[发明专利]具有接近零电流涟波的电力逆变及整流电路

说明书

技术领域

本发明是一种电力逆变(inversion)或整流(rectification)电路，尤指一种具有接近零电流涟波(near zero current-ripple)的电力逆变或整流电路，以期在电力逆变或整流过程中，能有效消除输入电流或输出电流的涟波，同时可以大幅降低施加在该电路中各半导体开关(semiconductor switch)上的电压应力(voltage stress)，进而有效提高电力转换的效率。

背景技术

在现今许多电力装置(electrical device)上所广泛使用的电源系统中，均设计有一逆变功能(inversion function)，该逆变功能主要是用以将一直流电压逆变成一交流电压，以供该电力装置使用。请参阅图1所示的一种半桥(half-bridge)电路，该半桥电路是具备前述逆变功能的诸多习用电路中的一典型，在该半桥电路中，一直流输入电压Vin为分别与一组相互串联的两电容器C1、C2及一组相互串联的两开关Q1、Q2相并联，且该半桥电路还包括有一变压器(transformer)T1，该变压器是由一初级绕组(primary winding)P1及一次级绕组(secondary winding)S1所组成，其中该初级绕组P1的一端连接至该二电容器C1、C2之间，该初级绕组P1的另一端则连接至该二开关Q1、Q2之间。藉此，在一切换周期(switching cycle)内逐一对该等开关Q1、Q2进行切换时，该半桥电路即能在该次级绕组S1对应的一输出端AC产生所需的一交流电压。

虽然，该半桥电路具有在半导体开关(semiconductor switch)Q1、Q2上施加较低电压应力(low voltage stress)的性能，但是，由于施加在该变压器的初级绕组P1为直流输入电压Vin的一半，使得该初级绕组P1上仍必须承受两倍的平均电流，故属于此种半桥式拓朴(half-bridge topology)的电路将会在半导体开关元件导通及关断瞬间，产生较高的电流变动率di/dt(rate of current change)，且因此会较其它推挽式(push-pull)及全桥式(full-bridge)拓扑的电路，产生较高的相关电磁干扰强度(electromagnetic interference，简称EMI)。

为了有效降低电流涟波及瞬间电流变动率所产生的噪声(noises)，许多业者已广泛地将两组相同的电力逆变器(power converters)予以交错(interleave)分时工作。然而在采取此一架构时，电流涟波的降低或消除程度，完全需视该逆变器上各开关的工作周期而定。

有鉴于此，发明人于是考虑到利用最少的元件，设计出如图2所示的一种能减少电流涟波的半桥电路，在图1及图2所示的半桥电路中，各对应元件上的电流I_in、I_P1及I_C1波形则分别如图3(a)及图3(b)所示。在图2所示的半桥电路中，由于二相同初级绕组P1、P2及一箝制电容器(clamping capacitor)C3的辅助，输入电流Iin上的电流涟波几乎被抵消而趋近于零(a near zero input current-ripple is obtained)，如图3(b)所示，因此，发明人仅需利用最少的元件，即能使图3(b)所示的半桥电路的输入电流Iin上的电流涟波，远较图3(a)所示的半桥电路的输入电流Iin上的电流涟波为低，因此除了能使用较小的输入滤波电容，更可进而大幅降低该半桥电路的电流变动率di/dt所产生的噪声(noises)。

此外，发明人还考虑到利用金属氧化物半导体场效应晶体管开关(以下简称MOSFET)的低电压规格(voltage rating)的低导通阻值RDS(on)(即，MOSFET在导通状态时的阻抗)等特性，来降低损耗并提升转换效率，进而设计出如图4(a)所示的一种逆变电路(inversion)，该逆变电路可包括两组相互串联的MOSFET Q3~Q1及Q2~Q4，并分别搭配一箝制二极管(clamping diodes)Dc1、Dc2，以取代图3所示半桥电路中的两开关Q1及Q2。如此，由于导通该箝制二极管Dc1及Dc2时，将使施加在各该MOSFET Q1、Q2、Q3及Q4上的电压被限制在仅为输入电压Vin的二分之一，因此各该MOSFET的低电压规格的低导通阻值特性将可被有效利用，以使该逆变电路中的导通损耗(conduction losses)大幅降低，进而有效改善该逆变电路的效能。