CN102820803A - 三埠单相单极微换流器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三埠单相单极微换流器，其包含输入埠，用以耦接于一直流电源，并接收及传输该直流电源的输入功率；调变埠，用以磁耦合该输入埠，并根据该输入功率，产生并输出一全波整流的弦波电流；换相器，耦接于该调变埠，用以根据开关控制信号和反相开关控制信号，转换该弦波电流成为交流电流，并输出该交流电流至市电，开关控制信号和该反相开关控制信号的频率和市电的频率相同；及主动功率解耦电路埠；其中，输入埠接收及传输一直流电源的输入功率后，调变埠根据第一脉冲宽度调变控制信号，主动功率解耦电路埠根据第二脉冲宽度调变控制信号或第三脉冲宽度调变控制信号，执行相对应的动作。本发明的换流器具有体积小、可靠度高的特点。

Description

三埠单相单极微换流器及其操作方法

技术领域

本发明是有关于一种三埠单相单极微换流器及其操作方法，尤其是一种具有较小体积、较长寿命及较高可靠度等优点的三埠单相单极微换流器及其操作方法。

背景技术

一般而言，微换流器的输入埠必须具有最大功率追踪(maximum power pointtracking，MPPT)的功能以汲取太阳能板的最大功率(maximum power point，MPP)。微换流器的输入埠将太阳能板能量吸收后，微换流器的调变埠会输出全波整流的弦波电流。然后，低频切换的换相器转换全波整流的弦波电流成为交流电流，并传送至市电。在先前技术中，微换流器是利用一高容值电解电容以平衡太阳能板的输入功率及换相器的输出功率。即当太阳能板的输入功率大于换相器的输出功率时，高容值电解电容吸收太阳能板的输入功率和换相器的输出功率的差值；当太阳能板的输入功率小于换相器的输出功率时，高容值电解电容通过换相器释出差值至市电。但是高容值电解电容具有较大体积、较短寿命及较低可靠度等缺点。

发明内容

为了进一步的减小换流器的体积，同时也需要避免采用高容值电解电容带来使用寿命短和可靠度低的缺点，故本发明提供了一种三埠单相单极微换流器。

本发明公开了一种三埠单相单极微换流器，其特征在于包含输入埠，用以耦接于一直流电源，并接收及传输该直流电源的输入功率；调变埠，用以磁耦合该输入埠，并根据该输入功率，产生并输出一全波整流的弦波电流；换相器，耦接于该调变埠，用以根据开关控制信号和反相开关控制信号，转换该弦波电流成为交流电流，并输出该交流电流至市电，其中该开关控制信号和该反相开关控制信号的频率和该市电的频率相同；及主动功率解耦电路埠；

其中，当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据第一脉冲宽度调变控制信号，输出该全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据第二脉冲宽度调变控制信号，储存该输入功率与该输出功率的差值；当该输入功率小于该输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出该弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据一第三脉冲宽度调变控制信号，通过该调变埠输出该差值至该换相器。

更进一步的，所述的三埠单相单极微换流器中该直流电源为一太阳能板。

更进一步的，所述的三埠单相单极微换流器中该输入埠具有最大功率追踪的功能。

更进一步的，所述的三埠单相单极微换流器中该输入埠包含：

第一线圈，该第一线圈的第一端耦接于该直流电源的第一端，且该直流电源的第二端耦接于接地端；

激磁电感，该激磁电感的第一端耦接于该直流电源的第一端，该激磁电感的第二端耦接于该第一线圈的第二端；及

第一开关，该第一开关的第一端耦接于该第一线圈的第二端，该第一开关的第二端用以接收控制信号，及该第一开关的第三端耦接于该接地端。

更进一步的，所述的三埠单相单极微换流器中该调变埠包含：

第二线圈，该第二线圈的第二端耦接于该接地端；

第二开关，该第二开关的第一端耦接于该第二线圈的第一端，该第二开关的第二端用以接收该第一脉冲宽度调变控制信号；

第一二极管，该第一二极管的第一端耦接于该第二开关的第三端；

第二二极管，该第二二极管的第一端耦接于该接地端，该第二二极管的第二端耦接于该第一二极管的第二端；及

第一电感，该第一电感的第一端耦接于该第一二极管的第二端。

更进一步的，所述的三埠单相单极微换流器中该主动功率解耦电路埠包含：

第三线圈，该第三线圈的第二端耦接于该第一二极管的第二端；

第三开关，该第三开关的第一端耦接于该第三线圈的第一端，该第三开关的第二端用以接收该第二脉冲宽度调变控制信号；

第三二极管，该第三二极管第一端耦接于该第三开关的第三端；

第二电感，该第二电感第一端耦接于该第三二极管的第二端，该第二电感的第二端耦接于该第三线圈的第二端；

第四二极管，该第四二极管第二端耦接于该第三二极管的第二端；

第一电容，该第一电容的第一端耦接于该第二电感的第二端，该第一电容的第二端耦接于该第四二极管的第一端；

第五二极管，该第五二极管第一端耦接于该第四二极管的第一端，该第五二极管的第二端耦接于该第三线圈的第一端；及

第四开关，该第四开关的第一端耦接于该第五二极管的第一端，第四开关的第二端用以接收该第三脉冲宽度调变控制信号，及第四开关的第三端耦接于该接地端。

更进一步的，所述的三埠单相单极微换流器中该换相器包含：

第二电容，该第二电容的第一端耦接于该第一电感的第二端，及该第二电容的第二端耦接于该接地端；

第五开关，该第五开关的第一端耦接于该第二电容的第一端，该第五开关的第二端用以接收该开关控制信号；

第六开关，该第六开关的第一端耦接于该第二电容的第一端，该第六开关的第二端用以接收该反相开关控制信号，及该第六开关的第三端耦接于该市电的第二端；

第七开关，该第七开关的第一端耦接于该第五开关的第三端，该第七开关的第二端用以接收该反相开关控制信号，及该第七开关的第三端耦接于该接地端；

第八开关，该第八开关的第一端耦接于该第六开关的第三端，该第八开关的第二端用以接收该开关控制信号，及该第八开关的第三端耦接于该接地端；及

第三电感，该第三电感的第一端耦接于该第五开关的第三端，及该第三电感的第二端耦接于该市电的第一端。

更进一步的，所述的三埠单相单极微换流器还包含：

稳压电容，该稳压电容的第一端，耦接于该直流电源的第一端，该稳压电容的第二端耦接于该直流电源的第二端，其中该稳压电容是用以稳定该直流电源所提供的直流电压。

更进一步的，该第二线圈的感应方向和该第三线圈的感应方向是和该第一线圈的感应方向相同。

更进一步的，该输入功率等于该直流电压与该直流电源所提供的直流电流的乘积。

更进一步的，该输出功率等于该交流电流与该市电的电压的乘积。

更进一步的，当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该第四开关关闭，该第二开关的开启时间是由该输出功率控制该第一脉冲宽度调变控制信号所决定；该第三开关的开启时间是由该最大功率追踪结果控制该第二脉冲宽度调变控制信号所决定。

更进一步的，当该第二开关和该第三开关开启时，从该输入埠输入的能量被储存至该第一电感与该第二电感。

更进一步的，当该第二开关关闭和该第三开关开启时，该第一电感所储存的能量被输出至该换相器，以及从该输入埠输入的能量被储存至该第二电感。

更进一步的，当该第二开关开启和该第三开关关闭时，该第二电感所储存的能量通过该第四二极管储存至该第一电容，以及从该输入埠输入的能量被储存至该第一电感。

更进一步的，当该第二开关和该第三开关皆关闭时，该第一电感所储存的能量被输出至该换相器，该第二电感所储存的能量通过该第四二极管储存至该第一电容，以及该激磁电感所储存的能量通过该第五二极管储存至该第一电容。

更进一步的，该第一开关的开启时间是由该第二开关的开启时间和该第三开关的开启时间执行或逻辑运算所决定。

更进一步的，当该输入功率小于该换相器所输出的输出功率时，该第三开关关闭，该第二开关开启，该第一开关的开启时间是由该最大功率追踪结果所决定；该第四开关开启时间是藉由该输入功率与该输出功率的差值控制该第三脉冲宽度调变控制信号所决定。

更进一步的，当该第一开关开启和该第四开关关闭时，从该输入埠输入的能量被储存至该第一电感。

更进一步的，当该第一开关关闭和该第四开关开启时，第一电容所储存的能量通过该第四开关被输出至该换相器，以及被储存至该第一电感。

更进一步的，当该第一开关和该第四开关皆关闭时，该第一电感所储存的能量被输出至该换相器，以及该激磁电感所储存的能量通过该第五二极管储存至该第一电容。

此外，本发明更提供了一种三埠单相单极微换流器的操作方法，该三埠单相单极微换流器包含输入埠、调变埠、换相器及主动功率解耦电路，该操作方法包含：

步骤一：该输入埠接收及传输一直流电源的输入功率；及

步骤二：该调变埠根据第一脉冲宽度调变控制信号，该主动功率解耦电路埠根据第二脉冲宽度调变控制信号或第三脉冲宽度调变控制信号，执行相对应的动作。

优选的，所述的操作方法中步骤二进一步包含：

当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出一全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第二脉冲宽度调变控制信号，储存该输入功率与该换相器所输出的输出功率的差值。

优选的，所述的操作方法中当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该第一脉冲宽度调变控制信号的使能时间是由该输出功率所决定，以及该第二脉冲宽度调变控制信号的使能时间是由该输入埠的最大功率追踪结果所决定。

优选的，所述的操作方法中

该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出该全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第二脉冲宽度调变控制信号，储存该输入功率与该输出功率的差值包含：

当该第一脉冲宽度调变控制信号和该第二脉冲宽度调变控制信号使能时，从该输入埠输入的能量被储存至该调变埠与该主动功率解耦电路；

当该第一脉冲宽度调变控制信号去能和该第二脉冲宽度调变控制信号使能时，该调变埠所储存的能量被输出至该换相器，以及从该输入埠输入的能量被储存至该主动功率解耦电路。

当该第一脉冲宽度调变控制信号和该第二脉冲宽度调变控制信号去能时，该调变埠所储存的能量被输出至该换相器，以及该输入埠的激磁电感所储存的能量储存至该主动功率解耦电路。

当该第一脉冲宽度调变控制信号使能和该第二脉冲宽度调变控制信号去能时，从该输入埠输入的能量被储存至该调变埠。

优选的，所述的操作方法中该输入埠的使能时间是由该第一脉冲宽度调变控制信号的使能时间和该第二脉冲宽度调变控制信号的使能时间执行或逻辑运算所决定。

优选的，所述的操作方法中步骤二进一步包含：

当该输入功率小于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出一全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第三脉冲宽度调变控制信号，通过该调变埠输出该输入功率与该换相器所输出的输出功率的差值至该换相器。

优选的，所述的操作方法中当该输入功率小于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号使能，该输入埠的使能时间是由该输入埠的最大功率追踪结果所决定，以及该第三脉冲宽度调变控制信号的使能时间是由该输入功率与该换相器所输出的输出功率的差值所决定。

优选的，所述的操作方法中

该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出该弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第三脉冲宽度调变控制信号，通过该调变埠输出该差值至该换相器包含：

当该输入埠使能和该第三脉冲宽度调变控制信号去能时，从该输入埠输入的能量被储存至该调变埠；

当该输入埠去能和该第三脉冲宽度调变控制信号使能时，该主动功率解耦电路埠所储存的能量被输出至该换相器，以及被储存至该调变埠；及

当该输入埠和该第三脉冲宽度调变控制信号皆去能时，该调变埠所储存的能量被输出至该换相器，以及该输入埠的激磁电感所储存的能量储存至该主动功率解耦电路埠。

与现有技术相比，本发明采用了多电感、多电容交替储能的方式来取代原先采用高容值电解电容的设计，整体电路上获得了较小的体积，同时也避免了使用高容值电解电容而出现使用寿命短、可靠度低的问题。

附图说明

图1为本发明的一实施例说明一种三埠单相单极微换流器的示意图。

图2为说明输入功率、输出功率、交流电流与交流电压随时间变化的示意图。

图3至图6为说明三埠单相单极微换流器在状态I的示意图。

图7至图9为说明三埠单相单极微换流器在状态II的示意图。

图10为本发明一种三埠单相单极微换流器的操作方法的流程图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

请参照图1，图1为本发明的一实施例说明一种三埠单相单极微换流器100的示意图。三埠单相单极微换流器100包含输入埠102、调变埠104、换相器106及主动功率解耦电路埠(Active Power Decoupling Circuit，APDC)108。输入埠102用以耦接于直流电源110，并接收及传输直流电源110的输入功率PDC，其中直流电源可为太阳能板，且输入埠102具有最大功率追踪(maximum powerpoint tracking)的功能。但本发明并不受限于直流电源为太阳能板。调变埠104用以磁耦合输入埠102，并根据直流电源110的输入功率PDC，产生并输出全波整流的弦波电流。换相器106耦接于调变埠104，用以根据开关控制信号SCS和反相开关控制信号转换该弦波电流成为交流电流IAC，并输出交流电流IAC至市电AC，其中开关控制信号SCS和反相开关控制信号

的频率和市电AC的频率相同；当直流电源110的输入功率PDC大于换相器106所输出的输出功率PAC时，调变埠104根据第一脉冲宽度调变控制信号FPWM，输出全波整流的弦波电流至换相器106，主动功率解耦电路埠108根据第二脉冲宽度调变控制信号SPWM，储存直流电源110的输入功率PDC与换相器106输出的输出功率PAC的差值；当直流电源110的输入功率PDC小于换相器106所输出的输出功率PAC时，调变埠104根据第一脉冲宽度调变控制信号FPWM，输出弦波电流至换相器106，主动功率解耦电路埠108根据第三脉冲宽度调变控制信号TPWM，通过调变埠104输出直流电源110的输入功率PDC与换相器106输出的输出功率PAC的差值至换相器106。

如图1所示，输入埠102包含第一线圈1022、激磁电感1024及第一开关1026。第一线圈1022的第一端耦接于直流电源110的第一端，其中直流电源110的第二端耦接于接地端GND；激磁电感1024的第一端耦接于直流电源110的第一端，及激磁电感1024的第二端耦接于第一线圈1022的第二端；第一开关1026的第一端耦接于第一线圈1022的第二端，第一开关1026的第二端用以接收一控制信号CS，及第一开关1026的第三端耦接于接地端GND。

如图1所示，调变埠104包含第二线圈1042、第二开关1044、第一二极管1046、第二二极管1048及第一电感1050。第二线圈1042的第二端耦接于接地端GND；第二开关1044的第一端耦接于第二线圈1042的第一端，第二开关1044的第二端用以接收第一脉冲宽度调变控制信号FPWM；第一二极管1046的第一端耦接于第二开关1044的第三端；第二二极管1048的第一端耦接于接地端GND，第二二极管1048的第二端耦接于第一二极管1046的第二端；第一电感1050的第一端耦接于第一二极管1046的第二端。

如图1所示，主动功率解耦电路埠108包含第三线圈1082、第三开关1084、第三二极管1086、第二电感1088、第四二极管1090、第一电容1092、第五二极管1094及第四开关1096。第三线圈1082的第二端耦接于第一二极管1046的第二端；第三开关1084的第一端耦接于第三线圈1084的第一端，第三开关1084的第二端用以接收第二脉冲宽度调变控制信号SPWM；第三二极管1086的第一端耦接于第三线圈1084的第三端；第二电感1088的第一端耦接于第三二极管1086的第二端，及第二电感1088的耦接于第三线圈1082的第二端；第四二极管1090的第二端耦接于第三二极管1086的第二端；第一电容1092的第一端耦接于第二电感1088的第二端，及第一电容1092的第二端耦接于第四二极管1090的第一端；第五二极管1094的第一端耦接于第四二极管1090的第一端，及第五二极管1094的第二端耦接于第三线圈1082的第一端；第四开关1096的第一端，耦接于第五二极管1094的第一端，第四开关1096的第二端用以接收第三脉冲宽度调变控制信号TPWM，及第四开关1096的第三端耦接于接地端GND。

如图1所示，换相器106包含第二电容1062、第五开关1064、第六开关1066、第七开关1068、第八开关1070及第三电感1072。第二电容1062的第一端耦接于第一电感1050的第二端，及第二电容1062的第二端耦接于接地端GND；第五开关1064的第一端耦接于第二电容1062的第一端，第五开关1064的第二端用以接收开关控制信号SCS；第六开关1066的第一端耦接于第二电容1062的第一端，第六开关1066的第二端用以接收反相开关控制信号

及第六开关1066的第三端耦接于市电AC的第二端；第七开关1068的第一端耦接于第五开关1064的第三端，第七开关1068的第二端用以接收反相开关控制信号

及第七开关1068的第三端耦接于接地端GND；第八开关1070的第一端耦接于第六开关1066的第三端，第八开关1070的第二端用以接收开关控制信号SCS，及第八开关1070的第三端耦接于接地端GND；第三电感1072的第一端耦接于第五开关1064的第三端，及第三电感1072的第二端耦接于市电AC的第一端。因为开关控制信号SCS和反相开关控制信号

的频率和市电AC的频率相同，所以当市电AC处于正半周期时，第五开关1064和第八开关1070开启，同时第六开关1066和第七开关1068关闭；当市电AC处于负半周期时，第五开关1064和第八开关1070关闭，同时第六开关1066和第七开关1068开启。另外，第三电感1072可滤掉第一电感1050上的高频电流成分。

另外，如图1所示，三埠单相单极微换流器100另包含稳压电容112。稳压电容112的第一端耦接于直流电源110的第一端，及稳压电容112的第二端耦接于直流电源110的第二端，其中稳压电容112是用以稳定直流电源110所提供的直流电压VDC。

如图1所示，第二线圈1042的感应方向、第三线圈1082的感应方向和第一线圈1022的感应方向相同。另外，直流电源110的输入功率PDC等于直流电压VDC与直流电源110所提供的直流电流IDC的乘积，以及换相器106输出的输出功率PAC是等于交流电流IAC与市电AC的交流电压VAC的乘积。

请参照图2至图9，图2为说明输入功率PDC、输出功率PAC、交流电流IAC与交流电压VAC随时间变化的示意图，图3至图6为说明三埠单相单极微换流器100在状态I的示意图，以及图7至图9为说明三埠单相单极微换流器100在状态II的示意图。如图2所示，状态I代表输入功率PDC大于输出功率PAC的时段，以及状态II代表输入功率PDC小于输出功率PAC的时段。基本上三埠单相单极微换流器100可固定切换频率，且可在电流不连续导通模式(discretecurrent mode，DCM)及电流连续导通模式(continuous current mode，CCM)下进行工作，其中图3至图9是以电流不连续导通模式为例做说明。

在状态I中，输入功率PDC可分为A区功率和C区功率，其中C区功率等于输出功率PAC，而A区功率为输入功率PDC与输出功率PAC的差值。因此，C区功率是通过第一开关1026、第二开关1044、第一二极管1046、第二二极管1048、第一电感1050、第二电容1062及换相器106传送至市电AC。而A区功率则通过第三开关1084、第三二极管1086及第二电感1088储存至第一电容1092。另外，在状态I中，储存至激磁电感1024的能量可以通过第五二极管1094回收至第一电容1092，避免第一线圈1022饱和。在状态I中，因为输入功率PDC大于输出功率PAC，所以第四开关1096总是关闭，即主动功率解耦电路埠108是用以储存输入功率PDC与输出功率PAC的差值(A区功率)。

另外，第一脉冲宽度调变控制信号FPWM、第二脉冲宽度调变控制信号SPWM和第三脉冲宽度调变控制信号TPWM为频率相同的高频调变信号(例如20KHz的调变信号)。在状态I中，三埠单相单极微换流器100在上述脉冲宽度调变控制信号的一个切换周期里可分成三个操作模式(模式I1、模式I2和模式I3)，分别如图3至图6所示。

如图2和图3所示，在模式I1中，第二开关1044及第三开关1084同时开启(0N)，其中第二开关1044的开启时间是由输出功率PAC控制的第一脉冲宽度调变控制信号FPWM所决定，即第二开关1044的工作周期(duty cycle)是由输出功率PAC决定，并将对应于C区功率的能量储存至第一电感1050。另外，为了维持直流电源110输出最大功率，主动功率解耦电路埠108的第三开关1084的开启时间是由输入埠102的最大功率追踪结果控制第二脉冲宽度调变控制信号SPWM所决定，即第三开关1084的的工作周期是由输入埠102的最大功率追踪结果决定，并将对应于A区功率的能量储存至第二电感1088。另外，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或(OR)逻辑运算所决定，且当第一开关1026开启时，激磁电感1024也会储存部分的输入功率PDC。

模式I2可分成二种子模式(子模式I2A和子模式I2B)。如图2和图4所示，在子模式I2A中，当上述脉冲宽度调变信号的切换周期靠近交流电压VAC的零交越点时，输出功率PAC较低，所以第二开关1044关闭和第三开关1084开启。此时，第一电感1050上所储存的能量通过换相器106输出至市电AC。因为第三开关1084开启，所以对应于A区功率的能量继续储存至第二电感1088。和模式I1相同，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或逻辑运算所决定。

如图2和图5所示，在子模式I2B中，当上述脉冲宽度调变信号的切换周期靠近交流电压VAC有效值(图2中的E点)时，输出功率PAC较高，所以第二开关1044开启和第三开关1084关闭。此时，第二电感1088上所储存的能量通过第四二极管1090储存至第一电容1092。和模式I1相同，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或逻辑运算所决定。

如图2和图6所示，在模式I3中，第二开关1044及第三开关1084同时关闭，以及第一开关1026也关闭。因为第二开关1044及第三开关1084同时关闭，所以第二电感1088上所储存的能量通过第四二极管1090储存至第一电容1092，以及第一电感1050所储存的能量释放至市电AC。另外，因为第一开关1026关闭，所以激磁电感1024所储存的能量可通过第五二极管1094储存至第一电容1092。和模式I1相同，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或逻辑运算所决定。

在状态II中，输出功率PAC可分为B区功率和D区功率，其中D区功率是等于输入功率PDC，而B区功率为输出功率PAC与输入功率PDC的差值。因此，在状态II中，D区功率(即直流电源110的最大功率)通过第一开关1026、第二开关1044、第一二极管1046、第二二极管1048电感、第一电感1050、第二电容1062及换相器106传送至市电AC，且B区功率是从状态I储存在第一电容1092的能量，通过第四开关1096、第二二极管1048和第一电感1050传输至市电AC。在状态II中，因为输出功率PAC大于输入功率PDC，所以第三开关1084总是关闭以及第二开关1044总是开启，即在状态II中，主动功率解耦电路埠108是用以释放在状态I所储存的输入功率PDC与输出功率PAC的差值(A区功率)。另外，在状态II中，储存至激磁电感1024的能量可通过第五二极管1094回收至第一电容1092。在状态II中，三埠单相单极微换流器100在上述脉冲宽度调变控制信号的一个切换周期里也可分成三个操作模式(模式II1、模式II2和模式II3)，分别如图7至图9所示。

如图2和图7所示，在模式II1中，第一开关1026开启，且第一开关1026的开启时间是由输入埠102的最大功率追踪结果所决定。当第一开关1026开启时，对应于输入功率PDC的能量被储存至第一电感1050。

如图2和图8所示，在模式II2中，当第一开关1026关闭后，由于换相器106还需要输出输出功率PAC(即B区功率)至市电AC，所以B区功率将由第一电容1092在状态I所储存的能量通过第四开关1096提供，并储存B区功率至第一电感1050。而激磁电感1024所储存的能量通过第五二极管1094储存至第一电容1092。第四开关1096的开启时间是藉由输入功率PDC与输出功率PAC的差值(即B区功率)控制的第三脉冲宽度调变控制信号TPWM所决定。

如图2和图9所示，在模式II3中，当第一开关1026和第四开关1096皆关闭时，第一电感1050所储存的能量被输出至换相器106，以及激磁电感1024所储存的能量通过第五二极管1094储存至第一电容1092。

请参照图1至图10，图10为本发明一种三埠单相单极微换流器的操作方法的流程图。图10所示的方法是以图1的三埠单相单极微换流器100为例进行说明，详细步骤如下：

步骤1000：开始；

步骤1002：输入埠102接收及传输直流电源110的输入功率PDC；

步骤1004：输入功率PDC是否大于换相器106所输出的输出功率PAC；如果是，进行步骤1006；如果否，进行步骤1016；

步骤1006：从输入埠102输入的能量储存至调变埠104与主动功率解耦电路埠108；

步骤1008：脉冲宽度调变信号的切换周期是否靠近交流电压VAC的零交越点；如果是，进行步骤1010；如果否，进行步骤1012；

步骤1010：调变埠104所储存的能量输出至换相器106，从输入埠102输入的能量储存至主动功率解耦电路埠108，跳至步骤1014；

步骤1012：从输入埠102输入的能量储存至调变埠104，进行步骤1014；

步骤1014：调变埠104所储存的能量输出至换相器106，以及输入埠102的激磁电感1024所储存的能量储存至主动功率解耦电路埠108，跳回步骤1002；

步骤1016：从输入埠102输入的能量被储存至调变埠104；

步骤1018：主动功率解耦电路埠108所储存的能量被输出至换相器106，并被储存至调变埠104；

步骤1020：调变埠104所储存的能量输出至换相器106，以及输入埠102的激磁电感1024所储存的能量储存至主动功率解耦电路埠108，跳回步骤1002。

在步骤1002中，输入埠102是用以接收及传输直流电源110的输入功率PDC，其中直流电源可为一太阳能板，且输入埠102具有最大功率追踪结果的功能。在步骤1006(模式I1)中，如图2和图3所示，当第一脉冲宽度调变控制信号FPWM和第二脉冲宽度调变控制信号SPWM使能(即第二开关1044及第三开关1084同时开启)时，从输入埠102输入的能量(即输入功率PDC)被储存至调变埠104与主动功率解耦电路埠108，其中第一脉冲宽度调变控制信号FPWM的使能时间是由输出功率PAC所决定。因此，调变埠104可根据第一脉冲宽度调变控制信号FPWM，输出一全波整流的弦波电流至换相器106，且主动功率解耦电路埠108根据第二脉冲宽度调变控制信号SPWM，储存输入功率PDC与输出功率PAC的差值(A区功率)。另外，为了维持直流电源110输出最大功率，第二脉冲宽度调变控制信号SPWM的使能时间是由输入埠102的最大功率追踪结果所决定。另外，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或逻辑运算所决定，且当第一开关1026开启时，激磁电感1024会储存部分的输入功率PDC。在步骤1010(子模式I2A)中，如图2和图4所示，当上述脉冲宽度调变信号(FPWM、SPWM和TPWM)的切换周期靠近交流电压VAC的零交越点时，输出功率PAC较低，所以第一脉冲宽度调变控制信号FPWM去能且第二脉冲宽度调变控制信号SPWM使能(即第二开关1044关闭和第三开关1084开启)。此时，调变埠104所储存的能量(第一电感1050上所储存的能量)通过全波整流的弦波电流输出至换相器106；因为第三开关1084开启，所以从输入埠102输入的能量继续储存至主动功率解耦电路埠108内的第二电感1088。另外，和模式I1相同，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或逻辑运算所决定。在步骤1012(子模式I2B)中，如图2和图5所示，当上述脉冲宽度调变信号的切换周期靠近交流电压VAC有效值(图2中的E点)时，输出功率PAC较高，所以第一脉冲宽度调变控制信号FPWM使能且第二脉冲宽度调变控制信号SPWM去能(即第二开关1044开启和第三开关1084关闭)。此时，第二电感1088上所储存的能量通过第四二极管1090储存至第一电容1092，以及从输入埠102输入的能量(即输入功率PDC)储存至调变埠104内的第一电感1050。和模式I1相同，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或逻辑运算所决定。在步骤1014(子模式I3)中，如图2和图6所示，当第一脉冲宽度调变控制信号FPWM和第二脉冲宽度调变控制信号SPWM去能(即第二开关1044和第三开关1084皆关闭)，以及第一开关1026也关闭时，因为第二开关1044及第三开关1084同时关闭，所以调变埠104(第一电感1050)所储存的能量释放至换相器106，以及第二电感1088上所储存的能量通过第四二极管1090储存至第一电容1092。另外，因为第一开关1026关闭，所以激磁电感1024所储存的能量可通过第五二极管1094储存至主动功率解耦电路埠108(第一电容1092)。和模式I1相同，第一开关1026的开启时间是由第二开关1044的开启时间和第三开关1084的开启时间执行或逻辑运算所决定。在步骤1016(子模式II1)中，如图2和图7所示，当输入埠102使能和第三脉冲宽度调变控制信号TPWM去能(即第一开关1026开启且第四开关1096关闭)时，输入功率PDC的能量储存至调变埠104内的第一电感1050，其中第一开关1026的开启时间是由输入埠102的最大功率追踪结果所决定。在步骤1018(子模式II2)中，如图2和图8所示，当输入埠102去能和第三脉冲宽度调变控制信号TPWM使能(即第一开关1026关闭且第四开关1096开启)后，由于换相器106还需要输出输出功率PAC(即B区功率)至市电AC，所以B区功率将由主动功率解耦电路埠108内的第一电容1092在状态I所储存的能量通过第四开关1096提供，并储存B区功率至调变埠104内的第一电感1050，其中第四开关1096的开启时间是藉由输入功率PDC与输出功率PAC的差值(亦即B区功率)控制的第三脉冲宽度调变控制信号TPWM所决定。在步骤1018(子模式II3)中，如图2和图9所示，当输入埠102和第三脉冲宽度调变控制信号TPWM皆去能(即第一开关1026和第四开关1096皆关闭)时，调变埠104内的第一电感1050所储存的能量输出至换相器106，以及激磁电感1024所储存的能量通过第五二极管1094储存至主动功率解耦电路埠108内的第一电容1092。

综上所述，本发明所提供的三埠单相单极微换流器及其操作方法是利用调变埠根据第一脉冲宽度调变控制信号，和主动功率解耦电路埠根据第二脉冲宽度调变控制信号或第三脉冲宽度调变控制信号，执行相对应的动作。如此，当输入功率大于输出功率时，三埠单相单极微换流器可储存输入功率和输出功率的差值；当输入功率小于输出功率时，三埠单相单极微换流器可释放输入功率和输出功率的差值至市电。因此，相较于先前技术，本发明采用了多电感、多电容交替储能的方式来取代原先采用高容值电解电容的设计，整体电路上获得了较小的体积，同时也避免了高容值电解电容使用寿命短、可靠度低的问题。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (29)

1.一种三埠单相单极微换流器，其特征在于包含：

输入埠，用以耦接于一直流电源，并接收及传输该直流电源的输入功率；

调变埠，用以磁耦合该输入埠，并根据该输入功率，产生并输出一全波整流的弦波电流；

换相器，耦接于该调变埠，用以根据开关控制信号和反相开关控制信号，转换该弦波电流成为交流电流，并输出该交流电流至市电，其中该开关控制信号和该反相开关控制信号的频率和该市电的频率相同；及

主动功率解耦电路埠；

其中，当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据第一脉冲宽度调变控制信号，输出该全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据第二脉冲宽度调变控制信号，储存该输入功率与该输出功率的差值；当该输入功率小于该输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出该弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据一第三脉冲宽度调变控制信号，通过该调变埠输出该差值至该换相器。

2.如权利要求1所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该直流电源为一太阳能板。

3.如权利要求2所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该输入埠具有最大功率追踪的功能。

4.如权利要求3所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该输入埠包含：

第一线圈，该第一线圈的第一端耦接于该直流电源的第一端，且该直流电源的第二端耦接于接地端；

激磁电感，该激磁电感的第一端耦接于该直流电源的第一端，该激磁电感的第二端耦接于该第一线圈的第二端；及

第一开关，该第一开关的第一端耦接于该第一线圈的第二端，该第一开关的第二端用以接收控制信号，及该第一开关的第三端耦接于该接地端。

5.如权利要求4所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该调变埠包含：

第二线圈，该第二线圈的第二端耦接于该接地端；

第二开关，该第二开关的第一端耦接于该第二线圈的第一端，该第二开关的第二端用以接收该第一脉冲宽度调变控制信号；

第一二极管，该第一二极管的第一端耦接于该第二开关的第三端；

第二二极管，该第二二极管的第一端耦接于该接地端，该第二二极管的第二端耦接于该第一二极管的第二端；及

第一电感，该第一电感的第一端耦接于该第一二极管的第二端。

6.如权利要求5所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该主动功率解耦电路埠包含：

第三线圈，该第三线圈的第二端耦接于该第一二极管的第二端；

第三开关，该第三开关的第一端耦接于该第三线圈的第一端，该第三开关的第二端用以接收该第二脉冲宽度调变控制信号；

第三二极管，该第三二极管第一端耦接于该第三开关的第三端；

第二电感，该第二电感第一端耦接于该第三二极管的第二端，该第二电感的第二端耦接于该第三线圈的第二端；

第四二极管，该第四二极管第二端耦接于该第三二极管的第二端；

第一电容，该第一电容的第一端耦接于该第二电感的第二端，该第一电容的第二端耦接于该第四二极管的第一端；

第五二极管，该第五二极管第一端耦接于该第四二极管的第一端，该第五二极管的第二端耦接于该第三线圈的第一端；及

第四开关，该第四开关的第一端耦接于该第五二极管的第一端，第四开关的第二端用以接收该第三脉冲宽度调变控制信号，及第四开关的第三端耦接于该接地端。

7.如权利要求6所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该换相器包含：

第二电容，该第二电容的第一端耦接于该第一电感的第二端，及该第二电容的第二端耦接于该接地端；

第五开关，该第五开关的第一端耦接于该第二电容的第一端，该第五开关的第二端用以接收该开关控制信号；

第六开关，该第六开关的第一端耦接于该第二电容的第一端，该第六开关的第二端用以接收该反相开关控制信号，及该第六开关的第三端耦接于该市电的第二端；

第七开关，该第七开关的第一端耦接于该第五开关的第三端，该第七开关的第二端用以接收该反相开关控制信号，及该第七开关的第三端耦接于该接地端；

第八开关，该第八开关的第一端耦接于该第六开关的第三端，该第八开关的第二端用以接收该开关控制信号，及该第八开关的第三端耦接于该接地端；及

第三电感，该第三电感的第一端耦接于该第五开关的第三端，及该第三电感的第二端耦接于该市电的第一端。

8.如权利要求7所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于还包含：

稳压电容，该稳压电容的第一端，耦接于该直流电源的第一端，该稳压电容的第二端耦接于该直流电源的第二端，其中该稳压电容是用以稳定该直流电源所提供的直流电压。

9.如权利要求8所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该第二线圈的感应方向和该第三线圈的感应方向是和该第一线圈的感应方向相同。

10.如权利要求8所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该输入功率等于该直流电压与该直流电源所提供的直流电流的乘积。

11.如权利要求8所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该输出功率等于该交流电流与该市电的电压的乘积。

12.如权利要求8所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该第四开关关闭，该第二开关的开启时间是由该输出功率控制该第一脉冲宽度调变控制信号所决定；该第三开关的开启时间是由该最大功率追踪结果控制该第二脉冲宽度调变控制信号所决定。

13.如权利要求12所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该第二开关和该第三开关开启时，从该输入埠输入的能量被储存至该第一电感与该第二电感。

14.如权利要求12所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该第二开关关闭和该第三开关开启时，该第一电感所储存的能量被输出至该换相器，以及

从该输入埠输入的能量被储存至该第二电感。

15.如权利要求12所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该第二开关开启和该第三开关关闭时，该第二电感所储存的能量通过该第四二极管储存至该第一电容，以及从该输入埠输入的能量被储存至该第一电感。

16.如权利要求12所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该第二开关和该第三开关皆关闭时，该第一电感所储存的能量被输出至该换相器，该第二电感所储存的能量通过该第四二极管储存至该第一电容，以及该激磁电感所储存的能量通过该第五二极管储存至该第一电容。

17.如权利要求13至16中任意一项所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于该第一开关的开启时间是由该第二开关的开启时间和该第三开关的开启时间执行或逻辑运算所决定。

18.如权利要求8所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该输入功率小于该换相器所输出的输出功率时，该第三开关关闭，该第二开关开启，该第一开关的开启时间是由该最大功率追踪结果所决定；该第四开关开启时间是藉由该输入功率与该输出功率的差值控制该第三脉冲宽度调变控制信号所决定。

19.如权利要求18所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该第一开关开启和该第四开关关闭时，从该输入埠输入的能量被储存至该第一电感。

20.如权利要求18所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该第一开关关闭和该第四开关开启时，第一电容所储存的能量通过该第四开关被输出至该换相器，以及被储存至该第一电感。

21.如权利要求18所述的三埠单相单极微换流器，其特征在于当该第一开关和该第四开关皆关闭时，该第一电感所储存的能量被输出至该换相器，以及该激磁电感所储存的能量通过该第五二极管储存至该第一电容。

22.一种三埠单相单极微换流器的操作方法，该三埠单相单极微换流器包含输入埠、调变埠、换相器及主动功率解耦电路，该操作方法包含：

步骤一：该输入埠接收及传输一直流电源的输入功率；及

步骤二：该调变埠根据第一脉冲宽度调变控制信号，该主动功率解耦电路埠根据第二脉冲宽度调变控制信号或第三脉冲宽度调变控制信号，执行相对应的动作。

23.如权利要求22所述的操作方法，其特征在于步骤二进一步包含：

当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出一全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第二脉冲宽度调变控制信号，储存该输入功率与该换相器所输出的输出功率的差值。

24.如权利要求23所述的操作方法，其特征在于当该输入功率大于该换相器所输出的输出功率时，该第一脉冲宽度调变控制信号的使能时间是由该输出功率所决定，以及该第二脉冲宽度调变控制信号的使能时间是由该输入埠的最大功率追踪结果所决定。

25.如权利要求24所述的操作方法，其特征在于

该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出该全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第二脉冲宽度调变控制信号，储存该输入功率与该输出功率的差值包含：

当该第一脉冲宽度调变控制信号和该第二脉冲宽度调变控制信号使能时，从

该输入埠输入的能量被储存至该调变埠与该主动功率解耦电路；

当该第一脉冲宽度调变控制信号去能和该第二脉冲宽度调变控制信号使能时，该调变埠所储存的能量被输出至该换相器，以及从该输入埠输入的能量被储存至该主动功率解耦电路。

当该第一脉冲宽度调变控制信号和该第二脉冲宽度调变控制信号去能时，该调变埠所储存的能量被输出至该换相器，以及该输入埠的激磁电感所储存的能量储存至该主动功率解耦电路。

当该第一脉冲宽度调变控制信号使能和该第二脉冲宽度调变控制信号去能时，从该输入埠输入的能量被储存至该调变埠。

26.如权利要求25所述的操作方法，其特征在于该输入埠的使能时间是由该第一脉冲宽度调变控制信号的使能时间和该第二脉冲宽度调变控制信号的使能时间执行或逻辑运算所决定。

27.如权利要求22所述的操作方法，其特征在于步骤二进一步包含：

当该输入功率小于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出一全波整流的弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第三脉冲宽度调变控制信号，通过该调变埠输出该输入功率与该换相器所输出的输出功率的差值至该换相器。

28.如权利要求27所述的操作方法，其特征在于当该输入功率小于该换相器所输出的输出功率时，该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号使能，该输入埠的使能时间是由该输入埠的最大功率追踪结果所决定，以及该第三脉冲宽度调变控制信号的使能时间是由该输入功率与该换相器所输出的输出功率的差值所决定。

29.如权利要求28所述的操作方法，其特征在于

该调变埠根据该第一脉冲宽度调变控制信号，输出该弦波电流至该换相器，以及该主动功率解耦电路埠根据该第三脉冲宽度调变控制信号，通过该调变埠输出该差值至该换相器包含：

当该输入埠使能和该第三脉冲宽度调变控制信号去能时，从该输入埠输入的能量被储存至该调变埠；

当该输入埠去能和该第三脉冲宽度调变控制信号使能时，该主动功率解耦电路埠所储存的能量被输出至该换相器，以及被储存至该调变埠；及

当该输入埠和该第三脉冲宽度调变控制信号皆去能时，该调变埠所储存的能量被输出至该换相器，以及该输入埠的激磁电感所储存的能量储存至该主动功率解耦电路埠。

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