具有软切换且能降低电流涟波的逆变电路及整流电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力逆变(invers1n)及整流(rectificat1n)电路,尤指一种具有软切换且能降低电流链波(soft-switching low current ripple)的电力逆变及整流电路，以期在工作切换周期中，除能有效降低输入电流或输出电流的涟波，减少导通损失之夕卜，同时，也能因具有软切换性能，而减少其上半导体开关(semiconductor switch)的导通瞬间或断开瞬间的交换损失，以有效提闻电力转换的效率。
【背景技术】
[0002]按,现今许多电力装置(electrical device)上广泛使用的直流-直流的转换电路中，均有一逆变电路(invers1n circuit)及一整流电路(rectifier circuit),其中，该逆变电路是将一直流电压逆变成一交流电压，该交流电压再经该整流电路及一滤波电路(filter circuit),转换成一直流电压，以提供该电力装置所需的不同直流电位。
[0003]一般言，诸多现有的直流-直流转换电路包括半桥式(half-bridge)、推挽式(push-pull)及全桥式(full-bridge)等拓朴的电路,且现有转换电路均具备前述逆变功能，其中，最被广泛使用的是半桥转换电路(Half-Bridge Converter,以下简称HBC),其为一种降压型衍生转换电路(Buck-derived)，其逆变电路的输入电流具有脉动波形的缺点，常会因瞬间电流变化(di/dt)，产生相当高的干扰，且会伴随着因瞬间电压变化(dv/dt)所产生的另一种杂讯，进而发生电磁干扰(EMI)的问题。因此，在现有转换电路中，必需加装一防制电磁干扰滤波器(EMI filter)，才能符合电磁干扰规范的要求，此举不仅增加了现有转换电路的成本，也增加了现有转换电路所需的空间。有鉴于此，为了降低电流涟波及瞬间电流变动率所产生的杂讯，已有业者广泛地将两组相同的逆变电路予以交错(interleaved)分时工作,然而,采取此一交错分时工作架构者，除了会增加电路的复杂度与制作成本之外，因电流涟波是否降低或消除，完全需视逆变电路上各开关的工作周期而定，因此，若各开关的工作周期小于50%，仍然无法有效减轻前述电磁干扰(EMI)的问题。
[0004]针对前述问题，本发明的发明人曾陆续提出数件相关的能减少电流涟波的逆变电路，且先后获准专利在案，如:2009年4月7日获准的美国第7，515，439号专利权、2011年6月7日获准的美国第7，957，161号专利权、2012年9月4日获准的美国第8，319，469号专利权、2013年11月21日公开的美国第2013/0368443A1号专利公告，其中，美国第8，319，469号专利权所主张保护者，为一低输入电流涟波的半桥逆变电路(以下简称HBC-CRR)，该半桥逆变电路因能有效降低输入电流的涟波，故仅需使用一较小的防制电磁干扰滤波器，即能满足规范的要求。
[0005]然而，因前述HBC-CRR采用对称式的脉波宽度调变机制，以调节输出电压，其虽能在不同的输入电压及工作负载的条件下，获得稳定的输出电压，但是，仍将产生不同的死区时间(dead time),导致半导体开关因工作于硬切换(hard switching)状态,而有较高的导通瞬间切换损耗(turn on switching losses),此一损耗与工作频率成正比增加，因此，限制了该半桥逆变电路的操作频率，致无法有效降低该逆变电路中的感抗元件值(如:电感值或电容值等)，进而导致该半桥逆变电路所欲提高的功率密度性能也无法被有效达成。
[0006]为了使前述半桥逆变电路能操作在较高的工作频率，发明人经过诸多实验及测试后认为，采用软切换技术的零电压切换(zero voltage switch, ZVS)应是唯一且必须的解决之道，如此，才能在不牺牲逆变电路的效率的前提下，有效实现逆变电路的高功率密度性能，此为本发明在此欲探讨的一重要课题。
【发明内容】
[0007]有鉴于前述现有逆变电路的问题与缺点，发明人根据多年实务经验及研究实验，终于开发设计出本发明的一种具有软切换且能降低电流涟波的逆变电路及整流电路，以期该电路在电力逆变(或整流)过程中，能有效消除电流的涟波。
[0008]本发明的一个技术方案为，提供一种具有软切换且能降低输入电流涟波的逆变电路，其中，该逆变电路并联至一输入端，用以将该输入端提供的一直流电压转换成一交流电压，该逆变电路包括:
[0009]一上层电力单元，包含一第一电容、一第二电容、一第一开关及一第一阻抗调节单元(impedance adjusting unit),其中，该输入端的正端子分别与该第一电容的第一端子及该第一阻抗调节单元的第一端子相连接，该第一阻抗调节单元的第二端子分别与该第一开关的上端子及该第二电容的第一端子相连接，该第一阻抗调节单元的第三端子及第四端子分别连接至该第一电容的第二端子与该第一开关的下端子；
[0010]一下层电力单元，包含一第三电容、一第二开关及一第二阻抗调节单元，其中，该第二阻抗调节单元的第一端子及第二端子分别连接至该第三电容的第一端子及该第二开关的上端子，该输入端的负端子分别与该第三电容的第二端子及该第二阻抗调节单元的第三端子相连接，该第二阻抗调节单元的第四端子则连接至该第二开关的下端子；
[0011]至少一中层电力单元(middle cells),各中层电力单元依序串接在该上层电力单元及下层电力单元间，各中层电力单元包括一第三开关、一第四开关、一第四电容及一第五电容，该第五电容的第一端子连接至该第三开关的下端子及该第四开关的上端子，其中，第一个中层电力单元的第四电容的第一端子连接至该第一电容的第二端子，该第一个中层电力单元的第三开关的上端子连接至该第一开关的下端子，该第一个中层电力单元的第五电容的第一端子连接至该第二电容的第二端子，各中层电力单元的第四电容的第二端子连接至下一个中层电力单元的第四电容的第一端子，各中层电力单元的第四开关的下端子连接至下一个中层电力单元的第三开关的上端子，各中层电力单元的第五电容的第二端子连接至下一个中层电力单元的该第五电容的第一端子，各中层电力单元的第四电容的第二端子及该第四开关的下端子彼此连接，以此类推，但最后一个中层电力单元除外，最后一个中层电力单元的第四电容的第二端子连接至该第三电容的第一端子，且该最后一个中层电力单元的第四开关的下端子连接至该第二开关的上端子，且该最后一个中层电力单元的第五电容的第二端子则连接至该第二开关的下端子；及
[0012]至少一次级绕组，各次级绕组与各阻抗调节单元内对应的初级绕组磁耦合，而成为至少一具有磁耦合的变压器，以提供该交流电压；如此，在一开关工作周期内，该逆变电路即能通过软切换的机制，交替导通或断开所述开关，以将该输入端提供的直流电压转换成交流电压，并能降低该直流电压的输入电流涟波。
[0013]本发明的另一技术方案为，提供一种具有软切换且能降低输入电流涟波的逆变电路，其中，该电路与一输入端相并联，以将该输入端提供的一直流电压转换成一交流电压，该逆变电路包括:
[0014]一第一串联电路，包含一第一电容及一第三电容，其中，该第一电容的第一端子与该输入端的正端子相连接，该第一电容的第二端子与该第三电容的第一端子相连接，该第三电容的第二端子与该输入端的负端子相连接；
[0015]一第二串联电路，包括依顺序串联的一第一开关、一开关串联阵列及一第二开关；其中，该开关串联阵列包括至少一中层电力单元，各中层电力单元包含一第三开关、一第四开关及一第四电容，各中层电力单元的第四电容的第一端子与第二端子分别连接在该第三开关的上端子及该第四开关的下端子，第一个中层电力单元的第三开关的上端子及该第四开关的下端子分别连接至该第一开关的下端子及该第二开关的上端子，且各中层电力单元的第三开关的下端子及该第四开关的上端子分别连接至下一个中层电力单元的第三开关的上端子及该第四开关的下端子，以此类推，最后一个中层电力单元的第三开关的下端子与该第四开关的上端子连接在一起；
[0016]一第二电容，其第一端子连接至该第一开关的上端子，其第二端子连接至该第二开关的下端子；
[0017]一阻抗调节单元，该阻抗调节单元的第一端子分别与该第一电容的第一端子及该输入端的正端子相连接，该阻抗调节单元的第二端子分别与该第一开关的上端子及该第二电容的第一端子相连接，该阻抗调节单元的第三端子及第四端子分别连接至该第一电容的第二端子及该最后一个中层电力单元的第三开关的下端子，该阻抗调节单元的第五端子分别与该输入端负端子与该第三电容的第二端子相连接，该阻抗调节单元的第六端子分别连接至该第二开关的下端子及该第二电容的第二端子；及
[0018]至少一次级绕组，各次级绕组与该阻抗调节单元内对应的初级绕组磁耦合，而成为至少一具有磁耦合的变压器，以提供该交流电压；
[0019]如此，在一开关工作周期内，该逆变电路即能通过软切换的机制，交替导通或断开所述开关，以将该输入端的直流电压转换成交流电压，并能降低该直流电压的输入电流涟波。
[0020]本发明的再一技术方案为，提供一种具有软切换且能降低输出电流涟波的整流电路，其中，该整流电路包括:
[0021]一第一串联电路，包含依序串联的一第一电感、一第一次级绕组及一第一开关，该第一电感代表该第一次级绕组的漏感；
[0022]一第二串联电路，包含依序串联的一第二开关、一第二次级绕组及一第二电感，该第二电感代表该第二次级绕组的漏感；
[0023]一第三串联电路，包含依序串联的一第三电感及一第一电容；
[0024]一第二电容；及
[0025]至少一初级绕组，分别与各次级绕组磁耦合，而成为至少一具有磁耦合的变压器；
[0026]其中，该第一电感的第一端子分别与该第二开关的上端子及该第三电感的第一端子相连接，该第一开关的下端子分别与该第二电感的第二端子及该第一电容的第二端子相连接，且该第一电容的第一端子与第二端子分别连接至一负载的正端子与负端子，该第二电容的第一端子连接至该第一次级绕组及第一开关间，该第二电容的第二端子连接至该第二开关与该第二次级绕组间；
[0027]如此，在一开关工作周期内，该整流电路即能通过软切换的机制，交替导通或断开所述开关，以将输入至该初级绕组的一交流电压，转换成一直流电压，并能降低该第一电容上的电流涟波。
[0028]本发明的又一个技术方案为，提供一种具有软切换且能降低输出电流涟波的整流电路，其中，该整流电路包括:
[0029]一第一串联电路，包含依序串联的一第一电感、一第一次级绕组、一第一开关及一第三开关，其中，该第一次级绕组的非打点端子与该第一开关的上端子连接，该第一电感代表该第一次级绕组的漏感；
[0030]一第二串联电路，包含依序串联的一第二开关、一第四开关、一第二次级绕组及一第二电感，其中，该第四开关的下端子与第二次级绕组的非打点端子连接，该第二电感代表该第二次级绕组的漏感；
[0031]一第三串联电路，包含依序串联的一第三电感及一第一电容；
[0032]一第二电容；及
[0033]至少一初级绕组，分别与各次级绕组磁耦合，而成为至少一具有磁耦合的变压器；
[0034]其中，该第一电感的第一端子分别与该第二开关的上端子及该第三电感的第一端子相连接，该第三开关的下端子分别与该第二电感的第二端子及该第一电容的第二端子相连接，且该第一电容的第一端子与第二端子分别连接至一负载的正端子与负端子，该第二电容的第一端子连接至该第一次级绕组及第一开关间，该第二电容的第二端子连接至该第四开关与该第二次级绕组间，该第一开关的下端子连接至该第二开关的下端子；
[0035]如此，在一开关工作周期内，该整流电路即能通过软切换的机制，交替导通或断开该开关，以将输入至该初级绕组的一交流电压，转换成一直流电压，并能降低该第一电容上的电流涟波。
[0036]本发明提供的再一技术方案为，提供一种具有软切换且能降低输出电流涟波的整流电路，其中，该整流电路包括:
[0037]一上层电力单兀，包含一第一电容、一第一阻抗调节单兀、一第一开关及一第二电容，其中，该第一阻抗调节单元的第一端子分别与该第一电容的第一端子及一负载的正端子相连接，该第一阻抗调节单元的第二端子分别与该第二电容的第一端子及该第一开关的上端子相连接，该第一阻抗调节单元的第三端子与该第一电容的第二端子连接，该第一阻抗调节单元的第四端子与该第一开关的下端子相连接；
[0038]一下层电力单元，包含一第三电容、一第二阻抗调节单元及一第二开关，其中，该第二阻抗调节单元的第一端子与该第三电容的第一端子相连接，该第二阻抗调节单元的第二端子与该第二开关的上端子相连接，该第二阻抗调节单元的第三端子分别与该第三电容的第二端子及该负载的负端子相连接，该第二阻抗调节单元的第四端子与该第二开关的下端子相连接 '及
[0039]至少一中层电力单元，各中层电力单元依序串接在该上层电力单元及下层电力单元间，各中层电力单元包括一第三开关、一第四开关、一第四电容及一第五电容，该第五电容的第一端子分别与该第三开关的下端子及该第四开关的上端子相连接，其中，第一个中层电力单元的第四电容的第一端子连接至该第一电容的第二端子，该第一个中层电力单元的第三开关的上端子连接至该第一开关的下端子，该第一个中层电力单元的第五电容的第一端子连接至该第二电容的第二端子，各中层电力单元的第四电容的第二端子连接至下一个中层电力单元的第四电容的第一端子，各中层电力单元的第四开关的下端子连接至下一个中层电力单元的第三开关的上端子，各中层电力单元的第五电容的第二端子连接至下一个中层电力单元的该第五电容的第一端子，各中层电力单元的第四电容的第二端子及该中层电力单元的该第四开关的下端子彼此连接，以此类推，但最后一个中层电力单元除外，最后一个中层电力单元的第四电容的第二端子连接至该第三电容的第一端子，且该最后一个中层电力单元的第四开关的下端子连接至该第二开关的上端子，且该最后一个中层电力单元的第五电容的第二端子则连接至该第二开关的下端子；
[0040]如此，在一开关工作周期内，该整流电路即能通过软切换的机制，交替导通或断开所述开关，以通过各阻抗调节单元，将一交流电压，转换成一直流电压，并提供予该负载，且能降低该第一电容上的电流链波。
[0041]本发明提供的电力逆变电路和整流电路具有软切换性能，以有效降低其中切换损失(switching losses),并据以有效改善整体效能。所述电路能在电力逆变(或整流)过程中，使漏电感(leakage inductance)及杂散电容(parasitic capacitor)成为一无耗损缓冲器(lossless snubber),进而使漏电感的能量得被有效回收(recycling),并据以有效改善整体效能。
[0042]因该电路能使用低电压应力(low voltage rating)具有低导通阻值特性的半导体开关(semiconductor switches),或得以使用低顺向压降(forward voltage drop)特性的整流二极管(rectifier d1des),以有效降低其中导通损失(conduct1n losses),并据以有效改善整体效能。
[0043]本发明通过简单的电路设计，使所制成的电路，不仅能有效降低输入和输出电流上的电流涟波，尚能有效提升该电路的效率，这也成为本发明的技术重点。
[0044]为便贵审查委员能对本发明的目的、结构及其功效，做更进一步的认识与了解，兹举实施例附图，详细说明如下:
【附图说明】
[0045]图1(a)?图1(e)是本发明第一个实施例，具有单变压器、软切换、多开关的直流-交流(DC-AC)逆变电路及其应用例的示意图；
[0046]图2(a)?图2(e)是本发明第一个实施例，具有双变压器、软切换、多开关的直流-交流(DC-AC)逆变电路及其应用例的示意图；
[0047]图3是图1(a)所示实施例中仅具有上层电力单元及下层电力单元的逆变电路图；
[0048]图4(a)?图4(d)是图3所示逆变电路在稳态操作下各阶段的等效电路图；
[0049]图5是图3所示逆变电路以非对称脉冲宽度调制(APffM)控制的几组关键波形图；
[0050]图6 (a)?图6 (b)是图3所示逆变电路在以非对称脉冲宽度调制(APffM)控制，高输入电压-轻载及低输入电压-满载工作条件下，实测的驱动信号Vgsl、Vgs2及输入电流Iin的波形图；
[0051]图7(a)?图7(d)是图3所示逆变电路分别在以非对称脉冲宽度调制(APffM)控制，工作条件为低输入电压-40%负载、低输入电压-100%负载、高输入电压-60%负载及高输入电压-100%负载下实测电压的波形图；
[0052]图8是图3所示逆变电路以接近50% -工作周期的变频控制的几组关键波形图；
[0053]图9(a)?图9(b)是图3所示逆变电路在以接近50% -工作周期的变频控制，低输入电压-满载及高输入电压-轻载工作条件下，实测的驱动信号Vgsl、Vgs2及输入电流Iin的波形图；
[0054]图10(a)?图10(d)是图3所示逆变电路在以接近50% -工作周期的变频控制，工作条件分别为低输入电压-40%负载、低输入电压-100%负载、高输入电压-60%负载、高输入电压-100%负载下实测电压的波形图；
[0055]图11是图1 (a)所示仅具有一组中层电力单元的逆变电路的一应用例电路图；
[0056]图12(a)?图12(d)是图11所示逆变电路在稳态操作下各阶段的等效电路图；
[0057]图13(a)?图13(e)是本发明第二个实施例，具有单变压器、软切换、多开关的直流-交流(DC-AC)逆变电路及其应用例的示意图；
[0058]图14(a)?图14(e)是本发明第二个实施例，具有双变压器、软切换、多开关的直流-交流(DC-AC)逆变电路及其三个应用例的示意图；
[0059]图15是图13(a)所示实施例中仅具一组中层电力单元的逆变电路图；
[0060]图16(a)?图16(d)是图15所示逆变电路在稳态操作下各阶段的等效电路图；
[0061]图17是本发明第三个实施例，具有单变压器、软切换、多开关的交流-直流(AC-DC)整流电路图；
[0062]图18是本发明第三个实施例，具有双变压器、软切换、多开关的交流-直流(AC-DC)整流电路图；
[0063]图19是图17所示实施例中的一应用电路图；
[0064]图20(a)?图20(b)是图19所示整