TWI454031B - 三埠單相單極微換流器及其操作方法 - Google Patents

Description

三埠單相單極微換流器及其操作方法

本發明是有關於一種三埠單相單極微換流器及其操作方法，尤指一種具有較小體積、較長壽命及較高可靠度等優點的三埠單相單極微換流器及其操作方法。

一般而言，微換流器的輸入埠必須具有最大功率追蹤(maximum power point tracking,MPPT)的功能以汲取太陽能板的最大功率(maximum power point,MPP)。微換流器的輸入埠將太陽能板能量吸收後，微換流器的調變埠會輸出全波整流的弦波電流。然後，低頻切換的換相器轉換全波整流的弦波電流成為交流電流，並傳送至市電。在先前技術中，微換流器是利用一高容值電解電容以平衡太陽能板的輸入功率及換相器的輸出功率。亦即當太陽能板的輸入功率大於換相器的輸出功率時，高容值電解電容吸收太陽能板的輸入功率和換相器的輸出功率的差值；當太陽能板的輸入功率小於換相器的輸出功率時，高容值電解電容透過換相器釋出差值至市電。但是高容值電解電容具有較大體積、較短壽命及較低可靠度等缺點。

本發明的一實施例提供一種三埠單相單極微換流器。該三埠單相單極微換流器包含一輸入埠、一調變埠、一換相器及一主動功率 解耦電路(Active Power Decoupling Circuit,APDC)。該輸入埠是用以耦接於一直流電源，並接收及傳遞該直流電源的輸入功率；該調變埠是用以磁耦合該輸入埠，並根據該輸入功率，產生並輸出一全波整流的弦波電流；該換相器是耦接於該調變埠，用以根據一開關控制訊號和一反相開關控制訊號，轉換該弦波電流成為一交流電流，並輸出該交流電流至一市電，其中該開關控制訊號和該反相開關控制訊號的頻率和該市電的頻率相同；當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率時，該調變埠根據一第一脈衝寬度調變控制訊號，輸出該全波整流的弦波電流至該換相器，以及該主動功率解耦電路埠根據一第二脈衝寬度調變控制訊號，儲存該輸入功率與該輸出功率的差值；當該輸入功率小於該輸出功率時，該調變埠根據該第一脈衝寬度調變控制訊號，輸出該弦波電流至該換相器，以及該主動功率解耦電路埠根據一第三脈衝寬度調變控制訊號，透過該調變埠輸出該差值至該換相器。

本發明的另一實施例提供一種三埠單相單極微換流器的操作方法，該三埠單相單極微換流器包含一輸入埠、一調變埠、一換相相器及一主動功率解耦電路。該操作方法包含該輸入埠接收及傳遞一直流電源的輸入功率；該調變埠根據一第一脈衝寬度調變控制訊號，及該主動功率解耦電路埠根據一第二脈衝寬度調變控制訊號或一第三脈衝寬度調變控制訊號，執行相對應的動作。

本發明提供一種三埠單相單極微換流器及其操作方法。該三埠 單相單極微換流器及該操作方法是利用一調變埠根據一第一脈衝寬度調變控制訊號，和一主動功率解耦電路根據一第二脈衝寬度調變控制訊號或依第三脈衝寬度調變控制訊號，執行相對應的動作。如此，當一輸入功率大於一輸出功率時，該三埠單相單極微換流器可儲存該輸入功率和該輸出功率的差值；當該輸入功率小於該輸出功率時，該三埠單相單極微換流器可釋放該輸入功率和該輸出功率的差值至一市電。相較於先前技術，此主動功率解耦合電路可取代高容值、體積大的電解電容。因此，本發明具有較小體積、較長壽命及較高可靠度等優點。

請參照第1圖，第1圖是為本發明的一實施例說明一種三埠單相單極微換流器100的示意圖。三埠單相單極微換流器100包含一輸入埠102、一調變埠104、一換相器106及一主動功率解耦電路(Active Power Decoupling Circuit,APDC)108。輸入埠102是用以耦接於一直流電源110，並接收及傳遞直流電源110的輸入功率PDC，其中直流電源是可為一太陽能板，且輸入埠102具有一最大功率追蹤(maximum power point tracking)的功能。但本發明並不受限於直流電源是可為太陽能板。調變埠104是用以磁耦合輸入埠102，並根據直流電源110的輸入功率PDC，產生並輸出一全波整流的弦波電流。換相器106是耦接於調變埠104，用以根據一開關控制訊號SCS和一反相開關控制訊號，轉換該弦波電流成為一交流電流IAC，並輸出交流電流IAC至一市電AC，其中開關控制訊號SCS和反相 開關控制訊號的頻率和市電AC的頻率相同；當直流電源110的輸入功率PDC大於換相器106所輸出的輸出功率PAC時，調變埠104根據一第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM，輸出全波整流的弦波電流至換相器106，以及主動功率解耦電路108根據一第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM，儲存直流電源110的輸入功率PDC與換相器106輸出的輸出功率PAC的差值；當直流電源110的輸入功率PDC小於換相器106所輸出的輸出功率PAC時，調變埠104根據第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM，輸出弦波電流至換相器106，以及主動功率解耦電路108根據一第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM，透過調變埠104輸出直流電源110的輸入功率PDC與換相器106輸出的輸出功率PAC的差值至換相器106。

如第1圖所示，輸入埠102包含一第一線圈1022、一激磁電感1024及一第一開關1026。第一線圈1022具有一第一端，耦接於直流電源110的第一端，及一第二端，其中直流電源110的第二端是耦接於一地端GND；激磁電感1024具有一第一端，耦接於直流電源110的第一端，及一第二端，耦接於第一線圈1022的第二端；第一開關1026具有一第一端，耦接於第一線圈1022的第二端，一第二端，用以接收一控制訊號CS，及一第三端，耦接於地端GND。

如第1圖所示，調變埠104包含一第二線圈1042、一第二開關1044、一第一二極體1046、一第二二極體1048及一第一電感1050。第二線圈1042具有一第一端，及一第二端，耦接於地端GND；第 二開關1044具有一第一端，耦接於第二線圈1042的第一端，一第二端，用以接收第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM，及一第三端；第一二極體1046具有一第一端，耦接於第二開關1044的第三端，及一第二端；第二二極體1048具有一第一端，耦接於地端GND，及一第二端，耦接於第一二極體1046的第二端；第一電感1050具有一第一端，耦接於第一二極體1046的第二端，及一第二端。

如第1圖所示，主動功率解耦電路108包含一第三線圈1082、一第三開關1084、一第三二極體1086、一第二電感1088、一第四二極體1090、一第一電容1092、一第五二極體1094及一第四開關1096。第三線圈1082具有一第一端，及一第二端，耦接於第一二極體1046的第二端；第三開關1084具有一第一端，耦接於第三線圈1082的第一端，一第二端，用以接收第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM，及一第三端；第三二極體1086具有一第一端，耦接於第三開關1084的第三端，及一第二端；第二電感1088具有一第一端，耦接於第三二極體1086的第二端，及一第二端，耦接於第三線圈1082的第二端；第四二極體1090具有一第一端，及一第二端，耦接於第三二極體1086的第二端；第一電容1092具有一第一端，耦接於第二電感1088的第二端，及一第二端，耦接於第四二極體1090的第一端；第五二極體1094具有一第一端，耦接於第四二極體1090的第一端，及一第二端，耦接於第三線圈1082的第一端；第四開關1096具有一第一端，耦接於第五二極體1094的第一端，一第二端，用以接收第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM，及一第三端，耦接於 地端GND。

如第1圖所示，換相器106包含一第二電容1062、一第五開關1064、一第六開關1066、一第七開關1068、一第八開關1070及一第三電感1072。第二電容1062具有一第一端，耦接於第一電感1050的第二端，及一第二端，耦接於地端GND；第五開關1064具有一第一端，耦接於第二電容1062的第一端，一第二端，用以接收開關控制訊號SCS，及一第三端；第六開關1066具有一第一端，耦接於第二電容1062的第一端，一第二端，用以接收反相開關控制訊號，及一第三端，耦接於市電AC的第二端；第七開關1068具有一第一端，耦接於第五開關1064的第三端，一第二端，用以接收反相開關控制訊號，及一第三端，耦接於地端GND；第八開關1070具有一第一端，耦接於第六開關1066的第三端，一第二端，用以接收開關控制訊號SCS，及一第三端，耦接於地端GND；第三電感1072具有一第一端，耦接於第五開關1064的第三端，及一第二端，耦接於市電AC的第一端。因為開關控制訊號SCS和反相開關控制訊號的頻率和市電AC的頻率相同，所以當市電AC是為一正半週期時，第五開關1064和第八開關1070開啟，以及第六開關1066和第七開關1068關閉；當市電AC是為一負半週期時，第五開關1064和第八開關1070關閉，以及第六開關1066和第七開關1068開啟。另外，第三電感1072可濾掉第一電感1050上的高頻電流成分。

另外，如第1圖所示，三埠單相單極微換流器100另包含一穩壓電容112。穩壓電容112具有一第一端，耦接於直流電源110的第一端，及一第二端，耦接於直流電源110的第二端，其中穩壓電容112是用以穩定直流電源110所提供的一直流電壓VDC。

如第1圖所示，第二線圈1042的感應方向和第三線圈1082的感應方向是和第一線圈1022的感應方向相同。另外，直流電源110的輸入功率PDC是等於直流電壓VDC與直流電源110所提供的一直流電流IDC的乘積，以及換相器106輸出的輸出功率PAC是等於交流電流IAC與市電AC的交流電壓VAC的乘積。

請參照第2圖至第9圖，第2圖是為說明輸入功率PDC、輸出功率PAC、交流電流IAC與交流電壓VAC的示意圖，第3圖至第6圖是為說明三埠單相單極微換流器100在狀態I的示意圖，以及第7圖至第9圖是為說明三埠單相單極微換流器100在狀態II的示意圖。如第2圖所示，狀態I是輸入功率PDC大於輸出功率PAC，以及狀態II是輸入功率PDC小於輸出功率PAC。基本上三埠單相單極微換流器100可操作在固定切換頻率，且可操作在電流不連續導通模式(discrete current mode,DCM)及電流連續導通模式(continuous current mode,CCM)，其中第3圖至第9圖是以電流不連續導通模式做說明。

在狀態I中，輸入功率PDC可分為A區功率和C區功率，其中 C區功率是等於輸出功率PAC，而A區功率是為輸入功率PDC與輸出功率PAC的差值。因此，C區功率是通過第一開關1026、第二開關1044、第一二極體1046、第二二極體1048、第一電感1050、第二電容1062及換相器106傳送至市電AC。而A區功率則通過第三開關1084、第三二極體1086及第二電感1088儲存至第一電容1092。另外，在狀態I中，儲存至激磁電感1024的能量可以通過第五二極體1094回收至第一電容1092，避免第一線圈1022飽和。在狀態I中，因為輸入功率PDC大於輸出功率PAC，所以第四開關1096總是關閉，亦即主動功率解耦電路108是用以儲存輸入功率PDC與輸出功率PAC的差值(A區功率)。

另外，第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM、第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM和第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM是為頻率相同的高頻調變訊號(例如20KHz的調變訊號)。在狀態I中，三埠單相單極微換流器100在上述脈衝寬度調變控制訊號的一個切換週期裡可分成三個操作模式(模式I1、模式I2和模式I3)，分別如第3圖至第6圖所示。

如第2圖和第3圖所示，在模式I1中，第二開關1044及第三開關1084同時開啟(ON)，其中第二開關1044的開啟時間是由輸出功率PAC控制第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM所決定(亦即第二開關1044的工作周期(duty cycle)是由輸出功率PAC決定)，並將對應於C區功率的能量儲存至第一電感1050。另外，為了維持直流電 源110輸出最大功率，主動功率解耦電路108的第三開關1084的開啟時間是由輸入埠102的最大功率追蹤控制第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM所決定(亦即第三開關1084的的工作周期是由輸入埠102的最大功率追蹤決定)，並將對應於A區功率的能量儲存至第二電感1088。另外，第一開關1026的開啟時間是由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行一或(OR)邏輯運算所決定，且當第一開關1026開啟時，激磁電感1024亦會儲存輸入功率PDC的部分。

模式I2可分成二種子模式(子模式I2A和子模式I2B)。如第2圖和第4圖所示，在子模式I2A中，當上述脈衝寬度調變訊號的切換週期靠近交流電壓VAC的零交越點時，輸出功率PAC較低，所以第二開關1044關閉和第三開關1084開啟。此時，第一電感1050上所儲存的能量通過換相器106輸出至市電AC。因為第三開關1084開啟，所以對應於A區功率的能量繼續儲存至第二電感1088。和模式I1相同，第一開關1026的開啟時間是由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行或邏輯運算所決定。

如第2圖和第5圖所示，在子模式I2B中，當上述脈衝寬度調變訊號的切換週期靠近交流電壓VAC有效值(第2圖中的E點)時，輸出功率PAC較高，所以第二開關1044開啟和第三開關1084關閉。此時，第二電感1088上所儲存的能量通過第四二極體1090儲存至第一電容1092。和模式I1相同，第一開關1026的開啟時間是 由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行或邏輯運算所決定。

如第2圖和第6圖所示，在模式I3中，第二開關1044及第三開關1084同時關閉，以及第一開關1026亦關閉。因為第二開關1044及第三開關1084同時關閉，所以第二電感1088上所儲存的能量通過第四二極體1090儲存至第一電容1092，以及第一電感1050所儲存的能量釋放至市電AC。另外，因為第一開關1026關閉，所以激磁電感1024所儲存的能量可通過第五二極體1094儲存至第一電容1092。和模式I1相同，第一開關1026的開啟時間是由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行或邏輯運算所決定。

在狀態II中，輸出功率PAC可分為B區功率和D區功率，其中D區功率是等於輸入功率PDC，而B區功率是為輸出功率PAC與輸入功率PDC的差值。因此，在狀態II中，D區功率(亦即直流電源110的最大功率)通過第一開關1026、第二開關1044、第一二極體1046、第二二極體1048電感、第一電感1050、第二電容1062及換相器106傳送至市電AC，且B區功率是從狀態I儲存在第一電容1092的能量，通過第四開關1096、第二二極體1048和第一電感1050所提供。在狀態II中，因為輸出功率PAC大於輸入功率PDC，所以第三開關1084總是關閉以及第二開關1044總是開啟，亦即在狀態II中，主動功率解耦電路108是用以釋放在狀態I所儲存的輸入功率PDC與輸出功率PAC的差值(A區功率)。另外，在狀 態II中，儲存至激磁電感1024的能量亦可通過第五二極體1094回收至第一電容1092。在狀態II中，三埠單相單極微換流器100在上述脈衝寬度調變控制訊號的一個切換週期裡亦可分成三個操作模式(模式II1、模式II2和模式II3)，分別如第7圖至第9圖所示。

如第2圖和第7圖所示，在模式II1中，第一開關1026開啟，且第一開關1026的開啟時間是由輸入埠102的最大功率追蹤所決定。因為第一開關1026開啟，所以對應於輸入功率PDC的能量被儲存至第一電感1050。

如第2圖和第8圖所示，在模式II2中，當第一開關1026關閉後，由於換相器106還需要輸出輸出功率PAC(亦即B區功率)至市電AC，所以B區功率將由第一電容1092在狀態I所儲存的能量通過第四開關1096提供，並儲存B區功率至第一電感1050。而激磁電感1024所儲存的能量透過第五二極體1094儲存至第一電容1092。第四開關1096的開啟時間是藉由輸入功率PDC與輸出功率PAC的差值(亦即B區功率)控制第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM所決定。

如第2圖和第9圖所示，在模式II3中，當第一開關1026和第四開關1096皆關閉時，第一電感1050所儲存的能量被輸出至換相器106，以及激磁電感1024所儲存的能量透過第五二極體1094儲存至第一電容1092。

請參照第1圖、第2圖、第3圖、第4圖、第5圖、第6圖、第7圖、第8圖、第9圖和第10圖，第10圖係為本發明的另一實施例說明一種三埠單相單極微換流器的操作方法之流程圖。第10圖之方法係利用第1圖的三埠單相單極微換流器100說明，詳細步驟如下：步驟1000：開始；步驟1002：輸入埠102接收及傳遞直流電源110的輸入功率PDC；步驟1004：輸入功率PDC是否大於換相器106所輸出的輸出功率PAC；如果是，進行步驟1006；如果否，進行步驟1016；步驟1006：從輸入埠102輸入的能量被儲存至調變埠104與主動功率解耦電路108；步驟1008：脈衝寬度調變訊號的切換週期是否靠近交流電壓VAC的零交越點；如果是，進行步驟1010；如果否，進行步驟1012；步驟1010：調變埠104所儲存的能量被輸出至換相器106，以及從輸入埠102輸入的能量被儲存至主動功率解耦電路108，跳至步驟1014；步驟1012：從輸入埠102輸入的能量被儲存至調變埠104，進行步驟1014； 步驟1014：調變埠104所儲存的能量被輸出至換相器106，以及輸入埠102的激磁電感1024所儲存的能量儲存至主動功率解耦電路108，跳回步驟1004；步驟1016：從輸入埠102輸入的能量被儲存至調變埠104；步驟1018：主動功率解耦電路108所儲存的能量被輸出至換相器106，以及被儲存至調變埠104；步驟1020：調變埠104所儲存的能量被輸出至換相器106，以及輸入埠102的激磁電感1024所儲存的能量儲存至主動功率解耦電路108，跳回步驟1004。

在步驟1002中，輸入埠102是用以接收及傳遞直流電源110的輸入功率PDC，其中直流電源是可為一太陽能板，且輸入埠102具有最大功率追蹤的功能。在步驟1006(模式I1)中，如第2圖和第3圖所示，當第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM和第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM致能(亦即第二開關1044及第三開關1084同時開啟)時，從輸入埠102輸入的能量(亦即輸入功率PDC)被儲存至調變埠104與主動功率解耦電路108，其中第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM的致能時間是由輸出功率PAC所決定。因此，調變埠104可根據第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM，輸出一全波整流的弦波電流至換相器106，以及主動功率解耦電路108根據第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM，儲存輸入功率PDC與輸出功率PAC的差值(A區功率)。另外，為了維持直流電源110輸出最大功率，第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM的致能時間是由輸入埠102的最大功率 追蹤所決定。另外，第一開關1026的開啟時間是由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行一或邏輯運算所決定，且當第一開關1026開啟時，激磁電感1024亦會儲存輸入功率PDC的部分。在步驟1010(子模式I2A)中，如第2圖和第4圖所示，當上述脈衝寬度調變訊號(FPWM、SPWM和TPWM)的切換週期靠近交流電壓VAC的零交越點時，輸出功率PAC較低，所以第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM去能和第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM致能(亦即第二開關1044關閉和第三開關1084開啟)。此時，調變埠104所儲存的能量(第一電感1050上所儲存的能量)通過全波整流的弦波電流輸出至換相器106；因為第三開關1084開啟，所以從輸入埠102輸入的能量繼續儲存至主動功率解耦電路108內的第二電感1088。另外，和模式I1相同，第一開關1026的開啟時間是由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行或邏輯運算所決定。在步驟1012(子模式I2B)中，如第2圖和第5圖所示，當上述脈衝寬度調變訊號的切換週期靠近交流電壓VAC有效值(第2圖中的E點)時，輸出功率PAC較高，所以第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM致能和第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM去能(亦即第二開關1044開啟和第三開關1084關閉)。此時，第二電感1088上所儲存的能量通過第四二極體1090儲存至第一電容1092，以及從輸入埠102輸入的能量(亦即輸入功率PDC)被儲存至調變埠104內的第一電感1050。和模式I1相同，第一開關1026的開啟時間是由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行或邏輯運算所決定。在步驟1014(子模式I3)中，如第2圖和第6圖所示， 當第一脈衝寬度調變控制訊號FPWM和第二脈衝寬度調變控制訊號SPWM去能(亦即第二開關1044和第三開關1084皆關閉)，以及第一開關1026亦關閉時，因為第二開關1044及第三開關1084同時關閉，所以調變埠104(第一電感1050)所儲存的能量釋放至換相器106，以及第二電感1088上所儲存的能量通過第四二極體1090儲存至第一電容1092。另外，因為第一開關1026關閉，所以激磁電感1024所儲存的能量可通過第五二極體1094儲存至主動功率解耦電路108(第一電容1092)。和模式I1相同，第一開關1026的開啟時間是由第二開關1044的開啟時間和第三開關1084的開啟時間執行或邏輯運算所決定。在步驟1016(子模式II1)中，如第2圖和第7圖所示，當輸入埠102致能和第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM去能(亦即第一開關1026開啟且第四開關1096關閉)時，對應於輸入功率PDC的能量被儲存至調變埠104內的第一電感1050，其中第一開關1026的開啟時間是由輸入埠102的最大功率追蹤所決定。在步驟1018(子模式II2)中，如第2圖和第8圖所示，當輸入埠102去能和第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM致能(亦即第一開關1026關閉且第四開關1096開啟)後，由於換相器106還需要輸出輸出功率PAC(亦即B區功率)至市電AC，所以B區功率將由主動功率解耦電路108內的第一電容1092在狀態I所儲存的能量通過第四開關1096提供，並儲存B區功率至調變埠104內的第一電感1050，其中第四開關1096的開啟時間是藉由輸入功率PDC與輸出功率PAC的差值(亦即B區功率)控制第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM所決定。在步驟1018(子模式II3)中，如第2圖和第9圖所示，當輸入埠102和 第三脈衝寬度調變控制訊號TPWM皆去能(亦即第一開關1026和第四開關1096皆關閉)時，調變埠104內的第一電感1050所儲存的能量被輸出至換相器106，以及激磁電感1024所儲存的能量透過第五二極體1094儲存至主動功率解耦電路108內的第一電容1092。

綜上所述，本發明所提供的三埠單相單極微換流器及其操作方法是利用調變埠根據第一脈衝寬度調變控制訊號，和主動功率解耦電路根據第二脈衝寬度調變控制訊號或第三脈衝寬度調變控制訊號，執行相對應的動作。如此，當輸入功率大於輸出功率時，三埠單相單極微換流器可儲存輸入功率和輸出功率的差值；當輸入功率小於輸出功率時，三埠單相單極微換流器可釋放輸入功率和輸出功率的差值至市電。因此，相較於先前技術，本發明具有較小體積、較長壽命及較高可靠度等優點。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧三埠單相單極微換流器

102‧‧‧輸入埠

104‧‧‧調變埠

106‧‧‧換相器

108‧‧‧主動功率解耦電路

110‧‧‧直流電源

112‧‧‧穩壓電容

1022‧‧‧第一線圈

1024‧‧‧激磁電感

1026‧‧‧第一開關

1042‧‧‧第二線圈

1044‧‧‧第二開關

1046‧‧‧第一二極體

1048‧‧‧第二二極體

1050‧‧‧第一電感

1062‧‧‧第二電容

1064‧‧‧第五開關

1066‧‧‧第六開關

1068‧‧‧第七開關

1070‧‧‧第八開關

1072‧‧‧第三電感

1082‧‧‧第三線圈

1084‧‧‧第三開關

1086‧‧‧第三二極體

1088‧‧‧第二電感

1090‧‧‧第四二極體

1092‧‧‧第一電容

1094‧‧‧第五二極體

1096‧‧‧第四開關

AC‧‧‧市電

A、B、C、D‧‧‧功率

CS‧‧‧控制訊號

E‧‧‧點

FPWM‧‧‧第一脈衝寬度調變控制訊號

GND‧‧‧地端

IAC‧‧‧交流電流

IDC‧‧‧直流電流

PAC‧‧‧輸出功率

PDC‧‧‧輸入功率

SCS‧‧‧開關控制訊號

SPWM‧‧‧第二脈衝寬度調變控制訊號

‧‧‧反相開關控制訊號

TPWM‧‧‧第三脈衝寬度調變控制訊號

VDC‧‧‧直流電壓

VAC‧‧‧交流電壓

1000-1020‧‧‧步驟

第1圖是為本發明的一實施例說明一種三埠單相單極微換流器的示意圖。

第2圖是為說明輸入功率、輸出功率、交流電流與交流電壓的示意圖。

第3圖至第6圖是為說明三埠單相單極微換流器在狀態I的示意圖。

第7圖至第9圖是為說明三埠單相單極微換流器在狀態II的示意圖。

第10圖係為本發明的另一實施例說明一種三埠單相單極微換流器的操作方法之流程圖。

100‧‧‧三埠單相單極微換流器

102‧‧‧輸入埠

104‧‧‧調變埠

106‧‧‧換相器

108‧‧‧主動功率解耦電路

110‧‧‧直流電源

112‧‧‧穩壓電容

1022‧‧‧第一線圈

1024‧‧‧激磁電感

1026‧‧‧第一開關

1042‧‧‧第二線圈

1044‧‧‧第二開關

1046‧‧‧第一二極體

1048‧‧‧第二二極體

1050‧‧‧第一電感

1062‧‧‧第二電容

1064‧‧‧第五開關

1066‧‧‧第六開關

1068‧‧‧第七開關

1070‧‧‧第八開關

1072‧‧‧第三電感

1082‧‧‧第三線圈

1084‧‧‧第三開關

1086‧‧‧第三二極體

1088‧‧‧第二電感

1090‧‧‧第四二極體

1092‧‧‧第一電容

1094‧‧‧第五二極體

1096‧‧‧第四開關

AC‧‧‧市電

CS‧‧‧控制訊號

FPWM‧‧‧第一脈衝寬度調變控制訊號

GMD‧‧‧地端

IAC‧‧‧交流電流

IDC‧‧‧直流電流

SCS‧‧‧開關控制訊號

SPWM‧‧‧第二脈衝寬度調變控制訊號

‧‧‧反相開關控制訊號

TPWM‧‧‧第三脈衝寬度調變控制訊號

VDC‧‧‧直流電壓

VAC‧‧‧交流電壓

Claims (25)

1. 一種三埠單相單極微換流器，包含：一輸入埠，用以耦接於一直流電源，並接收及傳遞該直流電源的輸入功率；一調變埠，用以磁耦合該輸入埠，並根據該輸入功率，產生並輸出一全波整流的弦波電流，其中該調變埠包含：一第二線圈，具有一第一端，及一第二端，耦接於該地端；一第二開關，具有一第一端，耦接於該第二線圈的第一端，一第二端，用以接收該第一脈衝寬度調變控制訊號，及一第三端；一第一二極體，具有一第一端，耦接於該第二開關的第三端，及一第二端；一第二二極體，具有一第一端，耦接於該地端，及一第二端，耦接於該第一二極體的第二端；及一第一電感，具有一第一端，耦接於該第一二極體的第二端，及一第二端；一換相器，耦接於該調變埠，用以根據一開關控制訊號和一反相開關控制訊號，轉換該弦波電流成為一交流電流，並輸出該交流電流至一市電，其中該開關控制訊號和該反相開關控制訊號的頻率和該市電的頻率相同；及一主動功率解耦電路(Active Power Decoupling Circuit,APDC)埠，其中當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率 時，該調變埠根據一第一脈衝寬度調變控制訊號，輸出該全波整流的弦波電流至該換相器，以及該主動功率解耦電路根據一第二脈衝寬度調變控制訊號，儲存該輸入功率與該輸出功率的差值；當該輸入功率小於該輸出功率時，該調變埠根據該第一脈衝寬度調變控制訊號，輸出該弦波電流至該換相器，以及該主動功率解耦電路根據一第三脈衝寬度調變控制訊號，透過該調變埠輸出該差值至該換相器，其中該主動功率解耦電路包含：一第三線圈，具有一第一端，及一第二端，耦接於該第一二極體的第二端；一第三開關，具有一第一端，耦接於該第三線圈的第一端，一第二端，用以接收該第二脈衝寬度調變控制訊號，及一第三端；一第三二極體，具有一第一端，耦接於該第三開關的第三端，及一第二端；一第二電感，具有一第一端，耦接於該第三二極體的第二端，及一第二端，耦接於該第三線圈的第二端；一第四二極體，具有一第一端，及一第二端，耦接於該第三二極體的第二端；一第一電容，具有一第一端，耦接於該第二電感的第二端，及一第二端，耦接於該第四二極體的第一端；一第五二極體，具有一第一端，耦接於該第四二極體的第一端，及一第二端，耦接於該第三線圈的第一端；及 一第四開關，具有一第一端，耦接於該第五二極體的第一端，一第二端，用以接收該第三脈衝寬度調變控制訊號，及一第三端，耦接於該地端。
2. 如請求項1所述的三埠單相單極微換流器，其中該直流電源是為一太陽能板。
3. 如請求項2所述的三埠單相單極微換流器，其中該輸入埠具有一最大功率追蹤(maximum power point tracking)的功能。
4. 如請求項3所述的三埠單相單極微換流器，其中該輸入埠包含：一第一線圈，具有一第一端，耦接於該直流電源的第一端，及一第二端，其中該直流電源的第二端是耦接於一地端；一激磁電感，具有一第一端，耦接於該直流電源的第一端，及一第二端，耦接於該第一線圈的第二端；及一第一開關，具有一第一端，耦接於該第一線圈的第二端，一第二端，用以接收一控制訊號，及一第三端，耦接於該地端。
5. 如請求項1所述的三埠單相單極微換流器，其中該換相器包含：一第二電容，具有一第一端，耦接於該第一電感的第二端，及一第二端，耦接於該地端；一第五開關，具有一第一端，耦接於該第二電容的第一端，一 第二端，用以接收該開關控制訊號，及一第三端；一第六開關，具有一第一端，耦接於該第二電容的第一端，一第二端，用以接收該反相開關控制訊號，及一第三端，耦接於該市電的第二端；一第七開關，具有一第一端，耦接於該第五開關的第三端，一第二端，用以接收該反相開關控制訊號，及一第三端，耦接於該地端；一第八開關，具有一第一端，耦接於該第六開關的第三端，一第二端，用以接收該開關控制訊號，及一第三端，耦接於該地端；及一第三電感，具有一第一端，耦接於該第五開關的第三端，及一第二端，耦接於該市電的第一端。
6. 如請求項5所述的三埠單相單極微換流器，另包含：一穩壓電容，具有一第一端，耦接於該直流電源的第一端，及一第二端，耦接於該直流電源的第二端，其中該穩壓電容是用以穩定該直流電源所提供的一直流電壓。
7. 如請求項6所述的三埠單相單極微換流器，其中該第二線圈的感應方向和該第三線圈的感應方向是和該第一線圈的感應方向相同。
8. 如請求項6所述的三埠單相單極微換流器，其中該輸入功率是 等於該直流電壓與該直流電源所提供的一直流電流的乘積。
9. 如請求項6所述的三埠單相單極微換流器，其中該輸出功率是等於該交流電流與該市電的電壓的乘積。
10. 如請求項6所述的三埠單相單極微換流器，其中當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率時，該第四開關關閉，該第二開關的開啟時間是由該輸出功率控制該第一脈衝寬度調變控制訊號所決定，以及該第三開關的開啟時間是由該最大功率追蹤控制該第二脈衝寬度調變控制訊號所決定。
11. 如請求項10所述的三埠單相單極微換流器，其中當該第二開關和該第三開關開啟時，從該輸入埠輸入的能量被儲存至該第一電感與該第二電感。
12. 如請求項10所述的三埠單相單極微換流器，其中當該第二開關關閉和該第三開關開啟時，該第一電感所儲存的能量被輸出至該換相器，以及從該輸入埠輸入的能量被儲存至該第二電感。
13. 如請求項10所述的三埠單相單極微換流器，其中當該第二開關開啟和該第三開關關閉時，該第二電感所儲存的能量透過該第四二極體儲存至該第一電容，以及從該輸入埠輸入的能量被儲存至該第一電感。
14. 如請求項10所述的三埠單相單極微換流器，其中當該第二開關和該第三開關皆關閉時，該第一電感所儲存的能量被輸出至該換相器，該第二電感所儲存的能量透過該第四二極體儲存至該第一電容，以及該激磁電感所儲存的能量透過該第五二極體儲存至該第一電容。
15. 如請求項11、12、13或14所述的三埠單相單極微換流器，其中該第一開關的開啟時間是由該第二開關的開啟時間和該第三開關的開啟時間執行一或邏輯運算所決定。
16. 如請求項6所述的三埠單相單極微換流器，其中當該輸入功率小於該換相器所輸出的輸出功率時，該第三開關關閉，該第二開關開啟，該第一開關的開啟時間是由該最大功率追蹤所決定，以及該第四開關開啟時間是藉由該輸入功率與該輸出功率的差值控制該第三脈衝寬度調變控制訊號所決定。
17. 如請求項16所述的三埠單相單極微換流器，其中當該第一開關開啟和該第四開關關閉時，從該輸入埠輸入的能量被儲存至該第一電感。
18. 如請求項16所述的三埠單相單極微換流器，其中當該第一開關關閉和該第四開關開啟時，第一電容所儲存的能量透過該第四 開關被輸出至該換相器，以及被儲存至該第一電感。
19. 如請求項16所述的三埠單相單極微換流器，其中當該第一開關和該第四開關皆關閉時，該第一電感所儲存的能量被輸出至該換相器，以及該激磁電感所儲存的能量透過該第五二極體儲存至該第一電容。
20. 一種三埠單相單極微換流器的操作方法，該三埠單相單極微換流器包含一輸入埠、一調變埠、一換相器及一主動功率解耦電路，該操作方法包含：該輸入埠接收及傳遞一直流電源的輸入功率；當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率，以及一第一脈衝寬度調變控制訊號和一第二脈衝寬度調變控制訊號致能時，從該輸入埠輸入的能量被儲存至該調變埠與該主動功率解耦電路；當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率，以及該第一脈衝寬度調變控制訊號和該第二脈衝寬度調變控制訊號去能時，該調變埠所儲存的能量被輸出至該換相器，以及該輸入埠的激磁電感所儲存的能量儲存至該主動功率解耦電路；及當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率，以及該第一脈衝寬度調變控制訊號去能和該第二脈衝寬度調變控制訊號致能時，該調變埠所儲存的能量被輸出至該換相器，以及 從該輸入埠輸入的能量被儲存至該主動功率解耦電路。
21. 如請求項20所述的操作方法，其中當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率時，該第一脈衝寬度調變控制訊號的致能時間是由該輸出功率所決定，以及該第二脈衝寬度調變控制訊號的致能時間是由該輸入埠的最大功率追蹤所決定。
22. 一種三埠單相單極微換流器的操作方法，該三埠單相單極微換流器包含一輸入埠、一調變埠、一換相器及一主動功率解耦電路，該操作方法包含：該輸入埠接收及傳遞一直流電源的輸入功率；當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率，以及一第一脈衝寬度調變控制訊號和一第二脈衝寬度調變控制訊號致能時，從該輸入埠輸入的能量被儲存至該調變埠與該主動功率解耦電路；當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率，以及該第一脈衝寬度調變控制訊號和該第二脈衝寬度調變控制訊號去能時，該調變埠所儲存的能量被輸出至該換相器，以及該輸入埠的激磁電感所儲存的能量儲存至該主動功率解耦電路；及當該輸入功率大於該換相器所輸出的輸出功率，以及該第一脈衝寬度調變控制訊號致能和該第二脈衝寬度調變控制訊號去能時，從該輸入埠輸入的能量被儲存至該調變埠。
23. 如請求項20、21或22所述的操作方法，其中該輸入埠的致能時間是由該第一脈衝寬度調變控制訊號的致能時間和該第二脈衝寬度調變控制訊號的致能時間執行一或邏輯運算所決定。
24. 一種三埠單相單極微換流器的操作方法，該三埠單相單極微換流器包含一輸入埠、一調變埠、一換相器及一主動功率解耦電路，該操作方法包含：該輸入埠接收及傳遞一直流電源的輸入功率；當該輸入功率小於該換相器所輸出的輸出功率，以及該輸入埠致能和一第三脈衝寬度調變控制訊號去能時，從該輸入埠輸入的能量被儲存至該調變埠；當該輸入功率小於該換相器所輸出的輸出功率，以及該輸入埠去能和該第三脈衝寬度調變控制訊號致能時，該主動功率解耦電路所儲存的能量被輸出至該換相器，以及被儲存至該調變埠；及當該輸入功率小於該換相器所輸出的輸出功率，以及該輸入埠和該第三脈衝寬度調變控制訊號皆去能時，該調變埠所儲存的能量被輸出至該換相器，以及該輸入埠的激磁電感所儲存的能量儲存至該主動功率解耦電路。
25. 如請求項24所述的操作方法，其中當該輸入功率小於該換相器所輸出的輸出功率時，該調變埠根據一第一脈衝寬度調變控制 訊號致能，該輸入埠的致能時間是由該輸入埠的最大功率追蹤所決定，以及該第三脈衝寬度調變控制訊號的致能時間是由該輸入功率與該換相器所輸出的輸出功率的差值所決定。