TWI822239B

TWI822239B - 雙向交流功率轉換裝置

Info

Publication number: TWI822239B
Application number: TW111130139A
Authority: TW
Inventors: 徐佑; 胡桂誠
Original assignee: 致茂電子股份有限公司
Priority date: 2022-08-11
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2023-11-11
Also published as: EP4321877A1; TW202408141A; KR20240022427A; JP2024025753A

Abstract

本發明提出一種雙向交流功率轉換裝置，用於輸入或輸出第一交流電能，所述雙向交流功率轉換裝置包含數位控制模組以及功率轉換模組。數位控制模組用以產生控制信號。功率轉換模組依據控制信號設定輸入或輸出的第一交流電能。其中當數位控制模組判斷第一交流電能的即時電壓信號為異常時，控制信號指示功率轉換模組切換提供接地電壓。

Description

雙向交流功率轉換裝置

本發明係關於一種雙向交流功率轉換裝置，特別是關於一種隨時切離待測元件的雙向交流功率轉換裝置。

傳統上，在使用交流功率轉換裝置對待測元件抽載電流時，如果需要將待測元件切離(中斷電性連接)交流功率轉換裝置，需要先歸零交流功率轉換裝置的抽載電流，才能安全地將待測元件切離交流功率轉換裝置。如果待測元件無預警切離交流功率轉換裝置，往往會讓交流功率轉換裝置觸發保護機制而無法快速恢復工作。於一個例子中，如果待測元件無預警切離交流功率轉換裝置的輸出端，由於交流功率轉換裝置無法立刻判斷出待測元件已經切離輸出端，交流功率轉換裝置仍會對已經形成開路的輸出端持續拉載電流。此時，交流功率轉換裝置的輸出端可能承受異常高電壓，為了避免交流功率轉換裝置遭到破壞，從而傳統的交流功率轉換裝置都會直接觸發保護機制。

傳統的交流功率轉換裝置觸發保護機制之後，雖然輸出端與待測元件之間的電流路徑可以快速斷開，但在所述電流路徑中的殘餘電能卻缺少快速釋放的機制。一般來說，傳統的交流功率轉換裝置只能等待相當長的時間，由電路內部自行消耗掉殘餘電能。實務上，縱使待測元件已經再次連接輸出端，所述殘餘電能被消耗完之前，傳統的交流功率轉換裝置還是沒有辦法恢復對待測元件抽載電流的工作。據此，業界需要一種新的交流功率轉換裝置，在待測元件切離時能夠快速釋放殘餘電能，從而當待測元件再次連接輸出端時，能夠快速恢復對待測元件抽載電流的工作，增加能夠隨時調整待測元件的彈性。

本發明提供了一種雙向交流功率轉換裝置，當待測元件無預警切離雙向交流功率轉換裝置的輸出端，雙向交流功率轉換裝置除了可以立即偵測切離事件之外，還可以快速釋放殘餘在電流路徑中的電能。

於一些實施例中，當數位控制模組判斷即時電壓信號為異常時，數位控制模組更可以偵測功率轉換模組接收到的殘餘電流，以設定對應殘餘電流的控制信號。在此，功率轉換模組的輸出端接收殘餘電流，當殘餘電流大於電流預設值，控制信號可以指示功率轉換模組維持提供接地電壓。當殘餘電流不大於電流預設值，控制信號可以指示功率轉換模組停止提供接地電壓，並將功率轉換模組的佔空比為零。

於一些實施例中，數位控制模組可以包含鎖相迴路與控制單元，鎖相迴路可以偵測輸入或輸出的第一交流電能並產生即時電壓信號，即時電壓信號可以定義有振幅分量與角速度分量，控制單元可以依據不同切換週期取得的振幅分量與至少一振幅變化量，設定控制信號。在此，控制單元可以判斷連續的多個切換週期中每一個切換週期的振幅變化量，當連續的多個切換週期中每一個切換週期的振幅變化量皆大於第一門檻值，控制單元可以判斷幅變化量為異常。此外，控制單元可以判斷連續的多個切換週期中每一個切換週期的振幅分量，當連續的多個切換週期中每一個切換週期的振幅分量皆未大於第二門檻值，控制單元可以判斷振幅分量為異常。

綜上所述，本發明提出的雙向交流功率轉換裝置，利用鎖相迴路鎖定輸入或輸出的第一交流電能，並由即時電壓信號的振幅分量來判斷待測元件是否切離輸出端。當待測元件無預警切離輸出端，雙向交流功率轉換裝置不僅可以立即偵測出並停止輸入或輸出交流電能，還可以有效釋放電流路徑中的殘餘電能。當待測元件再次連接回輸出端後，雙向交流功率轉換裝置便可以快速回復工作。

下文將進一步揭露本發明之特徵、目的及功能。然而，以下所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明之範圍，即但凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化及修飾，仍將不失為本發明之要意所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故應將視為本發明的進一步實施態樣。

請參閱圖1，圖1係繪示依據本發明一實施例之雙向交流功率轉換裝置的功能方塊圖。如圖1所示，雙向交流功率轉換裝置1係電性連接於外部電源2與待測元件DUT之間，用以與待測元件DUT傳輸交流電能(第一交流電能)。實務上，外部電源2可以是市電或者其他的電壓源，而可以應用雙向交流功率轉換裝置1的待測元件DUT不限制是負載或者電壓源。於一個例子中，當待測元件DUT是負載時，雙向交流功率轉換裝置1可以提供電能以驅動待測元件DUT。而當待測元件DUT是電壓源時，雙向交流功率轉換裝置1可以從待測元件DUT拉載電能，以使得待測元件DUT提供的電能能夠饋入外部電源2。也就是說，雙向交流功率轉換裝置1不限制交流電能的傳輸方向，所述交流電能可以輸入或輸出雙向交流功率轉換裝置1。

雙向交流功率轉換裝置1包含功率轉換模組10以及數位控制模組12，數位控制模組12包含鎖相迴路120以及控制單元122。在此，功率轉換模組10具有輸出端100，輸出端100係用以電性連接待測元件DUT。於一個例子中，輸出端100和待測元件DUT之間可以經由匯流排進行連接。此外，控制單元122可以分別電性連接鎖相迴路120以及功率轉換模組10，並能夠產生控制信號設定功率轉換模組10要輸入或輸出的第一交流電能。所述控制信號可以是一種脈衝寬度調變(PWM)信號，控制單元122藉由決定脈衝寬度調變信號一個工作週期(duty cycle)中的佔空比(duty ratio)，便可以設定功率轉換模組10輸出的交流電壓或交流電流的各種參數。

實務上，鎖相迴路120中具有相位偵測器(phase detector)，當輸出端100和待測元件DUT之間確實連接後，相位偵測器應當可以鎖定功率轉換模組10與待測元件DUT之間傳輸的交流電壓或交流電流。舉例來說，假設功率轉換模組10被設定要對待測元件DUT拉載，當相位偵測器鎖定交流電壓後，鎖相迴路120可以依據被鎖定的交流電壓產生即時電壓信號。於一個例子中，鎖相迴路120產生即時電壓信號能夠被當成判斷待測元件DUT是否正常工作的手段。也就是說，當相位偵測器成功鎖定交流電壓(產生即時電壓信號)，此時控制單元122可以判斷待測元件DUT已經投入系統。此外，鎖相迴路120可以對即時電壓信號進行派克轉換(park transformation)，以取得即時電壓信號的振幅分量與角速度分量。於所屬技術領域具有通常知識者應可以理解鎖相迴路120的工作原理，本實施例在此不予贅述。於一個例子中，鎖相迴路120可以於每一個切換週期(switching cycle)中取得對應的即時電壓信號，從而控制單元122可以依據相鄰兩個切換週期的即時電壓信號，計算出兩個振幅分量的差異，所述差異即為振幅變化量。實務上，控制單元122可以依據連續N個切換週期的即時電壓信號，記錄對應的N-1個振幅變化量，並且可以依據所述N-1個振幅變化量設定控制信號。

以實際的例子來說，假設功率轉換模組10被設定要對待測元件DUT拉載，輸出端100和待測元件DUT之間的連接線路突然中斷，導致待測元件DUT無預警切離輸出端100。由於原本雙向交流功率轉換裝置1與待測元件DUT之間傳輸的是交流電能，待測元件DUT無預警切離輸出端100時，此一時點的交流電壓有可能是接近峰值電壓或者接近零電壓。以下將以這兩種情況來示範本實施例雙向交流功率轉換裝置1的處理方式。請一併參閱圖1和圖2，圖2係繪示一交流電壓的示意圖。如圖所示，假設待測元件DUT在時間T1切離輸出端100，交流電壓在接近峰值的數值。此時，控制單元122可以從即時(前一個切換週期和當前切換週期)的即時電壓信號，得知振幅變化量突然異常變大，例如電壓快速從峰值衰落而使振幅變化量大於預設的第一門檻值。實務上，控制單元122判斷振幅變化量發生異常之後，便會快速地調整控制信號，從而指示功率轉換模組10不再繼續提供交流電能。

本實施例在此不限制第一門檻值的確實數值，於所屬技術領域具有通常知識者可以理解第一門檻值可依據傳輸的交流電壓而決定。另一方面，控制單元122也不一定只依據單一個振幅變化量發生異常，就立刻調整控制信號。舉例來說，控制單元122也可以從連續多個相鄰切換週期的即時電壓信號，判斷振幅變化量是否發生異常。例如，當控制單元122得知至少連續6個振幅變化量都大於預設的第一門檻值，即能夠藉此判斷待測元件DUT已經切離輸出端100。

於一個例子中，假設待測元件DUT在時間T2切離輸出端100，由於時間T2的交流電壓接近零，輸出端100輸入或輸出的電流原本就趨近於零。若以傳統的交流功率轉換裝置來說，傳統的交流功率轉換裝置無法立刻判斷待測元件是否切離，容易導致誤判。特別是，傳統的交流功率轉換裝置用數位測量電流的方式，就存在雜訊干擾等誤差，從而電流零點周圍偵測的微小數值難以確定究竟是否為電流零點。換句話說，當待測元件DUT在電流零點周圍切離時，傳統的交流功率轉換裝置會無法掌握快速觸發保護機制的時機點。相比之下，本實施例的振幅分量是已經經過派克轉換而分離角速度分量(相位)的數值，從而控制單元122能更快看出電壓振幅是否有變化。據此，當待測元件DUT在時間T2切離輸出端100，本實施例控制單元122也可以由振幅變化量判斷是否發生異常並快速地調整控制信號，從而指示功率轉換模組10不再繼續提供交流電能。

以上利用振幅變化量的判斷手段適用於功率轉換模組10輸入或輸出交流電壓變化大的情況，如果功率轉換模組10輸入或輸出交流電壓變化小，則控制單元122可以利用振幅分量判斷待測元件DUT是否切離。於一個例子中，由於功率轉換模組10輸入或輸出交流電壓的電壓峰值已知，本實施例可以參考所述電壓峰值設定門檻值(第二門檻值)。實務上，第二門檻值不一定等於所述電壓峰值而可能略小於所述電壓峰值，本實施例不加以限制。以實際的例子來說，假設功率轉換模組10被設定要對待測元件DUT拉載，並且鎖相迴路120的相位偵測器已經鎖定了即時電壓信號而取振幅分量與角速度分量。此時，控制單元122可以由一個或多個振幅分量是否低於第二門檻值，來判斷待測元件DUT是否切離。舉例來說，控制單元122有可能記錄連續多個切換週期的振幅分量，當連續多個切換週期的振幅分量持續小於第二門檻值時，控制單元122即能判斷待測元件DUT已經切離。如前所述，本實施例的振幅分量是已經經過派克轉換而分離角速度分量(相位)的數值，從而縱使交流電壓變化小，控制單元122也能快速判斷待測元件DUT是否切離。

值得一提的是，由於輸出端100通常跨接有儲能電容(例如跨接於兩個端點之間)，本實施例還設計了釋放儲能電容中的電能的機制。請一併參閱圖1至圖3，圖3係繪示依據本發明一實施例之輸出端和待測元件之間的電路示意圖。如圖所示，兩個輸出端100之間可以跨接有儲能電容Xcap，儲能電容Xcap不一定是有意被設計於電流路徑中的，例如儲能電容Xcap也有可能是輸出端100到待測元件DUT之間的線路中的非理想電容特性。以下將說明儲能電容Xcap對於雙向交流功率轉換裝置1造成的影響。

以實際的例子來說，假設功率轉換模組10正常地對待測元件DUT拉載，儲能電容Xcap會一直保持儲存有電能的狀態。此時，當待測元件DUT切離(圖3用開關SW斷路來表示)時，於所屬技術領域具有通常知識者可以理解，儲能電容Xcap中還存有相當的殘餘電能，從而持續釋放殘餘電流Icap。本實施例在此不限制儲能電容Xcap的大小以及殘餘電流Icap的釋放方向。傳統上，殘餘電流Icap是可以被電路內部的阻抗消耗掉，但是通常是需要花費較長的時間。為了加快釋放儲能電容Xcap中的殘餘電能，當控制單元122判斷待測元件DUT切離後，會控制功率轉換模組10維持接地電壓(或稱零電壓)一段時間。於一個例子中，由於功率轉換模組10主動地在輸出端100控制在接地電壓，強制儲能電容Xcap和輸出端100之間有電壓差，讓儲能電容Xcap能更有效率地放出殘餘電流Icap(也就是可以有更大的殘餘電流Icap)。

實務上，控制單元122會持續監測饋入輸出端100的殘餘電流Icap的數值。當殘餘電流Icap的數值大於一個電流預設值時，表示儲能電容Xcap中的殘餘電能還沒有釋放完畢，則控制單元122提供的控制信號繼續指示功率轉換模組10要維持提供接地電壓。反之，當殘餘電流Icap的數值不大於電流預設值時，表示儲能電容Xcap中的殘餘電能已經完全或幾乎釋放完畢，則控制單元122提供的控制信號便指示功率轉換模組10停止提供接地電壓。並且，控制單元122可以調整控制信號讓佔空比歸零，使得功率轉換模組10不輸入或輸出第一交流電能，以等待重新啟動的指令。

由上述可知，本實施例的雙向交流功率轉換裝置1在待測元件DUT無預警切離輸出端100時，因為控制單元122是基於被鎖相迴路120鎖定的交流電壓產生的即時電壓信號進行判斷，從而可以減少受電壓相位影響造成的誤判，而能夠在待測元件DUT切離導致電壓值推升之前，控制功率轉換模組10不再繼續提供交流電能。在此同時，功率轉換模組10還可以在輸出端100保持接地電壓，以快速釋放儲能電容Xcap中的殘餘電能。如此一來，雙向交流功率轉換裝置1不會因輸出端100的異常高電壓而觸發保護機制，也由於儲能電容Xcap已經快速被釋放完，當待測元件DUT再次連接上輸出端100後，雙向交流功率轉換裝置1可以快速回復工作。

值得一提的是，雖然上述是以功率轉換模組10對待測元件DUT拉載做為例子，但實際上前述實施例還可以應用於功率轉換模組10對待測元件DUT供電。也就是說，控制單元122判斷振幅變化量大於第一門檻值、振幅分量小於第二門檻值、功率轉換模組10的佔空比大於第三門檻值等異常情況和電能傳輸方向無關。縱使功率轉換模組10用於對待測元件DUT供電，控制單元122還是可以由上述實施例判斷待測元件DUT是否切離。

1:雙向交流功率轉換裝置 10:功率轉換模組 100:輸出端 12:數位控制模組 120:鎖相迴路 122:控制單元 2:外部電源 DUT:待測元件 Xcap:儲能電容 Icap:殘餘電流 SW:開關

圖1係繪示依據本發明一實施例之雙向交流功率轉換裝置的功能方塊圖。

圖2係繪示一交流電壓的示意圖。

圖3係繪示依據本發明一實施例之輸出端和待測元件之間的電路示意圖。

1:雙向交流功率轉換裝置

10:功率轉換模組

100:輸出端

12:數位控制模組

120:鎖相迴路

122:控制單元

2:外部電源

DUT:待測元件

Claims

一種雙向交流功率轉換裝置，用於輸入或輸出一第一交流電能，所述雙向交流功率轉換裝置包含：一數位控制模組，用以產生一控制信號；以及一功率轉換模組，依據該控制信號設定輸入或輸出的該第一交流電能；其中當該數位控制模組判斷該第一交流電能的一即時電壓信號為異常時，該控制信號指示該功率轉換模組切換提供一接地電壓；其中該數位控制模組包含一鎖相迴路與一控制單元，該鎖相迴路偵測輸入或輸出的該第一交流電能並產生該即時電壓信號，該即時電壓信號定義有一振幅分量與一角速度分量，該控制單元依據不同切換週期取得的該振幅分量與至少一振幅變化量，設定該控制信號。
如請求項1所述之雙向交流功率轉換裝置，其中當該數位控制模組判斷該即時電壓信號為異常時，該數位控制模組更偵測該功率轉換模組接收到的一殘餘電流，以設定對應該殘餘電流的該控制信號。
如請求項2所述之雙向交流功率轉換裝置，其中該功率轉換模組的一輸出端接收該殘餘電流，當該殘餘電流大於一電流預設值，該控制信號指示該功率轉換模組維持提供該接地電壓。
如請求項3所述之雙向交流功率轉換裝置，其中當該殘餘電流不大於該電流預設值，該控制信號指示該功率轉換模組停止提供該接地電壓，並將該功率轉換模組的一佔空比為零。
如請求項1所述之雙向交流功率轉換裝置，其中該控制單元判斷連續的多個切換週期中每一該切換週期的該振幅變化量，當連續的該些切換週期中每一該切換週期的該振幅變化量皆大於一第一門檻值，該控制單元判斷該振幅變化量為異常。
如請求項5所述之雙向交流功率轉換裝置，其中該控制單元判斷連續的多個切換週期中每一該切換週期的該振幅分量，當連續的該些切換週期中每一該切換週期的該振幅分量皆未大於一第二門檻值，該控制單元判斷該振幅分量為異常。