TWI504126B - Full - bridge AC / DC conversion device and its conversion method - Google Patents

Description

全橋式交直流轉換裝置及其轉換方法

本發明係與交直流轉換電有關；特別是指一種全橋式交直流轉換裝置。

按，全橋式交直流轉換器大多採用高頻切換方式產生脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)信號對開關進行剛性切換，藉以控制電能流經不同路徑，進而達到交直流轉換之效果。而上述方式常會產生大量的高次諧波電流，進而干擾其他設備。因此，全橋式交直流轉換器之交流側濾波器的選擇與設計變得相當重要。

一般來說，相較傳統的L型濾波器，在相同電感值的情況下，LCL型濾波器對高頻諧波抑制效果更為理想，因此已經逐漸應用於大功率、低開關頻率之裝置上。而傳統LCL濾波電路所採用訊號處理係以三階濾波器做為設計概念。換言之，係透過其中一電感與電容為輸出波形之高頻成份提供一低阻通路，進而降低流經另一電感之電流的高頻成分。然而，雖然LCL型濾波器濾除高次諧波效果明顯，但是LCL型濾波器的設計過程繁瑣且需要多次嘗試，反覆驗算才能找到合適的參數。此外，由於LCL型濾波器其電路特性易受參數影響，因此較不易與其他電路整合設計。

除此之外，一般全橋式交直流轉換裝置為了降低零件成本與減少轉換器體積，常會利用提高切換頻率來減少電容與磁性元件的大小。但提升轉換電路之切換頻率，相對也增加開關元件之切換損失，同時也增加電磁干擾(EMI)問題。是以，習用之全橋式交直流轉換器設計仍未臻完善， 且尚有待改進之處。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種全橋式交直流轉換裝置及其轉換方法，具有低電磁干擾(EMI)、低漣波輸出電壓以及高轉換效率之效果。

緣以達成上述目的，本發明所提供全橋式交直流轉換裝置用以將一電源之交流電轉換成直流電後，供電予一負載，且該負載具有一第一端以及一第二端。該全橋式交直流轉換裝置包含有一濾波電路、四個開關組、一第一電容、一第二電容以及一第一電感。其中，該濾波電路具有一輸入側以及一輸出側，該輸入側與該電源電性連接，而該輸出端則包含有一第一輸出端以及一第二輸出端。該等開關組分別為一第一開關組、一第二開關組、一第三開關組以及一第四開關組，且各別包含有一主動式開關及一二極體，該二極體與該主動式開關並聯，且該二極體之負極形成各開關組的一第一端，而該二極體之正極形成各開關組的一第二端；其中，該第一開關組的第二端與該濾波電路之第一輸出端電性連接；該第二開關組的第一端與該第一開關組的第一端電性連接，且該第二開關組的第二端與該濾波電路之第二輸出端電性連接；該第三開關組之第一端與該第一開關組的第二端以及該濾波電路的第一輸出端電性連接，且該第三開關組的第二端與該負載的第二端電性連接；該第四開關組之第一端與該第二開關組的第二端以及該濾波電路的第二輸出端電性連接，且該第四開關組之第二端與該第三開關組的第二端以及該負載的第二端電性連接。該第一電容一端與該第二開關組的第一端電性連接，而另一端則與該負載的第一端電性連接。該第二電容一端與該負載的第一端電性連接，另一 端與該負載之第二端電性連接。該第一電感一端與該第二開關組的第一端電性連接，而另一端則與該負載的第一端電性連接。

依據上述構思，本發明更提供一種全橋式交直流轉換方法，適用於前述之全橋式交直流轉換裝置；該全橋式交直流轉換方法包含有下列步驟：A當該電源電能為正半波時：A-1導通該第三開關組與該第四開關組的主動式開關，並截止該第一開關組與該第二開關組的主動式開關，且該第一開關組與該第二開關組的二極體導通，使該濾波電路儲能，且使該第一電容與該第一電感共振，並對第二電容釋能，使該第二電容供電予該負載；A-2導通該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，且截止該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，並對第一電容與該第一電感之共振電路及第二電容釋能，且使該濾波電路的儲能逐漸歸零；A-3當該濾波電路的儲能歸零時，導通該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，並截止該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，且該第二開關組與該第三開關組的二極體導通，使該第一電容與該第一電感共振，並持續對第二電容釋能；B當該電源電能為負半波時：B-1導通該第一開關組與該第二開關組的主動式開關，並截止該第三開關組與該第四開關組的主動式開關，且該第三開關組與該第四開關組的二極體導通，使該濾 波電路儲能，且使該第一電容與該第一電感共振，並對第二電容釋能，使該第二電容供電予該負載；B-2導通該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，且截止該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，並對第一電容與該第一電感之共振電路及第二電容釋能，且使該濾波電路的儲能逐漸歸零；B-3當該濾波電路的儲能歸零時，導通該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，並截止該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，且該第一開關組與該第四開關組的二極體導通，使該第一電容與該第一電感共振，並持續對第二電容釋能。

藉此，透過上述之設計，進行交直流轉換時，將產生低電磁干擾(EMI)、低漣波輸出電壓以及高轉換效率之效果。

11~14‧‧‧開關組

20‧‧‧濾波電路

21‧‧‧輸入側

22‧‧‧輸出側

221‧‧‧第一輸出端

222‧‧‧第二輸出端

S1~S4‧‧‧主動式開關

D1~D4‧‧‧二極體

C1~C3‧‧‧電容

L1~L3‧‧‧電感

100‧‧‧電源

200‧‧‧負載

201‧‧‧第一端

202‧‧‧第二端

圖1為較佳實施例之全橋式交直流轉換裝置的電路圖；圖2至圖7為各步驟之等效電路圖；圖8為輸入電壓、電流以及輸出電壓之波型圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。請參閱圖1，本發明一較佳實施例 之全橋式交直流轉換裝置用以將一電源100之交流電轉換成直流電後，供電予一負載200，且該負載200具有一第一端201以及一第二端202。該全橋式交直流轉換裝置包含有四個開關組11~14、一第一電容C1、一第二電容C2、一第一電感L1以及一濾波電路20。其中：該等開關組11~14分別為一第一開關組11、一第二開關組12、一第三開關組13以及一第四開關組14，各別包含有一主動式開關S1~S4及一二極體D1~D4，於本實施例中，該主動式開關S1~S4為一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，當然在實施上亦可是其它電晶體或是其他主動式開關元件。該二極體D1~D4之正極與該金屬氧化物半導體場效電晶體之源極電性連接，而負極則與該金屬氧化物半導體場效電晶體之汲極電性連接，而使各該二極體D1~D4與對應之該主動式開關S1~S4並聯。另外，該二極體D1~D4之負極形成各開關組11~14的一第一端，而該二極體D1~D4之正極形成各開關組11~14的一第二端。各該開關組11~14連接關係如下，該第一開關組11的第一端與該第二開關組12的第一端電性連接。該第三開關組13之第一端與該第一開關組11的第二端電性連接，且該第三開關組13的第二端與該負載200的第二端202電性連接。該第四開關組14之第一端與該第二開關組12的第二端電性連接，且該第四開關組14之第二端與該第三開關組13的第二端以及該負載200的第二端202電性連接。

該第一電容C1為一無極性電容，且一端與該第二開關組12的第一端電性連接，而另一端則與該負載200的第一端201電性連接。該第二電容C2為非電解電容，且一端與該負載200的第一端201電性連接，另一端與該負載200之第二端202電性連接。該第一電感L1一端與該第二 開關組12的第一端電性連接，而另一端則與該負載200的第一端201電性連接。

該濾波電路20具有一輸入側21以及一輸出側22，該輸入側21與該電源100電性連接，而該輸出側22則與該等開關組11~14電性連接。於本實施例中，該濾波電路20為LCL型濾波電路，而包含有一第二電感L2、一第三電感L3以及一第三電容C3。該第二電感L2一端與該電源100一端電性連接。該第三電感L3一端與該第二電感L2的另一端電性連接，而該第三電感L3的另一端則形成一第一輸出端221，且電性連接至該第一開關組11與該第三開關組12之間。該第三電容C3為無極性電容，且該第三電容C3一端電性連接至該第二電感L2與該第三電感L3之間，而另一端則與該電源100另一端電性連接，並形成一第二輸出端222，且電性連接至該第二開關組12與該第四開關組14之間。

於本實施例中，該等電容C1~C3、該等電感L1~L3、輸入電壓、輸入電壓頻率、該等開關組11~14切換頻率以及該負載200之電阻值如下表所示：

藉此，透過上述結構設計與規格，再利用下述之電源轉換方法，便可達到低電磁干擾(EMI)、低漣波輸出電壓以及高轉換效率之效果，而該方法包含有下列步驟，且依據該電源100電能為正半波或負半波之差別，而有所區分：請參閱圖2至圖4，當該電源100電能為正半波時，該電源轉換方法包含下列步驟：

A-1 如圖2所示，導通該第三開關組13與該第四開關組14的主動式開關S3、S4，並截止該第一開關組11與該第二開關組12的主動式開關S1、S2。此時，該電源100之電能經過該第二電感L2傳輸予該第三電容C3，而該第三電容C3則透過導通該第三開關組13與該第四開關組14形成之電路對該第三電感L3儲能，並使該第一電感L1與該第一電容C1共振。另外，透過該第一電感L1與該第一電容C1共振所產生之負電壓特性，將導通該第一開關組11與該第二開關組12的二極體D1、D2，使電路結構改變，並透過該第三開關組13與該第四開關組14的主動式開關S3、S4、以及該第一開關組11與該第二開關組12的二極體D1、D2導通後產生電路結構，將電能傳送至該第 二電容C2蓄能，並透過該第二電容C2供電予該負載200而達到減低輸出漣波之效果。

A-2 如圖3所示，導通該第一開關組11與該第四開關14組的主動式開關S1、S4，並截止該第二開關組12與該第三開關組13的主動式開關S2、S3。此時，該電源100之電能經過該第二電感L2傳輸予該第三電容C3，而該第三電容C3與該第三電感L3之儲能則透過導通該第一開關組11與該第四開關組14形成之電路傳送至該第一電容C1與該第一電感L1的共振電路以及該第二電容C2進行蓄能，藉以供電予該負載200而達到減低輸出漣波之效果。

A-3 如圖4所示，當該濾波電路20之第三電感L3的儲能歸零時，持續導通該第一開關組11與該第四開關組14的主動式開關S1、S4，且截止該第二開關組12與該第三開關組13的主動式開關S2、S3。此時，該電源100之電能透過該第二電感L2持續傳送至該第三電容C3，而該第一電感L1與該第一電容C1開始共振產生負電源特性，而導通該第二開關組12與該第三開關組13的二極體D2、D3，使電路結構改變，並透過該第一開關組11與該第四開關組14的主動式開關S1、S4、以及該第二開關組12與該第三開關組13的二極體D2、D3導通後產生電路結構，將電能傳送 至該第二電容C2蓄能，並透過該第二電容C2供電予該負載200而達到減低輸出漣波之效果。

另外，每執行一次步驟A-1至步驟A-3，則完成一次週期之作動。是以，當該電源100電能為正半波時，則重複執行步驟A-1至步驟A-3直至該電源電能變化為負半波，且於執行步驟A-1至步驟A-3時，係以柔性切換的方式，導通或截止該第一開關組11與該第三開關組13，並以剛性切換的方式，導通或截止該第二開關組12與該第四開關組14，藉以達到低電磁干擾(EMI)以及高轉換效率之效果。

請參閱圖5至圖7，當該電源100電能為負半波時，該電源轉換方法包含下列步驟：

B-1 如圖5所示，導通該第一開關組11與該第二開關組12的主動式開關S1、S2，並截止該第三開關組13與該第四開關組14的主動式開關S3、S4。此時，該電源100之電能經過該第二電感L2傳輸予該第三電容C3，而該第三電容C3則透過導通該第一開關組11與該第二開關組12形成之電路對該第三電感L3儲能，並使該第一電感L1與該第一電容C1共振。另外，透過該第一電感L1與該第一電容C1共振所產生之負電壓特性，將導通該第三開關組13與該第四開關組14的二極體D3、D4，使電路結構改變，並透過該第一開關組11與該第二開關組12的主動式開關S1、S2、以及該第三開關組13與該第四開關組14的二極體D3、D4導通後產生電路結構，將電能傳送至該第 二電容C2蓄能，並透過該第二電容C2供電予該負載200而達到減低輸出漣波之效果。

B-2 如圖6所示，導通該第二開關組12與該第三開關組13的主動式開關S2、S3，並截止該第一開關組11與該第四開關組14的主動式開關S1、S4。此時，該電源100之電能經過該第二電感L2傳輸予該第三電容C3，而該第三電容C3與該第三電感L3之儲能則透過導通該第二開關組12與該第三開關組13形成之電路，傳送至該第一電容C1與該第一電感L1的共振電路以及該第二電容C2進行蓄能，藉以供電予該負載200達到減低輸出漣波之效果。

B-3 如圖7所示，當該濾波電路20的該第三電感L3儲能歸零時，持續導通該第二開關組12與該第三開關組13的主動式開關S2、S3，並截止該第一開關組11與該第四開關組14的主動式開關S1、S4。此時，該電源100之電能透過該第二電感L2持續傳送至該第三電容C3，而該第一電感L1與該第一電容C1開始共振產生負電源特性，而導通該第一開關組11與該第四開關組14的二極體D1、D4，使電路結構改變，並透過該第二開關組12與該第三開關組13的主動式開關S2、S3、以及該第一開關組11與該第四開關組14的二極體D1、D4導通後產生電路結構，將電能傳送 至該第二電容C2蓄能，並透過該第二電容C2供電予該負載200達到減低輸出漣波之效果。

另外，每執行一次步驟B-1至步驟B-3，則完成一次週期之作動。是以，當該電源100電能為負半波時，則重複執行步驟B-1至步驟B-3直至該電源100電能變化為正半波，且於執行步驟B-1至步驟B-3時，係以柔性切換的方式，導通或截止該第一開關組11與該第三開關組13，並以剛性切換的方式，導通或截止該第二開關組12與該第四開關組14，藉以達到低電磁干擾(EMI)以及高轉換效率之效果。

藉此，透過上述結構與方法之設計，由圖8可看出，於本實施例中，於輸入電壓V_in 峰值約為150V的情況下，流經第二電感L2之輸入電流I_L2 透過LCL型濾波電路之作用可有效減少高頻漣波，且輸出直流電壓V_out 約為250V的情況下，其波形趨於平坦，而具有低輸出電壓漣波之效果，進而可避免該第二電容C2使用壽命較短的電解電容，藉以提升該全橋式交直流轉換裝置之使用壽命。

另外，在實際實施上，本發明之濾波電路除使用LCL型濾波電路外，亦可使用L型濾波電路(即濾波電路僅具有一電感，且該電感一端與該電源100一端電性連接，另一端則形成第一輸出端221)亦可達到本發明之目的。再者，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為等效結構與方法之變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

11~14‧‧‧開關組

20‧‧‧濾波電路

21‧‧‧輸入側

22‧‧‧輸出側

221‧‧‧第一輸出端

222‧‧‧第二輸出端

S1~S4‧‧‧主動式開關

D1~D4‧‧‧二極體

C1~C3‧‧‧電容

L1~L3‧‧‧電感

100‧‧‧電源

200‧‧‧負載

201‧‧‧第一端

202‧‧‧第二端

Claims (13)

1. 一種全橋式交直流轉換裝置，用以將一電源之交流電轉換成直流電後，供電予一負載，且該負載具有一第一端以及一第二端；該全橋式交直流轉換裝置包含有：一濾波電路，具有一輸入側以及一輸出側，該輸入側與該電源電性連接，而該輸出端則包含有一第一輸出端以及一第二輸出端；四個開關組，分別為一第一開關組、一第二開關組、一第三開關組以及一第四開關組，且各別包含有一主動式開關及一二極體，該二極體與該主動式開關並聯，且該二極體之負極形成各開關組的一第一端，而該二極體之正極形成各開關組的一第二端；其中，該第一開關組的第二端與該濾波電路之第一輸出端電性連接；該第二開關組的第一端與該第一開關組的第一端電性連接，且該第二開關組的第二端與該濾波電路之第二輸出端電性連接；該第三開關組之第一端與該第一開關組的第二端以及該濾波電路的第一輸出端電性連接，且該第三開關組的第二端與該負載的第二端電性連接；該第四開關組之第一端與該第二開關組的第二端以及該濾波電路的第二輸出端電性連接，且該第四開關組之第二端與該第三開關組的第二端以及該負載的第二端電性連接；一第一電容，其一端與該第二開關組的第一端電性連接，而另一端則與該負載的第一端電性連接； 一第二電容，其一端與該負載的第一端電性連接，另一端與該負載之第二端電性連接；以及一第一電感，其一端與該第二開關組的第一端電性連接，而另一端則與該負載的第一端電性連接。
2. 如請求項1所述全橋式交直流轉換裝置，其中，該濾波電路包含有一第二電感、一第三電感以及一第三電容；該第二電感一端與該電源一端電性連接；該第三電感一端與該第二電感的另一端電性連接，而該第三電感的另一端則形成該第一輸出端；該第三電容一端電性連接至該第二電感與該第三電感之間，另一端則與該電源另一端電性連接並形成該第二輸出端。
3. 如請求項1所述全橋式交直流轉換裝置，其中，該濾波電路包含有一第二電感；該第二電感一端與該電源一端電性連接，另一端則形成該第一輸出端；該電源之另一端則形成該第二輸出端。
4. 如請求項1所述全橋式交直流轉換裝置，其中，該第一電容為無極性電容。
5. 如請求項1所述全橋式交直流轉換裝置，其中，該第二電容為非電解電容。
6. 如請求項2所述全橋式交直流轉換裝置，其中，該第三電容為無極性電容。
7. 如請求項1所述全橋式交直流轉換裝置，其中，該主動式開關為電晶體。
8. 如請求項7所述全橋式交直流轉換裝置，其中，該主動式開關為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。
9. 一種全橋式交直流轉換方法，係適用於如請求項1所述之全橋式交直流轉換裝置；該全橋式交直流轉換方法包含有下列步驟：A 當該電源為正半波時：A-1 導通該第三開關組與該第四開關組的主動式開關，並截止該第一開關組與該第二開關組的主動式開關，使該濾波電路儲能，且使該第一電容與該第一電感共振，而導通該第一開關組與該第二開關組的二極體，並對該第二電容釋能，使該第二電容供電予該負載；A-2 導通該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，且截止該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，並對該第一電容與該第一電感之共振電路及該第二電容釋能，以使該濾波電路的儲能逐漸歸零；A-3 當該濾波電路的儲能歸零時，導通該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，並截止該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，使該第一電容與該第一電感共振，而導通該第二開關組與該第三開關組的二極體，並持續對該第二電容釋能；B 當該電源為負半波時：B-1 導通該第一開關組與該第二開關組的主動式開關，並截止該第三開關組與該第四開關組的主動式開關，使該 濾波電路儲能，且使該第一電容與該第一電感共振，導通該第三開關組與該第四開關組的二極體，並對該第二電容釋能，使該第二電容供電予該負載；B-2 導通該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，且截止該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，並對該第一電容與該第一電感之共振電路及該第二電容釋能，以使該濾波電路的儲能逐漸歸零；B-3 當該濾波電路的儲能歸零時，導通該第二開關組與該第三開關組的主動式開關，並截止該第一開關組與該第四開關組的主動式開關，使該第一電容與該第一電感共振，導通該第一開關組與該第四開關組的二極體，並持續對該第二電容釋能。
10. 如請求項9所述全橋式交直流轉換方法，其中，當該電源為正半波時，重複執行步驟A-1至步驟A-3。
11. 如請求項9所述全橋式交直流轉換方法，其中，當該電源為負半波時，重複執行步驟B-1至步驟B-3。
12. 如請求項9所述全橋式交直流轉換方法，其中，於步驟A-1至步驟A-3中，係以柔性切換的方式，導通或截止該第一開關組與該第三開關組，並以剛性切換的方式，導通或截止該第二開關組與該第四開關組。
13. 如請求項9所述全橋式交直流轉換方法，其中，於步驟B-1至步驟B-3中，係以柔性切換的方式，導通或截止該第一開關組與該第三開關組，並以剛性切換的方式，導通或截止該第二開關組與該第四開關組。