CN101752912A - 交流/直流转换器 - Google Patents

Abstract

一种交流/直流转换器，包括有一电压源、一整流器、一储能单元、一开关单元以及一控制单元。电压源用以输出一交流电压；整流器用以将交流电压整流成一直流电压；储能单元包括多个磁性电容，其中该等磁性电容分成一蓄电部分以及一放电部分；控制单元用以控制开关单元的状态，使得直流电压对蓄电部分的磁性电容充电，以及同时使放电部分的磁性电容输出一工作电压。

Description

交流/直流转换器

技术领域

本发明涉及一种电压转换器，尤其涉及一种交流/直流转换器。

背景技术

大部分的电子设备如电视机、音响、计算机等，其内部组件所使用的电源均为直流电，除了较为轻便简单的电子设备采用干电池作电源外，大都必须利用交流/直流转换器将交流电经由整流与滤波转换成各种不同的稳定直流电压，以供电子设备使用。

首先，请参考图1，该图为现有的交流/直流转换器的系统架构图。如图1所示，目前常见的交流/直流转换器1至少包括有一电压源11、一整流器13、一滤波器15、一稳压调节电路17以及一负载单元19。电压源11用以提供一交流电压；整流器13耦接于电压源11，用以利用全波(full-wave)整流或半波(half-wave)整流来将交流电压转换为一直流电压。滤波器15耦接于整流器13，用以对直流电压进行滤波来产生平稳的直流电压，其中滤波器15中包括一滤波电容(图中未示)，直流电压会对滤波电容充电，再由滤波电容输出直流电压至负载单元19运作。较佳地，交流/直流转换器1一般都会设置稳压调节电路17，其耦接于滤波器15以及负载单元19之间，用以将滤波电容输出的直流电压调整为负载单元19所需的精确的工作电压。

上述电路中，滤波电容的充放电时间会决定是否能产生稳定的直流电压。滤波电容的容量越大，所能储存的电荷越多，放电时电压下降较小，过滤出来的波形较为符合平稳的直流电；反之，选择容量较小的滤波电容，则电压下降的较多，所转换的直流电的效率不佳。且，一般的滤波电容的耐压性低、储能容量小、使用寿命短，因此容易因为充放电使用频繁而影响电压转换的效率。

再者，传统的交流/直流转换器通常会利用变压器来达到降压的目的，由于变压器体积庞大，因而使得转换器不易于设置在迷你型的电子装置中。

发明内容

有鉴于此，本发明提出以磁性电容(Magnetic Capacitor)作为能量储存装置，用以接收并储存直流电，同时控制已储能的磁性电容并联来输出稳定的电压，期能简化交流/直流转换器的电路设计。

本发明的目的在于提供一种交流/直流转换器，能降低电压转换的电路设计的复杂度及其开发成本。

本发明的又一目的在于提供一种交流/直流转换器，能减少电压转换的电路的体积。

本发明的另一目的，在提供一种应用具有能量储存密度高、重量轻、储能容量大、使用寿命长等优点的储能组件的交流/直流转换器。

本发明揭示一种交流/直流转换器，其包括有一电压源、一整流器、一储能单元、至少一开关单元以及一控制单元。电压源用以输出一交流电压；整流器耦接于电压源，用以将交流电压整流成一直流电压；储能单元包括多个磁性电容，其中该等磁性电容分成至少一蓄电部分以及至少一放电部分；开关单元耦接于整流器以及储能单元之间；控制单元耦接于开关单元，用以控制开关单元形成一第一导通路径以及一第二导通路径，其中直流电压通过第一导通路径对蓄电部分的磁性电容充电，以及放电部分的磁性电容通过第二导通路径输出一工作电压。

于本发明的一具体实施例中，所述的控制单元将放电一特定时间的放电部分进行充电，且将充饱电的蓄电部分进行放电，进而使放电部分以及蓄电部分皆能循环地处于蓄电或放电的状态。

于本发明的一具体实施例中，所述的交流/直流转换器还包括一负载单元，其耦接于储能单元，用以接收工作电压来运作。

于本发明的一具体实施例中，蓄电部分的磁性电容为两两相互串联地耦接；而放电部分的磁性电容是以一固定数量串联成多组放电单位，且每一放电单位之间为两两相互并联地耦接，其中每组放电单位中的磁性电容的固定数量是根据工作电压的大小来决定。

于本发明的一具体实施例中，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一介电层。介电层设置于第一磁性电极以及第二磁性电极之间。其中，第一磁性电极与第二磁性电极内分别具有磁偶极(magnetic dipole)，用以抑制磁性电容的漏电流。

由前述技术方案，本发明利用磁性电容的耐高压特性，将并联的磁性电容进行释能来达到输出稳定直流电的效果，进而避免成本、空间的浪费，以及简化交流/直流转换器的电路设计。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有的交流/直流转换器的统架构图；

图2为本发明所揭示的储能单元与其它现有能量储存媒介的比较示意图；

图3为本发明所揭示的磁性电容的一具体实施例的结构示意图；

图4为本发明所揭示的第一磁性电极的一具体实施例的结构示意图；

图5为本发明所揭示的磁性电容组的一具体实施例的示意图；

图6为本发明所揭示的交流/直流转换器的一具体实施例的系统架构图；

图7为本发明所揭示的交流/直流转换器的另一具体实施例的系统架构图；以及

图8为本发明所揭示的放电曲线的一具体实施例示意图。

其中，附图标记

现有技术

1：交流/直流转换器

11：电压源

13：整流器

15：滤波器

17：稳压调节电路

19：负载单元

本发明

2：磁性电容

21：第一磁性电极

23：介电层

25：第二磁性电极

211、251、311、351：磁偶极

31：第一磁性层

33：隔离层

35：第二磁性层

4：磁性电容组

6、7：交流/直流转换器

61：电压源

62：整流器

63：控制单元

65、71、72：放电部分

67、73：蓄电部分

S1、S2、S3、S4、S1.1、S1.2、S1.3、S2.1、S2.2、S2.3：开关单元

69：负载单元

20：放电单位

时间T1、T2

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

本发明所提出的交流/直流转换器，是使用磁性电容来取代一般电压转换电路中的储能电容，以能提高每次储能的容量，且利用并联的磁性电容来提供稳定的输出电压，如此简化了电路结构，并降低成本。

本发明主要技术特征在于使用多组串联的磁性电容并联后来达成交流/直流转换器的功效，以下就仅提出必要的系统架构，然而，本领域技术人员得知，除了以下所提及的构件，交流/直流转换器当然包括其它的必要组件，因此，不应以本实施例揭露者为限。

由于本发明主要是利用具耐高压特性的储能单元来达到输出稳定电流的目的，为了更了解该储能单元的特性以及架构，请先参阅图2，该图为本发明的储能单元与其它现有能量储存媒介的比较示意图。本发明的储能单元储存的能量是以磁性电容(Magnetic Capacitor)为主，其主要是以物理反应的电位能的方式进行储存，而相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介(例如：传统电池)，以化学能为储存方式的能量储存媒介的缺点为：

(1)充、放电速度慢并且会产生热能。

(2)在多次充放电后容量会下降(有漏电之虞)，甚至长时间不使用，也会有容量下降问题(有漏电之虞)。

然而，本发明所述的磁性电容储存的能量全部是以电位能的方式进行储存，相较于主要以化学能储存的其它能量储存媒介，磁性电容除了具有可匹配的能量储存密度外，更因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、耐高压、可进行高功率输出、快速充放电、体积小等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。

接着，请参考图3，该图为本发明所揭示的磁性电容的一具体实施例的结构示意图。如图3所示，磁性电容2包含有一第一磁性电极21、一第二磁性电极25以及一介电层23。其中介电层23设置于第一磁性电极21以及第二磁性电极25之间，用来分隔第一磁性电极21与第二磁性电极25，以于第一磁性电极21与第二磁性电极25处累积电荷，进而储存电位能。具体来说，第一磁性电极21与第二磁性电极25是由具磁性的导电材料(例如稀土元素)所构成，并由适当的外加电场进行磁化，使第一磁性电极21与第二磁性电极25内分别形成磁偶极(magnetic dipole)211、251，以于磁性电容2内部构成磁场来影响带电粒子的移动方向，从而抑制磁性电容2的漏电流。

上述的介电层23是为氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或氧化硅(siliconoxide)的群组组合之一，然而本发明所述的磁性电容2的各层均可视产品需求而选用适当的材料，不应以本实施例揭露者为限。

所需要特别强调的是，磁偶极211、251的箭头方向仅为一示意图。对本领域技术人员而言，应可了解到磁偶极211、251实际上是由多个整齐排列的微小磁偶极所叠加而成，且在本发明中，磁偶极211、251最后形成的方向并无限定，可依磁性电容2的形状进行调整，例如可指向同一方向或不同方向。

请一并参考图4，该图为本发明所揭示的第一磁性电极21的一具体实施例的结构示意图。如图4所示，第一磁性电极21为一多层结构，包含有一第一磁性层31、一隔离层33以及一第二磁性层35。其中隔离层33设置于第一磁性层31以及第二磁性层35之间，其由非磁性材料所构成。而第一磁性层31与第二磁性层35则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，由不同的外加电场，使得第一磁性层31与第二磁性层35中的磁偶极311、351分别具有不同的方向，于本发明的一较佳实施例中，磁偶极311、351的方向是为反向，而能进一步抑制磁性电容2的漏电流。

此外，需要强调的是，磁性电容2的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆栈，再由各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容2的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。

再来，请参考图5，该图为本发明所揭示的磁性电容组的一具体实施例的示意图。如图5所示，磁性电容2可根据不同的电压或电容值需求，两两互相以串联或并联的方式耦接，进而形成一磁性电容组4，以满足各种不同装置的电力供应需求。

接着，请参考图6，该图为本发明所揭示的交流/直流转换器的一具体实施例的系统架构图。如图6所示，交流/直流转换器6包括有一电压源61、一整流器62、一控制单元63、一储能单元、开关单元S1、S2、S3、S4以及一负载单元69。电压源61是用以输出一交流电压；整流器耦接于电压源61，用以将交流电压整流成一直流电压；储能单元接收该直流电压后会输出一工作电压至负载单元69，用以提供电力给负载单元69运作。具体来说，负载单元69可为多个，其选自电器装置(例如灯泡)或数字装置的群组组合之一。

具体来说，所述的整流器62为桥式整流器，主要是利用全波整流电路或半波整流电路进行全波整流或半波整流来将交流电压转换为直流电压。

所述的储能单元包括多个磁性电容2，其中该等磁性电容2分成一蓄电部分67以及一放电部分65。蓄电部分67中包含的磁性电容2用来接收直流电压后储存电能，其中的磁性电容2为两两相互串联地耦接，以能快速充电；而放电部分65中包含的磁性电容2以一固定数量串联成多组放电单位20，且每一放电单位20为两两相互并联地耦接，其中每一组放电单位20中串联的磁性电容2的数量是根据该工作电压的大小来决定，而放电单位20并联的数量会影响磁性电容2放电的时间。例如，每一个磁性电容2能提供1伏特的电能，若负载单元69需要的工作电压为3伏特，则控制每3个磁性电容2串联成一组放电单位20，再将每组放电单位20相互并联地耦接，以能提供3伏特的电能至负载单元69。又，通过上述机制，无须考虑电压源61提供的交流电压大小以及其经整流后的直流电压大小，由放电部分65的磁性电容2的排列方式，即可进行升压或降压的动作来符合负载单元69所需的工作电压。

较佳地，交流/直流转换器6中亦可于储能单元以及负载单元69之间设置一稳压调节电路(图中未示)，用以将放电部分65输出的直流电压调整成一固定值，来提供为负载单元69所需的精确的工作电压。

控制单元63耦接于电压源61以及储能单元之间，用以调整开关单元S1～S4的切换来控制磁性电容2能同时间进行充放电的动作。一具体实施例中，开关单元S1～S4是为C型金氧半晶体管(CMOS)、N型金氧半晶体管(NMOS)、H型金氧半晶体管(HMOS)、D型金氧半晶体管(DMOS)或V型金氧半晶体管(VMOS)的其一。其中开关单元S1耦接于控制单元63以及放电部分65的一端之间；开关单元S2耦接于控制单元63以及蓄电部分67的一端之间；开关单元S3耦接于负载单元69以及放电部分65的另一端之间；开关单元S4耦接于负载单元69以及蓄电部分67的另一端之间。由控制单元63控制开关单元S1、S2为相反状态，且控制开关单元S3、S4为相反状态，来达到同时间对磁性电容2进行充放电的效果。以图6为例，控制单元63控制开关单元S2、S3为导通，而开关单元S1、S4为开路，进而从整流器62至蓄电部分67形成一第一导通路径，且从放电部分65至负载单元69形成一第二导通路径。控制单元63即可控制直流电压的电能通过第一导通路径对蓄电部分67的磁性电容2充电，放电部分65的磁性电容2亦可同时间通过第二导通路径释放电能。

待放电部分65的磁性电容2的电能放电至一数值或一特定时间后，如放电10％的电能或1ms的时间，控制单元63随即切换开关单元S2、S3为开路，而开关单元S1、S4为导通，如此让已经充饱电能的蓄电部分67对负载单元69释放电能，以及同时将电能储存于放电部分65的磁性电容2中。其中，每次扮演放电脚色的放电部分65一放电至某个程度时，随即让已经充饱电的蓄电部分67进行放电，并控制蓄电部分67中的磁性电容2，由原本耦接为串联形式切换成并联形式；而控制放电部分65中的磁性电容2，由原本耦接为并联形式切换成串联形式，以能快速进行充电。由两组充放电电路频繁切换来放电，以达到输出稳定的工作电压的效果。值得一提的是，可于储存单元中的每一磁性电容2设置一开关(图中未示)，进而由控制单元63控制该等开关的导通与否，使得进行充电的磁性电容2能一一串联地耦接，以及进行放电的磁性电容2能排列成相互并联地放电单位20。

再来，请同时参考图7，该图为本发明所揭示的交流/直流转换器的另一具体实施例的系统架构图。类似图6所示，交流/直流转换器7包括有一电压源61、一整流器62、一控制单元63、一储能单元、开关单元S1.1、S1.2、S1.3、S2.1、S2.2、S2.3以及一负载单元69。为了能确保在切换开关时仍能提供稳定的工作电压，储能单元中的磁性电容2亦可分成多组放电部分71、72以及一组(或多组)蓄电部分73。由控制单元63控制开关单元的状态，使放电部分71放电1ms后，马上切换放电部分72进行放电，并对放电部分71充电；同样地，放电部分72放电1ms后，随即切换蓄电部分73进行放电，并对放电部分72充电，如此循环地切换充放电状态，以达到输出稳定的工作电压的效果。

最后，请一并参考图8，该图为本发明所揭示的放电曲线的一具体实施例示意图。如图8所示，v轴表示工作电压值，由于放电部分71可以很多组，当第一组放电部分71放电时间T1秒(例如1sec)后，就让下一组放电部分71进行放电，当其放电T2秒后，又让下一组放电部分61进行放电，以此类推，其中，每组放电部分71的放电时间T1、T2可为相同或不同数值。因此当每组的放电时间越小时，工作电压的波形越趋于平缓，提供的电能就会越趋近于稳定的直流电，以输出至负载单元69供其运作。

由以上实例详述，当可知悉本发明的交流/直流转换器，使用磁性电容来作为储能及释能的装置，相较于一般电容，磁性电容具有耐高压、体积小、容量大、充放电速度快、价格低等优点，可作为一极佳的能量储存装置或电力供应来源。又利用并联多组磁性电容单位来提供稳定的直流电，通过上述的技术手段，可利用简单、便宜、体积小的交流/直流电路来达到升压、降压的目的，进而符合负载端所需的工作电压。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种交流/直流转换器，其特征在于，包括有：

一电压源，用以输出一交流电压；

一整流器，耦接于电压源，用以将该交流电压整流成一直流电压；

一储能单元，包括多个磁性电容，其中该等磁性电容分成至少一蓄电部分以及至少一放电部分；

至少一开关单元，耦接于该整流器以及该储能单元之间；以及

一控制单元，耦接于该开关单元，用以控制该开关单元形成一第一导通路径以及一第二导通路径，其中该直流电压通过该第一导通路径对该蓄电部分的该磁性电容充电，以及该放电部分的该磁性电容通过该第二导通路径输出一工作电压。

2.根据权利要求1所述的交流/直流转换器，其特征在于，该控制单元将放电一特定时间的该放电部分进行充电，且将充饱电的该蓄电部分进行放电，进而使该放电部分以及该蓄电部分皆能循环地处于蓄电或放电的状态。

3.根据权利要求2所述的交流/直流转换器，其特征在于，还包括有：

一负载单元，耦接于该储能单元，用以接收该工作电压来运作。

4.根据权利要求2所述的交流/直流转换器，其特征在于，该等磁性电容分成多个蓄电部分以及多个放电部分，该直流电压一次对其一的该蓄电部分充电，且一次由其一的该放电部分对该负载单元放电，其中每一该放电部分放电的该特定时间为相同或不同数值。

5.根据权利要求2所述的交流/直流转换器，其特征在于，该第一导通路径以及该第二导通路径同时存在，使得该储能单元同时进行充电以及放电。

6.根据权利要求2所述的交流/直流转换器，其特征在于，该蓄电部分的该磁性电容为两两相互串联地耦接。

7.根据权利要求2所述的交流/直流转换器，其特征在于，该放电部分的该磁性电容以一固定数量串联成多组放电单位，且该等放电单位为两两相互并联地耦接。

8.根据权利要求7所述的交流/直流转换器，其特征在于，该固定数量的多少是根据该工作电压的大小来决定。

9.根据权利要求1所述的交流/直流转换器，其特征在于，该磁性电容包括有：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层，设置于该第一磁性电极以及该第二磁性电极之间；

其中，该第一磁性电极与该第二磁性电极内分别具有磁偶极，用以抑制该磁性电容的漏电流。

10.根据权利要求9所述的交流/直流转换器，其特征在于，该第一磁性电极包括有：

一第一磁性层，具有排列成一第一方向的磁偶极；

一第二磁性层，具有排列成一第二方向的磁偶极；以及

一隔离层，其设置于该第一磁性层以及该第二磁性层之间；

其中，该第一方向与该第二方向互为反向，用以抑制该磁性电容的漏电流。

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