專利名稱：五階式直流轉交流電源電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種五階式直流轉交流電源電路，尤其是一種具有簡化電路設計及電 子零件成本的五階式直流轉交流電源電路。
背景技術：
能源開發及應用向來是全球關注的焦點，各國無不致力于新能源開發或尋找替代 能源，以應對石油耗竭來臨之日。配合目前環保議題，常見替代能源不外乎太陽能、風力、水 力等等，主要利用大自然本身能量轉換為電能，供人類使用，實現該些能量轉換電能的裝置 中，直流轉交流電源電路即是不可或缺的必要裝置。
由于全球建構電力網的電源形式為交流電源，因此通過直流轉交流電源電路，即 能順利地將各種能量發電裝置所輸出的直流電源轉換為交流電源，再饋入電力網中，達到 供電目的。一般來說，直流轉交流電源電路早期以半橋式電能轉換器實現二階式直流轉交 流電源電路，進而改變成以全橋式電能轉換器實現三階式直流轉交流電源電路，再到現今 發展出的多階式直流轉交流電源電路，形態不盡相同。
請參閱圖4所示，是以二極管箝位式電能轉換器為實現一種單相三階式直流轉交 流電源電路，包含有
二個串聯儲能電容50、51，其二端連接一直流總線52，提供V+、V—端點連接一外部 直流電源 '及
二個串聯半橋開關電路53、54，連接于該直流總線52，其中各半橋開關電路53、54 的串聯節點通過一逆向二極管55、56連接至二個電容50、51的串聯節點；其中二個半橋開 關電路53、54的串聯節點及該二個電容串聯節點連接一交流電源輸出插口 57。
上述單相三階式直流轉交流電源電路是通過控制二個半橋開關電路53、54的電 力電子開關交替切換，將二個串聯儲能電容50、51的直流電壓轉換為交流電壓后輸出；其 中每次電力電子開關切換所造成的電壓變化均為一儲能電容50、51的電壓，令輸出的交流 電源的電壓電平有三階變化，但由于輕載時二個儲能電容50、51的電壓并不容易達到相 等，故此種二極管箝位式電能轉換器在輕載狀態下控制電力電子開關時，必須考慮二個儲 能電容50、51的電壓的均等，才能穩定輸出交流電源。
請再參閱圖5所示，為另一種單相三階飛輪電容式電能轉換器所實現一種單相三 階式直流轉交流電源電路，主要也是由二個串聯儲能電容60、61及二個串聯半橋開關電路 62、63組成，但二個半橋開關電路60、61的串聯節點之間連接另一個儲能電容64 ;其動作原 理與上述二極管箝位式電能轉換器大致相同，但是控制二個半橋開關電路62、63時，為達 到輸出交流電壓的穩定，必須考慮儲能電容60、61及64電壓的充電時間與放電時間，整體 而言，控制二個半橋開關電路62、63的電子開關較為復雜。
想當然的，越高階的直流轉交流電源電路其電路及控制電力電子切換方式越復 雜。請參閱圖6所示，一種五階式直流轉交流電源電路包含有
二個儲能電容70、71，分別連接二個直流總線701、702，提供VI+、Vl_/V2+、V2_端點連接二組直流電源；及
二個全橋開關電路72、73，分別與對應的儲能電容70、71并聯，其中二個全橋開關 電路72、73的二個輸出節點相互連接，而另二個輸出節點則連接一交流電源輸出插口 74。
由上述電路架構可知，為了輸出五階電壓電平變化的交流電源，除了采用二個全 橋開關電路72、73外，各儲能電容70、71必須各自連接一直流電源至Vl+、Vr/V2+、V2_端點； 簡言之，此一五階式直流轉交流電源電路必須使用二個全橋開關電路72、73共計包含八個 電子開關，除電路設計復雜且成本高以外，同樣基于儲能電容70、71電壓的均壓及穩壓考 量，使得控制二個全橋開關電路的電子開關切換的控制變得更為復雜。發明內容
有鑒于上述現有五階式直流轉交流電源電路的技術缺點，本發明主要目的是提供 一種具有簡化電路及電子元件的五階式直流轉交流電源電路，并兼具儲能電容的電壓的均 等功效。
欲達上述目的所使用的主要技術手段是令該五階式直流轉交流電源電路包含 有
一串/并聯電容器組，其包含二個儲能電容、一個電子開關及二個二極管，該二個 儲能電容通過該電子開關串聯連接，再連接于一直流總線的正極及負極之間，其中一個二 極管的陽極連接至該電子開關與其中一儲能電容的串聯節點，而陰極則連接至該直流總線 的正極；另一個二極管的陽極連接至該直流總線的負極，而陰極則連至該電子開關與另一 儲能電容的串聯節點；
一全橋開關電路，連接于該直流總線的正極及負極之間，并包含二個并聯的第一 半橋開關電路及第二半橋開關電路，該第一半橋開關電路及第二半橋開關電路均由一上臂 電子開關及一下臂電子開關串聯組成，其中該第一及第二半橋開關電路的上臂及下臂電子 開關串聯節點是連接至一交流電源輸出插口 ；及
一控制器，是連接該串/并聯電容器組的該電子開關及該全橋開關電路的電子開 關，控制該串/并聯電容器組的該電子開關的啟閉，令二個儲存電容配合該二個二極管為 等效并聯或串聯，提供兩階電壓給該全橋開關電路，控制該全橋開關電路的電子開關再將 該兩階電壓轉換成含五階電壓電平的輸出電壓。
換言之，該五階式直流轉交流電源電路包含有
一串/并聯電容器組，其包含二個儲能電容、一電子開關及二個二極管，該二個儲 能電容再通過該電子開關串聯連接，再連接于一直流總線的正極及負極之間，其中一個二 極管的陽極是連接至該電子開關與其中一儲能電容的串聯節點，而陰極則連接至該直流總 線的正極；另一個二極管的陽極是連接至該直流總線的負極，而陰極則連至該電子開關與 另一儲能電容的串聯節點，該二個儲能電容的兩端亦各別連接至一電源電路，該電源電路 連接一直流電源；一全橋開關電路，連接于該直流總線的正極及負極之間，并包含二個并聯 的第一半橋開關電路及第二半橋開關電路，該第一半橋開關電路及第二半橋開關電路均由 兩個電子開關串聯組成，其中第一及第二半橋開關電路的電子開關串聯節點連接至一交流 電源輸出插口 ；及
一控制器，是連接上述該串/并聯電容器組及該全橋開關電路的電子開關，并于交流電源的各半周期內依序切換該串/并聯電容器組及該全橋開關電路的電子開關，使該五階式直流轉交流電源電路于交流電源的各半周期在該交流電源輸出插口產生含有三階電壓電平(含零電壓電平)變化的電壓。
上述本發明主要控制該串/并聯電容器組的電子開關的啟閉，令二個儲存電容配合該兩個二極管為等效并聯或串聯，提供兩個電壓電平，再依據正半周或負半周控制該全橋開關電路的第一及第二半橋開關電路的其中一對應電子開關開啟導通，讓交流電源輸出插口交替輸出正半周的三階式電壓電平(含零電壓電平)及負半周的三階式電位準位(含零電壓電平)的交流電壓；因此，本發明的控制器確實只要控制五個開關即能將直流電源轉換為五階式電壓電平變化的交流電源后輸出，不僅電路精簡、成本低，且較容易達到儲能電容電壓均等的功效。
圖1 :是本發明詳細電路圖。
圖2A :是本發明濾波電路的一詳細電路圖。
圖2B :是本發明濾波電路的另一詳細電路圖。
圖3:是本發明時序波形圖。
圖4 :是一現有技術的單相三階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖。
圖5 :是另一現有技術的單相三階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖。
圖6 :是五階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖。
主要元件符號說明
I串/并聯電容器組
10、11儲能電容12電子開關
13直流總線131正極
132負極14、15 二極管
20全橋開關電路21第一半橋開關電路
211上臂電子開關212下臂電子開關
22第二半橋開關電路221上臂電子開關
222下臂電子開關23、23a濾波電路
24控制器25交流電源輸出插口
50、51儲能電容52直流總線
53、54半橋開關電路55、56逆向二極管
57交流電源輸出插口
60,61儲能電容62、63半橋開關電路
64儲能電容
70、71儲能電容701第一直流總線
711第一直流總線
72、73全橋開關電路74交流電源輸出插口。
具體實施方式
首先請參閱圖1所示，為本發明五階式直流轉交流電源電路的詳細電路圖，其包 含有
一串/并聯電容器組1，其包含二個儲能電容10、11、一電子開關12及二個二極管 14、15，二個儲能電容10、11，是通過一電子開關12串聯連接，再連接于一直流總線13的正 極131及負極132，該二個儲能電容10、11的兩端亦各別連接至一電源電路，該電源電路連 接一直流電源，該電源電路供應電能給該二個儲能電容10、11 ;于本實施例中，此二個儲能 電容10、11的電容值相同，而電子開關12為一 IGBT或MOSFET等的電晶體元件；一個二極 管14的陽極連接至該電子開關12與其中一儲能電容11的串聯節點，而陰極則連接至該直 流總線的正極131 ;另一個二極管15的陽極連接至該直流總線的負極132，而陰極則連至該 電子開關12與另一儲能電容10的串聯節點；
一全橋開關電路20，是連接于該直流總線13的正極131及負極132之間，并包含 二個并聯的第一半橋開關電路21及第二半橋開關電路22，該第一半橋開關電路21由兩電 子開關211、212串聯組成，該第二半橋開關電路22由兩電子開關221、222串聯組成，其中 第一及第二半橋開關電路21、22的兩電子開關串聯節點是可通過一濾波電路23連接至一 交流電源輸出插口 25 ;請參閱圖2A所示，該濾波電路23為一階低通濾波器，亦可如圖2B所 示，該濾波電路23a亦可采用二階低通濾波器；此外，各電子開關為IGBT或MOSFET等的電 晶體元件，且各電晶體元件并聯一附屬二極管Dl D4 ;及
一控制器24，是連接該串/并聯電容器組I的電子開關12的控制端Q5及第一與 第二半橋開關電路21、22的電子開關211、212、221、222的控制端Ql Q4，并于交流電源的 各半周期內產生有三階電壓電平(含零電壓電平)變化。
請配合參閱圖3所示，為上述控制器24分別于正半周及負半周執行的時序圖；以 下謹進一步說明本發明輸出一個完整交流電壓Vs周期的控制過程，假設二個儲能電容10、 11的電壓均趨近于一直流電壓Vds。
1.交流電源Vs的正半周控制時序
于交流電源Vs正半周，本發明的全橋開關電路20應輸出三階電壓電平變化的正 電位電壓波形(含零電壓)；于交流電源Vs正半周時，控制器24令該第一半橋開關電路21 的下臂電子開關212及該第二半橋開關電路22的上臂電子開關221持續關閉。
當交流電源Vs小于Vds時，令電子開關12持續關閉不導通，此時二個儲能電容10、 11因電子開關12不導通而不再串聯，但卻通過二個二極管14、15構成并聯連接，而對全橋 開關電路20提供一倍直流電壓Vds。在此同時，控制器24輸出高頻脈寬調變信號(PWM)至 該第一半橋開關電路21的上臂電子開關211，使該上臂電子開關211進行導通與截止，并令 第二半橋開關電路22的下臂電子開關222持續導通，當上臂電子開關211導通時，該全橋 開關電路20輸出一倍正電位的直流電壓+Vds ;而當上臂電子開關211截止時，由于該濾波 電路23含電感器，其電流將使該第一半橋開關電路的下臂電子開關212的二極管D2導通， 使得該全橋開關電路20輸出零電壓。
當交流電源Vs小于Vds時，亦可為另一種操作方式，該控制器24輸出高頻脈寬調 變信號(PWM)至該第二半橋開關電路22的下臂電子開關222，使該下臂電子開關222進行 導通與截止，并令第一半橋開關電路21的上臂電子開關211持續導通，當下臂電子開關222 導通時，該全橋開關電路20輸出一倍正電位的直流電壓+Vds ;而當下臂電子開關222截止時，由于該濾波電路23含電感器，其電流將使該上臂電子開關221的二極管D3導通，該全橋開關電路20將輸出零電壓。綜合以上所述，當交流電源Vs正半周且小于Vds時，該全橋開關電路20輸出電壓將于電壓電平+Vds與零之間切換。
接著當交流電源Vs大于Vds時，該控制器24輸出一高頻脈寬調變信號(PWM)控制該電子開關12，使該電子開關12進行導通與截止，控制器24并令該第一半橋開關電路21 的上臂電子開關211及第該二半橋開關電路22的下臂電子開關222持續導通，當該電子開關12導通時，讓二個儲能電容10、11串聯連接，以對全橋開關電路20提供兩倍直流電壓 2Vds,該全橋開關電路20將輸出一兩倍正電位的直流電壓+2Vds ;而當該電子開關12截止時，該二個儲能電容10、11經由該二個二極管14、15并聯以對全橋開關電路20提供一倍直流電壓Vds，而該全橋開關電路20將輸出一倍正電位的直流電壓+Vds。因此，當交流電源Vs 正半周且大于Vds時,該全橋開關電路20輸出電壓將于電壓電平+2Vds與+Vds之間切換。
綜合以上所述，當交流電源Vs正半周時，該全橋開關電路20將隨著交流電源Vs的大小，輸出含三階電壓電平(+2￥&、+￥(13與0)變化的電壓波形。
2.交流電源Vs的負半周控制時序
于交流電源Vs負半周，本發明的全橋開關電路20應輸出三階電壓電平變化(含零電壓)的負電位電壓波形；于交流電源％負半周時，控制器24令該第一半橋開關電路21 的上臂電子開關211及該第二半橋開關電路22的下臂電子開關222持續關閉。
當交流電源Vs的絶對值小于Vds時，令電子開關12持續關閉不導通，此時二個儲能電容10、11因電子開關12不導通而不再串聯，但卻通過二個二極管14、15構成并聯連接， 而對全橋開關電路20提供一倍直流電壓Vds。在此同時，控制器24輸出高頻脈寬調變信號 (PWM)至該第一半橋開關電路21的下臂電子開關212，使該下臂電子開關212進行導通與截止，并令第二半橋開關電路22的上臂電子開關221持續導通，當上臂電子開關212導通時，該全橋開關電路20輸出一倍負電位的直流電壓-Vds ;而當下臂電子開關212截止時，由于該濾波電路23含電感器，其電流將使該上臂電子開關211的二極管Dl導通，該全橋開關電路20將輸出零電壓。
當交流電源Vs的絶對值小于Vds時，亦可為另一種操作方式，控制器24輸出高頻脈寬調變信號(PWM)至該第二半橋開關電路22的上臂電子開關221，使該電子開關221進行導通與截止，并令第一半橋開關電路21的下臂電子開關212持續導通，當電子開關221導通時，該全橋開關電路20輸出一倍負電位的直流電壓-Vds ;而當上臂電子開關221截止時， 由于該濾波電路23含電感器，其電流將使該下臂電子開關222的二極管D4導通，該全橋開關電路20將輸出零電壓。綜合以上所述，當交流電源Vs負半周且其絶對值小于Vds時，該全橋開關電路20輸出電壓將于電壓電平-Vds與零之間切換。
接著當交流電源Vs的絶對值大于Vds時，該控制器24輸出一高頻脈寬調變信號 (PWM)控制該電子開關12，使該電子開關12進行導通與截止，控制器24并令該第一半橋開關電路21的下臂電子開關212及第該二半橋開關電路22的上臂電子開關221持續導通， 當該電子開關12導通時，讓二個儲能電容10、11串聯連接，以對全橋開關電路20提供兩倍直流電壓2Vds，而該全橋開關電路20將輸出一兩倍負電位的直流電壓_2Vds ;而當該電子開關12截止時，該二個儲能電容10、11經由該二極管14及15并聯而輸出一倍 直流電壓Vds， 而該全橋開關電路20將輸出一倍負電位的直流電壓_Vds。因此，當交流電源Vs負半周且其絶對值大于Vds時，該全橋開關電路20輸出電壓將于電壓電平_2Vds與-Vds之間切換。
綜合以上所述，當交流電源Vs負半周時，該全橋開關電路20將隨著交流電源Vs的大小，輸出含三階電壓電平(_2￥(13、-￥(13與0)變化的電壓波形。
綜合以上正、負半周控制時序所述，本發明五階式直流轉交流電源電路主要控制該串/并聯電容器組I的該電子開關12的啟閉，令二個儲存電容10、11配合二個二極管 14、15為等效并聯或串聯，提供兩階電壓給全橋開關電路20，而該全橋開關電路20再將其轉換成含五階電壓(2￥&、￥(13、0、；(13與-2￥(13)的輸出電壓，經適當控制，該全橋開關電路20 輸出的五階電壓經該濾波電路23可產生一弦波輸出電流注入交流電源Vs。當二個儲存電容10、11配合二個二極管14、15為等效并聯供應該全橋開關電路20時，若二個儲存電容 IOUl的電壓不相等，則該二個儲存電容10、11中僅有較高電壓者將提供電能，而較低電壓者則不提供電能，這將使得較高電壓的儲存電容的電壓下降，使得二個儲存電容10、11自動達成電壓均等的效能，不須額外控制電路，相比于其它多階直流轉交流電源電路要控制其儲存電容電壓的均等，本發明五階式直流轉交流電源電路有其進步性，且相比于其它五階直流轉交流電源電路，本發明五階式直流轉交流電源電路只使用兩個二極管及五個電子開關，可有效簡化電力電路，降低制造成本，本發明的控制器確實只要控制五個開關即能將直流電源轉換為五階式電壓電平變化的交流電源后輸出，不僅電路精簡成本低 ，整體的控制方法亦不復雜，且較容易達到均壓的功效。
權利要求
1.一種五階式直流轉交流電源電路，包含有一串/并聯電容器組，其包含二個儲能電容、一個電子開關及二個二極管，該二個儲能電容通過該電子開關串聯連接，再連接于一直流總線的正極及負極之間，其中一個二極管的陽極連接至該電子開關與其中一儲能電容的串聯節點，而該其中一個二極管的陰極則連接至該直流總線的正極；另一個二極管的陽極連接至該直流總線的負極，而該另一個二極管的陰極則連至該電子開關與另一儲能電容的串聯節點；一全橋開關電路，連接于該直流總線的正極及負極之間，并包含二個并聯的第一半橋開關電路及第二半橋開關電路，該第一半橋開關電路及第二半橋開關電路均由一上臂電子開關及一下臂電子開關串聯組成，其中該第一及第二半橋開關電路的上臂及下臂電子開關串聯節點是連接至一交流電源輸出插口 ；及一控制器，是連接該串/并聯電容器組的該電子開關及該全橋開關電路的電子開關， 控制該串/并聯電容器組的該電子開關的啟閉，并且令二個儲存電容配合該二個二極管為等效并聯或串聯，提供兩階電壓給該全橋開關電路，控制該全橋開關電路的電子開關再將該兩階電壓轉換成含五階電壓電平的輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的五階式直流轉交流電源電路，該第一及第二半橋開關電路的串聯節點是通過一濾波電路連接至該交流電源輸出插口。
3.根據權利要求2所述的五階式直流轉交流電源電路，該濾波電路為一階低通濾波器。
4.根據權利要求2所述的五階式直流轉交流電源電路，該濾波電路為二階低通濾波 器。
5.根據權利要求1至4任一所述的五階式直流轉交流電源電路，各該電子開關為一 IGBT或MOSFET等的電晶體元件并聯一附屬二極管。
6.根據權利要求5所述的五階式直流轉交流電源電路，該二個儲能電容的電容值相同，且該每一個儲能電容提供一倍直流電壓。
7.根據權利要求6所述的五階式直流轉交流電源電路，當交流電源為正半周，該第一半橋開關電路的下臂電子開關及該第二半橋開關電路的上臂電子開關持續關閉，當交流電源小于一倍直流電壓時，令該串/并聯電容器組的該電子開關持續關閉不導通，該二個儲能電容通過該二個二極管構成并聯連接，而對全橋開關電路提供一倍直流電壓，而該第一半橋開關電路的上臂電子開關及第二半橋開關電路的下臂電子開關中之一進行脈寬調變切換，而另一個則持續導通，該全橋開關電路的輸出電壓將于一倍直流電壓及零電壓間切換；接著當交流電源大于一倍直流電壓時，該串/并聯電容器組的該電子開關進行脈寬調變切換，而該第一半橋開關電路的上臂電子開關及第該二半橋開關電路的下臂電子開關持續導通，該全橋開關電路輸出電壓將于兩倍直流電壓與一倍直流電壓之間切換。
8.根據權利要求7所述的五階式直流轉交流電源電路，當交流電源為負半周，該第一半橋開關電路的上臂電子開關及該第二半橋開關電路的下臂電子開關持續關閉，當交流電源的絶對值小于一倍直流電壓時，令該串/并聯電容器組的該電子開關持續關閉不導通， 該二個儲能電容通過該二個二極管構成并聯連接，而對全橋開關電路提供一倍直流電壓， 而該第一半橋開關電路的下臂電子開關及第二半橋開關電路的上臂電子開關中之一進行脈寬調變切換，而另一個則持續導通，該全橋開關電路的輸出電壓將于負的一倍直流電壓及零電 壓間切換；接著當交流電源的絶對值大于一倍直流電壓時，該串/并聯電容器組的該電子開關進行脈寬調變切換，而該第一半橋開關電路的下臂電子開關及第該二半橋開關電路的上臂電子開關持續導通，該全橋開關電路輸出電壓將于負的兩倍直流電壓與負的一倍直流電壓之間切換。
全文摘要
本發明涉及一種五階式直流轉交流電源電路，主要包含有串/并聯電容器組及一全橋開關電路，該串/并聯電容器組包含二個儲能電容，該兩個儲能電容是通過一電子開關串聯連接后與一直流電源電路連接，再以二個二極管分別將此二個儲能電容的另一端連接至該直流電源的正極及負載；當該電子開關在啟閉不同狀態下，二個儲能電容分別為串聯及并聯連接，分別提供該全橋開關電路兩倍直流電壓及一倍直流電壓，此時全橋開關電路再依據正半周或負半周建立不同放電路徑，交替輸出正半周的三階式電壓電平及負半周的三階式電壓電平的交流電壓，實現以五個電子開關將直流電源轉換為五階式電壓電平變化的交流電源后輸出，不僅電路精簡、成本低。
文檔編號H02M7/483GK103001516SQ20111026705
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者吳晉昌, 麥明斌, 蔣文榮, 周佳緯, 何茂彰 申請人:盈正豫順電子股份有限公司