CN103219867B - 能量回收装置 - Google Patents

Abstract

一种能量回收装置，连接位在释放侧或吸收侧的多个转换器间，包括一能量吸收部、一能量释放部、以及一能量交换部，其中，该能量交换部与该能量吸收部及该能量释放部相连接，借此令该能量吸收部及该能量释放部依序进行位能交换以完成能量回收。

Description

能量回收装置

技术领域

本案涉及一种能量回收装置，尤指一种借由开关的切换达到软式切换的能量回收装置。

背景技术

应用于电源电路的切换装置的基本原理，通过将电源能量于电感及电容间进行交换从而产生不同的电压输出，而随着架构的不同，即可产生升压、降压、负压、交流转直流、或直流转交流等电性转换行为。

在切换装置的设计中，由于需符合消费性电子产品体积小、效能高的需求，所以可靠度、体积、及效率一直是最为重要的考量。然而，切换装置于切换过程中无法避免地会产生能量损失，而能量损失即会造成大量的热能，这些热能必须被有效排除，以免对转换器或系统整体的效能、可靠度及使用寿命造成不良影响。但有效的散热设计通常是借由大单位的散热面积予以达成，从而抵触了消费性电子产品的设计趋势。

为了平衡可靠度、体积、及效率这三个设计考量，例如为ZVS(zero voltageswitching)、ZCS(zero current switching)、ZVT(zero voltage transition)、及ZCT(zero current transition)的四种软式切换技术，遂成为业界较普及的解决方案。然而，ZVS及ZCS技术主要是以外加辅助电路与主电路串联的方式予以架构，而ZVT及ZCT技术主要是以外加辅助电路与主电路并联的方式予以架构，因此在主电路较复杂的设计中，辅助电路无法避免地也会具有较多的组件及较高的复杂度，如此不但降低了产品效能、可靠度与使用寿命，也增加了产品体积。

美国第7,916,505号专利案的设计，即为利用辅助电路吸收主电路的切换能量损失。此设计的缺失在于，单一的辅助电路（参照上揭专利案）须建置用以吸收能量损失的被动式钳位电路及用以还原能量损失的降压电路，形成相当复杂的电路架构，一旦在多个主电路的架构设计中，更会因辅助电路的增加，无可避免地提高电路复杂度。

发明内容

鉴于现有技术的种种缺失，本案主要的目的之一在于提供一种以能充分平衡可靠度、体积、及效率的软性切换技术。

为了达到上述目的及其它目的，本案遂提供一种量回收切换装置，连接位在释放侧或吸收侧的多个转换器，包括：一能量吸收部；一能量释放部；以及一能量交换部，其中，该能量交换部与该能量吸收部及该能量释放部相连接，以令该能量吸收部及该能量释放部依序进行位能交换以完成能量回收。

相较于现有技术，由于本案可使能量吸收部及能量释放部依序进行位能交换，所以除了能完成零电压/零电流的切换作业外，也能以组件数较少的低成本架构将切换所损失的能量予以储存，从而增加了系统可靠度及效率，同时延长使用寿命，缩小整体体积。

附图说明

图1A为本案的能量回收装置的功能模块示意图；

图1B为图1A的架构示意图；

图2A为图1B的架构的一变化示意图；

图2B至图2C为依据图2A布设的电路示意图；

图3A为图1B的架构的一变化示意图；

图3B为依据图3A布设的电路示意图；

图4A为图1B的架构的一变化示意图；

图4B至图4C为依据图4A布设的电路示意图；

图5A为依据图2B建置的一具体电路示意图；

图5B为图5A的时序作动图；

图5C为图5A的实际应用示意图；

图6A为图1B的架构的一变化示意图；

图6B至图6D为依据图6A布设的电路示意图；

图7A为图1B的架构的一变化示意图；

图7B至图7C为依据图7A布设的电路示意图；

图8A为图1B的架构的一变化示意图；

图8B至图8D为依据图8A布设的电路示意图；

图9A为图1B的架构的一变化示意图；

图9B至图9C为依据图9A布设的电路示意图；以及

图10为依据图1B布设的电路示意图。

主要组件符号说明

1～n            转换器

C               电容

L               电感

S1、S2、S3、S4  开关。

具体实施方式

以下借由特定的具体实施例说明本案的实施方式，本领域技术人员可借由本说明书所揭示的内容轻易地了解本案的其它优点与功效。而本案也可借由其它不同的具体实施例加以施行或应用。

请先参阅图1A绘示的功能模块图，以初步了解本案提供的能量回收装置的功能模块型态。

由图式可知，本案提供的能量回收装置应用多个转换器1～n间，且转换器1～n可位在释放侧或吸收侧，其中，能量回收装置包括能量吸收部、能量释放部、及能量交换部，且其中，转换器1～n可为异质者或同质者，并分别置于吸收侧或释放侧，举例言之，一侧的多个异质的转换器可视为位于吸收侧（相对低电压），另一侧的多个异质的转换器可视为位于释放侧（相对高电压），借此，能量交换部能令与其相连接的能量吸收部及能量释放部依序进行位能交换以完成能量回收。

为了更清楚说明图1A所示的实施例，请再进一步参照图1B所绘示的架构示意图，其中，图1B为以图1A为基础架设的电路示意图。

如图1B所绘示，前述的能量吸收部、能量释放部、及能量交换部，是由交换电路、电压源组件、及电流源组件予以组成，其中，能量交换部为交换电路，能量吸收部及能量释放部为电流源组件或电压源组件，且其中，交换电路的两端分别与电流源组件及电压源组件相连接，且电流源组件或电压源组件可与释放侧或吸收侧相连接。

在本实施例中，所述的交换电路可由开关、空接或短路予以组成，且所述的开关可为如晶体管、二极管、晶闸管或闸流体的半导体开关，或是如继电器（relay，又称之为“电驿”）的电子/电力开关。而所述的电流源组件，可为单向或双向的电流源组件，例如能释放单向或双向电流的电感。另所述的电压源组件，可为单向的电压源组件，例如能释放单向电流的电容。

以下，将以图1B所绘示的架构为基础进行变化，以阐释本案不同的变化架构，以更具体地进行说明，具体来说，图2A、图3A、图4A、图6A、图7A、图8A、图9A、图10皆为直接依据图1B所绘示的架构进行变化的实施架构。

由图2A绘示的架构可知，此变化架构中，两个交换电路的两端，可分别连接电压源组件及电流源组件，且电压源组件及电流源组件的一端可连接释放侧及吸收侧。

实际配置图2A的电路时，可配置成如图2B所示的型态，而图2B的配置，更可实际布设至如图5A所绘示者，其中，电感L作为电流源组件，且其一端连接输入电源端，另一端连接开关S1、开关S2及吸收侧；开关S1可例示为晶体管及二极管，且两端分别连接至吸收侧及释放侧；开关S2也可例示为晶体管及二极管，且其一端连接吸收侧、开关S1、及电感L，而另一端连接至接地端；而电容C作为电压源组件，且其一端可连接开关S1及释放侧，而另一端连接至接地端。

借此，开关S1、S2能交互执行开关动作，以使电感L及电容C依序进行充电及放电，即进行位能交换，以完成能量回收及对应吸收侧的零电压切换。

在图5A所示的实施例中，释放侧还可具备并联的晶体管（如图中的Sm）及二极管（如图中的Smd），借此，晶体管Sm及二极管Smd可于对应吸收侧的零电压切换完成后进一步进行交互开关，以利用释放侧的漏电流对电容C进行充电，进而完成对应释放侧的零电压切换。而吸收侧也可具备并联的多个晶体管或二极管，图式中以二极管为例。

为了更清楚地了解图5A所示的电路的细部作动方式，请再参阅图5B所绘示的时序作动图。

需先说明者，图5B中的Ig为吸收侧的电流总和，Ih为释放侧的电流总和，Va为电感L、吸收侧、及开关S1的接点电压，Vc为开关S1、释放侧、及电感C的接点电压，而IL为电感L上的电流。

在时序P1中，开关S1导通（S1=on），令Va＝Vc，电容C透过开关S1对电感L放电，而待电感L上的电流IL大于Ig后，开关S1不导通（S1=off），以进至时序P2。而在时序P2中，电感L上的电流IL会吸收Ig，令Va逐步降至0V而进至时序P3。

在时序P3中，由于电感L上的电流IL不能瞬间为零，所以会把Ig全部吸收，以于吸收完后令开关S2的二极管对输入电源端放电，进而将Va降为零，换言之，在时序P3中，可让所有透过二极管连接到吸收侧的主转换器完成低电压的零电压转换，而时序P1～P3让本案的能量回收装置制造出一个零电压的切换环境，进而让与之并联的主转换器完成零电压切换。

在时序P4中，开关S2导通（即S2=on），以让输入电源端对电感L充电，随后进至时序P5。在时序P5中，开关S2为不导通（即S2=off），开关S1的二极管为导通，令电感L上的电流IL对电容C充电。至此，时序P1～P5完成了连接至吸收侧的所有转换器的零电压切换。

而在时序P6中，二极管Smd为导通（即Smd＝on），令释放侧的漏电流对电容C充电。而在时序P7中，晶体管Sm为导通（即Sm＝on），令电容C将所有主电路的开关切换处充电至高电压，以达成高电压的零电压切换。

由此时序作动可知，本案可借由多个开关间的交互切换作动，依序令作为电流源组件的电感L及作为电压源组件的电容C对彼此进行充放电，所以能顺利地以组件数较少的低成本架构设计完成位能交换，以达成零电压/零电流的切换作业及进行能量回收。

另外，图5A的电路架构也可实际应用于boost转换器（boost converter）及返驰式转换器(flyback Converter)间，如图5C所示。而由图5C可知，借由变压器（XT）的寄生电感，开关S2更可合并返驰式转换器的主开关。

当然于图2A所绘示的架构下，也可将电路布设成如图2C所示，而图2C的架构与图2B的架构的差别，即在于将作为电压源组件的电容C，选择性地与作为电流源组件的电感L并联。

此外，为了更加了解图1B所示的其它种变化架构，请再进一步参照图3A、图4A、图6A、图7A、图8A、图9A、图10所绘示的架构示意图，而图3A、图4A、图6A、图7A、图8A、图9A、图10的架构皆为依据图1B的架构进行而进行变化者。

更具体来说，如图式排列顺序，图3B的电路为依据图3A的架构所进一步布设者，图4B至图4C的电路为依据图4A的架构所进一步布设者，图6B至图6D的电路为依据图6A的架构所进一步布设者，图7B至图7C的电路为依据图7A的架构所进一步布设者，图8B至图8D的电路为依据图8A的架构所进一步布设者，图9B至图9C的电路为依据图9A的架构所进一步布设者，而图10的电路，则为直接依据图1B的架构所进一步布设者。

于图3A的架构中，两个交换电路分别与释放侧及吸收侧相连接，但两个交换电路的两端，皆分别与电压源组件及电流源组件相连接。实际进行布设时，可再布设成如图3B所绘示者，即将开关S1连接至输入电源端，将开关S2连接至接地端，将作为电流源组件的电感L连接至吸收侧及释放侧，并将作为电压源组件的电容C的一端连接至电感L与释放侧，且将作为电压源组件的电容C的另一端连接至接地端，其中，电感L能释放单向电流。

此外，在图4A的架构中，两个交换电路中的一个的两端，连接至吸收侧及释放侧，电流源组件的一端（输出端）与释放侧连接，电压源组件的一端（输入端）与吸收侧连接，而两个交换电路中的另一个的两端，则分别与电流源组件及电压源组件的另一端连接。

实际进行布设时，图4A的架构可再布设成如图4B或如图4C所绘示的电路，其中，于图4B的电路中，开关S1的两端与释放侧及吸收侧连接，电容Ｃ的一端连接开关S1及吸收侧，电容Ｃ的另一端连接接地端，电感Ｌ的一端（输出端）连接开关S1、开关S2及释放侧，电感Ｌ的另一端连接接地端，而开关S2的一端连接开关S1、电感Ｌ、及释放侧，且开关S2的另一端连接至输入电源端。而图4C的架构与图4B的架构间的差异，仅在于将电容C由连接至接地端调整至连接至输入电源端。

其次，于图6A的架构中，两个交换电路中的一个的一端，连接至吸收侧或释放侧；电压源组件的两端分别与两个交换电路的一端连接，能释放双向电流的电流源组件的两端则与两个交换电路的另一端连接。实际进行布设时，图6A的架构可再布设成如图6B、图6C或图6D所绘示的电路型态。

于图6B的电路中，开关S1的两端分别与开关S2及电容C的一端连接，电容Ｃ及开关S2的另一端连接接地端，电感Ｌ的一端连接吸收侧、开关S1、开关S2、及释放侧，电感Ｌ的另一端连接输入电源端。

而图6C的架构与图6B的架构间的差异，仅在于将电容C及开关S1调整至与电感Ｌ并联。图6D的架构与图6B的架构间的差异，仅在于置换电感Ｌ及开关S1的设置位置。

另外，图7A的架构与图6A的架构相当近似，其差异主要在于置换吸收侧或释放侧的设置位置，也就是将吸收侧或释放侧调整至电压源组件的输入端侧。

实际进行布设时，图7A可再布设成如图7B所示，其中，开关S1的一端连接输入电源端，开关S1的另一端连接释放侧及吸收侧，电感L的一端连接释放侧、吸收侧及开关S1，电感L的另一端连接接地端，而开关S2及电容C为串联，且开关S2未连接至电容C的一端与电感L、开关S1、吸收侧及释放侧连接，电容C未连接至开关S2的一端连接至接地端。

而图7C与图7B的差异，即在于调整串联的开关S2及电容C的设置位置，也就是将开关S2及电容C调整至与开关S1并联。

又于图8A的架构中，两个交换电路的两端分别连接至电压源组件及单向的电流源组件，且两个交换电路中的一个，与电压源组件及电流源组件的输出端连接，而两个交换电路中的另一个，与电压源组件及电流源组件的输入端连接。

实际进行布设时，图8A进一步可布设成如图8B、图8C、图8D。如图8B所示，开关S1、S2串联并连接于输入电源端及接地端之间，电感L的输入端连接开关S1及开关S2，电感L的输出端连接电容C的输出端、开关S3及释放侧，开关S3的另一端连接接地端，而开关S4连接于电容C的输入端及接地端之间。

而图8C、图8D的架构，与图8B的架构间的差异，在于调整电感L、开关S1、及开关S2的设置位置。

于图9A的架构中，两个交换电路与双向的电流源组件连接的一端，分别连接至吸收侧或释放侧，而两个交换电路的另一端，则分别与电压源组件的输出端及输入端连接。

实际进行布设时，图9A的架构可布设成如图9B、图9C的电路。于图9B的电路中，开关S1、开关S4于输入电源端及接地端之间串联，电容C、开关S2串联并连接接地端及电感L，开关S3连接接地端及电感L，而电感L的两端还连接释放侧或吸收侧，借此形成不会因释放侧或吸收侧的位置而受到限制的H-Bridge设计。

相较于图9B的架构，图9C同样为不会因释放侧或吸收侧的位置而受到限制的H-Bridge设计，其差别主要在于调整电容C的设置位置，以将电容C未与开关S2连接的一端同时连接至输入电源端及开关S1。

当然，图1B的架构也可直接布设成如图10所示的电路，于图10中，电容C的一端连接吸收侧及开关S1，电容C的另一端连接开关S2及释放侧，电感L的一端连接开关S1、开关S4，电感L的另一端连接开关S2、开关S3，且双向的电感L的两端，能选择性地分别连接吸收侧或释放侧，而开关S3连接电感L及输入电源端，开关S4连接电感L及接地端。

需说明的是，图3A至图3B的架构，图4A至图4C的架构，图6A至图6C的架构，图7A至图7C的架构，图8A至图8D的架构，图9A至图9C的架构，以及图10的架构，皆可参照前述图5B、图5C的时序作动及应用配置，设计成类似的零电压/零电流切换流程以达到位能交换，同样地，所述的吸收侧及释放侧，也可为相对的低电压侧及高电压侧，而开关同样可选择性地借由晶体管或二极管予以构成。

相较于现有技术，由于本案可借由开关的交互运作使电流源组件及电压源组件依序对彼此进行充电及放电，也就是进行位能交换，所以，除了能完成零电压/零电流的切换作业外，也能以组件数较少的低成本架构将切换所损失的能量及转换器的能量一并整合及运用，从而增加了系统可靠度及效率，延长使用寿命，缩小整体体积，更达成能量回收。

上述实施例仅例示性说明本案的原理及其功效，而非用于限制本案。本领域技术人员均可在不违背本案的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本案的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种能量回收装置，其连接多个转换器，包括：

一能量吸收部，为电流源组件或电压源组件的其中一个；

一能量释放部，为该电流源组件或电压源组件的另一个；以及

一能量交换部，其为交换电路且与该能量吸收部及该能量释放部相连接，

其中，该交换电路的两端分别与该电流源组件及电压源组件相连接，该电流源组件或电压源组件与该些转换器的释放侧或吸收侧相连接，该能量交换部令该能量吸收部及该能量释放部依序进行位能交换以完成能量回收。

2.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，该交换电路由开关、空接或短路予以组成。

3.根据权利要求2所述的能量回收装置，其特征在于，该开关为晶体管、二极管、晶闸管、闸流体或继电器。

4.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，该电流源组件为单向或双向的电流源组件。

5.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，该电流源组件为电感。

6.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，该电压源组件为单向的电压源组件。

7.根据权利要求1所述的能量回收装置，其特征在于，该电压源组件为电容。