CN110707957A - 具有过流保护控制的换流装置 - Google Patents

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Abstract

一种具有过流保护控制的换流装置包括﹕使直流输入端的第一端通过第一开关元件与第二开关元件耦接交流输出端，且直流输入端的第二端通过第四开关元件与第三开关元件耦接交流输出端。中点电位端耦接第五开关元件与第六开关元件，并且通过第五开关元件与第二开关元件耦接交流输出端，以及通过第六开关元件与第三开关元件耦接交流输出端。当控制单元判断为过流状态时，控制单元控制换流装置的关断顺序为第二开关元件、第一开关元件及第六开关元件。

Description

具有过流保护控制的换流装置
技术领域
本发明有关一种具有过流保护控制的换流装置，尤指一种具有过流保护控制的主动式中性点箝位换流装置。
背景技术
现代的电力电子领域中，电源转换装置越来越讲求低成本、高效率及高利用率的电路设计。尤其在越来越多的电子产品需要使用换流装置的情况下，高效率的换流装置已成为近年来研究与发展的重点。
目前的换流装置中，主动式中性点箝位换流装置(Active-Neutral-Point-Clamped Inverter；ANPC)由于具有开关损耗小、电磁干扰 (EMI)小等优点，因此非常适合用于太阳能领域或不断电供电***的技术领域上。
但是，当ANPC换流装置在输出端过电流时，需要设计保护电路以避免输出端过电流而造成ANPC换流装置的损坏，所以控制单元必须要将开关元件关闭。但是，ANPC换流装置在开关元件关断或启动时，若是开关元件关断的顺序或启动的顺序错误会造成开关元件的两端产生过大的电压应力，而容易使得开关元件损坏。
因此，如何设计出一种具有过流保护控制的换流装置，并设计出开关元件适合的关断及开启顺序，以避免输出端过电流而造成ANPC换流装置的损坏，乃为本案发明人所欲行克服并加以解决的一大课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种具有过流保护控制的换流装置，以克服现有技术的问题。因此，本发明具有过流保护控制的换流装置耦接具有中点电位端的直流输入端与交流输出端，换流装置包括：桥臂组，包括：第一桥臂，包括依序串接的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件，交流输出端耦接第二开关元件与第三开关元件，使直流输入端的第一端通过第一开关元件与第二开关元件耦接交流输出端，且直流输入端的第二端通过第四开关元件与第三开关元件耦接交流输出端。第二桥臂，包括串接的第五开关元件与第六开关元件，中点电位端耦接第五开关元件与第六开关元件，并且通过第五开关元件与第二开关元件耦接交流输出端，以及通过第六开关元件与第三开关元件耦接交流输出端。及控制单元，提供多个控制信号控制桥臂组；当控制单元判断为过流状态时，控制单元控制桥臂组在正半周操作时的关断顺序依序为第二开关元件、第一开关元件及第六开关元件；控制单元控制桥臂组在负半周操作时的关断顺序依序为第三开关元件、第四开关元件及第五开关元件。
为了解决上述问题，本发明提供一种具有过流保护控制的换流装置，以克服现有技术的问题。因此，本发明具有过流保护控制的换流装置耦接具有中点电位端的直流输入端与交流输出端，换流装置包括：桥臂组，包括：第一桥臂，包括依序串接的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件，交流输出端耦接第二开关元件与第三开关元件，使直流输入端的第一端通过第一开关元件与第二开关元件耦接交流输出端，且直流输入端的第二端通过第四开关元件与第三开关元件耦接交流输出端。第二桥臂，包括串接的第五开关元件与第六开关元件，中点电位端耦接第五开关元件与第六开关元件，并且通过第五开关元件与第二开关元件耦接交流输出端，以及通过第六开关元件与第三开关元件耦接交流输出端。及控制单元，提供多个控制信号控制桥臂组；当控制单元判断为过流状态时，控制单元控制桥臂组在正半周操作时的关断顺序为第一开关元件早于第六开关元件；控制单元控制桥臂组在负半周操作时的关断顺序为第四开关元件早于第五开关元件。当控制单元判断非为过流状态时，控制单元控制桥臂组在正半周操作时的启动顺序为第六开关元件早于第一开关元件；控制单元控制桥臂组在负半周操作时的启动顺序为第五开关元件早于第四开关元件。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1为本发明换流装置的电路示意图；
图2为本发明第一种控制态样的换流装置的波形示意图；
图3A为本发明第一种控制态样的正半周主电流路径示意图；
图3B为本发明第一种控制态样的正半周续流路径示意图；
图3C为本发明第一种控制态样的负半周主电流路径示意图；
图3D为本发明第一种控制态样的负半周续流路径示意图；
图4A为本发明第一种控制态样于正半周操作时的开关元件关断顺序波形示意图；
图4B为本发明第一种控制态样于正半周操作时的开关元件启动顺序波形示意图；
图5A为本发明第二种控制态样的换流装置的波形示意图；
图5B为本发明第三种控制态样的换流装置的波形示意图；
图6A为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的正半周主电流路径示意图；
图6B为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的正半周续流路径示意图；
图6C为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的负半周主电流路径示意图；
图6D为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的负半周续流路径示意图；
图7A为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第一实施例开关元件关断顺序波形示意图；
图7B为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第二实施例开关元件关断顺序波形示意图；
图7C为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第一实施例开关元件启动顺序波形示意图；
图7D为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第二实施例开关元件启动顺序波形示意图；
图7E为本发明二控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第三实施例开关元件启动顺序波形示意图。
其中附图标记为：
100…换流装置
10…桥臂组
11…第一桥臂
112…第一开关单元
114…第二开关单元
116…第三开关单元
118…第四开关单元
Q1…第一开关元件
D1…第一二极管
Q2…第二开关元件
D2…第二二极管
Q3…第三开关元件
D3…第三二极管
Q4…第四开关元件
D4…第四二极管
12…第二桥臂
122…第五开关单元
124…第六开关单元
Q5…第五开关元件
D5…第五二极管
Q6…第六开关元件
D6…第六二极管
20…控制单元
S1…第一控制信号
S2…第二控制信号
S3…第三控制信号
S4…第四控制信号
S5…第五控制信号
S6…第六控制信号
200…负载
IN…直流输入端
IN1…第一端
IN2…第二端
INC…中点电位端
OUT…交流输出端
L…输出电感
Vin…直流电源
V1…第一直流源
V2…第二直流源
Vo…交流电源输出
Io…输出电流
PM…正半周主电流路径
PF…正半周续流路径
NM…负半周主电流路径
NF…负半周续流路径
Ipk…电流保护点
Ipk_min…电流低点
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：
请参阅图1为本发明换流装置的电路示意图。换流装置100耦接直流输入端 IN与交流输出端OUT，且将直流电源Vin转换为交流电源输出Vo，以供应后端负载200运作所需的电力。直流输入端IN包括第一端IN1、第二端IN2及中点电位端INC，第一端IN1与中点电位端INC耦接直流电源Vin的第一直流源V1，且第二端IN2与中点电位端INC耦接直流电源Vin的第二直流源V2，第一直流源V1 与第二直流源V2可为任意直流电压源，例如但不限于为电池或电容。值得一提，于本发明的一实施例中，交流输出端OUT可串接输出电感L，以供交流输出端通过输出电感L滤波成交流电源输出Vo，交流电源输出Vo可提供给负载200，负载例如但不限于为接收交流电源的电子或电机设备，亦可以是公用电力网络。此外，于本发明的一实施例中，换流装置100为主动式中性点箝位换流器 (Active-Neutral-Point-ClampedInverter；ANPC)，且本发明的换流装置100可应用在单相或三相换流装置，当为三相换流装置的应用时，使用三组换流装置的三个交流输出端OUT以提供三个相输出，此为本领域技术人员所理解的，在此不多加赘述。
换流装置100包括桥臂组10与控制单元20，且桥臂组10包括第一桥臂11与第二桥臂12。第一桥臂11包括依序串接的第一开关单元112、第二开关单元114、第三开关单元116及第四开关单元118。每个开关单元(112～118)可包括对应的开关元件(Q1～Q4)以及并接开关元件(Q1～Q4)的二极管(D1～D4)，而与开关元件并接的二极管不限定为独立的二极管，亦可以是开关元件本身的寄生二极管。交流输出端OUT耦接第二开关单元114与第三开关单元116，使第一端IN1通过第一开关单元112与第二开关单元114耦接交流输出端OUT，且第二端IN2通过第四开关单元118与第三开关单元116耦接交流输出端OUT。
第二桥臂12包括串接的第五开关单元122与第六开关单元124，中点电位端 INC耦接第五开关单元122的一端、第六开关单元124的一端，且第五开关单元 122的另一端耦接第一开关单元112与第二开关单元114，第六开关单元124的另一端耦接第三开关单元116与第四开关单元118。第五开关单元122与第六开关单元124可包括对应的开关元件(Q5～Q6)以及并接开关元件(Q5～Q6)的二极管 (D5～D6)，而与开关元件并接的二极管不限定为独立的二极管，亦可以是开关元件本身的寄生二极管。中点电位端INC通过第五开关单元122与第二开关单元 114耦接交流输出端OUT，以及中点电位端INC通过第六开关单元124与第三开关单元116耦接交流输出端OUT。控制单元20提供多个控制信号(S1～S6)分别控制桥臂组10的开关元件(Q1～Q6)，以控制桥臂组10将直流电源Vin转换为交流电源输出Vo。具体而言，控制单元20控制第一开关单元112与第二开关单元114为交流电源输出Vo的正半周操作时的主电流路径，控制第三开关单元116与第四开关单元118为交流电源输出Vo的负半周操作时的主电流路径，且控制第五开关单元122与第六开关单元124为续流路径。
进一步而言，换流装置100可操作于不同的控制态样以将直流电源Vin转换为交流电源输出Vo。而本发明的目的在于换流装置100操作于各种控制态样下发生过流状态时，控制单元20提供对应的关断顺序进行过流保护，使得换流装置100的输出电流Io降低。当输出电流Io下降到一定的水平，控制单元20再提供对应的启动顺序，使换流装置100恢复正常工作状态。
具体而言，控制单元20提供对应的关断顺序的主要技术精神在于：主电流路径高频切换的开关单元先关断，于存在一续流路径下将主电流路径低频切换的开关单元或其余续流路径开关单元关断，最后再关断续流路径的开关单元。而启动顺序的主要技术精神，恰与关断顺序相反。如此，可避免换流装置100 其中之一的开关元件(Q1～Q6)的两端电压应力过大，而导致开关元件(Q1～Q6) 损坏。有关换流装置100的三种不同控制态样，以及各种控制态样操作的关断顺序与启动顺序，于后文有进一步的记载。
请参阅图2为本发明第一种控制态样的换流装置的波形示意图，复配合参阅图1。控制信号(S1～S6)包括控制第一开关元件Q1的第一控制信号S1、控制第二开关元件Q2的第二控制信号S2、控制第三开关元件Q3的第三控制信号S3、控制第四开关元件Q4的第四控制信号S4、控制第五开关元件Q5的第五控制信号 S5及控制第六开关元件Q6的第六控制信号S6。
换流装置100为第一种控制态样且在正常工作状态(意即非为过流状态)时，响应于桥臂组10在正半周操作，控制单元20输出的第二控制信号S2为第一切换信号、第三控制信号S3为与第一切换信号互补的第二切换信号、第一控制信号 S1与第六控制信号S6为第一准位信号、以及第四控制信号S4与第五控制信号S5 为第二准位信号；而响应于桥臂组10在负半周操作，控制单元20输出的第二控制信号S2为第三切换信号、第三控制信号S3为与第三切换信号互补的第四切换信号、第四控制信号S4与第五控制信号S5为第一准位信号、以及第一控制信号 S1与第六控制信号S6为第二准位信号。
值得一提，于本发明之一实施例中，控制单元20输出的控制信号(S1～S6) 为切换信号时，所指的是脉波宽度调变(Pulse Width Modulation；PWM)信号。此外，控制单元20输出的第一准位信号的准位值高于第二准位信号的准位值，但不限定第一准位信号与第二准位信号的准位值，只要第一准位信号的准位值可供开关元件(Q1～Q6)启动，且第二准位信号的准位值可供开关元件(Q1～Q6) 关断即可。
请参阅图3A为本发明第一种控制态样的正半周主电流路径示意图、图3B 为本发明第一种控制态样的正半周续流路径示意图、图3C为本发明第一种控制态样的负半周主电流路径示意图、图3D为本发明第一种控制态样的负半周续流路径示意图，复配合参阅图1～2。换流装置100在正常工作状态(意即非为过流状态)时，桥臂组10的正半周主电流路径PM为第一直流源V1、第一开关单元112、第二开关单元114、输出电感L、交流电源输出Vo，再回到第一直流源V1(如图 3A所示)；而桥臂组10的正半周续流路径PF为输出电感L、交流电源输出Vo、第六开关单元124、第三开关单元116，再回到输出电感L(如图3B所示)。
换流装置100在正常工作状态(意即非为过流状态)时，桥臂组10的负半周主电流路径NM为第二直流源V2、交流电源输出Vo、输出电感L、第三开关单元 116、第四开关单元118，再回到第二直流源V2(如图3C所示)；而桥臂组10的负半周续流路径NF为输出电感L、第二开关单元114、第五开关单元122、交流电源输出Vo，再回到输出电感L(如图3D所示)。
上述图2～3D简单说明具有第一种控制态样的换流装置100在正常工作状态时的控制信号(S1～S6)波形，以及对应的电流路径。进一步地，当操作于第一种控制态样的换流装置100发生过流状态时，控制单元20需提供对应的关断顺序，使输出电流Io下降，并且等待输出电流Io下降到一定水平后，再提供从过流状态恢复至非过流状态时的启动顺序，使换流装置100恢复正常工作状态。
请参阅图4A为本发明第一种控制态样于正半周操作时的开关元件关断顺序波形示意图，复配合参阅图1～3D。第一种控制态样在正半周操作时主电流路径为第一开关元件Q1与第二开关元件Q2，续流路径则是为第六开关元件Q6。控制单元20控制第一开关元件Q1的第一控制信号S1为第一准位信号(意即高准位信号)，控制第二开关元件Q2的第二控制信号S2为第一切换信号(意即高频切换信号)，且控制第六开关元件Q6的第六控制信号S6为第一准位信号(意即高准位信号)。当交流电源输出Vo在正半周操作，若输出电流Io上升而达到预先设定的电流保护点Ipk，控制单元20判断换流装置100发生过流状态。具体而言，输出电流Io可藉由设置感测元件以侦测流经输出电感L上的电流来得知，然感测元件设置位置并不限定，只要能得知输出电流Io的信息即可，而输出电流Io是否达到电流保护点Ipk的判断，可使用比较器等模拟元件或转换为数字数值方式等本领域常用的手段。当控制单元20判断换流装置100发生过流状态，控制单元20 先将主电流路径中高频切换的开关元件关断(意即须先关断第二开关元件Q2)，以避免输出电流Io持续上升，在第二开关元件Q2关断后，控制单元20再将第一开关元件Q1关断，以关断主电流路径上的所有开关元件，最后将第六开关元件 Q6关断，以关断续流路径。
值得一提，由于在负半周操作时主电流路径的第四开关元件Q4与第三开关元件Q3分别对应正半周操作时主电流路径为第一开关元件Q1与第二开关元件 Q2，且续流路径的第五开关元件Q5对应第六开关元件Q6，因此第一种控制态样于负半周操作时的开关单元关断顺序对应于图4A。意即，控制单元20控制桥臂组10在负半周操作时的关断顺序为第三开关元件Q3、第四开关元件Q4、第五开关元件Q5。
进一步而言，在第一种控制态样发生过流状态时，控制单元20控制桥臂组 10的关断依序为第二开关元件Q2、第一开关元件Q1、第六开关元件Q6(正半周)，以及第三开关元件Q3、第四开关元件Q4、第五开关元件Q5(负半周)。其原因在于，当于正半周且第一开关元件Q1先关断的情况下(意即关断顺序为第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第六开关元件Q6，或第一开关元件Q1、第六开关元件Q6、第二开关元件Q2)，在高频切换的开关元件关断以前(意即在第二开关元件Q2关断以前)，高频切换的开关元件在此区间内可能已经切换了数次，且过电流时的大输出电流Io会造成第二开关元件Q2的切换损失很大，从而降低效率且增加元件温度。
另一方面，参阅图2本发明第一种控制态样的换流装置的波形示意图，由于控制信号(S1、S6)的切换频率，相较于第二控制信号S2或第三控制信号S3来得低，因此第一开关元件Q1导通时间长，而切换次数相对较少。于本发明的一实施例中，第一开关元件Q1可选用与第二开关元件Q2不同类型的开关以达到效率优化，可使用传导损失较小的开关(例如但不限于IGBT)，但其特性会有较显著的关断延迟和切换损失。因此，若第一开关元件Q1先关断，因关断延迟可能会使输出电流Io持续升高，故上述关断顺序为第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第六开关元件Q6，或第一开关元件Q1、第六开关元件Q6、第二开关元件Q2皆为不理想的关断顺序。
当于正半周且第六开关元件Q6先关断的情况下，由于正半周的主电源电流路径并未关断，而先关断续流路径。因此会造成输出电流Io达到电流保护点Ipk 还持续升高的情况，因此容易造成换流装置100内的元件损坏。此外，因为第二开关元件Q2为高频切换，一旦第二开关元件Q2关断时，由于主电流路径和续流路径皆被关断，因此续流电流被迫流经交流电源输出Vo、第二直流源V2、第四二极管D4、第三二极管D3的电流路径。造成第二开关元件Q2要承受的电压应力等于第一直流源V1加上第二直流源V2，将使得第二开关元件Q2必须被迫选择原本耐压两倍的元件，否则开关元件将会损坏，进而造成换流装置100的成本增加及效率不佳的问题。因此，第六开关元件Q6先关断也为不理想的关断顺序。
相似的，若是开关元件的关断顺序为第二开关元件Q2、第六开关元件Q6、第一开关元件Q1的情况下，由于主电流路径和续流路径先被关断，因此电流也被迫流经交流电源输出Vo、第二直流源V2、第四二极管D4、第三二极管D3的电流路径。因此，同样会造成第二开关元件Q2要承受的电压应力等于第一直流源V1加上第二直流源V2。所以关断顺序为第二开关元件Q2、第六开关元件Q6、第一开关元件Q1也为不理想的关断顺序。值得一提，当于负半周时，控制单元 20控制桥臂组10的关断顺序必须依照第三开关元件Q3、第四开关元件Q4、第五开关元件Q5的顺序，其原因如同正半周时的关断顺序，在此不多加赘述。
请参阅图4B为本发明第一种控制态样于正半周操作时的开关元件启动顺序波形示意图，复配合参阅图1～4A。当第六开关元件Q6关断后，输出电流Io 持续下降至控制单元20预先设定的电流低点Ipk_min，此时可开始回复开关的导通。控制单元20先将第六开关元件Q6启动，使得输出电流Io可流经第六开关元件Q6与第三二极管D3的续流路径(请参阅图3B)。然后，控制单元20再依序启动第一开关元件Q1，以及主电流路径中高频切换的开关元件(意即最后将第二开关元件Q2启动)。
值得一提，于本发明的一实施例中，由于在负半周操作时主电流路径的第四开关元件Q4与第三开关元件Q3对应正半周操作时主电流路径为第一开关元件Q1与第二开关元件Q2，且续流路径的第五开关元件Q5对应第六开关元件Q6，因此第一种控制态样式于负半周操作时的开关单元启动顺序对应于图4B。意即，控制单元20控制桥臂组10在负半周操作时的启动顺序为第五开关元件Q5、第四开关元件Q4、第三开关元件Q3。
进一步而言，在第一种控制态样时，控制单元20控制桥臂组10的启动依序为第六开关元件Q6、第一开关元件Q1、第二开关元件Q2的顺序(正半周)，以及第五开关元件Q5、第四开关元件Q4、第三开关元件Q3的顺序(负半周)。其原因在于，当于正半周且启动顺序为第一开关元件Q1、第六开关元件Q6、第二开关元件Q2的情况下。由于第一开关元件Q1启动前，主电流路径和续流路径尚未建立，电流被迫流经交流电源输出Vo、第二直流源V2、第四二极管D4、第三二极管D3的电流路径，因此，一旦第一开关元件Q1启动，会造成第二开关元件 Q2要承受的电压应力等于第一直流源V1加上第二直流源V2。所以启动顺序为第一开关元件Q1、第六开关元件Q6、第二开关元件Q2为不理想的启动顺序。
当于正半周且第二开关元件Q2先启动的情况下(意即启动顺序为第二开关元件Q2、第一开关元件Q1、第六开关元件Q6，或第二开关元件Q2、第六开关元件Q6、第一开关元件Q1)，高频切换的开关元件先启动(意即第二开关元件Q2 先启动)，在高频切换的开关元件高频切换时，桥臂组10无法稳定提供续流路径，且有可能在高频切换的开关元件高频切换的过程中，使得开关元件的启动顺序转变成第一开关元件Q1、第六开关元件Q6、第二开关元件Q2。因此，第二开关元件Q2先启动亦为不理想的启动顺序。
当启动顺序为第六开关元件Q6、第二开关元件Q2、第一开关元件Q1时，如先前所述，第一开关元件Q1若使用传导损失较小的开关(例如但不限于IGBT) 时，最后启动的第一开关元件Q1因本身切换损失较大，较大的回复电流使得第一开关元件Q1容易损坏。值得一提，当于负半周时，控制单元20控制桥臂组10 的启动依序为第五开关元件Q5、第四开关元件Q4、第三开关元件Q3的顺序，其原因如同正半周时的启动顺序，在此不多加赘述。
值得一提，于本发明的一实施例中，控制单元20预先设定了电流保护点Ipk 与电流低点Ipk_min的磁滞区间的原因在于，避免当换流装置100执行关断开关元件使输出电流Io下降至预先设定了电流保护点Ipk后，就立即执行启动顺序使输出电流Io又迅速地达到电流保护点Ipk，而造成控制单元20控制换流装置100 频繁的执行关断顺序与启动顺序的状况。
请参阅图5A为本发明第二种控制态样的换流装置的波形示意图，复配合参阅图1～4B。换流装置100为第二种控制态样操作且在正常工作状态(意即非为过流状态)时，响应于桥臂组10在正半周操作，控制单元20输出的第一控制信号S1 为第一切换信号、第五控制信号S5为与第一切换信号互补的第二切换信号、第二控制信号S2与第六控制信号S6为第一准位信号、以及第三控制信号S3与第四控制信号S4为第二准位信号；而响应于桥臂组10在负半周操作，控制单元20输出的第四控制信号S4为第三切换信号、第六控制信号S6为与第三切换信号互补的第四切换信号、第三控制信号S3与第五控制信号S5为第一准位信号、以及第一控制信号S1与第二控制信号S2为第二准位信号。
请参阅图5B为本发明第三种控制态样的换流装置的波形示意图，复配合参阅图1～5A。第三种控制态样与图5A的第二种控制态样差异在于，换流装置100 在正常工作状态(意即非为过流状态)，响应于桥臂组10在正半周操作，控制单元20输出的第三控制信号S3为该第二切换信号，其余的控制信号(S1～S2、 S4～S6)皆与图5A相同；而响应于桥臂组10在负半周操作，控制单元20输出的第二控制信号S2为第四切换信号，其余的控制信号(S1、S3～S6)皆与图5A相同。
进一步而言，图2的第一种控制态样与图5A、5B的第二种控制态样、第三种控制态样差异在于，第一控制信号S1与第六控制信号S6在正半周操作为第一准位信号，且在负半周操作时为第二准位信号，第四控制信号S4与第五控制信号S5在正半周操作与负半周操作时，恰与第一控制信号S1、第六控制信号S6相反。因此上述控制信号(S1、S4～S6)的切换频率，相较于第二控制信号S2或第三控制信号S3低，故开关元件(Q1、Q4～Q6)适用切换损失较大，但传导损失较小的开关类型(例如但不限于IGBT)。另外一方面，第二控制信号S2与第三控制信号S3的切换频率，相较于第一控制信号S1或第四控制信号S4高，故开关元件 (Q2、Q3)适用传导损失较大，但切换损失较小的开关类型(例如但不限于 MOSFET)。换言之，图2的第一种控制态样可针对控制信号的切换频率与特性来选择相应最适合的开关元件，使效率进一步优化。请参阅图6A为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的正半周主电流路径示意图、图6B为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的正半周续流路径示意图、图6C为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的负半周主电流路径示意图、图6D为本发明第二种控制态样与第三种控制态样的负半周续流路径示意图，复配合参阅图1～5B。当换流装置100在正常工作状态(意即非为过流状态)时，桥臂组10的正半周主电流路径PM为第一直流源V1、第一开关单元112、第二开关单元114、输出电感L、交流电源输出Vo，再回到第一直流源V1(如图6A所示)；而桥臂组10的正半周续流路径PF为输出电感L、交流电源输出Vo、第五开关单元122、第二开关单元114，再回到输出电感L(如图6B所示)；以及输出电感L、交流电源输出Vo、第六开关单元124、第三开关单元116，再回到输出电感L(如图6B所示)。
换流装置100在正常工作状态(意即非为过流状态)时，桥臂组10的负半周主电流路径NM为第二直流源V2、交流电源输出Vo、输出电感L、第三开关单元 116、第四开关单元118，再回到第二直流源V2(如图6C所示)；而桥臂组10的负半周续流路径NF为输出电感L、交流电源输出Vo、第二开关单元114、第五开关单元122，再回到输出电感L(如图6D所示)；以及输出电感L、交流电源输出 Vo、第三开关单元116、第六开关单元124，再回到输出电感L(如图6D所示)。
细部而言，第二种控制态样的换流装置100在正常工作状态(意即非为过流状态)的正半周时，第三控制信号S3为低准位信号，使得在正半周续流路径PF 时，第三开关元件Q3关断，电流必须流经第三二极管D3。而第三种控制态样的换流装置100在正常工作状态(意即非为过流状态)的正半周时，第三控制信号S3 为与第一控制信号S1互补的切换信号。因此在正半周续流路径PF，且第一开关元件Q1关断时，第三开关元件Q3为导通状态，若第三开关元件Q3是双向导通的开关，电流流经第三开关元件Q3相较流经第三二极管D3有更低的损耗。而且，当负载200为感性负载而有虚功时(输出电源Vo为正半周，但输出电流Io为负，输出电流Io反方向回流至换流装置100)，由于第三开关元件Q3的导通，亦提供一个路径使虚功电流可流经第三开关元件Q3、第六二极管D6。同理，在负半周续流路径NF，且第四开关元件Q4关断时，第二开关元件Q2导通，若第二开关元件Q2是双向导通的开关，电流流经第二开关元件Q2相较流经第二二极管D2 有更低的损耗。而且，当负载200为感性负载而有虚功时(电流为反向)，反向的电流可流经第二开关元件Q2、第五二极管D5的路径。
请参阅图7A为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第一实施例开关元件关断顺序波形示意图，复配合参阅图1～6B。第二种控制态样与第三种控制态样在正半周操作时主电流路径为第一开关元件Q1与第二开关元件Q2，续流路径则是为经由第六开关元件Q6或经由第五二极管D5两条路径。控制单元20控制第一开关元件Q1的第一控制信号S1为第一切换信号(意即高频切换信号)，控制第二开关元件Q2的第二控制信号S2为第一准位信号(意即高准位信号)，且控制第六开关元件Q6的第六控制信号S6为第一准位信号(意即高准位信号)。当交流电源输出Vo在正半周操作，若输出电流Io上升达到控制单元20预先设定的电流保护点Ipk，控制单元20判断换流装置100发生过流状态。当控制单元20判断换流装置100发生过流状态，控制单元20先将主电流路径中高频切换的开关元件关断(意即须先关断第一开关元件Q1)，以避免输出电流Io持续上升。由于第二种控制态样与第三种控制态样的续流路径包括第二开关元件 Q2与第五二极管D5的路径，以及第三二极管D3与第六开关元件Q6的路径(请参阅图6B)，因此当控制单元20将第一开关元件Q1关断后，可先将第二开关元件 Q2关断，此时第三二极管D3与第六开关元件Q6为续流路径，最后再将第六开关元件Q6关断。
请参阅图7B为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第二实施例开关元件关断顺序波形示意图，复配合参阅图7A。当控制单元20 将第一开关元件Q1关断后，控制单元20也可先将第六开关元件Q6关断，此时第二开关元件Q2与第五二极管D5为续流路径，最后再将第二开关元件Q2关断。当第二开关元件Q2关断后，输出电流Io则持续下降。值得一提，于本发明的一实施例中，由于在负半周操作时主电流路径的第四开关元件Q4与第三开关元件 Q3对应正半周操作时主电流路径为第一开关元件Q1与第二开关元件Q2，且续流路径的第五开关元件Q5对应第六开关元件Q6，因此第二种控制态样与第三种控制态样于负半周操作时的开关单元关断顺序对应于图7A、7B。意即，控制单元20控制桥臂组10在负半周操作时的关断顺序为第四开关元件Q4、第三开关元件Q3、第五开关元件Q5，或第四开关元件Q4、第五开关元件Q5、第三开关元件Q3。
请参阅图7C为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第一实施例开关元件启动顺序波形示意图、图7D为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第二实施例开关元件启动顺序波形示意图、图7E为本发明第二种控制态样与第三种控制态样于正半周操作时的第三实施例开关元件启动顺序波形示意图，复配合参阅图1～7B。当最后关断的开关元件 (第二开关元件Q2或第六开关元件Q6)关断后，输出电流Io则持续下降至控制单元20预先设定的电流低点Ipk_min，此时可开始回复开关的导通。控制单元20 先将第二开关元件Q2或第六开关元件Q6启动，使得输出电流Io可流经第二开关元件Q2与第五二极管D5的续流路径，或第三二极管D3与第六开关元件Q6的续流路径(请参阅图6B)。由于桥臂组10仅需提供一条续流路径供输出电流Io流经即可避免电流被迫流经交流电源Vo交流电源输出Vo、第二直流源V2、第四二极管D4、第三二极管D3的电流路径，而如先前所述，避免主电流路径上的开关元件承受的电压应力等于第一直流源V1加上第二直流源V2。因此控制单元20 控制桥臂组10在正半周操作时的启动顺序可为第二开关元件Q2早于第六开关元件Q6、或第二开关元件Q2晚于第六开关元件S6、或第二开关元件S2与第六开关元件S6同时。
当控制单元20将第二开关元件Q2与第六开关元件Q6启动之后，桥臂组10 已可提供第二开关元件Q2与第五二极管D5，以及第三二极管D3与第六开关元件Q6的两条续流路径，因此控制单元20最后再将主电流路径上高频切换的开关元件启动(意即最后将第一开关元件Q1启动)，使输出电流Io持续上升。值得一提，第二种控制态样与第三种控制态样于负半周操作时的开关单元启动顺序对应于图7C、7D、7E。意即，控制单元20控制桥臂组10在负半周操作时的启动顺序为第三开关元件Q3、第五开关元件Q5、第四开关元件Q4，第五开关元件Q5、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4，或第三开关元件Q3与第五开关元件Q5同时启动，最后再启动第四开关元件Q4。
综上所述，本发明的一个或多个实施例具有以下优点：
1、控制单元控制输出电流不超过控制单元预先设定的电流保护点，因此可达成避免输出电流超过控制单元预先设定的电流保护点，以达到过流保护的功效；
2、控制单元可提供换流装置合适的关断顺序以及启动顺序，因此可达成避免换流装置其中之一的开关元件的两端电压应力过大而导致开关元件损坏的功效；
3、控制单元皆是先关断主电流路径上高频切换的开关元件，因此可达成避免输出电流达到控制单元预先设定的电流保护点时，输出电流仍持续上升的功效；
4、控制单元皆是最后启动高频切换的开关元件，因此可达成控制单元可控制桥臂组稳定提供续流路径的功效；及
5、控制单元皆是先启动续流路径上的开关元件，因此避免换流装置主电流路径上的开关元件电压应力过大，而导致开关元件损坏的功效。
惟，以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。此外，在权利要求和说明书中提到的特征可以分别单独地或按照任何组合方式实施。

Claims (12)

1.一种具有过流保护控制的换流装置，耦接具有一中点电位端的一直流输入端与一交流输出端，其特征在于，该换流装置包括：
一桥臂组，包括：
一第一桥臂，包括依序串接的一第一开关元件、一第二开关元件、一第三开关元件及一第四开关元件，该交流输出端耦接该第二开关元件与该第三开关元件，使该直流输入端的一第一端通过该第一开关元件与该第二开关元件耦接该交流输出端，且该直流输入端的一第二端通过该第四开关元件与该第三开关元件耦接该交流输出端；
一第二桥臂，包括串接的一第五开关元件与一第六开关元件，该中点电位端耦接该第五开关元件与该第六开关元件，并且通过该第五开关元件与该第二开关元件耦接该交流输出端，以及通过该第六开关元件与该第三开关元件耦接该交流输出端；及
一控制单元，提供多个控制信号控制该桥臂组；当该控制单元判断为一过流状态时，该控制单元控制该桥臂组在正半周操作时的关断顺序依序为该第二开关元件、该第一开关元件及该第六开关元件；该控制单元控制该桥臂组在负半周操作时的关断顺序依序为该第三开关元件、该第四开关元件及该第五开关元件。
2.如权利要求1所述的具有过流保护控制的换流装置，其特征在于，该些控制信号包括控制该第一开关元件的一第一控制信号、控制该第二开关元件的一第二控制信号、控制该第三开关元件的一第三控制信号、控制该第四开关元件的一第四控制信号、控制该第五开关元件的一第五控制信号及控制该第六开关元件的一第六控制信号。
3.如权利要求2所述的具有过流保护控制的换流装置，其特征在于，该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在正半周操作，控制该第二控制信号为一第一切换信号、该第三控制信号为一第二切换信号、该第一控制信号与该第六控制信号为一第一准位信号、以及该第四控制信号与该第五控制信号为一第二准位信号；该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在负半周操作，控制该第二控制信号为一第三切换信号、该第三控制信号为一第四切换信号、该第四控制信号与该第五控制信号为该第一准位信号、以及该第一控制信号与该第六控制信号为该第二准位信号，其中该第一准位信号的准位值高于该第二准位信号的准位值。
4.如权利要求3所述的具有过流保护控制的换流装置，其特征在于，该控制单元控制该桥臂组在正半周操作时的启动顺序为该第六开关元件早于该第二开关元件；该控制单元控制该桥臂组在负半周操作时的启动顺序为该第五开关元件早于该第三开关元件。
5.如权利要求4所述的具有过流保护控制的换流装置，其特征在于，该控制单元控制该桥臂组在正半周操作时的启动顺序为该第一开关元件晚于该第六开关元件但早于该第二开关元件，该控制单元控制该桥臂组在负半周操作时的启动顺序为该第四开关元件晚于该第五开关元件但早于该第三开关元件。
6.一种具有过流保护控制的换流装置，耦接具有一中点电位端的一直流输入端与一交流输出端，其特征在于，该换流装置包括：
一桥臂组，包括：
一第一桥臂，包括依序串接的一第一开关元件、一第二开关元件、一第三开关元件及一第四开关元件，该交流输出端耦接该第二开关元件与该第三开关元件，使该直流输入端的一第一端通过该第一开关元件与该第二开关元件耦接该交流输出端，且该直流输入端的一第二端通过该第四开关元件与该第三开关元件耦接该交流输出端；
一第二桥臂，包括串接的一第五开关元件与一第六开关元件，该中点电位端耦接该第五开关元件与该第六开关元件，并且通过该第五开关元件与该第二开关元件耦接该交流输出端，以及通过该第六开关元件与该第三开关元件耦接该交流输出端；及
一控制单元，提供多个控制信号控制该桥臂组；当该控制单元判断为一过流状态时，该控制单元控制该桥臂组在正半周操作时的关断顺序为该第一开关元件早于该第六开关元件；该控制单元控制该桥臂组在负半周操作时的关断顺序为该第四开关元件早于该第五开关元件；
当该控制单元判断非为该过流状态时，该控制单元控制该桥臂组在正半周操作时的启动顺序为该第六开关元件早于该第一开关元件；该控制单元控制该桥臂组在负半周操作时的启动顺序为该第五开关元件早于该第四开关元件。
7.如权利要求6所述的具有过流保护控制的换流装置，其特征在于，该些控制信号包括控制该第一开关元件的一第一控制信号、控制该第二开关元件的一第二控制信号、控制该第三开关元件的一第三控制信号、控制该第四开关元件的一第四控制信号、控制该第五开关元件的一第五控制信号及控制该第六开关元件的一第六控制信号。
8.如权利要求7所述的具有过流保护控制的换流装置，其特征在于，该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在正半周操作，控制该第一控制信号为一第一切换信号、该第五控制信号为一第二切换信号、该第二控制信号与该第六控制信号为一第一准位信号、以及该第四控制信号为一第二准位信号；其中该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在负半周操作，控制该第四控制信号为一第三切换信号、该第六控制信号为一第四切换信号、该第三控制信号与该第五控制信号为该第一准位信号、以及该第一控制信号为该第二准位信号，其中该第一准位信号的准位值高于该第二准位信号的准位值。
9.如权利要求8所述的具有过流保护控制的换流装置，其特征在于，该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在正半周操作，控制该第三控制信号为该第二准位信号；其中该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在负半周操作，控制该第二控制信号为该第二准位信号。
10.如权利要求8所述的具有过流保护控制的换流装置，其中该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在正半周操作，控制该第三控制信号为该第二切换信号；其中该控制单元用以非为该过流状态，响应于该桥臂组在负半周操作，控制该第二控制信号为该第四切换信号。
11.如权利要求7所述的具有过流保护控制的换流装置，其中该控制单元控制该桥臂组在正半周操作时的关断顺序为该第二开关元件早于该第六开关元件但晚于该第一开关元件、或该第二开关元件晚于该第六开关元件；该控制单元控制该桥臂组在负半周操作时的关断顺序为该第三开关元件早于该第五开关元件但晚于该第四开关元件、或该第三开关元件晚于该第五开关元件。
12.如权利要求7所述的具有过流保护控制的换流装置，其中该控制单元控制该桥臂组在正半周操作时的启动顺序为该第二开关元件早于该第六开关元件、或该第二开关元件晚于该第六开关元件但早于该第一开关元件、或该第二开关元件与该第六开关元件同时；该控制单元控制该桥臂组在负半周操作时的启动顺序为该第三开关元件早于该第五开关元件、或该第三开关元件晚于该第五开关元件但早于该第四开关元件、或该第三开关元件与该第五开关元件同时。
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