CN100527584C - 电源转换装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种电源转换装置及其方法，使用一低电压采集单元来采集交流电源的低电压部分电能，并将该低电压部分电能储存到一储能单元中，用以产生直流电压。低电压采集单元是利用一电压位准设定电路中已设定好的一临界电压与该交流电源进行比较，用以输出一控制信号。该控制信号用来控制一储能控制电路，该储能控制电路连接于该电压位准设定电路与该储能单元，受控于该控制信号，用以让该交流电源的低电压部分电能储存于该储能单元。

Description

电源转换装置及其方法

技术领域

本发明为一种电源转换装置，尤指一种使用于交流电源转换成直流电源的低功率电源转换装置。

背景技术

近年来半导体工业发展迅速，各种控制IC与微电脑控制器皆已小型化及省电化，不过都需要一低压的直流电源，以提供为控制电路动作的能源使用。因此交流市电110V/220V AC系统转换12V、5V、3.3V等低压直流电压源的技术，便成为工业应用的重要一环，也就是直流电源供应器相关技术领域蓬勃发展的主要原因。

常用的直流电源供应器的基础技术原理有二型：一为线性放大式，一为开关切换式。开关切换式直流电源供应器的主要优点为效率高、体积小、成本低，不过若输出功率很小时，例如10瓦、5瓦或更小的瓦数以内，其优点可能完全消失而反成为缺点。所以在低功率输出的直流电源供应器中，所采用的技术仍以线性放大式原理为主，但常用的线性放大式电路须使用低频变压器或高压无极性电容，配合整流二极管及滤波电容，再经由线性降压或电阻分压方式将交流电源转换出所需的低压直流电能。

现有的简易交流转直流低功率电源设计，可利用低频变压器将交流电源降压，再经整流及滤波后获得低压直流电源，或将交流电源经电容分压及二极管整流，再经齐纳二极管、电阻/电容分压方式或晶体管线性稳压方式等输出一低压直流电源。此类型电源电路技术具有下列缺点：

1、电源转换效率低，供电时温升现象不易解决。

2、线性降压方式转换电能，消耗功率过大、输出小。

3、若使用低频变压器降压，电路体积不易小型化、成本高。

4、若使用高压无极性电容分压，电路体积不易小型化、IC化。

图1为现有的第一实施例的交/直流转换电路，使用一低频变压器T_r1将交流电源V_AC降压，再利用二极管组成的整流单元1进行整流，接着透过电容C₁滤波，可获得低压的直流电压V_DC。由于该第一实施例的交/直流转换电路需采用低频硅钢片变压器T_r1，在很小的功率输出(3瓦以内)时，铁心损失与体积皆非常大，虽然电路简单且可提供较大功率，但亦增加电路体积、重量与成本。

图2为现有的第二实施例的交/直流转换电路，采集(撷取)交流电源V_AC完整的正半周，并且共用电源火线，而直流电压V_DC直接从电容C₁端输出。由于该第二实施例的交/直流转换电路使用完整正半周，因此分担在电阻R₁的受控电压过高，且输出的功率决定于齐纳二极管ZD₁的电流及功率大小，因此电源利用率低、功率消耗大、输出功率非常小。

图3为现有第三实施例的交/直流转换电路，采集交流电源V_AC完整的负半周，并且共用电源地线。该第三实施例是利用电阻R₁与电容C₁分压且分别降低涌浪电流及储存电荷，又增加一稳压集成电路IC₁以降低涟波，以获得一稳定的直流电压V_DC，由于需设置高压无极性电容C₁于电源测，可改善转换效率但增加电路体积，此交/直流转换电路的输出功率亦非常小。

图4为现有第四实施例的交/直流转换电路。交流电源V_AC透过高压无极性电容C₁，再经全桥式整流器2转换成为直流电压V_DC，再利用齐纳二极管ZD₁稳压及电容C₂储能，以获得一稳定直流电压V_DC，此电路由于亦需设置高压无极性电容C₁于交流电源侧，虽可改善转换效率但亦须增加电路体积。

基于上述得知：现有的交/直流转换电路须使用低频变压器、高压无极性电容或电阻分压方式，经由线性降压的原理转换电能，所以无法达成降低功率转换损失及集成化的特点。

发明内容

有鉴于此，本发明一种电源转换装置及其方法，是使用一低电压采集单元来采集交流电源的低电压部分电能，并将该低电压部分电能储存到一储能单元中，用以产生直流电压。

本发明的具体技术方案为：一种电源转换装置，用以将一交流电源转换成为一直流电压，包括有：一低电压采集单元，其使用一临界电压与交流电源进行比较，以采集该交流电源的低电压部分电能，该交流电源的低电压部分电能为该交流电源的电压小于该临界电压时所产生的电能；及一储能单元，连接于该低电压采集单元，储存该交流电源的低电压部分电能，以产生该直流电压。

本发明另外提供一种电源转换方法，将一交流电源转换成为一直流电压，其特征在于，步骤包括有：采集该交流电源的低电压部分电能，其中该交流电源的低电压部分电能为该交流电源的电压小于一临界电压时所产生的电能；储存该交流电源的低电压部分电能；及根据该交流电源的低电压部分电能，用以产生该直流电压。

本发明低电压采集单元利用一电压位准设定电路将已设定好的一临界电压与该交流电源进行比较，用以输出一控制信号。该控制信号用来控制一储能控制电路，该储能控制电路连接于该电压位准设定电路与该储能单元，受控于该控制信号，用以让该交流电源的低电压部分电能储存于该储能单元。

当交流电源小于临界电压时，储能控制电路中的一开关元件导通，使储能单元钳住当下的交流电源电压以进行电能储存，进而输出产生直流电压。本发明主要工作原理是采集交流电源在低压部分时的电能，并将之储存以产生低功率的直流电压。

本发明利用切换方式传送与储存电能的原理，可降低功率消耗损失、提高电源利用率、体积小型化、提供良好的直流电源品质，更可以配合集成电路制作技术作成IC，如此即可获得一极小体积的交流转直流的电源供应电路，提供逻辑电路、微电脑等等小功率控制电路使用，以解决现有交/直流转换电路的缺点。

由以上说明可知，本发明具有以下的优点：

1、适用各种需小功率直流电源的控制器使用：本发明的电源转换装置，凡输入端为交流市电，且需以直流电源驱动的低功率控制电路者皆适用。

2、降低功率损失：本发明利用切换方式传送与储存电能的原理，降低功率消耗损失，与现有的交/直流转换电路采线性降压或分压方式，更能提高电源利用率，提供良好的直流电源品质。

3、体积小型化和集成化：由于本发明的电源转换装置无须耐高压储能电容或低频变压器降压，所采用的元件除了低压的储能电容外，皆可以配合集成化制作技术作成IC，如此更可获得一极小体积的交流转直流的低功率电源转换装置。

附图说明

图1为现有的第一实施例的交/直流转换电路；

图2为现有的第二实施例的交/直流转换电路；

图3为现有的第三实施例的交/直流转换电路；

图4为现有的第四实施例的交/直流转换电路；

图5为本发明电源转换装置电路方块示意图；

图6为本发明使用的低电压采集单元；

图7为电压位准设定电路使用可程式单接面晶体管(PUT)作为位准选择开关的电路示意图；

图8为电压位准设定电路使用双载子接面晶体管(BJT)作为位准选择开关的电路示意图；

图9到图11为本发明各种电位储能控制电路示意图；

图12为图7电路的波形示意图；及

图13为图8电路的波形示意图。

图号说明：

低频变压器T_r1                   交流电源V_AC

整流单元1                       电容C₁

直流电压V_DC                     稳压集成电路IC₁

全桥式整流器2                   齐纳二极管ZD₁

低电压采集单元10                电压位准设定电路102

位准选择开关102A、102B          储能控制电路104

开关元件Qi                      控制信号V_C

储能单元20                      稳压电路30

交流电源V_AC                     直流电压V_DC输出电压V₀

具体实施方式

请参考图5，为本发明电源转换装置电路方块示意图。电源转换装置包括有一低电压采集单元10与一储能单元20连接组成，该储能单元20即为一电容器。低电压采集单元10使用一临界电压与该交流电源V_AC进行比较，以取得该交流电源V_AC的低电压部分电能，并将该低电压部分电能储存到该储能单元20，以产生该输出电压V₀。上面叙述中，当该交流电源V_AC的低电压部分的绝对值小于该临界电压时，该交流电源V_AC的低电压部分电能会被储存于该储能单元20。本发明进一步连接一稳压电路30于该储能单元20，接收并滤除该输出电压V₀的涟波，用以输出稳定的直流电压V_DC，稳压电路30是一共高压端稳压电路或一共低压端稳压电路。

请参考图6，为本发明使用的低电压采集单元。该低电压采集单元10由一电压位准设定电路102连接一储能控制电路104组成，电压位准设定电路102使用一临界电压与该交流电源V_AC进行比较，用以输出一控制信号V_C。控制信号V_C控制该储能控制电路104动作，让该交流电源V_AC的低电压部分电能得以储存于该储能单元20。

请参考图7与图8，该电压位准设定电路102由一位准选择开关102A连接一齐纳二极管D_2A、至少一电阻(R_1A、R_2A)及一整流二极管D_1A组成。该电压位准设定电路102根据齐纳二极管D_2A的工作电压值来设定临界电压，由该临界电压与该交流电源V_AC的比较结果，用以决定该控制信号V_C的电压准位。

在图7中所示的电压位准设定电路102使用可程式单接面晶体管(PUT)作为位准选择开关102A，其中齐纳二极管D_2A用于触发PUT，当交流电源V_AC的电压小于齐纳二极管D_2A的工作电压时，PUT截止，此时储能控制电路104导通，储能单元20开始根据交流电源V_AC的低电压部分电能进行电荷储能的动作；当交流电源V_AC大于齐纳二极管D_2A的工作电压时，PUT被触发导通，此时储能控制电路104截止，储能单元20停止电荷储能的动作。

配合图7，请参考图12，为图7电路的波形示意图。齐纳二极管D_2A的工作电压设为临界电压V_th，由于PUT的动作特性，于一交流电源V_AC半周中仅能被触发导通一次，而PUT的截止则利用交流电源V_AC另一半周逆偏压关闭，所以储能单元20于交流电源V_AC每半周中只进行一次电荷储能动作，即时间t₀-t₁，以产生输出电压V₀。电阻R₁提供齐纳二极管D₂维持工作时所需的电流，电阻R₂则提供PUT持续导通所需的电流，并提供储能控制电路104动作的能量。常用的电压触发设定控制功能的半导体元件有PUT、UJT、DIAC、SSS、SUS...等等都有相似的触发控制功能，只要电路做些微的调整，皆可作为位准选择开关102A的用途。

在图8中的电压位准设定电路102使用双载子接面晶体管(BJT)作为位准选择开关102B。齐纳二极管D_2B同样被使用于设定触发BJT导通动作的电压位准，二极管D_1B主要配合半波储能动作的原理，其耐压值约略大于交流电源V_AC的电压峰值。电阻R_1B提供齐纳二极管D_2B维持工作与BJT饱和导通时所需的基极电流，电阻R_2B则提供BJT持续导通所需的集电极电流，并提供储能控制电路104动作的能量。

配合图8，请参考图13，为图8的电路的波形示意图。根据BJT的动作原理特性，当交流电源V_AC输入大于齐纳二极管D_2B的工作电压(即所设定的临界电压V_th)时，齐纳二极管D_2B导通提供基极电流使BJT导通，此时电压位准设定电路102的输出的控制信号V_C为低准位，储能控制电路104截止，储能单元20不充电而对负载进行放电。当交流电源V_AC输入小于齐纳二极管D_2B的工作电压时，齐纳二极管D_2B截止，BJT因其基极电流不足而截止，此时电压位准设定电路102的输出的控制信号V_C为高准位，储能控制电路104导通，储能单元20进行电荷储能的动作。由于一个交流电源V_AC的一个半周中有二次小于电压设定位准的时期(即时间t₀-t₁与t₂-t₃)，所以BJT有两次截止时机，使储能控制电路104进行两次电荷储能及钳位动作，以产生输出电压V₀。

根据上面叙述，当该交流电源V_AC低于临界电压V_th时，该控制信号V_C为高准位，该交流电源V_AC高于临界电压V_th时，该控制信号V_C为低准位。

请参考图9、图10及图11，该储能控制电路104由一开关元件Q₁连接一电阻R₃及一二极管D组成，当电压位准设定电路102传送过来的控制信号V_C为高准位，该开关元件Q_i导通，储能单元20进行电荷充电，配合二极管D完成电压钳位动作，以达到采集交流电源V_AC在低压部分的电能，且完成输出电压V₀输出的功能。当该控制信号V_C为低准位，该开关元件Q₁截止，该储能单元20停止电荷充电，并将已储存的电能提供给负载使用。再者，于图9中所示的开关元件Q₁为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，其控制信号为电压型式；于图10中所示的开关元件Q₂为双载子接面晶体管(BJT)，控制信号为电流型式；于图11中所示的开关元件Q₃为隔离栅极双载子晶体管(IGBT)，其控制信号为电压型式。

综上所述，本发明所提供的电源转换装置，采集交流电源的低电压部分电能，由切换原理进行电荷储存，使其具有「适用各种需小功率直流电源的控制器」、「低功率消耗损失」及「体积小型化和可集成化」等效果，用来改善现有的交/直流转换电路因为使用低频变压器、高压无极性电容或电阻分压方式而无法达成降低功率转换损失及集成化的缺点。

以上所述，仅为本发明最佳之一的具体实施例的详细说明与图式，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。

Claims (15)

1、一种电源转换装置，用以将一交流电源转换成为一直流电压，其特征在于：包括有：

一低电压采集单元，其使用一临界电压与交流电源进行比较，以采集该交流电源的低电压部分电能，该交流电源的低电压部分电能为该交流电源的电压小于该临界电压时所产生的电能；及

一储能单元，连接于该低电压采集单元，储存该交流电源的低电压部分电能，以产生该直流电压。

2、如权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该储能单元为一电容器。

3、如权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，进一步包括有一稳压电路连接于该储能单元，用以滤除该直流电压的涟波。

4、如权利要求3所述的电源转换装置，其特征在于，该稳压电路为一共高压端稳压电路或一共低压端稳压电路。

5、如权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该低电压采集单元，包括有：

一电压位准设定电路，使用一临界电压与该交流电源进行比较，用以输出一控制信号；及

一储能控制电路，连接于该电压位准设定电路与该储能单元，受控于该控制信号，用以让该交流电源的低电压部分电能储存于该储能单元。

6、如权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，当该交流电源低于临界电压时，该控制信号为高准位，该交流电源高于临界电压时，该控制信号为低准位。

7、如权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，该电压位准设定电路由一位准选择开关连接一齐纳二极管、至少一电阻及一整流二极管组成，根据该临界电压与该交流电源的比较结果，用以决定该控制信号的电压准位。

8、如权利要求7所述的电源转换装置，其特征在于，该位准选择开关为一可程式单接面晶体管。

9、如权利要求7所述的电源转换装置，其特征在于，该位准选择开关为一双载子接面晶体管。

10、如权利要求5所述的电源转换装置，其特征在于，该储能控制电路由一开关元件连接一电阻及一整流二极管组成，当该控制信号为高准位，该开关元件导通，该交流电源对该储能单元进行充电，当该控制信号为低准位，该开关元件截止，该储能单元停止充电。

11、如权利要求10所述的电源转换装置，其特征在于，该开关元件为一金属氧化物半导体场效晶体管。

12、如权利要求10所述的电源转换装置，其特征在于，该开关元件为一双载子接面晶体管。

13、如权利要求10所述的电源转换装置，其特征在于，该开关元件为一隔离栅极双载子晶体管。

14、一种电源转换方法，将一交流电源转换成为一直流电压，其特征在于，步骤包括有：

采集该交流电源的低电压部分电能，其中该交流电源的低电压部分电能为该交流电源的电压小于一临界电压时所产生的电能；

储存该交流电源的低电压部分电能；及

根据该交流电源的低电压部分电能，用以产生该直流电压。

15、如权利要求14所述的电源转换方法，其特征在于，在该储存该交流电源的低电压部分电能步骤后进一步包括有一稳压步骤，该稳压步骤将该已储存的低电压部分电能进行稳压，用以输出无涟波的该直流电压。

Images