台湾专利TW201322594A 雙向換流電路及電動載具驅動系統

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本發明實施例提供一種雙向換流電路，適用於控制電動載具驅動系統之供電模式。雙向換流電路包含第一功率開關、第二功率開關、第三功率開關、第四功率開關以及控制單元。第一、第二、第三及第四功率開關分別具有控制端、第一端與第二端。此外，第一與第二功率開關串聯而第三與第四功率開關串聯。第一與第二功率開關及第三與第四功率開關更相互並聯並與第一電感、第一電容之串聯電路相連接。控制單元則連接至第一、第二、第三及第四功率開關的控制端並輸出控制信號以控制第一、第二、第三及第四功率開關的運作，進而建立多種不同供電模式。
公开号:TW201322594A
申请号:TW100141833
申请日:2011-11-16
公开日:2013-06-01
发明作者:Yu-Kai Chen；Yung-Chun Wu；An-Chen Lee
申请人:Univ Nat Formosa；
IPC主号:Y02E40-00

专利说明:
雙向換流電路及電動載具驅動系統
本發明有關於一種雙向換流電路，且特別是一種可與電動載具驅動系統結合以使電動載具驅動系統具有能量回充、功率因數修正以及不斷電系統功能之雙向換流電路。
隨著科技的發展，一般在電動載具(例如電梯、升降機或電動車輛等)的運作中，充足不間斷之電源供為維持電動載具正常運轉之基本要件。大部分電動載具之電源基本來自於市設電力，然市設電力系統時常會因受到傳輸線路發生問題(例如斷線、短路)等造成電力不足或中斷現象(例如緊急停電)，進而導致電動載具無預警停止運行，造成電動載具損壞或是發生事故。
據此，近年來，不斷電供應系統(Uninterruptible Power Supply，UPS已被廣泛成熟地與電動載具結合，以解決上述電源異常之問題。一般傳統不斷電供應系統為交流電供電系統，基本係由電源供應裝置及電池裝置所組成。電源供應裝置可包含整流器與電壓轉換器而電池裝置則包含充電器及電池。傳統不斷電供應系統可一般與市設電力及所要驅動之負載(例如馬達)相連接，以於正常狀況下利用電源供應裝置將市設電力透過功因修正及整流後，將交流電轉換為直流電，以於正常運轉時，對電源供應裝置中的電池進行充電。而後，再將直流電作直流/交流與電壓轉換後供應負載所需之電力，以驅動負載。當市設電力中斷或異常發生時，無法供應所需電力至負載，傳統不斷電供應系統可即時切換供應能源，暫時轉由電池裝置透過直流/交流與電壓轉換後供應負載所需之電力，以補償主要電源的不足，同時亦維持供應電力的品質。
由上述可知，一般傳統不斷電供應系統需採用兩組電壓轉換電路，使用兩個控制電路以分別控制轉換電路。也就是說，傳統不斷電供應系統除了需要兩組控制電路以分別驅動控制兩組電壓轉換電路之外，也需要兩次功率轉換過程，從而會增加切換損失與傳導損失，降低整體系統電路效率。
有鑑於此，本發明實施例提供一種雙向換流電路可藉由控制電路的運作，除可將傳統電阻消耗煞車系統改為能量再生系統，有效的將煞車時所需之電力回收，提升能源再生利用率，還可與不斷電系統作結合，進而達成多種系統供電模式(例如市電供電模式、能量回收模式、電池供電模式等)。此外，本發明實施例提供雙向換流電路僅需一組電壓轉換電路即可實現所需之功率因數修正與電壓轉換之效能，藉此，提升電路轉換效率及電力品質，同時可將電路架構簡單化，降低系統電路製作成本。
本發明實施例提供一種雙向換流電路，此雙向換流電路適合應用於電動載具驅動系統，用於提供驅動系統電壓轉換。雙向換流電路包括第一功率開關、第二功率開關、第三功率開關、第四功率開關、第一電感、第一電容及控制單元。第一功率開關、第二功率開關、第三功率開關與第四功率開關分別具有控制端、第一端及第二端，其中第一與第二功率開關串聯，而第三與第四功率開關串聯。第一與第二功率開關及與第三、與第四功率開關更相互並聯。此外，四個二極體分別連接與第一功率開關、第二功率開關、第三功率開關與第四功率開關的第一端與第二端之間。第一電感、第一電容相互串聯並連接於第一與第二功率開關之接點及第三與第四功率開關之接點。第一電感與第一電容形成之串聯電路用於作為低通濾波電路，以消除輸入電壓的漣波與切換雜訊。此外，第一電感亦可使電路視為定電流之輸出形式。控制單元，可藉由輸出控制信號至第一功率開關之控制端、第二功率開關之控制端、第三功率開關之控制端以及第四功率開關之控制端，進而以控制第一、第二、第三及第四功率開關之運作，以設定雙向換流電路的操作模式。此外，第三功率開關的第一端連接至第二電容連接於第三功率開關的第一端與第四功率開關的第二端之間。據此，第二電容的兩端所形成之電壓係為雙向換流電路之輸出電壓。此外，雙向換流電路另包括電流感測單元與電壓偵測單元，其中電流感測單元與電壓偵測單元分別連接至控制單元。電流感測單元用以偵測流經第一電感之電流並反饋至控制單元。電壓偵測單元用以偵測該雙向換流電路之輸出電壓並反饋至該控制單元。控制單元可對電流感測單元與電壓偵測單元之偵測結果進行演算以獲得對應於第一、第二、第三及第四功率開關之控制信號的工作周期。
在本發明其中一個實施例中，上述雙向換流電路之操作模式為市電供電模式即雙向換流電路可將市設電力作功率因數修正、交流/直流轉換及電壓升壓後，提供至後端相連接之負載或直流鏈。
在本發明其中一個實施例中，上述雙向換流電路之操作模式為能量回收模式。於能量回收模式中，負載例如馬達之煞車能量可經雙向換流電路轉進行直流/交流轉換及電壓降壓後，併入市設電力系統，以節約能源。
在本發明其中一個實施例中，上述雙向換流電路之操作模式為電池供電模式。電池供電模式可於市設電力因故中斷時，提供負載所需電力，且此電力可經雙向換流電路轉進行電壓升壓後，驅動負載，以短暫維持負載之運作。
本發明實施例提供一種電動載具驅動系統，此電動載具驅動系統包括上述之雙向換流電路、第一開關、第二開關馬達、馬達驅動單元、電池供應模組及驅動控制處理單元，其中電池供應模組另包含充電單元及蓄電池。此外，第一開關連接於交流電源與上述第一電容的之間，可用於控制雙向換流電路與交流電源之間的連結。第二開關則連接於雙向換流電路與蓄電池之間，可用於控制雙向換流電路與蓄電池之間的連結。電池供應模組可用於作為第二電源，以於市設電力中斷時供應馬達所需電力，以維持電動載具的運行。另市設電力於正常供電時也可於蓄電池未達上限電容量時，對蓄電池進充電。驅動控制處理單元則用控制第一開關、第二開關、雙向換流電路及馬達驅動單元之運作，以配合電動載具驅動系統操作狀態，來建立所須之供電模式。
綜上所述，本發明實施例提供一種雙向換流電路，此雙向換流電路僅需一組電壓轉換電路即可實現所需之功率因數修正與電壓轉換之效能，藉此降低切換損失，提升電力供應品質，及電路轉換效率，同時亦將電路架構簡單化，降低系統電路製作成本。
另外，雙向換流電路可與電動載具驅動系統作結合，透過對電路控制，以建立多種系統供電模式(例如市電供電模式、能量回收模式、電池供電模式等)。同時，可藉由上述之供電模式的建立，充分地利用能源，提升電力供應品質進而可持續供應系統所需電力維持系統運轉。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。 [雙向換流電路之實施例]
請參照圖1，圖1繪示本發明實施例提供之雙向換流電路10之電路示意圖。雙向換流電路10包含第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3、第四功率開關Q4、電感L1(第一電感)、電容C1(第一電容)、二極體D1~D4(第一二極體、第二二極體、第三二極體及第四二極體)及控制單元101。此外，雙向換流電路10另包括電流感測單元103及電壓感測單元105。
簡單來說，第一功率開關Q1與第二功率開關Q2彼此相互串聯，而第三功率開關Q3與第四功率開關Q4彼此相互串聯。另外，第一功率開關Q1及第二功率開關Q2與第三功率開關Q3及第四功率開關Q4相互並聯。電感L1與電容C1相互連接。電感L1更連接至第一功率開關Q1與第二功率開關Q2之接點，而電容C1連接至第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之接點。第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3與第四功率開關Q4分別連接控制單元101，進而控制單元101可分別控制第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3、第四功率開關Q4的運作，亦即功率開關之導通與截止時間。雙向換流電路10因此可進行電壓轉換，例如交流電與直流電轉換或直流電對直流電轉換，進而建立多種電壓轉換模式。
詳細地說，第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3與第四功率開關Q4分別具有控制端、第一端及第二端。此外，二極體D1的陰極連接第一功率開關Q1的第一端而陽極連接第一功率開關Q1的第二端。二極體D2的陰極連接第二功率開關Q2的第一端而陽極連接第二功率開關Q2的第二端。二極體D3的陰極連接第三功率開關Q3的第一端而陽極連接第三功率開關Q3的第二端。同樣地，二極體D4的陰極連接第四功率開關Q4的第一端而陽極連接第四功率開關Q4的第二端。
接著，第一功率開關Q1的第二端連接於第二功率開關Q2的第一端。第三功率開關Q3的第二端連接於第四功率開關Q4的第一端。此外，第一功率開關Q1的第一端與三功率開關Q3的第一端相連，而第二功率開關Q2的第二端與第四功率開關Q4的第二端相連。從而第一功率開關Q1與第二功率開關Q2相串聯，而第三功率開關Q3及第四功率開關Q4相串聯。此外，第一功率開關Q1與第二功率開關Q2及第三功率開關Q3及第四功率開關Q4更相互並聯，形成類似於全橋式電路的架構。
電感L1的一端連接電容C1的一端，亦即電感L1與電容C1相串聯。電容C1的另一端則連接第一功率開關Q1與第二功率開關Q2之接點。電感L1的另一端則連接至第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之接點。
如圖1所示，輸入電壓V_IN(例如市設電力之交流電或電池供應之直流電)可連接於電容C1的兩端，藉此電容C1可消除輸入電源的漣波及切換雜訊，以穩定輸入電壓。另外，電容C2(第二電容)的一端連接於第三功率開關Q3的第一端，而電容C2的另一端則連接至第四功率開關Q4的第二端。電容C2可對經雙向換流電路10轉換後的電壓進行穩壓，藉此電容C2兩端之跨壓為此雙向換流電路10之輸出電壓V_OUT，此輸出電壓V_OUT可輸出至後端連接之負載(未繪示於圖1)，以供應負載所需之電力。
值得一提的是，第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3以及第四功率開關Q4的控制端更分別連接至控制單元101。也就是說，控制單元101藉由輸出控制信號PWM1~4(例如脈波寬度調變信號)至第一功率開關Q1的控制端、第二功率開關Q2的控制端、第三功率開關Q3的控制端及第四功率開關Q4的控制端，控制第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4的導通與截止時間，進而控制整體電路的運作。
此外，電流感測單元103及電壓感測單元105分別連接至控制單元101。具體來說，電流感測單元103可用以偵測於電路運作時流經電感L1之電流I_L變化(亦即輸入電流變化)輸入至控制單元101，以進行演算分析。同理，電壓感測單元105則可用以偵測雙向換流電路10之輸出電壓V_OUT並輸入至控制單元101，以進行演算分析。
進一步地說，控制單元101可依據電流感測單元103與電壓感測單元105所偵測電路電流I_L變化以及輸出電壓V_OUT，產出頻率相同之控制信號PWM1~PWM4以分別控制第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4導通與截止運作，進而建立交流電與直流電轉換或直流電對直流電之間電壓轉換(例如升壓或降壓等)。
舉例來說，當雙向換流電路10運作時，控制單元101可依據所偵測的電流I_L變化及輸出電壓V_OUT，進行演算後分別輸出相同頻率之控制信號PWM1~PWM4至第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4的控制端，以設定第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4的導通或截止時間，建立所需的電壓轉換模式。要說明的是，雙向換流電路10的具體運作方式會藉由其他實施例來說明，故不在此贅述。
值得一提的是，於此雙向換流電路10中，電感L1與電容C1串接形成電感電容低通濾波電路，可過濾輸入電壓源的雜訊，以穩定輸入電壓V_IN，同時也對藉由濾除輸入電壓源的雜訊，進行功率因數的修正(例如提高功率因數)，藉以使電壓與電流的相位相似，提升供應電力的品質，電感L1亦可使電路視為定電流之輸出形式。
實際實施時，第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4於此實施例可為絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。據此，第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之控制端為絕緣柵雙極電晶體的閘極。第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之第一端為絕緣柵雙極電晶體的集極。第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之第一端為絕緣柵雙極電晶體的射極。但第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3與第四功率開關Q4也可為其他功率電晶體實現，例如功率金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)。電流感測單元103則可用電流感測器例如霍爾感測元件(Hall Effect Sensor)或電阻等來實現。電壓感測單元105則可以電壓感測器或是分壓電路來實現。控制單元101可以可編式微處理器(例如數位訊號處理器digital signal processor，DSP)來實現。負載則可依據所應用之系統架構而變換。舉例來說，以電動載具為例，負載可以是馬達。
要說明的是，本發明並不限定控制單元101、電流感測單元103、電壓感測單元105、第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3第四功率開關Q4及負載的種類、實體架構及/或具體實施方式。 [雙向換流電路之與市電併聯供電操作模式實施例]
在市電供電模式下，雙向換流電路10可作為具功率因數修正功效之交流對直流轉換電路。換言之，雙向換流電路10之電壓輸入端可與市設電力(以下簡稱市電)連接，因此雙向換流電路10可將市電所提供之交流電V_AC轉為直流電壓並提供至後端連接之直流鏈(DC BUS)或是提供至負載以驅動負載。同時，如先前所述雙向換流電路10可對輸入電壓源作穩壓與功率因數的校正。
請參照圖2A與圖2B，圖2A與圖2B分別繪示本發明一實施例提供的雙向換流電路運作於市電供電模式之電路運作時市電正半週期操作示意圖。簡單來說，於市電供電模式，控制單元101會藉由輸出控制信號控制第三功率開關Q3及第四控制開關Q4的運作，將交流電V_AC轉為直流電V_DC。
詳細地說，控制單元101於市電切換周期的正半週期輸出控制信號PWM4至第四功率開關Q4控制端之，以於預設的導通時控制第四功率開關Q4的運作。進一步地說，控制信號PWM4會先導通第四功率開關Q4(例如控制信號PWM4為高準位振幅之控制信號)。於此時第一、第二及第三功率開關Q1~Q3為截止狀態。具體來說，控制單元101輸出至第一、第二及第三功率開關Q1~Q3之控制端的控制信號PWM1~3可例如為低準位振幅之控制信號。當第四功率開關Q4導通時，電感L1會被激磁，並產生磁場，而交流電V_AC所供應的能量，則會儲存於電感L1。因此，電感L1電流I_L(亦即輸入電流)上升使得二極體D2為順向偏壓。換言之即如圖2A所示，於市電切換周期的正半週期，第四功率開關Q4導通時，電流I_L會由交流電V_AC輸出，流經電感L1、第四功率開關Q4、二極體D2及電容C1，進而形成迴路111(粗體實線)。此時輸出之直流電V_DC的電壓準位為端點A至端點B之電壓，亦即V_INV。
而後，控制信號PWM4切換至低準位振幅使第四功率開關Q4進入截止狀態時，電感L1此時會經由二極體D2及二極體D3去磁。換句話說，電感L1電壓極性反轉，使得二極體D2及二極體D3順向偏壓，因此電感L1會經由二極體D2及二極體D3將先前所儲存的能量釋放至電容C2(亦即對電容C2進行充電)，同時流經電感L1電流I_L會下降，而輸出之直流電V_DC的電壓準位為電容C2兩端之跨壓。此輸出之直流電V_DC的電壓準位可如上述匯入後端連接的直流鏈或是提供至負載。簡單來說，如圖2B所示，於市電切換周期的正半週期，第四功率開關Q4截止時，電流I_L會經過由電感L1、二極體D2、電容C2、二極體D3以及電容C1，形成迴路113(粗體實線)。
接著，請參照圖2C與圖2D，圖2C與圖2D分別繪示本發明一實施例提供的雙向換流電路10運作於市電供電模式之電路運作時市電負半週期操作示意圖。於市電切換周期的負半週期，控制單元101輸出至第三功率開關Q3之控制端的控制信號PWM3會先導通第三功率開關Q3(例如控制信號PWM3為高準位振幅之控制信號)。於此時第一、第二及第四功率開關Q1、Q2、Q4為截止狀態。也就是說，控制單元101輸出至第一、第二及第四功率開關Q1、Q2、Q4之控制端的控制信號PWM1、2、4可例如為低準位振幅之控制信號。
當第三功率開關Q3導通時，電感L1會被激磁並產生磁場，儲存交流電V_AC所供應的能量，此時電感L1電流I_L上升，使得二極體D1為順向偏壓。換言之即如圖2C所示，於市電負半週期及第三功率開關Q3導通時，電流自交流電V_AC輸出，流經由電容C1、二極體D1、第三功率開關Q3及電感L1，進而形成迴路115(粗體實線)。此時輸出之直流電V_DC的電壓準位為端點B至端點A之電壓，亦即V_INV。
而後，當控制信號PWM3切換至低準位振幅使第三功率開關Q3進入截止狀態時，電感L1此時會經由二極體D1及二極體D4去磁。具體來說，電感L1電壓極性會反轉，使得二極體D1及二極體D4順向偏壓，藉此電感L1會經由二極體D1及二極體D4將先前所儲存的能量釋放至電容C2(亦即對電容C2進行充電)。與此同時，流經電感L1電流I_L會下降，而輸出之直流電V_DC的電壓準位為電容C2兩端之跨壓，換句話說，如圖2D所示，於市電負半週期及第三功率開關Q3截止時，電流I_L會經過由二極體D4、電感L1、電容C1、二極體D1，進而形成迴路117(粗體實線)，並將市電經由功率因數修正以及將交流電整流轉換後輸出電力至後端電路，例如直流鏈(DC Bus)或是直接供應驅動負載。
據此，本技術領域具有通常知識者，可知此雙向換流電路10於上述操作模式近似於升壓電壓轉換器(Boost Converter)，因此控制單元101可藉由交互導通、截止第三、第四功率開關Q3、Q4建立市電供電模式。此外，控制單元101亦藉由調整第三、第四功率開關Q3、Q4之工作周期，調整輸出之直流電V_DC的電壓準位。如先前所述，控制單元101可依據每周期電流感測單元103所偵測之電感L1電流變化及電壓感測單元105所偵測之輸出之直流電V_DC的電壓準位，控制第三與第四功率開關Q3、Q4之運作。要說明的是，本發明並不限定控制單元101實際實施方式或是第三及第四功率開關的實際控制方式。此外，圖2A~2D僅為雙向換流電路之一操作示意圖，並非用於限定本發明。 [雙向換流電路之能量回收操作模式實施例]
在能量回收供電模式下，雙向換流電路10可作為直流對交流轉換電路。據此，於此實施例中負載為馬達，且連接於雙向換流電路10之輸出端。具體來說，雙向換流電路10可將馬達煞車運轉之能量，回收至交流鏈(AC BUS)，以節約能源。簡單來說，當馬達於煞車時，將馬達煞車能量轉換成交流電反饋於市電。同理，若連接雙向換流電路10輸入端為直流電源，例如電池，雙向換流電路10也可將馬達煞車運轉之能量降壓後於電池未達上限電容量時，對電池進行充電。
詳細地說，在能量回收供電模式下，每個市電切換週期控制單元101會交互切換控制第一功率開關Q1及第四功率開關Q4與第二功率開關Q2及第三功率開關Q3的運作。換言之，控制單元101會分別輸出控制信號PWM1~PWM4至第一功率開關Q1的控制端、第二功率開關Q2的控制端、第三功率開關Q3的控制端以及第四功率開關Q4的控制端，以設定第一、第二、第三及第四功率開關Q1~Q4與的導通或截止時間。
進一步地說，請參照圖3A與圖3B，圖3A與圖3B分別繪示本發明一實施例提供的雙向換流電路10操作於能量回收供電模式的電路運作時市電正半週期操作示意圖。於每個市電切換週期之正半週期，控制單元101所輸出的控制信號PWM2、PWM3會先導通第二功率開關Q2與第三功率開關Q3(例如控制信號PWM2、PWM3為高準位振幅之控制信號)。於此同時，控制單元101所輸出控制信號PWM1、PWM4則會先使第一功率開關Q1及第四功率開關Q4處於截止狀態(控制信號PWM1、PWM4例如為低準位振幅之控制信號)。
當第二功率開關Q2與第三功率開關Q3導通時，電感L1會被激磁並產生磁場。電感L1會儲存由電容C2所釋放的能量。此時電感L1電流I_L上升，使得二極體D1~D4處於逆向偏壓，因而如圖3A所示為斷路。換言之即如圖3A所示，於市電切換週期之正半週期，第二功率開關Q2與第三功率開關Q3導通時，電流I_L會由電容C2輸出經由第三功率開關Q3、電感L1、電容C1、第二功率開關Q2，進而形成迴路121(粗體實線)。此時輸出端直流電V_DC反饋至交流電V_AC之電壓準位為端點A至端點B之電壓，亦即V_INV。
而後，當控制信號PWM3切換至低準位振幅，使得第三功率開關Q3進入截止狀態時，電感L1則經由第二功率開關Q2、二極體D4釋放能量至電容C1，電感L1電流I_L也隨之下降。此能量會併入與電容C1相連接的交流電V_AC，藉此達成能量回收亦即能源再生。換句話說，如圖3B所示，於市電切換週期之正半週期，第三功率開關Q3截止而第二功率開關Q2導通時，電流I_L會由電感L1流經電容C1、第二功率開關Q2以及二極體D4，進而形成迴路123(粗體實線)。
接者，請參照圖3C與圖3D，圖3C與圖3D分別繪示本發明一實施例提供的雙向換流電路操作於能量回收供電模式的電路運作時市電正半週期操作示意圖。於市電切換周期的負半週期，控制單元101所輸出的控制信號PWM1、PWM4會先導通第一功率開關Q1與第四功率開關Q4(例如控制信號PWM1、PWM4為高準位振幅之控制信號)。於此同時，控制單元101所輸出控制信號PWM2、PWM3則使第二功率開關Q2及第三功率開關Q3處於截止狀態(例如控制信號PWM2、PWM3為低準位振幅之控制信號)。
當第一功率開關Q1與第四功率開關Q4導通時，電感L1會被激磁，產生磁場，以儲存由電容C2所釋放的能量，此時電感L1電流I_L上升。二極體D1~D4處於逆向偏壓，因而如圖3C所示為斷路。換言之即如圖3C所示，於市電切換周期的負半週期，第一功率開關Q1與第四功率開關Q4導通時，電流I_L會由電容C2輸出經由第一功率開關Q1、電容C1、電感L1、第四功率開關Q4，進而形成迴路125(粗體實線)。此時輸出端直流電V_DC反饋至交流電V_AC之電壓準位為端點B至端點A之電壓，亦即V_INV。
而後，當控制信號PWM4切換至低準位使得第四功率開關Q4進入截止狀態時，電感L1則經由第一功率開關Q1、二極體D3釋放能量至電容C1，電感L1電流I_L也隨之下降。此能量會併入與電容C1相連接的交流電源，藉此完成一市電切換周期之能量回收。換句話說，電流I_L會如圖3D所示，於市電切換周期的負半週期，第四功率開關Q4截止而第一功率開關Q1導通時，由電感L1流經二極體D3、第一功率開關Q1以及電容C1，進而形成迴路127(粗體實線)。
據此，本技術領域具有通常知識者，可知此雙向換流電路10於上述操作模式近似於降壓電壓轉換器(Buck Converter)，因此控制單元101可藉由導通、截止第一、第二、第三以及第四功率開關Q1~Q4將驅動負載能量回收匯入市電，建立能量回收供電模式。此外，控制單元101亦藉由調整第一、第二、第三以及第四功率開關Q1~Q4之工作周期，調整輸出端直流電V_DC之電壓準位。如先前所述，控制單元101可依據每周期電流感測單元103所偵測之電感L1電流I_L變化及電壓感測單元105所偵測之輸出端直流電V_DC電壓準位，控制第一、第二、第三以及第四功率開關Q1~Q4之運作。
要說明的是本發明並不限定控制單元101實際實施方式或第是一、第二、第三以及第四功率開關Q1~Q4實際控制方式。此外，圖3A~3D僅為雙向換流電路之一操作示意圖，並非用於限定本發明。 [雙向換流電路之電池供電操作模式實施例]
雙向換流電路10之輸入端可連接直流電源例如電池，亦即雙向換流電路10可進行直流/直流轉換。進一步說，雙向換流電路10可將電池提供之電壓經升壓後並利用電容C2穩壓後提供與輸出端相連之負載，以維持負載的運作。
請參照圖4A與圖4B，圖4A與圖4B分別繪示本發明一實施例提供的雙向換流電路運作於電池供電模式之電路運作操作示意圖。簡單來說，控制單元101會藉由控制第四功率開關Q4之運作，以將連接於電容C1兩端之電池電壓V_BAT(第一直流電)升壓後輸出至負載，以驅動負載。具體地說，控制單元101所輸出之控制信號PWM4會先導通第四功率開關Q4(例如控制信號PWM4為高準位振幅之控制信號)。於此時第一、第二及第三功率開關Q1~Q3為截止狀態。也就是說，控制單元101輸出至第一、第二及第三功率開關Q1~Q3之控制端的控制信號PWM1~3可例如為低準位振幅之控制信號。如圖4A所示，當第四功率開關Q4導通時，電感L1會被激磁並產生磁場，而電池所供應的能量(V_BAT)，則會儲存於電感L1。因此，電感L1電流I_L(亦即輸入電流)上升使得二極體D2為順向偏壓。電流I_L會由電池輸出，流經電感L1、第四功率開關Q4、二極體D2及電容C1，進而形成迴路131(粗體實線)。此時輸出之直流電V_DC(第二直流電)的電壓準位為端點A至端點B之電壓，亦即V_INV。
而後，當控制信號PWM4切換至低準位振幅，使得第四功率開關Q4進入截止狀態時，電感L1電壓極性反轉，使得二極體D2及二極體D3順向偏壓，因此電感L1會經由二極體D2及二極體D3將先前所儲存的能量釋放至電容C2(亦即對電容C2進行充電)同時流經電感L1電流I_L下降。換言之如圖4B所示，當第四功率開關Q4截止時，電流I_L會經過由電感L1、二極體D2、電容C2、二極體D3以及電容C1，進而形成迴路133(粗體實線)。
附帶一提的是，本技術領域具通常知識者應知雙向換流電路10於電池供電模式的操作模式近似於雙向換流電路10於市電供電模式中正半週期，故不在此加以贅述。需要說明的是，圖4A~4B僅為雙向換流電路之一操作示意圖，並非用於限定本發明。此外，電池的種類，實體架構可依據實際用途需求設置，並不用以限定本發明。 [單極電梯系統之應用實施例]
請參照圖5，圖5繪示本發明一應用實施例提供的電梯驅動系統2架構功能方塊圖。此電梯驅動系統2包括交流電源21、不斷電系統23、馬達驅動單元25及馬達27。於此實施例中，交流電源21為市電。不斷電系統23包含開關S1(第一開關)、開關S2(第二開關)、雙向換流單元237、驅動控制處理單元231、蓄電池233及充電單元235。雙向換流單元237包括雙向換流電路10(未繪示於圖5)。不斷電系統23連接於市電21與馬達驅動單元25之間。馬達驅動單元25連接馬達27。電梯驅動系統2可依據系統電力狀態，操作於市電供電模式、能量回收模式與電池供電模式的其中之一。
進一步地說，開關S1連接於市電21與雙向換流單元237之間。開關S2連接於蓄電池233與雙向換流單元237之間。
具體來說，開關S1、S2分別具有控制端、第一端與第二端。市電21的正極端連接於開關S1的第一端，而開關S1的第二端連接雙向換流單元237。市電21的負極則連接至雙向換流單元237。據此，開關S1可用於切換市電21與雙向換流單元237之連結。市電21正、負極端另連接至充電單元235。
開關S2的第一端則接開關S1的第二端與雙向換流單元237之間，而開關S2的第二端連接至蓄電池233的正極端。蓄電池233的負極端連接至雙向換流單元237。據此，開關S2可用於切換蓄電池233與雙向換流單元237之連結。
雙向換流單元237進一步連接馬達驅動單元25，而馬達驅動單元25連接馬達27。此外，驅動控制處理單元231分別連接至開關S1的控制端、開關S2的控制端、雙向換流單元237及馬達驅動單元25。
驅動控制處理單元231可藉由控制開關S1、S2以及雙向換流單元237的運作，切換建立不同供電模式，例如市電供電模式、能量回收模式及電池供電模式。驅動控制處理單元231可藉由偵測蓄電池233的電容量判斷充電單元235是否對蓄電池充電。此外，驅動控制處理單元231可控制馬達驅動單元25，以調整馬達27操作狀態例如馬達27轉動方向及轉動轉速等。
請參照圖6，圖6繪示本發明應用實施例提供的電梯驅動系統2運作於市電供電模式之操作示意圖。舉例來說，當單極電梯驅動系統2操作於市電供電模式(正常運作模式)，驅動控制處理單元231會控制導通開關S1截止開關S2。驅動控制處理單元231也會驅動控制雙向換流單元237進入市電供電模式，其控制及運作方式如同上述實施例，故在此不再贅述。市電21經由傳輸線輸出交流電源至雙向換流單元237經功率因數修正及電壓轉換升壓後，輸出直流電V_DC，並經電容C2穩壓後提供給馬達驅動單元25，以驅動馬達27，以使電梯正常運轉。同時，市電21也經由傳輸線輸出交流電源至充電單元235以當驅動控制處理單元231偵測蓄電池233未達上限之電容量時，充電單元235對蓄電池233進行充電。
又舉例來說，請參照圖7，圖7繪示本發明應用實施例提供的單極電梯驅動系統2運作於能量回收模式之操作示意圖。於馬達27煞車時，驅動控制處理單元231可藉由控制雙向換流單元237與馬達驅動單元25使單極電梯驅動系統2操作於能量回收模式。雙向換流單元237的控制及運作方式如同上述實施例，故在此不再贅述。簡單來說，當馬達27煞車時，雙向換流單元237可將馬達27驅動能量回收經降壓及功率調整後經由傳輸線併入市電21。同樣地，所回收馬達27之驅動能量也可經由傳輸線輸出交流電源至充電單元235以當驅動控制處理單元231偵測蓄電池233未達上限之電容量時，充電單元235對蓄電池233進行充電。
接著，請參考圖8，圖8繪示本發明應用實施例提供的單極電梯驅動系統2運作於電池供電模式之操作示意圖。當市電21斷電時(例如傳輸線斷、短路)，驅動控制處理單元231會控制導通開關S2截止開關S1使單極電梯驅動系統2運作於電池供電模式(緊急運作模式)，換言之，驅動控制處理單元231會切斷單極電梯驅動系統2與市電21的連接，而轉與蓄電池233連接。藉此單極電梯驅動系統2轉由蓄電池233暫時供應馬達27所需電力，例如於當市電21斷電時，提供足夠電源，使電梯安全停靠最近或最合適之樓層。
同樣地，驅動控制處理單元231會驅動控制雙向換流單元237進入電池供電模式，其控制及運作方式如同上述實施例，故在此不再贅述。蓄電池233經由傳輸線輸出直流電源至雙向換流單元237經電壓升壓後，輸出直流電V_DC，並經電容C2穩壓後提供給馬達驅動單元25，以驅動馬達27，以使電梯正常運轉。
附帶一提的是，實際實施，馬達27可為三相馬達。馬達驅動單元25可由三相全橋式變頻電路實現，三相全橋式電路可由六個功率電晶體與六個二極體組成。充電單元235的充電電路包含二極體、功率電晶體、電容、電感等元件組成。蓄電池233可以鋰電池實現。要說明的是，本發明並不限定蓄電池233、充電單元235、馬達驅動單元25及馬達27的種類、實體架構及/或實際實施方式。此外，圖5~8僅為圖1之雙向換流電路10的一應用方式，並非用以限定本發明。換言之，雙向換流電路10可運用於其他類型之電動載具驅動系統，例如電動車輛。總而言之，本發明並不限定圖1之雙向換流電路10之應用方式，且本技術領域具有通常知識者應可推知雙向換流電路10的其他實際應用方式，故在此不再贅述。
值得注意的是，上述實施例中元件之間的耦接關係包括直接或間接的電性連接，只要可以達到所需的電信號傳遞功能即可，本發明並不受限。上述實施例中的技術手段可以合併或單獨使用，其元件可依照其功能與設計需求增加、去除、調整或替換，本發明並不受限。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。 [實施例的可能功效]
綜上所述，本發明實施例所提供的雙向換流電路，此雙向換流電路可藉由電感電容形成的濾波電路及四個功率開關建立具有功率因數修正，電壓轉換之換流電路。此外，利用控制功率開關導通與截止，建立多種供電模式，例如市電供電模式、能量回收模式與電池供電模式等。此雙向換流電路可對輸入電流源進行功率因數修正、電壓轉換、整流等功能，據此可提升電壓轉換效率，降低線路損失及提高電力品資。
值得一提的是，此電路可運用於電動載具驅動系統，例如電梯及電動車輛等。以電梯驅動系統為例，當操作於市電供電模式時，雙向換流電路可將市電由交流轉換成直流經升壓後提供至馬達，同時亦對驅動系統內置電池充電。當市電因故中斷時，緊急切換轉由電池供電，即進入電池供電模式，雙向換流電路可將電池所供之電力經升壓後供應馬達，以使電梯安全停靠最近及最適合之樓層。據此，雙向換流電路可取代傳統電阻消耗煞車系統，如當馬達緊急煞車時，進入能量回收模式，雙向換流電路將煞車能量回收經降壓後併入市電並於電池未達上限電容量時對電池進行充電，達到節約能源之效果。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
10．．．雙向換流電路
101．．．控制單元
103．．．電流感測單元
105．．．電壓感測單元
111、113、115、117、121、123、125、127、131、133．．．迴路
21．．．市電
23．．．不斷電系統
231．．．驅動控制處理單元
233．．．蓄電池
235．．．充電單元
237．．．雙向換流單元
25．．．馬達驅動單元
27．．．馬達
I_L．．．電流
V_AC．．．交流電
V_DC．．．直流電
V_IN．．．輸入電壓
V_BAT．．．電池電壓
V_OUT．．．輸出電壓
S1、S2．．．開關
PWM1~PWM4．．．控制信號
Q1．．．第一功率開關
Q2．．．第二功率開關
Q3．．．第三功率開關
Q4．．．第四功率開關
D1~D4．．．二極體
L1．．．電感
C1、C2．．．電容
A、B．．．端點
圖1是本發明實施例提供的雙向換流電路之電路示意圖。
圖2A是本發明一實施例提供的雙向換流電路運作於市電供電模式之操作示意圖。
圖2B是本發明一實施例提供的雙向換流電路運作於市電供電模式之操作示意圖。
圖2C是本發明一實施例提供的雙向換流電路運作於市電供電模式之操作示意圖。
圖2D是本發明一實施例提供的雙向換流電路運作於市電供電模式之操作示意圖。
圖3A是本發明一實施例提供的雙向換流電路運作於煞車能量回收模式之操作示意圖。
圖3B是本發明另一實施例提供的雙向換流電路運作於煞車能量回收模式之操作示意圖。
圖3C是本發明另一實施例提供的雙向換流電路運作於煞車能量回收模式之操作示意圖。
圖3D是本發明另一實施例提供的雙向換流電路運作於煞車能量回收模式之操作示意圖。
圖4A是本發明另一實施例提供的雙向換流電路運作於電池供電模式之操作示意圖。
圖4B是本發明另一實施例提供的雙向換流電路運作於電池供電模式之操作示意圖。
圖5是本發明一應用實施例提供的電梯驅動系統架構功能方塊圖。
圖6是本發明一應用實施例提供的電梯驅動系統運作於市電供電模式之操作示意圖。
圖7是本發明一應用實施例提供的電梯驅動系統運作於能量回收模式之操作示意圖。
圖8是本發明一應用實施例提供的電梯驅動系統運作於電池供電模式之操作示意圖。
10．．．雙向換流電路
101．．．控制單元
103．．．電流感測單元
105．．．電壓感測單元
V_IN．．．輸入電壓
V_OUT．．．輸出電壓
PWM1~PWM4．．．控制信號
Q1．．．第一功率開關
Q2．．．第二功率開關
Q3．．．第三功率開關
Q4．．．第四功率開關
D1~D4．．．二極體
L1．．．電感
C1、C2．．．電容
I_L．．．電流

权利要求:
Claims (10)
[1] 一種雙向換流電路，該雙向換流電路包括：一第一功率開關，具有一控制端、一第一端及一第二端；一第二功率開關，具有一控制端、一第一端及一第二端，其中該第二功率開關的該第一端連接該第一功率開關的該第二端；一第三功率開關，具有一控制端、一第一端及一第二端，其中該第三功率開關的該第一端連接該第一功率端的該第一端；一第四功率開關，具有一控制端、一第一端及一第二端，其中該第四功率開關的該第一端連接該第三功率開關的該第二端，而第四功率開關的該第二端連接該第二功率開關的該第二端；一第一電感，具有一第一端及一第二端，其中該第一電感的該第二端連接於該第三功率開關與該第四功率開關的接點；一第一電容，具有一第一端及一第二端，其中該第一電容的該第一端連接於該第一電感的該第一端，而該第一電容的該第二端連接該第一功率開關與該第二功率開關的接點；一第一二極體，連接該第一功率開關的該第一、第二端之間；一第二二極體，連接該第二功率開關的該第一、第二端之間；一第三二極體，連接該第三功率開關的該第一、第二端之間；一第四二極體，連接該第四功率開關的該第一、第二端之間；以及一控制單元，用於分別輸出控制信號至該第一功率開關之該控制端、該第二功率開關之該控制端、該第三功率開關之該控制端以及該第四功率開關之該控制端，以控制該第一、第二、第三及第四功率開關之運作，進而設定該雙向換流電路的一操作模式，並對連接於該第三功率開關的該第一端與該第四功率開關的該第二端之間的一第二電容進行充電；其中於該第二電容兩端所形成之電壓係為該雙向換流電路之一輸出電壓。
[2] 如申請專利範圍第1項之雙向換流器電路，其中該雙向換流器電路更包括：一電流感測單元，用以偵測流經該第一電感之電流並回授至該控制單元；以及一電壓偵測單元，用以偵測該雙向換流器電路之該輸出電壓並回授至該控制單元；其中該控制單元對該電流感測單元與該電壓偵測單元之偵測結果進行演算分析以分別獲得對應於該第一、第二、第三及第四功率開關之控制信號的工作周期。
[3] 如申請專利範圍第1項之雙向換流器電路，其中該雙向換流器電路的該操作模式為一市電供電模式、一能量回收模式及一電池供電模式的至少其中之一。
[4] 如申請專利範圍第3項之雙向換流電路，其中一交流電連接於該第一電容之兩端作為輸入電源，該控制單元於該交流電的切換周期，藉由切換控制該第三功率開關及該第四功率開關的導通與截止時間，對該交流電作功率因數修正並作交流對直流電壓轉換後輸出一直流電，據此該雙向換流電路之該操作模式係該市電供電模式。
[5] 如申請專利範圍第3項之雙向換流電路，其中一交流電連接於該第一電容之兩端，該控制單元於該交流電的切換周期，藉由切換控制該第一功率開關、該第二功率開關、該第三功率開關及該第四功率開關的導通與截止時間，將該第二電容所釋放之一直流電作直流對交流轉換後，匯入該交流電，據此該雙向換流電路之該操作模式係該能量回收模式。
[6] 如申請專利範圍第3項之雙向換流電路，其中一蓄電池連接於該第一電容之兩端，該控制單元藉由控制該第四功率開關的導通與截止時間，將該蓄電池所輸出之一第一直流電，作直流對直流轉換後輸出一第二直流電，據此該雙向換流電路之該操作模式係該電池供電模式。
[7] 一種具有如申請專利範圍第1項所述之雙向換流電路的電動載具驅動系統，適用於控制驅動一電動載具的一馬達，包括：一馬達驅動單元，連接於該雙向換流電路與該馬達之間，用以控制驅動該馬達之運轉方向與速度；一電池供應模組，包含一充電單元及一蓄電池，其中該充電單元用於對該蓄電池進行充電，而該蓄電池用以產出一直流電源；一第一開關，連接於一交流電源與該雙向換流電路的之間，用於控制該雙向換流電路與該交流電源之間的連結；一第二開關，該雙向換流電路與該蓄電池之間，用於控制該雙向換流電路與該蓄電池之間的連結；以及一驅動控制處理單元，用以設定該電動載具驅動系統的一操作模式，並依據該操作模式控制該第一開關、該第二開關、該雙向換流電路及該馬達驅動單元之運作。
[8] 如申請專利範圍第7項之電動載具驅動系統，其中該驅動控制處理單元藉由導通該第一開關及截止該第二開關，使該交流電源經該雙向換流電路提供驅動馬達所需之電力並同時經由該充電單元對該蓄電池進行充電，藉此建立一市電供電模式。
[9] 如申請專利範圍第7項之電動載具驅動系統，其中當該馬達煞車時，該驅動控制處理單元控制該雙向換流電路將馬達之動能轉換成電力，反饋至市電，藉此建立一能量回收模式。
[10] 如申請專利範圍第7項之電動載具驅動系統，其中該驅動控制處理單元於偵測市電斷電時，藉由導通該第二開關及截止該第一開關，以使該蓄電池將所產出之該直流電源，經該雙向換流電路提供馬達驅動所需之電力，藉此建立一電池供電模式。

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公开号 | 公开日

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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