CN101626166A - 备用电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种备用电源装置，连接在一交流市电与一负载间，以对该负载供电，该备用电源装置包括一将该交流市电转换成一直流电输出的交流/直流转换单元，一接受该直流电充电以储能的磁性电容单元，一用以对该磁性电容的放电电压进行升/降压转换，以输出一定电压的直流/直流转换单元，一将该定电压转换成一交流电输出的直流/交流转换单元，以及一选择连接该交流市电或该直流/交流转换单元，以适时输出该交流市电或该交流电给该负载的控制单元。本发明备用电源装置应用磁性电容做为储能单元而具有低成本、能量储存密度高、体积小、重量轻、容量大、无需维护、使用寿命长、环保低污染等优点。

Description

备用电源装置

技术领域

本发明是涉及一种备用电源装置，特别是涉及一种应用磁性电容做为储电元件的备用电源装置。

背景技术

随着电力应用科技的发展，需要靠电力才能运作的电子设备不断被开发出来，使得人们对于电力的需求与日俱增，以致于突然的断电常常给人们的生活带来冲击与不便，尤其是对于工厂产线或生活中特别重要的负载设备，一旦中断供电，往往会对业者或使用者造成重大的经济损失。然而，即使现在的电网设施再先进，意外的断电仍在所难免，因此能够在市电断电时，及时提供负载所需电能的不断电系统(UPS)和广泛应用于建筑电气领域及特殊应急供电场合的应急供电系统(EPS)遂成为供电系统中的重要设备的一。

请参阅图1所示，是绘示以往现有的一种后备式不断电系统的电路方块示意图，是目前后备式不断电系统(UPS)100的主要电路方块图，当市电正常输出时，开关单元13会将市电提供给后端负载，同时，市电经由交流/直流转换器(充电器)10输出直流电对储能单元(铅酸电池组)11预充电。当市电(Vin)突然中断时，开关单元13会切换一直流/交流转换器(逆变器)12，同时储能单元(铅酸电池组)11输出直流电经由直流/交流转换器(逆变器)12进行直/交流转换后输出一交流电供后端负载使用。

而目前的不断电系统(UPS)或应急供电系统(EPS)中皆普遍使用铅酸蓄电池做为其储能元件，但是铅酸蓄电池具有体积大、重量重、能量储存密度低、成本高、需要维护、使用寿命短等缺点，并且对环境温度要求较高(温度太低影响电池容量，温度高影响电池寿命)，充放电电压电流有限制(过高电压、深度放电等都会严重影响电池的寿命，甚至造成永久损坏)，且对充电过程要求高、充电时间长。

另外，铅酸蓄电池在UPS或EPS中所占的成本比例相当高，使设备价格昂贵。而且铅酸蓄电池并非环保产品，处理不当容易对环境造成严重的污染。因此，在UPS或EPS系统中有必要寻求新型的储能元件来取代铅酸蓄电池。

现今应用上大都利用电池、电容或超级电容(Super capacitor)作为能量储存的元件。电容虽然在制程上较为简单，但因其储存容量小，只能当做短暂储能使用。而传统电池，主要是利用化学能的方式来进行能量储存，因此其能量储存密度明显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置，但是，其缺点是：其所能产生的瞬间电力输出会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时容易滋生各种问题；例如：目前所使用的蓄电池，虽然标榜着可重复使用，但还是有其寿命的限制。在多次充放电或长时间不使用的情况下，蓄电池的容量会下降，且容易损坏，原因在于蓄电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变质，当原来的化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学反应，进而导致蓄电池老化而宣告寿终。

超级电容是一种介于电池与电容间的元件，又称双电层电容(Electrical Double-Layer Capacitor)，因同时通过部分物理储能、部分化学储能架构，故其具有比普通电容更大的容量，但其缺点是：因为有化学材料而具有化学特性，而容易有如电池的漏电缺点，又加上因还有部分是物理特性的放电速度快现象，如此一来就产生有很快就会没电的现象，无法达到有效蓄电功能。甚至，超级电容的耐压度不高，内阻较大，因而不可以用于交流电路，且如果使用不当会造成电解质泄漏等现象。

上述现有的储能元件并无法同时达到UPS或EPS所要求的寿命长(高充放电次数)、高能量储存密度、瞬间高功率输出及快速充放电等优点。

由此可见，上述现有的储能元件在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的备用电源装置，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的储能元件存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的备用电源装置，能够改进一般现有的储能元件，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的储能元件存在的缺陷，而提供一种新型结构的备用电源装置，所要解决的技术问题是使其提供一种应用具有低成本、能量储存密度高、体积小、重量轻、容量大、无需维护、使用寿命长、环保低污染等优点的储能元件的备用电源装置，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种备用电源装置，用以连接在一交流市电与一负载间，以对该负载供电；其中该备用电源装置包含：一交流/直流转换单元，用以将该交流市电转换成一直流电输出；一磁性电容单元，与该交流/直流转换单元连接，以接受该直流电的充电以储能；一直流/直流转换单元，与该磁性电容单元连接，用以对该磁性电容一放电电压进行升/降压转换，以输出一定电压；一直流/交流转换单元，与该直流/直流转换单元连接，用以将该定电压转换成一交流电后输出；以及一控制单元，可选择连接该交流市电或该直流/交流转换单元，以适时输出该交流市电或该交流电给该负载。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的磁性电容单元包括由复数个磁性电容以串联、并联或串并联方式组成的一磁性电容组。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的磁性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及设置于其间的一介电层，其中该第一磁性电极与第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的第一磁性电极包含有：一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层间；其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的第一磁性电极与第二磁性电极是包含有稀土元素，该介电层是由氧化钛(TiO₃)、氧化钡钛(BaTiO₃)或一半导体层所构成。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的半导体层为氧化硅。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述直流/直流转换单元包括一电感、一与该电感的一第一端及该磁性电容单元连接的第一三极管开关、一与该电感的该第一端连接的第二三极管开关、控制该第一三极管开关及该第二三极管开关的开关频率及PWM周期以对该磁性电容单元的放电电压进行降压的一降压控制电路、与该电感的一第二端连接的一第三三极管开关及一第四三极管开关、控制该第三三极管开关及该第四三极管开关的开关频率及PWM周期以对磁性电容单元的放电电压进行升压的一升压控制电路，以及一对该电感的输出电流进行滤波整流的滤波电路。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的磁性电容单元更包括一过电流保护电路，其连接在该巨磁电容组的正、负极两端间，用以保护该巨磁电容组不致因充/放电电流过大而烧毁。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的过电流保护电路包含一与磁性电容组的正极端连接的保险丝及一保护电路，一串接在磁性电容组的负极端并受该保护电路控制的开关，以及一连接在该保护电路与磁性电容组的负极端间的电阻，该电阻侦测该磁性电容组的输出电流并送给该保护电路，该保护电路可根据该输出电流决定是否切断该开关，使该磁性电容组停止供电。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种备用电源装置，该备用电源装置包含：一交流/直流转换单元，用以将输入的一交流市电转换成一直流电输出；一磁性电容单元，与该交流/直流转换单元连接，以接受该直流电的充电以储能；一直流/直流转换单元，与该磁性电容单元连接，用以对该磁性电容的一放电电压进行升/降压转换，以输出一定电压；以及一直流/交流转换单元，与该直流/直流转换单元连接，用以将该定电压转换成一交流电并输出。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的磁性电容单元包括由复数个磁性电容以串联、并联或串并联方式组成的一磁性电容组。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的磁性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及设置于其间的一介电层，其中该第一磁性电极与第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的第一磁性电极包含有：一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层间；其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的第一磁性电极与第二磁性电极是包含有稀土元素，该介电层是由氧化钛(TiO₃)、氧化钡钛(BaTiO₃)或一半导体层所构成。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的半导体层为氧化硅。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述直流/直流转换单元包括一电感、一与该电感的一第一端及该磁性电容单元连接的第一三极管开关、一与该电感的该第一端连接的第二三极管开关、控制该第一三极管开关及该第二三极管开关的开关频率及PWM周期以对磁性电容单元的放电电压进行降压的一降压控制电路、与该电感的一第二端连接的一第三三极管开关及一第四三极管开关、控制该第三三极管开关及第四三极管开关的开关频率及PWM周期以对该磁性电容单元的放电电压进行升压的一升压控制电路，以及一对该电感的输出电流进行滤波整流的滤波电路。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的磁性电容单元更包括一过电流保护电路，其连接在该磁性电容组的正、负极两端间，用以保护该磁性电容组不致因充/放电电流过大而烧毁。

较佳地，前述的备用电源装置，其中所述的过电流保护电路包含一与磁性电容组的正极端连接的保险丝及一保护电路，一串接在磁性电容组的负极端并受该保护电路控制的开关，以及一连接在该保护电路与磁性电容组的负极端间的电阻，该电阻侦测该磁性电容组的输出电流并送给该保护电路，该保护电路可根据该输出电流决定是否切断该开关，使该磁性电容组停止供电。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明备用电源装置至少具有下列优点及有益效果：本发明利用磁性电容做为储能元件，并搭配一直流/直流转换单元对磁性电容的放电电压进行适当升降压转换，以输出一固定直流电压供直流/交流转换单元进行交/直流转换，能够减少备用电源装置的整体体积、重量和制造成本，并且可以提高能量储存效率、储存容量和使用寿命，实现免维护，避免化学储能存在的记忆效应和污染问题，有效地改善了现有习知的备用电源装置(UPS)及紧急供电装置(EPS)的整体性能。

综上所述，本发明是有关于一种备用电源装置，连接在一交流市电与一负载间，以对该负载供电，该备用电源装置包括一将该交流市电转换成一直流电输出的交流/直流转换单元，一接受该直流电充电以储能的磁性电容单元，一用以对该磁性电容的放电电压进行升/降压转换，以输出一定电压的直流/直流转换单元，一将该定电压转换成一交流电输出的直流/交流转换单元，以及一选择连接该交流市电或该直流/交流转换单元，以适时输出该交流市电或该交流电给该负载的控制单元。本发明备用电源装置应用磁性电容做为储能单元，而具有低成本、能量储存密度高、体积小、重量轻、容量大、无需维护、使用寿命长、环保低污染等优点。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的储能元件具有增进的突出功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是绘示以往现有的一种后备式不断电系统的电路方块示意图。

图2是绘示本发明备用电源装置一较佳实施例的电路方块示意图。

图3是绘示本较佳实施例的磁性电容与其他现有习知的能量储存媒介的比较示意图。

图4是绘示本较佳实施例中磁性电容的结构示意图。

图5是绘示本较佳实施例的磁性电容另一较佳实施例中第一磁性电极的结构示意图。

图6是绘示本发明另一较佳实施例中一磁性电容组的示意图。

图7是绘示本较佳实施例的磁性电容单元的充放电特性曲线图。

图8是绘示本较佳实施例的直流/直流转换单元的细部电路图。

图9～图12是绘示本较佳实施例的直流/直流转换单元在不同操作模式下的控制讯号波形图。

图13是绘示本较佳实施例的一过电流保护电路的详细电路图。

图14是绘示本发明备用电源装置另一较佳实施例的电路方块图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的备用电源装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的两个较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。这两个实施例主要不同处在于，其中一个实施例是以需要一个切换开关(控制单元)的不断电装置(UPS)为例，另外一实施例则是以不需要切换开关(控制单元)的紧急供电装置(EPS)为例。

请参阅图2所示，是本发明备用电源装置的一较佳实施例的电路方块示意图。本发明较佳实施例的备用电源装置200，主要包括依序串接的一交流/直流转换单元(充电器)21、一磁性电容单元22、一直流/直流转换单元23、一直流/交流转换单元(逆变器)24以及一控制单元25。

其中交流/直流转换单元21主要将输入的交流市电(AC110V)Vin经过其中的自耦变压器降压、全波整流以及滤波转换为一直流电压后输出。而直流/交流转换单元24则可采用现有习知的大功率IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极三极管)模组全桥逆变电路，其具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗很小以及快速反应的特性。由于交流/直流转换单元21以及直流/交流转换单元24皆可直接采用现有习知的电路，且非本案重点，故在此不再详述。

交流/直流转换单元21提供一直流电压对磁性电容单元22充电。本实施例的磁性电容单元22可以由复数个磁性电容(Mcap)以串联、并联或串并联方式组成，让备用电源装置200可以因应不同场合的应用或需求，提供不同的输出电压、电流和功率等级。磁性电容是一种以硅半导体为原料，在一定的磁场作用下通过物理储能方式实现高密度、大容量储存电能的储能元件。且磁性电容具有输出电流大、体积小、重量轻、超长使用寿命、充放电能力佳以及没有充电记忆效应等特性，因此拿来做为备用电源装置200的蓄电元件以取代习知的铅酸蓄电池组，除了可以减少备用电源装置200的体积、重量和制造成本，而且可以实现系统免维护以及提高系统使用寿命等优点。所以，本发明的一特征在于使用磁性电容作为能量储存装置以及电力来源。值得注意的是，相较于一般电容，磁性电容可藉由于上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，并能大幅提升能量储存密度，故可作为一极佳的能量储存装置或电力供应来源。

请参阅图3所示，是本较佳实施例的磁性电容与其他现有习知的能量储存媒介的比较示意图。如图3所示，由于习见的能量储存媒介(例如传统的电池或超级电容)主要是利用化学能的方式来进行能量储存，因此其能量储存密度将会明显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置，但在此同时，其所能产生的瞬间电力输出亦会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时容易滋生各种问题。相较于此，由于磁性电容中储存的能量全部是以电位能的方式进行储存，因此，除了具有可与一般电池或超级电容匹配的能量储存密度之外，更因为充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可以有效的解决当前电池所遇到的各种问题。

请参阅图4所示，是本发明一较佳实施例中的磁性电容400的结构示意图。如图4所示，磁性电容400包含有一第一磁性电极110、一第二磁性电极120，以及位于其间的一介电层130。其中，第一磁性电极110与第二磁性电极120，是由具有磁性的导电材料所构成，并藉由适当的外加电场进行磁化，使第一磁性电极110与第二磁性电极120内分别形成磁偶极(magenetic dipole)115与125，以在磁性电容400内部构成一磁场，对带电粒子的移动造成影响，从而抑制磁性电容400的漏电流。

需要特别强调的是，图4中的磁偶极115与125的箭头方向仅为一示意图。对于熟习该项技艺的技术人员而言，应可了解到磁偶极115与磁偶极125实际上是由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加而成，并且在本发明中，磁偶极115与磁偶极125最后形成的方向并无限定，例如可指向同一方向或不同方向。介电层130则是用来分隔第一磁性电极110与第二磁性电极120，以于第一磁性电极110与第二磁性电极120处累积电荷，储存电位能。在本发明的一实施例中，第一磁性电极110与第二磁性电极120是包含有磁性导电材质，例如稀土元素，介电层130是由氧化钛(TiO₃)、氧化钡钛(BaTiO₃)或一半导体层，例如氧化硅(silicon oxide)所构成，然而本发明并不限于此，因此第一磁性电极110、第二磁性电极120与介电层130均可视产品的需求而选用适当的其他材料。

现比喻说明本发明磁性电容的操作原理如下。物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值高出10倍以上，而能够产生很庞大的磁阻效应。若是进一步结合Maxwell-Wagner电路模型，磁性颗粒复合介质中也可能会产生很庞大的磁电容效应。

在现有习知的电容中，电容值C是由电容的面积A、介电层的介电常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下式。然而在本发明中，磁性电容400主要利用第一磁性电极110与第二磁性电极120中整齐排列的磁偶极来形成磁场来，使内部储存的电子朝同一自旋方向转动，进行整齐的排列，故可在同样条件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的储存密度。类比于习知电容，磁性电容400的运作原理相当于藉由磁场的作用来改变介电层130的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$

此外，在本实施例中，第一磁性电极110与介电层130间的介面131以及第二磁性电极120与介电层130间的介面132均为一不平坦的表面，以藉由增加表面积A的方式，进一步提升磁性电容400的电容值C。

请参阅图5所示，是本发明的另一实施例中第一磁性电极110的结构示意图。如图5所示，第一磁性电极110是为一多层结构，包含有一第一磁性层112、一隔离层114以及一第二磁性层116。其中隔离层114是由非磁性材料所构成，而第一磁性层112与第二磁性层116则包含有具有磁性的导电材料，并在磁化时，藉由不同的外加电场，使得第一磁性层112与第二磁性层114中的磁偶极113与磁偶极117分别具有不同的方向，例如在本发明的一较佳实施例中，磁偶极113与磁偶极117的方向是为反向，而能进一步抑制磁性电容400的漏电流。此外，需要强调的是，磁性电极110的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以复数个磁性层与非磁性层不断交错堆叠，再藉由各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容400的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。

此外，由于现有习知的储能元件多半以化学能的方式进行储存，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成储量效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁性电容400是以电位能的方式进行储存，且因所使用的材料可适用于半导体制程，故可藉由适当的半导体制程来形成磁性电容400以及周边电路连接，进而能够缩小磁性电容400的体积与重量，由于此制作方法可使用一般半导体制程而达成，故在此不再予以赘述。

请参阅图6所示，是本发明的另一较佳实施例中一磁性电容组500的示意图。承前所述，在本实施例中，是利用半导体制程在一硅基板上制作复数个小尺寸的磁性电容400，并藉由适当的金属化制程，在该复数个磁性电容400间形成电连接，从而构成一个包含有多个磁性电容400的磁性电容组500，再以磁性电容组500作为能量储存装置或外部装置的电力供应来源。在本实施例中，磁性电容组500内的复数个磁性电容400是以类似阵列的方式电连接，然而本发明并不限于此，而可根据不同的电压或电容值需求，进行适当的串联或并联，以满足各种不同装置的电力供应需求。

请再参阅图7所示，是本较佳实施例的磁性电容单元22的一充放电特性的示意图，由图中显示的放电曲线可知，磁性电容单元22放电时的电压并非如同一般蓄电池维持在一定值，而是呈现随着放电时间迅速递减的趋势。因此，在本实施例中，必需搭配直流/直流转换单元23对磁性电容单元22放电时输出的电压进行适当的升/降压转换，使直流/直流转换单元23可以输出维持在一定值的直流电压给直流/交流转换单元24。

因此，请参阅图8所示，是本较佳实施例的直流/直流转换单元的细部电路图。本实施例的直流/直流转换单元23连接磁性电容单元22，并包括一电感L，一连接磁性电容单元22与电感L的第一端P1的第一三极管开关Q1，一连接电感L的第一端P1的第二三极管开关Q2，一控制第一及第二三极管开关Q1、Q2作动的降压(buck)控制电路231，一连接电感L的第二端P2的第三三极管开关Q3，一连接电感L的第二端P2与一滤波电路232的第四三极管开关Q4，一控制第三及第四三极管开关Q3、Q4的升压(boost)控制电路233。

降压控制电路231藉由控制第一及第二三极管开关Q1、Q2的开关频率及PWM周期，对磁性电容单元22的输出电压进行降压，升压(boost)控制电路232藉由控制第三及第四三极管开关Q3、Q4的开关频率及PWM周期对磁性电容单元22的输出电压进行升压动作。亦即，假设直流/交流转换单元24接受的输入电压是12V，而磁性电容单元22储存电压为30V，则在磁性电容单元22从一开始放电时的电压，即30V逐渐下降至15V的这段时间，由于放电电压范围(30V～15V)远大于12V，所以如图9所示，是绘示本较佳实施例的直流/直流转换单元在不同操作模式下的控制讯号波形图，降压控制电路231会根据放电电压控制第一及第二三极管开关Q1、Q2的开关频率及PWM周期，同时升压控制电路233令第三三极管开关Q3OFF，令第四三极管开关Q4 ON以进行降压，而将放电电压(30V～15V)转换成12V输出。

而在磁性电容单元22的放电电压从15V降低至12V的这段时间，如图10所示，降压控制电路231及升压控制电路232会同时作动，以对应放电电压分别控制第一、第二、第三及第四三极管开关Q1、Q2、Q 3及Q4的开关频率及PWM周期，使进行小幅度的升降压调整，以使输出电压维持在12V。

上述直流/直流转换单元23可以直接采用现有的例如LINEARTECHNOLOGY生产的型号为LTC3780的升降压转换器来实现。

藉由直流/直流转换单元23搭配磁性电容单元21，就可以克服磁性电容单元21输出电压(放电电压)不稳定的情况，而能提供一固定电压给后端的直流/交流转换单元24，使其据以产生一交流电输出。

且控制单元25在本实施例中是一切换开关，其可选择连接交流市电或直流/交流转换单元24，在交流市电正常供电情况下，开关25会与交流市电连接，以提供交流市电给后端的负载，而当交流市电突然断电时，开关25会被触发并切换至与直流/交流转换单元24连接，以使用磁性电容单元22储存的电力所转换的交流电给负载。

再者，为了保护磁性电容单元22中的磁性电容(组)，使不致因输出/入电流过大而烧毁，请参阅图13所示，是本较佳实施例的一过电流保护电路的详细电路图。本较佳实施例的磁性电容单元22中除了磁性电容(组)221外，还包括一过电流保护电路222。过电流保护电路222中包含一与磁性电容(组)221的正极端连接的保险丝223及一保护电路224，一串接在磁性电容(组)221的负极端并受保护电路224控制的开关225，以及一连接在保护电路224与磁性电容(组)221的负极端间的电阻226。其中，保险丝223在磁性电容(组)221充/放电过程中流经电流过大时会过热烧断，以保护磁性电容(组)221；电阻226侦测磁性电容(组)221的输出(放电)电流并送给保护电路224，使保护电路224发现输出电流突然变大时可以立即切断开关225，使磁性电容(组)221停止供电以保护磁性电容(组)221不致因输出电流过大而烧毁。

此外，请参阅图14所示，是本发明备用电源装置另一较佳实施例的电路方块图。本发明的备用电源装置第二较佳实施例的备用电源装置400，可以做为紧急供电装置(EPS)使用，且与上述第一实施例唯一不同的是，本实施例的备用电源装置300不包含控制单元25，备用电源装置300仅单纯接受交流市电输入，并经交流/直流转换单元31转成直流电后对磁性电容单元32充电，使磁性电容单元32储存一定电力，当需要使用备用电源装置300供电时，磁性电容单元32会被放电，并通过直流/直流转换单元33转换成一定电压输出给直流/交流转换单元34，使其据以产生一交流电输出给与其连接的负载使用。

综上所述，上述实施例利用磁性电容做为储能元件，并搭配一直流/直流转换单元对磁性电容的放电电压进行适当升降压转换，以输出一固定直流电压供直流/交流转换单元24进行交/直流转换，而能够达到减少备用电源装置200及备用电源装置300的整体体积、重量和制造成本，并提高能量储存效率、储存容量和使用寿命，实现免维护，避免化学储能存在的记忆效应和污染问题，有效地改善了习知备用电源装置(UPS)及紧急供电装置(EPS)的整体性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (18)

1、一种备用电源装置，用以连接在一交流市电与一负载间，以对该负载供电；其特征在于该备用电源装置包含：

一交流/直流转换单元，用以将该交流市电转换成一直流电输出；

一磁性电容单元，与该交流/直流转换单元连接，以接受该直流电的充电以储能；

一直流/直流转换单元，与该磁性电容单元连接，用以对该磁性电容一放电电压进行升/降压转换，以输出一定电压；

一直流/交流转换单元，与该直流/直流转换单元连接，用以将该定电压转换成一交流电后输出；以及

一控制单元，可选择连接该交流市电或该直流/交流转换单元，以适时输出该交流市电或该交流电给该负载。

2、如权利要求1所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的磁性电容单元包括由复数个磁性电容以串联、并联或串并联方式组成的一磁性电容组。

3、如权利要求2所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的磁性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及设置于其间的一介电层，其中该第一磁性电极与第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

4、如权利要求3所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的第一磁性电极包含有：

一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；

一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及

一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层间；

其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

5、如权利要求3所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的第一磁性电极与第二磁性电极是包含有稀土元素，该介电层是由氧化钛、氧化钡钛或一半导体层所构成。

6、如权利要求5所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的半导体层为氧化硅。

7、如权利要求1所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的直流/直流转换单元包括一电感、一与该电感的一第一端及该磁性电容单元连接的第一三极管开关、一与该电感的该第一端连接的第二三极管开关、控制该第一三极管开关及该第二三极管开关的开关频率及PWM周期以对该磁性电容单元的放电电压进行降压的一降压控制电路、与该电感的一第二端连接的一第三三极管开关及一第四三极管开关、控制该第三三极管开关及该第四三极管开关的开关频率及PWM周期以对磁性电容单元的放电电压进行升压的一升压控制电路，以及一对该电感的输出电流进行滤波整流的滤波电路。

8、如权利要求2所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的磁性电容单元更包括一过电流保护电路，其连接在该巨磁电容组的正、负极两端间，用以保护该巨磁电容组不致因充/放电电流过大而烧毁。

9、如权利要求8所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的过电流保护电路包含一与磁性电容组的正极端连接的保险丝及一保护电路，一串接在磁性电容组的负极端并受该保护电路控制的开关，以及一连接在该保护电路与磁性电容组的负极端间的电阻，该电阻侦测该磁性电容组的输出电流并送给该保护电路，该保护电路可根据该输出电流决定是否切断该开关，使该磁性电容组停止供电。

10、一种备用电源装置，其特征在于该备用电源装置包含：

一交流/直流转换单元，用以将输入的一交流市电转换成一直流电输出；

一磁性电容单元，与该交流/直流转换单元连接，以接受该直流电的充电以储能；

一直流/直流转换单元，与该磁性电容单元连接，用以对该磁性电容的一放电电压进行升/降压转换，以输出一定电压；以及

一直流/交流转换单元，与该直流/直流转换单元连接，用以将该定电压转换成一交流电并输出。

11、如权利要求10所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的磁性电容单元包括由复数个磁性电容以串联、并联或串并联方式组成的一磁性电容组。

12、如权利要求11所述的备用电源装置，其特征在于其中所述磁性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及设置于其间的一介电层，其中该第一磁性电极与第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

13、如权利要求12所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的第一磁性电极包含有：

一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；

一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及

一隔离层，包含有非磁性材料，设置于该第一磁性层与该第二磁性层间；

其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

14、如权利要求12所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的第一磁性电极与第二磁性电极是包含有稀土元素，该介电层是由氧化钛、氧化钡钛或一半导体层所构成。

15、如权利要求14所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的半导体层为氧化硅。

16、如权利要求10所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的直流/直流转换单元包括一电感、一与该电感的一第一端及该磁性电容单元连接的第一三极管开关、一与该电感的该第一端连接的第二三极管开关、控制该第一三极管开关及该第二三极管开关的开关频率及PWM周期以对磁性电容单元的放电电压进行降压的一降压控制电路、与该电感的一第二端连接的一第三三极管开关及一第四三极管开关、控制该第三三极管开关及第四三极管开关的开关频率及PWM周期以对该磁性电容单元的放电电压进行升压的一升压控制电路，以及一对该电感的输出电流进行滤波整流的滤波电路。

17、如权利要求11所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的磁性电容单元更包括一过电流保护电路，其连接在该磁性电容组的正、负极两端间，用以保护该磁性电容组不致因充/放电电流过大而烧毁。

18、如权利要求17所述的备用电源装置，其特征在于其中所述的过电流保护电路包含一与磁性电容组的正极端连接的保险丝及一保护电路，一串接在磁性电容组的负极端并受该保护电路控制的开关，以及一连接在该保护电路与磁性电容组的负极端间的电阻，该电阻侦测该磁性电容组的输出电流并送给该保护电路，该保护电路可根据该输出电流决定是否切断该开关，使该磁性电容组停止供电。

Images