多阶交流/直流电力转换方法及其装置与流程

本发明关于一种多阶交流/直流电力转换方法及其装置；特别是关于一种提升电能转换效率的多阶交流/直流电力转换方法及其装置。

背景技术：
一般而言，常用交流/直流转换电路采用二极管整流器或闸流体相控整流器。然而，二极管整流器及闸流体相控整流器的输入交流电流含有严重谐波失真及较低输入功因，因此无法满足谐波管制规范。另外，常用交流/直流转换电路亦采用高频电力转换器，且其采用桥式电力电子开关架构，通过高频脉宽调变技术使输入电流趋于弦波，且与该交流电源的电压同相位，以便达成接近单位输入功因。然而，高频电力转换器的电力电子开关进行高频切换时，每一次切换的电压变化较高，必然产生较高的切换损失，因而降低电力转换效率。举例而言，有关各种电力转换装置揭示于部分国内外专利，例如：美国专利公开第20080031014号″AC/DCconvertercomprisingpluralconverters″及第20050156579号″multiphaseconverterwithzerovoltageswitching″的专利申请案等。前述专利及专利申请案仅为本发明技术背景的参考及说明目前技术发展状态而已，其并非用以限制本发明的范围。为了降低高频切换损失，必须降低电力电子开关每一次切换的电压，因此发展出多阶交流/直流电力转换电路，其架构包含二极管筘位式、飞轮电容式及叠接桥式等。在多阶交流/直流电力转换电路中电力电子开关每一次切换的电压降低，并在输入端产生较多阶的交流电压，因此可降低电力电子开关的切换损失，提高电力转换效率，且可降低滤波电感及电磁干扰，如此能有效降低被动元件及散热器成本。在前述三种多阶交流/直流电力转换器架构中，在产生相同阶数的交流电压时，以叠接桥式架构的使用电力电子元件最少。然而，常用叠接桥式架构的交流/直流电力转换器中每一个桥式电力转换器均作高频切换，因此其产生较大切换损失，且其还存在一个严重的限制，即每一个桥式电力转换器均必须输出直流电力。因此，常用叠接桥式架构的交流/直流电力转换器形成具有多个无共用接点的直流输出，所以必须利用另一额外电力转换电路整合多个直流输出方能形成为单一直流输出，因而造成电路复杂及增加制造成本。

技术实现要素：
本发明较佳实施例的主要目的是提供一种多阶交流/直流电力转换方法及其装置，将该多阶交流/直流电力转换装置连接在一交流电源及一负载之间，将该交流电源产生的电力转换成一稳定直流电力供应至该负载，以达成提升电能转换效率、减少体积、降低制造成本及降低电磁干扰的目的。为了达成上述目的，本发明采用以下技术方案：多阶交流/直流电力转换方法包含：在一交流电源及一负载之间连接一高频电力转换器及一低频电力转换器；该低频电力转换器具有一交流埠及该高频电力转换器具有一交流埠，且将该高频电力转换器的交流埠与该低频电力转换器的交流埠连接形成串联连接，以形成一叠接全桥式多阶整流架构；将该低频电力转换器的操作频率与一交流电源的频率同步操作；将该高频电力转换器以高频脉宽调变进行操作控制，以使该高频电力转换器与该低频电力转换器的串联连接组合产生一多阶交流电压；通过控制该多阶交流电压，以获得一交流输入埠的电流趋于一弦波且与该交流电源的电压同相位，以达成趋于单位输入功因，且控制该低频电力转换器输出一直流电压经一直流输出埠供给一负载。为了达成上述目的，本发明提供一种多阶交流/直流电力转换装置，包含：一交流输入埠，其连接一交流电源；一高频电力转换器，其包含一交流埠；一低频电力转换器，其包含一交流埠及一直流埠，该高频电力转换器的交流埠与该低频电力转换器的交流埠连接形成串联连接，以形成一叠接全桥式多阶整流架构；一滤波电路，其连接于该高频电力转换器的该交流埠及该交流输入埠之间，以便进行谐波滤除；及一直流输出埠，其连接至该低频电力转换器的直流埠，该直流输出埠输出一直流电能供应至少一负载；其中将该低频电力转换器的操作频率与一交流电源的频率同步操作，将该高频电力转换器以高频脉宽调变进行操作控制，以使该高频电力转换器与该低频电力转换器的串联连接组合产生一多阶交流电压，通过控制该多阶交流电压，以获得该交流输入埠的电流趋于一弦波且与该交流电源的电压同相位，以达成趋于单位输入功因，且控制该低频电力转换器输出一直流电压经该直流输出埠供给该负载。本发明较佳实施例的该高频电力转换器包含三个单相全桥式电力转换器及三个直流电容。本发明较佳实施例的每个该单相全桥式电力转换器包含一交流埠，且每个该交流埠具有一第一端及一第二端。本发明较佳实施例的该低频电力转换器包含一三相二极管整流器、一直流电容、一直流埠及一交流埠。本发明较佳实施例的该低频电力转换器的交流埠包含三个交流端，且该三个交流端分别连接至该三个单相全桥式电力转换器的交流埠的第二端。本发明较佳实施例利用该三个单相全桥式电力转换器的直流电压调节进行控制该低频电力转换器的直流埠的输出电压，以使该三个单相全桥式电力转换器没有实功进出。本发明较佳实施例的该三个单相全桥式电力转换器的直流汇流排只分别连接至该直流电容，不作直流电力的输出，不须额外电力转换电路整合其直流输出至该直流输出埠。本发明较佳实施例的该三个单相全桥式电力转换器的直流电压约为该低频电力转换器的直流埠电压的一半。本发明较佳实施例的该高频电力转换器包含两个单相全桥式电力转换器及两个直流电容，该单相全桥式电力转换器具有一交流埠，且该交流埠具有一第一端及一第二端，该低频电力转换器的交流埠具有一第一交流端、一第二交流端及一第三交流端，选择该低频电力转换器的交流埠的第一交流端及第二个交流端分别连接至该两个单相全桥式电力转换器的交流埠的第二端，该低频电力转换器的交流埠的第三交流端直接经该滤波电路后连接至该交流输入埠。本发明较佳实施例的该交流输入埠提供一额外端点连接至一三相四线式交流电源的中性线，而该低频电力转换器具有两个直流电容，且将该两个直流电容之串联连接点连接至该交流输入埠的额外端点。本发明的优点在于：本发明提供的多阶交流/直流电力转换方法及其装置，采用叠接桥式多阶交流/直流电力转换器架构，由一高频电力转换器及一低频电力转换器串联连接形成，该低频电力转换器的直流电压较高，因此采用低频切换，而该高频电力转换器的直流电压较低，因此采用高频切换，相较于常用叠接桥式架构更进一步减少切换损失及提升电能转换效率，且只有该低频电力转换器进行直流电能输出，该高频电力转换器无实功进出，因此不须任何额外电力转换电路整合其直流输出，因而进一步简化交流/直流电力转换器的架构，且有效降低制造成本。附图说明图1是本发明第一较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的架构示意图。图2a及图2b是本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置采用滤波电路的示意图。图3是本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置采用控制器的方块示意图。图4是本发明第二较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的示意图。图5是本发明第三较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的示意图。附图标号：1交流电源1’三相三线式交流电源1”三相四线式交流电源2多阶交流/直流电力转换装置20交流输入埠200平均值电路201第一减法器202第一控制器203第二减法器204第二控制器205参考弦波产生器206乘法器207第三减法器208第三控制器209脉宽调变电路21高频电力转换器210全桥式电力转换器211全桥式电力转换器212全桥式电力转换器213直流电容214直流电容215直流电容216交流埠217交流埠218交流埠22低频电力转换器220三相二极管整流器221直流电容222直流埠223交流埠23滤波电路24直流输出埠3负载具体实施方式为了充分了解本发明，于下文将举例较佳实施例并配合附图作详细说明，但其并非用以限定本发明。本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换方法及其装置适用于各种交流/直流电力转换装置，但其并非用以限制本发明的范围。另外，本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置适合使用于各种交流电源，例如：三相三线式交流电源或三相四线式交流电源。图1揭示本发明第一较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的架构示意图。请参照图1所示，该多阶交流/直流电力转换装置2连接于一交流电源1及一负载3之间，利用该多阶交流/直流电力转换装置2将交流电能转换成直流电能，并将所转换产生的直流电压供应至负载3。交流电源1选自一三相三线式交流电源。请再参照图1所示，该多阶交流/直流电力转换装置2包含一交流输入埠20、一高频电力转换器21、一低频电力转换器22、一滤波电路23及一直流输出埠24。该交流输入埠20连接至交流电源1，直流输出埠24连接至负载3，高频电力转换器21包含一交流埠，低频电力转换器22包含一直流埠222及一交流埠223。请再参照图1所示，本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换方法包含步骤：在交流电源1及负载3之间需设置或连接高频电力转换器21及低频电力转换器22；另包含步骤：将高频电力转换器21的交流埠与低频电力转换器22的交流埠串联连接，以形成一叠接全桥式多阶整流架构。请再参照图1所示，将交流输入埠20电性连接至交流电源1，再将高频电力转换器21及低频电力转换器22的交流埠串联连接，并将高频电力转换器21的交流埠经由滤波电路23电性连接至交流输入埠20。将低频电力转换器22的直流埠222电性连接至直流输出埠24，再将直流输出埠24电性连接至负载3。请再参照图1所示，本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换方法另包含步骤：将低频电力转换器22的操作频率与交流电源1的频率同步操作；另包含步骤：需将高频电力转换器21以高频脉宽调变〔highfrequencyPWM〕进行操作控制，以使高频电力转换器21与低频电力转换器22的串联连接组合产生一多阶交流电压〔multilevelACvoltage〕，通过控制该多阶交流电压，获得交流输入埠20的电流趋于一弦波且与交流电源1的电压同相位，以达成趋于单位输入功因，且使低频电力转换器22输出一直流电压经直流输出埠24供给负载3。请再参照图1所示，高频电力转换器21包含三个单相全桥式电力转换器210、211、212及三个直流电容213、214、215。该单相全桥式电力转换器210、211、212分别包含一交流埠216、217、218，且每个交流埠216、217、218具有一第一端及一第二端。每个交流埠216、217、218的第一端经滤波电路23连接至交流输入埠20。相对的，低频电力转换器22包含一三相二极管整流器220、一直流电容221、一直流埠222及一交流埠223，且该三相二极管整流器220及直流电容221设置于直流埠222及交流埠223之间。低频电力转换器22的交流埠223包含三个交流端，且该三个交流端分别连接至该单相全桥式电力转换器210、211、212的交流埠216、217、218的第二端，以便形成串联连接架构。请再参照图1所示，高频电力转换器21的三个单相全桥电力转换器210、211、212采用高频脉宽调变控制，使高频电力转换器21与低频电力转换器22组成的串接架构可产生一多阶的交流电压。通过该三个单相全桥电力转换器210、211、212的直流电压的调节以控制低频电力转换器22的直流埠222的电压，以使三个单相全桥式电力转换器210、211、212没有实功进出，因此三个单相全桥式电力转换器210、211、212的直流汇流排只分别连接至直流电容213、214、215，而不须额外电力转换电路整合其直流输出至直流输出埠24。该三个单相全桥式电力转换器210、211、212的直流电压约为低频电力转换器22的直流埠222的电压的1/2。举例而言，若将低频电力转换器22直流埠222的电压设为Vdc时，单相全桥式电力转换器210、211、212的直流电压约为Vdc/2，则低频电力转换器22与三个单相全桥式电力转换器210、211、212的串接架构产生一多阶交流的线电压。将该三个单相全桥式电力转换器210、211、212进行高频脉宽调变控制，使得交流输入埠20的输入电流趋于一弦波，且与交流电源1的电压同相位，以达成趋于单位输入功因。本发明控制输入电流的振幅可控制交流输入埠20输入的实功，以便进行直流输出埠24的电压的稳压控制。图2a及图2b揭示本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置可选择采用滤波电路的示意图，其对应于图1的滤波电路23。请参照图2a所示，该滤波电路23包含数个电感器。请参照图2b所示，该滤波电路23包含数个电感器及数个电容器。图3揭示本发明较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置采用控制器的方块示意图，其对应于图1的多阶交流/直流电力转换装置2。请参照图1及图3所示，将三个单相全桥式电力转换器210、211、212的直流电容213、214、215的电压进行检出。将直流电容213、214、215的电压检出后送至一平均值电路200，再将该平均值电路200的输出与一设定电压于一第一减法器201进行比较，以便获得一比较结果。将该比较结果送至一第一控制器202，该第一控制器202的输出为低频电力转换器22的直流埠222的电压参考值。将第一控制器202的输出与低频电力转换器22的直流埠222的检出电压于一第二减法器203进行比较，以便获得一比较结果。将该比较结果送至一第二控制器204，且该第二控制器204的输出为交流输入埠20的三相交流输入电流的参考信号的振幅。将检出的交流电源1的电压送至一参考弦波产生器205，以便产生三个具单位振幅的参考弦波，该三个参考弦波与交流电源1的电压同相位。将第二控制器204的输出分别送至三个乘法器206与参考弦波产生器205的三个参考弦波进行相乘。该三个乘法器206的输出为三相交流输入电流的参考信号，且将该三个乘法器206的输出与检出的三相交流输入电流送至一第三减法器207进行比较，以便获得一比较结果。将该比较结果送至一第三控制器208，再将该第三控制器208的输出送至一脉宽调变〔PWM〕电路209，以便产生单相全桥式电力转换器210、211、212中电力电子开关的控制信号。图4揭示本发明第二较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的示意图，其对应于图1的多阶交流/直流电力转换装置2。请参照图1及图4所示，交流电源1选自一三相三线式交流电源1’。利用多阶交流/直流电力转换装置2将三相三线式交流电源1’的交流电能转换成直流电能，并将所转换产生的一直流电压供应至负载3。与图1所示第一较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的电路架构作比较，第二较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置不同处仅在于高频电力转换器21。第二较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置中高频电力转换器21包含两个单相全桥式电力转换器210、211及两个直流电容，且选择低频电力转换器22的交流埠223的两个交流端分别连接至单相全桥式电力转换器210、211的交流埠216、217的第二端，低频电力转换器22的交流埠223的其余一个交流端直接经滤波电路23连接至交流输入埠20。图5示揭示本发明第三较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的示意图，其对应于图1的多阶交流/直流电力转换装置2。请参照图1及图5所示，交流电源1选自一三相四线式交流电源1”。利用多阶交流/直流电力转换装置2将三相四线式交流电源1”的交流电能转换成直流电能，并将所转换产生的一直流电压供应至该负载3。与图1所示第一较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置的电路架构作比较，第三较佳实施例的多阶交流/直流电力转换装置不同处仅在于低频电力转换器22及交流输入埠20，交流输入埠20提供一个额外端点连接至三相四线式交流电源1”的中性线，而低频电力转换器22的直流电容221由两个直流电容串联连接组成。将该两个直流电容串联连接点连接至交流输入埠20所增加的额外端点。前述较佳实施例仅举例说明本发明及其技术特征，该实施例的技术仍可适当进行各种实质等效修饰及/或替换方式予以实施；因此，本发明的权利范围须视后附权利要求所界定的范围为准。