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TWI554020B - 逆變裝置及其控制方法 - Google Patents

逆變裝置及其控制方法 Download PDF

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TWI554020B
TWI554020B TW104103964A TW104103964A TWI554020B TW I554020 B TWI554020 B TW I554020B TW 104103964 A TW104103964 A TW 104103964A TW 104103964 A TW104103964 A TW 104103964A TW I554020 B TWI554020 B TW I554020B
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control
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陳漢威
游俊豪
劉家樺
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全漢企業股份有限公司
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Description

逆變裝置及其控制方法
本發明係關於逆變裝置，尤指一種可偵測初級側轉換電路之操作狀態以適應性地調整初級側控制訊號的逆變裝置及其相關的控制方法。
光伏逆變器(Photovoltaic inverter)係用於將太陽能面板所輸出之直流電源轉換為交流電源並輸出至電網，其中光伏逆變器之初級側轉換電路會於低太陽能電力輸出時操作於深度間歇模式(deep burst mode)。例如：(1)當太陽能面板所輸出之電力太小時，會使得初級側轉換電路會進入深度間歇模式；以及(2)當光照強度大幅降低時，太陽能面板之工作電壓與能量輸出會處於一低準位，致使初級側轉換電路進入深度間歇模式。
然而，當初級側轉換電路操作於深度間歇模式時，光伏逆變器之內部電路會因為初級側轉換電路之輸出電源不足而發生異常或中止運作，導致電路元件的損壞。因此，需要一種創新的光伏逆變裝置狀態偵測電路架構，以避免間歇模式所造成的副作用。
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種可偵測初級側轉換電路之操作狀態以適應性地調整初級側控制訊號的逆變裝置及其相關的控制方法，來解決上述問題。
依據本發明之一實施例，其揭示一種逆變裝置。該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器、一直流轉交流轉換器以及一控制電路。該直流轉直流轉換器用以依據一控制訊號來將一輸入電源轉換為一直流電源。該直流轉交流轉換器係耦接於該直流轉直流轉換器，用以接收該直流電源，並依據該直流電源來產生一交流電源。該控制電路係耦接於該直流轉直流轉換器，用以依據一參考電源以及該輸入電源來產生該控制訊號以控制該直流轉直流轉換器之操作，對該控制訊號進行檢測以產生一檢測結果，以及依據該檢測結果來控制該參考電源以調整該控制訊號之一責任週期。
依據本發明之一實施例，其揭示一種逆變裝置的控制方法。該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器與一直流轉交流轉換器。該直流轉直流轉換器將一輸入電源轉換為一直流電源。該直流轉交流轉換器將該直流電源轉換為一交流電源。該控制方法包含以下步驟：依據一參考電源以及該輸入電源來產生一控制訊號，以控制該直流轉直流轉換器之操作；對該控制訊號進行檢測以產生一檢測結果；以及依據該檢測結果來控制該參考電源以調整該控制訊號之一責任週期。
本發明所提供之逆變裝置可藉由偵測初級側轉換電路之控制訊號來得知其工作狀態，並適應性地調整控制訊號的訊號準位/責任週期，故可於間歇模式中維持穩定的運作，而廣泛應用於各種能量轉換架構之中。
100、300‧‧‧逆變裝置
102‧‧‧太陽能電池
110、310‧‧‧直流轉直流轉換器
120‧‧‧直流轉交流轉換器
130、330‧‧‧控制電路
322‧‧‧LLC諧振式轉換器
326‧‧‧驅動電路
332‧‧‧控制器
336‧‧‧處理電路
DL、DR‧‧‧二極體
R1、R2‧‧‧電阻
C‧‧‧電容
VPV‧‧‧輸入電源
VBUS‧‧‧直流電源
VAC‧‧‧交流電源
VCMD‧‧‧參考電源
DR‧‧‧檢測結果
SC‧‧‧控制訊號
SD‧‧‧驅動訊號
VC1、VC2、VCA、VCB‧‧‧電壓準位
t0、t1、t2、t3、Ta、Tb、Tc、Td‧‧‧時間
SCL‧‧‧左臂控制訊號
SCR‧‧‧右臂控制訊號
SDL‧‧‧左臂驅動訊號
SDR‧‧‧右臂驅動訊號
VC‧‧‧電壓
L1‧‧‧第一準位
L2‧‧‧第二準位
第1圖為本發明逆變裝置之一實施例的功能方塊示意圖。
第2圖為第1圖所示之控制訊號之一實作範例的訊號波形圖。
第3圖為第1圖所示之逆變裝置之一實作範例的示意圖。
第4圖為第3圖所示之控制器之一實作範例的局部電路示意圖。
第5圖為第3圖所示之控制訊號之一實作範例的訊號波形圖。
本發明所提供之逆變架構藉由偵測初級側轉換電路的控制訊號來得知初級側轉換電路的工作狀態，並根據所偵測的結果來適應性地調整控制訊號的責任週期，故可大幅提昇逆變器控制的靈活度以及提供良好的電路保護機制。為了便於理解本發明的技術特徵，以下係以光伏逆變器來作為本發明所提供之逆變裝置的實作範例，然而，本發明所提供之逆變架構並不限於光伏逆變器。進一步的說明如下。
請參閱第1圖，其為本發明逆變裝置之一實施例的功能方塊示意圖。逆變裝置100耦接於一太陽能電池(Photovoltaic cell，PV cell)102，並可包含(但不限於)一直流轉直流轉換器(direct current to direct current converter，DC/DC converter)110、一直流轉交流轉換器(direct current to alternating current converter，DC/AC converter)120以及一控制電路130。直流轉直流轉換器110可接收太陽能電池102所提供之輸入電源VPV，並依據一控制訊號SC來將輸入電源VPV轉換為一直流電源VBUS(例如，直流母線電壓)。直流轉交流轉換器120係耦接於直流轉直流轉換器110，用以接收直流電源VBUS，並依據直流電源VBUS來產生一交流電源VAC。於此實施例中(但本發明不限於此)，直流轉直流轉換器110可包含一LLC諧振式轉換器(LLC resonant converter)，以利用其軟性切換的特性而提高轉換效率並且降低電磁干擾，而直流轉交流轉換器120也可稱作直流轉交流變流器(DC/AC inverter)。
控制電路130係耦接於直流轉直流轉換器110，用以依據一參考電源VCMD以及輸入電源VPV來產生控制訊號SC以控制直流轉直流轉換器110之操作。舉例來說(但本發明不限於此)，控制電路130可將參考電源VCMD與輸入電源VPV作比較以產生控制訊號SC，進而控制直流轉直流轉換器110之操作頻率與操作狀態(例如，正常模式或間歇模式)。於另一範例中，控制電路130也可對參考電源VCMD與輸入電源VPV進行數值運算以產生控制訊號SC。
為了即時監控逆變裝置100的工作狀態，控制電路130另可對控制訊號SC進行處理/檢測以產生一檢測結果DR，以及依據檢測結果DR來控制參考電源VCMD，進而調整用於控制直流轉直流轉換器110之控制訊號SC。舉例來說(但本發明不限於此)請連同第1圖來參閱第2圖。第2圖為第1圖所示之控制訊號SC之一實作範例的訊號波形圖。控制訊號SC可具有一第一準位L1與一第二準位L2(不同於第一準位L1)，當直流轉直流轉換器110於控制訊號SC持續處於第二準位L2時，則暫停電源轉換操作(亦即，操作於間歇模式)。因此，在控制訊號SC之準位可藉由調整參考電源VCMD來改變的情形下，控制電路130便可依據檢測結果DR來調整參考電源VCMD之能量準位，以切換控制訊號SC之準位，進而即時調整直流轉直流轉換器110於間歇模式時之操作，以防止直流轉直流轉換器110供電異常。
於一實作範例中，控制電路130也可依據檢測結果DR來控制參考電源VCMD以調整控制訊號SC之責任週期(duty cycle)，進而控制直流轉直流轉換器110於間歇模式時的操作。於此實作範例中，直流轉直流轉換器110係於時間點t1依據控制訊號SC來操作於間歇模式，其中直流轉直流轉換器110係於時間點t0~t1的期間開啟，以及於時間點t1~t2的期間關閉。另外，由於直流轉直流轉換器110持續處於關閉狀態的時間過長會造成供電異常，控制 電路130可藉由檢測直流轉直流轉換器110持續處於關閉狀態的時間來產生檢測結果DR。
於該間歇模式中，控制電路130原訂於時間點t3開啟直流轉直流轉換器110，然而，由於時間點t1與時間點t3之間的時間間隔超過一特定時間(於此實施例中，等於時間點t1與時間點t2之間的時間間隔)，這將造成直流轉直流轉換器110於時間點t3之前會發生供電異常，因此，當檢測結果DR指示出直流轉直流轉換器110處於關閉的時間超過該特定時間(亦即，控制訊號SC持續處於第二準位L2超過該特定時間)時，控制電路130可藉由將參考電源VCMD之電壓準位VC1調整為電壓準位VC2，以使控制訊號SC提前於時間點t2切換訊號準位至第一準位L1，此時，直流轉直流轉換器110將提前於時間點t2開啟。換言之，控制電路130可藉由調整參考電源VCMD之電壓準位VC1來改變控制訊號SC之責任週期，以達到控制直流轉直流轉換器110於間歇模式時之開啟與關閉時機的目的。
為了進一步了解本發明之技術特徵，以下採用一實作範例來進一步說明本發明逆變裝置的細節，然而，基於第1圖所示之電路架構的其它電路實作亦是可行的。請參閱第3圖，其為第1圖所示之逆變裝置100之一實作範例的示意圖。於此實作範例中，逆變裝置300包含一直流轉直流轉換器310、一控制電路330以及第1圖所示之直流轉交流轉換器120，其中第1圖所示之直流轉直流轉換器110與控制電路130可分別由直流轉直流轉換器310與控制電路330來實作之。控制電路330可包含(但不限於)一控制器332以及一處理電路336，其中控制器332可對控制訊號SC進行檢測以產生檢測結果DR，並依據檢測結果DR來產生/控制參考電源VCMD，而處理電路336可依據參考電源VCMD與輸入電源VPV來產生控制訊號SC。直流轉直流轉換器310可包含(但不限於)一LLC諧振式轉換器322以及一驅動電路326， 其中驅動電路326可依據控制電路330所產生之控制訊號SC來產生一驅動訊號SD，而LLC諧振式轉換器322便可依據驅動訊號SD將輸入電源VPV轉換為直流電源VBUS。
於此實作範例中，LLC諧振式轉換器322可包含一左臂開關以及一右臂開關(未繪示於第3圖中)，其中，該左臂開關及該右臂開關各自可由上開關及下開關組成，且該左臂開關的上下兩開關的控制訊號為互補，該右臂開關的上下兩開關的控制訊號亦為互補。前述為LLC諧振式轉換器322的基礎架構，由於該基礎架構非本發明之技術重點，因此，在此不多作說明。在本實作範例中，LLC諧振式轉換器322所接收之驅動訊號SD可包含一左臂驅動訊號SDL與一右臂驅動訊號SDR，以及處理電路336所產生之控制訊號SC可包含一左臂控制訊號SCL與一右臂控制訊號SCR。關於檢測控制訊號SC之一實作方式可參閱第4圖。第4圖繪示了第3圖所示之控制器332之一實作範例的局部電路示意圖。由第4圖可知，控制器332可藉由檢測電容C之電壓VC來得知控制訊號SC之資訊，其中控制器332可經由二極體DL、電阻R1及電阻R2來接收左臂控制訊號SCL，以及經由二極體DR、電阻R1及電阻R2來接收與右臂控制訊號SCR。然而，第4圖所示之訊號擷取架構係僅供說明之需，並非用來作為本發明之限制。
控制電路330可對輸入電源VPV之一電壓準位與參考電源VCMD之一電壓準位作比較以產生一比較結果，以及依據該比較結果來產生控制訊號SC(左臂控制訊號SCL與右臂控制訊號SCR)。舉例來說，處理電路336可包含一比較器(未繪示於第3圖中)，用以進行電壓準位之比較以產生該比較結果，處理電路336便可依據該比較結果來產生控制訊號SC。其中，前述比較器的功能，亦可由一運算放大器、一電阻及一電容所組成之控制器電路來達成。藉由調整控制訊號SC的頻率、責任週期...等，使直流轉直流轉換器310 (LLC諧振式轉換器322)可於不同的太陽能輸出電力，操作於不同的模式下，例如正常模式或間歇模式。另外，為了避免直流轉直流轉換器310持續處於關閉狀態的時間過長而造成供電異常，控制電路330可依據檢測結果DR來調整參考電源VCMD之該電壓準位以調整控制訊號SC(例如，調整訊號準位及/或責任週期)。
舉例來說，當檢測結果DR指示出直流轉直流轉換器310持續處於關閉狀態的時間超過一特定時間時，控制電路330可降低參考電源VCMD之該電壓準位以調整控制訊號SC之責任週期，使直流轉直流轉換器310開啟。請連同第3圖來參閱第5圖。第5圖為第3圖所示之控制訊號SC之一實作範例的訊號波形圖。於此實作範例中，直流轉直流轉換器310係於時間點Ta~Tb的期間開啟，以及於時間點Tb~Tc的期間關閉。當直流轉直流轉換器310依據控制訊號SC來操作於一間歇模式時(例如，光照強度於時間點Tb驟減)，控制器332可藉由檢測直流轉直流轉換器310的關閉時間來產生檢測結果DR，並據以調整參考電源VCMD之電壓準位VCA。當檢測結果DR指示出直流轉直流轉換器310的關閉時間超過一特定時間時，控制電路330可藉由降低參考電源VCMD之電壓準位VCA來調整控制訊號SC，其中控制電路330可降低電壓準位VCA直到控制訊號SC使直流轉直流轉換器310開啟為止(例如，時間點Tc)。由第5圖可知，在未將參考電源VCMD之電壓準位VCA調降為電壓準位VCB之前，處理電路336原訂於時間點Td切換左臂控制訊號SCL及右臂控制訊號SCR之訊號準位；當參考電源VCMD之電壓準位VCA調整為電壓準位VCB時，處理電路336便可提前於時間點Tc切換左臂控制訊號SCL及右臂控制訊號SCR之訊號準位，以避免直流轉直流轉換器310持續處於關閉狀態的時間過長。
以上調整控制訊號SC之實作方式係僅供說明之需，並非用來作為 本發明之限制。另外，在採用其他型式的電源轉換器來實作第3圖所示之直流轉直流轉換器310的情形下，直流轉直流轉換器310所接收之控制訊號的類型/個數可能會有相應的調整，而控制訊號的調整方式可能也會有所不同。
再者，只要第3圖所示之控制電路330可藉由檢測控制訊號SC來調整參考電源VCMD，進而調整控制訊號SC之責任週期，採用其他電路架構來實作控制電路330也是可行的。舉例來說，控制電路330也可儲存輸入電源VPV、參考電源VCMD與控制訊號SC之責任週期的關係表，控制電路330便可根據檢測結果DR來選擇參考電源VCMD之電壓準位。
值得注意的是，以上所述關於第3圖所示之逆變裝置300的控制機制也可應用於第1圖所示之逆變裝置100。綜合上述，本發明所提供之逆變裝置可藉由偵測初級側轉換電路之控制訊號來得知其工作狀態，並適應性地調整控制訊號的訊號準位/責任週期，故可於間歇模式中維持穩定的運作，而廣泛應用於各種能量轉換架構之中。
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‧‧‧逆變裝置
102‧‧‧太陽能電池
110‧‧‧直流轉直流轉換器
120‧‧‧直流轉交流轉換器
130‧‧‧控制電路
VPV‧‧‧輸入電源
VBUS‧‧‧直流電源
VAC‧‧‧交流電源
VCMD‧‧‧參考電源
DR‧‧‧檢測結果
SC‧‧‧控制訊號

Claims (14)

  1. 一種逆變裝置，包含：一直流轉直流轉換器，用以依據一控制訊號來將一輸入電源轉換為一直流電源；一直流轉交流轉換器，耦接於該直流轉直流轉換器，用以接收該直流電源，並依據該直流電源來產生一交流電源；以及一控制電路，耦接於該直流轉直流轉換器，該控制電路用以依據一參考電源以及該輸入電源來產生該控制訊號以控制該直流轉直流轉換器之操作，對該控制訊號進行檢測以產生一檢測結果，以及依據該檢測結果來控制該參考電源以調整該控制訊號之一責任週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之逆變裝置，其中該控制訊號具有一第一準位與不同於該第一準位之一第二準位；以及當該直流轉直流轉換器依據該控制訊號來操作於一間歇模式(burst mode)時，該控制訊號會持續處於該第二準位，以及該控制電路係檢測該控制訊號持續處於該第二準位的時間以產生該檢測結果。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之逆變裝置，其中當該檢測結果指示出該控制訊號持續處於該第二準位超過一特定時間時，該控制電路會調整該參考電源之一電壓準位。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之逆變裝置，其中該控制電路係對該輸入電源之一電壓準位與該參考電源之一電壓準位作比較以產生一比較結果，以及依據該比較結果來產生該控制訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之逆變裝置，其中當該比較結果指示出該輸入 電源之該電壓準位小於該參考電源之該電壓準位時，該直流轉直流轉換器會依據該控制訊號來操作於一間歇模式。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之逆變裝置，其中該控制電路係依據該檢測結果來調整該參考電源之該電壓準位，以調整該控制訊號之該責任週期。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之逆變裝置，其中該控制訊號具有一第一準位與不同於該第一準位之一第二準位；當該直流轉直流轉換器依據該控制訊號來操作於一間歇模式時，該控制訊號會持續處於該第二準位，以及當該檢測結果指示出該控制訊號持續處於該第二準位超過一特定時間時，該控制電路會降低該參考電源之該電壓準位。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之逆變裝置，其中該控制電路會降低該參考電源之該電壓準位直到該控制訊號自該第二準位轉換為該第一準位為止。
  9. 一種逆變裝置的控制方法，該逆變裝置包含一直流轉直流轉換器與一直流轉交流轉換器，該直流轉直流轉換器將一輸入電源轉換為一直流電源，該直流轉交流轉換器將該直流電源轉換為一交流電源，該控制方法包含：依據一參考電源以及該輸入電源來產生一控制訊號，以控制該直流轉直流轉換器之操作；對該控制訊號進行檢測以產生一檢測結果；以及依據該檢測結果來控制該參考電源以調整該控制訊號之一責任週期。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中依據一參考電源以及該輸入電源來產生一控制訊號的步驟包含：對該輸入電源之一電壓準位與該參考電源之一電壓準位作比較以產生一 比較結果；以及依據該比較結果來產生該控制訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之控制方法，其中當該比較結果指示出該輸入電源之該電壓準位小於該參考電源之該電壓準位時，該直流轉直流轉換器會依據該控制訊號來操作於一間歇模式。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中依據該檢測結果來控制該參考電源以調整該控制訊號之該責任週期的步驟包含：依據該檢測結果來調整該參考電源之該電壓準位，以調整該控制訊號之該責任週期。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，其中該控制訊號具有一第一準位與不同於該第一準位之一第二準位；當該直流轉直流轉換器依據該控制訊號來操作於一間歇模式時，該控制訊號會持續處於該第二準位；以及當該檢測結果指示出該控制訊號持續處於該第二準位超過一特定時間時，依據該檢測結果來調整該參考電源之該電壓準位的步驟包含：降低該參考電源之該電壓準位。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，其中降低該參考電源之該電壓準位的步驟包含：降低該參考電源之該電壓準位直到該控制訊號自該第二準位轉換為該第一準位為止。
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