TWI794329B - Ｄｃ轉ａｃ功率轉換器及適合被使用在ｄｃ轉ａｃ功率轉換器之隔絕ｄｃ轉ｄｃ轉換器 - Google Patents

Ｄｃ轉ａｃ功率轉換器及適合被使用在ｄｃ轉ａｃ功率轉換器之隔絕ｄｃ轉ｄｃ轉換器 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種DC轉AC功率轉換器，其具有一主DC輸入(1)及一主單相AC輸出(4)，該功率轉換器包括一單一DC轉DC轉換器(5)，及首先，依一直接路徑，與該DC轉DC轉換器(5)串接之一雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)，該雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)具有與該DC輸出(10)並聯連接之一DC輸入-輸出(11)及連接至該主AC輸出(4)之一AC輸出-輸入(12)，及其次，依一旁通路徑，與該雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)及該低頻二極體(2)並聯之一電流型低頻全切換H電橋(下文中稱為AC正向電橋(7))，其具有一DC輸入及一AC輸出，該DC輸入連接至該單一DC轉DC轉換器(5)之該DC輸出(10)，及該AC輸出係與該主AC輸出(4)並聯連接，該AC正向電橋具有小於1kHZ之工作頻率，使得當介於該主AC輸出(4)之端子間的瞬間電壓達到一預定位準時，低頻的該AC正向電橋(7)導通，該低頻二極體(2)被反向偏壓且未導通，及一定值功率由該DC對DC轉換器(5) 直接供應至負載。

Description

DC轉AC功率轉換器及適合被使用在DC轉AC功率轉換器之隔絕DC轉DC轉換器
本發明係關於一種經效率改良之DC轉AC功率轉換器，其包括一主路徑由一DC轉DC轉換器接著一雙向電壓型DC轉AC轉換器製成，及一旁通路徑，由一電流型DC轉AC轉換器製成其中由旁通轉換器傳送功率峰值而將損失最小化。
特別言之，本發明係文件WO 2016/083143 A1中所述DC轉AC功率轉換器的改良。
圖1顯示典型逆變器拓樸。DC轉DC輸入級，不論(電氣)隔絕與否，將輸入DC電壓轉換為不同的DC電壓，其適合用於供應一輸出非隔絕DC轉AC轉換器電橋，其典型地工作於頻率範圍自數kHz至數MHz且一般利用高頻PWM調變產生輸出50Hz或60Hz正弦波。
為了改善效率，文件US 7,710,752 B2顯示一並聯構形，其中一路徑係繞著一升壓及橋式轉換器建 構，另一直接路徑係繞著一簡單橋式轉換器建構。
該拓樸的問題在於，最具效率的直接路徑僅會在瞬間輸出電壓夠低時啓動。而在瞬間功率需求最大時無法啓動。就需添加的組件數而言，效率改善並非最佳。
文件EP 2 270 624 A1提出使效率最佳化的另一解決方案，此係藉由依據哪一個連接部能使效率最佳化而交替連接三個電流產生器(具不同特性)至三個輸出相。此拓樸僅適用於三相輸出系統且無法解決隔絕問題。
文件WO 2016/083143 A1提出一隔絕DC轉AC轉換器，其藉由將來自DC輸入的直接路徑加入至AC輸出而改善效率。此方法改善了效率，但缺點在於需要額外的切換轉換器或在隔絕DC轉DC轉換器變壓器中需要額外的繞組。
文件US 7,778,046 B1提出可改善DC轉DC轉換器效率的有趣解決方案，其可用於逆變器中達成所需隔絕。該文件中之圖35a係最具代表性的。雖然是非常有趣的操作模式，但此發明有以下幾個缺點：轉換器在緩慢切換操作下並不能十分地操作，因而緩慢切換妨害了使用於高操作頻率；開關S沒有受保護以免於過電壓(無箝位效應)；二極體CR2無法受保護以免於過電壓。當開關S閉合(或導通)時，電容器C2被在變壓器的洩漏電感中流動的電流持續充電，二極體CR2在二極體CR2端子出現過電壓而被關閉(在其反向恢復階段後)，該過電壓可能數 倍於二極體關閉電壓，因而損壞二極體CR2。此外，在開關S閉合發生過電壓時，二極體CR1的可能箝位效應會被在串聯電感Lr上抵消。此問題使增加所要功率變成困難。
文件EP 1 852 964 A1揭示：最大單相逆變器3B-INV，其利用一提升截波電路(配置於中央)將自太陽光電壓提升的DC電壓V3B做為DC功率源；及單相逆變器2B-INV與1B-INV(配置於最大單相逆變器3B-INV兩側)，其等利用自此最大DC功率源V3B供應的DC功率源V1B與V2B做為輸入。各自單相逆變器的AC側串聯連接。因此，功率調節器經構形以利用各自單相逆變器所生電壓和提供輸出電壓。截波電路連接於最大DC功率源V3B與DC功率源V1B及V2B間，且功率係自最大DC功率源V3B經由單相逆變器中的切換裝置供應至DC功率源V1B及V2B。
文件US 2017/025962 A1揭示一隔絕單級轉換器AC轉DC功率因子修正(PFC)轉換器拓樸的兩種版本。其一具有全橋式整流器做為輸入，另一係真正無橋式版本。此兩版本的拓樸特徵在於新的構形及電路系統，包含了一簡式阻尼電路、一箝位電容器跳脫電路及控制方法，因而使其等能實現經改良的單級隔絕功率因子轉換器以適於高功率操作，特徵零電壓切換使轉換效率最大及電磁干涉生成最小，故無需額外電路來限制浪湧電流，達成相當低的輸入電流總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)且易於控制。第二版本提供 真正無橋式單級隔絕功率因子轉換器，其具有更高效率及較低輸入電流THD。
文件US 2013/223106 A1揭示用於功率轉換器之切換電路，其包含耦接於功率轉換器輸入的第一端子與變壓器的一次繞組的第一端子間的第一主動開關。一第二主動開關耦接於輸入的第二端子與一次繞組的第二端子間。第一主動開關的輸出電容較大於第二主動開關的輸出電容。第一被動開關耦接於一次繞組的第二端子與輸入的第一端子間。第二被動開關耦接於輸入的第二端子與一次繞組的第一端子間。第一被動開關的反向恢復時間較大於第二被動開關的反向恢復時間。
發明目的
本發明目的在於提出一種逆變器，其以盡可能的高效率將大範圍的DC輸入電壓轉換為AC輸出電壓，使維持關於輸入DC電流形狀的嚴格要求。
特別言之，要求之一在於維持定值DC輸入電流，及因而定值輸入功率，即使AC輸出功率在50Hz/60Hz AC週期期間變動亦然。
本發明的另一目標在於使得逆變器盡可能地緊密。
本發明的第一態樣係關於一DC轉AC功率轉換器，其具有一主DC輸入及一主單相AC輸出，能將在該主DC輸入處之一DC電壓轉換成在該主AC輸出處之基頻f0之一正弦AC電壓且能將在該主AC輸出處之一 額定功率傳送至一負載，該DC轉AC功率轉換器包括：一單一DC轉DC轉換器，其具有將該主DC輸入當作輸入及具有一DC輸出及連接至該DC輸出之一槽型電容器，兩個低頻二極體，經偏壓以便各自可使電流自該DC輸出流至該槽型電容器，自該槽型電容器流至該DC輸出；依一直接路徑，一雙向電壓型DC轉AC轉換器與該DC轉DC轉換器串接，該雙向電壓型DC轉AC轉換器具有連接至該DC輸出之一DC輸入-輸出及連接至該主AC輸出之一AC輸出-輸入；依一旁通路徑，與該雙向電壓型DC轉AC轉換器及該低頻二極體並聯連接之一電流型低頻全切換H電橋，下文中稱為AC正向電橋，其具有一DC輸入及一AC輸出，該DC輸入連接至該單一DC對DC轉換器之該DC輸出，及該AC輸出係與該主AC輸出並聯連接，該AC正向電橋具有小於1kHZ之工作頻率，且較佳係400Hz或50/60Hz；控制手段，用於控制該雙向電壓型DC轉AC轉換器以於該第一AC輸出-輸入傳送該正弦AC電壓，及用於控制該AC正向電橋以傳送與該正弦AC電壓同相之一準方波形AC正向電流，該控制手段能控制該雙向電壓型DC轉AC轉換器及該AC正向電橋，使得該雙向電壓型DC轉AC轉換器及該AC正向電橋能同時***作；使得當介於該主AC輸出之端子間的瞬間電壓達到一預定位準時，低頻的該AC正向電橋導通，該低頻二 極體被反向偏壓且未導通，及一定值功率由該DC轉DC轉換器直接供應至該負載。
依據較佳實施例，本發明之DC轉AC功率轉換器係使得：依據該輸出AC電壓之極性而選擇低頻的該AC正向電橋之兩個關閉開關(TPH、TNL；TPL、TNH)；該DC轉DC轉換器經設計以支援一可變輸出電壓，但傳輸一近乎定值的功率；該DC轉DC轉換器被隔絕且在該變壓器之一次側包括由一主金氧半場效電晶體(MP)製成之一主動箝位器，該金氧半場效電晶體將一變壓器之一次繞組(TFO-P)連接至提供該主DC輸入之一次源端子(VIN+、VIN-)；一共振電容(CRP)，其並聯於該一次金氧半場效電晶體(MP)使該一次金氧半場效電晶體(MP)能在ZVT操作；及一電容(CAUX)及一二次金氧半場效電晶體(MAUX)，其等經配置成於該主金氧半場效電晶體(MP)提供電壓箝位，及因而保護該主金氧半場效電晶體(MP)免於過電壓；該DC轉DC轉換器被隔絕且包括在該變壓器之一次側之由兩個金氧半場效電晶體(MP1、MP2)製成之一雙電晶體正向轉換器一次級，該兩個金氧半場效電晶體(MP1、MP2)之每一者係在其一個各自的端部直接連接一變壓器之一次繞組(TFO-P)之一端部及提供該主DC輸入之一各自的一次源端子(VIN-、VIN+)；一共振電容(CRP1、CRP2)，其分別並聯於每一金氧半場效電晶體(MP1、MP2)使該等金氧半場效電晶體(MP1、MP2)能在 ZVT操作；及二極體(DAUX1、DAUX2)，其等經配置以各自連接該等主金氧半場效電晶體(MP1、MP2)之每一者至該一次源端子(VIN+、VIN-)，其非係直接各自連接至對應金氧半場效電晶體(MP1、MP2)之該一次源端子(VIN-、VIN+)；該DC轉DC轉換器在該變壓器之該二次側進一步包括至少一個第一電容器(CS1、CS2)，其產生對該變壓器之二次繞組(TFO-S)之一AC連接部；一共振電感(LR)，其可降低至該變壓器之洩漏電感；一整流二極體(DR)及一飛輪二極體(DLR)，用於調整在該變壓器之該二次側產生之電壓；及二次共振電容器(CRS)，其與該整流二極體(DR)並聯連接；及一去耦合電容器(CS3)，其與該輸出DC電壓之該等端子並聯；該第一電容器(CS1)、該共振電感(LR)、該整流二極體(DR)及該飛輪二極體(DLR)經配置使得在該變壓器之磁化階段，該轉換器之該輸入電壓VIN反映至該變壓器之該二次側為NVIN，其中N係變壓器匝比，將該第一電容器(CS1)充電及透過該整流二極體(DR)在該第一電容器(CS1)與該共振電感(LR)間產生共振；該飛輪二極體(DLR)未導通，且在該整流二極體(DR)與該飛輪二極體(DRL)間之接點無過電壓；該第一電容器(CS1)、該共振電感(LR)、該整流二極體(DR)及該飛輪二極體(DLR)經配置使得在該變壓器之去磁化階段，一電流自經充電的該第一電容器(CS1)透過該共振電感(LR)及該飛輪二極體(DLR)流至該負 載，該電流不僅轉移該變壓器之磁能，且同時轉移在該磁化階段期間儲存於該第一電容器(CS1)中之能量；該DC轉DC轉換器之輸出功率(PO)與一等效返馳式轉換器之輸出功率(PFB)之關係方程式如下： P O =P FB M，此處
Figure 107139799-A0305-02-0011-1
其中VIN與VO分別係該DC轉DC轉換器之輸入與輸出電壓，M係大於1之乘數因子，較佳大於2；該DC轉AC功率轉換器係雙向；該等低頻二極體由受控開關取代；該等受控開關係金氧半場效電晶體、絕緣閘雙極電晶體(IGBT)或繼電器；該DC轉DC轉換器未隔絕。
本發明的第二態樣係關於一種適合被使用在DC轉AC功率轉換器之隔絕DC轉DC轉換器，DC較AC功率轉換器具有如上述之一主DC輸入及一主單相AC輸出，該隔絕DC轉DC轉換器在該變壓器之一次側包括由一主金氧半場效電晶體(MP)製成之一主動箝位器，其將一變壓器之一次繞組(TFO-P)連接至提供該主DC輸入之一次源(VIN+、VIN-)；一共振電容(CRP)，其與該一次金氧半場效電晶體(MP)並聯使該一次金氧半場效電晶體(MP)能在ZVT操作；及一電容(CAUX)及一二次金氧半場效電晶體(MAUX)，其等經配置以在該主金氧半場效電晶體(MP)提供電壓箝位，及因而保護該主金氧半場效電晶體(MP)免於過電壓。
1:主DC輸入
2、D1、D2、DAVX1、DAVX2:二極體
3:槽型電容器
4:AC輸出
5:DC轉DC轉換器
6:DC轉AC轉換器
7:AC正向電橋
10:DC輸出
11:DC輸入-輸出
12:AC輸出-輸入
CAUX:電容
CS1、CS2:電容器
CS3:去耦合電容器
CRS:二次共振電容器
CRP、CRP1、CRP2:共振電容
CP:一次側去耦合電容
DR:整流二極體
DRL:飛輪二極體
LOUT、NOUT:節點
MAUX:二次金氧半場效電晶體
MP、MP1、MP2:金氧半場效電晶體
TFO-P:一次繞組
TFO-S:二次繞組
TNH、TNL、TPH、TPL:開關、電晶體
I(Lm):磁化電流
I(Dr)、I(Dr1):電流
LR:共振電感
LM:電感
V(d)、V(cmid):電壓
VIN:輸入電壓
VIN+、VIN-:一次源端子
V(g)、V(ga):閘極電壓
vout:輸出電壓
圖1概略表示依據先前技術之逆變器拓樸。
圖2概略表示依據本發明之經效率改良之DC轉AC功率轉換器原理。
圖3顯示在圖2之功率轉換器情況下之典型波形。
圖4顯示依據本發明之一特定實施例之電路拓樸。
圖5係圖4之電路拓樸，其中具有允許操作分析之變數。
圖6顯示在圖5中所示電路之3相操作中之特徵電壓與電流波形。
圖7顯示依據本發明之另一實施例之拓樸，其中圖5之拓樸之進入級已被電晶體正向轉換器之進入級取代。
本發明提出的解決方案示如圖2。
一隔絕DC轉DC轉換器5將在定值功率模式中的功率自DC輸入(一般為48Vdc)轉換為槽型電壓(一般為400Vdc)。低頻二極體2使電流能流至槽型電容器3。DC轉AC轉換器6(一般係全橋式轉換器)將DC電壓轉變為AC正弦波(一般係50Hz或60Hz正弦波)。
在輸出正弦波電壓的時間演進期間，每當節點LOUT與節點NOUT間的瞬間輸出電壓夠高時(一般係200V)，低頻「AC正向電橋」7會導通，二極體2之D1與D2自動得到反相偏壓(未導通)且接著由DC轉DC轉換器5供應的定值功率直接被提供至負載。
DC轉AC轉換器僅須提供功率的剩餘/補充 部分，因而在較低功率位準與較低損失下操作。
應注意到，依據輸出電壓極性，選擇處於導通的低頻「AC正向電橋」7的兩個開關(TPH/TNL或TNH/TPL)。
此拓樸的優點在於DC轉DC+AC正向電橋的效率遠高於DC轉DC+DC轉AC路徑的效率，因為AC正向電橋係在低頻下操作且無需輸出電感器。由於切換頻率低(一般為100Hz)，故換向損失低且電橋效率僅受限於開關中的導電損失並可藉由並聯開關而增加。由於有效電阻係一開關電阻除以並聯開關數，故增加並聯開關數實際上允許降低導電損失。
AC正向電橋操作原理
圖3顯示圖2所示轉換器之典型電壓與電流波形。
由熟悉功率電子學與逆變器之技術者熟諳之方法來以DC轉AC轉換器6設定輸出電壓vout。
自t0至t1，AC正向電橋斷連且轉換器5與6如先前技術般操作。二極體D1與D2(二極體2)導通。
在t1時，輸出電壓vout(等於V(LOUT)-V(NOUT)高至足以允許AC正向電橋7直接轉移功率至輸出；因此，AC正向電橋7導通。隨著vout為正，電晶體TPH與TNL在時段t1至t2導通。
在時段t1至t2期間，存在以下關係：vout低於Vtank且TPH與TNL導通，因此，二極體D1與D2關閉且idc等於0； iforward係由隔絕DC轉DC轉換器(要求其輸入端必須維持定值功率)直接產生。因此，iforward* vout代表一定值功率。此規定決定iforward外形；須將輸出電流供應至負載，因此iac=iout-iforward。此規定決定iac外形。
如圖3可見，在相同時段內的iac遠低於iout，這解釋了為何整體損失降低。
在t2時，電晶體TPH與TNL關閉且轉換器恢復「正常操作」，亦即類似於t0與t1期間的操作。二極體D1與D2(二極體2)在此時段期間再度導通。
在T0/2後，下一個半周期開始且vout為負，操作序列與前述類似，相異處僅在於電晶體TPL與TNH而非電晶體TPH與TNL導通。
DC轉DC轉換器 描述
如上所述，AC正向電橋7的效率僅受限於其導電損失，因而極高。因此整體逆變器效率主要受DC轉DC轉換器的效率影響。為支援圖2所提議架構，技術必須施行可支援可變輸出電壓，但轉移近乎定值功率之高效DC轉DC轉換器。本發明提出一種可滿足以上需求之高效轉換器。此轉換器之一示例見於US 7,778,046 B1，但其具有上述之缺點。本發明的目的在於以簡單方式解決這些缺點。
本發明之一實施例係如圖4所示電路拓樸。
TFO-P與TFO-S各自係變壓器之一次與二次 繞組。
MP係連接變壓器至一次源的主一次金氧半場效電晶體。CRP係與MP並聯的共振電容且使一次金氧半場效電晶體MP能在ZVT(零電壓過渡，Zero Vltage Transition)下操作。CAUX與MAUX各自提供電壓箝位且保護MP免受過電壓。電路之此部分係此已知技術，名為「主動箝位」。最後，CP係一次側去耦合電容器。
在本申請案中，將以術語ZVT「零電壓過渡」取代ZVS「零電壓切換」(Zero Voltage Switching)，因為過渡係於整個期間發生(為使磁化電流反向)，而非一短暫區間。
在二次側上，電容器CS1與CS2產生AC連接於變壓器。二次變壓器繞組係TFO-S。LR係共振電感，其一般表示變壓器的洩漏電感。在變壓器二次側產生的電壓由DR(整流二極體)與DRL(飛輪二極體)調整。CRS係直接跨越二極體DR連接的二次共振電容器。CS3係輸出去耦合電容器。
應注意到，可在不修改所提電路原理下修改CS1、CS2與CS3的配置。
本發明之DC轉AC轉換器僅具有一個DC轉DC轉換器，但與先前技術不同(DC轉DC轉換器的變壓器具有例如數個二次側)相異。因而本發明具有減少電子組件數的優點。
操作原理
圖5顯示的電路將進一步分析其操作。LM係 用以顯示自一次測所見之變壓器磁化之電感。對應波形展示於圖6。
注意，CP值(一般為10uF)、CAUX值(一般為2uF)值及CS3值(一般為1uF)極高，且在這些電容器上的各自電壓(亦即VIN、VOUT/N及VOUT)接近定值。亦應考量每一金氧半場效電晶體(MP、MAUX)具有本質反向偏壓二極體(未顯示)。當MP開路時，在D處的電位增加，但由VOUT/N，其係在CAUX上的電壓所限定。超過此值，MAUX的本質二極體將會導通。
此電路操作基本上分為3階段(見圖6)。
階段1：
在階段1中，一次金氧半場效電晶體電壓V(d)為零。在此階段開始處，V(d)已自然且相當慢地達到零，因而一次金氧半場效電晶體MP可於零電壓下導通。注意，為了清晰目的，金氧半場效電晶體的閘極電壓Vg與Vga於圖6任意垂直偏移。在此階段期間，磁化電流I(Lm)線性地增加。應注意到，供應電壓VIN被反映至變壓器的二次側。此電壓施加在CS1上且與LR產生共振，確保跨在CS1上的固定電壓等於在CMID處之VIN*N，其中N係變壓器數匝數比。就返馳式轉換器而言，在此階段期間變壓器亦儲存能量，但充電電容器CS1允許一些額外能量轉移且可用功率密度增加。圖6顯示在階段1期間CS1電容器上的電壓V(cmid)係近乎定值而具有小的正斜率漣波。CS1的充電電流恰為I(Dr)。二極體DR中的電流係共振正弦波的一部分且在階段1結束前(亦即 在主一次金氧半場效電晶體MP開路前)回到0。因此，二極體DR於零電流關閉。二極體DRL在階段1未導通。
階段2：
依據所要的功率位準，主一次金氧半場效電晶體MP開路，電壓V(d)激增，輔助金氧半場效電晶體MAUX的內部二極體箝住電壓V(d)，其在階段2期間略減。在此階段期間，磁化電流I(Lm)線性減小至0。應注意到，跨在MP的電容器CRP限制了電壓V(d)的轉換率dV/dt且有助於MP緩慢開路。二極體DRL中的電流在階段2開始時並未跟隨磁化電流，因為電容器CAUX箝住V(d)。共振電感LR中電流增加需要花費時間。此對應於電流完全流至二次側所需時間。最後，I(DRL)減少為磁化電流。在階段2期間，輔助金氧半場效電晶體MAUX會導通以確保電容器CAUX的電荷平衡。應記得，閘極電壓V(ga)須為負的以導通MAUX，因為其係P型金氧半場效電晶體(依據圖5)。因而兩個金氧半場效電晶體驅動器相關於相同的電位(接地)被控制。在此階段結束時，磁化電流I(Lm)為0。同時DRL中電流亦為0，導致DRL之零電流切換。
階段3：
磁化電流反向且在磁化電感LM與一等效共振電容器間發生共振。等效電容器係經由變壓器並聯連接的CRP與CRS的組合。在此共振期間，電壓V(d)緩減至0。此使次一階段1能藉由於零電壓切換一次金氧半場效電晶體MP而開始。
依據圖7所示本發明之替代實施例，圖5拓樸的進入級被雙電晶體正向(或雙電晶體返馳式)轉換器的進入級取代，此拓樸係此技術中已知者。主一次金氧半場效電晶體MP被兩個主金氧半場效電晶體MP1、MP2取代，且由箝位電容器CAUX與輔助金氧半場效電晶體MAUX製成的主動箝位組件被兩個對應二極體DAUX1、DAUX2取代。與MP並聯的共振電容CRP被各自與主金氧半場效電晶體MP1、MP2並聯的共振電容CRP1、CRP2取代。以上拓樸的操作與以上的拓樸之一(圖5)非常相似。
雙電晶體正向轉換器經常用於處理較高輸入電壓。
本發明的優點 緩慢切換與緊密度
熟悉此技術者咸認為於操作DC轉DC轉換器時使用高頻係達成緊密度的關鍵因子。但使用較高頻亦意味著切換損失增加。自以上的各階段描述可見與切換損失相關之電路最佳，因為兩個金氧半場效電晶體切換於零電壓且兩個二極體關閉(或得到反向極化)於零電流。因而所提出的電路極適於建立極緊密的轉換器。
高效功率控制與轉移
如圖2所示，DC轉DC轉換器5須維持定值電流，此係初始需求，但其輸出在不同電壓間切換。熟悉此技術者熟諳之返馳式轉換器可在不連續導電模式下工作，因而係該申請案之理想電路，因為輸出電流可自 然地受到控制。但伴隨返馳式轉換器發生的問題在於其受限於數百瓦特下操作，因為變壓器在切換周期的第一部分期間須儲存總轉移能量，俾於切換周期的第二部分於輸出處將其恢復之。
在本發明中，在階段2期間，所儲存的變壓器磁化能量，因反映至變壓器二次側的磁化電流而被轉移至輸出，此電流流經二極體DRL。此行為與返馳式轉換器的行為不分類似。然而與返馳式轉換器相較，所提出的轉換器差異處在於變壓器的輸出繞組未經由DRL與輸出並聯，而係與CS1串聯。亦即儲存在變壓器磁化電感中的能量與儲存在CS1中的能量均同時被轉移至輸出。顯示所提出的DC轉DC轉換器之輸出功率(PO)與一等效返馳式轉換器之輸出功率(PFB)相關之方程式如下： P O =P FB M，此處
Figure 107139799-A0305-02-0019-2
其中VIN與VO分別係該DC轉DC轉換器之輸入與輸出電壓。乘數因子M大於1。典型M值甚至大於2。所提出的轉換器因而與本申請案的返馳式轉換器具相同優點，但可在相同條件下轉移至少兩倍的功率。
關於半導體的定值電壓限制
就半導體最大應力電壓而言，所提出的電路具有極特殊且有趣的性質：DRL與DR具有Vo的工作峰值電壓。
MP與MAUX具有Vo/N的工作峰值電壓。
因而所有半導體的工作峰值電壓與VIN無關。此係大輸入電壓範圍的理想解決方案，因為可在獨 立於輸入電壓下最佳地使用開關。此係DC轉DC轉換器罕見的性質。
雙向操作
應注意，DR與DRL可由受控開關，如各自與MP極MAUX同時受控的金氧半場效電晶體、IGBT、繼電器等取代。在此情況下，轉換器可於雙向模式下操作且可將功率自右轉移至左。
CAUX:電容
CS1、CS2:電容器
CS3:去耦合電容器
CRS:二次電振電容器
CP:一次側去耦合電容
CRP:共振電容
DR:整流二極體
DRL:飛輪二極體
VIN+、VIN-:一次源端子
MAUX:二次金氧半場效電晶體
MP:金氧半場效電晶體
I(Dr)、I(Dr1):電流
I(Lm):磁化電流
LR:共振電感
LM:電感
V(g)、V(ga):閘極電壓
V(d)、V(cmid):電壓
TFO-P:一次繞組
TFO-S:二次繞組

Claims (16)

  1. 一種DC轉AC功率轉換器，其具有一主DC輸入(1)及一主單相AC輸出(4)，能將在該主DC輸入(1)處之一DC電壓轉換及適配成在該主AC輸出(4)處之基頻f0之一正弦AC電壓且能將在該主AC輸出(4)處之一額定功率傳送至一負載，該DC轉AC功率轉換器包括：一單一DC轉DC轉換器(5)，其具有將該主DC輸入(1)當作輸入及具有一DC輸出(10)及連接至該DC輸出(10)之一槽型電容器(3)，兩個低頻二極體(2)，經偏壓以便各自可使電流自該DC輸出(10)流至該槽型電容器(3)，自該槽型電容器(3)流至該DC輸出(10)；依一直接路徑，一雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)與該DC轉DC轉換器(5)串接，該雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)具有連接至該DC輸出(10)之一DC輸入-輸出(11)及連接至該主AC輸出(4)之一AC輸出-輸入(12)；以及依一旁通路徑，與該雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)及該低頻二極體(2)並聯連接之一電流型低頻全切換H電橋，下文中稱為AC正向電橋(7)，其具有一DC輸入及一AC輸出，該DC輸入連接至該單一DC對DC轉換器(5)之該DC輸出(10)，及該AC輸出係與該主AC輸出(4)並聯連接，該AC正向電橋具有小於1kHZ之工作頻率；控制手段，用於控制該雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)以於該第一AC輸出-輸入(12)傳送該正弦AC電 壓，及用於控制該AC正向電橋以傳送與該正弦AC電壓同相之一準方波形AC正向電流，該控制手段能控制該雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)及該AC正向電橋，使得該雙向電壓型DC轉AC轉換器(6)及該AC正向電橋能同時***作；使得當介於該主AC輸出(4)之端子間的瞬間電壓達到一預定位準時，低頻的該AC正向電橋(7)導通，該低頻二極體(2)被反向偏壓且未導通，及一定值功率由該DC轉DC轉換器(5)直接供應至該負載。
  2. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中該工作頻率係400Hz或50/60Hz。
  3. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中依據該輸出AC電壓之極性而選擇低頻的該AC正向電橋(7)之兩個關閉開關(TPH、TNL；TPL、TNH)。
  4. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中該DC轉DC轉換器(5)經設計以支援一可變輸出電壓，同時傳輸一近乎定值的功率。
  5. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中該DC轉DC轉換器(5)被隔絕且在該變壓器之一之主側包括由一主金氧半場效電晶體(MP)製之一主動箝位器，該金氧半場效電晶體將一變壓器之一次繞組(TFO-P)連接至提供該主DC輸入(1)之一一次源(VIN+、VIN-)；一共振電容(CRP)，其並聯於該一次金氧半場效電晶體(MP)使一次金氧半場效電晶體(MP)能在ZVT操作；及一電容(CAUX)及一二次金氧半場效電晶體(MAUX)，其等經 配置成於該主金氧半場效電晶體(MP)提供電壓箝位，及因而保護該主金氧半場效電晶體(MP)免於過電壓。
  6. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中該DC轉DC轉換器(5)被隔絕且包括在該變壓器之一次側之由兩個金氧半場效電晶體(MP1、MP2)製成之一雙電晶體正向轉換器一次級，該兩個金氧半場效電晶體(MP1、MP2)之每一者係在其一個各自的端部直接連接一變壓器之一次繞組(TFO-P)之一端部及提供該主DC輸入(1)之一各自的一次源端子(VIN-、VIN+)；一共振電容(CRP1、CRP2)，其分別並聯於每一金氧半場效電晶體(MP1、MP2)使該等金氧半場效電晶體(MP1、MP2)能在ZVT操作；及二極體(DAUX1、DAUX2)，其等經配置以各自連接該等主金氧半場效電晶體(MP1、MP2)之每一者至該一次源端子(VIN+、VIN-)，其非係直接各自連接至對應金氧半場效電晶體(MP1、MP2)之該一次源端子(VIN-、VIN+)。
  7. 如請求項5或6之DC轉AC功率轉換器，其中該DC轉DC轉換器(5)在該變壓器之該二次側進一步包括至少一個第一電容器(CS1、CS2)，其產生對該變壓器之二次線圈(TFO-S)之一AC連接部；一共振電感(LR)，其可降低至該變壓器之洩漏電感；一整流二極體(DR)及一飛輪二極體(DLR)，用於調整在該變壓器之該二次側產生之電壓；及二次共振電容器(CRS)，其與該整流二極體(DR)並聯連接；及一去耦合電容器(CS3)，其與該輸出DC電壓(10)之該等端子並聯。
  8. 如請求項7之DC轉AC功率轉換器，其中該第一電容器(CS1)、該共振電感(LR)、該整流二極體(DR)及該飛輪二極體(DLR)經配置使得在該變壓器之磁化階段，該轉換器之該輸入電壓VIN反映至該變壓器之該二次側為NVIN，其中N係變壓器匝比，將該第一電容器(CS1)充電及透過該整流二極體(DR)在該第一電容器(CS1)與該共振電感(LR)間產生共振；該飛輪二極體(DLR)未導通，且在該整流二極體(DR)與該飛輪二極體(DRL)間之接點無過電壓。
  9. 如請求項7之DC轉AC功率轉換器，其中該第一電容器(CS1)、該共振電感(LR)、該整流二極體(DR)及該飛輪二極體(DLR)經配置使得在該變壓器之去磁化階段，一電流自經充電的該第一電容器(CS1)透過該共振電感(LR)及該飛輪二極體(DLR)流至該負載，該電流不僅轉移該變壓器之磁能，且同時轉移在該磁化階段期間儲存於該第一電容器(CS1)中之能量。
  10. 如請求項9之DC轉AC功率轉換器，其中該DC轉DC轉換器之輸出功率(PO)與一等效返馳式轉換器之輸出功率(PFB)之關係方程式如下： P O =P FB M，此處
    Figure 107139799-A0305-02-0025-4
    其中VIN與VO分別係該DC轉DC轉換器之輸入與輸出電壓，M係大於1之乘數因子。
  11. 如請求項10之DC轉AC功率轉換器，其中該乘數因子大於2。
  12. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中其係雙向。
  13. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中該等低頻二極體(2)由受控開關取代。
  14. 如請求項13之DC轉AC功率轉換器，其中該等受控開關係金氧半場效電晶體、絕緣閘雙極電晶體或繼電器。
  15. 如請求項1之DC轉AC功率轉換器，其中該DC轉DC轉換器未隔絕。
  16. 一種適合被使用在DC轉AC功率轉換器之隔絕DC轉DC轉換器(5)，該DC轉AC功率轉換器具有如請求項1之一主DC輸入(1)及一主單相AC輸出(4)，該隔絕DC轉DC轉換器(5)在該變壓器之一次側包括由一主金氧半場效電晶體(MP)製成之一主動箝位器，其將一變壓器之一次繞組(TFO-P)連接至提供該主DC輸入(1)之一次源(VIN+、VIN-)；一共振電容(CRP)，其與該一次金氧半場效電晶體(MP)並聯使該一次金氧半場效電晶體(MP)能在ZVT操作；及電容(CAUX)及二次金氧半場效電晶體(MAUX)，其等經配置以在該主金氧半場效電晶體(MP)提供電壓箝位，及因而保護該主金氧半場效電晶體(MP)免於過電壓。
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