专利名称：具有能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种具有能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法，尤其涉及一种包含效果较佳的能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法。
背景技术：
一种公知的电流源逆变器(current source inverter)1(如图1所示)，其为电流源输出，且可直接并联于市电电源。此电流源逆变器1，包含降压型转换器11以及直流/交流转换器12。该降压型转换器11还包括输入电容C_in，降压型转换器开关S_buck，缓流二极管D_buck，与输出电感L-o，用于接收直流输入电压V_in并产生输出电感电流I_Lo。该直流/交流转换器12还包括切换桥电路121，还包括四个单向开关与输出电容C_o，而该四个单向开关为D1+Q1、D2+Q2、D3+Q3与D4+Q4(其中D1、D2、D3与D4为整流二极管，而Q1、Q2、Q3与Q4为功率晶体管，如Mosfet，IGBT与Transistor)。当该市电电源被断开时，储存于该输出电感L_o的能量会对输出电容C_o充电，造成输出电压过高，而为避免造成晶体管Q1～Q4损毁，需选用更高电压额定的晶体管。
如前所述，图1显示一种公知的电流源逆变器1，其由降压型转换器11及直流/交流转换器12所组成，而该降压型转换器11的主要的功能就是使该电流源逆变器1的输出功率因素(power factor)为1，这个功能利用输出电感电流I_Lo会跟随该市电电源的电压，并依该市电电源的该电压变化而跟着增大或减小的机制来完成。也就是说输出电感电流I_Lo能通过改变降压型转换器开关(S_buck)的占空比(duty cycle)，使其成为整流的弦波波形。而直流/交流转换器12的功能为将输出电感电流I_Lo的整流弦波波形切换成为交流弦波波形。
当该电流源逆变器1运行时，输出电感L_o上的电流会追随输出电压的波形而呈现整流的弦波波形，且一般而言输出电感的电感量都很大，因此可将降压型转换器11等效为电流源(如图2(a)所示)。
请参见图2(a)，当输出电压为正半周时，晶体管Q1与Q4导通，输出电感电流I_Lo流经二极管D1与D4，晶体管Q1与Q4将能量回送至市电电源。若此时将市电电源断开(当市电电源端的插头122与插座123分开时)，则储存于输出电感L_o的能量会泄放至输出电容C_o，使得输出电压V_o及晶体管Q2与二极管D2上的跨压V1增加。同理，图2(b)所示，当输出电压为负半周时，晶体管Q2与Q3导通，输出电感电流I_Lo流经二极管D2与D3，晶体管Q2与Q3将能量回送至市电电源。若此时将市电电源断开(也就是说，将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量也会泄放至输出电容C_o，使得输出电压V_o及晶体管Q4与二极管D4上的跨压V2增加。为避免此过高的电压造成晶体管损毁，故需选用更高耐压的晶体管，此法虽可解决晶体管损毁的问题，但要增加额外的成本。
如图3(a)所示，图3(a)为一种公知的具有能量钳位电路的电流源逆变器2，除该降压型转换器11以及该直流/交流转换器12具有切换桥电路121与前述图1与图2(a)与图2(b)中这些装置相同外，其能量钳位电路21由第一至第四二极管D_A、D_B、D_C、D_D所组成。在此电流源逆变器正常运行时，由于输入电压大于该市电电源的该电压的峰值，因此第一至第四二极管D_A、D_B、D_C、D_D截止。而当该市电电源被断开时，可通过二极管D_A与D_D或D_B与D_C，将输出电感L_o上所储存的能量回送至输出电容C_o与输入电容C_in。也就是说，当该市电电源断开时，输出电感L_o对输出电容C_o与输入电容C_in放电。而输出电压V_o上升至当输出电容C_o的电压略大于该直流输入电压V_in时，则二极管D_A与D_D或D_B与D_C导通，此时输出电感L_o的能量便可以回送至输入电源端。因此输出电压V_o便会钳位在略大于输入电压V_in的电压，如此将可大幅降低晶体管Q1、Q2、Q3与Q4所需承受的电压应力。
请参见图3(b)，当该市电电源的该电压为正半周时，晶体管Q1与Q4导通，输出电感电流I_Lo流经二极管D1与D4，晶体管Q1与Q4将能量回送至市电电源。若此时将市电电源断开(即将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量会泄放至该输出电容C_o与输入电容C_in，且该正半周放电路径如图3(b)中的电流路径所示(输出电感L_o→二极管D1→晶体管Q1→二极管D_A→输入电容C_in→二极管D_D→二极管D4→晶体管Q4→缓流二极管D_buck→输出电感L_o)。
另，请参见图3(c)，当该市电电源的该电压为负半周时，晶体管Q2与Q3导通，输出电感电流I_Lo流经二极管D2与D3，晶体管Q2与Q3将能量回送至市电电源。若此时将市电电源断开(即将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量也会泄放至该输出电容C_o与输入电容C_in，且该负半周放电路径如图3(c)中的电流路径所示(输出电感L_o→二极管D3→晶体管Q3→二极管D_B→输入电容C_in→二极管D_C→二极管D2→晶体管Q2→缓流二极管D_buck→输出电感L_o)。
如图3(a)所示的电流源逆变器2，在直流输入电源V_in尚未建立时，若插入市电电源，则会产生很大的冲击电流(inrush current)经由D_A与D_D或D_B与D_C流至输入电容C_in，此冲击电流除了会使市电电源端的保险丝烧毁，也容易对市电电源端造成谐波干扰。当该市电电源的该电压为正半周时，在该直流输入电源V_in尚未建立，或小于该市电电源的该电压的峰值时，若插入市电电源，则会产生该冲击电流，沿着正半周放电路径流动，也就是说，经该市电电源→输出电容C_o第一端→二极管D_A→输入电容C_in→二极管D_D→输出电容C_o第二端→该市电电源，该正半周放电路径如图4(a)所示。
同理，当该市电电源的电压为负半周时，在输入电源V_in尚未建立，或小于该市电电源的电压的峰值时，若插入市电电源，则会产生该冲击电流，沿着负半周放电路径流动，也就是说经该市电电源→输出电容C_o该第二端→二极管D_B→输入电容C_in→二极管D_C→输出电容C_o该第一端→该市电电源，该负半周放电路径如图4(b)所示。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法，在该电流源逆变器的输出端与市电电源断开时，通过能量钳位电路使该电流源逆变器的输出电感所储存的能量对该电流源逆变器所包含的输出电容与输入电容放电，如此将可大幅降低该电流源逆变器中的多个晶体管所需承受的电压应力，且该电流源逆变器在直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该市电电源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器的输出端和市电电源时，也可避免产生冲击电流。
本发明的另一主要目的在于提供一种具有能量钳位电路的电流源逆变器，用于将交流输出电流反馈给独立电压源并提供能量于该独立电压源的负载，包含降压型转换器，用于接收直流输入电压并产生具有整流弦波的输出电感电流，直流/交流转换器，耦接于该降压型转换器，用于提供反馈给该独立电压源的该交流输出电流，以及能量钳位电路，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器，包括第一至第四二极管，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器，以及控制开关，耦接于该降压型转换器或该直流/交流转换器，用于在该直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器与该独立电压源时，关断冲击电流。
根据上述的构想，该降压型转换器具有输入电容与输出电感，利用该直流/交流转换器将该输出电感电流转换为该交流输出电流，该直流/交流转换器具有输出电容，并联连接于该独立电压源，该能量钳位电路用于在该输出电容与该独立电压源断开的时提供放电路径，使储存于该输出的电感的能量泄放至该输出电容与该输入电容，以减少该直流/交流转换器的电压应力，且该第一至该第四二极管用于形成该放电路径。
根据上述的构想，该输入电容具有第一端与第二端，该输出电感也具有第一端与第二端，该直流/交流转换器耦接于该输出电感的第二端，且该降压型转换器还包括降压型转换器开关，具有控制端、第一端与第二端，该第一端耦接于该输入电容的第一端，以及缓流二极管，具有阳极与阴极，该阳极耦接于该输入电容的第二端，且该阴极耦接于该降压型转换器开关的第二端与该输出电感的第一端。
根据上述的构想，该直流/交流转换器还包括切换桥电路，具有第一与第二输入端及第一与第二输出端，该第一输入端耦接于该输出电感的第二端，且该第二输入端耦接于该缓流二极管的阳极，用于产生该电流源逆变器的交流输出电流，其中该输出电容具有第一端与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端，而该独立电压源可为市电电源、或发电机、或不间断电源统，且用于提供交流电压。
根据上述的构想，该切换桥电路还包括第一单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输入端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第一输出端，第二单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输入端，第三单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该第一单向开关的第一端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端，以及第四单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于切换桥电路的第二输出端，且该第二端耦接于该第二单向开关的第二端。
根据上述的构想，该第一至第四单向开关的每一该单向开关，包括整流二极管，具有阳极与阴极，且该阳极耦接于该单向开关的第一端，以及功率晶体管，具有第一端、第二端与控制端，该第一端耦接于该二极管的阴极，且该第二端耦接于该单向开关的第二端，其中该电压应力指该功率晶体管的电压应力，且该功率晶体管可为Mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)，或IGBT(绝缘栅双极晶体管)，或Transistor(晶体管)。
根据上述的构想，该第一至该第四二极管均具有阳极与阴极，该第一二极管该阳极耦接于该输出电容的第一端，该第一二极管该阴极耦接于该输入电容的第一端，该第二二极管该阳极耦接于该输出电容的第二端，该第二二极管的阴极耦接于该第一二极管的阴极，该第三二极管该阳极耦接于该输入电容的第二端，该第三二极管的阴极耦接于该第一二极管的阳极，该第四二极管的阳极耦接于该第三二极管的阳极，且该第四二极管的阴极耦接于该第二二极管的阳极。
根据上述的构想，该控制开关串联连接于该第三二极管的阴极与该输出电容的第一端，或该第一二极管的阴极与该输入电容的第一端，或该第三二极管的阳极与该输入电容的第二端。
根据上述的构想，该独立电压源还具有第一端与第二端，该冲击电流的路径还包括正半周路径与负半周路径，当该独立电压源的该交流电压为正半周时，该冲击电流的正半周路径自该独立电压源的第一端、该输出电容的第一端、该第一二极管、该输入电容、该第四二极管、该输出电容的第二端至该独立电压源的第二端形成第一回路，当该独立电压源的该交流电压为负半周时，该冲击电流的该负半周路径自该独立电压源的第二端、该输出电容的第二端、该第二二极管、该输入电容、该第三二极管、该输出电容的第一端至该独立电压源的第一端形成第二回路，且该电流源逆变器的该输出电容并联于该独立电压源，而在该直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的交流电压的峰值时，该控制开关被关断以切断该冲击电流的正半周路径的该第一回路，或该冲击电流的负半周路径的该第二回路。
根据上述的构想，该放电路径还包括一正半周放电路径与一负半周放电路径，该正半周放电路径从该输出电感、该第一单向开关、该第一二极管、该输入电容、该第四二极管、该第四单向开关至该缓流二极管形成第一回路，且该负半周放电路径自该输出电感、该第三单向开关、该第二二极管、该输入电容、该第三二极管、该第二单向开关、至该缓流二极管形成第二回路。
根据上述的构想，当该电流源逆变器的输出电容与该独立电压源在该交流电压的正半周时被断开，则该输出电感的该能量沿着正半周放电路径的该第一回路被泄放至该输入电容，且当该电流源逆变器的输出电容与该独立电压源在该交流电压的负半周时被断开，则该输出电感的该能量沿着负半周放电路径的该第二回路被泄放至该输入电容。
根据上述的构想，其中该独立电压源经插座与插头彼此连接或分离的方式以并联连接于或断开于该输出电容。
根据上述的构想，该输出电感电流会追随该交流输出电压的波形而跟着增大或减小，且具有整流弦波波形，以使该电流源逆变器的功率因素为1。
本发明的次要目的在于提供一种具有能量钳位电路的电流源逆变器，用于将交流输出电流反馈给独立电压源并提供能量于该独立电压源的负载，包含降压型转换器，用于接收直流输入电压并产生具有整流弦波的输出电感电流，直流/交流转换器，耦接于该降压型转换器，用于提供反馈给该独立电压源的该交流输出电流，以及能量钳位电路，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器，用于当该直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器与该独立电压源时，关断冲击电流，该能量钳位电路包括第一二极管，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器，以及第二二极管，耦接于该第一二极管。
根据上述的构想，该降压型转换器具有输入电容与输出电感，利用该直流/交流转换器将该输出电感电流转换为该交流输出电流，该直流/交流转换器具有输出电容，并联连接于该独立电压源，该能量钳位电路用于在该输出电容与该独立电压源断开时提供放电路径，使储存于该输出的电感的能量泄放至该输出电容与该输入电容，以减少该直流/交流转换器的电压应力，且该第一与该第二二极管用于形成该放电路径。
根据上述的构想，该第一与该第二二极管均具有阳极与阴极，该第一二极管的阳极耦接于该输出电容的第二端，该第一二极管的阴极耦接于该输入电容的第一端，该第二二极管的阳极耦接于该输出电容的第一端，且该第二二极管的阴极耦接于该第一二极管的阴极。
根据上述的构想，该直流/交流转换器还包括切换桥电路，具有第一与第二输入端及第一与第二输出端，该第一输入端耦接于该输出电感的第二端，且该第二输入端耦接于该缓流二极管的阳极，用于产生该逆变器的交流输出电流，包括第一单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输入端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第一输出端，第二单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输入端，第三单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该第一单向开关的第一端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端，以及第四单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于切换桥电路的第二输出端，且该第二端耦接于该第二单向开关的第二端，其中该输出电容具有第一端与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端，且当直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器与该独立电压源时，因该第一至该第四单向开关均未导通，故该电流源逆变器将不会产生该冲击电流。
根据上述的构想，该放电路径还包括正半周放电路径与负半周放电路径，该正半周放电路径从该输出电感、该第一单向开关、该第二二极管、该输入电容至该缓流二极管形成第一回路，且该负半周放电路径从该输出电感、该第三单向开关、该第一二极管、该输入电容至该缓流二极管形成第二回路。
根据上述的构想，当该输出电容与该独立电压源在该交流电压的正半周时被断开，则该输出电感的该能量沿着正半周放电路径的该第一回路被泄放至该输入电容，且当该负载在该交流电压的一负半周时被断开，则该输出电感的该能量沿着负半周放电路径的该第二回路被泄放至该输入电容。
本发明的另一主要目的在于提供一种具有能量钳位电路的电流源逆变器的控制方法，用于将交流输出电流反馈给独立电压源并提供能量于该独立电压源的负载，其中该电流源逆变器包含降压型转换器、直流/交流转换器以及能量钳位电路，该降压型转换器具有输入电容与输出电感，该直流/交流转换器耦接于该输出电感，并具有输出电容，使该电流源逆变器的输出电容并联连接于该独立电压源，且该能量钳位电路耦接于该逆变器，用于在该负载被关断的时提供放电路径，包含下列的步骤(a)使该降压型转换器接收该直流输入电压并于该输出电感上产生具有整流的弦波波形的输出电感电流；(b)使该直流/交流转换器接收该电感电流，且将该电感电流做切换以产生该交流输出电流并将该能量反馈给该独立电压源；(c)当该独立电压源与该逆变器该输出电容断开时，经该放电路径使该输出的电感的能量经该放电路径被泄放至该输出电容与该输入电容，以减少该直流/交流转换器的电压应力；以及(d)当该直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器的输出电容与该独立电压源时，运用该钳位电路以消除冲击电流。
本发明通过下列附图及详细说明，从而得到更深入的了解。
图1显示一种公知的电流源逆变器的电路示意图；图2(a)显示一种公知的电流源逆变器的等效电路及当交流输出电压为正半周时，断开市电电源所产生的输出电感放电路径的示意图；图2(b)显示一种公知的电流源逆变器的等效电路及当交流输出电压为负半周时，断开市电电源所产生的输出电感放电路径的示意图；图3(a)显示一种公知的具有能量钳位电路的电流源逆变器的电路示意图；图3(b)显示一种公知的具有能量钳位电路的电流源逆变器及当交流输出电压为正半周时，断开市电电源所产生的输出电感放电路径的示意图；图3(c)显示一种公知的具有能量钳位电路的电流源逆变器及当交流输出电压为负半周时，断开市电电源所产生的输出电感放电路径的示意图；图4(a)显示一种公知的具有能量钳位电路的电流源逆变器及当直流输入电压为零与交流输出电压为正半周时，插入市电电源所产生的冲击电流路径的示意图；图4(b)显示一种公知的具有能量钳位电路的电流源逆变器及当直流输入电压为零与交流输出电压为负半周时，插入市电电源所产生的冲击电流路径的示意图；图5(a)显示根据本发明构想的较佳的能量钳位电路的电流源逆变器的第一较佳实施例的电路与当交流输出电压为正半周时的冲击电流可能路径的示意图；图5(b)显示根据本发明构想的较佳的能量钳位电路的电流源逆变器的第二较佳实施例的电路与当交流输出电压为正半周时的冲击电流可能路径的示意图；图5(c)显示根据本发明构想的较佳的能量钳位电路的电流源逆变器的第三较佳实施例的电路与当交流输出电压为正半周时的冲击电流可能路径的示意图；图6(a)显示根据本发明构想的具有能量钳位电路的电流源逆变器的第四较佳实施例的电路示意图；以及图6(b)显示根据本发明构想的具有能量钳位电路的电流源逆变器的第四较佳实施例的电路与当交流输出电压为正半周时，断开市电电源所产生的输出电感放电路径的示意图；以及图6(c)显示根据本发明构想的具有能量钳位电路的电流源逆变器的第四较佳实施例的电路与当交流输出电压为负半周时，断开市电电源所产生的输出电感放电路径的示意图。
其中，附图标记说明如下1 电流源逆变器11降压型转换器12直流/交流转换器
121切换桥电路122插头123插座2 具有能量钳位电路的电流源逆变器21 能量钳位电路3 包含效果较佳能量钳位电路的电流源逆变器31 效果较佳的能量钳位电路311多个二极管312控制开关4 包含较佳能量钳位电路的电流源逆变器41 效果较佳的能量钳位电路411多个二极管412控制开关5 包含效果较佳能量钳位电路的电流源逆变器51 效果较佳的能量钳位电路511多个二极管512控制开关6 包含效果较佳能量钳位电路的电流源逆变器61 效果较佳的能量钳位电路具体实施方式
请参考图5(a)，其显示根据本发明构想的具有相对较佳效果效益的包含能量钳位电路的电流源逆变器的第一较佳实施例的电路及其冲击电流的正半周路径的电流的示意图。其中，该较佳效果的包含能量钳位电路的电流源逆变器3除包括降压型转换器11以及直流/交流转换器12具有切换桥电路121、插头122与插座123(用于提供该市电电源)，与前述图3(a)至图3(c)中所述的相同外，还包括能量钳位电路31，该能量钳位电路31包括多个二极管311(由该第一至第四二极管D_A、D_B、D_C与D_D所组成，与图3(a)中21相同)以及开关312。而该冲击电流的正半周放电路径与在图4(a)图4(a)中所示的相同，显示若该开关312未关断时，该冲击电流的可能流经路线。该开关串联连接于该第三二极管D_C的阴极与该输出电容C-o的第一端，用于在该交流输出电压为正半周时插入市电电源，且该输入电压V_in尚未建立之际被关断，因该开关312位于该冲击电流流经的路径上，故其适时关断而不产生该冲击电流。同理，该冲击电流的负半周放电路径与在图4(b)中所示的相同，故该开关312也正位于该冲击电流的该负半周放电路径所流经的路线上，因此该开关312若在该交流输出电压为负半周时插入市电电源，且该输入电压V_in尚未建立之际被关断，也可不产生该冲击电流。至于若将市电电源断开(即将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量也会泄放至该输出电容C_o与输入电容C_in，且因该多个二极管311的结构与在图3(a)中的能量钳位电路21相同，故两者的操作原理与正/负半周放电路径(如图3(a)至图3(b)所示)也相同，在此不再赘述。
请参考图5(b)，其显示根据本发明构想的效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器的第二较佳实施例的电路及其冲击电流的正半周路径的电流的示意图。其中，该效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器4包括降压型转换器11以及直流/交流转换器12具有切换桥电路121、插头122与插座123(用于提供该市电电源)以及能量钳位电路41，该能量钳位电路41包括多个二极管411(由该第一至第四二极管D_A、D_B、D_C与D_D所组成，与图3(a)中21相同)以及开关412，其基本结构与图5(a)相同，仅该开关412的连接位置不同。该开关412串联连接于该第一二极管D_A的阴极与该输入电容C_in的第一端，其正位于该冲击电流的正/负半周放电路径所流经的路线上(该正半周放电路径如图5(b)所示，而该负半周放电路径如图4(b)所示)，因此其若在该交流输出电压为正/负半周时插入市电电源，且该输入电压V_in尚未建立之际被适时关断，也可不产生该冲击电流。同样地，若将市电电源断开(即将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量也会泄放至该输出电容C_o与输入电容C_in，且因该多个二极管411的结构与在图3(a)中的能量钳位电路21相同，故两者的操作原理与正/负半周放电路径(如图3(a)至图3(b)所示)也相同，在此不再赘述。
请参考图5(c)，其显示根据本发明构想的效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器的第三较佳实施例的电路及其冲击电流的正半周路径的电流的示意图。其中，该效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器5包括降压型转换器11以及直流/交流转换器12具有切换桥电路121、插头122与插座123(用于提供该市电电源)以及能量钳位电路51，该能量钳位电路51包括多个二极管511(由该第一至第四二极管D_A、D_B、D_C与D_D所组成，与图3(a)中21相同)以及开关512，其基本结构与图5(a)与图5(b)相同，仅该开关512的连接位置不同。该开关512串联连接于该第三二极管D_C的阳极与该输入电容C_in的第二端，其正好位于该冲击电流的正/负半周放电路径所流经的路线上(该正半周放电路径如图5(c)所示，而该负半周放电路径如图4(b)所示)，因此其若在该交流输出电压为正/负半周时插入市电电源，且该输入电压V_in尚未建立之际被适时关断，也同样可不产生该冲击电流。当然，若将市电电源断开(即将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量也会泄放至该输出电容C_o与输入电容C_in，且因该多个二极管511的结构与在图3(a)中的能量钳位电路21相同，故其操作原理及其正/负半周放电路径(如图3(a)至图3(b))也相同，在此也不再细述。
请参考图6(a)，其显示根据本发明构想的效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器的第四较佳实施例的电路的示意图。此较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器6由电流源逆变器及外加二极管D_A与D_B所组成。其中，该效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器6除包括降压型转换器11以及直流/交流转换器12具有切换桥电路121、插头122与插座123(用于提供该市电电源，详见图6(b)与图6(c))，与前述图3(a)至图3(c)中所述的相同外，还包括能量钳位电路61，耦接于该逆变器，该钳位电路61包括第一与第二二极管(D_A与D_B)，其中该电流源逆变器的运行原理与前述相同，故在此不再细述。
如图6(a)和图6(b)所示，当市电电源断开时，输出电感L_o对输出电容C_o放电，而电压V_o上升至该输出电容C_o的电压略大于输入电压V_in时，则二极管D_A(负半周)，或D_B(正半周)导通。此时，输出电感L_o的能量经由降压转换器11中缓流二极管D_buck及D_A(负半周)或D_B(正半周)回送至直流输入电源V_in端。也就是说，当该交流输出电压为正半周时，若此时将市电电源断开(即将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量会泄放至该输出电容C_o与输入电容C_in，且该正半周放电路径如图6(b)中的电流路径所示(输出电感L_o→二极管D1→晶体管Q1→二极管D_B→输入电容C_in→缓流二极管D_buck→输出电感L_o)。另，请参见图6(c)，当该交流输出电压为负半周时，若此时将市电电源断开(即将市电电源端的该插头122与该插座123分开)，则储存于输出电感L_o的能量也会泄放至该输出电容C_o与输入电容C_in，且该负半周放电路径如图6(c)中的电流路径所示(输出电感L_o→二极管D3→晶体管Q3→二极管D_A→输入电容C_in→缓流二极管D_buck→输出电感L_o)。
而如图6(a)至6(c)所示的该效果较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器6，在输入电源V_in尚未建立之际，插入市电电源时并不会有前述冲击电流的问题；原因在于此时晶体管Q1、Q2、Q3与Q4均未导通，因此并无路径可产生该冲击电流。
从以上的描述可知，依据本发明构想的较佳的包含能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法，其主要特征是在该电流源逆变器的输出端的市电电源被断开时，通过能量钳位电路使该电流源逆变器的输出电感所储存的能量对该电流源逆变器所包含的输出电容与输入电容放电，如此将可大幅降低该电流源逆变器中的多个晶体管所需承受的电压应力，且该电流源逆变器在直流输入电源尚未建立而被插入该市电电源时，也可用于避免产生冲击电流。
因此，即使本发明已由上述的实施例详细描述而可由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱离所附权利要求所欲保护的范围。
权利要求
1.一种具有能量钳位箝位电路的电流源逆变器，用于将交流输出电流反馈给独立电压源并提供能量给该独立电压源的负载，包含降压型转换器，用于接收直流输入电压并产生具有整流弦波的输出电感电流；直流/交流转换器，耦接于该降压型转换器，用于提供反馈给该独立电压源的该交流输出电流；以及能量钳位电路，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器，包括第一至第四二极管，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器；以及控制开关，耦接于该降压型转换器或该直流/交流转换器，用于当该直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器与该独立电压源时，关断冲击电流。
2.根据权利要求1所述的电流源逆变器，其特征在于，该降压型转换器具有输入电容与输出电感，利用该直流/交流转换器将该输出电感电流转换为该交流输出电流，该直流/交流转换器具有输出电容，并联连接于该独立电压源，该能量钳位电路用于在该输出电容与该独立电压源断开时提供放电路径，使储存于该输出电感的能量泄放至该输出电容与该输入电容，以减少该直流/交流转换器的电压应力，且该第一至该第四二极管用于形成该放电路径。
3.根据权利要求2所述的电流源逆变器，其特征在于，该输入电容具有第一端与第二端，该输出电感也具有第一端与第二端，该直流/交流转换器耦接于该输出电感的第二端，且该降压型转换器还包括降压型转换器开关，具有控制端、第一端与第二端，该第一端耦接于该输入电容的第一端；以及缓流二极管，具有阳极与阴极，该阳极耦接于该输入电容的第二端，且该阴极耦接于该降压型转换器开关的第二端与该输出电感的第一端。
4.根据权利要求3所述的电流源逆变器，其特征在于，该直流/交流转换器还包括切换桥电路，具有第一与第二输入端及第一与第二输出端，该第一输入端耦接于该输出电感的第二端，且该第二输入端耦接于该缓流二极管的阳极，用于产生该电流源逆变器的交流输出电流，其中该输出电容具有第一端与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端，而该独立电压源为市电电源，发电机，或不间断电源系统，且用于提供交流电压。
5.根据权利要求4所述的电流源逆变器，其特征在于，该切换桥电路还包括第一单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输入端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第一输出端；第二单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输入端；第三单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该第一单向开关的第一端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端；以及第四单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于切换桥电路的第二输出端，且该第二端耦接于该第二单向开关的第二端，其中该第一至第四单向开关的每一单向开关包括整流二极管，具有阳极与阴极，且该阳极耦接于该单向开关的第一端；以及功率晶体管，具有第一端、第二端与控制端，该第一端耦接于该二极管的阴极，且该第二端耦接于该单向开关的第二端，其中该电压应力指该功率晶体管的电压应力，且该功率晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、或晶体管。
6.根据权利要求4所述的电流源逆变器，其特征在于，该第一至该第四二极管均具有阳极与阴极，该第一二极管的阳极耦接于该输出电容的第一端，该第一二极管的阴极耦接于该输入电容的第一端，该第二二极管的阳极耦接于该输出电容的第二端，该第二二极管的阴极耦接于该第一二极管的阴极，该第三二极管的阳极耦接于该输入电容的第二端，该第三二极管的阴极耦接于该第一二极管的阳极，该第四二极管的阳极耦接于该第三二极管的阳极，且该第四二极管的阴极耦接于该第二二极管的阳极；该控制开关串联连接于该第三二极管的阴极与该输出电容的第一端，该第一二极管的阴极与该输入电容的第一端，或该第三二极管该阳极与该输入电容的第二端；该独立电压源还具有第一端与第二端，该冲击电流的路径还包括正半周路径与负半周路径，当该独立电压源的交流电压为正半周时，该正半周路径自该独立电压源的第一端、该输出电容的第一端、该第一二极管、该输入电容、该第四二极管、该输出电容的第二端至该独立电压源的第二端形成第一回路，当该独立电压源的该交流电压为负半周时，该冲击电流的负半周路径自该独立电压源的第二端、该输出电容的第二端、该第二二极管、该输入电容、该第三二极管、该输出电容的第一端至该独立电压源的第一端形成第二回路，且该电流源逆变器的输出电容并联于该独立电压源，而当该直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的交流电压的峰值时，该控制开关被关断以切断该冲击电流的正半周路径的第一回路，或该冲击电流的负半周路径的第二回路；该放电路径还包括正半周放电路径与负半周放电路径，该正半周放电路径自该输出电感、该第一单向开关、该第一二极管、该输入电容、该第四二极管、该第四单向开关至该缓流二极管形成第一回路，且该负半周放电路径自该输出电感、该第三单向开关、该第二二极管、该输入电容、该第三二极管、该第二单向开关、至该缓流二极管形成第二回路；当该电流源逆变器的输出电容与该独立电压源在该独立电压源的交流电压的正半周时被断开，则该输出电感的能量沿着正半周放电路径时该第一回路被泄放至该输入电容，且当该电流源逆变器的输出电容与该独立电压源在该独立电压源的交流电压的负半周时被断开，则该输出电感的能量沿着该负半周放电路径的该第二回路被泄放至该输入电容；及该独立电压源经插座与插头彼此连接或分离的方式，以并联连接于该输出电容或从该输出电容断开。
7.根据权利要求2所述的电流源逆变器，其特征在于，该输出电感电流会追随该交流输出电压的波形而跟着增大或减小，且具有整流弦波波形，以使该电流源逆变器的功率因素为1。
8.一种具有能量钳位电路时电流源逆变器，用于将交流输出电流反馈给独立电压源并提供能量于该独立电压源的负载，包含降压型转换器，用于接收直流输入电压并产生具有整流弦波的输出电感电流；直流/交流转换器，耦接于该降压型转换器，用于提供反馈给该独立电压源的交流输出电流；以及能量钳位电路，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器，用于当该直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器与该独立电压源时，关断冲击电流，包括第一二极管，耦接于该降压型转换器与该直流/交流转换器；以及第二二极管，耦接于该第一二极管。
9.根据权利要求8的所述的电流源逆变器，其特征在于，该降压型转换器具有输入电容与输出电感，利用该直流/交流转换器将该输出电感电流转换为该交流输出电流，该直流/交流转换器具有输出电容，并联连接于该独立电压源，该能量钳位电路用于在该输出电容与该独立电压源断开的时提供放电路径，使储存于该输出电感的能量泄放至该输出电容与该输入电容，以减少该直流/交流转换器的电压应力，且该第一与该第二二极管用于形成该放电路径。
10.根据权利要求8的所述的电流源逆变器，其特征在于，该第一与该第二二极管均具有阳极与阴极，该第一二极管的阳极耦接于该输出电容的第二端，该第一二极管的阴极耦接于该输入电容的第一端，该第二二极管的阳极耦接于该输出电容的第一端，且该第二二极管的阴极耦接于该第一二极管的阴极。
11.根据权利要求10的所述的电流源逆变器，其特征在于，该直流/交流转换器还包括切换桥电路，具有第一与第二输入端及第一与第二输出端，该第一输入端耦接于该输出电感的第二端，且该第二输入端耦接于该缓流二极管的阳极，用于产生该逆变器的交流输出电流，包括第一单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输入端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第一输出端；第二单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输入端；第三单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于该第一单向开关的第一端，且该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端；以及第四单向开关，具有第一与第二端，该第一端耦接于切换桥电路的第二输出端，且该第二端耦接于该第二单向开关的第二端，其中该输出电容具有第一端与第二端，该第一端耦接于该切换桥电路的第一输出端，该第二端耦接于该切换桥电路的第二输出端，且当直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器与该独立电压源时，因该第一至该第四单向开关均未导通，故该电流源逆变器将不会产生该冲击电流。
12.根据权利要求11的所述的电流源逆变器，其特征在于，该放电路径还包括正半周放电路径与负半周放电路径，该正半周放电路径自该输出电感、该第一单向开关、该第二二极管、该输入电容至该缓流二极管形成第一回路，且该负半周放电路径自该输出电感、该第三单向开关、该第一二极管、该输入电容至该缓流二极管形成第二回路；及当该负载在该独立电压源的交流电压的正半周时被关断，则该输出电感的该能量沿着该正半周放电路径的该第一回路被泄放至该输入电容，且当该负载在该独立电压源的交流电压的负半周时被关断，则该输出电感的能量沿着负半周放电路径的该第二回路被泄放至该输入电容。
13.一种具能量钳位电路的电流源逆变器的控制方法，用于将该电流源逆变器的输出电流反馈给独立电压源并提供能量于该独立电压源的负载，其中该电流源逆变器包含降压型转换器、直流/交流转换器以及能量钳位电路，该降压型转换器具有输入电容与输出电感，该直流/交流转换器耦接于该输出电感，并具有输出电容，使该电流源逆变器的该输出电容并联连接于该独立电压源，且该能量钳位电路耦接于该逆变器，用于在该负载被关断的时提供放电路径，包含下列步骤(a)使该降压型转换器接收该直流输入电压并于该输出电感上产生具有整流的弦波波形的输出电感电流；(b)使该直流/交流转换器接收该电感电流，且将该电感电流做一切换以产生该交流输出电流并将该能量反馈给该独立电压源；(c)当该独立电压源与该逆变器的输出电容断开时，经该放电路径使该输出电感的能量经该放电路径被泄放至该输出电容与该输入电容，以减少该直流/交流转换器的电压应力；以及(d)当直流输入电压尚未建立，或该直流输入电压小于该独立电压源的电压的峰值，而连接该电流源逆变器的输出电容与该独立电压源时，运用该钳位电路以消除冲击电流。
14.根据权利要求13的所述的控制方法，其特征在于，该能量钳位电路为根据权利要求1或根据权利要求7所述的能量钳位电路。
全文摘要
本发明揭示一种具有能量钳位电路的电流源逆变器及其控制方法。此电流源逆变器提供电流输出，可直接将其输出并联于市电电源上。且该电流源逆变器包含具有输入电容与输出电感的降压型转换器，用于接收直流输入电压及产生输出电感电流，具有输出电容的直流/交流转换器，用于接收该输出电感电流与产生交流输出电流，耦接于该直流/交流转换器的负载耦接以及耦接于该逆变器的能量钳位电路，耦接用于在该负载关断时提供放电路径，使储存于该输出电感的能量泄放至输出电容与输入电容，且可避免产生冲击电流，该能量钳位电路包括第一二极管以及第二二极管。由此，本发明大幅降低电流源逆变器中的多个晶体管所需承受的电压应力，且避免产生冲击电流。
文档编号H02M7/505GK101060290SQ20061007446
公开日2007年10月24日 申请日期2006年4月21日 优先权日2006年4月21日
发明者詹智强, 张育铭 申请人:台达电子工业股份有限公司