TWI305080B - Non-isolated dc/ac converter - Google Patents

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1305080 ^________ι 丄片日修賴負丨 . ^ u » Ο.1 . "-h i 九、發明說明： ----- 【發明所屬之技術領域】 本發明係指一種電氣轉換裝置，尤指一種非隔離 型直流/交流轉換裝置。 【先前技術】 請參閱在習知技術中，應用於大範圍輸入電壓的 非隔離型直流/交流轉換裝置的電路架構，如第一圖所 B 示。此直流/交流轉換裝置100包括第一級直流/直流轉 換器102以及第二級直流/交流轉換器104。 第一級直流/直流轉換器102係由直流輸入源 106、電感108、電晶體開關110、二極體112以及電 容114所構成。第一級直流/直流轉換器102係經由電 晶體開關110對直流輸入源106的直流電壓Vdc作脈 波寬度調變（PWM)，以提升輸出至第二級直流/交流轉 換器104的匯流排電壓Vbus，並使其處於一穩定且高 t 壓的狀態。 . 第二級直流/交流轉換器104係由四個電晶體開 關116〜122、電感124以及電容126所構成。第二級 " 直流/交流轉換器104係連接於第一級直流/直流轉換 •器102以接收匯流排電壓Vbus，再藉由電晶體開關 116〜122的切換以及電感124與電容126所組成濾波 ' 器的濾波作用轉換匯流排電壓Vbus而輸出一交流電 •壓Vo至負載端。 在這種習用的非隔離型直流/交流轉換裝置的使 1305080

；/i ι--1 Η<ι·-ϊ|'ί# ί I —發-7*.ί..........」 用上，必須將輸入的直流源經由第一級的直流/直流轉 換器升壓至最大值並作穩壓，然後傳輸至第二級的直 流/交流轉換器將所接收的直流電源轉換成為交流電 源，以供應負載所需之交流源。 綜上所述，這種傳統的大範圍輸入電壓的直流/ 交流轉換裝置在使用上具有以下缺點： 1. 不論輸出端所需之交流源是高電壓還是低電 壓，在第一級的直流/直流轉換器中都必須將輸入直流 源推升至大於輸出電壓峰值的最高電壓值；如此一 來，第二級直流/交流轉換器内的開關元件就必須在高 壓下切換操作，此舉會產生能量的損耗。 2. 由於第一級的直流/直流轉換器必須持續將輸 入直流源維持在大於輸出電壓峰值的最高電壓值，因 此其内的開關元件亦必須持續地進行切換操作，這也 會產生能量的損耗。 3. 由於需要採用極大的儲能電容（如第一圖的電 容114)，因此會提高生產成本，不符合經濟原則。 職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺 失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神， 終構思出本案「直流/交流轉換裝置」，以下為本案之 簡要說明。 【發明内容】 本案之目的為提出一種非隔離型直流/交流轉換 裝置，用以將一直流輸入源轉換為一交流輸出源，可 1305080 97..8..1,.4 以有效地減少切換損耗，並省略了使用大儲能電容的 必要，以減少成本並提高轉換效率。 本案之構想為提出一種非隔離型直流/交流轉換 裝置，係由直流/直流轉換模組及直流/交流轉換模組所 構成。直流/直流轉換模組包括轉移電路及升壓電路， 轉移電路接收由直流輸入源所得之輸入電壓並輸出輸 入電壓，升壓電路於轉移電路所輸出之輸入電壓不足 交流輸出源所需時進行運作，以提升直流/直流轉換模 組所輸出之電壓。直流/交流轉換模組不使用變壓器以 接收由該直流/直流轉換模組所輸出之電壓，並轉換所 接收之電壓為所要輸出之該交流輸出源。 本案所提出之非隔離型直流/交流轉換裝置更具 有一迴授模組，係根據直流/交流轉換模組的輸出與一 預設值的差異，決定升壓電路所需提供之電壓值。 本案因採用轉移電路，所以當輸入直流電壓足以 供應輸出的交流源時，升壓電路保持不動作，此時輸 入的直流電壓經由轉移電路傳輸至直流/交流轉換模 組。而當輸入直流電壓不足以供應輸出的交流源時， 升壓電路則開始動作，將輸入直流電壓調整成剛好符 合輸出所需之電壓，以有效減少直流/交流轉換模組在 切換時的損耗，並省略了使用大儲能電容的必要，以 減少成本並提高轉換效率。 本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得更深入之 了解: 1305080 【實施方式】 97* 8,14 請參閱第二圖，其為本案非隔離型直流/交流轉換 裝置一實施例之電路圖。其中，非隔離型直流/交流轉 換裝置200包括直流/直流轉換模組202、直流/交流轉 換模組204以及迴授模組210。 本實施例的直流/直流轉換模組202係包括轉移 電路208以及升壓電路206。 升壓電路206係由電感216、二極體212、電晶 體開關218以及電容220所構成。電感216的一端係 耦接至直流輸入源236的正端，另一端耦接至二極體 212的一端。電晶體開關218的一端係耦接至電感216 與二極體212之間，另一端則耦接至電容220與直流 輸入源236的負端之間。電容220係耦接在二極體212 的另一端與直流輸入源236的負端之間。 轉移電路208係由二極體214所構成，二極體214 的一端係耦接至直流輸入源236的正端，另一端則耦 接至電容220的一端。 此外，本實施例的直流/交流轉換模組204係包括 電晶體開關222、224、226和228以及由電感230和 電容2 3 2所構成的滤·波為'。 在直流/交流轉換模組204中，電晶體開關222和 224的其中一端係彼此耦接後連接至濾波器的一端（電 感230的一端），電晶體開關222和224的另一端係分 別耦接至升壓電路206的兩輸出端。而電晶體開關226 和228的其中一端係彼此耦接後連接至濾波器的另一 1305080 級幣雜頁 端（電容232的一端），電晶體開關226和228的另一 端亦分別耦接至升壓電路206的兩輸出端。 由直流/直流轉換模組202及直流/交流轉換模組 204所構成之非隔離型直流/交流轉換裝置200的運作 方式如下： 當經由轉移電路208傳輸足以供應輸出端所需的 電壓時，電晶體開關218保持關閉，使得升壓電路206 不動作，因此直流輸出源236會直接經由轉移電路208 的二極體214作為輸出電源輸出至直流/交流轉換模組 204,接著直流/交流轉換模組204中的電晶體開關 222、224、226和228即進行脈波寬度調變的切換以 實施直流/交流的轉換，再經由電感230及電容232的 濾波作用後，轉換成輸出至負載234所需的交流輸出 源。 第三圖（a)為轉移電路傳輸足以供應輸出端所需 最高絕對電壓時，交流輸出源Vo及直流/直流轉換模 組輸出端電壓Vbus的時序圖；由圖形可更加明瞭上述 之控制方法。 另一方面，當經由轉移電路208所輸出的直流電 壓經由轉換後不足以供應輸出端所需的電壓時，電晶 體開關218即進行脈波寬度調變的切換，使得升壓電 路206將直流輸入源236的直流電源提升至輸出所需 的電壓值，接著直流/交流轉換模組204中的電晶體開 關222、224、226和228即依正負半週不同保持導通 或關閉，轉換成輸出至負載234所需的交流輸出源。 1305080 年:二月0曰修奂替換頁 gfcp · . II .1' I· -. II ' 關於直流/交流轉換模組204中電晶體開關222、 224、226和228所進行的脈波寬度調變切換：當輸出 的交流電壓為正半週且升壓電路206開始工作時，電 晶體222和226會保持導通，而電晶體224和228則 保持關閉；相反地，當輸出的交流電壓為負半週且升 壓電路206開始工作時，電晶體224和228會保持導 通，而電晶體222和226則保持關閉。 第三圖（b)為轉移電路傳輸不足以供應輸出端所 需電壓時，交流輸出源Vo及直流/直流轉換模組輸出 端電壓Vbus的時序圖；由圖形可更加明瞭上述之控制 方法。 根據上述之控制方法可以了解，本案之非隔離型 直流/交流轉換裝置相較於習用技術的優點如下： 1. 基於輸出端所需之交流源是高電壓還是低電 壓而決定第二級直流/交流轉換模組的動作，使得直流 /交流轉換模組的電晶體開關（實施例中的電晶體開關 222〜228)不必一直在高壓下進行切換操作，大幅減少 能量的損耗。 2. 基於輸出端所需之交流源是高電壓還是低電 壓而決定第一級直流/直流轉換模組的動作，使得直流 /交流轉換模組的電晶體開關（實施例中的電晶體開關 218)無須持續進行切換操作，同樣降低了能量的損耗。 3. 由於整個電路架構及控制方法的不同，因此本 案所採用之電容（實施例中的電容220)的電容值與習 用技術的相比極小，可以有效降低生產成本，符合經 11 1305080 • 濟原則。 前述為本案非隔離型直流/交流轉換裝置的主要 電路及控制方式的敘述，以下則介紹欲達成本案控制 方式的迴授電路。必須特別聲明的是，本案之上位概 念及技術特徵皆在於前述之主要電路，至於迴授電路 則有眾多種設計方式，此處僅針對一種作控制方法的 解釋；不同的迴授電路架構無法迴避本案之最大申請 專利範圍所欲保護者。 請參閱第四圖，其為本案非隔離型直流/交流轉換 裝置之迴授模組一實施例的電路方塊圖，本實施例的 迴授模組210係由第一控制器302及第二控制器304 所構成。 第一控制器302包括誤差補償器310以及脈波寬 度調變波產生器316。其中，誤差補償器310係比較 直流/交流轉換模組204的迴授信號306與參考信號 308,並且輸出誤差補償信號312至脈波寬度調變波產 生器316的輸入端，而脈波寬度調變波產生器316則 接收三角波314與誤差補償信號312。 第二控制器304包括第一絕對值控制器318、第 二絕對值控制器320、峰值保持器322、減法器324以 及比較器330。其中，第一絕對值控制器318係接收 誤差補償信號312以輸出一第一絕對值信號，第二絕 對值控制器係接收三角波314以輸出一第二絕對值信 號，峰值保持器則接收該第二絕對值信號並保持該第 二絕對值信號之峰值，減法器係比較該第一絕對值信 12 1305080 號與該峰值保持器之輸出以輸出減法結果％68,1匕4較 器330則將減法結果326與鋸齒波328進行比較。 在本實施例中，當輸入的直流電壓足以供應輸出 所需之電壓時，升壓電路中的電晶體開關218係根據 迴授模組210中的第二控制器304所迴授的信號而保 持關閉，此時輸入的直流電壓源經由轉移電路208傳 輸至直流/交流轉換模組204中，並且經由迴授模組210 中之第一控制器302的誤差補償器310比較直流/交流 轉換模組204所迴授的電流或電壓信號306與參考信 號308後，輸出誤差補償信號312至脈波寬度調變波 產生器316的輸入端，接著脈波寬度調變波產生器316 則根據所接收的三角波314與誤差補償信號312而產 生輸出波以控制直流/交流轉換模組204中的電晶體開 關222〜228作脈波寬度調變。 另一方面，當輸入的直流電壓不足以供應輸出所 需之電壓時，係經由迴授模組210中之第一控制器302 的誤差補償器310比較直流/交流轉換模組204所迴授 的電流或電壓信號306與參考信號308後，輸出誤差 補償信號312至脈波寬度調變波產生器316的輸入 端，接著脈波寬度調變波產生器316則根據所接收的 三角波314與誤差補償信號312而產生輸出波將直流/ 交流轉換模組204中的電晶體開關222〜228控制在導 通或關閉。 而在第二控制器304中，第一絕對值控制器318 則接收誤差補償信號312以輸出第一絕對值信號，第 13 1305080 二絕對值控制器接收三角波314以輸出第 2顧言 號，藉由減法器比較第一絕對值信號與峰值保持器所 保持之第二絕對值信號的輸出，而輸出減法結果326 至比較器330，最後，比較器330係根據減法結果326 與鋸齒波328控制直流/直流轉換模組202中的電晶體 開關218作脈波寬度調變，將輸入之直流電壓調整成 符合輸出端所需之交流源。 附帶一提的是，由於應用場合的不同，本案可為 電壓源或電流源輸出。 第五圖為本案非隔離型直流/交流轉換裝置之迴 授模組上各點的電壓時序圖，由上至下依序為誤差補 償信號312(Vcmdl)、電晶體222及226、電晶體224 及 228、鑛齒波 328(Vsaw)、減法結果 326(Vcmd2)、 電晶體218的電壓時序圖；由圖形可更加明暸上述之 控制方法。 綜上所述，本案所提非隔離型直流/交流轉換裝置 可以有效地減少切換損耗，並省略了使用大儲能電容 的必要，達到減少成本及提高轉換效率的目的。 本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般 修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第一圖：習用技術中一種應用於大範圍輸入電壓 之非隔離型直流/交流轉換裝置的電路圖； 第二圖：本案非隔離型直流/交流轉換裝置一實 14 1305080 施例之電路圖；

第一圖（a)、（b):分別為轉移電路傳輸足以及不足 以供應輸㈣所需最高絕對電壓時，交流輪 流/直，轉換模组輸出端電壓的時序圖； 、 ^第四圖：本案非隔離型直流/交流轉換骏置之迴 授模組一實施例的電路方塊圖；以及 第五圖：本案非隔離型直流/交流轉換裝置之迴 授模組上各點的電壓時序圖。 【主要元件符號說明】 100直流/交流轉換裝置 102直流/直流轉換器 104直流/交流轉換器 106直流輸入源 1 電感 # 110電晶體開關 112二極體 114電容 ' 116電晶體開關 .' 118電晶體開關 120電晶體開關 ·' 122電晶體開關 - 124電感 126電容 15 1305080 r 一— fr替換頁 200非隔離型直流/交流轉換裝置 202直流/直流轉換模組 204直流/交流轉換模組 206升壓電路 208轉移電路 210迴授模組 212二極體 214二極體 216電感 218電晶體開關 220電容 222電晶體開關 224電晶體開關 226電晶體開關 228電晶體開關 230電感 232電容 234負載 236直流輸入源 302第一控制器 304第二控制器 306迴授信號 308參考信號 310誤差補償器 312誤差補償信號 16 1305080

314三角波

316脈波寬度調變波產生器 318第一絕對值控制器 320第二絕對值控制器 322峰值保持器 324減法器 326減法結果 328鋸齒波 330比較器

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Claims (1)

1305080 、申請專利範圍： 於·々.U 1.-種非隔離型直流/交流轉換裝置，用以將—直流輸 入源轉換成一父流輸出源，該直流/交流轉換裝置包括： 一直流/直流轉換模組，包括： . 一轉移電路，接收由該直流輸入源所得之一輸 入電壓並輸出該輸入電壓；以及 -升壓電路’於該轉移轉所輸出之該輸入電 壓不足該交流輸itj源所需時進行運作，以提升該直流/ 直流轉換模組所輸出之電壓；以及 、-直流/交流轉換H不使用變㈣以接收由該 直流/直流轉換模組所輸出之電壓，並轉換所接收之電 壓為所要輸出之該交流輸出源。 圍第1項之非隔離型直流/交流轉換裝 置，其中該轉移電路包括： -：-開關’該第一開關之一端電性耦接至該直 之一端’該第-開關之另-端電性輕接至一 7第ΐΐ—4，該直流輸人社另—端電性搞接至 该第一電容之另一端。 w 4置^=:=#__交流轉換裝 流輸：— 電:;’該第一電感之-端電性辆接至該直 一第二開關’該第二開關之-端電性輕接至該第 18 1305080 一電感之另一端； 97.8·14 一第一電容’該第—電容f性減至該第二門M 的另一端與該直流輸人源㈣—端之間；以及^關 一第三開關’該第三開關之―端電軸接於 —電感與該第二開關之間，診第二 …第 ::於該第-電容的另-端與該直:輸入源的 6·如申請專利範圍第4項 置，其中該第三開關係為一=型直流/交流轉換裝 7=範圍第1項之非:離型直流/交流轉換f 置，其中該直流/交流轉換模組包括： 锝換裝 一濾波器； 一第四開關盘—箆：^卩 開關其中一端相電性•接該第四開關與該第五 端，且該第四開關與該第 ^接至該滤波器之一 接至該升壓電路的兩輸出端；^及之另—端分別電性輕 第六開關與一第七聞關斗咕 開關其中-端相電性輕接六，該第七 -端，且該第六開關it性耦接至該濾波器之另 麵接至該升壓電路的兩輪出端關之另—端分別電性 8.如申請專利範圍第7 置，其中該滤波器包括：非隔離型直流/交流轉換褒 第-電感’該第二電感之-端電性麵接至該第 19 9·如申請專利範圍第7項之非隔離型直流/交流轉 置，其中該第四、第五、第六及第七開關分別為一電

.1305080 四開關與該第五開關相電性耦接之一端；以及 一第二電容，該第二電容之一端電性耦接至該第 二電感之另一端，該第二電容之另一端電性耦接至該 第/、開關與該第七開關相電性耦接之一端。 10.如申請專利範圍第7項之非隔離型直流/交流轉換 裝置’更包括： 一迴授模組，根據該直流/交流轉換模組的輸出與 -預設值的差異，決定該升壓f路所需提供之電壓值 11.如申請專利範圍第H)項之非隔離型直流/交流轉換 裝置，其中該迴授模組包括： 、 -誤差補償II ’比較該直流/交流轉換模組的 與该預设值，以輸出一誤差補償信號；以及 一脈波寬度調變波產生器，根據該誤差補 與一三角波以控制該第四、第五、第丄 σ; 動作。 弟五“及“開關之 12.如申請專利範圍第η項之非隔離型直流 裝置，其中該迴授模組更包括： /交流轉換 一第一絕對值控制器 出一第一絕對值信號； 一第二絕對值控制器 二絕對值信號； 接收該誤差補償信號以輸 ，接收該三角波以輪出一第 一峰值保持器，接收該第 二絕對值信號，並保持 20 1305080

該第二絕對值信號之峰值； β“ … 一減法器，比較該第一絕對值信號與該峰值保持 器之輸出，以輸出一減法結果；以及 一比較器，比較該減法結果與一雜齒波，以控制 該升壓電路之動作。 21 1305080 97^ i. it 正替換頁 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第二圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 200非隔離型直流/交流轉換裝置 202直流/直流轉換模組 204直流/交流轉換模組 206升壓電路 208轉移電路 210迴授模組 212二極體 214二極體 216電感 218電晶體開關 220電容 222電晶體開關 224電晶體開關 226電晶體開關 I 228電晶體開關 230電感 .. 232電容 234負載 236直流輸入源 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵 的化學式：