转换器与其控制方法与流程

本发明涉及一种电力电子装置，特别是一种转换器及其控制方法。

背景技术：

现有的逆变器中，在不同电力来源之间切换的过程中，由于切换开关本身的延迟特性，会导致输出电压不连续及波形变形等现象，无法维持稳定的供电品质。

因此，如何改良逆变器，使得逆变器在正常电力与备援电力切换的过程中维持输出电压的波形一致，避免供电不稳造成负载端的不良影响，实为本技术领域的重要课题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种转换器及其控制方法，可使得逆变器在正常电力与备援电力切换的过程中维持输出电压的波形一致，避免供电不稳造成负载端的不良影响。

为了实现上述目的，本发明提供了一种转换器。转换器包含第一开关单元，用以选择性地在导通转换器的第一输入端与输出端与导通转换器的第二输入端与输出端之间切换，其中第一输入端用以接收交流电源，第二输入端用以接收直流电源；第二开关单元，用以在第一开关单元的切换过程中导通第一输入端与输出端；以及直流交流转换单元，电性连接于第二输入端与第一开关单元之间，用以在第一开关单元切换至导通第二输入端与输出端时，操作在电流控制模式下将直流电源转换为交流电。

在本发明内容的部分实施例中，直流交流转换单元还用以在第一开关单元切换至导通第一输入端与输出端时，操作在电压控制模式下将直流电源转换为交流电。

在本发明内容的部分实施例中，转换器还包含：一处理单元，用以输出一 控制信号至直流交流转换单元，以控制直流交流转换单元在电流控制模式下输出至输出端的一输出电流自零递增至目标值。

在本发明内容的部分实施例中，转换器还包含：一处理单元，用以输出一切换信号至第二开关单元，当第二开关单元接收到切换信号时，第二开关单元导通第一输入端与输出端。

在本发明内容的部分实施例中，处理单元还用以输出切换信号至第一开关单元，当第一开关单元接收到切换信号时，第一开关单元导通第二输入端与输出端。

在本发明内容的部分实施例中，转换器还包含：一处理单元，用以输出一关断信号至第二开关单元，当第二开关单元接收到关断信号时，第二开关单元关断第一输入端与输出端。

在本发明内容的部分实施例中，处理单元于交流电源的零交越点输出关断信号。

在本发明内容的部分实施例中，第一电源与第二电源彼此独立。

在本发明内容的部分实施例中，第一开关单元的导通损失小于第二开关单元的导通损失，第二开关单元的切换延迟时间小于第一开关单元的切换延迟时间。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种转换器。转换器包含：第一开关单元，用以在转换器的第一模式下导通转换器的第一支路，以自转换器的第一输入端接收交流电源并将第一电源输出至转换器的输出端，在转换器的第二模式下导通转换器的第二支路；第二开关单元，用以在转换器于第一模式与第二模式之间切换时导通转换器的第一支路；以及直流交流转换器，设置于第二支路，用以在转换器自第一模式切换至第二模式时，操作在电流控制模式下，以自转换器的第二输入端接收直流电源，并输出输出电流至输出端。

在本发明内容的部分实施例中，转换器还包含一处理单元，处理单元用以输出一切换信号至第一开关单元以及第二开关单元，转换器根据切换信号在第一模式和第二模式之间切换。

在本发明内容的部分实施例中，当转换器自第二模式切换至第一模式时，处理单元控制第二开关单元在第一电源的零交越点导通第一支路。

在本发明内容的部分实施例中，当转换器自第二模式切换至第一模式时， 处理单元控制直流交流转换器操作在电压控制模式下与第一电源同步。

在本发明内容的部分实施例中，处理单元还用以输出一关断信号至第二开关单元，第二开关单元根据关断信号关断。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种转换器的控制方法。转换器包含一第一开关单元、一第二开关单元以及一处理单元，控制方法包含：通过第一开关单元导通转换器的一第一输入端与一输出端；当处理单元输出一第一切换信号时，通过第二开关单元导通第一输入端与输出端，通过第一开关单元导通转换器的一第二输入端与输出端；通过处理单元输出第一控制信号至直流交流转换单元，以控制直流交流转换单元操作在电流控制模式下输出输出电流至输出端，以及当处理单元输出一关断信号时，关断第二开关单元。

在本发明内容的部分实施例中，控制方法还包含：自第一输入端接收一第一电源；以及自第二输入端接收一第二电源，其中第一电源与第二电源彼此独立，第一电源为交流电源，第二电源为直流电源。

在本发明内容的部分实施例中，处理单元于第一电源的零交越点输出关断信号。

在本发明内容的部分实施例中，控制方法还包含：当处理单元输出第二切换信号时，通过第二开关单元导通第一输入端与输出端，通过第一开关单元导通第一输入端与输出端；以及当处理单元输出关断信号时，关断第二开关单元。

在本发明内容的部分实施例中，处理单元于第一电源的零交越点输出第二切换信号

在本发明内容的部分实施例中，控制方法还包含：通过处理单元输出第二控制信号至直流交流转换单元，以控制直流交流转换单元操作在电压控制模式下与第一电源同步。

本发明的技术效果在于：

本发明在切换延迟时间较长的开关单元在导通第一支路与导通第二支路之间进行切换时，转换器可通过即时导通开关单元维持稳定输出。由于开关单元导通第一支路，开关单元断开第一支路的时间点不需受到电源零交越点的限制。当开关单元导通第二支路后，直流交流转换单元的输出电流也可通过控制单元的控制逐渐提高，使电源300取代电源200，作为供应负载的电力来源，使得输出电压vout的波形和相位连续，提升供电品质，而避免暂态时输出电 压的不稳定，如波形变形、电压中断等现象的发生。如此一来，转换器便可适用于对于供电品质有较高要求的负载。

此外，开关单元完成切换后，开关单元可在适当时间点关断。换言之，开关单元仅需要在暂态时导通，因此可避免稳态时电流流经开关单元所导致较大的导通损失。此外，开关单元的选用仅需考虑短时间暂态的耐流，不须于转换器的操作中全程维持导通，因此可降低元件额定值，达到节省元件成本、减少元件体积等效果。在部分应用当中，由于稳态时开关单元所产生的导通损失较低，也使得转换器转换效率提高，并避免过高导通损失导致的散热问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为根据本发明一实施例所绘示的电源分配器的示意图；

图2为根据本发明一实施例所绘示的转换器控制方法的流程图；

图3～图6为根据本发明一实施例所绘示的图2中控制方法的操作示意图。

其中，附图标记

100转换器

112、114输入端

116输出端

120、160、180电磁滤波单元

130、150开关单元

140过电流保护单元

170直流交流转换单元

190处理单元

200、300电源

400负载

500控制方法

s510～s550步骤

vac、vdc、v1、vload电压

i1、iload电流

s1～s3、sa～sd信号

n1、n2、nc触点

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

下文举实施例配合附图作详细说明，以更好地理解本发明内容，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，根据本领域的标准及惯常做法，附图仅以辅助说明为目的，并未依照原尺寸作图，实际上各种特征的尺寸可任意地增加或减少以便于说明。下述说明中相同元件将以相同的符号标示来进行说明以便于理解。

在全篇说明书与权利要求书所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此发明的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本发明的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本发明的描述上额外的引导。

此外，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指“包含但不限于”。此外，本文中所使用的“及/或”，包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。

于本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”。“连接”或“耦接”亦可用以表示二或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”、……等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。

请参考图1。图1为根据本发明一实施例所绘示的转换器100的示意图。如图1所示，转换器100包含开关单元130、150，直流交流转换单元170以及处理单元190。在部分实施例中，开关单元130、150为不同种类的开关。在部分实施例中，开关单元130的导通损失小于开关单元150的导通损失，开关单元150的切换延迟时间小于开关单元130的切换延迟时间。举例来说，开 关单元130可以包含继电器(relay)或其他导通损失较低的开关元件。开关单元150可以包含半导体开关元件，如硅控整流器(siliconcontrolledrectifier，scr)、绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)、金氧半场效晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)等等，或其他可瞬时导通的开关元件。值得注意的是，以上开关元件的种类仅为示例，并非用以限制本发明。

转换器100包含第一输入端112、第二输入端114以及输出端116。第一输入端112用以接收电源200的交流电压vac，第二输入端114用以接收电源300的直流电压vdc，输出端116用以提供输出电压vload与输出电流iload至负载400。在部分实施例中，电源200和电源300彼此独立。举例来说，电源200可为连接至市电的交流电。电源300可为由电池提供的直流电源。

在部分实施例中，开关单元130用以选择性地在导通转换器100的第一输入端112与输出端116与导通转换器100的第二输入端114与输出端116之间切换。如图1所示，开关单元130的第一触点n1电性连接于第一输入端112，开关单元130的第二触点n2电性连接于第二输入端114，开关单元130的共触点nc电性连接于输出端116。当处理单元190输出的控制信号s1控制开关单元130的共触点nc与开关单元130的第一触点n1闭合、第二触点n2断开时，开关单元130导通转换器100的第一输入端112与输出端116。另一方面，当处理单元190输出的控制信号s1控制开关单元130的共触点nc与开关单元130的第一触点n1断开、第二触点n2闭合时，开关单元130导通转换器100的第二输入端114与输出端116。

开关单元150电性连接于第一输入端112与输出端116之间，用以在开关单元130的切换过程中导通第一输入端112与输出端116。开关单元150的导通与关断可通过处理单元190输出的控制信号s2进行控制。

直流交流转换单元170电性连接于第二输入端114与开关单元130的第二触点n2之间，用以自第二输入端114接收电源300提供的直流电，并转换为交流电形式。具体来说，直流交流转换单元170可由处理单元输出的控制信号s3进行控制，并相应操作于电压控制模式或电流控制模式下，以控制直流交流转换单元170输出的输出电压或输出电流。在部分实施例中，控制信号s3可为脉冲宽度调变(pulsewidthmodulation，pwm)信号，通过调整责任周 期(dutycycle)控制直流交流转换单元170的输出。值得注意的是，直流交流转换单元170可由各种交换式电源电路实现，例如全桥逆变器(full-bridgeinverter)、半桥逆变器(half-bridgeinverter)等等，但本发明并不以此为限。

处理单元190电性连接于开关单元130、150以及直流交流转换单元170，并分别输出控制信号s1、s2、s3控制开关单元130、150的切换以及直流交流转换单元170的输出电压与输出电流。如此一来，通过处理单元190控制开关单元150的启闭，便可确保在开关单元130的切换过程中，转换器100仍然可以稳定地提供输出电压vload至负载400。在部分实施例中，处理单元190还可通过控制直流交流转换单元170的输出，维持输出电压vload大小与相位，其具体的控制方法与策略将在后续段落中搭配相关附图进行详细说明。

此外，在部分实施例中，转换器100可包含电磁滤波单元120、160、180以及过电流保护单元140等元件，维持输出电压vload的稳定以及转换器100内部器件的安全。如图1所示，电磁滤波单元120电性连接于第一输入端112，可用以滤除电源200中的噪点。电磁滤波单元160电性连接于第二输入端114，可用以滤除电源300中的噪点。电磁滤波单元180电性连接于输出端116，可用以滤除经由开关单元130或开关单元150输出至输出端116的输出电压vload中的噪点。过电流保护单元140可为保险丝(fuse)或其他无熔丝断路器，电性连接于电磁滤波单元120与开关单元130及开关单元150之间。当市电异常或故障发生，导致自电源200流入转换器100的电流过高时，过电流保护单元140可断开电源，避免内部器件损毁。

请参考图2。图2为根据本发明一实施例所绘示的转换器100的控制方法500的流程图。为方便说明起见，图2中所绘示的控制方法500将搭配图3～图6进行说明。图3～图6为图2所绘示的控制方法500的操作示意图。

如图2所示，控制方法500包含步骤s510、s520、s530、s540以及s550。首先，在步骤s510中，转换器100自第一输入端112接收电源200，自第二输入端114接收电源300。在部分实施例中，电源200为交流电源，电源300为直流电源。举例来说，电源200可为110伏特或220伏特的交流市电，电源300可为独立于市电电网的电池。

接着，在步骤s520中，如图3所示，转换器100通过开关单元130导通转换器100的第一输入端112与输出端116。处理单元190输出相应的控制信 号s1与控制信号s2，分别控制开关单元130导通其第一触点n1与共触点nc，开关单元150断开。

换句话说，此时转换器100操作于市电供电模式下，开关单元130导通连接第一输入端112与输出端116的第一支路，使得转换器100自第一输入端112接收电源200的交流电压vac，并将电源200提供的电力输出至输出端116，提供输出电压vload至负载400。

接着，在步骤s530中，处理单元190输出第一切换信号sa、sb。当处理单元190输出第一切换信号sa、sb时，转换器100自市电供电模式切换至逆变器供电模式。此时开关单元150根据第一切换信号sb导通第一输入端112与输出端116(即：开关单元150导通第一支路)，开关单元130根据第一切换信号sa导通连接第二输入端114与输出端116的第二支路。值得注意的是，在部分实施例中，处理单元190可以相同的输出信号作为第一切换信号sa输出至开关单元130并同时作为第一切换信号sb输出至开关单元150。在部分实施例中，处理单元190亦可分别输出不同的输出信号至开关单元130与开关单元150作为第一切换信号sa、sb。附图中仅为本发明可能的实施方式的示例，并非用以限制本发明。

如图4所示，在部分实施例中，由于开关单元130为继电器或其他导通损失较低的开关元件，在开关单元130从开始进行切换(即：断开第一触点n1与共触点nc)，直到切换完成(即：闭合第二触点n2与共触点nc)之间有一段延迟时间。在这段延迟时间当中，切换延迟时间较短的开关单元150已经完成瞬时导通，因此，转换器100可经由开关单元150自电源200接收交流电压vac，并提供输出电压vload至负载400。

如图5所示，当开关单元130已经完成切换后，开关单元130导通第二输入端114与输出端116，开关单元150依然维持导通。接着，在步骤s540中，处理单元190输出控制信号sc至直流交流转换单元170，以控制直流交流转换单元170输出至输出端116的输出电流i1。具体来说，控制信号sc相应于处理单元190内所计算的电流指令。当开关单元150处于导通状态时，输出电压vload仍然被电源200所决定。因此，处理单元190的控制信号sc控制第二支路中的直流交流转换单元170操作在电流控制模式下，并将电流指令自零逐渐提高至匹配于输出电流iload。如此一来，直流交流转换单元170的输出 电流i1便可通过控制信号sc进行控制并追随电流指令自零递增至目标值。换言之，输出电流i1会根据控制信号sc的控制逐渐增加，直到负载400所需的输出电流iload全数由直流交流转换单元170提供。

最后，进入步骤s550。如图6所示，由于此时输出电流i1与输出电流iload相等，电源300直接提供负载所需的电力，因此处理单元190输出关断信号sd至开关单元150，关断开关单元150连接第一输入端112与输出端116之间的通路。在部分实施例中，处理单元190于电源200的零交越点输出关断信号sd关断开关单元150，以降低开关切换对输出电压vload的干扰。在部分实施例中，处理单元190输出关断信号后，输出电压vload可通过直流交流转换单元170进行控制。因此，处理单元190可输出控制信号sc至直流交流转换单元170，控制原本操作在电流控制模式下的直流交流转换单元170切换至电压控制模式，并相应控制直流交流转换单元170所输出的电压v1的大小。

在部分实施例中，处理单元190可输出第二切换信号，使得转换器100根据第二切换信号sc自逆变器供电模式切换至市电供电模式。具体来说，处理单元190的第二控制信号sc控制第二支路中的直流交流转换单元170操作在电压控制模式下，使得直流交流转换单元170通过锁相电路与电源200(如：市电)同步。如此一来，处理单元190便可于电源200的零交越点输出控制信号sa、sb分别导通开关单元130、150。据此，开关单元150可于零交越点进行软切换(softswitching)，导通第一输入端112与输出端116(即：第一支路)。当第一支路导通后，转换器100便由电源200提供输出电流iload。当切换延迟时间较长的开关单元130完成切换后，电流可经由开关单元130自第一输入端112输出至输出端116，此时处理单元190可输出关断信号sd，关断开关单元150以减少导通损失。相似地，在部分实施例中，处理单元190于电源200的零交越点输出关断信号sd关断开关单元150，以降低开关切换对输出电压vload的干扰。

相较于自市电供电模式切换至逆变器供电模式时，通过直流交流转换单元170操作在电流控制模式下确保输出电流iload由电源200所提供转移到由电源300所提供，当转换器100自逆变器供电模式切换至市电供电模式时，直流交流转换单元170可操作在电压控制模式。换言之，在部分实施例中，直流交流转换单元170在两种切换过程中分别操作在不同的控制模式下，使得转换器 100在切换过程中，维持稳定输出。由于具体的切换步骤与转换器100自市电供电模式切换至逆变器供电模式相似，本领域技术人员可基于上述实施例中的步骤s510～s550理解转换器100自逆变器供电模式切换至市电供电模式的方法，故不再于此赘述。

本领域技术人员可直接了解此控制方法500如何基于上述多个不同实施例中的转换器100以执行该等操作及功能，故不再于此赘述。

于上述的内容中，包含示例性的步骤。然而此些步骤并不必需依序执行。在本实施方式中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行。

在上述多个实施例中，处理单元190可由微控制器(microcontrollerunit，mcu)、复杂型可编程逻辑元件(complexprogrammablelogicdevice，cpld)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)等多种方式实作。电磁滤波单元120、160、180，过电流保护单元140以及直流交流转换单元170，皆可由各种适当的电力电子元件实现。

综上所述，本发明通过应用上述实施例，在切换延迟时间较长的开关单元130在导通第一支路与导通第二支路之间进行切换时，转换器100可通过即时导通开关单元150维持稳定输出。由于开关单元150导通第一支路，开关单元130断开第一支路的时间点不需受到电源200零交越点的限制。当开关单元130导通第二支路后，直流交流转换单元170的输出电流i1也可通过控制单元190的控制逐渐提高，使电源300取代电源200，作为供应负载400的电力来源，使得输出电压vout的波形和相位连续，提升供电品质，而避免暂态时输出电压的不稳定，如波形变形、电压中断等现象的发生。如此一来，转换器100便可适用于对于供电品质有较高要求的负载400。

此外，开关单元130完成切换后，开关单元150可在适当时间点关断。换言之，开关单元150仅需要在暂态时导通，因此可避免稳态时电流流经开关单元150所导致较大的导通损失。此外，开关单元150的选用仅需考虑短时间暂态的耐流，不须于转换器100的操作中全程维持导通，因此可降低元件额定值，达到节省元件成本、减少元件体积等效果。在部分应用当中，由于稳态时开关单元130所产生的导通损失较低，也使得转换器100转换效率提高，并避免过高导通损失导致的散热问题。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。