CN103795039B - 电源转换器及其电容保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种电源转换器。电源转换器包含电容及电容保护装置。电容保护装置包含开关单元及侦测单元。开关单元耦接于电容的一端与接地端之间。侦测单元分别耦接至电容的另一端及开关单元，用以侦测电容的另一端的输入电压并判断输入电压是否大于临界电压值。若侦测单元的判断结果为是，侦测单元输出控制讯号至开关单元，以关闭开关单元，以使电容所承受的压降小于输入电压。

Description

电源转换器及其电容保护装置

技术领域

本发明与高压电容的保护有关，特别是关于一种电源转换器及其电容保护装置。

背景技术

一般而言，电源转换器(power board)应用于液晶显示装置的交/直流电源转换，用以将交流市电转换成多组直流电压并提供液晶电视的机芯板、喇叭及背光所需的电源。由于电源转换器中的高压电容(bulk capacitor)具有低燃点的挥发性电解液，一旦输入电压超过高压电容的耐压时，具有低燃点的挥发性电解液很可能会产生爆裂现象而导致燃烧的危险。

为了解决上述问题，传统上的作法有下列三种：

(1)采用具有更高耐压规格的高压电容：此作法虽有助于改善上述爆裂的现象，但亦导致元件成本的大幅提高。

(2)串联两颗高压电容：此作法虽能使耐压倍增，但从理论推算出需并联四颗高压电容方能不影响正常功能操作，这将额外增加庞大的元件体积，导致设置空间亦需额外加大。

(3)采用具有突波吸收器(varistor)的保护电路：此作法于高压电容旁加装一颗突波吸收器，由于突波吸收器具备齐纳(Zenar)二极管的特性，一旦输入电压过高时，突波吸收器会将电压箝制于安全范围内，并将所有超出箝制电压的能量以电流形式流经突波吸收器而导至接地回路。

然而，由于突波吸收器启动时需承受相当高的能量，并且由公式△W=△V*△I*△t可知：此能量△W正比于突波电流△I的作用时间△t，假设突波电流△I的作用时间△t相当短(1～10微秒)，突波吸收器尚能轻易吸收，一旦作用时间△t较长时，突波吸收器很可能由于无法承受过高能量△W而损毁造成短路，同时也连带造成其他相关的回路元件损毁，例如桥式整流器损毁而短路或保险丝损毁而开路。虽然此作法能够免除高压电容爆裂的危险性，却也导致电源转换器的元件损毁，需要将机台送修，同样造成使用者极大的不便。

发明内容

因此，本发明提出一种电源转换器及其电容保护装置，以解决现有技术所遭遇到的上述问题。

本发明提供了一种电容保护装置，应用于包含有电容的电源转换器，该电容保护装置包含开关单元及侦测单元。开关单元耦接于电容的一端与接地端之间。侦测单元分别耦接至电容的另一端及开关单元，用以侦测电容的另一端的输入电压并判断输入电压是否大于临界电压值。其中，若侦测单元的判断结果为是，侦测单元输出控制讯号至开关单元，以关闭（turn off）开关单元，以使电容所承受的压降小于输入电压。

较佳的，在所述的电容保护装置中，电容所承受的压降为输入电压乘以比值，该比值由电容与开关单元关闭时的阻抗决定。

较佳的，在所述的电容保护装置中，电容保护装置还包含分压单元。分压单元耦接电容及开关单元，用以提供分压比例。电容所承受的压降为输入电压乘以该分压比例。

较佳的，在所述的电容保护装置中，分压单元包含第一分压电阻及第二分压电阻。第一分压电阻耦接至电源单元与变压器之间，第二分压电阻耦接于第一分压电阻与接地端之间。其中，电容与该开关单元之间的第一接点耦接第一分压电阻与第二分压电阻之间的第二接点，第一分压电阻的第一阻值与第二分压电阻的第二阻值的比值小于1，且第一阻值与第二阻值均小于电容及开关单元的阻值，以使电容所承受的第一电压与开关单元所承受的第二电压的比值小于1。

较佳的，在所述的电容保护装置中，若侦测单元的判断结果为否，维持开关单元于开启(turn on)状态。

较佳的，在所述的电容保护装置中，侦测单元包含两高阻抗电阻及比较器，两高阻抗电阻串接于电容的另一端与接地端之间，比较器的两输入端分别耦接至两高阻抗电阻之间以及参考电压值，比较器的输出端耦接至开关单元。

较佳的，在所述的电容保护装置中，若开关单元所承受的第二电压大于开关单元的最大耐压，开关单元毁损而形成短路，电源转换器仍能维持正常运作。

本发明还提供了一种电源转换器，该电源转换器包含电容以及电容保护装置。电容保护装置包含开关单元及侦测单元。开关单元耦接于电容的一端与接地端之间。侦测单元分别耦接至电容的另一端及开关单元，用以侦测电容的另一端的输入电压并判断输入电压是否大于临界电压值。若侦测单元的判断结果为是，侦测单元输出控制讯号至开关单元，以关闭(turn off)开关单元，以使电容所承受的压降小于输入电压。

较佳的，在所述的电源转换器中，该电容所承受的该压降为该输入电压乘以比值，该比值由该电容与该开关单元关闭时的阻抗决定。

较佳的，在所述的电源转换器中，该电容保护装置还包含分压单元，分压单元耦接该电容及该开关单元，用以提供分压比例，该电容所承受的该压降为该输入电压乘以该分压比例。

较佳的，在所述的电源转换器中，该分压单元包含第一分压电阻以及第二分压电阻，第一分压电阻耦接至电源单元与变压器之间；第二分压电阻耦接于该第一分压电阻与接地端之间；其中，该电容与该开关单元之间的第一接点耦接该第一分压电阻与该第二分压电阻之间的第二接点，该第一分压电阻的第一阻值与该第二分压电阻的第二阻值的比值小于1，且该第一阻值与该第二阻值均小于该电容及该开关单元的阻值，以使该电容所承受的第一电压与该开关单元所承受的第二电压的比值小于1。

较佳的，在所述的电源转换器中，若该侦测单元的判断结果为否，维持该开关单元于开启状态。

较佳的，在所述的电源转换器中，该侦测单元包含两高阻抗电阻及比较器，该两高阻抗电阻串接于该电容的该另一端与接地端之间，该比较器的两输入端分别耦接至该两高阻抗电阻之间以及参考电压值，该比较器的输出端耦接至该开关单元。

较佳的，在所述的电源转换器中，若该开关单元所承受的该第二电压大于该开关单元的最大耐压，该开关单元毁损而形成短路，该电源转换器仍能维持正常运作。

相较于现有技术，根据本发明的电源转换器及其电容保护装置不仅能够有效避免当输入电压过高时的高压电容发生爆裂的危险性，亦不会造成电源转换器的元件损毁，以减少消费者需要将机台送修的频率，故能大幅提升消费者在实际使用时的安全性与满意度。

附图说明

图1为本发明一实施例的电源转换器的功能方块图；

图2为图1中电源转换器的一实施例的电路架构示意图；

图3为图1中电源转换器的另一实施例的电路架构示意图。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

根据本发明的一较佳具体实施例为一种电源转换器(power board)。于实际应用中，电源转换器应用于液晶显示装置的交/直流电源转换，用以将交流市电转换成多组直流电压并提供液晶显示装置的驱动器、喇叭及背光模组等单元所需的电力，但不以此为限。请参照图1，图1为本发明一实施例的电源转换器的功能方块图。

如图1所示，电源转换器1包含电源单元10、变压器12、高压电容14及电容保护装置CP。电容保护装置CP包含侦测单元16及开关单元18。电源单元10耦接变压器12；高压电容14的第一端耦接至电源单元10与变压器12之间，第二端则耦接至电容保护装置CP的开关单元18；侦测单元16分别耦接至高压电容14的第一端及开关单元18；开关单元18耦接于高压电容14与接地端之间。

于此实施例中，电源单元10用以提供输入电压Vin。侦测单元16用以侦测高压电容14的第一端的输入电压Vin，并判断输入电压Vin是否大于临界电压值。于实际应用中，此临界电压值的大小可视彼此串接的高压电容14及开关单元18的耐压大小而定。

举例而言，假设高压电容14的耐压为450伏特且开关单元18为具有600伏特耐压的金氧半场效晶体管（金属氧化物半导体场效应管；Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，缩写：MOSFET），则两者串接后可达到超过1000伏特的耐压大小，因此，使用者可根据实际需求选择将临界电压值设为1000伏特或较低的600伏特、450伏特，但不以此为限。

若侦测单元16的判断结果为否，代表高压电容14的第一端的输入电压Vin并未超过临界电压值，代表此时高压电容14所承受的压降仍属于正常范围内，应无爆裂的危险性，所以开关单元18仍继续维持在开启(turn-on)状态，原本流经高压电容14的电流I仍能持续流经高压电容14及开关单元18而流向接地端。

若侦测单元16的判断结果为是，代表高压电容14的第一端的输入电压Vin已超过临界电压值，因此，为了避免过大的电流I流经高压电容14而导致高压电容14发生爆裂的情况，侦测单元16将会输出控制讯号至开关单元18，以控制开关单元18由原本的开启(turn-on)状态改变为关闭(turn-off)状态。

此时，高压电容14所承受的压降为输入电压Vin乘以比值，并且该比值由高压电容14与开关单元18关闭时的阻抗决定。假设高压电容14于静态时的等效阻抗约为500千欧姆(KΩ)，开关单元(金氧半场效晶体管)18于静态时的等效阻抗约为1500千欧姆(KΩ)，则两者的阻抗比约为1：3。根据分压原理可知：高压电容14所承受的压降与开关单元(金氧半场效晶体管)18所承受的压降之间的压降比亦约为1：3，以使高压电容14所承受的压降远小于输入电压Vin，约仅为输入电压Vin的四分之一。

举例而言，若以600伏特的输入电压Vin为例，由上述分压结果可知：高压电容14所承受的压降约为150伏特，而开关单元(金氧半场效晶体管)18所承受的压降约为450伏特。由于高压电容14所承受的压降远小于600伏特的输入电压Vin，亦小于高压电容14本身具有的450伏特的耐压，可完全避免由于过大的电流I流经高压电容14而导致高压电容14爆裂的情况发生。

接着，请参照图2，图2为图1中电源转换器1的一实施例的电路架构示意图。如图2所示，电源单元10包含交流电源AC及桥式整流器BD。桥式整流器BD分别耦接交流电源AC、变压器12及接地端。桥式整流器BD用以将交流电源AC所提供的交流输入电压转换为直流输入电压Vin并输出输入电压Vin。

变压器12包含磁芯(core)120、至少一初级线圈(primary winding)121及至少一次级线圈(secondary winding)122。至少一初级线圈121及该至少一次级线圈122分别设置于磁芯120的两侧，至少一初级线圈121耦接电源单元10及高压电容14。变压器12用以将初级线圈121的输入电压Vin转换为输出电压后由次级线圈122输出，以提供液晶显示装置的驱动器、喇叭及背光模组等单元所需的电力。

于此实施例中，开关单元18可采用高压的金氧半场效晶体管。若侦测单元16的判断结果为是，侦测单元16将会输出控制讯号至开关单元18的栅极以将开关单元18关闭。

接着，请参照图3，图3为图1中电源转换器1的另一实施例的电路架构示意图。如图3所示，电源单元10包含交流电源AC及桥式整流器BD。桥式整流器BD分别耦接交流电源AC、变压器12及接地端。

桥式整流器BD用以将交流电源AC所提供的交流输入电压转换为直流输入电压Vin并输出输入电压Vin。变压器12包含磁芯120、至少一初级线圈121及至少一次级线圈122。至少一初级线圈121及至少一次级线圈122分别设置于磁芯120的两侧，至少一初级线圈121耦接电源单元10及高压电容14。

侦测单元16包含高阻抗电阻R3～R6、比较器COM及齐纳二极管ZD。电阻R5及R6串接于高压电容14的第一端与接地端之间；比较器COM的第一输入端＋耦接至参考电压值Vref，且比较器COM第二输入端－耦接至电阻R5及R6之间；比较器COM的输出端K耦接至开关单元18的栅极；电阻R3及R4串接于第一接点P1与接地端之间；电阻R3及R4之间的第三接点P3耦接于比较器COM的输出端K与开关单元18的栅极之间；齐纳二极管ZD的一端耦接至比较器COM的输出端K与第三接点P3之间，其另一端耦接至接地端。实际上，参考电压值Vref可以是2.5伏特，但不以此为限。

于此实施例中，电源转换器1还可包含分压单元(图未示出)。分压单元耦接高压电容14及开关单元18，用以提供分压比例，高压电容14所承受的压降即为输入电压Vin乘以分压比例。如图3所示，分压单元可由彼此串接的第一分压电阻R1及第二分压电阻R2所构成，但不以此为限。第一分压电阻R1耦接至电源单元10与变压器12之间，第二分压电阻R2耦接于第一分压电阻R1与接地端之间。高压电容14与开关单元18之间的第一接点P1耦接第一分压电阻R1与第二分压电阻R2之间的第二接点P2。

也就是说，彼此串接的第一分压电阻R1与第二分压电阻R2以及彼此串接的高压电容14与开关单元18并联于输入电压Vin与接地端之间，并且由于第一接点P1耦接第二接点P2，所以第一接点P1与第二接点P2的电位会相等。因此，高压电容14与第一分压电阻R1所承受的压降会相等且开关单元18与第二分压电阻R2所承受的压降亦会相等。

需说明的是，在电源转换器1中设置彼此串接的第一分压电阻R1与第二分压电阻R2的主要目的是：协助调整彼此串接的高压电容14与开关单元18于静态时所承受的压降比，以使得欲保护的高压电容14能于静态时承受较低的压降，以有效避免由于过大的电流I流经高压电容14而导致高压电容14爆裂的情况发生。

因此，为了达到上述目的，使用者需选用第一分压电阻R1的第一阻值与第二分压电阻R2的第二阻值的比值小于1，也就是第二分压电阻R2的阻值大于第一分压电阻R1的阻值，才能使得高压电容14所承受的第一电压小于开关单元18所承受的第二电压。

此外，使用者所选用的第一分压电阻R1的第一阻值与第二分压电阻R2的第二阻值均需小于高压电容14及开关单元18的阻抗，才能使得第一分压电阻R1与第二分压电阻R2之间的压降比得以控制高压电容14所承受的第一电压与开关单元18所承受的第二电压之间的压降比。

举例而言，假设图3中的高压电容14于静态时的等效阻抗为1百万欧姆(MΩ)，开关单元(金氧半场效晶体管)18于静态时的等效阻抗为2百万欧姆(MΩ)，则两者的阻抗比为1：2，所以高压电容14所承受的压降与开关单元(金氧半场效晶体管)18所承受的压降之间的压降比亦为1：2。

若使用者欲将高压电容14所承受的压降与开关单元(金氧半场效晶体管)18所承受的压降之间的压降比调整为2：3，则使用者可选用具有400千欧姆(KΩ)的第一阻值的第一分压电阻R1及具有600千欧姆(KΩ)的第二阻值的第二分压电阻R2，由于第一分压电阻R1与第二分压电阻R2的阻值比为2：3且第一分压电阻R1与第二分压电阻R2的阻值都小于高压电容14与开关单元(金氧半场效晶体管)18的阻值，所以第一分压电阻R1与第二分压电阻R2所承受的压降比亦会是2：3，并且高压电容14与开关单元(金氧半场效晶体管)18所承受的压降比将会受到第一分压电阻R1与第二分压电阻R2所承受的压降比的影响而变为2：3。

由上述方法，使用者可通过改变第一分压电阻R1与第二分压电阻R2的阻值比来自由调整高压电容14与开关单元(金氧半场效晶体管)18所承受的压降比，故能增加使用上的弹性，并可视实际需求选用成本较低的高压电容14或开关单元(金氧半场效晶体管)18，以提升产品的成本优势。

此外，即使为了降低高压电容14所承受的第一电压而使得开关单元(金氧半场效晶体管)18所承受的第二电压大于其本身所能承受的最大耐压，导致开关单元18毁损而形成短路，电源转换器1仍能维持正常运作而不需送修。需说明的是，此种牺牲开关单元18来保护高压电容14的动作仅能实现一次，一旦开关单元18毁损，虽然不影响电源转换器1的正常运作，但已毁损的开关单元18也失去了保护高压电容14的功能。

根据本发明的另一较佳具体实施例为一种电容保护装置。于此实施例中，电容保护装置应用于包含有高压电容的电源转换器。电容保护装置包含开关单元及侦测单元。开关单元耦接于高压电容的第二端与接地端之间。侦测单元分别耦接至高压电容的第一端及开关单元，用以侦测高压电容的第一端的输入电压并判断输入电压是否大于临界电压值。若侦测单元的判断结果为是，侦测单元输出控制讯号至开关单元，以关闭(turn off)开关单元，以使高压电容所承受的压降会小于输入电压。至于此实施例的电容保护装置的详细运作情形请参照图1至图3以及前述相关说明，于此不另行赘述。

相较于现有技术，根据本发明的电源转换器及其电容保护装置不仅能够有效避免当输入电压过高时高压电容发生爆裂的危险性，亦不会造成电源转换器的元件损毁，以减少消费者需要将机台送修的频率，故能大幅提升消费者在实际使用时的安全性与满意度。

由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (6)

1.一种电容保护装置，应用于包含有电容的电源转换器，其特征在于，该电容保护装置包含：

开关单元，耦接于该电容的一端与接地端之间；以及

侦测单元，分别耦接至该电容的另一端及该开关单元，用以侦测该电容的该另一端的输入电压并判断该输入电压是否大于临界电压值；

其中，若该侦测单元的判断结果为是，该侦测单元输出控制讯号至该开关单元，以关闭该开关单元，以使该电容所承受的压降小于该输入电压；

该电容保护装置还包含：

分压单元，耦接该电容及该开关单元，用以提供分压比例，该电容所承受的该压降为该输入电压乘以该分压比例；

该分压单元包含：

第一分压电阻，耦接至电源单元与变压器之间；以及

第二分压电阻，耦接于该第一分压电阻与接地端之间；

其中，该电容与该开关单元之间的第一接点耦接该第一分压电阻与该第二分压电阻之间的第二接点，该第一分压电阻的第一阻值与该第二分压电阻的第二阻值的比值小于1，且该第一阻值与该第二阻值均小于该电容及该开关单元的阻值，以使该电容所承受的第一电压与该开关单元所承受的第二电压的比值小于1。

2.如权利要求1所述的电容保护装置，其特征在于，该电容所承受的该压降为该输入电压乘以该分压比例，该分压比例由该电容与该开关单元关闭时的阻抗决定。

3.如权利要求1所述的电容保护装置，其特征在于，若该侦测单元的判断结果为否，维持该开关单元于开启状态。

4.如权利要求1所述的电容保护装置，其特征在于，该侦测单元包含两高阻抗电阻及比较器，该两高阻抗电阻串接于该电容的该另一端与接地端之间，该比较器的一个输入端耦接至该两高阻抗电阻之间的连接点，该比较器的另一个输入端耦接至参考电压值，该比较器的输出端耦接至该开关单元。

5.如权利要求1所述的电容保护装置，其特征在于，若该开关单元所承受的该第二电压大于该开关单元的最大耐压，该开关单元毁损而形成短路，该电源转换器仍能维持正常运作。

6.一种电源转换器，其特征在于，其包含电容以及电容保护装置，其中，该电容保护装置为上述权利要求1至5任一所述电容保护装置。