CN101123400A - 电源转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关一种电源转换器及其控制方法，将其输入端口上的一交流输入电压转换为其输出端口上的一交流输出电压，包括：一能量储存电感；一第一切换电路，耦接于该能量储存电感，选择性地切换使得该电源转换器的输入端口耦接于该能量储存电感；一第二切换电路，耦接于该能量储存电感及该第一切换电路，选择性地切换使得该电源转换器的共同端口耦接于该能量储存电感；以及一第三切换电路，耦接于该能量储存电感、该第一切换电路、及该第二切换电路，选择性地切换使得该电源转换器的输出端口耦接于该能量储存电感。

Description

电源转换器及其控制方法

技术领域

本发明有关一种电源转换器及其控制方法，特别是关于一种应用在不断电电源供应器(UPS)中的单相交流/交流电源转换器。

背景技术

请参阅图1，其为一种现有不断电电源供应器的部份电路图。在图1中，不断电电源供应器1主要包含一交流输入电压AC、由二极管D1和D2构成的一开关组、一单相交流-交流转换器11、由滤波电感Lo及滤波电容Co构成的一交流滤波器12、以及一负载R所构成。

在单相交流-交流转换器11中，包含有交流电感Li、母线电容Cs以及三个桥臂，其中由开关S1和S2所组成的桥臂称为升压(boost)桥臂，由开关S3和S4所组成的桥臂称为公共(com)桥臂，而由开关S5和S6所组成的桥臂称为降压(buck)桥臂。

作为图1所示的不断电电源供应器1，在交流输入电压AC(市电)正常的情况下，由交流输入电压AC直接提供负载R能量，而当交流输入电压AC出现异常时，则由一储存电池(未示出)提供负载Rout能量。

在这种传统的交流-交流转换器11中，由于常有一个以上桥臂是运作于脉波宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)技术，因此其开关损耗较高；此外，母线电容Cs的存在也会影响不断电电源供应器的小型化目标。

发明内容

本发明的主要目的为提出一种电源转换器，可以在不断电电源供应器中作为一自动电压调整器，可以在不使用任何线频率变压器与大电容的情况下，将交流输入电压转换成稳定的交流输出电压，并且在同一时间内仅有三分之一的开关是运作于高频模式，其余的开关皆是运作于低频模式。

本发明的主要构想为提出一种电源转换器，将其输入端口上的一交流输入电压转换为其输出端口上的一交流输出电压，包括：一能量储存电感；一第一切换电路，耦接于该能量储存电感，选择性地切换使得该电源转换器的输入端口耦接于该能量储存电感；一第二切换电路，耦接于该能量储存电感及该第一切换电路，选择性地切换使得该电源转换器的共同端口耦接于该能量储存电感；以及一第三切换电路，耦接于该能量储存电感、该第一切换电路、及该第二切换电路，选择性地切换使得该电源转换器的输出端口耦接于该能量储存电感。

本发明的另一构想为提出一种电源转换器的控制方法，是应用在一输入端口、一共同端口与一输出端口之间且互相并联耦接的一第一切换电路、一第二切换电路、一第三切换电路、以及一能量储存电感中，用以将该输入端口上的一交流输入电压转换为该输出端口上的一交流输出电压，包括步骤如下：当该输入端口上的一交流输入电压高于该输出端口上的一交流输出电压时，切换该第二切换电路及该第三切换电路使得该共同端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的二端，并将该第一切换电路运作于高频；及当该输入端口上的该交流输入电压低于该输出端口上的该交流输出电压时，切换该第一切换电路及该第三切换电路使得该输入端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的二端，并将该第二切换电路运作于高频。

本发明可通过下列附图及详细说明获得还深入的了解。

附图说明

图1是现有不断电电源供应器的部份电路图；

图2是本发明所提出电源转换器一较佳实施例的电路图；

图3(a)与图3(b)由上至下依序显示图2的电源转换器在降压模式中，交流输出入电压的波形对照、能量储存电感L的电流波形、交流输入电流波形、以及能量储存电感L的电压波形；

图4(a)与图4(b)由上至下依序显示图2的电源转换器在升压模式中，交流输出入电压的波形对照、能量储存电感L的电流波形、交流输入电流波形、以及能量储存电感L的电压波形；

图5是本发明所提出电源转换器另一较佳实施例的电路图；

图6(a)是本发明电源转换器应用于直流供电模式下的不断电电源供应器的电路图；

图6(b)是本发明电源转换器应用于交流供电模式下的不断电电源供应器的电路图；及

图7是本发明能量储存电感上的电流的一可能的波形图。

具体实施方式

请参阅图2，其为本发明所提出电源转换器一较佳实施例的电路图，图中的电源转换器2是由能量储存电感L、第一切换电路21、第二切换电路22、以及第三切换电路23所构成。其中能量储存电感L是耦接于三个切换电路21～23，而在此实施例中能量储存电感L、第一切换电路21、第二切换电路22、及第三切换电路23是以彼此并联的方式相耦接。

在图2中，第一切换电路21具有该电源转换器2的输入端口P，第二切换电路22具有该电源转换器2的共同端口Q，而第三切换电路23具有该电源转换器2的输出端口R。其中，该电源转换器2的输入端口P是连接于一交流输入电压Vac，该电源转换器2的输出端口R是连接于一负载Rout的一端，而该电源转换器2的共同端口Q则连接于该负载Rout的另一端，此外，还有一滤波电容C与该负载Rout并联。

在图2中，利用第一切换电路21进行选择性地切换可以使得该电源转换器2的输入端口P耦接于该能量储存电感L的其中的一端，利用第二切换电路22进行选择性地切换可以使得该电源转换器2的共同端口Q耦接于该能量储存电感L的其中的一端，而利用第三切换电路23进行选择性地切换可以使得该电源转换器2的输出端口R耦接于该能量储存电感L的其中的一端。借此，便能够将该电源转换器2的输入端口P上的该交流输入电压Vac转换为其输出端口R上的一交流输出电压Vout而输出至该负载Rout。

本发明的电源转换器中的该第一、第二、第三切换电路皆是由单向导通开关组成，而在经过实际配置的本实施例中，第一切换电路21、第二切换电路22、以及第三切换电路23分别是由二个开关电路彼此串联所构成；请参阅图2，以第一切换电路21来说，其是由输入端口P上方的第一开关电路以及输入端口P下方的第二开关电路所构成。其中，输入端口P上方的第一开关电路是由一晶体管S1及一二极管所构成，输入端口P下方的第二开关电路也是由一晶体管S2及一二极管所构成。

同理，以第二切换电路22来说，其是由共同端口Q上方的第三开关电路以及共同端口Q下方的第四开关电路所构成。其中，共同端口Q上方的第三开关电路是由一晶体管S3及一二极管所构成，共同端口Q下方的第四开关电路也是由一晶体管S4及一二极管所构成。

最后，以第三切换电路23来说，其是由输出端口R上方的第五开关电路以及输出端口R下方的第六开关电路所构成。其中，输出端口R上方的第五开关电路是由一晶体管S5及一二极管所构成，输出端口R下方的第六开关电路也是由一晶体管S6及一二极管所构成。

借由图2中的这种电路配置与运作，该电源转换器2便可以被用作为一自动电压调整器(Automatic Voltage Regulator，AVR)，其可在该能量储存电感L上产生一全波整流型电流，并可将该电源转换器2的输入端口P上的该交流输入电压Vac转换为其输出端口R上的一交流输出电压Vout而输出至该负载Rout。

以下分别说明图2的电源转换器2在降压模式(Buck Mode)与升压模式(Boost Mode)中的各开关运作。

(a)降压模式(Buck Mode)

(a1)正周期(Positive Cycle)

在此周期中，第三切换电路23的开关S6闭合(100％工作周期)且开关S5开路(接近0％工作周期)，而第二切换电路22的开关S4开路(0％工作周期)且开关S3闭合(100％工作周期)，此时第一切换电路21是作为一降压电路而运作于高频的脉波宽度调变(PWM)模式，用以在该交流输出电压Vout中产生足够的振幅。

(a2)负周期(Negative Cycle)

在此负周期内，每一切换电路以其中点(输入端口、共同端口、输出端口)为基准，上方与下方的各开关的开关模式和工作周期皆与正周期所述者相反。

请参阅图3(a)与图3(b)，其由上至下依序显示图2的电源转换器在降压模式中，交流输出入电压的波形对照、能量储存电感L的电流波形、交流输入电流波形、以及能量储存电感L的电压波形。由该图示并对照上述操作可知，本发明的电源转换器在以降压模式调整该交流输出电压时，仅有单一个切换电路是运作于脉波宽度调变模式，而其他二个切换电路则是运作于输入线频率(Input-line Frequency)模式。

(b)升压模式(Boost Mode)

(b1)正周期(Positive Cycle)

在此周期中，第一切换电路21的开关S1闭合(100％工作周期)且开关S2开路(接近0％工作周期)，而第三切换电路23的开关S5开路(0％工作周期)且开关S6闭合(100％工作周期)，此时第二切换电路22是作为一升压电路而运作于高频的脉波宽度调变模式，用以在直流总线中产生一全波整流型电流；也即在该交流输出电压Vout中产生足够的振幅。

(b2)负周期(Negative Cycle)

同样地，在此负周期内，每一切换电路以其中点为基准，上方与下方的各开关的开关模式和工作周期皆与正周期所述的相反。

请参阅图4(a)与图4(b)，其由上至下依序显示图2的电源转换器在升压模式中，交流输出入电压的波形对照、能量储存电感L的电流波形、交流输入电流波形、以及能量储存电感L的电压波形。由该图示并对照上述操作同样可知，本发明的电源转换器在以升压模式调整该交流输出电压时，仅有单一个切换电路是运作于脉波宽度调变模式，而其他二个切换电路则是运作于输入线频率模式。

另一方面，若是该交流输入电压等于该交流输出电压，则该第一切换电路21、该第二切换电路22、以及该第三切换电路23皆是运作于线频率。

请参阅图5，其为本发明所提出电源转换器另一较佳实施例的电路图。倘若图2的电源转换器2中的能量储存电感L中具有多余的能量，则可借由耦接一直流/交流再循环电路24至该能量储存电感L及该切换电路，用以将该能量储存电感L中的多余能量回馈至该交流输入电压Vac。

如前面所述，不断电电源供应器具有二种工作模式：(1)直流供电模式(2)交流供电模式。以下分别就该二种模式说明本发明的电源转换器的运作。

(1)直流供电模式

请参阅图6(a)，其为本发明电源转换器应用于直流供电模式下的不断电电源供应器的电路图。在图6(a)中，与图2相同的电路元件皆标示着相同的标号，此外，相异处在于输入端口P之处还耦接于一选择开关Switch，用以在一直流输入电压DC与该交流输入电压Vac之间进行选择。

在该交流输入电压Vac出现异常而由该直流输入电压DC提供负载Rout能量的情况下，当该交流输出电压Vout低于该直流输入电压DC时，该电源转换器是用作一降压转换器；而当该交流输出电压Vout高于该直流输入电压DC时，该电源转换器是用作一升压转换器。

(2)交流供电模式

请参阅图6(b)，其为本发明电源转换器应用于交流供电模式下的不断电电源供应器的电路图。在图6(b)中，与图2相同的电路元件皆标示着相同的标号，此外，相异处在于电源转换器还耦接于一充电电路25。

当系统轻载时，输入端口P上的反应电流会因为该能量储存电感L而增加，因此此时利用该充电电路25产生一直流电流进行充电。另一方面，由于电源转换器中仅有单一个切换电路是运作于脉波宽度调变模式，而其他二个切换电路则是运作于输入线频率模式，因此开关损耗相对地便变得较低，所以可以根据负载R而调整能量储存电感L的电流的波形。图7为能量储存电感L上的电流的一可能的波形图。

综上所述，本发明提供一种电源转换器，可以在不断电电源供应器中作为一自动电压调整器(AVR)，可以在不使用任何线频率变压器与大电容的情况下，将交流输入电压转换成稳定的交流输出电压，并且在同一时间内仅有三分之一的开关是运作于高频模式，其余的开关皆是运作于低频模式，能够大幅降低开关的切换损耗。

Claims (13)

1.一种电源转换器，将其输入端口上的一交流输入电压转换为其输出端口上的一交流输出电压，包括：

一能量储存电感；

一第一切换电路，耦接于该能量储存电感，选择性地切换使得该电源转换器的输入端口耦接于该能量储存电感；

一第二切换电路，耦接于该能量储存电感及该第一切换电路，选择性地切换使得该电源转换器的共同端口耦接于该能量储存电感；以及

一第三切换电路，耦接于该能量储存电感、该第一切换电路、及该第二切换电路，选择性地切换使得该电源转换器的输出端口耦接于该能量储存电感。

2.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于该能量储存电感、该第一切换电路、该第二切换电路、及该第三切换电路是彼此并联。

3.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于该第一切换电路是由一第一开关电路及一第二开关电路彼此串联所构成，其串联中点构成该电源转换器的输入端口。

4.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于该第二切换电路是由一第三开关电路及一第四开关电路彼此串联所构成，其串联中点构成该电源转换器的共同端口。

5.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于该第三切换电路是由一第五开关电路及一第六开关电路彼此串联所构成，其串联中点构成该电源转换器的输出端口。

6.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于该第一、第二、第三切换电路是由单向导通开关组成。

7.如权利要求6所述的电源转换器，其特征在于该单向导通开关皆是由一二极管及一晶体管彼此串联所构成。

8.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于该电源转换器的输出端口还耦接于一滤波电容及一负载。

9.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于该能量储存电感及该切换电路还耦接于一直流/交流再循环电路，用以将该能量储存电感中的多余能量回馈至该交流输入电压。

10.如权利要求2所述的电源转换器，其特征在于该电源转换器的输入端口还耦接于一选择开关，用以在一直流输入电压与该交流输入电压之间进行选择。

11.一种电源转换器的控制方法，应用在一输入端口、一共同端口与一输出端口之间且互相并联耦接的一第一切换电路、一第二切换电路、一第三切换电路、以及一能量储存电感中，用以将该输入端口上的一交流输入电压转换为该输出端口上的一交流输出电压，包括如下步骤：

(a)当该输入端口上的一交流输入电压高于该输出端口上的一交流输出电压时，切换该第二切换电路及该第三切换电路使得该共同端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的二端，并将该第一切换电路运作于高频；及

(b)当该输入端口上的该交流输入电压低于该输出端口上的该交流输出电压时，切换该第一切换电路及该第三切换电路使得该输入端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的二端，并将该第二切换电路运作于高频。

12.如权利要求11所述的电源转换器的控制方法，其特征在于步骤(a)进一步包含如下步骤：

(a1)在该交流输入电压的正周期内，切换该第二切换电路及该第三切换电路使得该共同端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的高压端与低压端；及

(a2)在该交流输入电压的负周期内，切换该第二切换电路及该第三切换电路使得该共同端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的低压端与高压端。

13.如权利要求11所述的电源转换器的控制方法，其特征在于步骤(b)进一步包含如下步骤：

(b1)在该交流输入电压的正周期内，切换该第一切换电路及该第三切换电路使得该输入端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的高压端与低压端；及

(b2)在该交流输入电压的负周期内，切换该第一切换电路及该第三切换电路使得该输入端口及该输出端口分别耦接于该能量储存电感的低压端与高压端。

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