CN103107696A - 可提高转换效率的交换式电源转换装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提高转换效率的交换式电源转换装置和方法，将一直流电源通过一电源转换器连接到一负载，该电源转换器具有一个以上的功率开关，由一脉宽调变控制器输出一第一频率以控制功率开关的切换频率，并通过一电流检知器检知负载电流，再加入一判断条件而产生一变频信号给脉宽调变控制器，使其输出一可变的第二频率，以调整功率开关的切换频率；前述判断条件是根据负载电流判断负载为轻载或重载，轻载时是降低第二频率，以减少功率开关的切换损失；重载时则提高第二频率，以减少重载时负载电流的涟波，藉此可降低交换式电源转换装置的成本并可提高转换效率。

Description

可提高转换效率的交换式电源转换装置和方法

技术领域

本发明涉及一种交换式电源转换装置，尤指一种可提高转换效率的交换式电源转换装置及方法。

背景技术

现有的交换式电源转换装置，是使一直流电源经过一电源转换器连接至一负载，该电源转换器包含有一个以上的功率开关，当功率开关导通时使直流电源连接至负载，而当功率开关截止时切断连接至负载的直流电源；由一脉宽调变控制器用一脉宽调变的方式驱动电源转换器进行功率开关的切换；该脉宽调变的工作方式是将一参考电压与该负载的负载电压进行比较后输出一控制信号，该控制信号再与负载电流进行运算，最后由脉宽调变控制器输出一个固定频率但不同脉波宽度的切换频率，以控制该功率开关导通的时间；当负载电压低于参考电压或负载电流增加时，表示此时为重载，脉宽调变控制器会增加输出脉波的宽度，使功率开关导通的时间增加，而使电源转换器输出电压提高；当负载电压高于参考电压或负载电流减少时，表示此时为轻载，脉宽调变控制器会减少输出脉波的宽度，使功率开关导通的时间减少，而使电源转换器输出电压降低。

上述交换式电源转换装置中的电源转换器，已知其功率开关为一晶体管，当晶体管由截止到导通或由导通到截止时，会有切换损失并产生热能，当轻载时，使用太高的切换频率会增加晶体管的切换损失，而使交换式电源转换装置效率下降；又重载时，使用太低的切换频率会导致输出电流涟波太大，因此该交换式电源转换装置使用固定的切换频率有其效率不佳的缺点。

发明内容

如前揭所述，当一负载轻重程度不同时，使用一固定的切换频率，会使一交换式电源转换装置有切换损失而造成效率不佳的缺点；因此本发明主要目的是提供一种可依负载轻重调整切换频率的方式，用以提高交换式电源转换装置效率的方法。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述的可提高转换效率的交换式电源转换方法，是使一脉宽调变控制器控制一电源转换器内一功率开关的切换频率，并执行以下步骤：

令脉宽调变控制器以一第一频率控制功率开关的切换频率；

取得负载电流；

判断负载的轻重载状态；

根据负载电流与轻重载状态产生一变频信号，并送回脉宽调变控制器；

令脉宽调变控制器根据该变频信号，以降低或提高该切换频率；

依据上述的可提高转换效率的交换式电源转换方法，本发明亦提供一可提高转换效率的交换式电源转换装置，包含有：

一电源转换器，具有二输入端、二输出端与一个以上的控制端，该二输入端连接至一直流电源，该二输出端连接有一负载，又该二输入端与二输出端之间连接有一个以上的功率开关，并由该一个以上的控制端控制该一个以上的功率开关导通或截止；

一电流检知器，具有二输入端与一输出端，该二输入端是分别连接到电源转换器与负载；

一回授电路，具有三个输入端与一输出端，该其中的二个输入端是分别连接到电源转换器的其中一输出端及电流检知器的输出端，而另一输入端是输入一电压设定值；

一变频控制器，具有一个以上的输入端与一输出端，其中一个输入端是连接到电流检知器的输出端，其它输入端分别输入一个以上的电流设定值；

一脉宽调变控制器，具有一个以上输出端、一回授控制端及一频率控制信号端，该一个以上输出端是连接至电源转换器的一个以上的控制端，该回授控制端是连接到回授电路的输出端，该频率控制信号端是连接到变频控制器的输出端；

将直流电源通过电源转换器连接到负载，该脉宽调变控制器输出一个第一频率控制功率开关的切换频率，电流检知器检知负载电流并送至变频控制器，由该负载电流与一个以上的电流设定值比较其电流大小，该电流设定值是提供判断负载为轻载或重载的依据，变频控制器判断为轻载或重载后，送出轻载/重载的变频信号至脉宽调变控制器，又回授电路分别依据负载电压与负载电流产生一回授信号给脉宽调变控制器，该脉宽调变控制器依据回授信号及轻重载的变频信号，输出一个可变的第二频率，以调整功率开关的切换频率；当轻载时令第二频率低于第一频率，降低功率开关的切换频率以减少切换损失；当重载时则令第二频率高于第一频率，以减少重载时负载电流的涟波；藉由变频控制器判断负载为轻载或重载后送出轻载/重载的变频信号，并由脉宽调变控制器改变功率开关的切换频率，减少切换损失并可提高交换式电源转换装置的转换效率。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的电路方块图；

图3为本发明的第一较佳实施例电路图；

图4为本发明的第二较佳实施例电路图；

图5为本发明的第三较佳实施例电路图；

图6为本发明的第四较佳实施例电路图；

图7为本发明的第五较佳实施例电路图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，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。

关于本发明的可提高转换效率的交换式电源转换方法，请参阅图1所示：

由一脉宽调变控制器控制一功率开关的切换频率，并执行以下步骤：

令脉宽调变控制器以一第一频率控制功率开关的切换频率(步骤101)；

取得负载电流(步骤102)；

判断负载的轻重载状态(步骤103)；

若判断为轻载，根据负载电流与轻载状态产生一轻载的变频信号，并送回脉宽调变控制器(步骤104)；

令脉宽调变控制器根据该轻载的变频信号以降低功率开关的切换频率(步骤105)；

若步骤(103)判断为重载，根据负载电流与重载状态产生一重载的变频信号，并送回脉宽调变控制器(步骤106)；

令脉宽调变控制器根据该重载的变频信号以提高功率开关的切换频率(步骤107)。

依据上述的可提高转换效率的交换式电源转换方法，本发明亦提供一可提高转换效率的交换式电源转换装置，请参阅图2所示，包含有一连接至一直流电源60的电源转换器10，该电源转换器10包含有一个以上的功率开关11，其输出端并连接有一负载30，一串接于电源转换器10与负载30之间的电流检知器20，一连接至电流检知器20与负载30的回授电路50，一连接至电流检知器20与输入一电流设定值的变频控制器40，一连接变频控制器40与回授电路50的脉宽调变控制器12，该脉宽调变控制器12是连接至电源转换器。

将直流电源60通过电源转换器10连接到负载30，该脉宽调变控制器12输出一第一频率以控制功率开关11的切换频率，电流检知器20检知负载电流并送至变频控制器40，由该负载电流与一个以上的电流设定值45比较电流大小，该电流设定值45是提供判断负载30为轻载或重载的依据，变频控制器40判断为轻载或重载后，送出轻载或重载的变频信号至脉宽调变控制器12，又回授电路50分别依据负载电压与负载电流产生一回授信号给脉宽调变控制器12，该脉宽调变控制器12依据回授信号及轻重载的变频信号，输出一个可变的第二频率，以调整功率开关11的切换频率；当轻载时令第二频率低于第一频率，降低功率开关11的切换频率以减少切换损失；当重载时则令第二频率高于第一频率，以减少重载时负载电流的涟波。

关于本发明的第一较佳实施例电路图，请配合参考图3，其中：

前述的电源转换器10具有二输入端、二输出端与一个以上的控制端，该二输入端连接至一直流电源60，该二输出端连接有一负载30，又该二输入端与二输出端之间连接有一个以上的功率开关11，并由该一个以上的控制端控制该一个以上的功率开关11使其导通或截止。

前述的电流检知器20具有二输入端与一输出端，该二输入端是分别连接到电源转换器10的其中一输出端与负载30的其中一输入端，用以检知该负载30的负载电流。

前述的回授电路50具有一电压控制器51、一电流控制器52、三个输入端与一输出端，其中一输入端连接至电源转换器10的其中一输出端与负载30之间，以取得负载30的电压，另一输入端连接至电流检知器20的输出端，以取得负载30的电流，又再一输入端是输入一电压设定值53；该电压控制器51比较负载电压及该电压设定值53，当负载电压小于电压设定值53时，表示负载30为重载，而输出一重载电压控制信号；当负载电压大于电压设定值53时，表示负载30为轻载，而输出一轻载电压控制信号；又该电流控制器52取得轻载或重载的电压控制信号及负载电流后，判断负载30的轻载或重载状态并由输出端输出一回授控制信号。

前述的变频控制器40，具有一个以上的输入端与一输出端，其中一个输入端是连接到电流检知器20的输出端，其它输入端分别输入一个以上的电流设定值45，在本实施例中，是有三个电流设定值I1、I2、I3，其中I1小于I2，又I2小于I3，该变频控制器40包含有三个比较器41、42、43与一具有多个输入端的频率控制器44，一第一比较器41是有二输入端与一输出端，其中一输入端连接至电流检知器20的输出端，以取得负载电流，另一输入端输入一电流设定值I146，而输出端连接至频率控制器44的其中一输入端；当负载电流小于或等于电流设定值I146时，第一比较器41输出一信号至频率控制器44，使频率控制器44送出一低频的轻载变频信号；又一第三比较器43连接方式与第一比较器41大致相同，唯其另一输入端是输入一电流设定值I348，当负载电流大于或等于电流设定值I348时，第三比较器43输出一信号至频率控制器44，使频率控制器44送出一高频的重载变频信号；又一第二比较器42连接方式与第一比较器41大致相同，唯其另一输入端是输入一电流设定值I247，当负载电流大于电流设定值I146、等于电流设定值I247或小于电流设定值I348时，第二比较器42输出一信号至频率控制器44，使频率控制器44送出一在上述高频与低频之间的一中频变频信号。

前述的脉宽调变控制器12，具有一个以上输出端、一回授控制端及一频率控制信号端，该一个以上输出端是连接至电源转换器10的一个以上的控制端，以控制电源转换器10内一个以上的功率开关11，该频率控制信号端是连接到变频控制器40的输出端。

由变频控制器40的轻载变频信号与回授电路50判断的回授信号，使脉宽调变控制器12输出的第二频率会低于第一频率，也就是降低功率开关11的切换频率与减少切换频率的脉波宽度；又变频控制器40的重载变频信号与回授电路50判断的重载回授信号，使脉宽调变控制器12输出的第二频率会高于第一频率，也就是提高功率开关11的切换频率与增加切换频率的脉波宽度。

关于本发明的第二较佳实施例，请参阅图4所示，与第一较佳实施例大致相同，唯在本实施例中，该电源转换器10是一降压转换器13，以将直流电源输入转换成直流电源输出，该降压转换器13进一步连接有一滤波电路，该滤波电路包含有一并联于负载30二输入端的电容器701与一连接于降压转换器13其中一输出端的电感器702，该电流检知器20的二输入端是分别连接到电感器702的一端与负载30的一输入端。

关于本发明的第三较佳实施例，请参阅图5所示，与第一较佳实施例大致相同，唯在本实施例中，该电源转换器10是一升压转换器14，以将直流电源输入转换成直流电源输出，该电感器702是设置于该升压转换器14的一输入端，又该电流检知器20是位于升压转换器14内并与该电感器702串联，由该电流检知器20检知电感器702的电流，使变频控制器40藉由该电感器702的电流判断负载30为轻载或重载，又于升压转换器14的二输出端进一步连接有一滤波电路，该滤波电路包含有一并联于升压转换器14二输出端的电容器701。

关于本发明的第四较佳实施例，请参阅图6所示，与第一较佳实施例大致相同，唯在本实施例中，该电源转换器10是一全桥式逆变器15，又在电流检知器20与负载30之间进一步连接有一储能滤波电路71，该储能滤波电路71包含有一电感与一电容，该电感串接于电流检知器20与负载30的其中一端之间，该电容是并联于负载30的二端，又该全桥式逆变器15是将直流电源输入转换成交流电源输出。

关于本发明的第五较佳实施例，请参阅图7所示，与第一较佳实施例大致相同，唯在本实施例中，该电源转换器10是一半桥式逆变器16，又在电流检知器20与负载30的其中一端之间，进一步连接有一储能滤波电路71，该储能滤波电路71包含有一电感与一电容，该电感串接于电流检知器20与负载30之间，该电容是并联于负载30的二端，又该半桥式逆变器16是将直流电源输入转换成交流电源输出。

综上所述，变频控制器40由负载电流判断负载30为轻载或重载后，送出轻载或重载的变频信号，并由脉宽调变控制器12改变功率开关11的切换频率，减少切换损失与输出涟波，且适用于不同型式的转换器或逆变器，可提高交换式电源转换装置的转换效率。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，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，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，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的内容，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 (9)

1.一种可提高转换效率的交换式电源转换装置，其特征在于，包含有：

一电源转换器，具有二输入端、二输出端与一个以上的控制端，所述二输入端连接至一直流电源，所述二输出端连接有一负载，又所述二输入端与二输出端之间连接有一个以上的功率开关，并由所述一个以上的控制端控制所述一个以上的功率开关，使其导通或截止；

一电流检知器，具有二输入端与一输出端，所述二输入端是分别连接到电源转换器与负载；

一回授电路，具有三个输入端与一输出端，所述其中二输入端是分别连接到所述电源转换器的其中一输出端及所述电流检知器的输出端，而另一输入端是输入一电压设定值；

一变频控制器，具有一个以上的输入端与一输出端，其中一输入端是连接到所述电流检知器的输出端，其它输入端分别输入一个以上的电流设定值；

一脉宽调变控制器，具有一个以上的输出端、一回授控制端及一频率控制信号端，所述一个以上输出端是分别连接至所述电源转换器的一个以上控制端，所述回授控制端是连接到所述回授电路的输出端，所述频率控制信号端是连接到所述变频控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的可提高转换效率的交换式电源转换装置，其特征在于，所述变频控制器包含有一个以上的比较器与一频率控制器。

3.根据权利要求1或2项所述的可提高转换效率的交换式电源转换装置，其特征在于，所述电源转换器是一降压转换器，以将直流电源输入转换成直流电源输出，所述降压转换器的二输出端进一步连接有一滤波电路，所述滤波电路包含有一电容器与一电感器。

4.根据权利要求1或2所述的可提高转换效率的交换式电源转换装置，其特征在于，所述电源转换器是一升压转换器，以将直流电源输入转换成直流电源输出，所述升压转换器的二输出端进一步连接有一滤波电路，所述滤波电路包含有一电容器。

5.根据权利要求1或2所述的可提高转换效率的交换式电源转换装置，其特征在于，所述电源转换器是一全桥式逆变器，以将直流电源输入转换成交流电源输出，所述全桥式逆变器的二输出端与负载之间进一步连接有一储能滤波电路，所述储能滤波电路包含有一电感器与一电容器。

6.根据权利要求1或2所述的可提高转换效率的交换式电源转换装置，其特征在于，所述电源转换器是一半桥式逆变器，可将直流电源输入转换成交流电源输出，所述半桥式逆变器的二输出端与负载之间进一步连接有一储能滤波电路，所述储能滤波电路包含有一电感器与一电容器。

7.一种可提高转换效率的交换式电源转换方法，其特征在于，主要是使一电源转换器具有一个以上的功率开关，且由脉宽调变控制器控制功率开关的切换频率，并执行以下步骤：

令脉宽调变控制器以一第一频率控制功率开关的切换频率；

取得负载电流；

判断负载的轻重载状态；

根据负载电流与轻重载状态产生一变频信号，并送回脉宽调变控制器；

令脉宽调变控制器根据所述变频信号以降低或提高功率开关的切换频率。

8.根据权利要求7所述的可提高转换效率的交换式电源转换方法，其特征在于，若负载经判断为轻载时，是根据负载电流与轻载状态产生一轻载变频信号，并送回所述脉宽调变控制器，由所述脉宽调变控制器根据所述轻载变频信号以降低功率开关的切换频率。

9.根据权利要求7所述的可提高转换效率的交换式电源转换方法，其特征在于，若负载经判断为重载时，是根据负载电流与重载状态产生一重载变频信号，并送回所述脉宽调变控制器，由所述脉宽调变控制器根据所述重载变频信号以提高功率开关的切换频率。

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