TW201720040A

TW201720040A - 無橋式交直流轉換器

Info

Publication number: TW201720040A
Application number: TW104139324A
Authority: TW
Inventors: Yi-Hong Liao; jia-yi Zhu
Original assignee: Yi-Hong Liao
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01
Also published as: TWI560990B

Abstract

一種無橋式交直流轉換器，適用於轉換一電源模組所輸出的一交流信號，並對一負載電路輸出一相關於該轉換結果的直流信號。該轉換器包含一輸出電路、一功率控制模組，及一輸出控制模組。該功率控制模組包括一雙向電路，及一根據一功率控制信號，以控制該雙向電路的功率控制埠。該輸出控制模組包括一第一開關、一第二開關、一與該雙向電路一端相連接的匯集點，及一可根據一輸出控制信號，以控制該第一、二開關的輸出控制埠。藉由該輸出控制信號與該功率控制信號的切換操作，使該交流信號與該直流信號不會同時在同一迴路上傳輸。

Description

無橋式交直流轉換器

本發明是有關於一種轉換器，特別是指一種無橋式交直流轉換器。

隨著科技進步，有愈來愈多的電子產品進入到人們的生活周遭，為使用者帶來更加便利的生活。不過，目前的電子產品多是使用直流電源，而一般傳輸電網則是使用交流電源。因此，便需要一交直流轉換器來進行轉換。

早期的交直流轉換器是採用橋式二極體進行整流。由於二極體導通時間只發生於輸入電源電壓大於直流輸出電壓的時候，因而導致此類轉換器的工作責任週期受到限制。同時，諧波電流成分增加，造成整體電路的功率因數（Power Factor，PF）下降。更重要的是，此類轉換器的輸出直流側容易產生二次漣波電壓，而對電子產品的壽命與性能有不利的影響。

為了改善上述轉換器的缺點，而有主動式功率因數校正電路的產生。其中，根據主動式功率因數校正電路內模組元件的串聯級數，可分為多級式轉換器與單級式轉換器。如圖1所示，多級式轉換器係採用一橋式整流器（Bridge Rectifier）與一結合升壓型轉換器(Boost Converter)的功率因數修正電路作為此類轉換器中的前兩級架構。其輸出電壓具有較高的穩定性、較小的漣波振幅，以及容易控制等優點。但是，一般應用上，還需要再接一直流升降壓轉換器（DC-DC Step Up/Down Converter），造成其轉換效率較低、體積龐大，及成本昂貴等缺點，所以逐漸被單級式轉換器取代。由圖2可看出，單級式轉換器屏除了該橋式整流器，而直接把功率因數修正電路（PFC Circuit）與升降壓電路（AC-DC Converter）結合，以提高轉換效率、縮小體積，及降低成本。另外，透過功率因素修正電路中的開關切換，即可方便進行功率因素修正，提升電路整體效能。然而，依據文獻「A. J. Sabzali, E. H. Ismail, M. A. Al-Saffar, A. A. Fardoun, , “New Bridgeless DCM Sepic and Cuk PFC Rectifiers With Low Conduction and Switching Losses,” Industry Applications, IEEE Transactions on, vol.47, no.2, pp.873-881, March-April 2011.」所指出的單級式轉換器，其電路內的複數開關必須承受輸入電流與電容的放電電流衝擊，造成該等開關的耐電流值必須提高，而增加製造成本。

因此，本發明之目的，即在提供一種能隔離輸入電流與放電電流，以降低開關的耐電流值的無橋式交直流轉換器。

於是，本發明無橋式交直流轉換器，適用於電連接於一電源模組及一負載電路之間，以轉換該電源模組所輸出的一交流信號，並對該負載電路輸出一相關於該轉換結果的直流信號。該轉換器包含一輸出電路、一功率控制模組，及一輸出控制模組。

該輸出電路係與該負載電路電連接，以形成一輸出迴路。

該功率控制模組包括一與該電源模組串聯，且具有一第一端及一第二端的雙向電路，及一根據一功率控制信號，以控制該雙向電路在導通與截止之間切換的功率控制埠。

該輸出控制模組係與該輸出電路電連接，並包括頭尾串聯的一第一開關與一第二開關、一介於該第一、二開關之間，且與該雙向電路的第一端相連接的匯集點，及一可根據一輸出控制信號，以控制該第一、二開關在導通與截止之間切換的輸出控制埠。

本發明之功效在於：藉由該輸出控制信號與該功率控制信號的切換操作，使該交流信號與該直流信號不會同時在同一迴路上傳輸，而能有效降低相關元件的耐電流值，以節省相關元件的成本。

在本新型被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3，本發明無橋式交直流轉換器的一第一實施例適用於電連接於一電源模組700及一負載電路800之間，以轉換該電源模組700所輸出的一交流信號，並對該負載電路800輸出一相關於該轉換結果的直流信號。並且，該電源模組700具有一交流電源710，及一電連接於該交流電源710其中一端的輸入電感L₁ 。

該第一實施例包含一輸出電路100、一功率控制模組300，及一輸出控制模組500。

該輸出電路100係與該負載電路800電連接，以形成一輸出迴路。該輸出電路100包括一與該負載電路800並聯的輸出電容C_O 、一輸出電感L₂ 、一第一二極體D₁ 、一第二二極體D₂ 、一第一電容C₁ ，及一第二電容C₂ 。

該功率控制模組300包括一由一第三開關S_W1 及一第四開關S_W2 串聯形成的雙向電路310，及一根據一功率控制信號D_W ，以同時控制該第三、四開關S_W1 、S_W2 在導通與截止之間切換的功率控制埠。要說明的是，該第三開關S_W1 及該第四開關S_W2 是具有限制電流方向及能在導通與截止之間切換的開關，而在本實施例中，是由一N型功率半導體電晶體背接一二極體所組成。其中，該二極體的正極與該N型功率半導體電晶體的源極相接，其負極與該N型功率半導體電晶體的汲極相接；並且，該第三、四開關S_W1 、S_W2 的源極相連接。第三開關S_W1 的汲極形成該雙向電路310的第一端，該第四開關S_W2 的汲極形成該雙向電路310的第二端。該輸入電感L₁ 遠離該交流電源710的一端與該雙向電路310的第一端電連接，該交流電源710的其中另一端與該雙向電路310的第二端電連接。

該輸出控制模組500係與該輸出電路100電連接，並包括頭尾串聯的一第一開關S₀₁ 與一第二開關S₀₂ 、一介於該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 之間，且與該雙向電路310的第一端相連接的匯集點A，及一可根據一輸出控制信號D_O ，以控制該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 在導通與截止之間切換的輸出控制埠。要說明的是，該第一開關S₀₁ 及該第二開關S₀₂ 同樣是具有限制電流方向及能在導通與截止之間切換的開關，而在本實施例中，同樣是由一N型功率半導體電晶體背接一二極體所組成。該二極體的正極與該N型功率半導體電晶體的源極相接，其負極與該N型功率半導體電晶體的汲極相接。該匯集點A連接該第一開關S₀₁ 的源極與該第二開關S₀₂ 的汲極。

要說明的是，該輸出電容C_O 具有一第一端及一第二端。該輸出電感L₂ 具有一與該輸出電容C_O 第一端電連接的第一端，及一第二端。該第一二極體D₁ 具有一與該輸出電容C_O 第二端電連接的第一端，及一與該雙向電路310的第二端電連接的第二端。該第二二極體D₂ 具有一與該第一二極體D₁ 第二端電連接的第一端，及一與該輸出電容C_O 第二端電連接的第二端。該第一電容C₁ 具有一與該輸出電感L₂ 第二端電連接的第一端，及一與該第一開關S₀₁ 電連接的第二端。該第二電容C₂ 具有一與該第二二極體D₂ 第二端電連接的第一端，及一與該第二開關S₀₂ 電連接的第二端。此外，該第一、二二極體D₁ 、D₂ 的第一端均為正極，而其第二端均為負極。

由於該交流電源710在正半週期與負半週期的動作原理相似，因此以該交流電源710於正半週期的轉換動作來進行說明。並且，針對該功率控制信號D_W 及該輸出控制信號D_O 的切換週期，可以分成四個工作模式，以下將分別針對該等工作模式說明。同時，為了方便分析，電路中的所有元件，如開關、二極體、電容，及電感等均假設為理想元件。

工作模式一：參閱圖8，當t 在t₀ 至t₁ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 為與該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 同時呈現邏輯電壓1時，該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 與該第三、四開關S_W1 、S_W2 將同時導通，其等效電路如圖4所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖8所示。其中，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 開始上升，且其電壓v_L1 等於該交流電源710的電壓v_S ；以及，該第一、二電容C₁ 、C₂ 開始放電，使得該等電容的電壓v_C1 、v_C2 下降，該等電容的電流i_C1 、i_C2 流向該輸出電感L₂ 及該負載電路800，該輸出電感L₂ 開始激磁，使其電流i_L2 上升，且其電壓v_L2 等於v_C1 +v _C2 -v_O 。

工作模式二：參閱圖8，當t 在t₁ 至t₂ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 呈現邏輯電壓0，且該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 呈現邏輯電壓1時，使該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 截止，而該第三、四開關S_W1 、S_W2 導通，其等效電路如圖5所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖8所示。其中，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 持續上升，且其電壓v_L1 仍然等於該交流電源710的電壓v_S ；此時，該第一、二電容C₁ 、C₂ 停止放電，而使得該等電容的電壓v_C1 、v_C2 維持固定，該輸出電感L₂ 開始去磁，使其電流i_L2 下降，且其電壓v_L2 等於該輸出電容C_O 的電壓v_CO 。

工作模式三：參閱圖8，當t 在t₂ 至t₃ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 與該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 同時呈現邏輯電壓0時，使該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 與該第三、四開關S_W1 、S_W2 同時截止，其等效電路如圖6所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖8所示。其中，該輸入電感L₁ 開始去磁，使其電壓v_L1 等於該交流電源710的電壓v_S 減去該第一電容C₁ 的電壓v_C1 ；此時，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 對該第一電容C₁ 充電，而使得該第一電容C₁ 的電壓v_C1 開始上升；另外，該輸出電感L₂ 持續去磁，使其電流i_L2 持續下降，且其電壓v_L2 等於該輸出電容C_O 的電壓v_CO 。

工作模式四：參閱圖8，當t 在t₃ 至t₄ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 與該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 同時呈現邏輯電壓0時，使該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 與該第三、四開關S_W1 、S_W2 同時截止，其等效電路如圖7所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖8所示。其中，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 開始下降，且其電壓v_L1 等於該交流電源710的電壓v_S 減去該第一電容C₁ 的電壓v_C1 ；此時，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 仍對該第一電容C₁ 充電，而使得該第一電容C₁ 的電壓v_C1 持續上升；另外，該輸出電感L₂ 停止去磁，使其電流i_L2 為零。

根據以上分析，當該交流電源710的電壓v_S 在正半週期內，且該輸入電感L₁ 的電流i_L1 在該功率控制信號D_W 進行週期變換時，依據伏秒平衡（Volt-second Balance）原理，該輸入電感L₁ 的電壓v_L1 積分一週平均值為零。整理後可得(1)式。

(1)

同理，該輸出電感L₂ 在該輸出控制信號D_O 進行週期變換時，該輸出電感L₂ 的電壓v_L2 積分一週平均值為零。整理後可得(2)式。

(2)

而當該交流電源710的電壓v_S 於負半週期時，依照伏秒平衡原理，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 在該功率控制信號D_W 進行週期變換時，依據伏秒平衡（Volt-second Balance）原理，該輸入電感L₁ 的電壓v_L1 積分一週平均值為零。整理後可得(3)式。

(3)

結合公式(1)至(3)，可得到對於該負載電路800的電壓v_O 的電壓增益，如式(4)所示。

(4)

由(4)可知，與傳統無橋式交直流轉換器相比，本發明無橋式交直流轉換器具有兩倍的電壓增益。同時，該第一、二電容C₁ 、C₁ 的電壓v_C1 與v_C2 之間也具有互補的效果；因此，可以有效地降低該直流信號中漣波成分的電壓大小。對於接受該直流信號輸出的電子產品來說，不僅能確保本身的使用壽命及性能，還有減少濾波電路的設置，以降低製造成本。此外，根據上述各工作模式下的電流迴路可以看出，本發明能將輸入的該交流信號與轉換後輸出的直流信號分離，讓該第三、四開關S_W1 、S_W2 所承受的電流只有該交流信號的一半大小，而該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 只有電流i_L2 通過。與習知轉換器相比，確實能降低相關電子元件的耐電流值。對於製造商而言，不僅可透過選用低耐電流值的元件來降低採購成本，並且對於相關元件的使用年限也能有所提升。

此外，若是要相對於圖3的實施態樣，而改變該直流信號的輸出方向，其實施態樣可如圖9所示。其中，有所差異的地方在於，該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 與該第一、二二極體D₁ 、D₂ 的第一端與第二端彼此互換。也就是說，該匯集點A連接該第一開關S₀₁ 的汲極與該第二開關S₀₂ 的源極，而該第一、二二極體D₁ 、D₂ 的第一端均為負極，而其第二端均為正極。

另外，根據電路原理，該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 的跨壓係相關於該輸出電容C_O 的電壓v_CO 。因此，若想減少該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 所承受的電壓大小，則可將該輸出電容C_O 一分為二，並分別產生兩個電迴路，如圖10所示。其中，該輸出電路100包括二個相串聯的輸出電容C₀₁ 、C₀₂ ，及二個輸出電感L₂ 、L₃ 。並且，該輸出電容C₀₁ 的第一端與該輸出電感L₂ 的第一端電連接；該輸出電感L₂ 的第二端與該第一二極體D₁ 的第一端電連接；該第一二極體D₁ 的第二端與該輸出電容C₀₁ 的第二端電連接；該輸出電容C₀₂ 的第一端與該第一二極體D₁ 的第二端電連接；該輸出電容C₀₂ 的第二端與該輸出電感L₃ 的第一端電連接；該輸出電感L₃ 的第二端與該第二二極體D₂ 的第二端電連接。而且，該第一、二二極體D₁ 、D₂ 的第一端均為正極，而其第二端均為負極。如此一來，該第一開關S₀₁ 的跨壓係相關於該輸出電容C₀₁ 的電壓v_Co1 ；該第二開關S₀₂ 的跨壓係相關於該輸出電容C₀₂ 的電壓v_Co2 。並且，該等電壓v_Co1 、v_Co2 均小於原來的電壓v_CO ，故此電路架構可減少該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 所承受的電壓值，而得以選用低耐壓的開關。

然而，上述的實施態樣均是將本發明無橋式交直流轉換器進行升降壓轉換的應用。但是，本發明同樣也能進行降升壓轉換。

因此，參閱圖11，本發明無橋式交直流轉換器的一第二實施例適用於電連接於一電源模組700及一負載電路800之間，以轉換該電源模組700所輸出的一交流信號，並對該負載電路800輸出一相關於該轉換結果的直流信號。並且，該電源模組700具有一交流電源710，及一電連接於該交流電源710其中一端的輸入電感L₁ 。

該第二實施例包含一輸出電路200、一功率控制模組300，及一輸出控制模組500。其中，該功率控制模組300與該輸出控制模組500皆與該第一實施例相同。所以，有關該功率控制模組300與該輸出控制模組500的相關結構將不再贅述。

該輸出電路200係與該負載電路800電連接，以形成一輸出迴路。該輸出電路200包括一與該負載電路800並聯的輸出電容C_O 、一第一二極體D₁ 、一第二二極體D₂ 、第三二極體D₃ 、一第一電感L₂ 、一第二電感L₃ 、一第一電容C₁ ，及一第二電容C₂ 。其中，上述各元件皆分別具有一第一端及一第二端。並且，該第一二極體D₁ 的第一端與該輸出電容C_O 的第一端電連接，該第一二極體D₁ 的第二端與該第二二極體D₂ 的第一端，及該第一電容C₁ 的第一端電連接。該第二二極體D₂ 的第二端與該第一電感L₂ 的第一端電連接；該第一電感第二端與該雙向電路第二端，及其中其他二極體第一端電連接。該第三二極體D₃ 的第二端與該第二電感L₃ 的第一端電連接。該第二電感L₃ 的第二端與該第二電容C₂ 的第一端，及該輸出電容C_O 的第二端電連接。另外，該第一電容C₁ 的第二端與一第一開關S₀₁ 的汲極電連接；該第二電容C₂ 的第二端與一第二開關S₀₂ 的源極電連接。該第一開關S₀₁ 的源極與該第二開關S₀₂ 的汲極均電連接於一匯集點A。此外，該第一、二、三二極體D₁ 、D₂ 、D₃ 的第一端均為負極，而其第二端均為正極。

工作模式一：參閱圖16，當t 在t₀ 至t₁ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 為與該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 同時呈現邏輯電壓1時，該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 與該第三、四開關S_W1 、S_W2 將同時導通，其等效電路如圖12所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖16所示。其中，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 開始上升，且其電壓v_L1 等於該交流電源710的電壓v_S ；以及，該第一、二電容C₁ 、C₂ 進行放電，使得該等電容的電壓v_C1 、v_C2 下降；並且，該等電容的電流i_C1 、i_C2 流向該第一、二電感L₂ 、L₃ 做激磁，使得該等電感的電流i_L2 、i_L3 上升。同時，該第一電感L₂ 的電壓v_L2 等於該第一電容C₁ 的電壓v_C1 ；該第二電感L₃ 的電壓v_L3 等於該第二電容C₂ 的電壓v_C2 。

工作模式二：參閱圖16，當t 在t₁ 至t₂ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 呈現邏輯電壓0，且該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 呈現邏輯電壓1時，使該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 截止，而該第三、四開關S_W1 、S_W2 導通，其等效電路如圖13所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖16所示。其中，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 持續上升，且其電壓v_L1 仍然等於該交流電源710的電壓v_S ；此時，該第一、二電容C₁ 、C₂ 停止放電，而使得該等電容的電壓v_C1 、v_C2 維持固定，該等第一、二電感L₂ 、L₃ 開始去磁，使其電流i_L2 、i_L3 下降，並流向該負載電路800，而使該負載電路800的電壓v_O 等於該第一、二電感L₂ 、L₃ 的電壓總和，即v_O =v_L2 + v_L3 。

工作模式三：參閱圖16，當t 在t₂ 至t₃ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 與該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 同時呈現邏輯電壓0時，使該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 與該第三、四開關S_W1 、S_W2 同時截止，其等效電路如圖14所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖16所示。其中，該輸入電感L₁ 開始去磁，其電壓v_L1 等於該交流電源710的電壓v_S 減去該第一電容C₁ 的電壓v_C1 、該負載電路800的電壓v_O ，及該第二電感L₂ 的電壓v_L3 ，即v_L1 =v_s -v_C1 -v_O -v_L3 。此時，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 對該第一電容C₁ 充電，而使得該第一電容C₁ 的電壓v_C1 開始上升；另外，該第一、二電感L₂ 、L₃ 持續去磁，使其電流i_L2 、i_L3 持續下降，並流向該負載電路800，而使該負載電路800的電壓v_O 等於該第一、二電感L₂ 、L₃ 的電壓總和，即v_O =v_L2 + v_L3 。

工作模式四：參閱圖16，當t 在t₃ 至t₄ 時段內，該輸出控制信號D_O 的電壓v_DO 與該功率控制信號D_W 的電壓v_DW 仍然同時呈現邏輯電壓0時，使該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 與該第三、四開關S_W1 、S_W2 同時截止，其等效電路如圖15所示；並且，該等效電路內的各元件電流及電壓如圖16所示。其中，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 持續下降，且其電壓v_L1 =v_s -v_C1 -v_O -v_L3 ；此時，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 仍對該第一電容C₁ 充電，而使得該第一電容C₁ 的電壓v_C1 持續上升，該第一電感L₂ 的電流i_L2 為零；另外，該第二電感L₃ 持續去磁，使其電流i_L3 下降，而其電壓v_L3 =v_s -v_C1 -v_O -v_L1 。

根據以上分析，當該交流電源710的電壓v_S 在正半週期內，且該輸入電感L₁ 的電流i_L1 在該功率控制信號D_W 進行週期變換時，依據伏秒平衡（Volt-second Balance）原理，該輸入電感L₁ 的電壓v_L1 積分一週平均值為零。整理後可得(5)式。

(5)

並且，該第一、二電感L₂ 、L₃ 均在不連續導通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）下，在該輸出控制信號D_O 進行週期變換時，其電壓和v_L2 + v_L3 的積分一週平均值為零。整理後可得(6)式。

(6)

而當該交流電源710的電壓v_S 於負半週期時，依照伏秒平衡原理，該輸入電感L₁ 的電流i_L1 在該功率控制信號D_W 進行週期變換時，依據伏秒平衡（Volt-second Balance）原理，該輸入電感L₁ 的電壓v_L1 積分一週平均值為零。整理後可得(7)式。

(7)

結合公式(5)至(7)，可得到對於該負載電路800的電壓v_O 的電壓增益，如式(8)所示。

(8)

由(8)可知，與傳統SEPIC交直流轉換器相比，本發明無橋式交直流轉換器應用於降升壓轉換，除了摒除橋式整流二極體，可大幅縮減電路體積，降低製造成本，並可以減少電路在零件上傳導之損耗。並且，同樣具有兩倍的電壓增益；以及，該第一、二電容C₁ 、C₁ 的電壓v_C1 與v_C2 之間所具有互補的效果，而能有效地降低該直流信號中漣波成分的電壓大小。另外，由上述各工作模式下的電流迴路可以看出，本發明應用於降升壓轉換，同樣能將輸入的該交流信號與轉換後輸出的直流信號分離，而降低相關電子元件的耐電流值。同時，藉由該功率控制信號D_W 的調控，而壓低諧波電流成分，以提高整體電路的功率因數，產生修正功率因數的效果。

此外，該第一、二電感L₂ 、L₃ 也可以相互耦合，以節省電路體積，如圖17所示。另外，根據電路原理，該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 的跨壓係相關於該輸出電容C_O 的電壓v_CO 。因此，若想減少該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 所承受的電壓大小，則可將該輸出電容C_O 一分為二，並分別產生兩個電迴路，如圖18所示。其中，該輸出電路200包括二個相串聯的輸出電容C₀₁ 、C₀₂ ，及二個二極體D₁ 、D₂ 。並且，該輸出電容C₀₁ 的第一端與該二極體D₁ 的第一端電連接；該二極體D₁ 的第二端與該第一電感L₂ 的第一端電連接；該第一電感L₂ 的第二端，電連接於該輸出電容C₀₁ 的第二端，及該輸出電容C₀₂ 的第一端；該輸出電容C₀₂ 的第二端與該二極體D₂ 的第二端電連接；該二極體D₂ 的第一端與該第二電感L₃ 的第二端電連接；該第二電感L₃ 的第一端與該第一電感L₂ 的第二端電連接。該等二極體D₁ 、D₂ 的第一端均為負極，而其第二端均為正極。如此一來，該第一開關S₀₁ 的跨壓係相關於該輸出電容C₀₁ 的電壓v_Co1 ；該第二開關S₀₂ 的跨壓係相關於該輸出電容C₀₂ 的電壓v_Co2 。並且，該等電壓v_Co1 、v_Co2 均小於原來的電壓v_CO ，故此電路架構可減少該第一、二開關S₀₁ 、S₀₂ 所承受的電壓值，而得以選用低耐壓的開關。

綜上所述，本發明藉由該等開關，並配合該功率控制信號D_W 及該輸出控制信號D_O 的控制，來達到零電壓切換及功率因數修正之效果。並且，不論是應用在升降壓轉換，或是降升壓轉換，皆能產生兩倍的電壓增益，以及降低相關電子元件的耐電流值，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100、200‧‧‧輸出電路
300‧‧‧功率控制模組
310‧‧‧雙向電路
500‧‧‧輸出控制模組
700‧‧‧電源模組
710‧‧‧交流電源
800‧‧‧負載電路
A‧‧‧匯集點
C₁ ‧‧‧第一電容
C₂ ‧‧‧第二電容
C_O ‧‧‧輸出電容
D₁ ‧‧‧第一二極體
D₂ ‧‧‧第二二極體
D₃ ‧‧‧第三二極體
D_O ‧‧‧輸出控制信號
D_W ‧‧‧功率控制信號
L₁ ‧‧‧輸入電感
L₂ ‧‧‧輸出電感
L₂ ‧‧‧第一電感
L₃ ‧‧‧第二電感
S₀₁ ‧‧‧第一開關
S₀₂ ‧‧‧第二開關
S_W1 ‧‧‧第三開關
S_W2 ‧‧‧第四開關
t,t₀ ,t₁ ,t₂ ,t₃ ,t₄ ,D₁T,D₂T,D₃T,D₄T‧‧‧時間
v_DO ,v_DW ,v_L1 ,v_L2 ,v_L3 ,v_S ,v_O ,v_C1 ,v_C2 ,v_CO ,v_Co1 ,v_Co2 ‧‧‧電壓
i_L1 ,i_L2 ,i_L3 ,i_in ,i_O ,i_C1 ,i_C2 ,i_CO ,i_D1 ,i_D2 ‧‧‧電流

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明習知一多級式交直流轉換器；圖2是一示意圖，說明習知一單級式交直流轉換器；圖3是一電路示意圖，說明本發明無橋式交直流轉換器的一第一實施例；圖4是一電路圖，說明該第一實施例操作於工作模式一；圖5是一電路圖，說明該第一實施例操作於工作模式二；圖6是一電路圖，說明該第一實施例操作於工作模式三；圖7是一電路圖，說明該第一實施例操作於工作模式四；圖8是一波形示意圖，說明該第一實施例的工作波形；圖9是一電路圖，說明該第一實施例的另一實施態樣；圖10是一電路圖，說明該第一實施例的另一實施態樣；圖11是一電路示意圖，說明本發明無橋式交直流轉換器的一第二實施例；圖12是一電路圖，說明該第二實施例操作於工作模式一；圖13是一電路圖，說明該第二實施例操作於工作模式二；圖14是一電路圖，說明該第二實施例操作於工作模式三；圖15是一電路圖，說明該第二實施例操作於工作模式四；圖16是一波形示意圖，說明該第二實施例的工作波形；圖17是一電路圖，說明該第二實施例的另一實施態樣；及圖18是一電路圖，說明該第二實施例的另一實施態樣。

100‧‧‧輸出電路

300‧‧‧功率控制模組

310‧‧‧雙向電路

500‧‧‧輸出控制模組

700‧‧‧電源模組

710‧‧‧交流電源

800‧‧‧負載電路

A‧‧‧匯集點

C ₁‧‧‧第一電容

D ₁‧‧‧第一二極體

D ₂‧‧‧第二二極體

D _O‧‧‧輸出控制信號

D _W‧‧‧功率控制信號

L ₁‧‧‧輸入電感

L ₂‧‧‧輸出電感

S ₀₁‧‧‧第一開關

S ₀₂‧‧‧第二開關

S _W1‧‧‧第三開關

C ₂‧‧‧第二電容

C _O‧‧‧輸出電容

S _W2‧‧‧第四開關

Claims

一種無橋式交直流轉換器，適用於電連接於一電源模組及一負載電路之間，以轉換該電源模組所輸出的一交流信號，並對該負載電路輸出一相關於該轉換結果的直流信號，該轉換器包含：一輸出電路，係與該負載電路電連接，以形成一輸出迴路；一功率控制模組，包括一與該電源模組串聯，且具有一第一端及一第二端的雙向電路，及一根據一功率控制信號，以控制該雙向電路在導通與截止之間切換的功率控制埠；及一輸出控制模組，係與該輸出電路電連接，並包括頭尾串聯的一第一開關與一第二開關、一介於該第一、二開關之間，且與該雙向電路的第一端相連接的匯集點，及一可根據一輸出控制信號，以控制該第一、二開關在導通與截止之間切換的輸出控制埠，藉由該輸出控制信號與該功率控制信號的切換操作，使該交流信號與該直流信號不會同時在同一迴路上傳輸。
如請求項1所述的無橋式交直流轉換器，其中，該雙向電路還具有一背對背配置接線的一第三開關及一第四開關，該第一端形成於該第三開關上，該第二端形成於該第四開關上。
如請求項2所述的無橋式交直流轉換器，其中，該第三開關及該第四開關均為由一N型功率半導體電晶體背接一二極體組成；該二極體的正極與該N型功率半導體電晶體的源極相接，其負極與該N型功率半導體電晶體的汲極相接；該第一端為第三開關的汲極，該第二端為該第四開關的汲極，而該第三、四開關的源極相連接。
如請求項1所述的無橋式交直流轉換器，其中，該第一開關及該第二開關為由一N型功率半導體電晶體背接一二極體組成；該二極體的正極與該N型功率半導體電晶體的源極相接，其負極與該N型功率半導體電晶體的汲極相接；該匯集點連接該第一開關的源極與該第二開關的汲極；該電源模組具有一交流電源，及一輸入電感，該輸入電感電連接於該交流電源一端與該匯集點之間，而該交流電源的另一端與該雙向電路的第二端連接。
如請求項1所述的無橋式交直流轉換器，其中，該輸出電路包括至少一與該負載電路並聯的輸出電容，至少一輸出電感、一第一二極體，及一第二二極體；該輸出電容具有一第一端及一第二端；該輸出電感具有一與該輸出電容第一端電連接的第一端，及一第二端；該第一二極體具有一與該輸出電容第二端電連接的第一端，及一與該雙向電路第二端電連接的第二端；該第二二極體具有一與該第一二極體第二端電連接的第一端，及一與該輸出電容第二端電連接的第二端。
如請求項5所述的無橋式交直流轉換器，其中，該輸出電路還包括一第一電容及一第二電容；該第一電容具有一與該輸出電感第二端電連接的第一端，及一與該第一開關電連接的第二端；該第二電容具有一與該第二二極體第二端電連接的第一端，及一與該第二開關電連接的第二端。
如請求項5所述的無橋式交直流轉換器，其中，該輸出電路包括複數相串聯的輸出電容，及複數輸出電感；該等輸出電容及該等輸出電感的數目均為二個；其中之一輸出電容第一端與其中之一輸出電感第一端電連接，該輸出電感第二端與該第一二極體第一端電連接，該第一二極體第二端與該輸出電容第二端電連接；其中另一輸出電容第一端與該第一二極體第二端電連接，該輸出電容第二端與其中另一輸出電感第一端電連接，該輸出電感第二端與該第二二極體第二端電連接。
如請求項1所述的無橋式交直流轉換器，其中，該輸出電路包括至少一與該負載電路並聯的輸出電容、相串聯的複數二極體、一第一電感與一第二電感、一第一電容，及一第二電容；該輸出電容、該等二極體、該第一、二電感，及該第一、二電容皆分別具有一第一端及一第二端。
如請求項8所述的無橋式交直流轉換器，其中，該等二極體的數目為三個，且其中之一二極體第一端與該輸出電容第一端電連接，該二極體第二端與其中另一二極體第一端，及該第一電容第一端電連接；其中另一二極體第二端與該第一電感第一端電連接；該第一電感第二端與該雙向電路第二端，及其中其他二極體第一端電連接；其中其他二極體第二端與該第二電感第一端電連接；該第二電感第二端與該第二電容第一端，及該輸出電容第二端電連接；該第一電容第二端與該第一開關電連接；該第二電容第二端與該第二開關電連接。
如請求項8所述的無橋式交直流轉換器，其中，該輸出電路包括複數相串聯的輸出電容，且該等輸出電容及該等二極體的數目均為二個；其中之一輸出電容第一端與其中之一二極體第一端電連接，該二極體第二端與該第一電感第一端電連接，該第一電感第二端與該輸出電容第二端電連接；其中另一輸出電容第一端與該第一電感第二端電連接，該輸出電容第二端與其中另一二極體第一端電連接，該第二電感第二端與該二極體第二端電連接。