TWI574143B - Solar power converter - Google Patents
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Description
本發明係關於電力電子技術之相關技術領域,尤指一種具有隔離型雙級全橋諧振式電路的太陽能功率轉換器。
隨著太陽能板演進與發展,不同日照量與日照角度會影響太陽能板的發電量;因此,電路設計人員積極地嘗試研發各種具有隔離型雙級全橋諧振式電路的太陽能功率轉換器,以對應地應用在各種不同功率的太陽能電池板。
有鑑於具有隔離型雙級全橋諧振式電路的太陽能功率轉換器具有廣泛的應用,電路設計人員係積極地嘗試調整太陽能板所產生之浮動電壓並能使用在低壓輸入的情況中。較常見的方式是,電路設計員係採用非隔離式架構或隔離式架構,藉此減少太陽能板所產生之浮動電壓。
圖1係為習知的非隔離降壓式太陽能功率轉換器與升降壓式太陽能功率轉換器的電路架構圖。如圖1(a)所示,習知的降壓式太陽功率轉換器係包括:太陽能電池模組(PV)、降壓式電源轉換單元、以及儲能單元(Battery bank)。其中,該降壓式電源轉換單元的輸入端係耦接於該太陽能電
池模組,該降壓式電源轉換單元的輸出端係耦接於該儲能單元。該技術主要是利用降壓式電源轉換單元之一電感和一電容所組成低通濾波器過濾高壓的諧波分量,使其滿足規格。習知的升降壓式太陽功率轉換器如圖1(b)所示:係包括:太陽能電池模組、降壓式電源轉換單元、升壓式電源轉換單元、以及儲能單元,其中,該降壓式電源轉換單元的輸入端係耦接於該太陽能電池模組,該降壓式電源轉換單元的輸出端係耦接於該升壓式電源轉換單元的輸入端,並且,該升壓式電源轉換單元的輸出端係耦接於該儲能單元。該技術主要是利用升壓式電源轉換單元與降壓式電源轉換單元特性,使得輸入之電壓均能滿足輸出規格,但缺點是需要較多開關,且控制較複雜,電路成本較高。同時,無論是降壓式電路或是升降壓式電路在高壓迴路端之設計上均需要更高之漏電流,以確保其安全性。
一般隔離式功率轉換器電路則選擇性較多,其電路可以採用單級式(single-stage)或雙級式(two-stage)來實現,單級式電路雖然電路實現成本較低,但電路在高低壓輸入下之性能可能有較大差異,開關元件之選擇亦較困難,且元件可能需要承受較高電壓。雙級式電路較具彈性,可以應付較寬廣之輸入電壓範圍,缺點是控制較複雜,電路成本較高。
圖2係為習知不同型式單級隔離式功率轉換器架
構圖,如圖所示,圖2(a)係為習知的單級主動鉗位前向式太陽能功率轉換器,圖2(b)係為習知的單級半橋式太陽能功率轉換器,圖2(c)係為習知的單級全橋式太陽能功率轉換器。習知的單級主動鉗位前向式太陽能功率轉換器如圖2(a)所示,係包括:太陽能電池模組(PV)、降壓式電源轉換單元、儲能單元(Battery bank)、鉗位電路、以及隔離變壓器。其中,該鉗位電路的輸入端係耦接於該太陽能電池模組,該鉗位電路的輸出端係耦接於該隔離變壓器的輸入端,並且,該隔離變壓器的輸出端係耦接於該降壓式電源轉換單元的輸入端。進一步地,該降壓式電源轉換單元的輸出端係耦接於該儲能單元。習知的單級半橋式太陽能功率轉換器如圖2(b)所示,係包括:太陽能電池模組(PV)、儲能單元(Battery bank)、隔離變壓器、半橋式電路、以及整流器,其中,該半橋式電路的輸入端係耦接於該太陽能電池模組,該半橋式電路的輸出端係耦接於該隔離變壓器的輸入端,並且,該隔離變壓器的輸出端係耦接於該整流器的輸入端。進一步地,該整流器的輸出端係耦接於該儲能單元。習知的單級全橋式太陽能功率轉換器如圖2(c)所示,係包括:太陽能電池模組(PV)、儲能單元(Battery bank)、隔離變壓器、全橋式電路、以及整流器,其中,該全橋式電路的輸入端係耦接於該太陽能電池模組,該全橋式電路的輸出端係耦接於該隔離變壓器的輸入端,並且,該隔離變壓器的輸出端係耦接於該整流器的輸入端。進一步地,該
整流器的輸出端係耦接於該儲能單元。
綜上所述,單級太陽能功率轉換器電路架構主要是利用輸入電壓之浮動範圍,其變壓器匝數比之設計需使用最低電壓,而在高輸入電壓時,則利用調整責任週期的方式進行,因此高低壓責任週期變化大。
雙級式電路架構是將單級式電路之輸入側加上一升壓式電源轉換單元所設計而成。請繼續參閱圖3,圖3(a)係為習知的隔離雙級升壓式SRC(串聯諧振)太陽能功率轉換器的電路架構圖,圖3(b)係為習知的隔離雙級升壓式LLC太陽能功率轉換器的電路架構圖。習知的隔離雙級式SRC(串聯諧振)太陽能功率轉換器係包括:太陽能電池模組(PV)、儲能單元(Battery bank)、升壓式電源轉換單元、隔離變壓器、SRC(串聯諧振)半橋電路、以及整流器,其中,該SRC(串聯諧振)半橋電路的輸入端係透過該升壓式電源轉換單元而耦接於太陽能電池模組,該SRC(串聯諧振)半橋電路的輸出端係耦接於該隔離變壓器的輸入端,並且,該隔離變壓器的輸出端係耦接於該整流器的輸入端。進一步地,該整流器的輸出端係耦接於該儲能單元。另,如圖3(b)所示,習知的隔離雙級式LLC太陽能功率轉換器係包括:太陽能電池模組(PV)、儲能單元(Battery bank)、升壓式電源轉換單元、隔離變壓器、LLC半橋電路、以及整流器,其中,該LLC半橋電路的輸入端係透過該升壓式電源轉換單元而耦接於太陽能電池模組,該LLC半橋電
路的輸出端係耦接於該隔離變壓器的輸入端,並且,該隔離變壓器的輸出端係耦接於該整流器的輸入端。進一步地,該整流器的輸出端係耦接於該儲能單元。綜上所述,隔離雙級式太陽能功率轉換器電路架構主要是藉由該升壓式轉換器的調整,使得該第二級隔離式電路輸出與輸入之電壓變化較小以提升效率。
因此,承圖1、圖2、圖3所述之非隔離型電路架構與隔離型電路架構雖廣泛應用於現有的太陽能功率轉換器中;然而,習知的非隔離式太陽能功率轉換器與隔離式太陽能功率轉換器仍具有以下主要之缺點:(1)於該非隔離型太陽能功率轉換器中,為了改善非隔離式太陽能功率轉換器電路之電氣安全性,一般都會改為隔離式雙級太陽能功率轉換器以增加電氣安全性;但是,若採用習知的隔離式雙級太陽能功率轉換器,其高低壓所需控制的責任週期(Duty Cycle)變化較大,造成系統性能、效率及穩定度較差。(2)於習知的隔離型雙級太陽能功率轉換器中,其第二級電路若採用諧振式電路,則需要作變頻控制。然,第二級電路雖然可採用全橋式電路,並使用定頻之相移PWM控制電路改善,但全橋式電路在輕載時不易進入零電壓切換,導致轉換效率較差。
為改善習知技術之缺點,本發明提供一種太陽能功率轉換器。本發明係提出一雙級式且具有隔離全橋諧振式
太陽能功率轉換器架構,其第一級電路可為升壓式、降壓式或升降壓式轉換器,並具有執行最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制之能力,第二級電路則採用全橋諧振式轉換器架構,使其輸出電壓穩定並可提升整體效率。
為達上述目的及其他目的,本發明係提供一種太陽能功率轉換器,該太陽能功率轉換器係用於將一太陽能模組產生之電能轉換成穩定直流電,該太陽能功率轉換器係包括:一多相交錯式電源轉換模組,係耦接該太陽能模組,該多相交錯式電源轉換模組係接收該太陽能模組輸出之電能並產生一電壓,並對該太陽能模組執行一最大功率追蹤動作;一濾波單元,係耦接該多相交錯式電源轉換模組,該濾波單元係用於濾除該多相交錯式電源轉換模組輸出之雜訊;一全橋式諧振轉換模組,該全橋式諧振轉換模組係包括一電容與四功率開關,該電容係耦接該濾波單元與該多相交錯式電源轉換模組,該四功率開關係為全橋式排列、並耦接該電容;一變壓單元,係為一變壓器,該變壓單元係耦接該全橋式諧振轉換模組;一整流單元,係耦接該變壓單元;其中該全橋式諧振轉換模組係利用該電容與該變壓單元之一次側進行諧振頻率轉換,藉以提昇整體效率,再經由該整流單元整流後輸出一穩定直流電。
本發明其中一實施例中,該多相交錯式電源轉換
模組係包括一儲能單元,該儲能單元係耦接該太陽能模組,該儲能單元係接收並儲存該太陽能模組產生之電流。
本發明其中一實施例中,更包括一輸出濾波單元,該輸出濾波單元係耦接於該多相交錯式電源轉換模組的輸出端。
本發明其中一實施例中,該多相交錯式電源轉換模組係為升壓式功率轉換器、降壓式功率轉換器或升降壓功率轉換器。
本發明其中一實施例中,該功率開關係具有旁路二極體。
本發明之主要目的在於提供一種具有隔離型雙級全橋諧振式電路的太陽能功率轉換器。不同於傳統隔離雙級太陽能功率轉換器,本發明之太陽能功率轉換器係藉由固定無控制相移方式控制全橋式諧振轉換模組。藉由此設計,該全橋式諧振轉換模組之所有功率開關在任何負載下均能達到零電壓切換,不僅可以改善輕載效率,對於全負載變動範圍下之效率均有改善及助益。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖,皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點,將在後續的說明及圖示中加以闡述。
10‧‧‧太陽能模組
11‧‧‧多相交錯式電源轉換模組
111‧‧‧儲能單元
12‧‧‧濾波單元
13‧‧‧全橋式諧振轉換模組
131‧‧‧電容
132a~132d‧‧‧功率開關
14‧‧‧變壓單元
15‧‧‧整流單元
16‧‧‧穩壓單元
圖1係為習知的非隔離降壓式太陽能功率轉換器與升降壓式太陽能功率轉換器的電路架構圖。
圖2係為習知不同型式單級隔離式功率轉換器架構圖。
圖3(a)係為習知的隔離雙級升壓式SRC(串聯諧振)太陽能功率轉換器的電路架構圖。
圖3(b)係為習知的隔離雙級升壓式LLC太陽能功率轉換器的電路架構圖。
圖4係為本發明之太陽能功率轉換器實施例電路架構圖。
圖5A係為本發明之太陽能功率轉換器之理論等效電路圖。
圖5B係為本發明之太陽能功率轉換器之模擬波形圖。
圖6係為本發明實施例之太陽能模組(PV)啟動與變載狀況下之模擬波形圖。
圖7係為本發明實施例於在滿載狀態下各部位元件之模擬波形圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式,熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
眾所周知,太陽能功率轉換器分為隔離型與非隔離型,其中,非隔離型太陽能功率轉換器包括升壓式功率轉換器、降壓式功率轉換器、以及升/降壓式功率轉換器;另,
隔離型太陽能功率轉換器包括推挽式太陽能功率轉換器以及返馳式太陽能功率轉換器。
圖4為本發明之太陽能功率轉換器實施例電路架構圖,用於說明本發明之運作原理。本發明實施例之太陽能功率轉換器如圖所示,該太陽能功率轉換器係用於將一太陽能模組10產生之電能轉換成穩定直流電,該實施例係包括:一多相交錯式電源轉換模組11,係耦接該太陽能模組10,該多相交錯式電源轉換模組11係接收該太陽能模組10輸出之電能並產生一電壓,並對該太陽能模組10執行一最大功率追蹤動作;一濾波單元12,係耦接該多相交錯式電源轉換模組11,該濾波單元12係用於濾除該多相交錯式電源轉換模組11輸出之雜訊;一全橋式諧振轉換模組13,該全橋式諧振轉換模組13係包括一電容131與四功率開關(132a~132d),該電容131係耦接該濾波單元12與該多相交錯式電源轉換模組11,該四功率開關(132a~132d)係為全橋式排列、並耦接該電容131;一變壓單元14,係為一變壓器,該變壓單元係耦接該全橋式諧振轉換模組;一整流單元15,係耦接該變壓單元;其中該全橋式諧振轉換模組13係利用該電容131與該變壓單元14之一次側進行諧振頻率轉換,藉以提昇整體效率,再經由該整流單元15輸出一穩定直流電。
本發明之太陽能功率轉換器實施例中,該太陽能模組10係為具有一或複數組太陽能電池板之太陽能發電裝
置。
本發明之太陽能功率轉換器實施例中,該多相交錯式電源轉換模組11更進一步包括儲能單元111,該儲能單元係耦接該太陽能模組10,係接收並儲存該太陽能模組10產生之電流。其中該多相交錯式電源轉換模組11可為升壓式、降壓式或升降壓式功率轉換器;該儲能單元111係可為一或複數電感。於本發明一實施例中,係根據該太陽能模組10所具有之太陽能電池板數量,以一組太陽能電池板搭配一組儲能單元之電感為原則。當該太陽能模組10之電流、電壓輸出量發生變化時,該變化量會被該多相交錯式電源轉換模組11濾波,同時,該多相交錯式電源轉換模組11會輸出一電能至該全橋式諧振轉換模組13。
本發明之一實施例中,該濾波單元12係可為一電感;該濾波單元12的一端係耦接於該多相交錯式電源轉換模組11,其另一端係耦接於該電容131;該全橋式諧振轉換模組13之電容131係亦耦接於該多相交錯式電源轉換模組11;如此,藉由該濾波單元12之電感儲存該多相交錯式電源轉換模組11所輸出之電流,使得該全橋式諧振轉換模組13的輸入端等同耦接於該多相交錯式電源轉換模組11之一輸出電流源,該多相交錯式電源轉換模組11輸出之電壓亦被該電容131所儲存。
本發明之一實施例中,該全橋式諧振轉換單元
132更包括四個功率開關(132a~132d),該四個功率開關係具有旁路二極體。
本發明之一實施例中,該全橋式諧振轉換模組13之功率開關(132a~132d)係採用全橋式架構,並採用無需控制之相移方法驅動各功率開關(132a~132d),亦即相移角度不變,且設定為最大相移量(近乎180度)以獲致最佳效率,因此控制方法如同單級電路一樣,所需控制機制相當簡單。由於該全橋式諧振轉換模組13之諧振方式為定頻,故電路設計容易;且直接利用該電容131與該變壓單元14之一次側電感(即變壓器之漏感)作諧振,故無需外加諧振電感,簡化電路配置與降低製造成本。
本發明之一實施例中,經由該整流單元15輸出之穩定直流電係可儲存在一儲能電池內,或直接供給需直流電之電網或裝置使用。在本發明一實施例中,該整流單元15的輸出端係可額外裝設一穩壓單元16,以提供更佳之直流電輸出品質,該穩壓單元係可為一電容。
本發明之太陽能功率轉換器具有全橋式諧振轉換架構,在實際運作過程中無需進行額外的控制動作,惟使用者若需更進一步精確控制該太陽能模組之輸出轉換效率,可在本發明中增加一控制單元,提升控制品質。本發明之一實施例中,可包括一控制單元(圖未示),該控制單元係耦接於該多相交錯式電源轉換模組11以及該全橋式諧振轉換模組
13,該控制單元係根據該多相交錯式電源轉換模組11以及該全橋式諧振轉換模組13之輸出狀況,對該多相交錯式電源轉換模組以及該全橋式諧振轉換模組進行回授控制,使本發明之太陽能功率轉換器滿足額定之輸出規範。
請繼續參閱圖5A與圖5B,圖5A係為本發明之太陽能功率轉換器實施例理論等效電路圖,圖5B係為本發明之太陽能功率轉換器之模擬波形圖。本發明之太陽能功率轉換器實施例理論依據如下所述:該太陽能模組輸入一電流源I bf ,該電流源之平均電壓V r 即為該多相交錯式電源轉換模組11之輸出電壓V b :
電路之諧振乃由該變壓單元15一次側線圈之漏感L r 與輸入之諧振電容C r (即該全橋式諧振轉換模組13之電容131)所形成,諧振頻率ω o 為:
諧振阻抗Z o 為:
利用變壓單元之匝數比予以升壓,此匝數比設計為:
當開關相移之角度為最大時,效率較高,故可不需做電壓控
制。當利用功率開關S1(對應圖4之132a)及S4(對應圖4之132d)導通之前半週區間來作分析,其結果亦可用於功率開關S2(對應圖4之132b)及S3(對應圖4之132c)導通之後半週區間。當132a及132d導通時則可得下列狀態方程式:
本發明之一實施例中,可利用該變壓單元15匝數比的設計予以升壓。如此,當該全橋式諧振轉換模組13之四開關(132a~132d)相移之角度為最大(將近180度)時,效率較高,故可不需做額外的電壓控制動作。
請繼續參閱圖6,係為本發明實施例之太陽能模組(PV)啟動與變載狀況下之模擬波形圖。如圖所示,於本發明之一實施例中,係使用輸入最大功率點19V、100W之PV(太陽能模組10),該多相交錯式電源轉換模組11之輸出設定為25V、一儲存經本發明轉換之直流電的儲能電池所需工作電壓(即接收該太陽能功率轉換器輸出直流電之目標所需的直流電電壓)設定為24V,並且,該變壓單元14之變壓器匝數比約為1、該多相交錯式電源轉換模組11以及該全橋式諧振轉換模組13的切換頻率均設為100kHz。該全橋式諧振轉換模組13則採用固定無控制相移方式,利用其匝數比以維持輸出電壓25V,且諧振頻率設定在160kHz、Cr為20μF,漏感Lr為0.05μH,變
壓器自感量為8μH,其自感量較低,故有助於縮小變壓器體積,降低電路整體建置成本。於本發明一實施例中,可額外耦接一C-L濾波器於該多相交錯式電源轉換模組11的輸入端與該太陽能模組10之間,用以降低該太陽能模組(PV)之電流漣波。本發明於實際運用中,當使用一控制單元控制該多相交錯式電源轉換模組11之工作狀態時,在該控制單元之電流命令輸入處亦可加上一1kHz截止頻率之低通濾波器,該低通濾波器係耦接該多相交錯式電源轉換模組11與該控制單元間,使得該多相交錯式電源轉換模組11之啟動能夠平穩。
請繼續參閱圖7,係為本發明實施例於在滿載狀態下各部位元件之模擬波形圖。如圖所示,於本發明實施例中,其中,該多相交錯式電源轉換模組11之輸出電流確實為四相交錯,並且,該全橋式諧振轉換模組13之該四個功率開關(132a~132d)亦均能達成零電壓切換,功率開關之旁路二極體亦為零電流導通與截止。
本發明係提供一種太陽能功率轉換器,本發明之特點在於:(1)不同於習知的隔離雙級太陽能功率轉換器需額外控制半橋式諧振電路之頻率以達到最大的轉換效率,本發明設置一全橋式諧振轉換模組於太陽能功率轉換器之中,藉由固定無控制相移方式控制該全橋式諧振轉換模組,該全橋式諧振轉換模組之所有功率開關在任何負載下均能達到零電壓切換,不僅可以改善在輕載時的效率,對於全負載變動範
圍下之效率亦有改善及助益,且控制機制簡單可靠;(2)本發明之全橋式諧振轉換模組之變壓器自感量相當低,相較於習知技術之隔離式雙級太陽能功率轉換器的架構,本發明可以使用較小之變壓器,有助於降低成本及縮小裝置體積。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效,而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下,對上述實施例進行修飾與變化。因此,本發明之權利保護範圍,應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧太陽能模組
11‧‧‧多相交錯式電源轉換模組
111‧‧‧儲能單元
12‧‧‧濾波單元
13‧‧‧全橋式諧振轉換模組
131‧‧‧電容
132a~132d‧‧‧功率開關
14‧‧‧變壓單元
15‧‧‧整流單元
16‧‧‧穩壓單元
Claims (9)
- 一種太陽能功率轉換器,係用於將一太陽能模組產生之電能轉換成穩定直流電,該太陽能功率轉換器係包括:一多相交錯式電源轉換模組,係耦接該太陽能模組,該多相交錯式電源轉換模組係接收該太陽能模組輸出之電能並產生一電壓,並對該太陽能模組執行一最大功率追蹤動作;一濾波單元,係耦接該多相交錯式電源轉換模組,該濾波單元係用於濾除該多相交錯式電源轉換模組輸出之雜訊;一全橋式諧振轉換模組,該全橋式諧振轉換模組係包括一電容與四功率開關,該電容係耦接該濾波單元與該多相交錯式電源轉換模組,該四功率開關係為全橋式排列、並耦接該電容;一變壓單元,係為一變壓器,該變壓單元係耦接該全橋式諧振轉換模組;一整流單元,係耦接該變壓單元;其中該全橋式諧振轉換模組係利用該電容與該變壓單元之一次側進行諧振頻率轉換,再經由該整流單元整流後輸出一穩定直流電。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能功率轉換器,其中該多相交錯式電源轉換模組係包括:一儲能單元,係耦接該 太陽能模組,該儲能單元係接收並儲存該太陽能模組產生之電流。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能功率轉換器,更包括一控制單元,該控制單元係耦接於該多相交錯式電源轉換模組以及該全橋式諧振轉換模組,該控制單元係根據該多相交錯式電源轉換模組以及該全橋式諧振轉換模組之輸出狀況,進行回授控制。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能功率轉換器,其中該多相交錯式電源轉換模組係為升壓式、降壓式或升降壓式功率轉換器。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能功率轉換器,其中該四功率開關係具有旁路二極體。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能功率轉換器,其中更包括一穩壓單元,該穩壓單元係耦接於該整流單元之輸出端。
- 如申請專利範圍第6項所述之太陽能功率轉換器,其中該穩壓單元係為一電容。
- 如申請專利範圍第1項所述之太陽能功率轉換器,其中該濾波單元係為一電感。
- 如申請專利範圍第2項所述之太陽能功率轉換器,其中該儲能單元係為一或複數電感。
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