本發(fā)明關(guān)于一種多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法及其裝置；特別是關(guān)于一種提升電能轉(zhuǎn)換效率的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法及其裝置。

背景技術(shù)：
一般而言，常用交流/直流轉(zhuǎn)換電路采用二極管整流器或閘流體相控整流器。然而，二極管整流器及閘流體相控整流器的輸入交流電流含有嚴(yán)重諧波失真及較低輸入功因，因此無法滿足諧波管制規(guī)范。另外，常用交流/直流轉(zhuǎn)換電路亦采用高頻電力轉(zhuǎn)換器，且其采用橋式電力電子開關(guān)架構(gòu)，通過高頻脈寬調(diào)變技術(shù)使輸入電流趨于弦波，且與該交流電源的電壓同相位，以便達(dá)成接近單位輸入功因。然而，高頻電力轉(zhuǎn)換器的電力電子開關(guān)進(jìn)行高頻切換時(shí)，每一次切換的電壓變化較高，必然產(chǎn)生較高的切換損失，因而降低電力轉(zhuǎn)換效率。舉例而言，有關(guān)各種電力轉(zhuǎn)換裝置揭示于部分國內(nèi)外專利，例如：美國專利公開第20080031014號(hào)″AC/DCconvertercomprisingpluralconverters″及第20050156579號(hào)″multiphaseconverterwithzerovoltageswitching″的專利申請(qǐng)案等。前述專利及專利申請(qǐng)案僅為本發(fā)明技術(shù)背景的參考及說明目前技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)而已，其并非用以限制本發(fā)明的范圍。為了降低高頻切換損失，必須降低電力電子開關(guān)每一次切換的電壓，因此發(fā)展出多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換電路，其架構(gòu)包含二極管筘位式、飛輪電容式及疊接橋式等。在多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換電路中電力電子開關(guān)每一次切換的電壓降低，并在輸入端產(chǎn)生較多階的交流電壓，因此可降低電力電子開關(guān)的切換損失，提高電力轉(zhuǎn)換效率，且可降低濾波電感及電磁干擾，如此能有效降低被動(dòng)元件及散熱器成本。在前述三種多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換器架構(gòu)中，在產(chǎn)生相同階數(shù)的交流電壓時(shí)，以疊接橋式架構(gòu)的使用電力電子元件最少。然而，常用疊接橋式架構(gòu)的交流/直流電力轉(zhuǎn)換器中每一個(gè)橋式電力轉(zhuǎn)換器均作高頻切換，因此其產(chǎn)生較大切換損失，且其還存在一個(gè)嚴(yán)重的限制，即每一個(gè)橋式電力轉(zhuǎn)換器均必須輸出直流電力。因此，常用疊接橋式架構(gòu)的交流/直流電力轉(zhuǎn)換器形成具有多個(gè)無共用接點(diǎn)的直流輸出，所以必須利用另一額外電力轉(zhuǎn)換電路整合多個(gè)直流輸出方能形成為單一直流輸出，因而造成電路復(fù)雜及增加制造成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明較佳實(shí)施例的主要目的是提供一種多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法及其裝置，將該多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置連接在一交流電源及一負(fù)載之間，將該交流電源產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換成一穩(wěn)定直流電力供應(yīng)至該負(fù)載，以達(dá)成提升電能轉(zhuǎn)換效率、減少體積、降低制造成本及降低電磁干擾的目的。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法包含：在一交流電源及一負(fù)載之間連接一高頻電力轉(zhuǎn)換器及一低頻電力轉(zhuǎn)換器；該低頻電力轉(zhuǎn)換器具有一交流埠及該高頻電力轉(zhuǎn)換器具有一交流埠，且將該高頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠與該低頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠連接形成串聯(lián)連接，以形成一疊接全橋式多階整流架構(gòu)；將該低頻電力轉(zhuǎn)換器的操作頻率與一交流電源的頻率同步操作；將該高頻電力轉(zhuǎn)換器以高頻脈寬調(diào)變進(jìn)行操作控制，以使該高頻電力轉(zhuǎn)換器與該低頻電力轉(zhuǎn)換器的串聯(lián)連接組合產(chǎn)生一多階交流電壓；通過控制該多階交流電壓，以獲得一交流輸入埠的電流趨于一弦波且與該交流電源的電壓同相位，以達(dá)成趨于單位輸入功因，且控制該低頻電力轉(zhuǎn)換器輸出一直流電壓經(jīng)一直流輸出埠供給一負(fù)載。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置，包含：一交流輸入埠，其連接一交流電源；一高頻電力轉(zhuǎn)換器，其包含一交流埠；一低頻電力轉(zhuǎn)換器，其包含一交流埠及一直流埠，該高頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠與該低頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠連接形成串聯(lián)連接，以形成一疊接全橋式多階整流架構(gòu)；一濾波電路，其連接于該高頻電力轉(zhuǎn)換器的該交流埠及該交流輸入埠之間，以便進(jìn)行諧波濾除；及一直流輸出埠，其連接至該低頻電力轉(zhuǎn)換器的直流埠，該直流輸出埠輸出一直流電能供應(yīng)至少一負(fù)載；其中將該低頻電力轉(zhuǎn)換器的操作頻率與一交流電源的頻率同步操作，將該高頻電力轉(zhuǎn)換器以高頻脈寬調(diào)變進(jìn)行操作控制，以使該高頻電力轉(zhuǎn)換器與該低頻電力轉(zhuǎn)換器的串聯(lián)連接組合產(chǎn)生一多階交流電壓，通過控制該多階交流電壓，以獲得該交流輸入埠的電流趨于一弦波且與該交流電源的電壓同相位，以達(dá)成趨于單位輸入功因，且控制該低頻電力轉(zhuǎn)換器輸出一直流電壓經(jīng)該直流輸出埠供給該負(fù)載。本發(fā)明較佳實(shí)施例的該高頻電力轉(zhuǎn)換器包含三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器及三個(gè)直流電容。本發(fā)明較佳實(shí)施例的每個(gè)該單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器包含一交流埠，且每個(gè)該交流埠具有一第一端及一第二端。本發(fā)明較佳實(shí)施例的該低頻電力轉(zhuǎn)換器包含一三相二極管整流器、一直流電容、一直流埠及一交流埠。本發(fā)明較佳實(shí)施例的該低頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠包含三個(gè)交流端，且該三個(gè)交流端分別連接至該三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器的交流埠的第二端。本發(fā)明較佳實(shí)施例利用該三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器的直流電壓調(diào)節(jié)進(jìn)行控制該低頻電力轉(zhuǎn)換器的直流埠的輸出電壓，以使該三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器沒有實(shí)功進(jìn)出。本發(fā)明較佳實(shí)施例的該三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器的直流匯流排只分別連接至該直流電容，不作直流電力的輸出，不須額外電力轉(zhuǎn)換電路整合其直流輸出至該直流輸出埠。本發(fā)明較佳實(shí)施例的該三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器的直流電壓約為該低頻電力轉(zhuǎn)換器的直流埠電壓的一半。本發(fā)明較佳實(shí)施例的該高頻電力轉(zhuǎn)換器包含兩個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器及兩個(gè)直流電容，該單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器具有一交流埠，且該交流埠具有一第一端及一第二端，該低頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠具有一第一交流端、一第二交流端及一第三交流端，選擇該低頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠的第一交流端及第二個(gè)交流端分別連接至該兩個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器的交流埠的第二端，該低頻電力轉(zhuǎn)換器的交流埠的第三交流端直接經(jīng)該濾波電路后連接至該交流輸入埠。本發(fā)明較佳實(shí)施例的該交流輸入埠提供一額外端點(diǎn)連接至一三相四線式交流電源的中性線，而該低頻電力轉(zhuǎn)換器具有兩個(gè)直流電容，且將該兩個(gè)直流電容之串聯(lián)連接點(diǎn)連接至該交流輸入埠的額外端點(diǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明提供的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法及其裝置，采用疊接橋式多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，由一高頻電力轉(zhuǎn)換器及一低頻電力轉(zhuǎn)換器串聯(lián)連接形成，該低頻電力轉(zhuǎn)換器的直流電壓較高，因此采用低頻切換，而該高頻電力轉(zhuǎn)換器的直流電壓較低，因此采用高頻切換，相較于常用疊接橋式架構(gòu)更進(jìn)一步減少切換損失及提升電能轉(zhuǎn)換效率，且只有該低頻電力轉(zhuǎn)換器進(jìn)行直流電能輸出，該高頻電力轉(zhuǎn)換器無實(shí)功進(jìn)出，因此不須任何額外電力轉(zhuǎn)換電路整合其直流輸出，因而進(jìn)一步簡化交流/直流電力轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)，且有效降低制造成本。附圖說明圖1是本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的架構(gòu)示意圖。圖2a及圖2b是本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置采用濾波電路的示意圖。圖3是本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置采用控制器的方塊示意圖。圖4是本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的示意圖。圖5是本發(fā)明第三較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的示意圖。附圖標(biāo)號(hào)：1交流電源1’三相三線式交流電源1”三相四線式交流電源2多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置20交流輸入埠200平均值電路201第一減法器202第一控制器203第二減法器204第二控制器205參考弦波產(chǎn)生器206乘法器207第三減法器208第三控制器209脈寬調(diào)變電路21高頻電力轉(zhuǎn)換器210全橋式電力轉(zhuǎn)換器211全橋式電力轉(zhuǎn)換器212全橋式電力轉(zhuǎn)換器213直流電容214直流電容215直流電容216交流埠217交流埠218交流埠22低頻電力轉(zhuǎn)換器220三相二極管整流器221直流電容222直流埠223交流埠23濾波電路24直流輸出埠3負(fù)載具體實(shí)施方式為了充分了解本發(fā)明，于下文將舉例較佳實(shí)施例并配合附圖作詳細(xì)說明，但其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法及其裝置適用于各種交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置，但其并非用以限制本發(fā)明的范圍。另外，本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置適合使用于各種交流電源，例如：三相三線式交流電源或三相四線式交流電源。圖1揭示本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的架構(gòu)示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，該多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2連接于一交流電源1及一負(fù)載3之間，利用該多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，并將所轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的直流電壓供應(yīng)至負(fù)載3。交流電源1選自一三相三線式交流電源。請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1所示，該多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2包含一交流輸入埠20、一高頻電力轉(zhuǎn)換器21、一低頻電力轉(zhuǎn)換器22、一濾波電路23及一直流輸出埠24。該交流輸入埠20連接至交流電源1，直流輸出埠24連接至負(fù)載3，高頻電力轉(zhuǎn)換器21包含一交流埠，低頻電力轉(zhuǎn)換器22包含一直流埠222及一交流埠223。請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1所示，本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法包含步驟：在交流電源1及負(fù)載3之間需設(shè)置或連接高頻電力轉(zhuǎn)換器21及低頻電力轉(zhuǎn)換器22；另包含步驟：將高頻電力轉(zhuǎn)換器21的交流埠與低頻電力轉(zhuǎn)換器22的交流埠串聯(lián)連接，以形成一疊接全橋式多階整流架構(gòu)。請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1所示，將交流輸入埠20電性連接至交流電源1，再將高頻電力轉(zhuǎn)換器21及低頻電力轉(zhuǎn)換器22的交流埠串聯(lián)連接，并將高頻電力轉(zhuǎn)換器21的交流埠經(jīng)由濾波電路23電性連接至交流輸入埠20。將低頻電力轉(zhuǎn)換器22的直流埠222電性連接至直流輸出埠24，再將直流輸出埠24電性連接至負(fù)載3。請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1所示，本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換方法另包含步驟：將低頻電力轉(zhuǎn)換器22的操作頻率與交流電源1的頻率同步操作；另包含步驟：需將高頻電力轉(zhuǎn)換器21以高頻脈寬調(diào)變〔highfrequencyPWM〕進(jìn)行操作控制，以使高頻電力轉(zhuǎn)換器21與低頻電力轉(zhuǎn)換器22的串聯(lián)連接組合產(chǎn)生一多階交流電壓〔multilevelACvoltage〕，通過控制該多階交流電壓，獲得交流輸入埠20的電流趨于一弦波且與交流電源1的電壓同相位，以達(dá)成趨于單位輸入功因，且使低頻電力轉(zhuǎn)換器22輸出一直流電壓經(jīng)直流輸出埠24供給負(fù)載3。請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1所示，高頻電力轉(zhuǎn)換器21包含三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212及三個(gè)直流電容213、214、215。該單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212分別包含一交流埠216、217、218，且每個(gè)交流埠216、217、218具有一第一端及一第二端。每個(gè)交流埠216、217、218的第一端經(jīng)濾波電路23連接至交流輸入埠20。相對(duì)的，低頻電力轉(zhuǎn)換器22包含一三相二極管整流器220、一直流電容221、一直流埠222及一交流埠223，且該三相二極管整流器220及直流電容221設(shè)置于直流埠222及交流埠223之間。低頻電力轉(zhuǎn)換器22的交流埠223包含三個(gè)交流端，且該三個(gè)交流端分別連接至該單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212的交流埠216、217、218的第二端，以便形成串聯(lián)連接架構(gòu)。請(qǐng)?jiān)賲⒄請(qǐng)D1所示，高頻電力轉(zhuǎn)換器21的三個(gè)單相全橋電力轉(zhuǎn)換器210、211、212采用高頻脈寬調(diào)變控制，使高頻電力轉(zhuǎn)換器21與低頻電力轉(zhuǎn)換器22組成的串接架構(gòu)可產(chǎn)生一多階的交流電壓。通過該三個(gè)單相全橋電力轉(zhuǎn)換器210、211、212的直流電壓的調(diào)節(jié)以控制低頻電力轉(zhuǎn)換器22的直流埠222的電壓，以使三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212沒有實(shí)功進(jìn)出，因此三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212的直流匯流排只分別連接至直流電容213、214、215，而不須額外電力轉(zhuǎn)換電路整合其直流輸出至直流輸出埠24。該三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212的直流電壓約為低頻電力轉(zhuǎn)換器22的直流埠222的電壓的1/2。舉例而言，若將低頻電力轉(zhuǎn)換器22直流埠222的電壓設(shè)為Vdc時(shí)，單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212的直流電壓約為Vdc/2，則低頻電力轉(zhuǎn)換器22與三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212的串接架構(gòu)產(chǎn)生一多階交流的線電壓。將該三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212進(jìn)行高頻脈寬調(diào)變控制，使得交流輸入埠20的輸入電流趨于一弦波，且與交流電源1的電壓同相位，以達(dá)成趨于單位輸入功因。本發(fā)明控制輸入電流的振幅可控制交流輸入埠20輸入的實(shí)功，以便進(jìn)行直流輸出埠24的電壓的穩(wěn)壓控制。圖2a及圖2b揭示本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置可選擇采用濾波電路的示意圖，其對(duì)應(yīng)于圖1的濾波電路23。請(qǐng)參照?qǐng)D2a所示，該濾波電路23包含數(shù)個(gè)電感器。請(qǐng)參照?qǐng)D2b所示，該濾波電路23包含數(shù)個(gè)電感器及數(shù)個(gè)電容器。圖3揭示本發(fā)明較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置采用控制器的方塊示意圖，其對(duì)應(yīng)于圖1的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2。請(qǐng)參照?qǐng)D1及圖3所示，將三個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212的直流電容213、214、215的電壓進(jìn)行檢出。將直流電容213、214、215的電壓檢出后送至一平均值電路200，再將該平均值電路200的輸出與一設(shè)定電壓于一第一減法器201進(jìn)行比較，以便獲得一比較結(jié)果。將該比較結(jié)果送至一第一控制器202，該第一控制器202的輸出為低頻電力轉(zhuǎn)換器22的直流埠222的電壓參考值。將第一控制器202的輸出與低頻電力轉(zhuǎn)換器22的直流埠222的檢出電壓于一第二減法器203進(jìn)行比較，以便獲得一比較結(jié)果。將該比較結(jié)果送至一第二控制器204，且該第二控制器204的輸出為交流輸入埠20的三相交流輸入電流的參考信號(hào)的振幅。將檢出的交流電源1的電壓送至一參考弦波產(chǎn)生器205，以便產(chǎn)生三個(gè)具單位振幅的參考弦波，該三個(gè)參考弦波與交流電源1的電壓同相位。將第二控制器204的輸出分別送至三個(gè)乘法器206與參考弦波產(chǎn)生器205的三個(gè)參考弦波進(jìn)行相乘。該三個(gè)乘法器206的輸出為三相交流輸入電流的參考信號(hào)，且將該三個(gè)乘法器206的輸出與檢出的三相交流輸入電流送至一第三減法器207進(jìn)行比較，以便獲得一比較結(jié)果。將該比較結(jié)果送至一第三控制器208，再將該第三控制器208的輸出送至一脈寬調(diào)變〔PWM〕電路209，以便產(chǎn)生單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211、212中電力電子開關(guān)的控制信號(hào)。圖4揭示本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的示意圖，其對(duì)應(yīng)于圖1的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2。請(qǐng)參照?qǐng)D1及圖4所示，交流電源1選自一三相三線式交流電源1’。利用多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2將三相三線式交流電源1’的交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，并將所轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的一直流電壓供應(yīng)至負(fù)載3。與圖1所示第一較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的電路架構(gòu)作比較，第二較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置不同處僅在于高頻電力轉(zhuǎn)換器21。第二較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置中高頻電力轉(zhuǎn)換器21包含兩個(gè)單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211及兩個(gè)直流電容，且選擇低頻電力轉(zhuǎn)換器22的交流埠223的兩個(gè)交流端分別連接至單相全橋式電力轉(zhuǎn)換器210、211的交流埠216、217的第二端，低頻電力轉(zhuǎn)換器22的交流埠223的其余一個(gè)交流端直接經(jīng)濾波電路23連接至交流輸入埠20。圖5示揭示本發(fā)明第三較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的示意圖，其對(duì)應(yīng)于圖1的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2。請(qǐng)參照?qǐng)D1及圖5所示，交流電源1選自一三相四線式交流電源1”。利用多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置2將三相四線式交流電源1”的交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，并將所轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的一直流電壓供應(yīng)至該負(fù)載3。與圖1所示第一較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置的電路架構(gòu)作比較，第三較佳實(shí)施例的多階交流/直流電力轉(zhuǎn)換裝置不同處僅在于低頻電力轉(zhuǎn)換器22及交流輸入埠20，交流輸入埠20提供一個(gè)額外端點(diǎn)連接至三相四線式交流電源1”的中性線，而低頻電力轉(zhuǎn)換器22的直流電容221由兩個(gè)直流電容串聯(lián)連接組成。將該兩個(gè)直流電容串聯(lián)連接點(diǎn)連接至交流輸入埠20所增加的額外端點(diǎn)。前述較佳實(shí)施例僅舉例說明本發(fā)明及其技術(shù)特征，該實(shí)施例的技術(shù)仍可適當(dāng)進(jìn)行各種實(shí)質(zhì)等效修飾及/或替換方式予以實(shí)施；因此，本發(fā)明的權(quán)利范圍須視后附權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。