CN102315782B - 无需电解电容的电源转换器及其电源转换方法 - Google Patents

Abstract

一种无需电解电容的电源转换器及其电源转换方法，用以将输入的一脉动直流信号转换为一趋于平稳的直流电压，以达到降低滤波电容值的效果。该无需电解电容的电源转换器包含一谐振转换单元、一控制单元及一滤波电容器；该控制单元电连接于该谐振转换单元，该滤波电容器电连接于该谐振转换单元的输出端；利用该控制单元调整该谐振转换单元于特定的频率范围操作，以控制谐振转换单元的增益变化，进而改变谐振转换器的输出电压变化，因此滤波电容器只需利用一低容值的滤波电容器滤除谐振转换单元的高频切换信号，即可提供一趋近于直流信号驱动至负载。

Description

无需电解电容的电源转换器及其电源转换方法

技术领域

本发明涉及一种电源转换器，特别是一种无需电解电容的电源转换器及其电源转换方法。 

背景技术

为便于使用者使用上的方便，一般市面上的电器用品几乎都可使用市电直接供电；但对于部分仅具有单向导通特性的电子(或半导体)组件而言，若直接连接于市电插座上，将造成组件本身的损坏。因此在交流电与电子组件之间需透过一交流/直流转换器，将市电转换为直流电源，如此具有单向导通电子组件的电器用品即可直接连接于市电的插座上。 

现有的交流/直流转换器主要将一交流电源经整流后，再由一具有大电容值的电解电容进行滤波，以得到近似于直流的电压，供给后端具单向导通特性的负载使用。 

然而，由于电解电容的寿命相较于其它电子组件来得短，因此当电器用品发生故障时，往往是由于交流/直流转换器中的电解电容寿命终止，导致电源转换器发生故障或损坏；加上电解电容本身的体积相较于其它电子零件来得大，使得交流/直流转换电路在设计上无法小型化。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无需电解电容的电源转换器及其电源转换方法。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种无需电解电容的电源转换器，用以将输入的一预定电压波封且具有高频切换变化的全波整流信号，转换为一趋于平稳的直流电压，其中，该无需电解电容的电源转换器包含： 

一谐振转换单元； 

一控制单元，电连接于该谐振转换单元；及 

一滤波电容器，电连接于该谐振转换单元； 

利用该控制单元调整该谐振转换单元于特定的频率范围操作，以控制谐振转换单元的增益变化，进而改变谐振转换器的输出电压变化，因此滤波电容器只需利用一低电容值的滤波电容器滤除谐振转换单元的高频切换信号，即可提供一趋近于直流信号驱动至负载。 

上述的无需电解电容的电源转换器，其中，该谐振转换单元包含一谐振电感器以及一个谐振电容器，且该谐振电感器与该谐振电容器串联连接。 

上述的无需电解电容的电源转换器，其中，该谐振转换单元的操作频率介于一预定的频率范围内。 

上述的无需电解电容的电源转换器，其中，该交流信号为一市电全波整流信号。 

上述的无需电解电容的电源转换器，其中，该全波整流信号利用控制单元产生高频切换信号。 

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种无需电解电容的电源转换器的电源转换方法，用以将输入的一市电全波整流信号转换为一趋于平稳的直流电压，其中，该无需电解电容的电源转换器包含一谐振转换单元、一控制单元及一滤波电容器，该谐振转换单元与该控制单元分别电连接于该市电全波整流信号，该滤波电容器电连接于该谐振转换单元，该无需电解电容的电源转换器的电源转换方法包含： 

A.透过该控制单元产生一具有高频切换成分的信号； 

B.利用该谐振转换单元调整该具有高频切换成分信号的电压振幅变化；及 

C.利用该滤波电容器滤除该经调整电压振幅变化后的具有高频切换成分信号的高频切换脉波，并输出一趋于稳定的直流信号。 

上述的无需电解电容的电源转换器的电源转换方法，其中，该谐振转换单元包含一谐振电感器以及一个谐振电容器，且该谐振电感器与该谐振电容器串联连接。 

上述的无需电解电容的电源转换器的电源转换方法，其中，该谐振转换单元的操作频率介于一预定的频率范围内。 

上述的无需电解电容的电源转换器的电源转换方法，其中，该交流信号为一市电全波整流信号。 

上述的无需电解电容的电源转换器的电源转换方法，其中，该交流信号利用控制单元产生高频切换。 

本发明的有益功效在于：本发明通过该谐振转换单元针对输入的全波整流信号进行增益放大或缩小，进而降低由该谐振转换单元输出电压的电压波动量，因此连接于该谐振转换单元后端的滤波电容器无需采用较大电容值的电解电容器，即可有效地滤除该谐振转换单元产生的高频切换信号，并提供一趋近于直流信号驱动负载，达到降低电连接于该谐振转换电路输出端的滤波电容器的电容值。 

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为本发明的具有无需电解电容的电源转换器的电路方块图； 

图2a为市电全波整流信号的电压波形图； 

图2b为具有高频切换成分信号的电压波形图； 

图3为本发明的控制单元的电压对频率变化曲线； 

图4为本发明的谐振转换单元所采用的组件架构； 

图5为谐振转换单元的频率对电压增益的响应曲线； 

图6为本发明的无需电解电容的电源转换器的输出电压波形图； 

图7为本发明的无需电解电容的电源转换器的电源转换方法的流程图。 

其中，附图标记 

100    市电全波整流信号 

200    无需电解电容的电源转换器 

210    谐振转换单元 

220    控制单元 

230    低电容值的滤波电容器 

300    负载 

C      谐振电容器 

L      谐振电感器 

fo     谐振频率 

f1    第一频率 

f2    第二频率 

G1    第一增益 

G2    第二增益 

Go    最大增益 

Vc    具有高频切换变化成分的信号 

P     高频切换脉波 

S400～S406    无需电解电容的电源转换器的转换步骤 

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： 

配合参阅图1，为本发明的无需电解电容的电源转换器的电路架构图。该无需电解电容的电源转换器200将一市电全波整流信号100转换成一趋近于直流电压供给后端的负载300。 

该无需电解电容值的电源转换器200电连接于该市电全波整流信号100，且该无需电解电容的电源转换器200包含一谐振(Resonant)转换单元210、一控制单元220及一低电容值的滤波电容器230，其中该谐振转换单元210与该控制单元220分别电连接于该市电全波整流信号100，该低容值的滤波电容器230电连接于该谐振转换单元210。 

该市电全波整流信号100为一经过全波整流后的脉动直流信号，该脉动直流信号具有一预定电压波封(Envelope)(亦即和全波整流结果相同)，如图2a所示，为市电全波整流信号100的电压波形图。该脉动直流信号透过该控制单元220产生一具有高频切换(Chopping)变化成分的信号Vc，如图2b所示，为具有高频切换成分的电压波形图。该具有高频切换变化成分的信号Vc在0V与峰值电压V2的范围变动，并且该具有高频切换变化成分的信号Vc在第一电压V1与第二电压V2分别具有一第一频率f1与一第二频率f2范围的高频切换信号，其电压对频率的曲线如图3所示。 

配合参阅图4，为本发明的无需电解电容的电源转换器200的谐振转换单元210的内部电路图。该谐振转换单元210包含一谐振电感器L及一谐振电容器C，且该谐振电感器L与该谐振电容器C串联连接。该谐振转换单元210具 有允许特定频率范围的信号通过，以及衰减其它频率信号的功能，藉此该谐振转换单元210可针对输入的该市电全波整流信号100进行增益放大与衰减，因此该具有高频切换变化成分的信号Vc经由谐振转换单元210可在该第一电压V1与该第二电压V2范围内，分别进行电压放大与衰减的功效，进而降低谐振转换单元210的输出电压波封变动量(详见后述)。并且，透过该控制单元220控制该谐振转换单元210在特定的频率内操作，以使该谐振转换单元220输出使用者所需的特定电压值。 

配合参阅图5，为一种谐振转换单元210的频率对电压增益的响应曲线。图中水平轴代表频率(f)，垂直轴代表电压增益(Voltage Gain)。 

于本发明中，该谐振转换单元210的操作频率介于一预定频率范围，该预定频率范围介于该第一频率f1与一第二频率f2之间。且该第一频率f1对应一第一电压增益G1，该第二频率f2对应一第二电压增益G2。该谐振电感器L与该谐振电容器C的等效阻抗会随着操作频率的不同而变化。当该谐振转换单元210操作于谐振频率fo时，由于该谐振转换单元210中的谐振电感L与谐振电容C的总阻抗近似为零，因此可获得最大增益Go。 

当该谐振转换单元210操作在高于该谐振频率fo的第一频率f1时，该谐振转换单元210放大输入的市电全波整流信号100的第一电压V1。当该谐振转换单元210操作在低于该谐振频率fo的第二频率f2时，该谐振转换单元210衰减输入的市电全波整流信号100的第二电压V2。因此，该控制单元220在该第一频率f1与该第二频率f2范围内，通过该控制单元220调整该谐振转换单元210的操作频率，即可放大或衰减该谐振转换单元210的输出电压波封大小。 

由于谐振转换单元210可将原本市电全波整流信号100，整形为电压振幅相近的高频切换脉波P，因此谐振转换单元210输出所连接的滤波电容230只需利用一低容值的电容器，滤除电压的高频切换成分后，负载300即可获得一趋于稳定的直流信号，其电压波形如图6所示。 

配合参阅图7，为本发明的无需电解电容的电源转换器的电源转换的方法的流程图。本发明的无需电解电容的电源转换器用以将一市电全波整流信号100转换成一趋近于直流电压供给后端的负载300。该无需电解电容的电源转换器的电源转换方法包含： 

首先，电源转换器输入一市电全波整流信号100(S400)，其特征在于，该市电全波整流信号100为一经过全波整流后的脉动直流信号，该脉动直流信号具有一预定电压波封(Envelope)(亦即和全波整流结果相同)。 

其次，透过该控制单元220将该脉动直流信号转换成一具有高频切换(Chopping)变化成分的信号Vc(S402)。 

利用该控制单元220调整该谐振转换单元210的操作频率，以调整该具有高频切换成分的信号Vc的振幅变化(S404)，其中该谐振转换单元210具有允许特定频率范围的信号通过，并衰减其它频率信号的功能，藉此该谐振转换单元210可针对输入的该市电全波整流信号100进行增益放大与衰减。 

最后，利用该低电容值的滤波电容器230滤除该调整电压振幅后的具有高频切换成分信号的高频切换脉波，并输出一趋于稳定的直流信号(S406)。 

综合以上所述，本发明通过该谐振转换单元210针对输入的交流信号100进行增益放大与衰减，进而降低由该谐振转换单元210输出电压的波封变化量，并透过电连接于该谐振转换单元210后端的低电容值的滤波电容器230，滤除谐振转换单元210所产生的高频切换脉波，因此该低电容值的滤波电容器230无需采用高电容值的电解电容，即可提供一趋近于直流的电压信号驱动负载300。故该无需电解电容的电源转换器200可使用体积小且寿命较长的陶瓷电容，即可达成信号滤波的功效，也可提升该电源转换器200的使用寿命。 

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 (4)

1.一种无需电解电容的电源转换器，用以将输入的一预定电压波封的全波整流信号，转换为一趋于平稳的直流电压，其特征在于，该无需电解电容的电源转换器包含:

一控制单元，电连接于该全波整流信号，该控制单元用以将该全波整流信号转换成一具有高频切换变化成份的信号，该具有高频切换变化成份的信号在一第一电压时具有一第一频率，该具有高频切换变化成份的信号在一第二电压时具有一第二频率；

一谐振转换单元，电连接于该全波整流信号及该控制单元，该谐振转换单元包含一谐振电感器及一谐振电容器，该谐振电感器与该谐振电容器串联连接，该谐振转换单元具有一预定操作频率范围，该预定操作频率范围介于该第一频率及该第二频率之间，该谐振转换单元操作于该第一频率时具有一第一电压增益，该谐振转换单元操作于该第二频率时具有一第二电压增益；及

一滤波电容器，电连接于该谐振转换单元；

利用该控制单元调整该谐振转换单元于该预定操作频率范围操作，以控制该谐振转换单元的增益变化，进而改变该谐振转换单元的输出电压变化，利用低电容值的该滤波电容器滤除该谐振转换单元的高频切换信号，以提供一趋近于直流信号驱动至负载。

2.如权利要求1所述的无需电解电容的电源转换器，其特征在于，该全波整流信号为一市电全波整流信号。

3.一种无需电解电容的电源转换器的电源转换方法，用以将输入的一全波整流信号转换为一趋于平稳的直流电压，其特征在于，该无需电解电容的电源转换器包含一谐振转换单元、一控制单元及一滤波电容器，该控制单元电连接于该全波整流信号，该谐振转换单元电连接于该全波整流信号及该控制单元，该滤波电容器电连接于该谐振转换单元，该谐振转换单元包含一谐振电感器以及一个谐振电容器，且该谐振电感器与该谐振电容器串联连接，该无需电解电容的电源转换器的电源转换方法包含:

A.透过该控制单元将该全波整流信号转换为一具有高频切换变化成分的信号，其中该具有高频切换变化成份的信号在一第一电压时具有一第一频率，该具有高频切换变化成份的信号在一第二电压时具有一第二频率；

B.利用该谐振转换单元依据该第一频率及该第二频率的变化调整该具有高频切换变化成分的信号的电压振幅以产生一电压振幅接近的高频切换脉波，其中该谐振转换单元具有一预定操作频率，该预定操作频率介于该第一频率及该第二频率之间，该谐振转换单元操作于该第一频率时具有一第一电压增益，该谐振转换单元操作于该第二频率时具有一第二电压增益；及

C.利用该滤波电容器滤除该高频切换脉波的高频切换成份，并输出一趋于稳定的直流信号。

4.如权利要求3所述的无需电解电容的电源转换器的电源转换方法，其特征在于，该全波整流信号为一市电全波整流信号。

Images