一比例積分控制器與一週期計數器，該週期計數器用以產生該高頻載波，該高頻控制單元經配置以實施包含以下步驟之操作： 一低頻漣波模擬步驟，係根據一模擬程序模擬對應該低頻高功率轉換器之一低頻漣波； 一等距網格取樣步驟，係根據一等距網格取樣該高頻載波以產生一高頻基準組，且根據該等距網格及複數參考偏移角取樣該低頻漣波以產生複數低頻參考組，其中該些低頻參考組分別對應該些參考偏移角； 一實際偏移角搜尋步驟，係將該高頻基準組分別比對該些低頻參考組，以從該些參考偏移角搜尋出該高頻載波與該低頻載波之間的一實際偏移角；及 一高頻載波調整步驟，係驅動該比例積分控制器根據一調整程序運算該實際偏移角以產生一同步參數，然後該週期計數器根據該同步參數調整該高頻載波之一起始點。
  9. 如請求項8所述之並聯轉換器之載波同步系統，其中該高頻控制單元更實施包含以下步驟之操作： 一高頻載波同步步驟，係根據已調整的該高頻載波重新執行該等距網格取樣步驟、該實際偏移角搜尋步驟及該高頻載波調整步驟，直到當下週期的該高頻載波之該起始點等於下一週期的該高頻載波之該起始點為止，藉以將該高頻載波同步至該低頻載波。
  10. 如請求項8所述之並聯轉換器之載波同步系統，其中該低頻漣波模擬步驟包含： 一電流擷取步驟，係驅動該高頻控制單元透過一電流感測器從連接該低頻高功率轉換器的一低頻電感擷取一電感電流；及 一資料儲存步驟，係驅動該高頻控制單元儲存對應該低頻高功率轉換器之一低頻開關責任比、一直流電壓及一輸出電壓； 其中，該高頻控制單元根據該模擬程序計算該電感電流、該低頻開關責任比、該直流電壓及該輸出電壓以產生該低頻漣波。
  11. 如請求項8所述之並聯轉換器之載波同步系統，其中該模擬程序包含一第一轉折點、一第二轉折點及一斜率，該第一轉折點表示為
    Figure 03_image001
    ，該第二轉折點表示為
    Figure 03_image003
    ，該斜率表示為
    Figure 03_image005
    且符合下式：
    Figure 03_image167
    Figure 03_image161
    Figure 03_image163
    其中，
    Figure 03_image013
    為一第一時間，
    Figure 03_image015
    為一第二時間，
    Figure 03_image017
    為該低頻漣波之一最大電流值，
    Figure 03_image019
    為該低頻漣波之一最小電流值，
    Figure 03_image021
    為該斜率之一正值，
    Figure 03_image023
    為一低頻漣波週期，
    Figure 03_image025
    為一低頻開關責任比，
    Figure 03_image027
    為一給定週期，
    Figure 03_image029
    為一直流電壓，
    Figure 03_image031
    為一輸出電壓，
    Figure 03_image033
    為一電感電流差，
    Figure 03_image035
    為一電感值。
  12. 如請求項8所述之並聯轉換器之載波同步系統，其中該等距網格取樣步驟包含： 一高頻載波切割步驟，係驅動該高頻控制單元根據該等距網格將該高頻載波切割出複數基準點，其中該些基準點為該高頻基準組；及 一低頻漣波切割步驟，係驅動該高頻控制單元根據該等距網格將該低頻漣波切割出對應各該參考偏移角的複數參考點，其中對應各該參考偏移角的該些參考點為各該低頻參考組。
  13. 如請求項8所述之並聯轉換器之載波同步系統，其中於該實際偏移角搜尋步驟中，該高頻基準組包含複數基準點，各該基準點對應一基準向量，各該低頻參考組包含複數參考點，各該參考點對應一參考向量，該高頻控制單元根據一二分搜尋演算法對複數該基準向量及該些低頻參考組的複數該參考向量進行一內積運算，以選取具有一最大內積值者所對應的該參考偏移角作為該實際偏移角。
  14. 如請求項8所述之並聯轉換器之載波同步系統，其中該調整程序包含該同步參數、該實際偏移角及一積分增益，該同步參數表示為
    Figure 03_image037
    ，該實際偏移角表示為
    Figure 03_image039
    ，該積分增益表示為
    Figure 03_image041
    且符合下式：
    Figure 03_image043
    ； 其中，
    Figure 03_image027
    為一給定週期。
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