TWI373907B - Power conversion circuit and portable power supply device thereof - Google Patents

Description

J 37,3907 六、發明說明： % 【發明所屬之技術領域】 本案係關於一種電源轉換電路，尤指一種電源轉換電 路及其所適用之可攜式供電裝置。 【先前技術】 逆變器（inverter)是—種將直流電壓轉換成交流電壓 輸出之電源轉換器’其適用在可供應直流電源之場所，以 • 將直流電源轉換成交流電源。而應用在汽車上或可攜式之 直流電瓶上’將其直流電源透過逆變器轉換成交流電源， 以供給各式可攜式電子產品，例如：筆記型電腦、手機、 MP3隨身聽、照相機、照明燈或需緊急供應交流電之救生 用途等’以解決目前許多可攜式電子裝置於使用者外出時 無法充電，造成有設備卻無電可用之窘境。習知逆變器接 收直流電源後利用推挽式直流直流轉換器（push pull φ DC_DC Converter)將輸入之直流電壓進行升壓，再利用一 全橋直流交流轉換器（Full Bridge DC-AC Converter )將高 壓直流電壓轉換成一仿交流電壓輸出，以對所連接之負載 進行供電。 雖然習知逆變器利用推挽式直流直流轉換器（push Pull DC-DC Converter)以及全橋直流交流轉換器將直流電 ' 壓轉換成仿交流電壓輸出，而對負載進行供電，但是習知 * 推挽式直流直流轉換器，是經由兩個切換開關間交互切換 並透過變壓器作動進行升壓以於次級側產生高壓直流電 3 J373907 壓，而次級侧則需要設置四個二極體所組成之整流電路來 進行整流，其所需電子元件數量眾多，包函兩個主切換開 關、變壓器初級側需兩個繞組、及四個整流二極體，造成 線路複雜，體積龐大，成本提高。 再者，推挽式直流直流轉換器之初級側輸入直流電壓 與次級側高壓直流電壓之關係，即為變壓器初次級側之圈 數比，亦即為輸出仿交流電壓峰值與輸入電壓呈一定比 值。因此，輸入電壓的高低不同會造成輸出電壓高低差距 * 太大，即電壓變化率太大，容易對負載造成損害。 另外，推挽式直流直流轉換器之責任週期（Duty Cycle) 為固定，造成輕載或空載時輸入電源的浪費，無法達成節 能省電之功效。 且使用習知推挽式直流直流轉換器進行轉換電壓 時，所產生的高壓直流電壓會隨著輸入直流電壓的波動而 跟著改變，將造成全橋直流交流轉換器所轉換輸出之高壓 φ 交流電壓跟著波動。 為了解決上述問題，更發展出利用偵測輸出仿交流電 壓大小，以回授控制推挽式直流直流轉換器之責任週期大 小。此控制方法僅能使輸入電壓為高準位時，輸出電壓不 致於過高而損毀負載。而此種控制方式複雜，且響應速度 慢，亦無法提供良好的電源品質。 * 為了解決上述響應速度慢，且無法提供良好電源品質 * 的問題，更發展出利用偵測高壓直流電準位，以控制全橋 直流交流轉換器之責任週期大小，使輸出仿交流電壓值為 4 J373907 一疋值，而此種控制方式複雜，且響應速度慢，亦無法提 供良好的電源品質。 因此’如何發展一種可改善上述習知技術缺失之電源 轉換電路及其所適用之可攜式供電裝置，實為目前迫切需 要解決之問題。 【發明内容】 本案之主要目的在於提供一種電源轉換電路及其所 適用之可攜式供電裝置，俾解決傳統逆變器所使用之推挽 式直流直流轉換器，其組成電子元件數量眾多，且推挽式 直流直流轉換器為配合兩個切換開關，其内部之變壓器必 需設置兩組，加上次級側需四個整流二極體，使得製造成 本較高，回授控制方式亦複雜，且效果不顯著，且於空戟 及輕載時較不省電，以及推挽式直流直流轉換器所產生的 高壓直流電壓會隨著輸入直流電壓的波動而跟著改變，造 成直流交流轉換器所轉換輸出之仿交流電壓跟著波動，會 造成負載誤動作或是燒毀等缺點。 胃 為達上述目的，本案之一較廣義實施樣態為提供一種 電源轉換電路，其係接收直流電壓，至少包含：返驰式直 直》·ζιΐ·轉換裔（Flyback DC-DC Converter)，用以接收直、、宁 電壓，並將直流電壓轉換成固定之高壓直流電壓；電容 裔’與返驰式直流直流轉換器連接，用以對高壓直流電壤 進行遽波；以及直流交流轉換器’與電容器連接，用以將 濾波後之高壓直流電壓轉換成交流電壓輸出。 5 .1373907 為達上述目的，本案另提供一種可攜式供電裝置，至 少包含：儲能元件，用以提供直流電壓；電源轉換電路， 其係與儲能元件連接，並接收直流電壓，至少包含：返驰 式直流直流轉換器，用以接收直流電壓，並將直流電壓轉 換成固定之高壓直流電壓；電容器，與返驰式直流直流轉 換器連接，用以對高壓直流電壓進行濾波；以及直流交流 轉換器，與電容器連接，用以將濾波後之高壓直流電壓轉 換成交流電壓輸出。 【實施方式】 體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的 說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具 有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及 圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。 請參閱第一圖，其係為本案第一較佳實施例之電源轉 換電路之電路方塊結構圖，如圖所示，本案之電源轉換電 路1係接收一直流電壓Vin，至少包含返驰式直流直流轉 換器11、電容器12以及直流交流轉換器13，用以將直流 電壓Vin升壓並轉換成一交流電壓Vo輸出，以供電給所 連接之負載，其中返馳式直流直流轉換器11主要接收直 流電壓Vin，並將直流電壓Vin轉換成一固定之高壓直流 電壓VI，電容器12則連接於返馳式直流直流轉換器11 的輸出端與直流交流轉換器13的輸入端，用以對高壓直 流電壓VI進行濾波，最後則利用與電容器12連接之直流 6 .1373907 交流轉換器13將濾波後之高壓直流電壓VI轉換成交流電 壓Vo輸出。 請參閱第二圖，其係為第一圖内部之組成元件結構

圖，如圖所示，於一些實施例中，返驰式直流直流轉換器 11可包含一第一級電源電路111，該第一級電源電路1U 可由變壓器112、第一切換開關元件113以及整流電路114 所組成’變壓器112之初級側Np與第一切換開關元件113 連接且接收輸入之直流電壓Vin ’其係因應第一切換開關 元件113之導通或截止而使變壓器112儲能與釋能及升 壓，再經由整流電路114整流輸出該高壓直流電歷，而 整流電路114可為但不限為一二極體元件，其係與變壓器 112之次級側Ns連接，主要對變壓器112之次級側^所 感應之電壓進行整流而輸出之高壓直流電壓Vl，由上述内 容可知’本實施例之返驰式直流直流轉_ ^立内部僅 設置單-個第-切換開關元件113及單—二極體，所需的 電子元：數量較少，且不需要多個切換開關交互切 個内部電路的控制方式較簡易，且變壓器^ ^ 組的初級繞線，可降低製造成本，此改昱2僅品„又置一 取多，賴器製作複雜，製作成本高之^習知技術零件 於-些貫施例中，返胁式直流直流轉 更可包含一回授電路lb以及一第一 、° 、内部 -控制料116可為但不限為—脈衝工寬^路116 ’該第 (PWM __ eireuit) * —脈衝寬二—控制電路

controller)’且與回授電路115 =控制器（PWIVT 弟一切換開關元件113 7 .1373907 _ 連接，主要藉由輸出一控制信號V2至第一切換開關元件 113的方式來控制第一切換開關元件113運作。 至於，回授電路115則與整流電路114及第一控制電 路116連接，用以偵測經由整流電路114輸出之高壓直流 電壓VI是否與一預定電壓值相同，例如：110V，回授電 路115會依據高壓直流電壓VI對應產生一回授信號Vf至 第一控制電路116，使第一控制電路116因應該回授信號 0 Vf產生控制信號V2來控制第一切換開關元件113的切換 頻率或責任週期，由於返驰式直流直流轉換器11的電路 特性，經由控制初級側Np切換開關的責任週期，可使轉 換至次級側Ns的電能經整流及濾波後，得到一固定的高 壓直流電壓，且具有高暫態響應及高穩定度，以使第一級 . 電源電路111輸出之高壓直流電壓VI符合該預定電壓 值，改善習知技術推挽式直流直流轉換器之次級側輸出電 壓會隨著輸入電壓改變的缺點。 • 請參閱第三圖，由於本案之電源轉換電路1所使用之 返馳式直流直流轉換器11可藉由回授電路115及第一控制 電路116來控制第一切換開關元件113的切換頻率或責任 週期，以調整變壓器112之次級側Ns感應之電壓與第一 級電源電路111輸出之高壓直流電壓VI，因此當直流電壓 Vin的輸入電壓值產生波動時，返驰式直流直流轉換器11 ' 將不受波動的影響會持續輸出固定之高壓直流電壓VI，此 * VI具高穩定度及高暫態響應的特性，可解決習知技術因輸 出之交流電壓會隨著輸入直流電壓的變動而波動，而造成 8 .1373907 負載誤動作或是燒毀等缺點。 請再參閱第二圖，於一些實施例中，直流交流轉換器 13可為但不限為一全橋直流交流轉換器（Full Bridge DC-DC Converter )，且可包含一第二級電源電路131及一 第二控制電路132,第二級電源電路131係與電容器12及 第二控制電路132連接。第二級電源電路131可由複數組 第二切換開關元件所組成，於一些實施例中，可由第二切 換開關元件Ql、Q2、Q3、Q4，請配合參閱第二圖及第三 圖，其中Q1與Q3 —起作動，Q2則與Q4 —起作動，主 要因應第二控制電路132所傳送之控制信號而導通或截 止，於每一工作週期T中當Q1與Q3導通而Q2與Q4關 閉時，將輸出正極性的高壓直流電壓Vl(+VI)，即責任週 期（duty cycle) T1所輸出之電壓，反之，當Q2與Q4導 通而Q1與Q3關閉時，將輸出負極性的高壓直流電壓 Vl(-Vl)，即責任週期T2所輸出之電壓，進而將高壓直流 電壓VI轉換成交流電壓Vo輸出。 由於，返驰式直流直流轉換器11可將所接收之直流 電壓Vin轉換成一固定之高壓直流電壓VI輸出，因此只 要讓第二控制電路132輸出固定責任週期的控制信號，再 經由第二級電源電路131所轉換輸出之交流電壓Vo亦可 維持於一固定交流電壓，即交流電壓Vo之有效值固定， 不會隨著直流電壓Vin的電壓值波動而產生波動，使電源 轉換電路1可提供穩定之交流電壓Vo至負載端。 請再配合參閱第二圖及第三圖，如第三圖所示可知， 9 .1373907 本案之直流交流轉換器13所輸出之交流電壓Vo之輸出波 形係為一仿正弦波之交流電壓信號（Modify Sine Wave AC Output)，於一些實;^例中，當交流電壓Vo為零電壓準位 時，即時間週期T3時，電源轉換電路1不輸出功率，為 了防止第一級電源電路11持續輸出能量至電容器12而使 高壓直流電壓VI瞬間上升，第一控制電路116會控制第 一切換開關元件113停止運作。接續當交流電壓Vo為-VI 電壓準位時，即時間週期T2時，電源轉換電路1將恢復 輸出功率，為了防止電容器12因傳送能量至第二級電源 電路13而使得高壓直流電壓VI瞬間下降，第一控制電路 116將控制第一切換開關元件113開始運作，而在時間週 期T3使第一切換開關元件113停止運作的操作特性稱為 跳躍模式（Skip Mode)。因此，電容器12的高壓直流電壓 VI將維持在一固定且穩定的值，不隨著輸入電壓Vin變 動，且於時間週期T3時，第一級電源電路111並不會動 作，可減少損耗，以改善習知技術無法節能省電的缺點。 請參閱第四圖，其係為本案第二較佳實施例之可攜式 供電裝置之電路方塊示意圖，如圖所示，可攜式供電裝置 2主要由儲能元件21及電源轉換電路1所組成，其中儲能 元件21可為但不限為一電池，主要用來提供直流電壓 Vin，而電源轉換電路1之内部電路架構及作動原理已於第 一較佳實施例中說明，因此不再贅述。 請再參閱第三圖，由於本案之電源轉換電路1於交流 電壓Vo為零電壓準位時，即時間週期T3時控制第一切換 .1373907 開關元件113停止切換動作，可減少能量損耗，因此在此 時間内消耗儲能元件的電力很小，可延長儲能元件的使用 時間。 綜上所述，本案之電源轉換電路及其所適用之可攜式 供電裝置之返馳式直流直流轉換器係輸出固定之高壓直 流電壓，可使直流交流轉換器轉換輸出穩定及高暫態響應 之高壓交流電壓，且返驰式直流直流轉換器的内部組成電 子元件數量少，更沒有多個切換開關交互切換，可簡化内 • 部電路控制方式，且變壓器只需設置單一組初級繞組，可 降低製造成本，另外於交流電壓為零電壓準位時，控制第 一切換開關元件停止切換動作，可達到減少能量損耗之功 效。 是以，本案之電源轉換電路及其所適用之可攜式供電 裝置極具產業之價值，爰依法提出申請。 本案得由熟知此技術之人士任施匠思而為諸般修 φ 飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第一圖：其係為本案第一較佳實施例之電源轉換電路之電 路方塊結構圖。 第二圖：其係為第一圖内部之組成元件結構圖。 第三圖：其係為第二圖所示之電源轉換電路之運作波形 - 圖。 第四圖：其係為本案第二較佳實施例之電路方塊結構示意 圖。 11 .1373907 【主要元件符號說明】 電源轉換電路：1 返馳式直流直流轉換器：11 第一級電源電路：111 變壓器：112 第一切換開關元件：113 整流電路：114 回授電路：115 第一控制電路：116 電容器：12 直流交流轉換器：13 第二級電源電路：131 第二控制電路：132 可攜式供電裝置：2 儲能元件：21 直流電壓：Vin 高壓直流電壓:V1 控制信號:V2 交流電壓：VO 參考端:COM 次級側：Ns 初級側：Np 第二切換開關元件：Ql、Q2、Q3、Q4 12

Claims (1)

1. .13-73907 2012Ό7.20 修正 七、申請專利範圍： 1. 一種電源轉換電路，其係接收一直流電壓，至少包含： 一返馳式直流直流轉換器，用以接收該直流電壓， 並將該直流電壓轉換成一固定之高壓直流電壓，且該返 馳式直流直流轉換器包含一第一級電源電路及一第一控 制電路； 一電容器，與該返驰式直流直流轉換器連接，用以 對該高壓直流電壓進行濾波；以及 一直流交流轉換器，與該電容器連接，用以將濾波 後之該高壓直流電壓轉換成一交流電壓輸出； 其中，於該交流電壓為零電壓準位時，該第一控制 電路控制該第一級電源電路之一第一切換開關元件停止 運作。 2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換電路，其中該第 一級電源電路係包含一變壓器以及一整流電路，該變壓 器之初級側係與該第一切換開關元件連接且接收該直流 電壓，用以因應該第一切換開關元件之作動而於該變壓 器之次級側感應電壓使該第一級電源電路輸出該高壓直 流電壓，該整流電路係與該變壓器之該次級側連接，用 以整流。 3. 如申請專利範圍第2項所述之電源轉換電路，其中該返 馳式直流直流轉換器更包含一回授電路，該第一控制電 路係與該回授電路及該第一切換開關元件連接，該回授 13 .1373907 · ； · 2〇12·07·20 修正 電路係與該整流電路連接，用以偵測該整流電路輸出之 該高壓直流電壓，且依據該高壓直流電壓對應產生一回 授信號至該第一控制電路，使該第一控制電路因應該回 授信號產生一控制信號控制該第一切換開關元件運作， 以使該高壓直流電壓符合一預定電壓值。 4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換電路，其中該直 流交流轉換器係包含一第二級電源電路及一第二控制電 路，該第二級電源電路係與該電容器連接，該第二控制 電路係與該第二級電源電路連接。 5. 如申請專利範圍第4項所述之電源轉換電路，其中該第 二級電源電路係包含複數組第二切換開關元件，其受該 第二控制電路控制而導通或截止，以將該高壓直流電壓 轉換成該交流電壓輸出。 6. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換電路，其中該交 流電壓之輸出波形係為一仿正弦波之交流電壓信號。 7. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換電路，其中該直 流交流轉換器係為一全橋直流交流轉換器。 8. —種可攜式供電裝置，至少包含： 一儲能元件，用以提供一直流電壓； 一電源轉換電路，其係與該儲能元件連接，並接收 該直流電壓，至少包含： 一返驰式直流直流轉換器，用以接收該直流電壓， 並將該直流電壓轉換成一固定之高壓直流電壓，且該返 .1373907 . · j 2012.07.20 修正 驰式直流直流轉換器包含一第一級電源電路及一第一控 制電路； 一電容器，與該返驰式直流直流轉換器連接，用以 對該高壓直流電壓進行濾波；以及 一直流交流轉換器，與該電容器連接，用以將濾波 後之該高壓直流電壓轉換成一交流電壓輸出； 其中，於該交流電壓為零電壓準位時，該第一控制 電路控制該第一級電源電路之一第一切換開關元件停止 運作。 9. 如申請專利範圍第8項所述之可攜式供電裝置，其中該 第一級電源電路係包含一變壓器以及一整流電路，該變 壓器之初級側係與該第一切換開關元件連接且接收該直 流電壓，用以因應該第一切換開關元件之作動而於該變 壓器之次級側感應電壓使該第一級電源電路輸出該高壓 直流電壓，該整流電路係與該變壓器之該次級側連接， 用以整流。 10. 如申請專利範圍第9項所述之可攜式供電裝置，其中 該返驰式直流直流轉換器更包含一回授電路，該第一控 制電路係與該回授電路及該第一切換開關元件連接，該 回授電路係與該整流電路連接，用以偵測該整流電路輸 出之該高壓直流電壓，且依據該高壓直流電壓對應產生 一回授信號至該第一控制電路，使該第一控制電路因應 該回授信號產生一控制信號控制該第一切換開關元件運 15 .1373907 2012.07.20 修正 作，以使該高壓直流電壓符合一預定電壓值。 11. 如申請專利範圍第1〇項所述之可攜式供電裝置，其中 該直流交流轉換器係包含一第二級電源電路及一第二控 制電路，該第二級電源電路係與該電容器連接，該第二 控制電路係與該第二級電源電路連接。 12. 如申請專利範圍第11項所述之可攜式供電裝置，其中 該第二級電源電路係包含複數組第二切換開關元件，其 受該第二控制電路控制而導通或截止，以將該高壓直流 電壓轉換成該交流電壓輸出。 13. 如申請專利範圍第12項所述之可攜式供電裝置，其中 該交流電壓之輸出波形係為一仿正弦波之交流電壓信 號。 14. 如申請專利範圍第8項所述之可攜式供電裝置，其中 該直流交流轉換器係為一全橋直流交流轉換器。 16