TWI469492B - 階層式換流器及其階層電壓傳輸電路 - Google Patents

Description

階層式換流器及其階層電壓傳輸電路

本發明係關於一種階層式換流器，尤其是一種利用開關元件的切換以達到直流/交流轉換之階層式換流器。

換流器(Inverter)又稱逆變器，主要功能係提供一直流/交流電力之轉換。一般而言，該換流器常設置於一發電裝置，以接收該發電裝置所產生之直流電力，並輸出交流電力至一負載端；或者，該換流器亦可結合一不斷電系統(UPS)，並將該不斷電系統之蓄電池所輸出的直流電力進行轉換，並輸出該交流電力予其他電耗產品。

多階輸出架構之換流器具有許多特點，除了足以匹配工業用電越來越高的功率需求外，當該換流器之階層數目上升時，在相同的功率需求下，該換流器之功率元件上的跨壓亦將相對減少，使該功率元件具有較小之電壓變動率(dv/dt )，並擁有較低之輸出電壓與輸入電流的諧波失真，此外，更使該功率元件具有較低之切換頻率與較低之切換損。

基於功率需求與元件效能的考量下，七階換流器是目前較佳的選擇。在國內外的研究中，已有許多關於七階換流器的電路架構設計，如論文“Multilevel Inverters：A Survey of Topologies,Controls,and Applications,”IEEE Trans.on Industrial Electronics ,vol.49,no.4,pp.724-738,2002.所揭示的七階換流器。然而，上述換流器之電壓雖具 有七階輸出，但仍存在著電路元件數量過多的缺點，隨著該換流器之電路元件數量上升，也連帶造成電路的控制與架構之複雜度提高，增加該七階換流器之設置成本。為了使該七階換流器具有較少之設置成本，必須要有一套較佳的電路配置方式。

本發明之主要目的係提供一種階層式換流器及其階層電壓傳輸電路，該階層電壓傳輸電路在相同階層輸出之換流器中，具有相對較少之電路元件。

為達到前述發明目的，本發明之階層式換流器，係包含：一分壓電路，具有一高準位輸入端、一低準位輸入端、一第一分壓接點及一第二分壓接點；一階層電壓傳輸電路，具有一高準位開關元件、一低準位開關元件、一第一控制臂、一第二控制臂、一高準位輸出端及一低準位輸出端，該高準位開關元件耦接於該分壓電路之高準位輸入端及該高準位輸出端之間，該低準位開關元件耦接於該分壓電路之低準位輸入端及該低準位輸出端之間，該第一控制臂耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第一控制臂具有一第一串接點連接該第一分壓接點，該第二控制臂亦耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第二控制臂具有一第二串接點連接該第二分壓接點；及一換相電路，具有一第一橋臂及一第二橋臂，該第一橋臂及第二橋臂分別耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第一橋臂具有一第一輸出點，該第二橋臂具 有一第二輸出點，該第一輸出點及該第二輸出點係共同形成一電壓輸出埠。

本發明之階層式換流器，其中該階層電壓傳輸電路之該第一控制臂包含一第一二極體及一第一開關組件，該第一二極體之一陰極耦接該第一串接點，該第一二極體之一陽極耦接該低準位輸出端，該第一開關組件耦接於該高準位輸出端及該第一串接點之間。

本發明之階層式換流器，其中該階層電壓傳輸電路之該第二控制臂包含一第二二極體及一第二開關組件，該第二二極體之一陰極耦接該高準位輸出端，該第二二極體之一陽極耦接該第二串接點，該第二開關組件耦接於該第二串接點及該低準位輸出端之間。

本發明之階層式換流器，其中該第一開關組件包含一第一輔助二極體及一第一開關元件，該第一輔助二極體之一陽極耦接該第一串接點，該第一開關元件耦接於該第一輔助二極體之一陰極及該高準位輸出端之間。

本發明之階層式換流器，其中該第二開關組件包含一第二輔助二極體及一第二開關元件，該第二輔助二極體之一陰極耦接該第二串接點，該第二開關元件耦接於該第二輔助二極體之一陽極及該低準位輸出端之間。

本發明之階層式換流器，其中該分壓電路包含一第一分壓元件、一第二分壓元件及一第三分壓元件，該第一分壓元件耦接於該高準位輸入端及該第一分壓點之間，該第二分壓元件耦接於該第一分壓點及該第二分壓點之間，該第三分壓元件耦接於該第二分壓點及該低準位輸入端之間 。

本發明之階層式換流器，其中該換相電路之第一橋臂具有一第一上臂開關及一第一下臂開關，該第一上臂開關耦接於該高準位輸出端及該第一輸出點之間，該第一下臂開關耦接於該低準位輸出端及該第一輸出點之間。

本發明之階層式換流器，其中該換相電路之第二橋臂具有一第二上臂開關及一第二下臂開關，該第二上臂開關耦接於該高準位輸出端及該第二輸出點之間，該第一下臂開關耦接於該低準位輸出端及該第二輸出點之間。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「耦接」(coupling)，係指二元件之間透過直接連接或間接連接，而使該二元件間具有相互傳遞之訊號或電流的連接方式。

請參照第1圖所示，本發明之階層式換流器係包含一分壓電路1、一階層電壓傳輸電路2及一換相電路3，該分壓電路1耦接該階層電壓傳輸電路2，該階層電壓傳輸電路2耦接該換相電路3。

該分壓電路1係具有一高準位輸入端Hi、一低準位輸入端Li、一第一分壓接點11及一第二分壓接點12。該高準位輸入端Hi係連接一電壓源之一正電端，該低準位輸入端Li係連接該電壓源之一負電端，且該高準位輸入端Hi 及低準位輸入端Li間具有一第一分壓元件13、一第二分壓元件14及一第三分壓元件15，該第一分壓元件13耦接於該高準位輸入端Hi及該第一分壓接點11之間，該第二分壓元件14耦接於該第一分壓接點11及該第二分壓接點12之間，該第三分壓元件15耦接於該第二分壓接點12及該低準位輸入端Li之間。其中，該第一分壓元件13、第二分壓元件14及第三分壓元件15可分別為一電容，且該第一分壓元件13、第二分壓元件14及第三分壓元件15較佳為相同規格，使該第一分壓元件13、第二分壓元件14及第三分壓元件15彼此具有相同之電壓差，以提升階層電壓輸出的控制便利性。

該階層電壓傳輸電路2具有一高準位開關元件21、一低準位開關元件22、一第一控制臂23、一第二控制臂24、一高準位輸出端Ho及一低準位輸出端Lo，該高準位開關元件21耦接該分壓電路1之高準位輸入端Hi及該高準位輸出端Ho，該低準位開關元件22耦接該分壓電路1之低準位輸入端Li及該低準位輸出端Lo，其中，該高準位開關元件21及該低準位開關元件22可選擇一電晶體元件。

詳言之，該第一控制臂23耦接於該高準位輸出端Ho及該低準位輸出端Lo之間，且該第一控制臂23具有一第一串接點231連接該第一分壓接點11。其中，該第一控制臂23包含一第一二極體232及一第一開關組件233，該第一二極體232之一陰極耦接該第一串接點231，該第一二極體232之一陽極耦接該低準位輸出端Lo，且該第一二極 體232係用以控制通過該高準位開關元件21之電流的方向，以確保電壓傳輸的正確性。該第一開關組件233耦接於該高準位輸出端Ho及該第一串接點231之間，該第一開關組件233之電路結構在此並不設限，在本實施例中，係包含一第一輔助二極體2331及一第一開關元件2332，該第一輔助二極體2331之一陽極耦接該第一串接點231，該第一開關元件2332耦接於該第一輔助二極體2331之一陰極及該高準位輸出端Ho之間，該第一輔助二極體2331係用以控制通過該第一開關元件2332之電流的方向，以確保電壓傳輸的正確性。

另，該第二控制臂24耦接於該高準位輸出端Ho及該低準位輸出端Lo之間，且該第二控制臂24具有一第二串接點241連接該第二分壓接點12。其中，該第二控制臂24包含一第二二極體242及一第二開關組件243，該第二二極體242之一陰極耦接該高準位輸出端Ho，該第二二極體242之一陽極耦接該第二串接點241，且該第二二極體242係用以控制通過該低準位開關元件22之電流方向，以確保電壓傳輸的正確性。該第二開關組件243耦接於該第二串接點241及該低準位輸出端Lo之間，該第二開關組件243之電路結構在此並不設限，在本實施例中，係包含一第二輔助二極體2431及一第二開關元件2432，該第二輔助二極體2431之一陰極耦接該第二串接點241，該第二開關元件2432耦接於該第二輔助二極體2431之一陽極及該低準位輸出端Lo之間，該第二輔助二極體2431係用以控制通過該第二開關元件2432之電流方向，以確保電壓傳輸的正 確性。

該換相電路3具有一第一橋臂31及一第二橋臂32，該第一橋臂31及第二橋臂32分別耦接於該高準位輸出端Ho及該低準位輸出端Lo之間，且該第一橋臂31具有一第一輸出點311，該第二橋臂32具有一第二輸出點321，該第一輸出點311及該第二輸出點321係共同形成一電壓輸出埠30。該第一橋臂31具有一第一上臂開關312及一第一下臂開關313，該第一上臂開關312耦接於該高準位輸出端Ho及該第一輸出點311之間，該第一下臂開關313耦接於該低準位輸出端Lo及該第一輸出點311之間。該第二橋臂32具有一第二上臂開關322及一第二下臂開關323，該第二上臂開關322耦接於該高準位輸出端Ho及該第二輸出點321之間，該第二下臂開關323耦接於該低準位輸出端Lo及該第二輸出點321之間。

更詳言之，本發明之階層式換流器於實際操作時，可藉由各該開關元件的啟閉，以改變該電壓輸出埠30所輸出之電壓，且最多可具有七種不同之輸出電壓，該輸出電壓與各該開關元件的啟閉關係如表一所述：

若欲將單一直流電壓源V _dc 轉換為交流電力時，藉由表一所呈現之各該開關元件的啟閉與輸出電壓的關係，可將各該開關元件經由連續的切換而使輸出電壓具有週期性的變化，以達到直流/交流電力轉換之效果。此外，本發明階層式換流器之輸出電壓具有七階的變化，相較於階層數目較低之換流器，可使本發明之各該開關元件具有較小之電壓變動率及較低之切換損，且輸出電壓具有較低之諧波失真等效果。且在同為七階輸出電壓之換流器中，本發明具有相對較少之電路元件數量，具有降低成本效果。

更進一步而言，本發明階層式換流器亦可作為三階變化與五階變化之換流器，三階變化與五階變化之該輸出電壓與各該開關元件的啟閉關係，分別如表二及表三所述：

本發明階層式換流器係為七階層之換流器，最多可具有七種不同之輸出電壓，且亦同時適用於五階變化與三階變化之換流器，具有較高之使用便利性。

另，本發明階層式換流器之各該開關元件或組件可如第1圖所示之電晶體元件，或如第2圖所示之絕緣閘雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，且該輸出電壓控制係與上述方式相同，於此不再贅述。當該第一開關組件233’及第二開關組件243’以絕緣閘雙極性電晶體配置時，相較於第1圖之第一開關組件233及第二開關組件243可分別減少一個二極體的設置，使得本發明階層式換流器之整體電路更加減少，具有降低成本效果。

本發明階層式換流器具有較佳之電路配置，在相同階層輸出之換流器中，具有相對較少之電路元件，具有降低 成本之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。

〔本發明〕

1‧‧‧分壓電路

11‧‧‧第一分壓接點

12‧‧‧第二分壓接點

13‧‧‧第一分壓元件

14‧‧‧第二分壓元件

15‧‧‧第三分壓元件

2‧‧‧階層電壓傳輸電路

21‧‧‧高準位開關元件

22‧‧‧低準位開關元件

23‧‧‧第一控制臂

231‧‧‧第一串接點

232‧‧‧第一二極體

233‧‧‧第一開關組件

2331‧‧‧第一輔助二極體

2332‧‧‧第一開關元件

24‧‧‧第二控制臂

241‧‧‧第二串接點

242‧‧‧第二二極體

243‧‧‧第二開關組件

2431‧‧‧第二輔助二極體

2432‧‧‧第二開關元件

3‧‧‧換相電路

30‧‧‧電壓輸出埠

31‧‧‧第一橋臂

311‧‧‧第一輸出點

312‧‧‧第一上臂開關

313‧‧‧第一下臂開關

32‧‧‧第二橋臂

321‧‧‧第二輸出點

322‧‧‧第二上臂開關

323‧‧‧第二下臂開關

Hi‧‧‧高準位輸入端

Li‧‧‧低準位輸入端

Ho‧‧‧高準位輸出端

Lo‧‧‧低準位輸出端

第1圖：本發明階層式換流器電路圖。

第2圖：本發明階層式換流器電路元件置換圖。

1‧‧‧分壓電路

11‧‧‧第一分壓接點

12‧‧‧第二分壓接點

13‧‧‧第一分壓元件

14‧‧‧第二分壓元件

15‧‧‧第三分壓元件

2‧‧‧階層電壓傳輸電路

21‧‧‧高準位開關元件

22‧‧‧低準位開關元件

23‧‧‧第一控制臂

231‧‧‧第一串接點

232‧‧‧第一二極體

233‧‧‧第一開關組件

2331‧‧‧第一輔助二極體

2332‧‧‧第一開關元件

24‧‧‧第二控制臂

241‧‧‧第二串接點

242‧‧‧第二二極體

243‧‧‧第二開關組件

2431‧‧‧第二輔助二極體

2432‧‧‧第二開關元件

3‧‧‧換相電路

30‧‧‧電壓輸出埠

31‧‧‧第一橋臂

311‧‧‧第一輸出點

312‧‧‧第一上臂開關

313‧‧‧第一下臂開關

32‧‧‧第二橋臂

321‧‧‧第二輸出點

322‧‧‧第二上臂開關

323‧‧‧第二下臂開關

Hi‧‧‧高準位輸入端

Li‧‧‧低準位輸入端

Ho‧‧‧高準位輸出端

Lo‧‧‧低準位輸出端

Claims (11)

1. 一種階層式換流器，係包含：一分壓電路，具有一高準位輸入端、一低準位輸入端、一第一分壓接點及一第二分壓接點；一階層電壓傳輸電路，具有一高準位開關元件、一低準位開關元件、一第一控制臂、一第二控制臂、一高準位輸出端及一低準位輸出端，該高準位開關元件耦接於該分壓電路之高準位輸入端及該高準位輸出端之間，該低準位開關元件耦接於該分壓電路之低準位輸入端及該低準位輸出端之間，該第一控制臂耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第一控制臂具有一第一串接點連接該第一分壓接點，該第二控制臂亦耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第二控制臂具有一第二串接點連接該第二分壓接點；及一換相電路，具有一第一橋臂及一第二橋臂，該第一橋臂及第二橋臂分別耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第一橋臂具有一第一輸出點，該第二橋臂具有一第二輸出點，該第一輸出點及該第二輸出點係共同形成一電壓輸出埠；其中該階層電壓傳輸電路之該第一控制臂包含一第一二極體及一第一開關組件，該第一二極體之一陰極耦接該第一串接點，該第一二極體之一陽極耦接該低準位輸出端，該第一開關組件耦接於該高準位輸出端及該第一串接點之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之階層式換流器，其中該階層電壓傳輸電路之該第二控制臂包含一第二二極體及一第二開關組件，該第二二極體之一陰極耦接該高準位輸出端，該第二二極體之一陽極耦接該第二串接點，該第二開關組件耦接於該第二串接點及該低準位輸出端之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之階層式換流器，其中該第一開關組件包含一第一輔助二極體及一第一開關元件，該第一輔助二極體之一陽極耦接該第一串接點，該第一開關元件耦接於該第一輔助二極體之一陰極及該高準位輸出端之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之階層式換流器，其中該第二開關組件包含一第二輔助二極體及一第二開關元件，該第二輔助二極體之一陰極耦接該第二串接點，該第二開關元件耦接於該第二輔助二極體之一陽極及該低準位輸出端之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之階層式換流器，其中該分壓電路包含一第一分壓元件、一第二分壓元件及一第三分壓元件，該第一分壓元件耦接於該高準位輸入端及該第一分壓點之間，該第二分壓元件耦接於該第一分壓點及該第二分壓點之間，該第三分壓元件耦接於該第二分壓點及該低準位輸入端之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之階層式換流器，其中該換相電路之第一橋臂具有一第一上臂開關及一第一下臂開關，該第一上臂開關耦接於該高準位輸出端及該第一 輸出點之間，該第一下臂開關耦接於該低準位輸出端及該第一輸出點之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之階層式換流器，其中該換相電路之第二橋臂具有一第二上臂開關及一第二下臂開關，該第二上臂開關耦接於該高準位輸出端及該第二輸出點之間，該第一下臂開關耦接於該低準位輸出端及該第二輸出點之間。
8. 一種階層電壓傳輸電路，係包含：一高準位開關元件、一低準位開關元件、一第一控制臂、一第二控制臂、一高準位輸入端、一高準位輸出端、一低準位輸入端及一低準位輸出端，該高準位開關元件耦接於該高準位輸入端及該高準位輸出端之間，該低準位開關元件耦接於該低準位輸入端及該低準位輸出端之間，該第一控制臂耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第一控制臂具有一第一串接點，該第二控制臂亦耦接於該高準位輸出端及該低準位輸出端之間，且該第二控制臂具有一第二串接點；其中該第一控制臂包含一第一二極體及一第一開關組件，該第一二極體之一陰極耦接該第一串接點，該第一二極體之一陽極耦接該低準位輸出端，該第一開關組件耦接於該高準位輸出端及該第一串接點之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之階層電壓傳輸電路，其中該第二控制臂包含一第二二極體及一第二開關組件，該第二二極體之一陰極耦接該高準位輸出端，該第二二極體之一陽極耦接該第二串接點，該第二開關組件耦接於 該第二串接點及該低準位輸出端之間。
10. 如申請專利範圍第8項所述之階層電壓傳輸電路，其中該第一開關組件包含一第一輔助二極體及一第一開關元件，該第一輔助二極體之一陽極耦接該第一串接點，該第一開關元件耦接於該第一輔助二極體之一陰極及該高準位輸出端之間。
11. 如申請專利範圍第9項所述之階層電壓傳輸電路，其中該第二開關組件包含一第二輔助二極體及一第二開關元件，該第二輔助二極體之一陰極耦接該第二串接點，該第二開關元件耦接於該第二輔助二極體之一陽極及該低準位輸出端之間。