TWI516011B - 太陽能逆變器及其電壓轉換方法 - Google Patents

Description

太陽能逆變器及其電壓轉換方法

本發明有關於一種太陽能逆變器，且特別是關於一種具有降壓模式與升壓模式之單級式太陽能逆變器。

隨著工業和科技的蓬勃發展，人類對石化能源的消耗與日俱增，而地球的自然資源卻是有限。為了避免過度使用石化能源而造成能源的匱乏和環境生態的嚴重破壞，各國政府開始提倡節約能源。除了節約能源之外，人們也開始積極的尋找替代能源方案，太陽能、風能和生質能都是研究目標。其中，又以太陽能最被大家看好。因為太陽能取之不盡用之不竭，轉換電能的過程乾淨無污染，所以自然而然也最多人投入研究。

一個典型的太陽能光電系統組成為太陽能電池模組和逆變器。太陽能電池模組將太陽光線以直流電壓的形式轉化為電能；逆變器將太陽能電池模組產生的直流電壓轉換成可送至電網的交流電壓。

太陽能光電系統在高瓦特數的規格需求，會由多塊的太陽能電池模組串並聯起來使用，達到太陽能電池模組所需之輸出規格，後端再串接逆變器將直流電轉換成交流電輸出。而傳統的多階串式逆變器(Multi-String Inverter)可分為兩級，第一級是將太陽能電池模組轉化輸出的直流電壓經過一個升壓轉換器或一個降壓轉換器，目的是將太陽能 電池模組輸出的直流電轉換成第二級所需要的輸入電壓，得到所需的輸入電壓後，第二級再以正弦脈波寬度調變(Sinusoidal Pulse Width Modulation)訊號控制全橋電路，將直流電壓轉換成寬度不依的方波，最後經濾波電路，將交流電壓輸出。

由於傳統的逆變器需要兩級的電路來達成市電網路所需的交流電壓值，電路迴路經過的元件越多，在元件上的總損耗也就更大，這是造成傳統逆變器效率不高的主要原因，且電路元件數多，成本固然也就提高，也就使太陽能光電系統價格無法有效降低。

有鑑於此，本揭露內容提供一種具有偽直流鏈(pseudo DC link)的太陽能逆變器，太陽能逆變器透過直流/直流轉換器去做最大功率追蹤和調變輸出為全波整流後的全波脈波。之後，再讓後級的交流/直流逆變器(或稱極性選擇器)去簡單的還原成有正負半週的正弦波輸出至交流電網。

本發明實施例提供一種太陽能逆變器，太陽能逆變器包括升降壓轉換器、隔離變壓器、全波整流器與極性選擇器。升降壓轉換器接收輸入電壓、降壓調變信號與升壓調變信號，其中升降壓轉換器根據降壓調變信號與升壓調變信號來調變輸入電壓，並且據此輸出波形調整信號，當升降壓轉換器在降壓模式下根據降壓調變信號將輸入電壓予以逐步降壓，當升降壓轉換器在升壓模式下根據升壓調變 信號將輸入電壓予以逐步升壓。隔離變壓器具有初級側與次級側，隔離變壓器電性連接升降壓轉換器，隔離變壓器用以電氣隔離，接收波形調整信號且輸出已隔離的波形調整信號。全波整流器電性連接隔離變壓器，全波整流器將已隔離的波形調整信號予以全波整流，並且據此輸出全波脈波信號。極性選擇器電性連接全波整流器，極性選擇器將全波脈波信號之後半週波形予以極性反轉，並且據此輸出市電正弦波信號。

在本發明其中一個實施例中，其中當升降壓轉換器在升壓模式時，則降壓調變信號之責任週期為100%並且升壓調變信號之責任週期大於50%。

在本發明其中一個實施例中，其中當升降壓轉換器在降壓模式時，則降壓調變信號之責任週期小於100%並且升壓調變信號之責任週期等於門檻責任週期，其中門檻責任週期為使得升降壓轉換器正常運作之最小責任週期。

在本發明其中一個實施例中，其中升降壓轉換器更電性連接至數位信號處理晶片，當預設定正弦波之電壓大於邊界電壓時，則升降壓轉換器處於升壓模式，當預設定正弦波之電壓小於邊界電壓時，則升降壓轉換器處於降壓模式。

在本發明其中一個實施例中，其中在升壓模式下，當第一三角波信號之電壓大於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處理晶片輸出高準位電壓之升壓調變信號至升降壓轉換器；當第一三角波信號之電壓小於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處理晶片輸出低準位電壓之升壓調變信號至升降壓轉換器。

在本發明其中一個實施例中，其中在降壓模式下，當第二三角波信號之電壓大於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處理晶片輸出高準位電壓之降壓調變信號至升降壓轉換器；當第二三角波信號之電壓小於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處理晶片輸出低準位電壓之降壓調變信號至升降壓轉換器。

在本發明其中一個實施例中，其中極性選擇器之工作頻率為市電頻率，且其所輸出之正弦波信號為市電頻率，其中極性選擇器電性連接至交流電網。

在本發明其中一個實施例中，升降壓轉換器包括第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體與第四電晶體。第一電晶體之閘極接收第一脈寬調變信號，第一電晶體之源極連接隔離變壓器之初級側之繞組。第二電晶體之閘極接收第二脈寬調變信號，第二電晶體之汲極連接至第一電晶體之源極。第三電晶體之閘極接收第三脈寬調變信號，第三電晶體之汲極連接第一電晶體之汲極與升降壓電感之第一端，第三電晶體之源極連接隔離變壓器之初級側之繞組。第四電晶體之閘極接收第四脈寬調變信號，第四電晶體之汲極連接第三電晶體之源極，第四電晶體之源極連接第二電晶體之源極與第一接地電壓。第一至第四脈寬調變信號為升壓調變信號，並且當在升壓模式時，第一至第四脈寬調變信號之所對應的責任週期大於50%，以將輸入電壓逐步升壓；當在降壓模式時，第一至第四脈寬調變信號之所對應的責任週期等於門檻責任週期，以維持升降壓轉換器正常運作。

在本發明其中一個實施例中，升降壓轉換器更包括降 壓電晶體與降壓二極體。降壓電晶體之閘極接收降壓調變信號，降壓電晶體之汲極連接輸入電壓，降壓電晶體之源極連接升降壓電感之第二端。降壓二極體之陽極連接第一接地電壓，降壓二極體之陰極連接降壓電晶體之源極。當在升壓模式時，降壓調變信號之責任週期為100%以導通降壓電晶體，當在降壓模式時，降壓調變信號之責任週期小於100%以將該輸入電壓逐步降壓。

在本發明其中一個實施例中，全波整流器包括第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體與電容。第一二極體之陽極連接第二接地電壓。第二二極體之陽極連接第一二極體之陽極。第三二極體之陽極連接第一二極體之陰極與隔離變壓器之次級側之繞組。第四二極體之陽極連接第二二極體之陰極與隔離變壓器之次級側之繞組，第四二極體之陰極連接第三二極體之陰極。電容之第一端連接第三二極體之陰極，電容之第二端連接第二接地電壓。其中第一至第四二極體用以將已隔離之波形調整信號予以全波整流，並且據此輸出全波脈波信號。

在本發明其中一個實施例中，極性選擇器包括第一矽控開關、第二矽控開關、第三矽控開關與第四矽控開關。第一矽控開關之第一端連接電容之第一端，第一矽控開關之控制端接收第一控制信號並據此決定導通或斷開狀態。第二矽控開關之第一端連接第一矽控開關之第二端與交流電網之正端，第二矽控開關之第二端連接第二接地電壓，第二矽控開關之控制端接收第二控制信號並據此決定導通或斷開狀態。第三矽控開關之第一端連接電容之第一端，第三矽控開關之控制端接收第三控制信號並據此決定導通 或斷開狀態。第四矽控開關之第一端連接第三矽控開關之第二端與交流電網之負端，第四矽控開關之第二端連接第二接地電壓，第四矽控開關之控制端接收第四控制信號並據此決定導通或斷開狀態。其中該第一與該第四矽控開關之導通或斷開狀態相同，該第二與該第三矽控開關之導通或斷開狀態相同，並且該第一與該第二矽控開關之導通或斷開狀態相反。

本發明實施例另提供一種電壓轉換方法，用於太陽能逆變器。電壓轉換方法包括以下步驟：接收輸入電壓、降壓調變信號與升壓調變信號，其中根據降壓調變信號與升壓調變信號來調變輸入電壓，並且據此輸出波形調整信號；將已隔離的波形調整信號予以全波整流，並且據此輸出全波脈波信號；以及將全波脈波信號之後半週波形予以極性反轉，並且據此輸出市電正弦波信號。其中在降壓模式，根據降壓調變信號將輸入電壓予以逐步降壓，並且在升壓模式，根據該升壓調變信號將該輸入電壓予以逐步升壓。

綜上所述，本發明實施例所提出之太陽能逆變器及其電壓轉換方法，透過升降壓轉換器的升壓模式與降壓模式，能夠將太陽能逆變器所接收到的輸入電壓轉換為市電正弦波信號，在高功率下達到優良的轉換效率。再者，本揭露內容能夠降低電路設計的複雜度以進一步節省元件數量與電路設計成本。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作 任何的限制。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。

〔太陽能逆變器的實施例〕

請參照圖1，圖1為根據本發明實施例之太陽能逆變器之區塊示意圖。如圖1所示，太陽能逆變器100包括升降壓轉換器110、隔離變壓器120、全波整流器130與極性選擇器140。升降壓轉換器110電性連接隔離變壓器120。隔離變壓器120電性連接至升降壓轉換器110與全波整流器130之間。全波整流器130電性連接極性選擇器140。

關於升壓降轉換器110，升降壓轉換器110接收輸入電壓VIN、降壓調變信號BU與升壓調變信號BST，其中升 降壓轉換器110根據降壓調變信號BU與升壓調變信號BST來調變輸入電壓VIN，並且據此輸出波形調整信號WS，其中升降壓轉換器110在降壓模式下，根據降壓調變信號BU將輸入電壓VIN予以逐步降壓，並且升降壓轉換器110在升壓模式下，根據升壓調變信號BST將輸入電壓VIN予以逐步升壓。在本實施例中，輸入電壓VIN為太陽能面板的輸出電壓。

關於隔離變壓器120，隔離變壓器120具有初級側與次級側，所述隔離變壓器120用以電氣隔離以達到安全之目的，並且隔離變壓器120接收波形調整信號WS且對應地輸出已隔離的波形調整信號WS’。

關於全波整流器130，全波整流器130將已隔離的波形調整信號WS’予以全波整流，並且據此輸出全波脈波信號AS。

關於極性選擇器140，極性選擇器140將全波脈波信號AS之後半週波形予以極性反轉，並且據此輸出市電正弦波信號VOUT至一交流電網(圖1未繪示)，其中極性選擇器140為工作於市電頻率，並且在零點交越時進行切換。

接下來要教示的，是進一步說明太陽能逆變器110的工作原理。

請繼續參照圖1，當升降壓轉換器110接收到太陽能面板的輸出電壓時，亦即升降壓轉換器110接收到輸入電壓VIN時，升降壓轉換器110會利用一電壓調變轉換機制將輸入電壓VIN進行調變。進一步來說，在降壓模式下，升降壓轉換器110會透過其所接收之降壓調變信號BU將輸入電壓VIN逐步降壓，此外，在升壓模式下，升降壓轉換器 110會透過其所接收之升壓調變信號BST將輸入電壓VIN逐步升壓。值得一提的是，在本實施例中，為了使太陽能逆變器100能夠正常運作，當升降壓轉換器110在升壓模式時，則降壓調變信號BU之責任週期為100%並且升壓調變信號BST之責任週期大於50%。當升降壓轉換器110在降壓模式時，則降壓調變信號BU之責任週期小於100%並且升壓調變信號BST之責任週期等於門檻責任週期，其中門檻責任週期是為了使得升降壓轉換器110能夠正常運作之最小責任週期。

值得一提的是，在本實施例中，升壓降轉換器110更電性連接至數位信號處理晶片(圖1未繪示)。數位信號處理晶片中會接收輸入電壓VIN與輸入電流，與全波整流器130的輸出端之輸出電壓VOUT與輸出電流，以進一步調整升降壓轉換器110內部之機制並對應地輸出降壓調變信號BU與升壓調變信號BST，設計者可以透過韌體以便設計實際應用的需求。在數位信號處理晶片中，當預設定正弦波之電壓大於邊界電壓時，則表示升降壓轉換器110進入所謂的升壓模式；當預設定正弦波之電壓小於邊界電壓時，則表示升降壓轉換器110進入所謂的降壓模式。

在升壓模式(boost mode)下，當第一三角波信號之電壓大於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處理晶片會輸出高準位電壓之升壓調變信號BST至升降壓轉換器110；當第一三角波信號之電壓小於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處理晶片會輸出低準位電壓之升壓調變信號BST至升降壓轉換器110。在降壓模式(buck mode)下，當第二三角波信號之電壓大於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處 理晶片輸出高準位電壓之降壓調變信號BU至升降壓轉換器110；當第二三角波信號之電壓小於預設定正弦波之電壓時，則數位信號處理晶片輸出低準位電壓之降壓調變信號BU至升降壓轉換器110。

須說明的是，邊界電壓、預設定正弦波之電壓、第一三角波之電壓與第二三角波之電壓都是可以透過韌體設計以內建於數位信號處理晶片內部之表格(table)，而設計者可以根據實際應用需求來進一步修改。

接下來，升降壓轉換器110會輸出一波形調整信號WS至隔離變壓器120，以透過隔離變壓器120來進行電氣隔離之工作。隔離變壓器120會對應地輸出已隔離的波形調整信號WS’至全波整流器130，以透過全波整流器130來將已隔離的波形調整信號WS’進行全波整流的工作，並且據此輸出全波脈波信號AS。之後，極性選擇器140會將全波脈波信號之後半週波形予以換向或極性反轉，並且據此輸出市電正弦波信號VOUT至交流電網以併入交流電網的能量供應系統。據此，本揭露內容能夠在提高電壓準位期間，同時產生弦波波形，因此在高功率下達到優良的轉換效率，亦即將太陽能面板所產生的電壓予以電壓轉換並且產生一正弦波信號以併入交流電網的能量供應系統。所以，本揭露內容能夠降低電路設計的複雜度以進一步節省元件數量與電路設計成本。

為了更詳細地說明本發明所述之太陽能逆變器100的運作流程，以下將舉多個實施例中至少之一來作更進一步的說明。

在接下來的多個實施例中，將描述不同於上述圖1實施例 之部分，且其餘省略部分與上述圖1實施例之部分相同。此外，為說明便利起見，相似之參考數字或標號指示相似之元件。

〔太陽能逆變器的另一實施例〕

請參照圖2，圖2為根據本發明實施例之太陽能逆變器之區塊示意圖。與上述圖1實施例不同的是，在本實施例中，升降壓轉換器110包括第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4、降壓電晶體Qb、降壓二極體Db與升降壓電感Lb。全波整流器130包括第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4與電容Cr。極性選擇器140包括第一矽控開關S1、第二矽控開關S2、第三矽控開關S3與第四矽控開關S4。其中，太陽能逆變器200更包括一耦合電容Cin，並聯連接於輸入電壓VIN。

其中，第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3、第四電晶體Q4與升降壓電感Lb在本實施例中為完成升壓模式(boost mode)的主要元件，而降壓電晶體Qb、降壓二極體Db與升降壓電感Lb在本實施例中為完成降壓模式(buck mode)的主要元件。

第一電晶體Q1之閘極接收第一脈寬調變信號BST1，第一電晶體Q1之源極連接隔離變壓器120之初級側之繞組。第二電晶體Q2之閘極接收第二脈寬調變信號BST2，第二電晶體Q2之汲極連接至第一電晶體Q1之源極。第三電晶體Q3之閘極接收第三脈寬調變信號BST3，第三電晶體Q3之汲極連接第一電晶體Q1之汲極與升降壓電感Lb之第一端，第三電晶體之源極連接隔離變壓器120之初級側之繞組。第四電晶體Q4之閘極接收第四脈寬調變信號BST4 ，第四電晶體Q4之汲極連接第三電晶體Q3之源極，第四電晶體Q4之源極連接第二電晶體Q2之源極與第一接地電壓GND1。其中，第一脈寬調變信號至第四脈寬調變信號BST1~BST4為升壓調變信號BST，並且當在升壓模式時，第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4之所對應的責任週期大於50%以將輸入電壓VIN逐步升壓；當在降壓模式時，第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4之所對應的責任週期等於一門檻責任週期，以維持升降壓轉換器110的正常運作。

降壓電晶體Qb之閘極接收降壓調變信號BU，降壓電晶體Qb之汲極連接輸入電壓VIN，降壓電晶體Qb之源極連接升降壓電感Lb之第二端。降壓二極體Db之陽極連接第一接地電壓GND1，降壓二極體Db之陰極連接降壓電晶體Qb之源極。當在升壓模式時，降壓調變信號BU之責任週期為100%以導通降壓電晶體Qb，當在降壓模式時，降壓調變信號BU之責任週期小於100%以將輸入電壓VIN逐步降壓。

第一二極體D1之陽極連接第二接地電壓GND2。第二二極體D2之陽極連接第一二極體D1之陽極。第三二極體D3之陽極連接第一二極體D1之陰極與隔離變壓器120之次級側之繞組。第四二極體D4之陽極連接第二二極體D2之陰極與隔離變壓器120之次級側之繞組，第四二極體D4之陰極連接第三二極體D3之陰極。電容Cr之第一端連接第三二極體D3之陰極，電容Cr之第二端連接第二接地電壓GND2。其中，第一至第四二極體D1~D4用以將已隔離之波形調整信號WS’予以全波整流，並且據此輸出全波脈 波信號AS。

第一矽控開關S1之第一端連接電容Cr之第一端，第一矽控開關S1之控制端接收第一控制信號CS1並據此決定導通或斷開狀態。第二矽控開關S2之第一端連接第一矽控開關S1之第二端與交流電網之正端，第二矽控開關S2之第二端連接第二接地電壓GND2，第二矽控開關S2之控制端接收第二控制信號CS2並據此決定導通或斷開狀態。第三矽控開關S3之第一端連接電容Cr之第一端，第三矽控開關S3之控制端接收第三控制信號CS3並據此決定導通或斷開狀態。第四矽控開關S4之第一端連接第三矽控開關S3之第二端與交流電網之負端，第四矽控開關S4之第二端連接第二接地電壓GND2，第四矽控開關S4之控制端接收第四控制信號CS4並據此決定導通或斷開狀態。其中第一矽控開關S1與第四矽控開關S4之導通或斷開狀態相同，第二矽控開關S2與第三矽控開關S3之導通或斷開狀態相同，並且第一矽控開關S1與第二矽控開關S2之導通或斷開狀態相反。

接下來要教示的，是進一步說明太陽能逆變器200的工作原理，並假設所有開關元件皆為理想元件。

請同時參照圖2~圖5，圖3為根據本發明實施例之驅動波形之示意圖。圖4為根據本發明實施例之升壓模式下之太陽能逆變器之電路示意圖。圖5為根據本發明實施例之降壓模式下之太陽能逆變器之電路示意圖。當預設定正弦波Vg的電壓大於邊界電壓Vb時，則升降壓轉換器110處於升壓模式。此時，當第一三角波信號VT1的電壓大於預設定正弦波Vg的電壓時，則數位信號處理晶片會輸出高 準位電壓之第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4至對應的第一至第四電晶體Q1~Q4；當第一三角波信號VT1的電壓小於預設定正弦波Vg的電壓時，則數位信號處理晶片會輸出低準位電壓之之第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4至對應的第一至第四電晶體Q1~Q4。

當預設定正弦波Vg的電壓小於邊界電壓Vb時，則升降壓轉換器110處於降壓模式。此時，當第二三角波信號VT2的電壓大於預設定正弦波的電壓時，則數位信號處理晶片會輸出高準位電壓之降壓調變信號BU至降壓電晶體Qb，當第二三角波信號VT2的電壓小於預設定正弦波的電壓時，則數位信號處理晶片會輸出低準位電壓之降壓調變信號BU至降壓電晶體Qb。須注意的是，在降壓模式時，降壓調變信號BU之責任週期δbuck小於100%並且傳送至第一至第四電晶體Q1~Q4之的第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4的責任週期δboos為一門檻責任週期δmin，而此門檻責任週期δmin而為了讓升降壓轉換器110正常運作的最小責任週期。

接下來要說明的是，關於太陽能逆變器200在升壓模式下的詳細說明。

請同時參照圖6~圖10，圖6為根據本發明實施例之第一至第四脈寬調變信號之驅動波形圖。圖7~圖10為根據本發明實施例之升壓模式下太陽能逆變器之電路示意圖。在進行下述說明前，須說明的是，在此以一個開關週期作為範例說明以方便了解本揭露內容，但本揭露內容並不以一個開關週期作為限制。再者，在升壓模式時，降壓調變信號BU之責任週期δbuck為100%，所以降壓電晶體Qb 一直處於導通狀態，而第一至第四脈寬調變信號BST1~BS4的責任週期δboost大於50%。

如圖7所示，在時間t0至t1的時間區間，第一至第四電晶體Q1~Q4根據所接收到之第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4全被導通，因此升降壓電感Lb會開始進行儲能的工作。此時，隔離變壓器120的初級側會因為第一至第四電晶體Q1~Q4全被導通的關係以致於不會有能量傳送到隔離變壓器120的次級側，所以負載的能量全都交由全波整流器130中的電容Cr來提供。如圖8所示，在時間t1至t2的時間區間，在時間t1時，第二電晶體Q2與第三電晶體Q3根據其所接收到之第二與第三脈寬調變信號BST2、BST3而會被截止，而第一電晶體Q1與第四電晶體Q4則保持導通狀態。因此，儲存於升降壓電感Lb的能量會透過隔離變壓器120與全波整流器130中的第二二極體D2與第三二極體D3對電容Cr充電以儲能。接著，如圖9所示，在時間t2至t3的時間區間，第一至第四電晶體Q1~Q4根據所接收到之第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4又全被導通，因此升降壓電感Lb又會開始進行儲能的工作。此時，隔離變壓器120的初級側會因為第一至第四電晶體Q1~Q4全被導通的關係以致於不會有能量傳送到隔離變壓器120的次級側，所以負載的能量全都交由全波整流器130中的電容Cr來提供，其中電流路徑與圖7實施例相同。之後，如圖10所示，在時間t3至t4的時間區間，在時間t3時，第一電晶體Q1與第四電晶體Q4會根據其所接收到之第一與第四脈寬調變信號BST1、BST4而會被截止，而第二電晶體Q2與第三電晶體Q3則保持導通狀 態。因此，儲存於升降壓電感Lb的能量會反向地通過隔離變壓器120與全波整流器130中的第四二極體D4與第一二極體D1對電容Cr充電以儲能。在接下來的開關週期中，應可理解太陽能逆變器200會不斷重複如上述圖7~圖10關於升壓模式的作動以調變輸入電壓VIN，在此則不再贅述。

接下來要說明的是，關於太陽能逆變器200在降壓模式下的詳細說明。

請同時參照圖11~圖17，圖11為根據本發明實施例之第一至第四脈寬調變信號與降壓調變信號之驅動波形圖。圖12~圖17為根據本發明實施例之降壓模式下太陽能逆變器之電路示意圖。在進行下述說明前，須說明的是，在此以一個開關週期作為範例說明以方便了解本揭露內容，但本揭露內容並不以一個開關週期作為限制。在降壓模式時，降壓調變信號BU之責任週期δbuck小於100%，並且第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4之責任週期δboost為門檻責任週期δmin，其中門檻責任週期δmin為定義為使升降壓轉換器110能夠正常運作之最小責任週期。

如圖12所示，在時間t0至t1的時間區間，降壓電晶體Qb、第一電晶體Q1與第四電晶體Q4分別受控於降壓調變信號BU、第一脈寬調變信號BST1與第四脈寬調變信號BST4而被導通，並且第二二極體D2與第三二極體D3會被導通。因此，升降壓電感Lb會經由隔離變壓器120會電容Cr進行充電以儲能。接著，如圖13所示，在時間t1至t2的時間區間，受控於降壓調變信號BU之降壓電晶體Qb會被截止，而分別受控於第一脈寬調變信號BST1與第四脈 寬調變信號BST4之第一電晶體Q1與第四電晶體Q4會持續導通，且第二二極體D2與第三二極體D3亦會持續導通。因此，升降壓電感Lb會繼續透過隔離變壓器120對電容Cr進行儲能的工作。接下來，如圖14所示，在時間t2至t3的時間區間，降壓電晶體Qb與第一至第四電晶體Q1~Q4分別受控於降壓調變信號BU與第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4而導通。因此輸入電壓VIN(亦即太陽能面板上的能量)會透過降壓電晶體Qb對升降壓電感Lb進行儲能的工作。此時，隔離變壓器120的初級側因為第一至第四電晶體Q1~Q4全部導通的關係而被短路，所以沒有任何能量會被傳送到隔離變壓器120的次級側，而負載能量則由電容Cr來提供。之後，如圖15所示，在時間t3至t4的時間區間，受控於降壓調變信號BU之降壓電晶體Qb會被導通，且分別受控於第一脈寬調變信號BST1與第四脈寬調變信號BST4會被截止，且第一二極體D1與第四二極體D4會被導通。因此，升降壓電感Lb會反向地經由隔離變壓器120對電容Cr進行充電以儲能。接著，如圖16所示，在時間t4至t5的時間區間，受控於降壓調變信號BU之降壓電晶體Qb會被截止，而受控於第二脈寬調變信號BST2與第三脈寬調變信號BST3的第二電晶體Q2與第三電晶體Q3仍會導通，且第四二極體D4與第一二極體D1會持續導通。因此，升降壓電感Lb會透過隔離變壓器120繼續對電容Cr進行儲能的工作。最後，如圖17所示，在時間t5至t6的時間區間，分別受控於降壓調變信號BU與第一至第四脈寬調變信號BST1~BST4的降壓電晶體Qb與第一至第四電晶體Q1~Q4，會全部被導通。因此，輸入 電壓VIN(亦即太陽能面板上的能量)會經由降壓電晶體Qb對升降壓電感Lb進行儲能的工作。此時，隔離變壓器120的初級側會因為第一至第四電晶體Q1~Q4全部導通的關係而被短路，故沒有任何能量會被傳遞到隔離變壓器120的二次側。所以，負載能量則由電容Cr提供，其中電流路徑與圖14實施例相同。在接下來的開關週期中，應可理解太陽能逆變器200會不斷重複如上述圖12~圖17關於降壓模式的作動以調變輸入電壓VIN，在此則不再贅述。

接下來要進一步說明的，是關於極性選擇器140的相關細部作動。

請同時參照圖18~圖20，圖18為根據本發明實施例之控制信號之驅動波形圖。圖19~圖20為根據本發明實施例之極性選擇器動作之電路示意圖。在進行下述說明前，須說明的是，在此以一個開關週期作為範例說明以方便了解本揭露內容，但本揭露內容並不以一個開關週期作為限制。

如圖19所示，在時間t0至t1的時間區間，受控於第一控制信號CS1與第四控制信號CS4之第一矽控開關S1與第四矽控開關S4會被導通，並且受控於第二控制信號CS2與第三控制信號CS3之第二矽控開關S2與第三矽控開關S3會被截止。因此，電容Cr上的能量會透過如圖19之電流路徑傳送至交流電網以併入交流電網的能量供應系統。接著，如圖20所示，在時間t1至t2的時間區間，受控於第二控制信號CS2與第三控制信號CS3之第二矽控開關S2與第三矽控開關S3會被導通，並且受控於第一控制信號CS1與第四控制信號CS4之第一矽控開關S1與第四矽控開 關S4會被截止。因此，電容Cr上的能量會透過如圖20之電流路徑傳送至交流電網以併入交流電網的能量供應系統。值得一提的是，第一至第四矽控開關S1~S4的工作頻率為市電頻率(如60Hz)並且是在零點交越時切換，因此極性選擇器140的損耗是可以被忽略的，因而可視為單級式架構。

承上述，本揭露內容所提出之單級式太陽能逆變器透過升降壓轉換器的升壓模式與降壓模式，能夠將太陽能逆變器所接收到的輸入電壓VIN轉換為市電正弦波信號VOUT，在高功率下達到優良的轉換效率。再者，本揭露內容能夠降低電路設計的複雜度以進一步節省元件數量與電路設計成本。

〔電壓轉換方法的一實施例〕

請參照圖21，圖21為根據本發明實施例之電壓轉換方法之流程圖。本實施例所述之例示步驟流程可利用如圖1所示的太陽能逆變器100或圖2所示的太陽能逆變器200實施，故請一併參照圖1或圖2以利說明及理解。電壓轉換方法包括以下步驟：接收輸入電壓、降壓調變信號與升壓調變信號，其中根據降壓調變信號與升壓調變信號來調變輸入電壓，並且據此輸出波形調整信號(步驟S10)。將已隔離的波形調整信號予以全波整流，並且據此輸出全波脈波信號(步驟S20)。將全波脈波信號之後半週波形予以極性反轉，並且據此輸出市電正弦波信號(步驟S30)。其中在降壓模式，根據降壓調變信號將輸入電壓予以逐步降壓，並且在升壓模式，根據升壓調變信號將輸入電壓予以逐步升壓。

關於太陽能逆變器之電壓轉換方法之各步驟的相關細節在上述圖1~圖20實施例已詳細說明，在此恕不贅述。

在此須說明的是，圖21實施例之各步驟僅為方便說明之須要，本發明實施例並不以各步驟彼此間的順序作為實施本發明各個實施例的限制條件。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例所提出之單級式太陽能逆變器及其電壓轉換方法，透過升降壓轉換器的升壓模式與降壓模式，能夠將太陽能逆變器所接收到的輸入電壓轉換為市電正弦波信號，在高功率下達到優良的轉換效率。再者，本揭露內容能夠降低電路設計的複雜度以進一步節省元件數量與電路設計成本。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

100、200‧‧‧太陽能逆變器

110‧‧‧升降壓轉換器

120‧‧‧隔離變壓器

130‧‧‧全波整流器

140‧‧‧極性選擇器

AS‧‧‧全波脈波信號

BU‧‧‧降壓調變信號

BST‧‧‧升壓調變信號

BST1‧‧‧第一脈寬調變信號

BST2‧‧‧第二脈寬調變信號

BST3‧‧‧第三脈寬調變信號

BST4‧‧‧第四脈寬調變信號

Cin‧‧‧耦合電容

Cr‧‧‧電容

CS1‧‧‧第一控制信號

CS2‧‧‧第二控制信號

CS3‧‧‧第三控制信號

CS4‧‧‧第四控制信號

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

D3‧‧‧第三二極體

D4‧‧‧第四二極體

Db‧‧‧降壓二極體

GND1‧‧‧第一接地電壓

GND2‧‧‧第二接地電壓

Lb‧‧‧升降壓電感

Qb‧‧‧降壓電晶體

Q1~Q4‧‧‧電晶體

S10~S30‧‧‧步驟

S1‧‧‧第一矽控開關

S2‧‧‧第二矽控開關

S3‧‧‧第三矽控開關

S4‧‧‧第四矽控開關

t0~t6‧‧‧時間

Vb‧‧‧邊界電壓

Vg‧‧‧預設定正弦波

VIN‧‧‧輸入電壓

VT1‧‧‧第一三角波信號

VT2‧‧‧第二三角波信號

VOUT‧‧‧市電正弦波信號

WS、WS’‧‧‧波形調整信號

δbuck、δboost‧‧‧責任週期

δmin‧‧‧門檻責任週期

上文已參考隨附圖式來詳細地說明本發明之具體實施例，藉此可對本發明更為明白，在該等圖式中：圖1為根據本發明實施例之太陽能逆變器之區塊示意圖。

圖2為根據本發明實施例之太陽能逆變器之區塊示意圖。

圖3為根據本發明實施例之驅動波形之示意圖。

圖4為根據本發明實施例之升壓模式下之太陽能逆變器之電路示意圖。

圖5為根據本發明實施例之降壓模式下之太陽能逆變 器之電路示意圖。

圖6為根據本發明實施例之第一至第四脈寬調變信號之驅動波形圖。

圖7~圖10為根據本發明實施例之升壓模式下太陽能逆變器之電路示意圖。

圖11為根據本發明實施例之第一至第四脈寬調變信號與降壓調變信號之驅動波形圖。

圖12~圖17為根據本發明實施例之降壓模式下太陽能逆變器之電路示意圖。

圖18為根據本發明實施例之極性選擇器控制信號之驅動波形圖。

圖19~圖20為根據本發明實施例之極性選擇器動作之電路示意圖。

圖21為根據本發明實施例之電壓轉換方法之流程圖。

200‧‧‧太陽能逆變器

110‧‧‧升降壓轉換器

120‧‧‧隔離變壓器

130‧‧‧全波整流器

140‧‧‧極性選擇器

BU‧‧‧降壓調變信號

BST1‧‧‧第一脈寬調變信號

BST2‧‧‧第二脈寬調變信號

BST3‧‧‧第三脈寬調變信號

BST4‧‧‧第四脈寬調變信號

CS1‧‧‧第一控制信號

CS2‧‧‧第二控制信號

CS3‧‧‧第三控制信號

CS4‧‧‧第四控制信號

Cin‧‧‧耦合電容

Cr‧‧‧電容

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

D3‧‧‧第三二極體

D4‧‧‧第四二極體

Db‧‧‧降壓二極體

GND1‧‧‧第一接地電壓

GND2‧‧‧第二接地電壓

Lb‧‧‧升降壓電感

Qb‧‧‧降壓電晶體

Q1~Q4‧‧‧電晶體

S1‧‧‧第一矽控開關

S2‧‧‧第二矽控開關

S3‧‧‧第三矽控開關

S4‧‧‧第四矽控開關

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧市電正弦波信號

Claims (16)

1. 一種太陽能逆變器，包括：一升降壓轉換器，接收一輸入電壓、一降壓調變信號與一升壓調變信號，其中該升降壓轉換器根據該降壓調變信號與該升壓調變信號來調變該輸入電壓，並且據此輸出一波形調整信號；一隔離變壓器，具有一初級側與一次級側，該隔離變壓器電性連接該升降壓轉換器，該隔離變壓器用以電氣隔離，接收該波形調整信號且輸出已隔離的該波形調整信號；一全波整流器，電性連接該隔離變壓器，該全波整流器將已隔離的該波形調整信號予以全波整流，並且據此輸出一全波脈波信號；以及一極性選擇器，電性連接該全波整流器，該極性選擇器將該全波脈波信號之後半週波形予以極性反轉，並且據此輸出一市電正弦波信號，其中該升降壓轉換器在一降壓模式下根據降壓調變信號將該輸入電壓予以逐步降壓，並且該升降壓轉換器在一升壓模式下根據升壓調變信號將該輸入電壓予以逐步升壓，據此，能夠在提高電壓準位期間，同時產生弦波波形，其中，該升降壓轉換器更電性連接至一數位信號處理晶片，當一預設定正弦波之電壓大於一邊界電壓時，則該升降壓轉換器處於該升壓模式，當該預設定正弦波之電壓小於該邊界電壓時，則該升降壓轉換器處於該降壓模式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中當該升降壓轉換器在該升壓模式時，則該降壓調變信號之責任週期為 100%並且該升壓調變信號之責任週期大於50%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中當該升降壓轉換器在該降壓模式時，則該降壓調變信號之責任週期小於100%並且該升壓調變信號之責任週期等於一門檻責任週期，其中該門檻責任週期為使得該升降壓轉換器正常運作之最小責任週期。
4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中在該升壓模式下，當一第一三角波信號之電壓大於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出高準位電壓之該升壓調變信號至該升降壓轉換器；當該第一三角波信號之電壓小於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出低準位電壓之該升壓調變信號至該升降壓轉換器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中在該降壓模式下，當一第二三角波信號之電壓大於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出高準位電壓之該降壓調變信號至該升降壓轉換器；當該第二三角波信號之電壓小於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出低準位電壓之該降壓調變信號至該升降壓轉換器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中該極性選擇器之工作頻率為一市電頻率，且其所輸出之該正弦波信號為該市電頻率，其中該極性選擇器更電性連接至一交流電網。
7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中該升降壓轉換器包括：一第一電晶體，其閘極接收一第一脈寬調變信號，其源極連 接該隔離變壓器之該初級側之繞組；一第二電晶體，其閘極接收一第二脈寬調變信號，其汲極連接至該第一電晶體之源極；一第三電晶體，其閘極接收一第三脈寬調變信號，其汲極連接該第一電晶體之汲極與一升降壓電感之第一端；其源極連接該隔離變壓器之該初級側之繞組；以及一第四電晶體，其閘極接收一第四脈寬調變信號，其汲極連接該第三電晶體之源極，其源極連接該第二電晶體之源極與一第一接地電壓，其中該第一至該第四脈寬調變信號為該升壓調變信號，並且當在該升壓模式時，該第一至該第四脈寬調變信號之所對應的責任週期大於50%以將該輸入電壓逐步升壓；當在該降壓模式時，該第一至該第四脈寬調變信號之所對應的責任週期等於一門檻責任週期，以維持該升降壓轉換器正常運作。
8. 如申請專利範圍第7項所述之太陽能逆變器，其中該升降壓轉換器更包括：一降壓電晶體，其閘極接收該降壓調變信號，其汲極連接該輸入電壓，其源極連接該升降壓電感之第二端；以及一降壓二極體，其陽極連接該第一接地電壓，其陰極連接該降壓電晶體之源極，其中當在該升壓模式時，該降壓調變信號之責任週期為100%以導通該降壓電晶體，當在該降壓模式時，該降壓調變信號之責任週期小於100%以將該輸入電壓逐步降壓。
9. 如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中該全波整 流器包括：一第一二極體，其陽極連接一第二接地電壓；一第二二極體，其陽極連接該第一二極體之陽極；一第三二極體，其陽極連接該第一二極體之陰極與該隔離變壓器之該次級側之繞組；一第四二極體，其陽極連接該第二二極體之陰極與該隔離變壓器之該次級側之繞組，其陰極連接該第三二極體之陰極；以及一電容，其第一端連接該第三二極體之陰極，其第二端連接該第二接地電壓，其中該第一至該第四二極體用以將已隔離之波形調整信號予以全波整流，並且據此輸出該全波脈波信號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之太陽能逆變器，其中該極性選擇器包括：一第一矽控開關，其第一端連接該電容之第一端，其控制端接收一第一控制信號並據此決定導通或斷開狀態；一第二矽控開關，其第一端連接該第一矽控開關之第二端與一交流電網之正端，其第二端連接該第二接地電壓，其控制端接收一第二控制信號並據此決定導通或斷開狀態；一第三矽控開關，其第一端連接該電容之第一端，其控制端接收一第三控制信號並據此決定導通或斷開狀態；以及一第四矽控開關，其第一端連接該第三矽控開關之第二端與該交流電網之負端，其第二端連接該第二接地電壓，其控制端接收一第四控制信號並據此決定導通或斷開狀態， 其中該第一與該第四矽控開關之導通或斷開狀態相同，該第二與該第三矽控開關之導通或斷開狀態相同，並且該第一與該第二矽控開關之導通或斷開狀態相反。
11. 一種電壓轉換方法，包括：接收一輸入電壓、一降壓調變信號與一升壓調變信號，其中根據該降壓調變信號與該升壓調變信號來調變該輸入電壓，並且據此輸出一波形調整信號；將已隔離的該波形調整信號予以全波整流，並且據此輸出一全波脈波信號；以及將該全波脈波信號之後半週波形予以極性反轉，並且據此輸出一市電正弦波信號；其中在一降壓模式，根據該降壓調變信號將該輸入電壓予以逐步降壓，並且在一升壓模式，根據該升壓調變信號將該輸入電壓予以逐步升壓，其中該電壓轉換方法用於如申請專利範圍第1項所述之太陽能逆變器，其中該升降壓轉換器更電性連接至一數位信號處理晶片，當一預設定正弦波之電壓大於一邊界電壓時，則該升降壓轉換器處於該升壓模式，當該預設定正弦波之電壓小於該邊界電壓時，則該升降壓轉換器處於該降壓模式。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電壓轉換方法，其中當該升降壓轉換器在該升壓模式時，則該降壓調變信號之責任週期為100%並且該升壓調變信號之責任週期大於50%。
13. 如申請專利範圍第11項所述之電壓轉換方法，其中當該升降壓轉換器在該降壓模式時，則該降壓調變信號之責任週期小於100%並且該升壓調變信號之責任週期等於一門檻責任 週期，其中該門檻責任週期為使得該升降壓轉換器正常運作之最小責任週期。
14. 如申請專利範圍第11項所述之電壓轉換方法，其中在升壓模式下，當一第一三角波信號之電壓大於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出高準位電壓之該升壓調變信號至該升降壓轉換器；當該第一三角波信號之電壓小於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出低準位電壓之該升壓調變信號至該升降壓轉換器。
15. 如申請專利範圍第11項所述之電壓轉換方法，其中在降壓模式下，當一第二三角波信號之電壓大於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出高準位電壓之該降壓調變信號至該升降壓轉換器；當該第二三角波信號之電壓小於該預設定正弦波之電壓時，則該數位信號處理晶片輸出低準位電壓之該降壓調變信號至該升降壓轉換器。
16. 如申請專利範圍第11項所述之電壓轉換方法，其中該極性選擇器之工作頻率為一市電頻率，且其所輸出之該正弦波信號為該市電頻率，其中該極性選擇器更電性連接至一交流電網。