图腾柱功率因数校正电路及其操作方法与流程

本发明涉及一种图腾柱功率因数校正电路及其操作方法，尤其涉及控制追随交流电压的相位角，动态地调整慢速开关的控制信号的责任周期的一种图腾柱功率因数校正电路及其操作方法。

背景技术：

1、随着环保绿能意识的抬头，在电动车销量倍增趋势及充电站建置需求量增大之下，对于如何充电与储电将面临供电窘境。若未来在区域性电力供应出现危急时需要大规模电量，可即时调度电力回送给区域性电网。意即，通过具有放电功能的电动车，插上双向充放电设备，能将车辆电力回送至高功率储能柜，提供v2x(vehicle to g:grid；l:load；h:home；v:vehicle)的功能，将成为电动车结合智能电网运作的设计主流，也是未来电动车消费者选购电动车辆的主要考量选项之一。

2、一般而言，v2g系统电力流动(潮流)可分为单向、双向两种。因单向v2g技术用来控制充电速率的装置有较多缺点与限制，像是虚功率支援、尖峰负载削峰填谷、频率调节、电压调节等。而双向v2g的电动车的电池充电器包含直流对直流(dc/dc)转换器，以及交流对直流(ac/dc)转换器，主要优势在于虚功率、实功率支援、可再生能源部署、避免电网过载、故障恢复、渐少电网损失、功率因数调节等。通过这些功能，双向v2g系统能为电网作业提供更多可能性。在双向v2g系统中，电动车还能扮演能源供应与储存的角色，如此便能适度解决可再生能源的不稳定性所造的问题。

3、图腾柱(totem pole)电路为单相充电常用架构，亦为功率因数校正(powerfactor correction,pfc)电路常用架构。该架构使用晶体管开关qa、qb作为慢速臂开关以及晶体管开关q1、q2作为快速臂开关，其中慢速臂开关(晶体管开关qa、qb)会依照市电频率控制，而快速臂开关(晶体管开关q1、q2)则依照开关切换频率进行高频控制。

4、请参见图1a或图1b所示，分别为现有图腾柱电路的单相充电模式与单相放电模式的电路图。一般充电模式操作如图1a所示，此时交流电压vac为输入电压，当交流电压vac为正半波时，慢速臂的晶体管开关qb会导通，晶体管开关q1、q2则会依照当下的责任周期快速切换。倘若此时晶体管开关qb由于电压偏移或是其他因素导致延后导通，在此充电模式下，电流还是可以通过晶体管开关qb的旁路二极管导通，维持续流。

5、当操作在放电模式时，如图1b所示，此时交流电压vac为输出电压，交流电压vac为正半周时，若晶体管开关qb延后导通，不同于充电模式(可以通过晶体管开关qb的旁路二极管维持电流续流)，在放电模式下，晶体管开关qb的旁路二极管会截止，导致电流无法持续续流。

6、由于上述在放电模式下，晶体管开关qb的旁路二极管会有会有电流截止问题，一般电动车产品使用于v2l、v2g以及其他放电模式时，皆会因为电感和/或电容性设备，以及市电虚功需求，而有电压及电流角度位移的应用，因此一般图腾柱电路架构只能适用在充电模式，而无法满足放电模式下的负载需求。

7、以应用范围需具备单相双向(充电及放电模式)功能的产生为例，由于应用产品的emc电路上具有x电容(x-cap)，在空载条件下，等效为电容性负载，此时以标准型式控制图腾柱转换器，会导致慢速臂的晶体管开关qb导通时间延后，进而造成电流非连续性的截止。实际应用在电动车产品上，操作在v2g、v2l条件，若是电感性或电容性负载，亦会有相同的状况。发生上述情形，除了对交流负载有损坏性问题，在对应电网的v2g操作条件下，也会造成严重的电力品质影响。

8、请参见图2所示，其为现有图腾柱电路操作的控制信号的波形图。以v2l模式控制为例，在正常操作下，即负载未造成电压偏移时，图腾柱电路为标准控制信号(如图2的t1区间)。然而，当输出的交流电压vac由于负载(电感性或电容性)影响而导致相位移时(如图2中由t1区间进入t2区间)，意即输出的交流电压vac不再连续，实际的控制器输出控制量sd以及慢速臂的晶体管开关qb的控制信号qb pwm，皆会因为参考角度变化而失真，进而影响正常控制行为，导致无法输出(传送)正常的能量至交流侧。甚至当操作于加载后的重载状态时，容易造成因触发过电流保护(ocp)或过电压保护(ovp)而造成系统切断(shut down)。

9、为此，如何设计出一种图腾柱功率因数校正电路及其操作方法，解决现有技术所存在的问题与技术瓶颈，乃业界的重要课题。

技术实现思路

1、本发明的一目的在于提供一种图腾柱功率因数校正电路，解决现有技术的问题。

2、为达成前揭目的，本发明所提出的图腾柱功率因数校正电路，作为转换直流电源为交流电源之用时，图腾柱功率因数校正电路包括至少一快速臂、慢速臂以及控制单元。各快速臂包括快速上开关与快速下开关。慢速臂并联耦接至少一快速臂，慢速臂包括慢速上开关与慢速下开关。控制单元接收具有相位角的交流电压。控制单元包括电流检测回路、电压检测回路以及控制回路。电流检测回路接收相位角。电压检测回路接收相位角。控制回路耦接电流检测回路与电压检测回路。控制回路产生具有电平互补的第一控制信号组，分别控制快速上开关与快速下开关，且产生具有电平互补的第二控制信号组，分别控制慢速上开关与慢速下开关。控制回路控制第二控制信号组追随交流电压的相位角，动态地调整第二控制信号组的责任周期分别导通或关断慢速上开关与慢速下开关。

3、本发明的另一目的在于提供一种图腾柱功率因数校正电路的操作方法，解决现有技术的问题。

4、为达成前揭目的，本发明所提出的图腾柱功率因数校正电路的操作方法，作为转换直流电源为交流电源之用时，包括：产生具有电平互补的第一控制信号组，分别控制至少一快速臂的快速上开关与快速下开关；产生具有电平互补的第二控制信号组，分别控制慢速臂的慢速上开关与慢速下开关；以及控制第二控制信号组追随交流电压的相位角，动态地调整第二控制信号组的责任周期分别导通或关断慢速上开关与慢速下开关。

5、通过所提出的图腾柱功率因数校正电路及其操作方法，可实现特征与优点：1、通过动态角度控制上的设计，可以让现有不适用于直流电源转换为交流电源的放电模式操作的图腾柱电路架构，也可以有效地应用在于电动车的单相与三相交流电压的操作。2、提出的图腾柱功率因数校正电路可应用在全(宽)电压范围的操作。

6、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，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

技术特征：

1.一种图腾柱功率因数校正电路，作为转换直流电源为交流电源之用时，包括：

2.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，其中在单相架构中，所述快速臂包括所述快速上开关与所述快速下开关；所述快速上开关与所述快速下开关的共接点耦接输入电感，并且通过所述输入电感耦接至所述交流电压；

3.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，其中在三相架构中，所述快速臂包括第一快速臂、第二快速臂以及第三快速臂；所述第一快速臂包括第一快速上开关与第一快速下开关，所述第二快速臂包括第二快速上开关与第二快速下开关，所述第三快速臂包括第三快速上开关与第三快速下开关；

4.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，其中所述图腾柱功率因数校正电路作为转换交流电源为直流电源之用时，各所述至少一快速臂的所述快速上开关与所述快速下开关作为功因校正的控制开关，且所述慢速上开关与所述慢速下开关作为桥式整流的控制开关。

5.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，还包括：

6.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，其中所述第二控制信号组包括控制所述慢速上开关的慢速上开关控制信号与控制所述慢速下开关的慢速下开关控制信号；

7.根据权利要求6所述的图腾柱功率因数校正电路，其中所述控制回路动态地调整所述相位角位移后第一个正半周的所述慢速上开关控制信号的责任周期，或者所述控制回路动态地调整所述相位角位移后第一个负半周的所述慢速下开关控制信号的责任周期。

8.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，其中所述控制回路提供帕克转换操作，用以将所述交流电压由三相电气坐标转换为两轴坐标。

9.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，其中所述第一控制信号组与所述第二控制信号组为脉波宽度调变信号。

10.根据权利要求1所述的图腾柱功率因数校正电路，所述控制单元还包括：

11.一种图腾柱功率因数校正电路的操作方法，作为转换直流电源为交流电源之用时，包括：

12.根据权利要求11所述的图腾柱功率因数校正电路的操作方法，其中在单相架构中，所述快速臂包括所述快速上开关与所述快速下开关；所述快速上开关与所述快速下开关的共接点耦接输入电感，并且通过所述输入电感耦接至所述交流电压；

13.根据权利要求11所述的图腾柱功率因数校正电路的操作方法，其中在三相架构中，所述快速臂包括第一快速臂、第二快速臂以及第三快速臂；所述第一快速臂包括第一快速上开关与第一快速下开关，所述第二快速臂包括第二快速上开关与第二快速下开关，所述第三快速臂包括第三快速上开关与第三快速下开关；

14.根据权利要求11所述的图腾柱功率因数校正电路的操作方法，其中所述第二控制信号组包括控制所述慢速上开关的慢速上开关控制信号与控制所述慢速下开关的慢速下开关控制信号；

15.根据权利要求14所述的图腾柱功率因数校正电路的操作方法，其中所述控制回路动态地调整所述相位角位移后第一个正半周的所述慢速上开关控制信号的责任周期，或者所述控制回路动态地调整所述相位角位移后第一个负半周的所述慢速下开关控制信号的责任周期。

技术总结
本发明提供一种图腾柱功率因数校正电路及其操作方法，作为转换直流电源为交流电源之用时，该图腾柱功率因数校正电路包括至少一快速臂、慢速臂以及控制单元。各快速臂包括快速上开关与快速下开关。慢速臂并联耦接该至少一快速臂，慢速臂包括慢速上开关与慢速下开关。控制单元接收具有相位角的交流电压，控制单元包括电流检测回路、电压检测回路以及控制回路。控制回路产生具有电平互补的第二控制信号组，分别控制慢速上开关与慢速下开关。控制回路控制第二控制信号组追随相位角，动态地调整第二控制信号组的责任周期分别导通或关断慢速上开关与慢速下开关。

技术研发人员：黄俊豪,林峻葳,施亿祥,吴庆南,叶家玮
受保护的技术使用者：台达电子工业股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17