具异常能量保护的电源转换系统及其操作方法与流程

本发明是有关一种具异常能量保护的电源转换系统及其操作方法，尤指一种防止异常能量涌入的具异常能量保护的电源转换系统及其操作方法。

背景技术：

请参见图1所示，其系为相关技术的具有防止异常能量涌入的保护机制的电路方块图。如图1所示，多个直流输入电源vdc1～vdcn所产生的直流输出通过相对应的直流升压转换器11a～1na进行升压，并且对后端的电容21a,22a供电，在每个电容21a,22a的两端提供稳定的直流输出电压，以供应后端电路40a，例如逆变转换电路所需的电力。

当电容21a,22a的一者，例如电容21a发生短路异常时，由于电容21a失效，因此，直流输入电源vdc1～vdcn产生的所有直流电压都将由另一电容，即仍为正常操作的电容22a所承受，如此，电容22a将因耐压不足造成电容22a损害导致电解液外泄，影响整个系统的操作。

因此，为解决上述问题，现有技术多采用在直流输入电源vdc1～vdcn与直流升压转换器11a～1na之间设置继电器开关31a～3na，藉此，当检测任一电容22a短路异常或过电压异常时，则控制继电器开关31a～3na关断，使直流输入电源vdc1～vdcn与直流升压转换器11a～1na解耦，以防止因直流输入电源vdc1～vdcn的持续供电，导致电容21a,22a损害，甚至对后端电路40a造成影响。

惟使用继电器开关31a～3na作为解耦之用，将存在下述的问题与缺点。1、能承受高达上千伏特的继电器开关31a～3na并非常见，再者，选用能承受高电压的继电器开关31a～3na也将付出更高的成本。2、使用继电器开关31a～3na的保护方式，在每一供电路径上都需要一个继电器开关31a～3na，因此占据不少印刷电路板的空间。3、在正常运转情况下，会产生发热的问题而造成效率不佳。4、继电器开关31a～3na的机械性结构，在长时间反复动作情况下，会有使用寿命降低与可靠度不佳的问题。5、继电器开关31a～3na的使用，通常需要额外搭配预充电(pre-charge)电路，造成增加电路设计与控制的复杂度问题。

因此，如何设计出一种具异常能量保护的电源转换系统及其操作方法，解决使用继电器开关作为异常能量涌入保护所造成的问题，乃为本案发明人所欲行克服并加以解决的一大课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具异常能量保护的电源转换系统，解决使用继电器开关作为异常能量涌入保护所造成的问题。

为达成前揭目的，本发明所提出的具异常能量保护的电源转换系统包含多个直流输入电源、多个直流电源转换器、两输出电容以及保护电路。各直流电源转换器的输入侧对应地耦接直流输入电源的一者，各直流电源转换器的输出侧相互并联耦接，以形成直流输出总线。两输出电容串联耦接于直流输出总线的正电压端与负电压端之间。保护电路耦接于直流输入电源与两输出电容之间。当两输出电容的一者发生异常时，保护电路短路解耦直流输入电源与两输出电容。

藉由所提出的具异常能量保护的电源转换系统，能够减少热损耗、提高效率，并且可增加印刷电路板的可利用面积以及保护电路高度扩充的优势。

本发明的另一目的在于提供一种具异常能量保护的电源转换系统的操作方法，解决使用继电器开关作为异常能量涌入保护所造成的问题。

为达成前揭目的，本发明所提出的具异常能量保护的电源转换系统的操作方法，其中具异常能量保护的电源转换系统包含多个直流输入电源、多个直流电源转换器以及两输出电容，操作方法包含(a)、提供保护电路，保护电路耦接于直流输入电源与两输出电容之间；(b)、检测两输出电容的一者是否发生异常；以及(c)、当两输出电容的一者发生异常时，控制保护电路短路解耦直流输入电源产生与两输出电容。

藉由所提出的具异常能量保护的电源转换系统的操作方法，能够减少热损耗、提高效率，并且可增加印刷电路板的可利用面积以及保护电路高度扩充的优势。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得到深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1：为相关技术防止异常能量涌入的保护机制的电路方块图。

图2a：为本发明具异常能量保护的电源转换系统的第一架构的电路方块图。

图2b：为本发明具异常能量保护的电源转换系统的第二架构的电路方块图。

图3：为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第一实施例的电路图。

图4：为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第二实施例的电路图。

图5：为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第三实施例的电路图。

图6：为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第四实施例的电路图。

图7：为本发明具异常能量保护的电源转换系统的操作方法的流程图。

其中，附图标记为：

vdc1～vdcn直流输入电源

11～1n直流电源转换器

20保护电路

21～2n保护单元

30直流输出总线

41第一输出电容

42第二输出电容

50控制单元

60后端电路

vb+正电压端

vb-负电压端

vbm中点电位端

sv电压状态信号

sc,sc’控制信号

l1～ln电感器

q1～qn半导体开关

ri,r1～rn电阻器

c1～cn电容器

dd,d1～dn二极管

qa第一半导体开关

qb,qb1～qbn第二半导体开关

11a～1na直流升压转换器

21a,22a电容

31a～3na继电器开关

40a后端电路

s10～s30步骤

具体实施方式

兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下。

请参见图2a，其为本发明具异常能量保护的电源转换系统的第一架构的电路方块图。具异常能量保护的电源转换系统包含多个直流输入电源vdc1～vdcn、多个直流电源转换器11～1n、两输出电容41,42、保护电路20以及控制单元50。在一实施例中，各直流输入电源vdc1～vdcn可为电流源型的电源所提供的直流电源，例如，但不限制为太阳能板所提供的直流电源。若以太阳能板为例，各直流输入电源vdc1～vdcn可为多片太阳能板串联所组成。

各直流电源转换器11～1n的输入侧对应地耦接直流输入电源vdc1～vdcn的一者。如图2a所示的n个直流电源转换器，分别为第一直流电源转换器11与第n直流电源转换器1n，为升压式直流对直流转换器，且可为隔离式直流转换器或非隔离式直流转换器。其中，第一直流电源转换器11的输入侧对应地耦接第一直流输入电源vdc1，且第n直流电源转换器1n的输入侧对应地耦接第n直流输入电源vdcn。

此外，各直流电源转换器11～1n的输出侧相互并联耦接，以形成直流输出总线30。如图2a所示的n个直流电源转换器，第一直流电源转换器11至第n直流电源转换器1n的输出侧相互并联耦接，且一端耦接于直流输出总线30的正电压端vb+，另一端耦接于直流输出总线30的负电压端vb-。

两输出电容41,42分别为第一输出电容41与第二输出电容42，两者串联耦接于直流输出总线30的正电压端vb+与负电压端vb-之间，且两输出电容41,42耦接于中点电位端vbm。当选用规格相同的电容作为两输出电容41,42时，耦接于正电压端vb+与中点电位端vbm之间第一输出电容41的跨压会与耦接于中点电位端vbm与负电压端vb-之间第二输出电容42的跨压相等。藉此，两输出电容41,42提供后端电路60所需的稳定直流输出电压。

在本实施例中，保护电路20耦接于直流输入电源vdc1～vdcn与直流电源转换器11～1n之间，以提供当两输出电容41,42的一者发生异常时，直流输入电源vdc1～vdcn产生的能量传送至两输出电容的另一者，造成其损害的保护。具体地，控制单元50耦接保护电路20，并且接收直流输出总线30的电压状态信号sv，其中电压状态信号sv可表示直流输出总线30的正电压端vb+、负电压端vb-或中点电位端vbm任一者的电压大小，因此，亦即控制单元50根据电压状态信号sv可判断任一输出电容41,42的两端电压是否发生异常，例如短路异常或过电压异常。其中，当两输出电容41,42的一者发生异常时，保护电路20提供控制信号sc，控制保护电路20以利用短路的方式，将直流输入电源vdc1～vdcn与两输出电容41,42解耦，以防止直流输入电源vdc1～vdcn产生的能量传送至未发生异常的输出电容，达到对其保护的功效，容后详述。

请参见图2b，其为本发明具异常能量保护的电源转换系统的第二架构的电路方块图。图2b所示的第二架构电路方块图与图2a最主要的差异在于前者(图2b)的保护电路20耦接于直流电源转换器11～1n与两输出电容41,42之间。同样地，保护电路20系利用短路的方式，将直流输入电源vdc1～vdcn与两输出电容41,42解耦，以防止直流输入电源vdc1～vdcn产生的能量传送至未发生异常的输出电容，达到对其保护的功效，容后详述。

综上说明，只要保护电路20连接于直流输入电源vdc1～vdcn与两输出电容41,42之间的电源路径之间，即可通过短路的方式，将直流输入电源vdc1～vdcn与两输出电容41,42解耦，以达到保护的目的。以下，将针对保护电路20具体的实施方式加以说明。

请参见图3，其系为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第一实施例的电路图。保护电路20耦接于直流输入电源vdc1～vdcn与直流电源转换器11～1n之间。保护电路20包含多个保护单元21～2n，各保护单元21～2n包含电感器l1～ln、半导体开关q1～qn、电阻器r1～rn以及电容器c1～cn。电感器l1～ln串联耦接电感器l1～ln，以形成串联支路，其中串联支路耦接于直流输入电源vdc1～vdcn的正电压端与负电压端之间。电容器c1～cn串联耦接电阻器r1～rn，以形成串联辅助支路，其中串联辅助支路耦接于电感器l1～ln与半导体开关q1～qn的共接点与负电压端之间。在本实施例中，各半导体开关q1～qn可为硅控整流器(siliconcontrolledrectifier,scr)、金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,mosfet)、绝缘闸极双极性晶体管(insulatedgatebipolartransistor,igbt)、双载子接面晶体管(bipolarjunctiontransistor,bjt)，或者举凡具有开关功能的其他半导体组件皆可作为本发明实施例的半导体开关使用。

当控制单元50根据电压状态信号sv判断任一输出电容41,42的两端电压发生异常，例如短路异常或过电压异常，控制单元50则提供控制信号sc控制每个保护单元21～2n的半导体开关q1～qn导通，藉此使串联支路短路，使得直流输入电源vdc1～vdcn产生的电流流经串联支路，而与后端的电路解耦，达到保护输出电容41,42的目的。在本实施例中，电感器l1～ln可提供涌入电流(inrushcurrent)的抑制，并且电容器c1～cn配合电阻器r1～rn可提供突波电压(spikevoltage)的吸收与突波能量的消耗。

请参见图4，其为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第二实施例的电路图。保护电路20耦接于直流输入电源vdc1～vdcn与直流电源转换器11～1n之间。保护电路20包含多个二极管d1～dn、第一半导体开关qa、第二半导体开关qb以及电阻器ri。各二极管d1～dn的阳极端对应地耦接于直流输入电源vdc1～vdcn的正电压端，各二极管d1～dn的阴极端共同耦接，以形成阴极共接点。第一半导体开关qa耦接于阴极共接点与直流输入电源vdc1～vdcn其中一者的负电压端之间。第二半导体开关qb并联耦接第一半导体开关qa。电阻器ri耦接阴极共接点与第一半导体开关qa。

当控制单元50根据电压状态信号sv判断任一输出电容41,42的两端电压发生异常，例如短路异常或过电压异常，控制单元50则提供控制信号sc控制保护电路20的第一半导体开关qa导通，藉此使第一半导体开关qa所在的第一支路短路，使得直流输入电源vdc1～vdcn产生的电流流经第一支路，而与后端的电路解耦，达到保护输出电容41,42的目的。然后，经一段延迟时间后，控制单元50再控制第二半导体开关qb导通，使得原本流经第一支路的电流改流经第二半导体开关qb所在的第二支路(由于第二支路的阻抗较小)，除继续维持与后端的电路解耦，亦移除流经电阻器ri的电流所产生的热损耗。其中图4所示的控制信号sc与控制信号sc’的差异在于后者为经过延迟时间后，控制单元50所产生用以导通第二半导体开关qb的控制信号。附带一提，延迟时间的产生可通过硬件方式，例如延迟电路或其他数字或模拟电路，或者韧体、软件方式达成。在本实施例中，电阻器ri可提供涌入电流的抑制，并且各二极管d1～dn提供顺向电流路径以防止电流回流。

请参见图5，其为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第三实施例的电路图。图5所示的第三实施例与图4所示的第二实施例最主要的差异在于前者提供多个第二半导体开关qb1～qbn来达成经延迟时间后的短路电流的均流功效。各第二半导体开关qb1～qbn的第一端耦接于直流输入电源vdc1～vdcn的正电压端，各第二半导体开关qb1～qbn的第二端共同耦接，且耦接直流输入电源vdc1～vdcn的负电压端。

具体地，当控制单元50根据电压状态信号sv判断任一输出电容41,42的两端电压发生异常，控制单元50则提供控制信号sc控制保护电路20的第一半导体开关qa导通，藉此使第一半导体开关qa所在的第一支路短路，使得直流输入电源vdc1～vdcn产生的电流流经第一支路，而与后端的电路解耦，达到保护输出电容41,42的目的。然后，经一段延迟时间后，控制单元50再控制该些第二半导体开关qb1～qbn导通，使得原本流经第一支路的电流可平均地改流经该些第二半导体开关qb1～qbn所在的多个支路，除继续维持与后端的电路解耦，亦移除流经电阻器ri的电流所产生的热损耗，并且由于短路电流平均地流经该些第二半导体开关qb1～qbn，因此使得每个第二半导体开关qb1～qbn皆不会有过热造成损坏的问题。

请参见图6，其为本发明具异常能量保护的电源转换系统的保护电路的第四实施例的电路图。保护电路20耦接于直流电源转换器11～1n与两输出电容41,42之间。保护电路20包含二极管dd、第一半导体开关qa、第二半导体开关qb以及电阻器ri。二极管dd的阳极端耦接于直流输出总线30的正电压端vb+。第一半导体开关qa耦接于二极管dd的一阴极端与直流输出总线30的负电压端vb-之间。第二半导体开关qb并联耦接第一半导体开关qa。电阻器ri耦接二极管dd的阴极端与第一半导体开关qa。

当控制单元50根据电压状态信号sv判断任一输出电容41,42的两端电压发生异常，例如短路异常或过电压异常，控制单元50则提供控制信号sc控制保护电路20的第一半导体开关qa导通，藉此使第一半导体开关qa所在的第一支路短路，使得直流输入电源vdc1～vdcn经由直流电源转换器11～1n转换所产生的电流流经第一支路，而与后端的电路解耦，达到保护输出电容41,42的目的。然后，经一段延迟时间后，控制单元50再控制第二半导体开关qb导通，使得原本流经第一支路的电流改流经第二半导体开关qb所在的第二支路(由于第二支路的阻抗较小)，除继续维持与后端的电路解耦，亦移除流经电阻器ri的电流所产生的热损耗。在本实施例中，电阻器ri可提供涌入电流的抑制，并且二极管dd提供顺向电流路径以防止电流回流。

请参见图7，其为本发明具异常能量保护的电源转换系统的操作方法的流程图。具异常能量保护的电源转换系统包含多个直流输入电源、多个直流电源转换器以及两输出电容，其中各直流输入电源系可为电流源型的电源所提供的直流电源，例如，但不限制为太阳能板所提供的直流电源。所述操作方法包含：首先，提供保护电路，其中保护电路耦接于直流输入电源与两输出电容之间(s10)，即保护电路可耦接于直流输入电源与直流电源转换器之间，或者保护电路可耦接于直流电源转换器与两输出电容之间。然后，检测两输出电容的一者是否发生异常(s20)。可通过检测任一输出电容的两端电压大小，作为判断两输出电容的一者是否发生异常，例如短路异常与过电压异常。最后，当两输出电容的一者发生异常时，则控制保护电路短路解耦直流输入电源与两输出电容(s30)，藉此阻断直流输入电源产生的能量传送至两输出电容的另一者，以避免造成其损害。亦即，控制保护电路以利用短路的方式，将直流输入电源与两输出电容解耦，以防止直流输入电源产生的能量传送至未发生异常的输出电容，达到对其保护的功效。

综上所述，本发明系具有以下的特征与优点：

1、由于半导体开关仅在输出电容发生异常时才启动，因此在正常运作下并不会产生损耗，更没有继电器开关会有发热的问题，因此能够减少热损耗、提高效率。

2、通过保护电路作为异常能量保护，可降低设备成本。

3、仅需要配置一组保护电路即可达到异常能量保护，因此可增加印刷电路板的可利用面积。

4、以并联耦接的保护电路的架构，具有高度扩充的优势。

以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以所附的权利要求的保护范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本发明所附权利要求的保护范围。