TWI857502B - 太陽能逆變器 - Google Patents

Abstract

一種太陽能逆變器包含殼體、設置在殼體中的至少一電路板、設置在電路板上的電流感測器、設置在電路板上的電弧偵測線圈、設置在電路板上的自我檢測電路以及設置在殼體上且連接電路板的至少一直流電輸入端子。自我檢測電路配置以輸送一測試訊號供該電弧偵測線圈感應。直流電輸入端子配置以輸送電流通過電弧偵測線圈，電流感測器配置以偵測通過直流電輸入端子的電流的大小。

Description

太陽能逆變器

本揭示是關於一種太陽能逆變器。

在太陽能電力系統中，太陽能板裝設在戶外，再透過纜線連接到逆變器、電池等元件。在戶外環境的影響下，纜線容易出現破損，纜線破損時可能出現電弧，十分危險。

有鑑於此，本揭示之一目的在於提出一種具備電弧偵測機制的太陽能逆變器。

為達成上述目的，依據本揭示的一些實施例，一種太陽能逆變器包含殼體、設置在殼體中的至少一電路板、設置在電路板上的電流感測器、設置在電路板上的電弧偵測線圈、設置在電路板上的自我檢測電路以及設置在殼體上且連接電路板的至少一直流電輸入端子。自我檢測電路配置以輸送一測試訊號供該電弧偵測線圈感應。直流電輸入端子配置以輸送電流通過電弧偵測線圈，電流感測器配置以偵測通過直流電輸入端子的電流的大小。

綜上所述，有別於現有的太陽能逆變器使用纏繞在環形骨架(core)上的電弧偵測線圈，本揭示的太陽能逆變器將電弧偵測線圈及自我檢測電路整合在電路板上，此做法有助於節省成本以及空間，且能更方便地針對每個太陽能串組(string)進行電弧偵測及自我功能檢測。

為使本揭示之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例。圖式中之各元件未按比例繪製，且僅為說明本揭示而提供。以下描述許多實務上之細節，以提供對本揭示的全面理解，然而，相關領域具普通技術者應當理解可在沒有一或多個實務上之細節的情況下實施本揭示，因此，該些細節不應用以限定本揭示。

請參照第1圖，太陽能電力系統10包含複數個太陽能板11以及太陽能逆變器12，太陽能逆變器12連接太陽能板11，並配置以將太陽能板11產生的直流電轉換為交流電，再將交流電輸出至電網或是用電的設備。太陽能逆變器12包含電弧偵測單元13，電弧偵測單元13配置以判定太陽能逆變器12與太陽能板11之間的線路是否出現電弧故障(arc fault)。太陽能逆變器12另包含直流開關14。當電弧偵測單元13判定太陽能逆變器12與太陽能板11之間的線路出現電弧故障時，直流開關14配置以切斷太陽能板11對太陽能逆變器12供給的直流電。太陽能逆變器12另包含檢測電路控制器15。檢測電路控制器15配置以通過自我檢測電路（例如第2圖之自我檢測電路38）灌入一個白噪音或高頻訊號，藉以檢測電弧偵測單元13是否功能正常。

進一步地，太陽能逆變器12可以在電弧偵測單元13判定太陽能逆變器12與太陽能板11之間的線路出現電弧故障時停止從太陽能板11接收能量(例如：太陽能逆變器12可以關閉並停止運作，或藉直流開關14切斷太陽能板11對太陽能逆變器12的供電)。因太陽能板11為被動元件，受到陽光照射就會產生電，不像是電源供應器、電池等其他直流電源能在偵測到異常是關閉，因此，本揭示的太陽能電力系統10將電弧偵測功能整合在太陽能逆變器12中，由太陽能逆變器12偵測電弧故障，並在發生電弧故障時斷電(停止從太陽能板11抽取電流)，以保護太陽能電力系統10。

請參照第2圖，太陽能逆變器12包含殼體20以及一或多個直流電輸入端子25。直流電輸入端子25設置在殼體20的壁面上，並連接太陽能板11 (第2圖中省略未繪出，請見第1圖)，以從太陽能板11接收電流。於一些實施例中，每個直流電輸入端子25連接至一個太陽能串組(string)，每個串組可包含一或多個太陽能板11。

如第2圖所示，太陽能逆變器12還包含電路板30，電路板30面對直流電輸入端子25設置在殼體20中，並連接直流電輸入端子25。在本實施例中，直流電輸入端子25經由纜線60與電路板30連接。具體而言，電路板30具有開口31，纜線60一端連接直流電輸入端子25，並經由開口31延伸穿越電路板30。於一些實施例中，纜線60穿越電路板30後與電路板30上的連接介面(例如：連接端子37)連接。

如第2圖所示，太陽能逆變器12還包含設置在電路板30上的電流感測器33 (僅示意，未繪出具體結構)，電流感測器33配置以偵測通過直流電輸入端子25的電流的大小。換言之，電路板30具備偵測直流電輸入端子25的輸入電流的功能。

如第2圖所示，太陽能逆變器12還包含電弧偵測線圈35，電弧偵測線圈35設置在電路板30上，並環繞電路板30的開口31設置。因此，直流電輸入端子25可經由纜線60輸送電流通過/穿越電弧偵測線圈35。於一些實施例中，電弧偵測線圈35可以是設置在電路板30的表面上。在其他實施例中，電弧偵測線圈35也可以是埋設在電路板30內。太陽能逆變器12還包含自我檢測電路38，自我檢測電路38亦設置在電路板30上，並設置於電弧偵測線圈35的部分段落。自我檢測電路38灌入一個白噪音或高頻訊號，藉以檢測電弧偵測線圈35是否能偵測到該白噪音或高頻訊號。

電弧偵測線圈35例如是Rogowski線圈。電弧偵測線圈35可透過訊號線連接至電弧偵測單元13(可參考第1圖)。電弧偵測單元13可以設置在電路板30上，也可以設置在其他電路板上。電弧偵測單元13配置以自電弧偵測線圈35接收訊號(例如：電壓訊號)，並對接收的訊號進行訊號處理以及頻譜分析，以判定直流電輸入端子25所對應的串組是否出現電弧故障。電弧偵測單元13可包含濾波器、放大器、數位訊號處理器或其他電子元件以執行濾波、放大及傅立葉分析等動作去做頻譜分析，而判定是否出現電弧故障。

在太陽能逆變器的設計上，現行做法是使用纏繞在環形骨架(core)上的電弧偵測線圈來進行電弧偵測，而自我檢測電路38則是纏繞環形骨架的部分段落。然而，這種形式的電弧偵測線圈體積較大，自我檢測電路38的線路也非常的雜亂，且成本也較高。本揭示的太陽能逆變器12將電弧偵測線圈35及自我檢測電路38都一起整合在電路板30上，此做法可以省去電弧偵測線圈及自我檢測電路的組裝空間，成本與環形骨架形式的電弧偵測線圈相比也較低，且只需要在電路板30上的直流電輸入端子25佈設電弧偵測線圈35即可針對對應的串組單獨進行電弧偵測。

進一步地，第2圖所示的實施例是將電弧偵測線圈35及自我檢測電路38整合在原有的用來與直流電輸入端子25搭配且具備電流偵測功能的電路板30上，使得太陽能逆變器12的結構變得更為精簡。

需說明的是，第2圖僅代表性地繪出其中一個直流電輸入端子25透過纜線60連接電路板30，以及對應其中一個直流電輸入端子25的電弧偵測線圈35及自我檢測電路38。在實際產品中，太陽能逆變器12的每個直流電輸入端子25可以各連接一條纜線60，且電路板30上可以設置有複數個電弧偵測線圈35，每個電弧偵測線圈35穿過其中一個直流電輸入端子25(亦即，環繞其中一條纜線60)，並且具有一個自我檢測電路38環繞電弧偵測線圈35的部分段落。

於一些實施例中，電路板30為匯流電路板。具體而言，電路板30配置以自複數個直流電輸入端子25接收電流，並經由設置在電路板30上的至少一輸出端子(例如：連接端子37)輸出電流，其中輸出端子的數量小於直流電輸入端子25的數量。因此，在此等實施例中，電弧偵測線圈35及自我檢測電路38是整合在原有的匯流電路板上，使得太陽能逆變器12的結構變得更為精簡。

於一些實施例中，太陽能逆變器12進一步包含設置在電路板30上的電磁干擾抑制電容39。因此，在此等實施例中，電弧偵測線圈35是整合在原有的用來與直流電輸入端子25搭配且具備抑制電磁干擾功能的電路板30上，使得太陽能逆變器12的結構變得更為精簡。

請參照第3圖。有別於前述實施例，在本實施例中，兩個以上的直流電輸入端子25共用一個電弧偵測線圈35。具體而言，電路板30具有多個開口31，每個開口31供一條纜線60通過，每條纜線60連接至不同的直流電輸入端子25。電弧偵測線圈35環繞多個開口31設置，使得多個直流電輸入端子25經由多條纜線60輸送電流通過電弧偵測線圈35。電弧偵測線圈35可透過訊號線連接至電弧偵測單元，電弧偵測單元配置以自電弧偵測線圈35接收訊號，並對接收的訊號進行訊號處理以及頻譜分析，以判定是否有其中一個直流電輸入端子25所對應的串組出現電弧故障。電弧偵測線圈35的部分段落亦具有自我檢測電路38環繞設置，以提供電弧偵測線圈35及電弧偵測單元的自我檢測功能。

請參照第4圖以及第5圖。有別於前述實施例中使用纜線60連接直流電輸入端子25的做法，在本實施例中，電路板30固定在直流電輸入端子25上。於一些實施例中，直流電輸入端子25插入電路板30的開口31中，且直流電輸入端子25的末端鎖上緊固件90(例如：螺絲)，藉此將電路板30鎖附固定在直流電輸入端子25上。

如第4圖與第5圖所示，太陽能逆變器12進一步包含連接端子37，連接端子37設置在電路板30上，並透過電路板30的內部線路32(以虛線示意)電性連接直流電輸入端子25。因此，電流會依序流過直流電輸入端子25、電路板30的內部線路32以及連接端子37。連接端子37可以外接纜線65，以將電流輸送至太陽能逆變器12的其他部件(例如：直流開關(DC switch))。電弧偵測線圈35環繞直流電輸入端子25以及連接端子37設置，使得來自直流電輸入端子25的電流通過電弧偵測線圈35。電弧偵測線圈35的部分段落亦設置有自我檢測電路38，以提供電弧偵測線圈35及電弧偵測單元的自我檢測功能。於一些實施例中，電弧偵測線圈35在電路板形成的螺旋線圈是一封閉的矩形環，自我檢測電路38設置於封閉的環形的部分段落。於一些實施例中，電弧偵測線圈35封閉的環形亦可以是圓形、橢圓形、方形或三角形等。於一些其他實施例中，電弧偵測線圈35在電路板形成的螺旋線圈亦可以是不封閉的矩形環、圓形環、橢圓形環、方形環或三角形環等。

請參照第6圖以及第7圖。本實施例與第2圖所示的實施例的差異處在於電弧偵測線圈以及電流感測器是設置在不同的電路板上。具體而言，在本實施例中，電流感測器設置在電路板30上(請見第2圖)，太陽能逆變器進一步包含電路板50，電弧偵測線圈56及其自我檢測電路58設置在電路板50上。電路板50具有開口53，電弧偵測線圈56環繞開口53設置。電路板50套設在連接直流電輸入端子25的纜線60上，換言之，纜線60穿過電路板50的開口53，使得電弧偵測線圈56環繞纜線60。因此，來自直流電輸入端子25的電流可以經由纜線60通過電弧偵測線圈56。電弧偵測線圈56的部分段落設置有自我檢測電路58，以提供電弧偵測線圈56及電弧偵測單元的自我檢測功能。

請參照第7圖以及第8圖。本實施例與第4圖所示的實施例的差異處在於電弧偵測線圈以及電流感測器是設置在不同的電路板上。具體而言，在本實施例中，電流感測器設置在電路板30上(請見第2圖)，太陽能逆變器進一步包含電路板50，電弧偵測線圈56設置在電路板50上。電路板50具有開口53，電弧偵測線圈56環繞開口53設置。電路板50套設在與電路板30上的連接端子37連接的纜線65上，換言之，纜線65穿過電路板50的開口53，使得電弧偵測線圈56環繞纜線65。因此，來自直流電輸入端子25的電流可以經由纜線65通過電弧偵測線圈56。

請參照第9圖。在本實施例中，電流感測器(請見第2圖)以及電弧偵測線圈56、自我檢測電路58分別設置在電路板30、50上，且電路板50位於電路板30以及直流電輸入端子25之間。直流電輸入端子25透過纜線60連接電路板30，具體而言，纜線60的一端固定地連接直流電輸入端子25，延伸穿越電路板50的開口53後，另一端固定地連接電路板30。太陽能逆變器進一步包含電連接器70，電連接器70連接電路板30、50，並透過電路板50的內部線路57電性連接設置在開口53周圍的電弧偵測線圈56。電連接器70可包含複數個針腳，電弧偵測線圈56產生的感測訊號可以透過電路板50的內部線路57以及電連接器70傳送至電路板30。

於一些實施例中，電弧偵測單元(圖未示)設置在電路板30上，電弧偵測線圈56產生的感測訊號透過電連接器70傳送至電路板30上的電弧偵測單元進行分析。在其他實施例中，電弧偵測單元也可以設置在其他電路板上，電弧偵測線圈56產生的感測訊號先透過電連接器70傳送至電路板30後，再透過其他線路傳送至設置在其他電路板上的電弧偵測單元進行分析。於一些實施例中，檢測電路控制器(圖未示)設置在電路板30上，檢測電路控制器15透過電連接器70以及電路板50的內部線路59將一個白噪音或高頻訊號經自我檢測電路58灌入，以提供電弧偵測線圈56及電弧偵測單元的自我檢測功能。

請參照第10圖。有別於第9圖所示的實施例，在本實施例中，電路板30固定在直流電輸入端子25上(例如：透過螺絲等緊固件90固定)，電路板50位於電路板30以及殼體20設置有直流電輸入端子25的壁面之間，並套設在直流電輸入端子25上(換言之，直流電輸入端子25延伸穿越電路板50的開口53)。電路板30、50透過電連接器70相連，且電連接器70透過電路板50的內部線路57電性連接設置在開口53周圍的電弧偵測線圈56。電弧偵測線圈56的部分段落設置有自我檢測電路58，以提供電弧偵測線圈56及電弧偵測單元的自我檢測功能。

請參照第11圖，其繪示依據本揭示一實施例之電路板30/50的局部放大剖面圖。此圖中繪示6層（L1～L6）銅箔電路板30/50的剖面圖，此局部包含前述的電弧偵測線圈35/56及自我檢測電路38/58。在本實施例中，電弧偵測線圈35/56形成於層L2到層L5之間以形成螺旋線圈，自我檢測電路38/58形成於層L1到層L6之間以形成螺旋線圈並環繞電弧偵測線圈的部分段落。在本實施例中，電弧偵測線圈35/56之螺旋線圈及自我檢測電路38/58之螺旋線圈是共軸的（例如都是以空氣軸AC為軸心）。自我檢測電路38/58配置以灌入一個白噪音或高頻訊號到空氣軸AC，藉以檢測電弧偵測線圈35/56是否能偵測到空氣軸AC中的該白噪音或高頻訊號，以提供電弧偵測線圈及電弧偵測單元的自我檢測功能。

請參照第12圖，其繪示依據本揭示另一實施例之電路板30/50的局部放大剖面圖。有別於第11圖所示的實施例，在本實施例中，電弧偵測線圈35/56形成於層L2到層L5之間以形成螺旋線圈，自我檢測電路38/58形成於層L3到層L4之間以形成螺旋線圈並位於電弧偵測線圈的部分段落的內圈。在本實施例中，電弧偵測線圈35/56之螺旋線圈及自我檢測電路38/58之螺旋線圈是共軸的（例如都是以空氣軸AC為軸心）。自我檢測電路38/58配置以灌入一個白噪音或高頻訊號到空氣軸AC，藉以檢測電弧偵測線圈35/56是否能偵測到空氣軸AC中的該白噪音或高頻訊號，以提供電弧偵測線圈及電弧偵測單元的自我檢測功能。

請參照第13圖，其繪示依據本揭示再一實施例之電路板30/50的局部放大剖面圖。有別於第11、12圖所示的實施例，在本實施例中，電路板30/50僅為4層（L1～L4）銅箔的電路板。電弧偵測線圈35/56形成於層L2到層L3之間以形成螺旋線圈，自我檢測電路38/58形成於層L1到層L4之間以形成螺旋線圈並環繞電弧偵測線圈的部分段落。在其他實施例中，類似於第12圖的實施例，電弧偵測線圈35/56形成於層L1到層L4之間以形成螺旋線圈，自我檢測電路38/58形成於層L2到層L3之間以形成螺旋線圈並位於電弧偵測線圈的部分段落的內圈。

綜上所述，有別於現有的太陽能逆變器使用纏繞在環形骨架(core)上的電弧偵測線圈，本揭示的太陽能逆變器將電弧偵測線圈及自我檢測電路整合在電路板上，此做法有助於節省成本以及空間，且能更方便地針對每個太陽能串組(string)進行電弧偵測及自我功能檢測。

儘管本揭示已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭示，任何熟習此技藝者，於不脫離本揭示之精神及範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:太陽能電力系統 11:太陽能板 12:太陽能逆變器 13:電弧偵測單元 14:直流開關 15:檢測電路控制器 20:殼體 25:直流電輸入端子 30:電路板 50:電路板 31:開口 53:開口 32:內部線路 57:內部線路 33:電流感測器 35:電弧偵測線圈 38:自我檢測電路 56:電弧偵測線圈 58:自我檢測電路 37:連接端子 39:電磁干擾抑制電容 60:纜線 65:纜線 70:電連接器 90:緊固件 L1～L6:層 AC:空氣軸

為使本揭示之上述及其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為繪示依據本揭示一實施例之太陽能電力系統的示意圖。 第2圖為繪示第1圖所示之太陽能電力系統的太陽能逆變器的內部結構圖。 第3圖為繪示依據本揭示另一實施例之太陽能逆變器的局部放大剖面圖。 第4圖為繪示依據本揭示另一實施例之太陽能逆變器的局部放大剖面圖。 第5圖為繪示第4圖所示之太陽能逆變器的前視圖。 第6圖為繪示依據本揭示另一實施例之太陽能逆變器的局部放大剖面圖。 第7圖為繪示第6圖所示之太陽能逆變器的第二電路板的前視圖。 第8圖為繪示依據本揭示另一實施例之太陽能逆變器的局部放大剖面圖。 第9圖為繪示依據本揭示另一實施例之太陽能逆變器的局部放大剖面圖。 第10圖為繪示依據本揭示另一實施例之太陽能逆變器的局部放大剖面圖。 第11圖為繪示依據本揭示一實施例之電路板的局部放大剖面圖。 第12圖為繪示依據本揭示另一實施例之電路板的局部放大剖面圖。 第13圖為繪示依據本揭示再一實施例之電路板的局部放大剖面圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

12:太陽能逆變器

20:殼體

25:直流電輸入端子

30:電路板

31:開口

33:電流感測器

35:電弧偵測線圈

37:連接端子

38:自我檢測電路

39:電磁干擾抑制電容

60:纜線

Claims (13)

1. 一種太陽能逆變器，包含：一殼體；至少一電路板，設置在該殼體中；一電流感測器，設置在該至少一電路板上；一電弧偵測線圈，設置在該至少一電路板上；一自我檢測電路，設置在該至少一電路板上，其中該電弧偵測線圈與該自我檢測電路在該至少一電路板形成的螺旋線圈是共軸心的；以及至少一直流電輸入端子，設置在該殼體上，並連接該至少一電路板，其中該自我檢測電路配置以輸送一測試訊號供該電弧偵測線圈感應，該直流電輸入端子配置以輸送一電流通過該電弧偵測線圈，其中該電流感測器配置以偵測通過該直流電輸入端子的該電流的大小。
2. 如請求項1所述之太陽能逆變器，其中該至少一電路板包含一第一電路板，該電流感測器、該自我檢測電路以及該電弧偵測線圈設置在該第一電路板上。
3. 如請求項2所述之太陽能逆變器，進一步包含一纜線，該纜線連接該直流電輸入端子，其中該第一電路板具有一開口，該纜線延伸穿越該開口，該電弧偵測線圈環繞該開口設置，該自我檢測電路設置於該電弧偵測線圈的部分段落。
4. 如請求項2所述之太陽能逆變器，進一步包含一連接端子，其中該第一電路板固定在該直流電輸入端子上，該連接端子設置在該第一電路板上，並透過該第一電路板的一內部線路電性連接該直流電輸入端子，該電弧偵測線圈環繞該直流電輸入端子以及該連接端子設置。
5. 如請求項2所述之太陽能逆變器，其中該至少一直流電輸入端子為複數個，該第一電路板配置以自該些直流電輸入端子接收電流，並經由至少一輸出端子輸出電流，其中該至少一輸出端子的數量小於該些直流電輸入端子的數量。
6. 如請求項2所述之太陽能逆變器，進一步包含一電磁干擾抑制電容，該電磁干擾抑制電容設置在該第一電路板上。
7. 如請求項1所述之太陽能逆變器，其中該至少一電路板包含一第一電路板以及一第二電路板，該電流感測器設置在該第一電路板上，該電弧偵測線圈及該自我檢測電路設置該第二電路板上，該自我檢測電路設置於該電弧偵測線圈的部分段落。
8. 如請求項7所述之太陽能逆變器，進一步包 含一纜線，該纜線連接該直流電輸入端子，並延伸穿越該第一電路板，其中該第二電路板套設在該纜線上。
9. 如請求項7所述之太陽能逆變器，進一步包含一連接端子以及一纜線，其中該第一電路板固定在該直流電輸入端子上，該連接端子設置在該第一電路板上，並透過該第一電路板的一內部線路電性連接該直流電輸入端子，該纜線連接該連接端子，該第二電路板套設在該纜線上。
10. 如請求項7所述之太陽能逆變器，進一步包含一纜線以及一電連接器，該纜線連接在該直流電輸入端子以及該第一電路板之間，並穿越該第二電路板，該電連接器連接該第一電路板以及該第二電路板，並透過該第二電路板的一內部線路電性連接該電弧偵測線圈。
11. 如請求項7所述之太陽能逆變器，其中該第一電路板固定在該直流電輸入端子上，該第二電路板位於該第一電路板以及該殼體的一壁面之間，並套設在該直流電輸入端子上，該太陽能逆變器進一步包含一電連接器，該電連接器連接該第一電路板以及該第二電路板，並透過該第二電路板的一內部線路電性連接該電弧偵測線圈。
12. 如請求項1所述之太陽能逆變器，其中該直 流電輸入端子配置以連接一太陽能板，該太陽能逆變器進一步包含一電弧偵測單元，該電弧偵測單元配置以自該電弧偵測線圈接收一訊號，並基於該訊號來判定該太陽能逆變器與該太陽能板之間的線路是否出現電弧故障，其中該太陽能逆變器配置以在出現電弧故障時停止從該太陽能板接收能量。
13. 如請求項1所述之太陽能逆變器，其中該電弧偵測線圈在該至少一電路板形成的螺旋線圈是一環形，該自我檢測電路設置於該環形的部分段落。

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