TWI551024B

TWI551024B - 交流－直流電力轉換裝置及其控制方法

Info

Publication number: TWI551024B
Application number: TW102121942A
Authority: TW
Inventors: 吳坤德; 周宏亮; 吳晉昌; 羅培仁
Original assignee: 國立高雄應用科技大學
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201501458A

Description

交流-直流電力轉換裝置及其控制方法

本發明係關於一種交流-直流電力轉換裝置及其控制方法；特別是關於一種提升電能轉換效率且具電氣隔離之交流-直流電力轉換裝置與控制方法。

習用交流-直流電力轉換技術，如中華民國專利公告第I347735號之〝交換式電源裝置〞發明專利，其揭示一交換式電源裝置1。請參照第1圖所示，該交換式電源裝置1包含一交流輸入電壓源11、一橋式整流器12、一升壓型直流-直流電能轉換器13、一電能緩衝器14、一具電氣隔離之直流-直流電能轉換器15、一負載檢測電路16及一負載17。該橋式整流器12及升壓型直流-直流電能轉換器13具有功率因數校正之功能。當該具電氣隔離之直流-直流電能轉換器15確定檢測該負載17為輕負載時，立即停止該升壓型直流-直流電能轉換器13之功能，進而改善在輕載模式下之轉換效率。

然而，前述公告第I347735號由於該交換式電源裝置1採用傳統升壓型直流-直流電能轉換器13，因此當功率開關之責任週期較高時，會造成整體電能轉換器之轉換效率降低。

另一習用交流-直流電力轉換技術，如中華民國專利公告第I373900號之〝高效率之充電電路及電源供應系統〞發明專利，其揭示一高效率充電電路2。請參照第2圖所示，該高效率充電電路2包含一交流輸入電壓源21、一橋式整流器22、一升壓型直流-直流電能轉換器23、一濾波電容24、一升降壓型直流-直流電能轉換器25、一檢測電路26、一PWM控制器27及一電池組28。

然而，前述公告第I373900號由於該升壓型直流-直流電能轉換器23並不具有功率因數校正之功能，因此會造成電路線路損失增加及諧波電流所產生之電源電壓波形失真問題。此外，由於該高效率充電電路2亦採用傳統升壓型直流-直流電能轉換器23，因此當功率開關之責任週期較高時，會造成整體電能轉換器之轉換效率降低。前述專利及專利申請案僅為本發明技術背景之參考及說明目前技術發展狀態而已，其並非用以限制本發明之範圍。

有鑑於此，本發明為了滿足上述技術問題及需求，其提供一種交流-直流電力轉換裝置及其控制方法，其利用一電能緩衝器在一交流輸入電壓源之輸入電壓大於一設定值時，該電能緩衝器之二電容器採用串聯操作；在該交流輸入電壓源之輸入電壓小於該設定值時，該電能緩衝器之二電容器採用並聯操作，使其輸出電壓分成兩個不同之電壓準位，以解決該交流輸入電壓源電壓較低時功率開關之責任週期過高的問題，因此相對於習用交流-直流電力轉換裝置具有提升轉換效率的優點。

本發明較佳實施例之主要目的係提供一種交流-直流電力轉換裝置及其控制方法，其利用一電能緩衝器在一交流輸入電壓源之輸入電壓大於一設定值時，該電能緩衝器之二電容器採用串聯操作；在該交流輸入電壓源之輸入電壓小於該設定值時，該電能緩衝器之二電容器採用並聯操作，使其輸出電壓分成兩個不同之電壓準位，以解決該交流輸入電壓源電壓較低時功率開關之責任週期過高的問題，以達成提升交流-直流電力轉換效率之目的。

為了達成上述目的，本發明較佳實施例之交流-直流電力轉換裝置包含：一整流器，其連接至一交流輸入電壓源，該交流輸入電壓源供應一輸入電壓；一升壓型直流-直流轉換器，其連接至該整流器，該升壓型直流-直流轉換器包含一功率開關；一電能緩衝器，其連接至該升壓型直流-直流轉換器，該電能緩衝器包含二個濾波電容器；一具電氣隔離之直流-直流轉換器，其連接至該電能緩衝器；及一控制器，其連接控制該升壓型直流-直流轉換器、電能緩衝器及具電氣隔離之直流-直流轉換器；其中該電能緩衝器利用該交流輸入電壓源之輸入電壓大於一設定值時，該電能緩衝器之二個濾波電容器採用串聯連接方式操作，此時，該升壓型直流-直流轉換器將該輸入電壓升壓至該電能緩衝器之一第一電壓；當該交流輸入電壓源之輸入電壓低於該設定值時，該電能緩衝器之二個濾波電容器採用並聯連接方式操作，此時，該升壓型直流-直流轉換器將該輸入電壓升壓至該電能緩衝器之一第二電壓，使該電能緩衝器之輸出電壓分成兩個不同之電壓準位，以便在該交流輸入電壓源之電壓較低時，可降低該升壓型直流-直流轉換器之功率開關之責任週期。

本發明較佳實施例之該控制器包含一電壓外迴路處理單元、一電流內迴路處理單元及一脈波寬度調變電路，以便對該升壓型直流-直流轉換器進行操控；該電壓外迴路處理單元包含一電壓檢測器、一波形產生電路、一絕對值電路、一電壓檢測器、一減法器、一比例積分控制器及一乘法器，且該電流內迴路處理單元包含一電流檢測器、一減法器及一比例積分控制器。

本發明較佳實施例之該控制器包含一負載電壓處理單元及一脈波寬度調變電路，以便對該具電氣隔離之直流-直流轉換器連接一直流負載時進行操控；該負載電壓處理單元包含一電壓檢測器、一減法器及一比例積分控制器。

本發明較佳實施例之該控制器包含一電池組電流處理單元、一電池組電壓處理單元、一選擇開關及一脈波寬度調變電路，以便對該具電氣隔離之直流-直流轉換器連接一電池組時進行操控；該電池組電流處理單元包含一電流檢測器、一減法器及一比例積分控制器，該電池組電壓處理單元包含一電壓檢測器、一減法器及一比例積分控制器。

本發明較佳實施例之該控制器包含一電壓檢測器、一絕對值電路、一比較器及一開關信號產生器，以便對該電能緩衝器進行操控。

為了達成上述目的，本發明較佳實施例之交流-直流電力轉換控制方法包含：將檢測一交流輸入電壓源之輸入電壓；判斷該交流輸入電壓源之輸入電壓高於或低於一設定值；當該交流輸入電壓源之輸入電壓高於該設定值時，將一電能緩衝器之二個濾波電容器採用串聯連接方式操作，且利用一升壓型直流-直流轉換器將該輸入電壓升壓至該電能緩衝器之一第一電壓；及當該交流輸入電壓源之輸入電壓低於該設定值時，該電能緩衝器之二個濾波電容器採用並聯連接方式操作，且利用該升壓型直流-直流轉換器將該輸入電壓升壓至該電能緩衝器之一第二電壓；其中該電能緩衝器之輸出電壓分成兩個不同之電壓準位，以便在該交流輸入電壓源之電壓較低時，以降低該升壓型直流-直流轉換器之一功率開關之責任週期。

本發明較佳實施例採用一控制器，該控制器包含一電壓外迴路處理單元、一電流內迴路處理單元及一脈波寬度調變電路，以便對該升壓型直流-直流轉換器進行操控；該電壓外迴路處理單元包含一電壓檢測器、一波形產生電路、一絕對值電路、一電壓檢測器、一減法器、一比例積分控制器及一乘法器，且該電流內迴路處理單元包含一電流檢測器、一減法器及一比例積分控制器。

本發明較佳實施例採用一控制器，該控制器包含一負載電壓處理單元及一脈波寬度調變電路，以便對一具電氣隔離之直流-直流轉換器連接一直流負載時進行操控；該負載電壓處理單元包含一電壓檢測器、一減法器及一比例積分控制器。

本發明較佳實施例採用一控制器，該控制器包含一電池組電流處理單元、一電池組電壓處理單元、一選擇開關及一脈波寬度調變電路，以便對一具電氣隔離之直流-直流轉換器連接一電池組時進行操控；該電池組電流處理單元包含一電流檢測器、一減法器及一比例積分控制器，該電池組電壓處理單元包含一電壓檢測器、一減法器及一比例積分控制器。

本發明較佳實施例採用一控制器，該控制器包含一電壓檢測器、一絕對值電路、一比較器及一開關信號產生器，以便對該電能緩衝器進行操控。

1‧‧‧交換式電源裝置

11‧‧‧交流輸入電壓源

12‧‧‧橋式整流器

13‧‧‧升壓型直流-直流電能轉換器

14‧‧‧電能緩衝器

15‧‧‧具電氣隔離之直流-直流電能轉換器

16‧‧‧負載檢測電路

17‧‧‧負載

2‧‧‧高效率充電電路

21‧‧‧交流輸入電壓源

22‧‧‧橋式整流器

23‧‧‧升壓型直流-直流電能轉換器

24‧‧‧濾波電容

25‧‧‧升降壓型直流-直流電能轉換器

26‧‧‧檢測電路

27‧‧‧PWM控制器

28‧‧‧電池組

3‧‧‧交流-直流電力轉換裝置

31‧‧‧交流輸入電壓源

32‧‧‧整流器

33‧‧‧升壓型直流-直流轉換器

331‧‧‧電感器

332‧‧‧功率開關

333‧‧‧二極體

34‧‧‧電能緩衝器

341‧‧‧功率開關

342‧‧‧功率開關

343‧‧‧濾波電容器

344‧‧‧濾波電容器

345‧‧‧二極體

35‧‧‧具電氣隔離之直流-直流轉換器

351‧‧‧功率開關

352‧‧‧變壓器

353‧‧‧二極體

354‧‧‧二極體

355‧‧‧電感器

356‧‧‧濾波電容器

36‧‧‧負載

4‧‧‧控制器

41‧‧‧第一控制方塊架構

411‧‧‧電壓外迴路處理單元

4111‧‧‧電壓檢測器

4112‧‧‧波形產生電路

4113‧‧‧絕對值電路

4114‧‧‧電壓檢測器

4115‧‧‧減法器

4116‧‧‧比例積分控制器

4117‧‧‧乘法器

412‧‧‧電流內迴路處理單元

4121‧‧‧電流檢測器

4122‧‧‧減法器

4123‧‧‧比例積分控制器

413‧‧‧脈波寬度調變電路

42‧‧‧第二控制方塊架構

421‧‧‧負載電壓處理單元

4211‧‧‧電壓檢測器

4212‧‧‧減法器

4213‧‧‧比例積分控制器

422‧‧‧脈波寬度調變電路

43‧‧‧第三控制方塊架構

431‧‧‧電池組電流處理單元

4311‧‧‧電流檢測器

4312‧‧‧減法器

4313‧‧‧比例積分控制器

432‧‧‧電池組電壓處理單元

4321‧‧‧電壓檢測器

4322‧‧‧減法器

4323‧‧‧比例積分控制器

433‧‧‧選擇開關

434‧‧‧脈波寬度調變電路

44‧‧‧第四控制方塊架構

441‧‧‧電壓檢測器

442‧‧‧絕對值電路

443‧‧‧比較器

444‧‧‧開關信號產生器

第1圖：習用中華民國專利公告第I347735號之交換式電源裝置之架構示意圖。

第2圖：習用中華民國專利公告第I373900號之高效率充電電路之架構示意圖。

第3圖：本發明較佳實施例之交流-直流電力轉換裝置之架構示意圖。

第4A圖：本發明較佳實施例之升壓型直流-直流轉換器採用控制器之方塊示意圖。

第4B圖：本發明較佳實施例之具電氣隔離之直流-直流轉換器在負載為一般直流負載時採用控制器之方塊示意圖。

第4C圖：本發明較佳實施例之具電氣隔離之直流-直流轉換器在負載為一電池組時採用控制器之方塊示意圖。

第4D圖：本發明較佳實施例之串/並聯電能緩衝器採用控制器之方塊示意圖。

為了充分瞭解本發明，於下文將舉例較佳實施例並配合所附圖式作詳細說明，且其並非用以限定本發明。

本發明較佳實施例之交流-直流電力轉換裝置及其控制方法適用於各種交流-直流電力轉換系統，但其並非用以限制本發明之範圍。第3圖揭示本發明較佳實施例之交流-直流電力轉換裝置之架構示意圖。請參照第3圖所示，本發明較佳實施例之交流-直流電力轉換裝置3包含一交流輸入電壓源31、一整流器32、一升壓型直流-直流轉換器33、一電能緩衝器〔串/並聯電能緩衝器〕34、一具電氣隔離之直流-直流轉換器35、一負載36及一控制器4。該交流輸入電壓源31連接至該整流器32，該整流器32再連接至該升壓型直流-直流轉換器33，該升壓型直流-直流轉換器33再連接至該電能緩衝器34，該電能緩衝器34再連接至該具電氣隔離之直流-直流轉換器35，該具電氣隔離之直流-直流轉換器35再連接至該負載36。另外，該控制器4連接控制該升壓型直流-直流轉換器33、電能緩衝器 34及具電氣隔離之直流-直流轉換器35。

舉例而言，該整流器32選擇由四顆二極體組合而成，且該整流器32具有一第一端〔即輸入端〕及一第二端〔即輸出端〕。該整流器32之第一端之兩端點與該交流輸入電壓源31連接，且該整流器32之第二端輸出一直流電壓及一直流電流。

請再參照第3圖所示，該升壓型直流-直流轉換器33包含一電感器331、一功率開關332及一二極體333°該功率開關332選自一半導體開關元件。該升壓型直流-直流轉換器33具有一第一端及一第二端。舉例而言，該升壓型直流-直流轉換器33第一端〔輸入端〕之兩端點與該整流器32之第二端〔輸出端〕連接。

請再參照第3圖所示，該電能緩衝器34包含二功率開關〔包含旁路二極體〕341、342、二個濾波電容器343、344及一二極體345，且該二功率開關341、342為一上部功率開關及一下部功率開關，該二個濾波電容器343、344為一上部電容器及一下部電容器。該功率開關341或342選自一半導體開關元件。每個該功率開關341、342具有一第一端及一第二端。每個該濾波電容器343、344亦具有一第一端及一第二端。該二極體345亦具有一第一端及一第二端。

另外，該電能緩衝器34具有一第一端及一第二端。該升壓型直流-直流轉換器33之第二端〔輸出端〕之兩端點與該電能緩衝器34之濾波電容器343之第一端〔正端〕與該濾波電容器344之第二端〔負端〕連接。

舉例而言，該電能緩衝器34包含四個端點，其分別為該濾波電容器343之第一端〔正端〕、該濾波電容器344之第二端〔負端〕、該二極體345之第一端〔陽極端〕及該二極體345之第二端〔陰極端〕。該濾波電容器343之第一端〔正端〕與該功率開關342之第一端連接，該濾波電容器344之第二端〔負端〕與該功率開關341之第二端連接，該二極體345之第一端〔陽極端〕與該功率開關341之第一端連接，該二極體345之第二端〔陰極端〕與該功率開關342之第二端連接。

請再參照第3圖所示，該具電氣隔離之直流-直流轉換器35包含一功率開關351、一變壓器352、兩個二極體353、354、一電感器355及一濾波電容器356。該功率開關351選自一半導體開關元件。該具電氣隔離之直流-直流轉換器35具有一第一端及一第二端。

舉例而言，該具電氣隔離之直流-直流轉換器35之第一端〔輸入端〕與該電能緩衝器34之濾波電容器343之第一端〔正端〕與該濾波電容器344之第二端〔負端〕連接，該具電氣隔離之直流-直流轉換器35之第二端〔輸出端〕與該負載36連接。

請再參照第3圖所示，利用一設定值決定該電能緩衝器34之動作模式，使該升壓型直流-直流轉換器33之輸出電壓分成兩個不同之電壓準位，以降低該升壓型直流-直流轉換器33之功率開關332之責任週期，以達成提升整體該交流-直流電力轉換裝置3之轉換效率之目.的。該升壓型直流-直流轉換器33對該電能緩衝器34之濾波電容器343及344進行穩壓之功能，且穩壓至該電能緩衝器34之最高電壓之一半，並執行功率因數校正〔power factor correction，PFC〕之功能，使該交流-直流電力轉換裝置3之輸入電流趨於一弦波且與該交流輸入電壓源31達到同相位，以提升該交流-直流電力轉換裝置3之功率因數，以減少電路線路損失及抑制諧波電流所產生之電源波形失真問題。

請再參照第3圖所示，該電能緩衝器34之控制方法係利用該交流輸入電壓源31之電壓與該設定值進行比較，以決定該電能緩衝器34操作於串聯或並聯模式。當該電能緩衝器34在該交流輸入電壓源31之電壓大於該設定值時，該電能緩衝器34之兩個該濾波電容器343及344採用串聯連接方式。此時，該升壓型直流-直流轉換器33將該輸入電壓升壓至該電能緩衝器34之一第一電壓，該第一電壓高於該交流輸入電壓源31之電壓峰值。

請再參照第3圖所示，反之，當該電能緩衝器34在該交流輸入電壓源31之電壓小於該設定值時，該電能緩衝器34之兩個該濾波電容器343及344採用並聯連接方式。此時，該升壓型直流-直流轉換器33將該輸入電壓升壓至該電能緩衝器34之一第二電壓，該第二電壓趨於該第一電壓之一半，使該電能緩衝器34之輸出電壓分成兩個不同之電壓準位，以便在該交流輸入電壓源31之電壓較低時，以降低該升壓型直流-直流轉換器33之功率開關332之責任週期，以提升整體該交流-直流電力轉換裝置3之轉換效率。該具電氣隔離之直流-直流轉換器35對該濾波電容器356進行穩壓控制，且該具電氣隔離之直流-直流轉換器35之輸出為一穩定電壓源，以提供一穩定電壓源至該負載36。

請再參照第3圖所示，該負載36可為一直流負載〔即一般直流負載〕或一電池組。若該負載36為一電池組時，則採用混和定電流-定電壓充電法對該電池組進行充電。該混和定電流-定電壓充電法在定電流模式下進行充電時，可有效減少充電時間，而在定電壓模式下進行充電時，不會造成該電池組發生過度充電之情況。

請再參照第3圖所示，該控制器4用以分別控制該升壓型直流-直流轉換器33之功率開關332、該電能緩衝器34之功率開關341、342及該具電氣隔離之直流-直流轉換器35之功率開關351進行切換，使該交流-直流電力轉換裝置3能達成上述之功能。

第4A圖揭示本發明較佳實施例之該升壓型直流-直流轉換器33採用該控制器4之方塊示意圖。請參照第4A圖所示，該升壓型直流-直流轉換器33採用一第一控制方塊架構41。該第一控制方塊架構41包含一電壓外迴路處理單元411、一電流內迴路處理單元412及一脈波寬度調變電路413。該電壓外迴路處理單元411包含一電壓檢測器4111、一波形產生電路4112、一絕對值電路4113、一電壓檢測器4114、一減法器4115、一濾波電容器344之設定電壓、一比例積分控制器4116及一乘法器4117。該電流內迴路處理單元412包含一電流檢測器4121、一減法器4122及一比例積分控制器4123。

請再參照第3及4A圖所示，該電壓外迴路處理單元411及電流內迴路處理單元412分別檢測該濾波電容器344之電壓及電感器331之電流，以產生一控制信號。該電壓檢測器4114用以檢測該濾波電容器344之電壓，該濾波電容器344之設定電壓與該電壓檢測器4114之輸出送至該減法器4115相減，以獲得該濾波電容器344之電壓誤差信號。將該減法器4115之輸出送至該比例積分控制器4116，以獲得一直流電壓控制信號。該交流輸入電壓源31經由該電壓檢測器4111進行檢測後，將該交流輸入電壓源31之電壓送至該波形產生電路4112，以產生與該交流輸入電壓源31同相位之單位弦波信號。將該波形產生電路4112之輸出送至該絕對值電路4113，再將該絕對值電路4113之輸出信號與該比例積分控制器4116之輸出信號送至該乘法器4117進行相乘，以產生該電感器331之電流參考信號。該電感器331之電流經該電流檢測器4121檢測後，將該電感器331之電流與該乘法器4117所輸出之電流參考信號送至該減法器4122相減。將該減法器4122之輸出送至該比例積分控制器4123，再將該比例積分控制器4123之輸出送至該脈波寬度調變電路413，以產生一脈波寬度調變信號，其用以控制該升壓型直流-直流轉換器33之功率開關332。

第4B圖揭示本發明較佳實施例之該具電氣隔離之直流-直流轉換器35在該負載36為一般直流負載時，採用該控制器4之方塊示意圖。請參照第4B圖所示，該具電氣隔離之直流-直流轉換器35採用一第二控制方塊架構42。該第二控制方塊架構42包含一負載電壓處理單元421及一脈波寬度調變電路422。該負載電壓處理單元421包含一電壓檢測器4211、一負載36之設定電壓、一減法器4212及一比例積分控制器4213。

請再參照第3及4B圖所示，該電壓檢測器4211用以檢測該負載36之電壓，將該負載36之設定電壓與該電壓檢測器4211之輸出送至該減法器4212相減，以獲得一電壓誤差信號。將該減法器4212之輸出送至該比例積分控制器4213，再將該比例積分控制器4213之輸出送至該脈波寬度調變電路422，以產生一脈波寬度調變信號，其用以控制該具電氣隔離之直流-直流轉換器35之功率開關351。

第4C圖揭示本發明較佳實施例之該具電氣隔離之直流-直流轉換器35在該負載36為一電池組時，採用該控制器4之方塊示意圖。請參照第4C圖所示，該具電氣隔離之直流-直流轉換器35採用一第三控制方塊架構43。該第三控制方塊架構43包含一電池組電流處理單元431、一電池組電壓處理單元432、一選擇開關433及一脈波寬度調變電路434。該電池組電流處理單元431包含一電流檢測器4311、一減法器4312及一比例積分控制器4313。該電池組電壓處理單元432包含一電壓檢測器4321、一減法器4322及一比例積分控制器4323。

請再參照第3及4C圖所示，該電流檢測器4311用以檢測電池組輸入電流，且將該電池組之設定電流與該電流檢測器4311之輸出送至該減法器4312相減。將該減法器4312之輸出送至該比例積分控制器4313。該電壓檢測器4321用以檢測該電池組之輸入電壓，且將該電池組設定電壓與該電壓檢測器4321之輸出送至該減法器4322相減。將該減法器4322之輸出送至該比例積分控制器4323。將該比例積分控制器4313之輸出與該比例積分控制器4323之輸出送至該選擇開開433，而該選擇開關433根據當時控制方式來執行，可選擇執行對該電池組進行定電流充電或定電壓充電。當該選擇開關433選擇該比例積分控制器4313之輸出時，則可執行定電流充電；當該選擇開關433選擇該比例積分控制器4323之輸出時，則可執行定電壓充電。將該選擇開關433之輸出送至該脈波寬度調變電路434，以產生一脈波寬度調變信號，其用以控制該具電氣隔離之直流-直流轉換器35之功率開關351。

第4D圖揭示本發明較佳實施例之該電能緩衝器34採用該控制器4之方塊示意圖。請參照第4D圖所示，該電能緩衝器34採用一第四控制方塊架構44。該第四控制方塊架構44包含一電壓檢測器441、一絕對值電路442、一比較器443及一開關信號產生器444。

請再參照第3及4D圖所示，該交流輸入電壓源31經由該電壓檢測器441檢測後，將該交流輸入電壓源31之電壓送至該絕對值電路442，再將該絕對值電路442之輸出與一設定值送至該比較器443，再將該比較器443之輸出送至該開關信號產生器444，而該開關信號產生器444用以控制該電能緩衝器34之功率開關341及功率開關 342。

前述較佳實施例僅舉例說明本發明及其技術特徵，該實施例之技術仍可適當進行各種實質等效修飾及/或替換方式予以實施；因此，本發明之權利範圍須視後附申請專利範圍所界定之範圍為準。本案著作權限制使用於中華民國專利申請用途。