CN113193751A - 电源转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电源转换系统，包含第一储能元件、第二储能元件、第一升压电路、开关元件、侦测电路及控制电路。第一升压电路耦接于第一储能元件及第二储能元件之间。开关元件并联耦接第一升压电路。侦测电路用以侦测第一储能元件的第一电压值。当第一电压值低于第一预设值时，控制电路关断开关元件，且驱动第一升压电路，以根据第一电压值维持第二电压值，使电源转换系统运行于第一模式。当第一电压值等于或大于第一预设值时，控制电路导通开关元件，且关断第一升压电路，使电源转换系统运行于第二模式。据此，在负载装置具有瞬间高功率的供电需求时，电源转换系统即可通过第一升压电路撷取第一储能元件的电力进行升压。

Description

电源转换系统
技术领域
本发明关于一种电源转换系统，特别是能供应电力给负载的装置。
背景技术
电源供应器是一种将交流电源转换为直流电源，以驱动电子装置运转的装置。电源供应器会根据不同状态执行电源转换，确保提供的电力符合电子装置的功率需求。由于，电子装置在运行于不同状态时，所需的功率亦不相同，因此电源供应器内的电源转换系统必须能对应地动态调整，而电源供应器的电源转换能力，亦将直接影响到电子装置的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电源转换系统，其能在负载装置具有瞬间高功率的供电需求时，电源转换系统即可通过第一升压电路撷取第一储能元件的电力进行升压，使输出的电压及电流符合负载装置的需求。
本发明的一方面是提供一种电源转换系统，电源转换系统包含第一储能元件、第二储能元件、第一升压电路、开关元件、侦测电路及控制电路。第一储能元件具有第一电压值。第二储能元件具有第二电压值。第一升压电路电性耦接于第一储能元件及第二储能元件之间。开关元件并联耦接第一升压电路。控制电路耦接第一升压电路及开关元件。侦测电路耦接第一储能元件及控制电路，用以侦测第一电压值。当第一电压值低于第一预设值时，控制电路关断开关元件，且驱动第一升压电路，以根据第一电压值维持第二电压值，使电源转换系统运行于第一模式。当第一电压值等于或大于第一预设值时，控制电路导通开关元件，且关断第一升压电路，使电源转换系统运行于第二模式。
在本发明的一实施例中，当第一升压电路的驱动时间大于预设时间时，控制电路使电源转换系统停止运行，避免电路受损。
在本发明的一实施例中，电源转换系统还包含电压转换电路及第三储能元件。电压转换电路电性耦接第一升压电路。电压转换电路具有输出侧。第三储能元件并联耦接输出侧。第三储能元件具有输出电压值及输出电流值。侦测电路。当输出电压值低于电压门槛值时，控制电路使电源转换系统停止运行，避免电路受损。
在本发明的一实施例中，当第一电压值小于第一预设值且输出电压值等于或大于电压门槛值时，控制电路控制电压转换电路由第三模式调整至第四模式。第三模式的额定功率值小于第四模式的额定功率值。
在本发明的一实施例中，当输出电流值等于或大于电压转换电路的第一电流门槛值时，控制电路将第一电流门槛值调整为第二电流门槛值，第一电流门槛值小于第二电流门槛值，避免电路受损。
在本发明的一实施例中，当输出电流值等于或大于第二电流门槛值时，控制电路使电源转换系统停止运行。
在本发明的一实施例中，当第一电压值等于或大于第一预设值，且输出电流值等于或大于第一电流门槛值时，控制电路使电源转换系统停止运行。
在本发明的一实施例中，第一升压电路包含第一电感、第一二极管及第一开关。第一二极管串联耦接第一电感。第一开关耦接第一电感及第一二极管。
在本发明的一实施例中，电源转换系统还包含第二升压电路。第二升压电路并联耦接第一储能元件。
在本发明的一实施例中，第二升压电路包含第二电感、第二二极管及第二开关。第二二极管串联耦接第二电感。第二开关耦接第二电感及第二二极管。
据此，在负载装置具有瞬间高功率的供电需求时，电源转换系统即可关断开关元件，通过第一升压电路撷取第一储能元件的电力进行升压，使输出的电压及电流符合负载装置的需求。
附图说明
图1为根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统的示意图。
图2为根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统的局部电路示意图。
图3为根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统的电压变化图。
图4A及图4B为根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统的信号波形图。
图5为根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统的示意图。
图6为根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统的运行方式流程图。
主要附图标记说明：
100-电源转换系统，110-开关元件，120-侦测电路，130-控制电路，140-电压转换电路，150-电磁干扰滤波器，160-二极管电桥，IHC-第一升压电路，PFC-第二升压电路，C1-第一储能元件，C2-第二储能元件，C3-第三储能元件，N1-第一节点，N2-第二节点，V1-第一电压值，V2-第二电压值，Vo-输出电压，Vo1-输出电压，Vo2-输出电压，Von-输出电压，Io-输出电流，Vin-初始电压，Vac-交流电压，L1-第一电感，D1-第一二极管，SW1-第一开关，L2-第二电感，D2-第二二极管，SW2-第二开关，Vh-预设电压，Va-电压保护门槛，Vtrip-第一预设值，Vmin-第二预设值，S1-控制信号，t0-时间，t1-时间，ta-时间，tb-时间，t2-时间，t3-时间，t4-时间，tx-预设时间，S601～S611-步骤。
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些公知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。
在本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”。“连接”或“耦接”亦可用以表示二或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”、…等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。
电脑或服务器的处理器(如：中央处理器Central Processing Unit、图形处理器Graphics Processing Uni)在进行运算时，其功率是呈现动态变化。当处理器需要输出瞬间高功率(peak power)时，电源供应器也必须提供相应的能量，以确保处理器的驱动稳定。“提升输出电容的大小”或“额外增加缓冲电容”都是解决的方式，然而前述方式都将影响电源供应器的体积、成本与开关机时序，故并不理想。本发明则提供一种电源转换系统，在负载装置(如：处理器)有瞬间功率需求时，可提供对应的电力。
请参阅图1所示，是根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统100示意图。电源转换系统100包含第一升压电路IHC、第一储能元件C1、第二储能元件C2、开关元件110、侦测电路120及控制电路130。在本实施例中，电源转换系统100是应用于电源供应器上，以将转换的电力输出给负载装置(如：具有中央处理器、图形处理器或其他运算电路的电子装置)。
请参阅图1及图2所示，图2是根据本发明的部分实施例所绘示的电源转换系统的局部电路图。第一储能元件C1耦接于第一节点N1，具有第一电压值V1。第一升压电路IHC的一端及开关元件110的一端通过第一节点N1耦接第一储能元件C1。第一升压电路IHC另一端及开关元件110的另一端则连接至第二节点N2。意即，第一升压电路IHC及开关元件110相并联耦接。第二储能元件C2耦接于第二节点N2，且具有第二电压值V2。在部分实施例中，第一储能元件C1及第二储能元件C2分别包含电容器。开关元件110则包含电晶体开关。
侦测电路120耦接于第一储能元件C1及第二储能元件C2，用以分别侦测第一储能元件C1上的第一电压值V1及第二储能元件C2上的第二电压值V2。在部分实施例中，侦测电路120包含电压计。控制电路130耦接侦测电路120、第一升压电路IHC及开关元件110，用以导通或关断第一升压电路IHC及开关元件110。
在部分实施例中，第一储能元件C1及第二储能元件C2通过第一节点N1接收初始电压Vin。当负载装置产生瞬间功率需求时，电源转换系统100的输出功率将随之提升，使得第二节点N2上的电压下降。在开关元件110导通的情况下，第一节点上的电压将会随着第二节点N2的电压降低，使得第一储能元件C1的第一电压值V1下降至低于第一预设值(例如：400V)。当控制电路130通过侦测电路120判断第一电压值V1低于第一预设值时，控制电路130将关断开关元件110，并驱动第一升压电路IHC，使得第一升压电路IHC能撷取第一储能元件C1的第一电压值V1进行升压，以稳定第二节点N2的电压，防止其下降。亦即，电源转换系统100根据第一电压值V1来维持第二储能元件C2上第二电压值V2的稳定。为便于说明，在此将电源转换系统100供应瞬间功率的前述运行状态称为“第一模式”。
另一方面，在负载装置并未产生瞬间的高功率需求时，第一电压值V1将等于或大于第一预设值。在控制电路130通过侦测电路120判断第一电压值V1等于或大于第一预设值时，控制电路130将导通开关元件110，并关断第一升压电路IHC，通过第二储能元件C2上的第二电压值V2，输出电力给负载装置。为便于说明，在此将电源转换系统100供应非瞬间功率(即，一般状态)的前述运行状态称为“第二模式”。
如前所述，控制电路130用以根据侦测电路120侦测到的第一电压值V1，选择性地驱动、导通相互并联的第一升压电路IHC及开关元件110的其中一个、且关断另一个。当负载装置有瞬间功率的需求时，才导通第一升压电路IHC，并由第一储能元件C1上的第一电压值V1进行升压处理，以因应较高的输出功率。当负载装置为正常运行时，由于无瞬间高功率的需求，故控制电路130将关断第一升压电路IHC，以避免多余的功耗。亦即，开关元件110具有旁路开关的功能，可根据不同的运行模式，调整初始电压Vin的处理方式，据此，即可使电源转换系统100能因应负载装置的瞬间高功率需求提供对应的电力。
请参阅图2所示，在部分实施例中，电源转换系统100还包含第二升压电路PFC。第二升压电路PFC并联耦接第一储能元件C1，且用以接收经二极管电桥160整流后的电压，以产生初始电压Vin。
请参阅图1及图2所示，在部分实施例中，第一升压电路IHC包含第一电感L1、第一二极管D1及第一开关SW1。第一二极管D1串联耦接于第一电感L1。第一开关SW1则耦接第一电感L1及第一二极管D1。第一开关SW1的控制端系耦接于控制电路130，并由控制电路130依据实际负载需求，设定第一升压电路IHC的操作占空比，并据以控制第一开关SW1于导通或关断间的切换频率。
第二升压电路PFC包含第二电感L2、第二二极管D2及第二开关SW2。第二二极管D2串联耦接第二电感L2。第二开关SW2则耦接第二电感L2及第二二极管D2。第二开关SW2的控制端是耦接于控制电路130，并由控制电路130控制其导通或关断。在图2所示的实施例中，第一升压电路IHC与第二升压电路PFC属于相同的电路架构，但本发明并不以此为限，第一升压电路IHC与第二升压电路PFC亦可选用其他类型的升压电路(Boost circuit)，由于本领域人士能理解升压电路的各种结构，故在此即不赘述。
如图2所示，当电源转换系统100运行于第一模式时(即，负载装置有瞬间高功率需求)，交流电压Vac会先被第二升压电路PFC进行第一次升压转换，产生初始电压Vin，接着再通过第一升压电路IHC进行第二次升压转换，据此，电源转换系统100输出的电力即可供应负载装置的瞬间高功率状态。另一方面，当电源转换系统100运行于第二模式时(即，负载装置无瞬间高功率需求，例如处于正常/一般模式)，交流电压Vac被第二升压电路PFC进行第一次升压转换，产生初始电压Vin后，电源转换系统100将通过开关元件110，根据初始电压Vin提供负载装置电力。
在图1及图2所示的实施例中，当电源转换系统100驱动第一升压电路IHC时(即，第一模式)，第一升压电路IHC是汲取第一储能元件C1内的电能(即，第一电压值V1)作为输入电源，进行升压转换。因此，在第一模式中，第一储能元件C1的第一电压值V1将会加速下降。
请参阅图2及图3所示，图3是电源转换系统的第一电压值V1、第二电压值V2的变化图。其中，虚线代表第一电压V1的变化、实线则代表第二电压V2的变化。
如图3所示，在时间T0～T1期间，负载装置尚未出现瞬间高功率需求(或，瞬间高功率的状态尚未影响到第一节点N1的电压)，电源转换系统100运行于第二模式(即，开关元件110导通、第一升压电路IHC关断)，第一储能元件C1的第一电压值V1与第二储能元件C2的第二电压值V2皆维持在预设电压Vh，且大于第一预设值Vtrip。
在时间T1～T2期间，负载装置出现瞬间高功率需求(或，瞬间高功率状态已造成第一节点N1电压改变)，使得第一储能元件C1的第一电压值V1与第二储能元件C2的第二电压值V2下降，直到等于第一预设值Vtrip。在时间T2～T3期间，由于第一电压值V1与第二储能元件C2低于第一预设值Vtrip，因此电源转换系统100将被切换至第一模式(即，开关元件110关断、第一升压电路IHC导通)。此时，第一升压电路IHC开始根据第一电压值V1进行升压操作，因此第一储能元件C1的第一电压值V1会加速下降，而第二储能元件C2的第二电压值V2则会被第一升压电路IHC的升压操作维持在稳定的电压值。
承上，在部分实施例中，控制电路130会在第一模式时进行计时，若第一升压电路IHC的驱动时间大于预设时间(如：20mS)、或第一电压值V1降低至第二预设值Vmin，则控制电路130使电源转换系统100停止运行，以避免第一升压电路IHC受损。如图3所示，若控制电路130判断第一升压电路IHC的驱动时间(即，时间T2～T3的时间长度)大于预设时间tx，控制电路130将关断第一升压电路IHC，使电源转换系统100停止运行。
请参阅图4A、图4B及5图所示，在部分实施例中，电源转换系统200还包含电压转换电路140及第三储能元件C3。电压转换电路140电性耦接于第一升压电路IHC，且具有输出侧，用以耦接负载装置。第三储能元件C3并联耦接于电压转换电路140的输出侧，且具有输出电压值Vo及输出电流值Io。在其他部分实施例中，如图2所示，电源转换系统100可同时耦接多个负载装置，且分别输出不同输出电压Vo1～Von至对应的负载装置。
侦测电路120耦接第三储能元件C3，用以侦测输出电压值Vo及输出电流值Io。控制电路130则耦接电压转换电路140。在电压转换电路140运行于第三模式时，若输出电压值Vo低于电压门槛值(例如：320V)，则控制电路130将使电源转换系统100停止运行。在电源转换系统100运行时，若第一电压值V1小于第一预设值、但输出电压值Vo等于或大于电压门槛值，代表负载装置出现瞬间高功率的需求，且电源转换系统100运行于第一模式。此时，控制电路130将控制电压转换电路140由第三模式调整为第四模式，第三模式的额定功率值系小于第四模式的额定功率值(如：从2KW的额定功率调升至3KW的额定功率)。
此外，电源转换系统100中具有电流保护机制(Over Current Protection，简称OCP)。侦测电路120能检测输出电流Io，当输出电流Io大于第一电流门槛值(100A)时，侦测电路120将通知控制电路130，以停止电源转换系统100运行。然而，在电源转换系统100运行于第一模式时，为了因应瞬间高功率需求，输出电流Io势必会较第二模式时为高。因此，为避免电流保护机制被误触发，在“第一电压值V1小于第一预设值、但输出电压值Vo等于或大于电压门槛值”的运行模式下，当输出电流值Io等于或大于第一电流门槛值时，控制电路130将第一电流门槛值调整为第二电流门槛值(第一电流门槛值小于第二电流门槛值(例如：120A)，以调整电流保护机制的触发门槛。若输出电流值Io等于或大于第二电流门槛值时，控制电路130方会启动电流保护机制，使电源转换系统100停止运行。
另一方面，在“第一电压值V1等于或大于该第一预设值”的运行模式下，代表并未出现瞬时功率的需求，因此，当输出电流值Io等于或大于第一电流门槛值时，控制电路130即会直接控制电源转换系统100停止运行。亦即，控制电路130会根据第一电流门槛值，执行电流保护机制。
请参阅图3、图4A及图4B所示，其中图4A及图4B为电源转换系统100中的信号波形图，分别用以显示输出电流Io、第一电压值V1、第二电压值V2以及第一升压电路IHC、第二升压电路PFC的控制信号时序波形变化。此外，控制信号S1是用以表示开关元件110的导通与关闭的控制信号状态。当控制信号S1为低电平时，代表开关元件110被关断。控制信号S1为高电平时，代表开关元件110导通。在时间Ta时，负载装置出现瞬间高功率，使得输出电流Io增加，但第一电压值V1尚未变化。在时间T1时，第一电压值V1开始降低。此时，第二升压电路PFC将提升其脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation)的占空比(duty cycle)，以提升升压的幅度。若第一电压值V1仍持续下降，且下降至低于第一预设值Vtrip，此时控制电路130即可确认当前状况为瞬间高功率，而在时间T2时进入第一模式。此时，开关元件110将关断、第一升压电路IHC将被导通及驱动，且第一升压电路IHC中的切换频率将高于第二升压电路PFC中的开关切换频率。
在图4A及图4B中，时间t2～t3的期间为第一模式。在时间点tb时，负载装置的功率需求产生变化、且输出电流Io略为下降。此时，第一储能元件C1上的第一电压值V1将随之上升，使第一电压值V1上升至高于第一预设值Vtrip。当第一电压值V1上升至第一预设值Vtrip时，控制电路130将控制电源转换系统100进入第二模式。然而，如图4A图所示，由于控制电路130做动的延迟，第一电压值V1可能会在瞬间略为超出第一预设值Vtrip，而第一升压电路IHC中的切换动作尚会持续一段时间未立即中断运行。在部分实施例中，控制电路130导通开关元件110前，需先关闭第一升压电路IHC，避免第二电压值V2过高。本发明是能确保在特定时间内的瞬间高功率需求发生时，输出电压Vo始终保持在电压保护门槛Va之上。在时间t4之后，负载装置恢复正常运行状态，输出电压Vo、输出电流Io亦随之恢复正常值。
请参阅图5所示，系根据本发明的另一实施例所绘示的电源转换系统200示意图。于图5中，与图1及图2的实施例有关的相似元件是以相同的参考标号表示以便于理解，且相似元件的具体原理已于先前段落中详细说明，若非与图5的元件间具有协同运行关系而必要介绍者，于此不再赘述。在该实施例中，第二升压电路PFC系通过电磁干扰滤波器150、二极管电桥160(diode bridge)接收交流电源Vac。
请参阅图6所示，在此以流程步骤方式，说明当负载装置具有瞬间高功率需求时，电源转换系统100的相应操作如后。在步骤S601中，负载装置产生瞬间高功率的需求。此时，电源转换系统100会分别针对“直流转直流端”与“交流转直流端”进行判断。“直流转直流端”主要是根据输出电流Io进行对应动作，对应于图6中步骤S602～步骤S606。“交流转直流端”则根据第一电压值V1进行动作，对应于图6中步骤S607～步骤S611。
首先，在步骤S602中，控制电路130判断输出电压Vo是否低于电流保护门槛Va。若是，则在步骤S603中，控制电路130将直接关断电源转换系统100，使其停止运行，避免内部元件受损。若输出电压Vo并未低于电流保护门槛Va，则在步骤S604中，控制电路130控制电压转换电路140提升其输出功率(即，电压转换电路140由第三模式调整至第四模式)。同时，控制电路130将第一电流门槛值提升至第二电流门槛值。在步骤S605中，控制电路130通过侦测电路120，判断输出电流值Io是否等于或大于第二电流门槛值。若是，则在步骤S606中，控制电路130使电源转换系统100停止运行。
此外，在“交流转直流端”的判断流程部分。在步骤S607中，控制电路130通过侦测电路120判断第一电压值V1是否大于或等于第一预设值Vtrip。若第一电压值V1大于或等于第一预设值Vtrip，则在步骤S608中，控制电源转换系统100运行于第二模式，通过第二升压电路PFC维持输出电压Vo。若第一电压值V1低于第一预设值Vtrip，则在步骤S609中，控制电路130关断开关元件110、导通第一升压电路IHC，以通过第二升压电路PFC及第一升压电路IHC进行两次升压处理，以维持第二节点N2的电压，并产生输出电压Vo。
在步骤S610中，控制电路130通过侦测电路120判断第一电压值V1是否上升至高于第一预设值Vtrip？若是，则回到步骤S607。若第一电压值V1尚未恢复至高于第一预设值Vtrip，则在步骤S611之中，持续驱动第一升压电路IHC，直到第一升压电路IHC的驱动时间大于预设时间tx。
前述各实施例中的各项元件、方法步骤或技术特征，是可相互结合，而不以本发明中的文字描述顺序或附图呈现顺序为限。
虽然本发明内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明内容，任何所属领域的技术人员，在不脱离本发明内容的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明内容的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种电源转换系统，其特征在于，所述电源转换系统包含：
第一储能元件，具有第一电压值；
第二储能元件，具有第二电压值；
第一升压电路，电性耦接于所述第一储能元件及所述第二储能元件之间；
开关元件，并联耦接所述第一升压电路；
控制电路，耦接所述第一升压电路及所述开关元件；以及
侦测电路，耦接所述第一储能元件及所述控制电路，用以侦测所述第一电压值；其中，当所述第一电压值低于第一预设值时，所述控制电路关断所述开关元件，且驱动所述第一升压电路，以根据所述第一电压值维持所述第二电压值，使所述电源转换系统运行于第一模式；当所述第一电压值等于或大于所述第一预设值时，所述控制电路导通所述开关元件，且关断所述第一升压电路，使所述电源转换系统运行于第二模式。
2.如权利要求1所述的电源转换系统，其特征在于，当所述第一升压电路的驱动时间大于预设时间时，所述控制电路使所述电源转换系统停止运行。
3.如权利要求1所述的电源转换系统，其特征在于，还包含：
电压转换电路，电性耦接所述第一升压电路，所述电压转换电路具有输出侧；以及
第三储能元件，并联耦接所述输出侧，所述第三储能元件具有输出电压值及输出电流值；其中，所述侦测电路耦接所述第三储能元件，所述控制电路耦接所述电压转换电路，所述电压转换电路运行在第三模式，当所述输出电压值低于电压门槛值时，所述控制电路使所述电源转换系统停止运行。
4.如权利要求3所述的电源转换系统，其特征在于，当所述第一电压值小于所述第一预设值且所述输出电压值等于或大于所述电压门槛值时，所述控制电路控制所述电压转换电路由所述第三模式调整至第四模式，所述第三模式的额定功率值小于所述第四模式的额定功率值。
5.如权利要求4所述的电源转换系统，其特征在于，当所述输出电流值等于或大于所述电压转换电路的第一电流门槛值时，所述控制电路将所述第一电流门槛值调整为第二电流门槛值，所述第一电流门槛值小于所述第二电流门槛值。
6.如权利要求5所述的电源转换系统，其特征在于，所述当所述输出电流值等于或大于所述第二电流门槛值时，所述控制电路使所述电源转换系统停止运行。
7.如权利要求4所述的电源转换系统，其特征在于，当所述第一电压值等于或大于所述第一预设值，且所述输出电流值等于或大于所述第一电流门槛值时，所述控制电路使所述电源转换系统停止运行。
8.如权利要求1所述的电源转换系统，其特征在于，所述第一升压电路包含：
第一电感；
第一二极管，串联耦接所述第一电感；以及
第一开关，耦接所述第一电感及所述第一二极管。
9.如权利要求1所述的电源转换系统，其特征在于，还包含第二升压电路，所述第二升压电路并联耦接所述第一储能元件。
10.如权利要求9所述的电源转换系统，其特征在于，所述第二升压电路包含：
第二电感；
第二二极管，串联耦接第二电感；以及
第二开关，耦接所述第二电感及所述第二二极管。
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