CN107733265A - 具一二次同步追踪功能的能量转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具一二次同步追踪功能的能量转换器，其可包含能量撷取模块、变压模块及整流模块。能量撷取模块可包含一扼流器及一对功率开关，扼流器可储存交流电源输入的能量，该多个功率开关可切换以撷取交流电源输入的能量以储备一次侧输入能量。变压模块可将一次侧输入能量耦合至变压模块的二次侧以产生转换能量。整流模块可将转换电压信号整流为直流输出能量，并可输出直流输出能量至负载。其中，该功率开关可根据交流电源输入的能量的波形及负载的需求切换以使一次侧输入能量的大小能追踪直流输出能量的大小以达到同步，使能量转换器可达到真实功因。

Description

具一二次同步追踪功能的能量转换器
技术领域
本发明有关于一种转换器，特别是一种能量转换器，其具一二次同步传输与追踪功能。
背景技术
如图1A、图1B、图1C及图1D所示，分别为现有的返驰式(Flyback)转换器的电路拓扑、电压波形图及电路图。如图1A所示，目前，大部分AC/DC电源转换器的架构主要是以返驰式转换器为主，虽然如此，现有的返驰式转换器却存在着不少令人垢病的缺点有待改进。
图1A的电路中点Ta的电压波形如图1B所示，其中线段Am为示波器所测量得到的电压波形，曲线Ar为点Ta实际的电压波形。如图1B所示，当时间处于图中虚线的部分时，直流输入能量较低(仅靠电容来补偿，故为虚功)，因此若负载L此时要求较高的功率，功率开关S1则需要根据负载L的要求快速的切换以提升电流，藉此满足负载L要求的功率，而产生电源电压/电流配比不当因素。
图1A的电路中点Tb的电压波形如图1C所示，由图中虚线的区域可以看出，当直流输入能量的电压较低，若负载L此时要求较高的功率，功率开关S1则需要根据负载L的要求快速的切换以提升电流，因此产生较密的波形，如此会使虚功的成分大幅提高，且使总谐波失真上升、功率因子下降，并产生严重的电磁干扰。
如图1D所示，现有的返驰式转换器1利用滤波器F1、F2将交流电源AC输入的能量进行滤波，再通过桥式整流器BD将滤波后的交流电源AC输入的能量进行整流而产生直流输入能量，再通过变压器T及功率开关S1将直流输入能量由一次侧耦合至二次侧产生直流输出能量，最后直流输出能量通过二极管D输入至负载L。
由上述可知，现有的返驰式转换器1包含桥式整流器BD、变压器T及功率开关S1等等元件，而这些元件会产生元件损耗(Component loss)、传导损耗(Conduction loss)、切换损耗(Switching loss)、谐波失真(THDI)及电磁干扰(EMI)，而为了要降低这些效应，现有的返驰式转换器1需要设置滤波器F1、F2以改善电磁干扰及传导损耗，但滤波器F1、F2体积较大，因此也会产生严重的空间损耗，且上述元件均会增加返驰式转换器1的成本。此外，现有的返驰式转换器1的一次侧需要设置输入电容C1～C3及热敏电阻PTC，而二次侧也需要设置整流二极管D及输出电容C4～C6，更降低效率；然而，这些元件不但会影响返驰式转换器1的使用寿命，也会进一步增加返驰式转换器1的成本。各元件的缺点如表1所示：
表1
如图1E及图1F所示，分别为现有的顺向式转换器(Forward converter)的电路拓扑及电路图。如图1E所示，顺向式转换器2为另一种常用的AC/DC电源转换器架构。
如图1F所示，现有的顺向式转换器2利用滤波器F1、F2将交流源AC输入的能量进行滤波，再通过利用桥式整流器BD将滤波后的交流源AC输入的能量进行整流而产生直流输入能量，再通过变压器T及功率开关S1将直流输入能量由一次侧耦合至二次侧产生直流输出能量，最后直流输出能量通过整流二极管D及扼流器CH输入至负载L。
同样的，现有的顺向式转换器2也包含输入电容C1～C3、滤波器F1、F2、桥式整流器BD、变压器T、功率开关S1、整流二极管D及输出电容C4～C6等等元件，因此也会有相同的缺点，各元件的缺点如表2所示：
表2
如图1G～图1I所示，其分别为各种现有的返驰式转换器1的各项计算数据，而LLC的计算方式也相似，故不在此重复说明。
如图1G所示，其中，此电路的直流转换比(DC transfer)为最大切换电压(Max switch voltage)为Vin+Vout×(Np/Ns)；最大滤波电压(Max rectifiervoltage)为Vout+(Vin×Np/Nsec)；而切换利用率(Switch utilization ratio)为D/2×(1+Vout/Vin×Np/Nsec)。
如图1H所示，其中，此电路的直流转换比为最大切换电压为Vin；最大滤波电压为Vout+(Vin×Ns/Np)；而切换利用率为D/4。
如图1I所示，其中，此电路的直流转换比为最大切换电压为Vin；最大滤波电压为Vout+(Vin×Ns/Np)；而切换利用率为D/4。
如图1J～图1L所示，其分别为各种现有的顺向式转换器2的各项计算数据。
如图1J所示，其中，此电路的直流转换比为Ns/Np×D；最大切换电压为2×Vin；最大滤波电压为Vin×Ns/Np；而切换利用率为Vout/2Vin×(Ns/Np)。
如图1K所示，其中，此电路的直流转换比为Ns/Np×D；最大切换电压为Vin；最大滤波电压为Vin×Ns/Np；而切换利用率为Vout/2Vin×(Ns/Np)。
如图1L所示，其中，此电路的直流转换比为2Ns/Np×D；最大切换电压为Vin；最大滤波电压为2Vin×Ns/Np；而切换利用率为Vout/2Vin×(Ns/Np)。
因此，如何提出一种转换器，能够有效改善现有的转换器具有严重的元件损耗、传导损耗、切换损耗、空间损耗、谐波失真、电磁干扰及高成本的情况已成为一个刻不容缓的问题。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明的其中一目的就是在提供一种转换器，以解决现有的转换器具有严重的元件损耗、传导损耗、切换损耗、空间损耗、谐波失真、电磁干扰及高成本的问题。
根据本发明的其中一目的，提出一种具一二次同步追踪功能的能量转换器，其可直接撷取交流电源输入的能量，能量转换器可包含能量撷取模块、变压模块及整流模块。能量撷取模块可包含第一扼流器及一对功率开关，第一扼流器可储存交流电源输入的能量，而该些功率开关可切换以撷取交流电源输入的能量以储备一次侧输入能量。变压模块可将一次侧输入能量耦合至变压模块的二次侧以产生转换能量。整流模块可将转换能量整流为直流输出能量，并可输出直流输出能量至负载。该些功率开关可根据交流电源输入的能量的波形及负载的需求切换以使一次侧输入能量的波形能追踪直流输出能量的波形以达到同步。
根据本发明的其中一目的，再提出一种具一二次同步追踪功能的能量转换器，其可直接撷取交流电源输入的能量，能量转换器可包含能量撷取模块、变压模块及整流模块。能量撷取模块可包含至少四对功率开关，该些功率开关可切换以撷取交流电源输入的能量。变压模块可接收交流电源输入的能量以储备一次侧输入能量，并可将一次侧输入能量耦合至变压模块的二次侧以产生转换能量。整流模块可将转换能量整流为直流输出能量，并可输出直流输出能量至负载。其中，该些功率开关可根据交流电源输入的能量的波形及负载的需求切换以使一次侧输入能量的波形能追踪直流输出能量的波形以达到同步。
承上所述，本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器具有一或多个下述优点：
(1)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可不需要使用热敏电阻(PTCThermistor)、滤波器、桥式整流器及输入电容等元件，故可延长使用寿命，且降低能量转换器元件损耗、传导损耗、切换损耗、谐波失真、空间损耗及成本，更可提升其功率因子进而提高总效率。
(2)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可通过追踪交流电压信号的大小同步地快速切换该些功率开关来撷取交流电压信号的能量以获得对应交流电压信号的大小的电流，且能量转换器的二次侧更可根据电流回授信号及电压回授信号决定输出至负载的电压，故可有效地降低谐波失真，并提升功率因子。
(3)本发明的一实施例中，能量转换器可提供同步追踪功能，使由变压器的一次侧输入的一次侧输入能量的波形与由变压器二次侧输出的直流或脉动直流输出能量的波形同步，故可大幅地提升功率因子。
(4)本发明的一实施例中，能量转换器的二次侧可选择性地使用输出电容及整流二极管等元件，故可进一步降低能量转换器的成本。
(5)本发明的一实施例中，输入能量转换器的一次侧的信号为交流信号，因此不需要执行类共振模式(QR mode)，因此效率较高。
(6)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可不需要设置桥式整流器及电容，故可降低成本及提升效率。
(7)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可包含扼流器，其可做为缓冲电路，使能量转换器的一次侧的电压降低，故能量转换器的变压模块的一次侧的匝数与二次侧的匝数可以很接近，且一次侧的匝数与二次侧的匝数均可降低，使能量转换器的效率提升，不会因太细而导致一次侧线圈断裂，故可提高合格率。
(8)本发明的一实施例中，能量转换器包含多个功率开关，其中一部分功率开关在交流电源输入能量为正半周时切换，而另外一部分功率开关在交流电源输入能量为负半周时切换，且交流电源输入能量本来就是逐渐由小变大或逐渐由大变小，而不会有突升或突降的情况，故能量转换器可在与直接与交流电源连结的情况下正常工作，故不易损坏，提升使用寿命。
附图说明
图1A～图1D分别为现有的返驰式转换器的电路拓扑、电压波形图及电路图；
图1E～图1F分别为现有的顺向式转换器(Forward converter)的电路拓扑及电路图；
图1G～图1I分别为现有的返驰式转换器的电路拓扑图；
图1J～图1L分别为现有的顺向式转换器的电路拓扑图；
图2为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第一实施例的电路图；
图3A～图3C分别为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第一实施例的电路动作；
图4为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第一实施例的能量追踪示意图；
图5为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第二实施例的电路图；
图6A～图6B分别为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第二实施例的电路动作。
附图标记说明：1-返驰式转换器；2-顺向式转换器；3-能量转换器；31-能量撷取模块；32-变压模块；33-整流模块；34-控制模块；35-电流回授模块；36-电压回授模块；AC-交流电源；CH、CH1、CH2-扼流器；SW1-第一开关；SW2-第二开关；PS1～PS4、S1～S2、PS1’、PS1”、PS2’、PS2”、PS3’、PS3”、PS4’、PS4”-功率开关；L-负载；T-变压器；CT-控制器；SR-分流电阻；OP-运算放大器；VR-电压调节器；BD-桥式整流器；F1、F2-滤波器；C、C1～C6-电容；R-电阻；D-二极管；Fuse-保险丝；PTC-热敏电阻；ZD-稽纳二极管；PWM-脉波宽度调变控制器；Ta、Tb-节点；A-电压波形；B-充电周期。
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的实施例，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。
如图2所示为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第一实施例的电路图；图2举例说明了本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的一种较佳的电路结构，其同时包含典型返驰器转换器及典型顺向式转换器的特征。
如图2所示，能量转换器3可包含能量撷取模块31、变压模块32、整流模块33、控制模块34、电流回授模块35、电压回授模块36。
能量撷取模块31可与交流电源AC及变压模块32链接，变压模块32可与整流模块33链接，整流模块33可通过第二扼流器(choke)CH2与电流回授模块35链接，电流回授模块35与电压回授模块36可同时与负载L及控制模块34链接，控制模块34则可与能量撷取模块31及整流模块33链接。
关于能量撷取模块31，其可以包含第一扼流器CH1及一对该些功率开关PS1-PS2；在较佳的实施例中，该些功率开关PS1-PS2可为金氧半场效晶体管，而各个该功率开关PS1-PS2的方向可相反；第一扼流器CH1可储存交流电源AC输入的能量，并通过控制器CT切换该些功率开关PS1-PS2以撷取交流电源AC的能量以储备一次侧输入能量。
关于变压模块32，其可为变压器T；变压器T可将一次侧输入能量由变压器T的一次侧耦合至变压器T的二次侧以产生转换能量；而在其它较佳的实施例中，变压模块32也可为交换式电源供应器(铁粉心变压器)或线性电源供应器(硅钢片变压器)。
关于整流模块33，其可包第一开关SW1及第二开关SW2，通过切换第一开关SW1及第二开关SW2，整流模块33可将转换能量整流为直流输出能量，并可输出直流输出能量至负载L；其中，本说明书所述的直流输出能量可指恒定直流输出能量或脉动直流输出能量，如三角波、方波、整流后的弦波等；在较佳的实施例中，第一开关SW1及第二开关SW2可为金氧半场效晶体管或二极管。
关于电流回授模块35，其可包含分流电阻(Shunt resistor)SR及运算放大器OP；电流回授模块35可根据负载L的电流提供电流回授信号。
关于电压回授模块36，其可包含电压调节器VR；电压回授模块36可根据负载L的电压提供电压回授信号。
关于控制模块34，其可包含控制器CT，在较佳的实施例中，控制器CT可包含光耦合器及微控制器(MCU)，其中，微控制器(MCU)可接收电流回授信号及电压回授信号以控制第一开关SW1及第二开关SW2，而光耦合器则可直接连结至该些功率开关PS1-PS2以控制该些功率开关PS1-PS2；控制器CT可根据电流回授模块35的电流回授信号及电压回授模块36的电压回授信号判断负载L的需求，并可根据交流电源AC输入的能量的波形及负载L的需求切换该些功率开关PS1-PS2以撷取交流电源AC输入的能量以储备一次侧输入能量，并在变压器T将一次侧输入能量耦合至变压器T的二次侧产生转换能量后切换第一开关SW1及第二开关SW2将转换能量整流为直流输出能量，并可输出直流输出能量至负载L，藉此可使一次侧输入能量的波形的大小能追踪直流输出能量的波形的大小以达到同步状态，来控制第一扼流器CH1充电的时间长短以调整输出能量的大小，使能量转换器可达到真实功因。
通过上述的设计，能量转换器的一次侧不需要使用热敏电阻、滤波器、桥式整流器及输入电容等元件，故可延长使用寿命，且降低能量转换器元件损耗、传导损耗、切换损耗、谐波失真、空间损耗及成本，更可提升其功率因子进而提高总效率。
又，能量转换器的一次侧可通过追踪交流电源AC输入的能量的大小同步地快速切换该些功率开关PS1-PS2来撷取交流电源AC输入的能量以获得对应交流电源AC输入的能量的大小的电流，且能量转换器的二次侧更可根据电流回授信号及电压回授信号决定输出至负载的电压，如此可使一次侧输入能量的波形的大小能追踪直流输出能量的波形的大小以达到同步状态，故可有效地降低谐波失真，并提升功率因子。
另外，本发明的一实施例中，能量转换器的二次侧可不需要使用输出电容及整流二极管等元件，故可进一步降低能量转换器的成本。
此外，本发明的一实施例中，输入能量转换器的一次侧的信号为交流信号，因此不需要执行类共振模式(QR mode)，因此效率较高，且由于能量转换器包含多个功率开关，其中一部分功率开关在交流电源输入能量为正半周时切换，而另外一部分功率开关在交流电源输入能量为负半周时切换，且交流电源输入能量本来就是逐渐由小变大或逐渐由大变小，而不会有突升或突降的情况，故能量转换器可在与直接与交流电源连结的情况下正常工作，不需要针对因应极度的转换特别采用特殊元件或补偿元件。
另外，由于现有的返驰式转换器的输入电压极高，因此其变压器的一次侧及二次侧需要有较高的匝数比，因此变压器的体积较大，且由于一次侧需要有较高的匝数，故绕线需要很细，因此容易断裂而发生故障。相反的，本实施例的能量转换器的能量撷取模块可包含扼流器，其可发挥缓冲的作用，因此能量转换器的变压器的一次侧及二次侧不需要有很高的匝数比，故变压器的体积较小且不容易故障。由上述可知，本发明确实具有进步性。
如图3A至图3C所示分别为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第一实施例的电路动作；图3A至图3C举例说明了能量转换器3各阶段的电路动作，为了使图3A至图3C更为清楚，部分元件在这些图式中省略。
能量转换器3在交流电源AC输入的能量处于正半周时可重复执行四个电路动作，即一次侧的第一阶段电路动作Tpp1、一次侧的第二阶段电路动作Tpp2、二次侧的第一阶段电路动作Tsp1及二次侧的第二阶段电路动作Tsp2。如第3A图所示，能量转换器3执行一次侧的第一阶段电路动作Tpp1，此时控制器CT可导通该些功率开关PS1-PS2，第一扼流器CH1可由交流电源AC输入的能量撷取能量并储存能量，此时电流的方向如图中箭头所示。
如图3B所示，能量转换器3可执行一次侧的第二阶段电路动作Tpp2，此时控制器CT可切断该些功率开关PS1-PS2，此时第一扼流器CH1可释放储存的能量，并由变压器T将能量由一次侧耦合至二次侧；能量转换器3则可执行二次侧的第一阶段电路动作Tsp1，此时控制器CT可导通第一开关SW1，而第二开关SW2则可维持切断的状态以对二次侧产生的能量进行整流并输出至负载，而第二扼流器CH2则可储存能量，此时电流的方向如图中箭头所示。
如图3C所示，能量转换器3可执行二次侧的第二阶段电路动作Tsp2，此时控制器CT可导通第二开关SW2，并切断第一开关SW1，而第二扼流器CH2则可释放储存的能量，此时电流的方向如图中箭头所示。
在交流电源AC输入的能量处于正半周时，能量转换器3则可重复执行一次侧的第一阶段电路动作Tpp1、一次侧的第二阶段电路动作Tpp2、二次侧的第一阶段电路动作Tsp1及二次侧的第二阶段电路动作Tsp2，通过不断的切换该些功率开关PS1-PS2以输出能量至负载。
值得注意的是，当控制器CT切断第一开关SW1并导通第二开关SW2时，控制器CT可先切断第一开关SW1，再经过延迟时间后才导通第二开关SW2；同样的，当控制器CT切断第二开关SW2并导通第一开关SW1时，控制器CT可先切断第二开关SW2，再经过延迟时间后才导通第一开关SW1，如此可防止能量转换器3因第一开关SW1及第二开关SW2同时短路而造成损坏。
能量转换器3可在交流电压信号处于负半周时可重复执行四个电路动作，即一次侧的第一阶段电路动作Tpn1、一次侧的第二阶段电路动作Tpn2、二次侧的第一阶段电路动作Tsn1及二次侧的第二阶段电路动作Tsn2，通过不断的切换该些功率开关PS1-PS2以输出能量至负载，由于能量转换器3在交流电压信号处于负半周时的电路动作与能量转换器3在交流电压信号处于正半周时的电路动作相似，故不在此多加赘述。
如图4所示为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第一实施例的示意图，图4举例说明了能量撷取模块3由交流电压信号撷取能量的示意图，本实施例以电压值为110V及频率为60Hz的交流电压信号为例。
如图4所示，曲线A为交流电源AC输入的能量的电压波形；每一个方块B代表能量转换器3的扼流器CH1在交流电源AC输入的能量为正半周时的每一个充电周期；每一个方块C的每一个区块代表能量转换器3的扼流器CH1在交流电源AC输入的能量为负半周时的每一个充电周期。
由图中可知，当交流电源AC输入的能量愈接近其峰值电压时，能量撷取模块31可撷取较多的能量，由上述可很明显看出，控制器CT可追踪交流电源AC输入的能量，为达输出平衡，一次侧扼流器CH1充电时间可以增减。
举例而言，控制器CT可在交流电源AC输入的能量的大于其峰值电压(155.54V)的40％(63V)时才同步地切换能量撷取模块31的该些功率开关PS1-PS2以撷取交流电源AC输入的能量，以确保能撷取足够的能量，而在交流电源AC输入的能量的绝对值低于其峰值电压的40％时，控制器CT则不会对能量撷取模块31的该些功率开关PS1-PS2进行切换。
本实施例中，交流电源AC输入的能量的电压值为110V，频率为60Hz，而该些功率开关PS1-PS2的切换频率为100KHz，故每半周的周期为1/120＝8.33ms，因此，当交流电源AC输入的能量处于正半周时，该些功率开关PS1-PS2的切换次数约为8.33ms*100KHz＝833.3次；同样的，当交流电源AC输入的能量处于负半周时，该些功率开关PS1-PS2的切换次数约为833.3次；故该些功率开关PS1-PS2在正半周及负半周的切换次数总共为1666次/秒。
若变压器T的一次侧匝数为30，而一次侧匝数为25，而输出电压为50V，而输出电流为10A，当该些功率开关PS1-PS2开始撷取交流电源AC输入的能量(即交流电源AC输入的能量的绝对值等于其峰值电压的40％时)，交流电源AC输入的能量为63V，因此二次侧的电压为63V*25/30＝52.5V。
由于已知L＝VLT/ΔIL；其中，L为扼流器CH1的电感量，T为扼流器CH1的充电时间，ΔIL为扼流器CH1的瞬间最大电流，VL为扼流器CH1充电时的压差。
因此VL＝2.5V，故该些功率开关PS1-PS2的工作周期为50/52.5＝95.24％。而若输出电流为10A，则涟波电流(Ripple Current)为10A*25％＝2.5A；故ΔIL＝2.5A+2.5A＝5A；因此，在不考虑气隙及变压器T的大小的前提下，由于该些功率开关PS1-PS2的基本切换周期为1/100KHz，故T为该些功率开关PS1-PS2的基本切换周期乘以该些功率开关PS1-PS2的工作周期，即T＝1/100KHz*95.24％＝9.5us，因此由L＝VLT/ΔIL可得知L为4.75uH。
当交流电源AC输入的能量的绝对值等于其峰值电压155.67V时，因此二次侧的电压为155.67V*25/30＝129.725V，而由上述可知，T＝L*ΔIL/VL，故T＝0.183us。由上述可明显看出，当交流电源AC输入的能量愈高，扼流器CH1的充电时间T愈短；反之，当交流电源AC输入的能量愈低，扼流器CH1的充电时间T愈长，使输出至负载L的电压保持在50V或需要的范围内。
由上述可知，能量转换器3可有效追踪交流电源AC输入的能量，并在交流电源AC输入的能量的电压大于其峰值电压的一定比例时，同步地切换能量撷取模块31的该些功率开关PS1-PS2以撷取交流电源AC输入的能量，上述的同步机制能确保能量撷取模块31能有效追踪交流电源AC输入的能量，并由交流电压信号撷取足够的能量。
除此之外，能量转换器3更可有效追踪负载L端的电压及电流，并同步地切换能量撷取模块31的该些功率开关PS1-PS2。如图2所示，控制器可根据电流回授模块35的电流回授信号及电压回授模块36的电压回授信号同步地切换该些功率开关PS1-PS2以撷取交流电源AC输入的能量以储备一次侧输入能量，并可由变压器T转换一次侧输入能量以产生转换能量，并可再通过第一开关SW1及第二开关SW2将转换能量整流为直流输出能量以输出至负载L。(本说明书中各实施例的电路可包含减振器，即snubber，然为了使图式更为简明，故不多赘述。)
举例而言，当负载L在电量不足时，此时其电压约为8V，而当控制器CT切换该些功率开关PS1-PS2由导通状态进入切断状态时，由于负载L在处于低电压的状态，故在负载L端会产生较大的电压差，如此会瞬间产生较大的电流，此时控制器CT则可以由电流回授信号侦测到此时的电流已过大，因此控制器CT会立即导通该些功率开关PS1-PS2；而在该些功率开关PS1-PS2导通后，此时控制器CT可由电压回授信号侦测到此时输出至负载L端的电压不足，故控制器CT又会立即切断该些功率开关PS1-PS2。
举例而言，若在负载L经过一定时间的充电且电压已上升12V，此时负载L的电压已接近充电完成的14V，因此当控制器CT切换功率开关PS由导通状态进入切断状态时，由于负载L并非是处于低电压的状态，故在负载L端不会出现明显的电压差，如此该些功率开关PS1-PS2的切换频率则可以降低或停止。
由上述可知，控制器CT可通过电流回授模块35的电流回授信号及电压回授模块36的电压回授信号同时追踪负载L的电压及电流，并同步地改变该些功率开关PS1-PS2的切换频率，来控制扼流器CH1充电的时间长短以调整输出能量的大小，因此可有效地减少谐波失真，提升功率因子。
如图5所示为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第二实施例的电路动作；图5举例说明了本发明的具一二次同步追踪功能的全桥式能量转换器的一种较佳的电路结构。
如图5所示，能量转换器3可包含能量撷取模块31、变压模块32、整流模块33、控制模块34、电流回授模块35、电压回授模块36。
能量撷取模块31可与交流电源AC及变压模块32链接，变压模块32可与整流模块33链接，整流模块33可通过扼流器CH1与电流回授模块35链接，电流回授模块35与电压回授模块36可同时与负载L及控制模块34链接，控制模块34则可与能量撷取模块31及整流模块33链接。
关于能量撷取模块31，其可包含四对功率开关PS1～PS4，第一对功率开关PS1包含开关PS1’及PS1”且开关PS1’及PS1”方向相反，第二对功率开关PS2包含开关PS2’及PS2”且开关PS2’及PS2”方向相反，第三对功率开关PS3包含开关PS3’及PS3”且开关PS3’及PS3”方向相反，第四对功率开关PS4包含开关PS4’及PS4”且开关PS4’及PS4”方向相反；控制器CT切换四对功率开关PS1～PS4以撷取交流电源AC的能量。
关于变压模块32，其可为变压器T；变压器T可接收交流电源AC的能量，并储存一次侧输入能量，并可将一次侧输入能量由变压器T的一次侧耦合至变压器T的二次侧以产生转换能量。
关于整流模块33，其可包第一开关SW1及第二开关SW2，通过切换第一开关SW1及第二开关SW2，整流模块33可将转换能量整流为直流输出能量，并可输出直流输出能量至负载L。
关于电流回授模块35，其可包含分流电阻(Shunt resistor)SR及运算放大器OP；电流回授模块35可根据负载L的电流提供电流回授信号。
关于电压回授模块36，其可包含电压调节器VR；电压回授模块36可根据负载L的电压提供电压回授信号。
关于控制模块34，其可包含控制器CT，在较佳的实施例中，控制器CT可包含光耦合器及微控制器(MCU)，其中，微控制器(MCU)可接收电流回授信号及电压回授信号以控制第一开关SW1及第二开关SW2，而一次侧与二次侧之间的桥梁为光耦合器，光耦合器则可直接连结至四对功率开关PS1～PS4以控制四对功率开关PS1～PS4；控制器CT可根据电流回授模块35的电流回授信号及电压回授模块36的电压回授信号判断负载L的需求，并可根据交流电源AC输入的能量的波形及负载L的需求切换四对功率开关PS1～PS4以撷取交流电源AC输入的能量以储备一次侧输入能量至变压器T，并在变压器T将一次侧输入能量耦合至变压器T的二次侧产生转换能量后切换第一开关SW1及第二开关SW2将转换能量整流为直流输出能量，并可输出直流输出能量至负载L，藉此可使一次侧输入能量的波形的大小能追踪直流输出能量的波形的大小以达到同步状态，使能量转换器可达到真实功因。
通过上述的设计，能量转换器的一次侧不需要使用热敏电阻、滤波器、桥式整流器及输入电容等元件，故可延长使用寿命，且降低能量转换器元件损耗、传导损耗、切换损耗、谐波失真、空间损耗及成本，更可提升其功率因子进而提高总效率。
又，能量转换器的一次侧可通过追踪交流电源AC输入的能量的大小同步地快速切换四对功率开关PS1～PS4来撷取交流电源AC输入的能量以获得对应交流电源AC输入的能量的大小的电流，且能量转换器的二次侧更可根据电流回授信号及电压回授信号决定输出至负载的电压，如此可使一次侧输入能量的波形的大小能追踪直流输出能量的波形的大小以达到同步状态，故可有效地降低谐波失真，并提升功率因子。
如图6A及图6B所示为本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器的第二实施例的电路图；图6A及图6B举例说明了全桥式能量转换器3各阶段的电路动作，为了使图6A及图6B更为清楚，部分元件在这些图式中省略。
能量转换器3在交流电源AC输入的能量处于正半周时可重复执行四个电路动作，即一次侧的第一阶段电路动作Tpp1、一次侧的第二阶段电路动作Tpp2、二次侧的第一阶段电路动作Tsp1及二次侧的第二阶段电路动作Tsp2，如图3A所示，能量转换器3执行一次侧的第一阶段电路动作Tpp1，此时控制器CT可以导通二对功率开关PS1及PS4，变压器T可由交流电源AC输入的能量撷取能量并储存能量，并将能量由一次侧耦合至二次侧；接着，能量转换器3可以执行一次侧的二次侧的第一阶段电路动作Tsp1，此时控制器CT可导通第一开关SW1，而第二开关SW2则可维持切断的状态以对二次侧产生的能量进行整流并输出至负载，此时电流的方向如图中箭头所示。
如图6B所示，能量转换器3可执行一次侧的第二阶段电路动作Tpp2，此时控制器CT可切断两对功率开关PS1、PS4，并导通两对功率开关PS2、PS3；接着，能量转换器3可同时执行二次侧的第二阶段电路动作Tsp2，此时控制器CT可导通第二开关SW12，而第一开关SW1则可维持切断的状态以对二次侧产生的能量进行整流并输出至负载，此时电流的方向如图中箭头所示。
同样的，当控制器CT需切断第一开关SW1并导通第二开关SW2时，控制器CT可先切断第一开关SW1，再经过延迟时间后才导通第二开关SW2；同样的，当控制器CT需切断第二开关SW2并导通第一开关SW1时，控制器CT可先切断第二开关SW2，再经过延迟时间后才导通第一开关SW1，如此可防止能量转换器3因第一开关SW1及第二开关SW2同时短路而造成损坏。同样的，四对功率开关PS1～PS4的切换也存在延迟时间，以防止四对功率开关PS1～PS4同时导通，使能量转换器3因该些功率开关PS1～PS4同时短路而造成损坏。
能量转换器3可在交流电压信号处于负半周时可重复执行四个电路动作，即一次侧的第一阶段电路动作Tpn1、一次侧的第二阶段电路动作Tpn2、二次侧的第一阶段电路动作Tsn1及二次侧的第二阶段电路动作Tsn2，通过不断的切换四对功率开关PS1-PS4以输出能量至负载，由于能量转换器3在交流电压信号处于负半周时的电路动作与能量转换器3在交流电压信号处于正半周时的电路动作相似，故不在此多加赘述。
承上所述，本发明提供的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其可具有一或多个下述优点：
(1)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可不需要使用热敏电阻(PTCThermistor)、滤波器、桥式整流器及输入电容等元件，故可延长使用寿命，且降低能量转换器元件损耗、传导损耗、切换损耗、谐波失真、空间损耗及成本，更可提升其功率因子进而提高总效率。
(2)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可通过追踪交流电压信号的大小同步地快速切换该些功率开关来撷取交流电压信号的能量以获得对应交流电压信号的大小的电流，且能量转换器的二次侧更可根据电流回授信号及电压回授信号决定输出至负载的电压，故可有效地降低谐波失真，并提升功率因子。
(3)本发明的一实施例中，能量转换器可提供同步追踪功能，使由变压器的一次侧输入的一次侧输入能量的波形与由变压器二次侧输出的直流或脉动直流输出能量的波形同步，故可大幅地提升功率因子。
(4)本发明的一实施例中，能量转换器的二次侧可选择性地使用输出电容及整流二极管等元件，故可进一步降低能量转换器的成本。
(5)本发明的一实施例中，输入能量转换器的一次侧的信号为交流信号，因此不需要执行类共振模式(QR mode)，因此效率较高。
(6)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可不需要设置桥式整流器及电容，故可降低成本及提升效率。
(7)本发明的一实施例中，能量转换器的一次侧可包含扼流器，其可做为缓冲电路，使能量转换器的一次侧的电压降低，故能量转换器的变压模块的一次侧的匝数与二次侧的匝数可以很接近，且一次侧的匝数与二次侧的匝数均可降低，使能量转换器的效率提升，不会因太细而导致一次侧线圈断裂，故可提高合格率。
(8)本发明的一实施例中，能量转换器包含多个功率开关，其中一部分功率开关在交流电源输入能量为正半周时切换，而另外一部分功率开关在交流电源输入能量为负半周时切换，且交流电源输入能量本来就是逐渐由小变大或逐渐由大变小，而不会有突升或突降的情况，故能量转换器可在与直接与交流电源连结的情况下正常工作，故不易损坏，提升使用寿命。
以上所述仅为举例性，而非为限制性。其它任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应该包含于本案权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种具一二次同步追踪功能的能量转换器，其直接撷取一交流电源输入的能量，其特征在于，包含：
一能量撷取模块，包含一第一扼流器及一对功率开关，该第一扼流器储存一交流电源输入的能量，该多个功率开关能切换以撷取该交流电源输入的能量以储备一一次侧输入能量；
一变压模块，将该一次侧输入能量耦合至该变压模块的一二次侧以产生一转换能量；以及
一整流模块，将该转换能量整流为一直流输出能量，并输出该直流输出能量至一负载；
其中，该多个功率开关根据该交流电源输入的能量的波形及该负载的需求切换以使该一次侧输入能量的波形能追踪该直流输出能量的波形以达到同步。
2.如权利要求1所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，该整流模块包含一第一开关及一第二开关，该整流模块通过该第一开关及该第二开关的切换将该转换能量整流为该直流输出能量，并输出该直流输出能量至该负载；该第一扼流器的一端连结于该交流电源的一端，该第一扼流器的另一端连结于该多个功率开关的一端，该交流电源的另一端连结于该多个功率开关的另一端；当该转换能量处于正半周时，该第二开关切断而该第一开关导通，而当该转换能量处于负半周时，该第二开关导通而该第一开关切断；当该第一开关及该第二开关进行切换时具有延迟时间，使该第一开关及该第二开关同时处于切断状态而不会同时导通。
3.如权利要求1所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，该多个功率开关于该交流电源输入的能量的绝对值大于一预设值时或大于其一峰值电压的15％～40％时同步地切换以撷取该交流电源输入的能量以储备该一次侧输入能量。
4.如权利要求1所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，每对功率开关方向相反。
5.如权利要求1所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，更包含一第二扼流器，其设置于该整流模块及该负载之间。
6.如权利要求2所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，更包含一控制器、一电压回授模块及一电流回授模块，该控制器控制该多个功率开关、该第一开关及该第二开关的导通及切断；该控制器由该电压回授模块及该电流回授模块分别接收一电流回授信号及一电压回授信号，并根据该电流回授信号及该电压回授信号切换该多个功率开关、该第一开关及该第二开关。
7.一种具一二次同步追踪功能的能量转换器，其直接撷取一交流电源输入的能量，其特征在于，包含：
一能量撷取模块，包含至少四对功率开关，该多个功率开关能切换以撷取该交流电源输入的能量；
一变压模块，接收该交流电源输入的能量以储备一一次侧输入能量，并将该一次侧输入能量耦合至该变压模块的一二次侧以产生一转换能量；以及
一整流模块，将该转换能量整流为一直流输出能量，并输出该直流输出能量至一负载；
其中，该多个功率开关根据该交流电源输入的能量的波形及该负载的需求切换以使该一次侧输入能量的波形能追踪该直流输出能量的波形以达到同步。
8.如权利要求7所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，该整流模块包含一第一开关、一第二开关及一扼流器；该扼流器流器设置于该整流模块及该负载之间；该整流模块通过该第一开关及该第二开关的切换将该转换能量整流为该直流输出能量，并输出该直流输出能量至该负载；该第一开关及该第二开关进行切换时具有延迟时间，使该第一开关及该第二开关同时处于切断状态而不会同时导通；该多个功率开关进行切换时具有延迟时间，使该多个功率开关同时处于切断状态而不会同时导通。
9.如权利要求7所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，该多个功率开关于该交流电源输入的能量的绝对值大于一预设值时或大于其一峰值电压的15％～40％时同步地切换以撷取该交流电源输入的能量以储备该一次侧输入能量。
10.如权利要求7所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，每对功率开关的方向相反。
11.如权利要求8所述的具一二次同步追踪功能的能量转换器，其特征在于，更包含一控制器、一电压回授模块及一电流回授模块，该控制器控制该多个功率开关、该第一开关及该第二开关的导通及切断；该控制器由该电压回授模块及该电流回授模块分别接收一电流回授信号及一电压回授信号，并根据该电流回授信号及该电压回授信号切换该多个功率开关、该第一开关及该第二开关。
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