CN104348345A - 逆变器及其过流保护方法 - Google Patents

Abstract

一种逆变器及其过流保护方法。所述逆变器包括逆变电路、滤波电容以及过流保护电路。逆变电路用以将直流输入电压转换为交流输出电压，以提供交流输出电压予负载。滤波电容并接于逆变电路与负载。过流保护电路耦接逆变电路与滤波电容，用以提供过流保护机制。其中，过流保护电路检测滤波电容上的交流电流，并且依据交流电流决定是否启动过流保护机制，以限制逆变电路的电源转换运作。

Description

逆变器及其过流保护方法

技术领域

本发明是有关于一种电源转换技术，且特别是有关于一种逆变器及其过流保护方法。

背景技术

在逆变器的设计中，为了保护整体电路运作稳定性，设计者通常会在逆变器中加入过流保护电路，以使大电流流经逆变器的电路中时，启动对应的过流保护机制以保护整个电路不受损坏。

在现有技术中，过流保护电路一般会在逆变器的输出侧进行电流取样，藉以根据所取样到的电流来判断逆变器是否发生过流。但是由于逆变器的输出一般含有直流成分，因此传统的过流保护电路一般还必需使用霍尔传感器（Hall sensor）来做为电流取样电路。然而，霍尔传感器一般都有高延迟与高损耗的缺点，使得过流保护电路无法在逆变器发生过流时立即启动过流保护机制。

此外，由于逆变器的输出侧通常还会与由电容和电感所组成的滤波电路相连。于此组态下，在逆变器接入纯容性负载的瞬间，会使得逆变器的交流输出电压产生严重的反向跌落，从而令逆变器产生较大的浪涌电流（surge current），而在短时间内（如数微秒）使流经电感的电流大幅地上升（如数百安培）。上述传统的过流保护电路并无法对此一情形有效地进行过流保护。

发明内容

本发明提供一种逆变器及其过流保护方法，其可在逆变器发生过流时快速地启动过流保护机制。

本发明的逆变器包括逆变电路、滤波电容以及过流保护电路。逆变电路用以将直流输入电压转换为交流输出电压，以提供交流输出电压予负载。滤波电容并接于逆变电路与负载。过流保护电路耦接逆变电路与滤波电容，用以提供过流保护机制。其中，过流保护电路检测滤波电容上的交流电流，并且依据交流电流决定是否启动过流保护机制，以限制逆变电路的电源转换运作。

在本发明一实施例中，过流保护电路包括电流取样单元、过流判断单元以及限流单元。电流取样单元耦接滤波电容。电流取样单元用以取样交流电流，并且对所取样的交流电流进行整流以产生取样电流讯号。过流判断单元耦接电流取样单元。过流判断单元用以依据取样电流讯号产生过流判断讯号，其中过流判断讯号指示取样电流讯号与参考值之间的相对关系。限流单元耦接逆变电路与过流判断单元，用以依据过流判断讯号而决定是否启动过流保护机制。

在本发明一实施例中，当取样电流讯号大于等于参考值时，限流单元依据过流判断讯号而启动过流保护机制，以限制逆变电路的电源转换运作，以及当取样电流讯号小于参考值时，限流单元依据过流判断讯号而不启动过流保护机制，以使逆变电路正常工作。

在本发明一实施例中，电流取样单元包括电流互感器以及整流器。电流互感器具有一次侧绕组与二次侧绕组，其中一次侧绕组与滤波电容相互串接。整流器耦接电流互感器的二次侧绕组，以根据二次侧绕组上的讯号产生取样电流讯号。

在本发明一实施例中，过流判断单元包括比较器。比较器具有第一输入端、第二输入端以及输出端。第一输入端耦接整流器以接收取样电流讯号，第二输入端接收参考值，以及输出端输出过流判断讯号。

在本发明一实施例中，限流单元包括驱动电路。驱动电路耦接逆变电路与比较器的输出端，用以依据过流判断讯号控制逆变电路的开关切换。

本发明的逆变器的过流保护方法包括以下步骤：检测滤波电容上的交流电流，其中滤波电容并接于逆变电路与负载；以及依据交流电流决定是否启动过流保护机制以限制逆变电器的电源转换运作。

在本发明一实施例中，检测滤波电容上的交流电流的步骤包括：取样交流电流；以及对所取样的交流电流进行整流以产生取样电流讯号。

在本发明一实施例中，依据交流电流决定是否启动过流保护机制以限制逆变电器的电源转换运作的步骤包括：比较取样电流讯号与参考值；若取样电流讯号大于等于参考值，启动过流保护机制，以限制逆变器的电源转换运作；以及若取样电流讯号小于参考值，不启动过流保护机制，以使逆变器正常工作。

基于上述，本发明实施例提出一种逆变器及其过流保护方法。所述逆变器可藉由检测滤波电容上的交流电流来做为决定是否启动过流保护机制的依据，因此本发明实施例的逆变器可在发生过流时快速地进行过流保护。更具体地说，由于滤波电容上的电流变化会超前于电压变化，因此当逆变器的交流输出电压发生瞬变时，逆变器即可反应于滤波电容上的交流电流而提前启动过流保护机制，使得逆变器不会因其本身硬件或软件的延迟而造成过流保护机制无法适时地对逆变器进行限流，进而提高逆变器电源转换运作的稳定性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例的逆变器的示意图。

图2为本发明一实施例的逆变器的电路架构示意图。

图3为本发明一实施例的逆变器的过流保护方法的步骤流程图。

图4为本发明另一实施例的逆变器的过流保护方法的步骤流程图。

具体实施方式

本发明实施例提出一种逆变器及其过流保护方法。所述逆变器可藉由检测滤波电容上的交流电流来做为决定是否启动过流保护机制的依据，因此本发明实施例的逆变器可在发生过流时快速地进行过流保护，进而提高逆变器电源转换运作的稳定性。为了使本揭露之内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本揭露确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。

图1为本发明一实施例的逆变器的示意图。请参照图1，逆变器100包括逆变电路110、滤波电容120以及过流保护电路130。其中，逆变电路110的输出端与滤波电容120并联后再与负载10耦接，且过流保护电路130耦接逆变电路110与滤波电容120。

逆变电路110是用以将所接收的直流输入电压Vin转换为交流输出电压Vout以供负载10使用。滤波电容120是用以对逆变电路110所输出的交流输出电压Vout进行低通滤波。而过流保护电路130则是用以提供逆变电路110过流保护机制，以令逆变电路110在发生过流时停止输出。

在本实施例中，过流保护电路130会检测滤波电容120上的交流电流Iac，以依据所检测到的交流电流Iac的大小来决定是否启动过流保护机制。其中，当过流保护机制被启动时，过流保护电路130会以特定的控制手段来控制逆变电路110的电源转换运作，以限制逆变电路110的输出电流，从而达到过流保护的效果。举例来说，所述控制手段可例如为：当判断逆变器110发生过流时，停止提供用以控制逆变电路110之开关切换的控制讯号一段期间（例如，二分之一工作周期），然后于该期间后再重新进行锁相，并为逆变电路110提供控制讯号。相反地，当过流保护机制未被启动时，过流保护电路130不会介入逆变电路110的控制，因此逆变电路110得以正常地进行电源转换运作以将直流输入电压Vin转换为交流输出电压Vout。

于此应注意的是，上述停止提供控制讯号予逆变电路110的控制手段仅为实现过流保护机制的一实施范例，本发明不仅限于此。

一般来说，在逆变电路110正常工作状态下，逆变电路110所输出的交流输出电压Vout理论上会等于滤波电容120的跨压。但是，当逆变电路110瞬间接入纯电容性的负载10，或者当负载10发生电压瞬变时（此时负载例如为电网（grid）），逆变电路110的交流输出电压Vout很可能会发生反向跌落，使得逆变器100中产生较大的浪涌电流。于此情形下，传统的过流保护方法并无法实时地在浪涌电流发生之前对逆变电路110进行限流。

相较之下，由于本发明实施例的过流保护电路130是藉由检测滤波电容120上的交流电流Iac来做为判断逆变器100是否发生过流的依据，因此过流保护电路130可预先判断逆变器100是否会发生浪涌电流而快速且有效地进行过流保护。

详细而言，当交流输出电压Vout发生反向跌落的同时，滤波电容120的两端电压也会产生反向跌落，此时滤波电容120将会反应于其跨压的变化而产生较大的交流电流Iac。此外，在滤波电容120中，由于其交流电流Iac的相位会领先于其跨压的相位，因此交流电流Iac会在浪涌电流产生之前预先的发生变化。

基于上述交流电流Iac的特性，过流保护电路130即可在交流输出电压Vout发生瞬变时，提前对逆变电路110进行限流，从而改善了传统过流保护机制中，由于硬件延迟或软件延迟所造成的限流操作缺陷。

更具体地说，过流判断电路130包括电流取样单元132、过流判断单元134以及限流单元136。电流取样单元132耦接滤波电容120，用以取样滤波电容120上的交流电流Iac，并且对所取样的交流电流Iac进行整流以产生取样电流讯号Ico。过流判断单元134耦接电流取样单元132，用以依据取样电流讯号Ico产生过流判断讯号Sde，其中过流判断讯号Sde系指示取样电流讯号Ico（即，整流后的交流电流Iac）与一参考值之间的相对关系，也就是指示逆变器100是否发生过流。限流单元136耦接逆变电路110与过流判断单元134，其中限流单元136受控于过流判断讯号Sde而决定是否启动所述过流保护机制。

详细而言，在电流取样单元132取样并整流交流电流Iac后，过流判断单元134可根据关联于交流电流Iac的取样电流讯号Ico与所述参考值的比较结果而判断滤波电容120的跨压是否发生反向跌落，从而发出相应的过流判断讯号Sde来控制限流单元136。举例来说，当过流判断单元134判断取样电流讯号Ico大于等于所述参考值时，过流判断单元134会产生致能的过流判断讯号Sde（例如高准位讯号）以指示逆变器100发生过流。此时限流单元136会反应于致能的过流判断讯号Sde而启动过流保护机制，以限制逆变电路110的电源转换运作，从而降低逆变电路110的输出电流。相反地，当过流判断单元134判断取样电流讯号Ico小于所述参考值时，过流判断单元134会产生禁能的过流判断讯号Sde（例如低准位讯号）以指示逆变器100处于正常工作状态。此时限流单元136会反应于禁能的过流判断讯号Sde而不启动过流保护机制，以使逆变电路110可正常工作。

于此值得一提的是，在本实施例中，电流取样单元132可以为任一具有电流取样功能的电路结构或芯片。过流判断电路134可为比较器（comparator）或者其他具有比较功能的软件或硬件电路，本发明不以此为限。 

图2为本发明一实施例的逆变器的电路架构示意图。请参照图2，逆变器200同样包括逆变电路210、滤波电容220以及过流保护电路230。于此，逆变电路210是以由开关晶体管Q1~Q4以及谐振电感Lo所组成的全桥逆变电路为例，但本发明不仅限于此。

在逆变电路210中，开关晶体管Q1与Q2相互串接以组成一桥臂，且开关晶体管Q3与Q4相互串接以组成另一桥臂。所述两桥臂相互并接，并且接收直流输入电压Vin。谐振电感Lo的一端耦接开关晶体管Q1与Q2的共节点，且谐振电感Lo的另一端耦接滤波电容220与负载10的一端。负载10的另一端耦接开关晶体管Q3与Q4的共节点，且经由电流取样单元232耦接滤波电容220的另一端。

在过流保护电路230中，电流取样单元232是以电流互感器CT以及整流器REC所组成的电路架构来实现（但不仅限于此）。电流互感器CT具有一次侧绕组NP与二次侧绕组NS，其中电流互感器CT的一次侧绕组NP与滤波电容220相互串接，藉以令滤波电容220上的交流电流Iac流经电流互感器CT的一次侧绕组NP。电流互感器CT的二次侧绕组NS则反应于流经一次侧绕组NP的交流电流Iac感应出相应的讯号（即，关联于交流电流Iac的讯号）。

整流器REC耦接二次侧绕组NS的两端，以对二次侧绕组NS上的讯号进行整流，并据以产生取样电流讯号Ico。更具体地说，整流器REC于此是用以对电流互感器CT所取样出的讯号进行取绝对值的操作，以便于后端的过流判断单元234进行讯号的比较与判断。在本实施例中，整流器REC取绝对值的功能是以由二极管D1~D4所组成的全桥整流器来实现（但不仅限于此）。其中，于二次侧绕组NS上之正负交替变化的电流讯号经过全桥整流器后将会变为直流的取样电流讯号Ico，并且被提供至过流判断单元234，以令过流判断单元234判断逆变器200是否会发生过流（即，交流输出电压Vout是否发生反向跌落）。换言之，取样电流讯号Ico的大小即表示滤波电容220上的交流电流Iac的绝对值大小。

本实施例的过流判断单元234是以比较器COMP来实现（但不仅限于此，任何可实现比较判断功能的硬件电路或软件均可替代），而限流单元236则是以驱动电路DC来实现（同样不仅限于此）。在本实施例中，比较器COMP的第一输入端接收整流器REC所输出的取样电流讯号Ico。比较器COMP的第二输入端接收一参考值Iset，其中所述参考值Iset是做为判断滤波电容220上的交流电流Iac是否发生突变的参考值。比较器COMP的输出端耦接至驱动电路DC，其中驱动电路DC依据比较器COMP所输出的过流判断讯号Sde而决定是否启动过流保护机制，以产生相应的控制讯号S1~S4来切换开关晶体管Q1~Q4，从而控制逆变电路210的电源转换运作。

举例来说，当整流器REC所输出的取样电流讯号Ico大于等于参考值Iset时，比较器COMP会输出对应的过流判断讯号Sde来使驱动电路DC启动过流保护机制。此时驱动电路DC会在一段期间内停止提供控制讯号S1~S4予开关晶体管Q1~Q4，使得开关晶体管Q1~Q4于该段期间内截止，直到比较器COMP判断取样电流讯号Ico小于参考值Iset时，驱动电路DC再停止过流保护机制，以重新提供控制讯号S1~S4予开关晶体管Q1~Q4，以令逆变电路210正常工作。

此外，在本实施例中，由于电流互感器CT的一次侧绕组NP是与滤波电容220相互串接，而滤波电容220具有隔离直流的作用，故电流互感器CT的二次侧绕组NS所感应出的讯号中不会包括直流成分。因此，本发明实施例的过流保护电路230不会有磁通重置（magnetic flux reset）的问题，使得整体逆变器200的电源转换运作更加稳定。

图3为本发明一实施例的逆变器的过流保护方法的步骤流程图。本实施例所述之过流保护方法可适用于如前述实施例的逆变器100或200。请参照图3，所述过流保护方法包括以下步骤：检测滤波电容（如120、220）上的交流电流，其中滤波电容并接于逆变器（如110、210）与负载（如10）（步骤S310）；以及依据交流电流决定是否启动过流保护机制以限制逆变器的电源转换（步骤S320）。

更具体地说，图3所述之过流保护方法可进一步地利用图4的步骤流程来实现。请参照图4，本实施例的过流保护方法包括以下步骤：取样滤波电容上的交流电流（步骤S410）；对所取样的交流电流进行整流以产生取样电流讯号（步骤S420）；比较所述取样电流讯号与一参考值，以判断取样电流讯号是否大于等于参考值（步骤S430）；若取样电流讯号大于等于参考值，则启动过流保护机制，以限制逆变器的电源转换（步骤S440）；以及若取样电流讯号小于参考值，则不启动过流保护机制，以使逆变器正常工作（步骤S450）。

其中，图3与图4实施例所述之过流保护方法可根据前述图1与图2的说明而获得充足的支持与教示，故相似或重复之处于此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提出一种逆变器及其过流保护方法。所述逆变器可藉由检测滤波电容上的交流电流来做为决定是否启动过流保护机制的依据。其中，由于滤波电容上的电流变化会超前于电压变化，因此当逆变器的交流输出电压发生瞬变时，逆变器即可反应于滤波电容上的交流电流而提前启动过流保护机制，使得逆变器不会因其本身硬件或软件的延迟而造成过流保护机制无法适时地对逆变器进行限流。因此，本发明实施例的逆变器可在发生过流时快速地进行过流保护，进而提高逆变器电源转换运作的稳定性。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种逆变器，包括：

一逆变电路，用以将一直流输入电压转换为一交流输出电压，以提供该交流输出电压予一负载；

一滤波电容，并接于该逆变电路与该负载；以及

一过流保护电路，耦接该逆变电路与该滤波电容，用以提供一过流保护机制，

其中，该过流保护电路检测该滤波电容上的一交流电流，并且依据该交流电流决定是否启动该过流保护机制，以限制该逆变电路的电源转换运作。

2.如申请专利范围第1项所述的逆变器，其中该过流保护电路包括：

一电流取样单元，耦接该滤波电容，用以取样该交流电流，并且对所取样的交流电流进行整流以产生一取样电流讯号；

一过流判断单元，耦接该电流取样单元，用以依据该取样电流讯号产生一过流判断讯号，其中该过流判断讯号指示该取样电流讯号与一参考值之间的相对关系；以及

一限流单元，耦接该逆变电路与该过流判断单元，用以依据该过流判断讯号而决定是否启动该过流保护机制。

3.如申请专利范围第2项所述的逆变器，其中：

当该取样电流讯号大于等于该参考值时，该限流单元依据该过流判断讯号而启动该过流保护机制，以限制该逆变电路的电源转换运作，以及

当该取样电流讯号小于该参考值时，该限流单元依据该过流判断讯号而不启动该过流保护机制，以使该逆变电路正常工作。

4.如申请专利范围第2项所述的逆变器，其中该电流取样单元包括：

一电流互感器，具有一一次侧绕组与一二次侧绕组，其中该一次侧绕组与该滤波电容相互串接；以及

一整流器，耦接该电流互感器的二次侧绕组，以根据该二次侧绕组上的讯号产生该取样电流讯号。

5.如申请专利范围第4项所述的逆变器，其中该过流判断单元包括：

一比较器，具有一第一输入端、一第二输入端以及一输出端，该第一输入端耦接该整流器以接收该取样电流讯号，该第二输入端接收该参考值，以及该输出端输出该过流判断讯号。

6.如申请专利范围第5项所述的逆变器，其中该限流单元包括：

一驱动电路，耦接该逆变电路与该比较器的输出端，用以依据该过流判断讯号控制该逆变电路的开关切换。

7.一种逆变器的过流保护方法，其中该逆变器包括一逆变电路、一滤波电容以及一过流保护电路，该过流保护方法包括：

检测一滤波电容上的一交流电流，其中该滤波电容并接于该逆变电路与一负载；以及

依据该交流电流决定是否启动一过流保护机制以限制该逆变电器的电源转换运作。

8.如申请专利范围第7项所述的过流保护方法，其中检测该滤波电容上的该交流电流的步骤包括：

取样该交流电流；以及

对所取样的交流电流进行整流以产生一取样电流讯号。

9.如申请专利范围第8项所述的过流保护方法，其中依据该交流电流决定是否启动该过流保护机制以限制该逆变电器的电源转换运作的步骤包括：

比较该取样电流讯号与一参考值；

若该取样电流讯号大于等于该参考值，启动该过流保护机制，以限制该逆变器的电源转换运作；以及

若该取样电流讯号小于该参考值，不启动该过流保护机制，以使该逆变器正常工作。