本發(fā)明涉及一種三階層功因整流器及其操作方法，尤其涉及一種具有降低電壓應(yīng)力的三階層功因整流器及其操作方法。

背景技術(shù)：

1、由于信息產(chǎn)業(yè)近年來快速發(fā)展，電源供應(yīng)器扮演重要角色，信息或家電設(shè)備在空載或輕載工作下功耗漸漸地被要求降至一定的值。另外一方面，由于諧波抑制在國際標(biāo)準iec61000-3-2中已經(jīng)分類限值，并規(guī)定了最大額定諧波電流，因此信息或家電設(shè)備都必須要求具備有功率因數(shù)校正的功能，以改善交流電源端的功率因數(shù)。

2、隨著分布式新能源發(fā)電技術(shù)的進步和直流用電設(shè)備的日益增多，對低壓直流配電的需求日益上升。傳統(tǒng)的方案通常先使用變壓器將中壓交流電源(mvac)轉(zhuǎn)換成低壓交流電源，再使用ac/dc轉(zhuǎn)換器將低壓交流電源轉(zhuǎn)換成低壓直流電源。爾后，發(fā)展出如電力電子變壓器(power?electronic?transformer；pet)，使用高頻隔離電路實現(xiàn)中壓交流電到低壓直流電的功率變換裝置。

3、然而，在現(xiàn)有的電力電子變壓器仍使用兩級電路。前級電路使用串聯(lián)的ac/dc轉(zhuǎn)換器，用于將輸入的中壓交流電源轉(zhuǎn)換成多個中間直流電源。后級電路使用dc/dc轉(zhuǎn)換器，用于將中間直流電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電源。然而，每一個轉(zhuǎn)換器都需要配套相應(yīng)的中壓隔離變壓器、絕緣件、機構(gòu)件、光纖連接件等，單元數(shù)目越多，系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也越高。由于目前商用半導(dǎo)體器件的耐壓等級較低，電力電子變壓器可選用三階層轉(zhuǎn)換器來提高中間直流電源等級(>1.5kv)，從而減少級聯(lián)的電路數(shù)目。而且，三階層轉(zhuǎn)換器可通過控制器的操作，使其具有功率因數(shù)校正的功能(即三階層功因整流器)，以在交流/直流轉(zhuǎn)換時，減少電力損失而提高三階層轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。

4、然而，在三階層功因整流器的應(yīng)用中，當(dāng)負載為輕載或無載時，三階層功因整流器的功率開關(guān)元件需要承受高電壓應(yīng)力。主要原因在于，功率開關(guān)元件在導(dǎo)通瞬間，受到寄生電容的影響，中壓交流電源容易附加于功率開關(guān)元件的二端，導(dǎo)致瞬間高電壓的產(chǎn)生。為解決此問題，當(dāng)前的解決方案通常是選用更高規(guī)格的功率開關(guān)元件。然而，這將會使得三階層功因整流器的電路體積變大，且被迫增加電路成本。

5、所以，如何設(shè)計出一種三階層功因整流器及其操作方法，以在負載為輕載或無載時，降低三階層功因整流器的功率開關(guān)元件所承受的電壓應(yīng)力，乃為本案創(chuàng)作人所欲行研究的一大課題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本公開提供一種具有降低電壓應(yīng)力的三階層功因整流器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的問題。因此，本公開的三階層功因整流器包括二極管橋臂、橋臂組、輸入電感、電容組及控制器，且橋臂組包括第一橋臂與第二橋臂。二極管橋臂包括串聯(lián)的第一二極管與第二二極管，且橋臂組并聯(lián)二極管橋臂。第一橋臂包括依序串接的第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)，第二橋臂并聯(lián)于第二開關(guān)與第三開關(guān)，且包括依序串接的第一續(xù)流元件與第二續(xù)流元件。輸入電感耦接于第二開關(guān)與第三開關(guān)之間的第一節(jié)點，第一二極管與第二二極管之間的第二節(jié)點，以及接收交流電源的輸入端之間。電容組并聯(lián)橋臂組，且包括依序串接的第一電容與第二電容，第一電容與該第二電容之間的中點耦接第一續(xù)流元件與第二續(xù)流元件?？刂破鲗⒌谝粯虮鄄僮饔谕话l(fā)模式，且突發(fā)模式包括突發(fā)時段與突發(fā)休眠時段。其中，由突發(fā)休眠時段進入突發(fā)時段時，控制器導(dǎo)通第二開關(guān)與第三開關(guān)特定時段。

2、為了解決上述問題，本公開提供一種具有降低電壓應(yīng)力的三階層功因整流器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的問題。因此，本公開的三階層功因整流器包括二極管橋臂、橋臂組、輸入電感、電容組及控制器，且橋臂組包括第一橋臂與第二橋臂。二極管橋臂包括串聯(lián)的第一二極管與第二二極管，且橋臂組并聯(lián)二極管橋臂。第一橋臂包括依序串接的第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)，第二橋臂并聯(lián)于第二開關(guān)與第三開關(guān)，且包括依序串接的第一續(xù)流元件與第二續(xù)流元件。輸入電感耦接于第二開關(guān)與第三開關(guān)之間的第一節(jié)點，第一二極管與第二二極管之間的第二節(jié)點，以及接收交流電源的輸入端之間。電容組并聯(lián)橋臂組，且包括依序串接的第一電容與第二電容，第一電容與該第二電容之間的中點耦接第一續(xù)流元件與第二續(xù)流元件?？刂破鲗⒌谝粯虮鄄僮饔谳p載的突發(fā)模式，且突發(fā)模式包括突發(fā)時段與突發(fā)休眠時段。其中，當(dāng)控制器將第一橋臂操作于突發(fā)休眠時段中，交流電源于正半周，且交流電源的電壓值高于第一閾值時，控制器導(dǎo)通第一開關(guān)與第二開關(guān)；當(dāng)控制器將第一橋臂操作于突發(fā)休眠時段中，交流電源于負半周，且交流電源的電壓值低于第二閾值時，控制器導(dǎo)通第三開關(guān)與第四開關(guān)。

3、為了解決上述問題，本公開提供一種三階層功因整流器的操作方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的問題。因此，本公開的三階層功因整流器包括二極管橋臂、橋臂組及電容組，且橋臂組包括依序串接的第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)，以形成由三階層功因整流器的輸入電感至電容組的放電路徑。三階層功因整流器的操作方法包括下列步驟：(a)通過控制第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)的導(dǎo)通/關(guān)斷而將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源。(b)判斷三階層功因整流器處于輕載而進入突發(fā)模式，且突發(fā)模式包括突發(fā)時段與突發(fā)休眠時段。(c)當(dāng)于突發(fā)休眠時段中，交流電源于正半周，且交流電源的電壓值高于第一閾值時，導(dǎo)通第一開關(guān)與第二開關(guān)。(d)當(dāng)于突發(fā)休眠時段中，交流電源于負半周，且交流電源的電壓值低于第二閾值時，導(dǎo)通第三開關(guān)與第四開關(guān)。(e)當(dāng)由突發(fā)休眠時段進入突發(fā)時段時，導(dǎo)通第二開關(guān)與第三開關(guān)特定時段。

4、本公開的主要目的及功效在于，當(dāng)三階層功因整流器操作于突發(fā)模式時，通過本公開的特定開關(guān)操作方法，使輸入電感于突發(fā)模式時保持去磁狀態(tài)，避免開關(guān)二端的電壓在三階層功因整流器操作于突發(fā)模式時超過預(yù)設(shè)規(guī)范的上限。如此，開關(guān)可選用合適額定規(guī)格的開關(guān)元件，進而達成可降低三階層功因整流器的建置成本的功效。

5、為了能更進一步了解本發(fā)明為達成預(yù)定目的所采取的技術(shù)、手段及功效，請參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細說明與附圖，相信本發(fā)明的目的、特征與特點，當(dāng)可由此得一深入且具體的了解，然而所附附圖僅提供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制者。

技術(shù)特征：

1.一種三階層功因整流器，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三階層功因整流器，其中于所述交流電源的正半周時，所述控制器基于所述交流電源的電壓值，提供對所述第一節(jié)點與所述第二節(jié)點之間的電壓進行升壓的升壓步驟，且基于所述電壓值提供對所述電壓進行降壓的降壓步驟；于所述特定時段結(jié)束，且于所述正半周時，所述控制器將所述第一橋臂操作于所述升壓步驟與所述降壓步驟。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三階層功因整流器，其中于所述升壓步驟，所述控制器在切換周期內(nèi)操作所述第一橋臂依序為，關(guān)斷所述第四開關(guān)、導(dǎo)通所述第二開關(guān)、關(guān)斷所述第三開關(guān)及導(dǎo)通所述第一開關(guān)，且于所述降壓步驟，所述控制器在所述切換周期內(nèi)操作所述第一橋臂依序為，關(guān)斷所述第一開關(guān)、導(dǎo)通所述第三開關(guān)、關(guān)斷所述第二開關(guān)及導(dǎo)通所述第四開關(guān)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三階層功因整流器，其中于所述交流電源的負半周時，所述控制器基于所述交流電源的電壓值，提供對所述第一節(jié)點與所述第二節(jié)點之間的電壓進行降壓的降壓步驟，且基于所述電壓值提供對所述電壓進行升壓的升壓步驟；于所述特定時段結(jié)束，且于所述負半周時，所述控制器將所述第一橋臂操作于所述降壓步驟與所述升壓步驟。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三階層功因整流器，其中于所述降壓步驟，所述控制器在切換周期內(nèi)操作所述第一橋臂依序為，關(guān)斷所述第一開關(guān)、導(dǎo)通所述第三開關(guān)、關(guān)斷所述第二開關(guān)及導(dǎo)通所述第四開關(guān)，且于所述升壓步驟，所述控制器在所述切換周期內(nèi)操作所述第一橋臂依序為，關(guān)斷所述第四開關(guān)、導(dǎo)通所述第二開關(guān)、關(guān)斷所述第三開關(guān)及導(dǎo)通所述第一開關(guān)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三階層功因整流器，其中于所述特定時段，所述控制器關(guān)斷所述第一開關(guān)與所述第四開關(guān)。

7.一種三階層功因整流器，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三階層功因整流器，其中在所述突發(fā)休眠時段中，所述交流電源于所述正半周，且所述電壓值高于所述第一閾值時，所述控制器關(guān)斷所述第三開關(guān)與所述第四開關(guān)。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三階層功因整流器，其中在所述突發(fā)休眠時段中，所述交流電源于所述負半周，且所述電壓值低于所述第二閾值時，所述控制器關(guān)斷所述第一開關(guān)與所述第二開關(guān)。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三階層功因整流器，其中所述第一閾值高于所述交流電源的零交越值，且所述第二閾值低于所述零交越值；在所述突發(fā)休眠時段中，當(dāng)所述交流電源的所述電壓值介于所述第一閾值與所述第二閾值時，所述控制器導(dǎo)通所述第二開關(guān)與所述第三開關(guān)，且關(guān)斷所述第一開關(guān)與所述第四開關(guān)。

11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三階層功因整流器，其中所述控制器于所述突發(fā)休眠時段操作所述第一橋臂中開關(guān)的操作頻率大致上為二倍的市電頻率，且于所述突發(fā)時段操作所述第一橋臂中開關(guān)的所述操作頻率高于市電頻率。

12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三階層功因整流器，其中于所述突發(fā)休眠時段中，所述控制器在操作所述第一開關(guān)轉(zhuǎn)態(tài)與所述第三開關(guān)轉(zhuǎn)態(tài)之間設(shè)定第一死區(qū)時間，且在操作所述第二開關(guān)轉(zhuǎn)態(tài)與所述第四開關(guān)轉(zhuǎn)態(tài)之間設(shè)定第二死區(qū)時間。

13.一種三階層功因整流器的操作方法，所述三階層功因整流器包括二極管橋臂、橋臂組及電容組，且所述橋臂組包括依序串接的第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)，以形成由所述三階層功因整流器的輸入電感至所述電容組的放電路徑，所述操作方法包括下列步驟：

14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作方法，所述第二開關(guān)與第三開關(guān)之間包括第一節(jié)點，且所述二極管橋臂的第一二極管與第二二極管之間包括第二節(jié)點，所述操作方法還包括下列步驟：

15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作方法，所述第二開關(guān)與第三開關(guān)之間包括第一節(jié)點，且所述二極管橋臂的第一二極管與第二二極管之間包括第二節(jié)點，所述操作方法還包括下列步驟：

16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作方法，還包括下列步驟：

17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作方法，還包括下列步驟：

18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的操作方法，還包括下列步驟：

技術(shù)總結(jié)
一種三階層功因整流器及其操作方法，所述三階層功因整流器包括二極管橋臂、橋臂組、輸入電感、電容組及控制器，且橋臂組包括依序串接的第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)及第四開關(guān)。當(dāng)控制器判斷三階層功因整流器的負載低于負載閾值時進入突發(fā)模式，且突發(fā)模式包括突發(fā)時段與突發(fā)休眠時段。當(dāng)于突發(fā)休眠時段中，且交流電源的電壓值高于第一閾值時，導(dǎo)通第一開關(guān)與第二開關(guān)，且交流電源的電壓值低于第二閾值時，導(dǎo)通第三開關(guān)與第四開關(guān)。當(dāng)由突發(fā)休眠時段進入突發(fā)時段時，控制器導(dǎo)通第二開關(guān)與第三開關(guān)特定時段。

技術(shù)研發(fā)人員：蘇益立,劉建宏,黃文隆,廖長鴻,葉柏毅
受保護的技術(shù)使用者：臺達電子工業(yè)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8