具有軟切換且能降低電流漣波的逆變電路及整流電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力逆變(invers1n)及整流(rectificat1n)電路,尤指一種具有軟切換且能降低電流鏈波(soft-switching low current ripple)的電力逆變及整流電路,以期在工作切換周期中,除能有效降低輸入電流或輸出電流的漣波,減少導通損失之夕卜,同時,也能因具有軟切換性能,而減少其上半導體開關(guān)(semiconductor switch)的導通瞬間或斷開瞬間的交換損失,以有效提聞電力轉(zhuǎn)換的效率。
【背景技術(shù)】
[0002]按,現(xiàn)今許多電力裝置(electrical device)上廣泛使用的直流-直流的轉(zhuǎn)換電路中,均有一逆變電路(invers1n circuit)及一整流電路(rectifier circuit),其中,該逆變電路是將一直流電壓逆變成一交流電壓,該交流電壓再經(jīng)該整流電路及一濾波電路(filter circuit),轉(zhuǎn)換成一直流電壓,以提供該電力裝置所需的不同直流電位。
[0003]一般言,諸多現(xiàn)有的直流-直流轉(zhuǎn)換電路包括半橋式(half-bridge)、推挽式(push-pull)及全橋式(full-bridge)等拓樸的電路,且現(xiàn)有轉(zhuǎn)換電路均具備前述逆變功能,其中,最被廣泛使用的是半橋轉(zhuǎn)換電路(Half-Bridge Converter,以下簡稱HBC),其為一種降壓型衍生轉(zhuǎn)換電路(Buck-derived),其逆變電路的輸入電流具有脈動波形的缺點,常會因瞬間電流變化(di/dt),產(chǎn)生相當高的干擾,且會伴隨著因瞬間電壓變化(dv/dt)所產(chǎn)生的另一種雜訊,進而發(fā)生電磁干擾(EMI)的問題。因此,在現(xiàn)有轉(zhuǎn)換電路中,必需加裝一防制電磁干擾濾波器(EMI filter),才能符合電磁干擾規(guī)范的要求,此舉不僅增加了現(xiàn)有轉(zhuǎn)換電路的成本,也增加了現(xiàn)有轉(zhuǎn)換電路所需的空間。有鑒于此,為了降低電流漣波及瞬間電流變動率所產(chǎn)生的雜訊,已有業(yè)者廣泛地將兩組相同的逆變電路予以交錯(interleaved)分時工作,然而,采取此一交錯分時工作架構(gòu)者,除了會增加電路的復雜度與制作成本之外,因電流漣波是否降低或消除,完全需視逆變電路上各開關(guān)的工作周期而定,因此,若各開關(guān)的工作周期小于50%,仍然無法有效減輕前述電磁干擾(EMI)的問題。
[0004]針對前述問題,本發(fā)明的發(fā)明人曾陸續(xù)提出數(shù)件相關(guān)的能減少電流漣波的逆變電路,且先后獲準專利在案,如:2009年4月7日獲準的美國第7,515,439號專利權(quán)、2011年6月7日獲準的美國第7,957,161號專利權(quán)、2012年9月4日獲準的美國第8,319,469號專利權(quán)、2013年11月21日公開的美國第2013/0368443A1號專利公告,其中,美國第8,319,469號專利權(quán)所主張保護者,為一低輸入電流漣波的半橋逆變電路(以下簡稱HBC-CRR),該半橋逆變電路因能有效降低輸入電流的漣波,故僅需使用一較小的防制電磁干擾濾波器,即能滿足規(guī)范的要求。
[0005]然而,因前述HBC-CRR采用對稱式的脈波寬度調(diào)變機制,以調(diào)節(jié)輸出電壓,其雖能在不同的輸入電壓及工作負載的條件下,獲得穩(wěn)定的輸出電壓,但是,仍將產(chǎn)生不同的死區(qū)時間(dead time),導致半導體開關(guān)因工作于硬切換(hard switching)狀態(tài),而有較高的導通瞬間切換損耗(turn on switching losses),此一損耗與工作頻率成正比增加,因此,限制了該半橋逆變電路的操作頻率,致無法有效降低該逆變電路中的感抗元件值(如:電感值或電容值等),進而導致該半橋逆變電路所欲提高的功率密度性能也無法被有效達成。
[0006]為了使前述半橋逆變電路能操作在較高的工作頻率,發(fā)明人經(jīng)過諸多實驗及測試后認為,采用軟切換技術(shù)的零電壓切換(zero voltage switch, ZVS)應是唯一且必須的解決之道,如此,才能在不犧牲逆變電路的效率的前提下,有效實現(xiàn)逆變電路的高功率密度性能,此為本發(fā)明在此欲探討的一重要課題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]有鑒于前述現(xiàn)有逆變電路的問題與缺點,發(fā)明人根據(jù)多年實務經(jīng)驗及研究實驗,終于開發(fā)設計出本發(fā)明的一種具有軟切換且能降低電流漣波的逆變電路及整流電路,以期該電路在電力逆變(或整流)過程中,能有效消除電流的漣波。
[0008]本發(fā)明的一個技術(shù)方案為,提供一種具有軟切換且能降低輸入電流漣波的逆變電路,其中,該逆變電路并聯(lián)至一輸入端,用以將該輸入端提供的一直流電壓轉(zhuǎn)換成一交流電壓,該逆變電路包括:
[0009]一上層電力單元,包含一第一電容、一第二電容、一第一開關(guān)及一第一阻抗調(diào)節(jié)單元(impedance adjusting unit),其中,該輸入端的正端子分別與該第一電容的第一端子及該第一阻抗調(diào)節(jié)單元的第一端子相連接,該第一阻抗調(diào)節(jié)單元的第二端子分別與該第一開關(guān)的上端子及該第二電容的第一端子相連接,該第一阻抗調(diào)節(jié)單元的第三端子及第四端子分別連接至該第一電容的第二端子與該第一開關(guān)的下端子;
[0010]一下層電力單元,包含一第三電容、一第二開關(guān)及一第二阻抗調(diào)節(jié)單元,其中,該第二阻抗調(diào)節(jié)單元的第一端子及第二端子分別連接至該第三電容的第一端子及該第二開關(guān)的上端子,該輸入端的負端子分別與該第三電容的第二端子及該第二阻抗調(diào)節(jié)單元的第三端子相連接,該第二阻抗調(diào)節(jié)單元的第四端子則連接至該第二開關(guān)的下端子;
[0011]至少一中層電力單元(middle cells),各中層電力單元依序串接在該上層電力單元及下層電力單元間,各中層電力單元包括一第三開關(guān)、一第四開關(guān)、一第四電容及一第五電容,該第五電容的第一端子連接至該第三開關(guān)的下端子及該第四開關(guān)的上端子,其中,第一個中層電力單元的第四電容的第一端子連接至該第一電容的第二端子,該第一個中層電力單元的第三開關(guān)的上端子連接至該第一開關(guān)的下端子,該第一個中層電力單元的第五電容的第一端子連接至該第二電容的第二端子,各中層電力單元的第四電容的第二端子連接至下一個中層電力單元的第四電容的第一端子,各中層電力單元的第四開關(guān)的下端子連接至下一個中層電力單元的第三開關(guān)的上端子,各中層電力單元的第五電容的第二端子連接至下一個中層電力單元的該第五電容的第一端子,各中層電力單元的第四電容的第二端子及該第四開關(guān)的下端子彼此連接,以此類推,但最后一個中層電力單元除外,最后一個中層電力單元的第四電容的第二端子連接至該第三電容的第一端子,且該最后一個中層電力單元的第四開關(guān)的下端子連接至該第二開關(guān)的上端子,且該最后一個中層電力單元的第五電容的第二端子則連接至該第二開關(guān)的下端子;及
[0012]至少一次級繞組,各次級繞組與各阻抗調(diào)節(jié)單元內(nèi)對應的初級繞組磁耦合,而成為至少一具有磁耦合的變壓器,以提供該交流電壓;如此,在一開關(guān)工作周期內(nèi),該逆變電路即能通過軟切換的機制,交替導通或斷開所述開關(guān),以將該輸入端提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓,并能降低該直流電壓的輸入電流漣波。
[0013]本發(fā)明的另一技術(shù)方案為,提供一種具有軟切換且能降低輸入電流漣波的逆變電路,其中,該電路與一輸入端相并聯(lián),以將該輸入端提供的一直流電壓轉(zhuǎn)換成一交流電壓,該逆變電路包括:
[0014]一第一串聯(lián)電路,包含一第一電容及一第三電容,其中,該第一電容的第一端子與該輸入端的正端子相連接,該第一電容的第二端子與該第三電容的第一端子相連接,該第三電容的第二端子與該輸入端的負端子相連接;
[0015]一第二串聯(lián)電路,包括依順序串聯(lián)的一第一開關(guān)、一開關(guān)串聯(lián)陣列及一第二開關(guān);其中,該開關(guān)串聯(lián)陣列包括至少一中層電力單元,各中層電力單元包含一第三開關(guān)、一第四開關(guān)及一第四電容,各中層電力單元的第四電容的第一端子與第二端子分別連接在該第三開關(guān)的上端子及該第四開關(guān)的下端子,第一個中層電力單元的第三開關(guān)的上端子及該第四開關(guān)的下端子分別連接至該第一開關(guān)的下端子及該第二開關(guān)的上端子,且各中層電力單元的第三開關(guān)的下端子及該第四開關(guān)的上端子分別連接至下一個中層電力單元的第三開關(guān)的上端子及該第四開關(guān)的下端子,以此類推,最后一個中層電力單元的第三開關(guān)的下端子與該第四開關(guān)的上端子連接在一起;
[0016]一第二電容,其第一端子連接至該第一開關(guān)的上端子,其第二端子連接至該第二開關(guān)的下端子;
[0017]一阻抗調(diào)節(jié)單元,該阻抗調(diào)節(jié)單元的第一端子分別與該第一電容的第一端子及該輸入端的正端子相連接,該阻抗調(diào)節(jié)單元的第二端子分別與該第一開關(guān)的上端子及該第二電容的第一端子相連接,該阻抗調(diào)節(jié)單元的第三端子及第四端子分別連接至該第一電容的第二端子及該最后一個中層電力單元的第三開關(guān)的下端子,該阻抗調(diào)節(jié)單元的第五端子分別與該輸入端負端子與該第三電容的第二端子相連接,該阻抗調(diào)節(jié)單元的第六端子分別連接至該第二開關(guān)的下端子及該第二電容的第二端子;及
[0018]至少一次級繞組,各次級繞組與該阻抗調(diào)節(jié)單元內(nèi)對應的初級繞組磁耦合,而成為至少一具有磁耦合的變壓器,以提供該交流電壓;
[0019]如此,在一開關(guān)工作周期內(nèi),該逆變電路即能通過軟切換的機制,交替導通或斷開所述開關(guān),以將該輸入端的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓,并能降低該直流電壓的輸入電流漣波。
[0020]本發(fā)明的再一技術(shù)方案為,提供一種具有軟切換且能降低輸出電流漣波的整流電路,其中,該整流電路包括:
[0021]一第一串聯(lián)電路,包含依序串聯(lián)的一第一電感、一第一次級繞組及一第一開關(guān),該第一電感代表該第一次級繞組的漏感;
[0022]一第二串聯(lián)電路,包含依序串聯(lián)的一第二開關(guān)、一第二次級繞組及一第二電感,該第二電感代表該第二次級繞組的漏感;
[0023]一第三串聯(lián)電路,包含依序串聯(lián)的一第三電感及一第一電容;
[0024]一第二電容;及
[0025]至少一初級繞組,分別與各次級繞組磁耦合,而成為至少一具有磁耦合的變壓器;
[0026]其中,該第一電感的第一端子分別與該第二開關(guān)的上端子及該第三電感的第一端子相連接,該第一開關(guān)的下端子分別與該第二電感的第二端子及該第一電容的第二端子相連接,且該第一電容的第一端子與第二端子分別連接至一負載的正端子與負端子,該第二電容的第一端子連接至該第一次級繞組及第一開關(guān)間,該第二電容的第二端子連接至該第二開關(guān)與該第二次級繞組間;
[0027]如此,在一開關(guān)工作周期內(nèi),該整流電路即能通過軟切換的機制,交替導通或斷開所述開關(guān),以將輸入至該初級繞組的一交流電壓,轉(zhuǎn)換成一直流電壓,并能降低該第一電容上的電流漣波。
[0028]本發(fā)明的又一個技術(shù)方案為,提供一種具有軟切換且能降低輸出電流漣波的整流電路,其中,該整流電路包括:
[0029]一第一串聯(lián)電路,包含依序串聯(lián)的一第一電感、一第一次級繞組、一第一開關(guān)及一第三開關(guān),其中,該第一次級繞組的非打點端子與該第一開關(guān)的上端子連接,該第一電感代表該第一次級繞組的漏感;
[0030]一第二串聯(lián)電路,包含依序串聯(lián)的一第二開關(guān)、一第四開關(guān)、一第二次級繞組及一第二電感,其中,該第四開關(guān)的下端子與第二次級繞組的非打點端子連接,該第二電感代表該第二次級繞組的漏感;
[0031]一第三串聯(lián)電路,包含依序串聯(lián)的一第三電感及一第一電容;
[0032]一第二電容;及
[0033]至少一初級繞組,分別與各次級繞組磁耦合,而成為至少一具有磁耦合的變壓器;
[0034]其中,該第一電感的第一端子分別與該第二開關(guān)的上端子及該第三電感的第一端子相連接,該第三開關(guān)的下端子分別與該第二電感的第二端子及該第一電容的第二端子相連接,且該第一電容的第一端子與第二端子分別連接至一負載的正端子與負端子,該第二電容的第一端子連接至該第一次級繞組及第一開關(guān)間,該第二電容的第二端子連接至該第四開關(guān)與該第二次級繞組間,該第一開關(guān)的下端子連接至該第二開關(guān)的下端子;
[0035]如此,在一開關(guān)工作周期內(nèi),該整流電路即能通過軟切換的機制,交替導通或斷開該開關(guān),以將輸入至該初級繞組的一交流電壓,轉(zhuǎn)換成一直流電壓,并能降低該第一電容上的電流漣波。
[0036]本發(fā)明提供的再一技術(shù)方案為,提供一種具有軟切換且能降低輸出電流漣波的整流電路,其中,該整流電路包括:
[0037]一上層電力單兀,包含一第一電容、一第一阻抗調(diào)節(jié)單兀、一第一開關(guān)及一第二電容,其中,該第一阻抗調(diào)節(jié)單元的第一端子分別與該第一電容的第一端子及一負載的正端子相連接,該第一阻抗調(diào)節(jié)單元的第二端子分別與該第二電容的第一端子及該第一開關(guān)的上端子相連接,該第一阻抗調(diào)節(jié)單元的第三端子與該第一電容的第二端子連接,該第一阻抗調(diào)節(jié)單元的第四端子與該第一開關(guān)的下端子相連接;
[0038]一下層電力單元,包含一第三電容、一第二阻抗調(diào)節(jié)單元及一第二開關(guān),其中,該第二阻抗調(diào)節(jié)單元的第一端子與該第三電容的第一端子相連接,該第二阻抗調(diào)節(jié)單元的第二端子與該第二開關(guān)的上端子相連接,該第二阻抗調(diào)節(jié)單元的第三端子分別與該第三電容的第二端子及該負載的負端子相連接,該第二阻抗調(diào)節(jié)單元的第四端子與該第二開關(guān)的下端子相連接 '及
[0039]至少一中層電力單元,各中層電力單元依序串接在該上層電力單元及下層電力單元間,各中層電力單元包括一第三開關(guān)、一第四開關(guān)、一第四電容及一第五電容,該第五電容的第一端子分別與該第三開關(guān)的下端子及該第四開關(guān)的上端子相連接,其中,第一個中層電力單元的第四電容的第一端子連接至該第一電容的第二端子,該第一個中層電力單元的第三開關(guān)的上端子連接至該第一開關(guān)的下端子,該第一個中層電力單元的第五電容的第一端子連接至該第二電容的第二端子,各中層電力單元的第四電容的第二端子連接至下一個中層電力單元的第四電容的第一端子,各中層電力單元的第四開關(guān)的下端子連接至下一個中層電力單元的第三開關(guān)的上端子,各中層電力單元的第五電容的第二端子連接至下一個中層電力單元的該第五電容的第一端子,各中層電力單元的第四電容的第二端子及該中層電力單元的該第四開關(guān)的下端子彼此連接,以此類推,但最后一個中層電力單元除外,最后一個中層電力單元的第四電容的第二端子連接至該第三電容的第一端子,且該最后一個中層電力單元的第四開關(guān)的下端子連接至該第二開關(guān)的上端子,且該最后一個中層電力單元的第五電容的第二端子則連接至該第二開關(guān)的下端子;
[0040]如此,在一開關(guān)工作周期內(nèi),該整流電路即能通過軟切換的機制,交替導通或斷開所述開關(guān),以通過各阻抗調(diào)節(jié)單元,將一交流電壓,轉(zhuǎn)換成一直流電壓,并提供予該負載,且能降低該第一電容上的電流鏈波。
[0041]本發(fā)明提供的電力逆變電路和整流電路具有軟切換性能,以有效降低其中切換損失(switching losses),并據(jù)以有效改善整體效能。所述電路能在電力逆變(或整流)過程中,使漏電感(leakage inductance)及雜散電容(parasitic capacitor)成為一無耗損緩沖器(lossless snubber),進而使漏電感的能量得被有效回收(recycling),并據(jù)以有效改善整體效能。
[0042]因該電路能使用低電壓應力(low voltage rating)具有低導通阻值特性的半導體開關(guān)(semiconductor switches),或得以使用低順向壓降(forward voltage drop)特性的整流二極管(rectifier d1des),以有效降低其中導通損失(conduct1n losses),并據(jù)以有效改善整體效能。
[0043]本發(fā)明通過簡單的電路設計,使所制成的電路,不僅能有效降低輸入和輸出電流上的電流漣波,尚能有效提升該電路的效率,這也成為本發(fā)明的技術(shù)重點。
[0044]為便貴審查委員能對本發(fā)明的目的、結(jié)構(gòu)及其功效,做更進一步的認識與了解,茲舉實施例附圖,詳細說明如下:
【附圖說明】
[0045]圖1(a)?圖1(e)是本發(fā)明第一個實施例,具有單變壓器、軟切換、多開關(guān)的直流-交流(DC-AC)逆變電路及其應用例的示意圖;
[0046]圖2(a)?圖2(e)是本發(fā)明第一個實施例,具有雙變壓器、軟切換、多開關(guān)的直流-交流(DC-AC)逆變電路及其應用例的示意圖;
[0047]圖3是圖1(a)所示實施例中僅具有上層電力單元及下層電力單元的逆變電路圖;
[0048]圖4(a)?圖4(d)是圖3所示逆變電路在穩(wěn)態(tài)操作下各階段的等效電路圖;
[0049]圖5是圖3所示逆變電路以非對稱脈沖寬度調(diào)制(APffM)控制的幾組關(guān)鍵波形圖;
[0050]圖6 (a)?圖6 (b)是圖3所示逆變電路在以非對稱脈沖寬度調(diào)制(APffM)控制,高輸入電壓-輕載及低輸入電壓-滿載工作條件下,實測的驅(qū)動信號Vgsl、Vgs2及輸入電流Iin的波形圖;
[0051]圖7(a)?圖7(d)是圖3所示逆變電路分別在以非對稱脈沖寬度調(diào)制(APffM)控制,工作條件為低輸入電壓-40%負載、低輸入電壓-100%負載、高輸入電壓-60%負載及高輸入電壓-100%負載下實測電壓的波形圖;
[0052]圖8是圖3所示逆變電路以接近50% -工作周期的變頻控制的幾組關(guān)鍵波形圖;
[0053]圖9(a)?圖9(b)是圖3所示逆變電路在以接近50% -工作周期的變頻控制,低輸入電壓-滿載及高輸入電壓-輕載工作條件下,實測的驅(qū)動信號Vgsl、Vgs2及輸入電流Iin的波形圖;
[0054]圖10(a)?圖10(d)是圖3所示逆變電路在以接近50% -工作周期的變頻控制,工作條件分別為低輸入電壓-40%負載、低輸入電壓-100%負載、高輸入電壓-60%負載、高輸入電壓-100%負載下實測電壓的波形圖;
[0055]圖11是圖1 (a)所示僅具有一組中層電力單元的逆變電路的一應用例電路圖;
[0056]圖12(a)?圖12(d)是圖11所示逆變電路在穩(wěn)態(tài)操作下各階段的等效電路圖;
[0057]圖13(a)?圖13(e)是本發(fā)明第二個實施例,具有單變壓器、軟切換、多開關(guān)的直流-交流(DC-AC)逆變電路及其應用例的示意圖;
[0058]圖14(a)?圖14(e)是本發(fā)明第二個實施例,具有雙變壓器、軟切換、多開關(guān)的直流-交流(DC-AC)逆變電路及其三個應用例的示意圖;
[0059]圖15是圖13(a)所示實施例中僅具一組中層電力單元的逆變電路圖;
[0060]圖16(a)?圖16(d)是圖15所示逆變電路在穩(wěn)態(tài)操作下各階段的等效電路圖;
[0061]圖17是本發(fā)明第三個實施例,具有單變壓器、軟切換、多開關(guān)的交流-直流(AC-DC)整流電路圖;
[0062]圖18是本發(fā)明第三個實施例,具有雙變壓器、軟切換、多開關(guān)的交流-直流(AC-DC)整流電路圖;
[0063]圖19是圖17所示實施例中的一應用電路圖;
[0064]圖20(a)?圖20(b)是圖19所示整