TWI411216B - 無需電解電容之電源轉換器及其電源轉換方法 - Google Patents

Description

無需電解電容之電源轉換器及其電源轉換方法

本發明係有關於一種電源轉換器，尤其是指一種無需電解電容之電源轉換器。

為便於使用者使用上的方便，一般市面上之電器用品幾乎都可使用市電直接供電；但對於部分僅具有單向導通特性之電子(或半導體)元件而言，若直接連接於市電插座上，將造成元件本身的損壞。因此在交流電與電子元件之間需透過一交流/直流轉換器，將市電轉換為直流電源，如此具有單向導通電子元件的電器用品即可直接連接於市電的插座上。

習知的交流/直流轉換器主要將一交流電源經整流後，再由一具有大電容值的電解電容進行濾波，藉以得到近似於直流的電壓，供給後端具單向導通特性的負載使用。

然而，由於電解電容的壽命相較於其他電子元件來得短，因此當電器用品發生故障時，往往是由於交流/直流轉換器中的電解電容壽命終止，導致電源轉換器發生故障或損壞；加上電解電容本身的體積相較於其他電子零件來得大，使得交流/直流轉換電路在設計上無法小型化。

鑒於先前技術所述，本發明之一目的，在於提供一種無需電解電容之電源轉換器。

該無需電解電容之電源轉換器，係用以將輸入之一具有預定電壓波封之全波整流信號轉換為一趨於平穩之直流電壓，該無需電解電容之電源轉換器包含一諧振轉換單元、一控制單元及一濾波電容器。

該控制單元係電連接於該全波整流信號，該控制單元用以將該全波整流信號轉換成一具有高頻切換變化成份之信號，該具有高頻切換變化成份之信號在一第一電壓時具有一第一頻率，該具有高頻切換變化成份之信號在一第二電壓時具有一第二頻率；該諧振轉換單元，電連接於該全波整流信號及該控制單元，該諧振轉換單元包含一諧振電感器及一諧振電容器，該諧振電感器與該諧振電容器串聯連接，該諧振轉換單元劇有一預定操作頻率範圍，該預定操作頻率範圍介於該第一頻率及該第二頻率之間，該諧振轉換單元操作於該第一頻率時具有一第一電壓撐一，該諧振轉換單元操作於該第二頻率時具有一第二電壓增益，該濾波電容器電連接於該諧振轉換單元。

一種無需電解電容之電源轉換器之電源轉換方法，係用以將輸入之一全波整流信號轉換為一趨於平穩之直流電壓，該無需電解電容之電源轉換器包含一諧振轉換單元、一控制單元、及一濾波電容器，該控制單元電連接於該全波整流信號，該諧振轉換單元電連接於該全波整流信號及該控制單元，該濾波電容器電連接於該 諧振轉換單元，該無需電解電容之電源轉換器之電源轉換方法包含：A.透過該控制單元將該全波整流信號轉換為一具有高頻切換成份變化之信號，其中該具有高頻切換變化成份之信號在一第一電壓時具有一第一頻率，該具有高頻切換變化成份之信號在一第二電壓時具有一第二頻率；B.利用該諧振轉換單元依據該第一頻率及該第二頻率之變化調整該具有高頻切換變化成份之信號的電壓振幅使產生一電壓振幅接近的高頻切換脈波，其中該諧振轉換單元具有依預定操作頻率，該預定操作頻率介於該第一頻率及該第二頻率之間，該諧振轉換單元操作於該第一頻率時具有一第一電壓增益，該諧振轉換單元操作於該第二頻率時具有一第二電壓增益；及C.利用該濾波電容器濾除該高頻切換脈波的高頻切換成份並輸出一趨於穩定之直流信號。

本發明藉由該諧振轉換單元針對輸入之全波整流信號進行增益放大或縮小，進而降低由該諧振轉換單元輸出電壓的電壓波動量，因此連接於該諧振轉換單元後端之濾波電容器無需採用較大電容值的電解電容器，即可有效地濾除該諧振轉換單元產生之高頻切換信號，並提供一趨近於直流信號驅動負載，達到降低電連接於該諧振轉換電路輸出端之濾波電容器之電容值。

100‧‧‧市電全波整流信號

200‧‧‧無需電解電容之電源轉換器

210‧‧‧諧振轉換單元

220‧‧‧控制單元

230‧‧‧低電容值之濾波電容器

300‧‧‧負載

C‧‧‧諧振電容器

L‧‧‧諧振電感器

fo‧‧‧諧振頻率

f1‧‧‧第一頻率

f2‧‧‧第二頻率

G1‧‧‧第一增益

G2‧‧‧第二增益

Vc‧‧‧具有高頻切換變化成份之信號

S400~S406‧‧‧無需電解電容之電源轉換器之轉換步驟

第一圖為本發明之具有無需電解電容之電源轉換器之電路方塊圖 。

第二圖(a)為市電全波整流信號之電壓波形圖。

第二圖(b)為具有高頻切換成份信號之電壓波形圖。

第三圖為本發明之控制單元之電壓對頻率變化曲線。

第四圖為本發明之諧振轉換單元所採用之元件架構。

第五圖為諧振轉換單元之頻率對電壓增益之響應曲線。

第六圖為本發明之無需電解電容之電源轉換器之輸出電壓波形圖。

第七圖為本發明之無需電解電容之電源轉換器之電源轉換方法之流程圖。

配合參閱第一圖，為本發明之無需電解電容之電源轉換器之電路架構圖。該無需電解電容之電源轉換器200係將一市電全波整流信號100轉換成一趨近於直流電壓供給後端的負載300。

該無需電解電容值之電源轉換器200電連接於該市電全波整流信號100，且該無需電解電容之電源轉換器200包含一諧振(Resonant)轉換單元210、一控制單元220及一低電容值之濾波電容器230，其中該諧振轉換單元210與該控制單元220分別電連接於該市電全波整流信號100，該低容值之濾波電容器230電連接於該諧振轉換單元210。

該市電全波整流信號100為一經過全波整流後之脈動直流信號， 該脈動直流信號具有一預定電壓波封(Envelope)(亦即和全波整流結果相同)，如第二圖(a)所示，為市電全波整流信號100之電壓波形圖。該脈動直流信號透過該控制單元220產生一具有高頻切換(Chopping)變化成份之信號Vc，如第二圖(b)所示，為具有高頻切換成份之電壓波形圖。該具有高頻切換變化成份之信號Vc在0V與峰值電壓V2之範圍變動，並且該具有高頻切換變化成份之信號Vc在第一電壓V1與第二電壓V2分別具有一第一頻率f1與一第二頻率f2範圍之高頻切換信號，其電壓對頻率之曲線如第三圖所示。

配合參閱第四圖，為本發明之無需電解電容之電源轉換器200之諧振轉換單元210之內部電路圖。該諧振轉換單元210包含一諧振電感器L及一諧振電容器C，且該諧振電感器L與該諧振電容器C串聯連接。該諧振轉換單元210具有允許特定頻率範圍的信號通過，以及衰減其它頻率信號的功能，藉此該諧振轉換單元210可針對輸入之該市電全波整流信號100進行增益放大與衰減，因此該具有高頻切換變化成份之信號Vc經由諧振轉換單元210可在該第一電壓V1與該第二電壓V2範圍內，分別進行電壓放大與衰減之功效，進而降低諧振轉換單元210之輸出電壓波封變動量(詳見後述)。並且，透過該控制單元220控制該諧振轉換單元210在特定的頻率內操作，俾使該諧振轉換單元220輸出使用者所需之特定電壓值。

配合參閱第五圖，為一種諧振轉換單元210之頻率對電壓增益之響應曲線。圖中水平軸代表頻率(f)，垂直軸代表電壓增益 (Voltage Gain)。

於本發明中，該諧振轉換單元210的操作頻率介於一預定頻率範圍，該預定頻率範圍係介於該第一頻率f1與一第二頻率f2之間。且該第一頻率f1對應一第一電壓增益G1，該第二頻率f2對應一第二電壓增益G2。該諧振電感器L與該諧振電容器C的等效阻抗會隨著操作頻率的不同而變化。當該諧振轉換單元210操作於諧振頻率fo時，由於該諧振轉換單元210中的諧振電感L與諧振電容C的總阻抗近似為零，因此可獲得最大增益Go。

當該諧振轉換單元210操作在高於該諧振頻率fo之第一頻率f1時，該諧振轉換單元210係放大輸入之市電全波整流信號100之第一電壓V1。當該諧振轉換單元210操作在低於該諧振頻率fo之第二頻率f2時，該諧振轉換單元210係衰減輸入之市電全波整流信號100之第二電壓V2。因此，該控制單元220在該第一頻率f1與該第二頻率f2範圍內，藉由該控制單元220調整該諧振轉換單元210之操作頻率，即可放大或衰減該諧振轉換單元210之輸出電壓波封大小。

由於諧振轉換單元210可將原本市電全波整流信號100，整形為電壓振幅相近之高頻切換脈波，因此振轉換單元210輸出所連接之濾波電容230只需利用一低容值之電容器，濾除電壓之高頻切換成份後，負載300即可獲得一趨於穩定之直流信號，其電壓波形如第六圖所示。

配合參閱第七圖，為本發明之無需電解電容之電源轉換器之電源 轉換之方法之流程圖。本發明之無需電解電容之電源轉換器係用以將一市電全波整流信號100轉換成一趨近於直流電壓供給後端的負載300。該無需電解電容之電源轉換器之電源轉換方法包含：首先，電源轉換器輸入一市電全波整流信號100(S400)，其中該市電全波整流信號100為一經過全波整流後之脈動直流信號，該脈動直流信號具有一預定電壓波封(Envelope)(亦即和全波整流結果相同)。

其次，透過該控制單元220將該脈動直流信號產轉換成一具有高頻切換(Chopping)變化成份之信號Vc(S402)。

利用該控制單元220調整該諧振轉換單元210之操作頻率，以調整該具有高頻切換成份之信號Vc的振幅變化(S404)，其中該諧振轉換單元210具有允許特定頻率範圍的信號通過，並衰減其它頻率信號的功能，藉此該諧振轉換單元210可針對輸入之該市電全波整流信號100進行增益放大與衰減。

最後，利用該低電容值之濾波電容器230濾除該調整電壓振幅後之具有高頻切換成份信號的高頻切換脈波，並輸出一趨於穩定之直流信號(S406)。

綜合以上所述，本發明藉由該諧振轉換單元210針對輸入之交流信號100進行增益放大與衰減，進而降低由該諧振轉換單元210輸出電壓之波封變化量，並透過電連接於該諧振轉換單元210後端之低電容值之濾波電容器230，濾除諧振轉換單元210所產生之高頻切換脈波，因此該低電容值之濾波電容器230無需採用高電容 值之電解電容，即可提供一趨近於直流之電壓信號驅動負載300。故該無需電解電容之電源轉換器200可使用體積小且壽命較長之陶瓷電容，即可達成信號濾波之功效，亦可提升該電源轉換器200之使用壽命。

然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。

100‧‧‧市電全波整流信號

200‧‧‧無需電解電容之電源轉換器

210‧‧‧諧振轉換單元

220‧‧‧控制單元

230‧‧‧低容值之濾波電容器

300‧‧‧負載

Claims (4)

1. 一種無需電解電容之電源轉換器，係用以將輸入之一具有預定電壓波封之全波整流信號轉換為一趨於平穩之直流電壓，該無需電解電容之電源轉換器包含：一控制單元，電連接於該全波整流信號，該控制單元用以將該全波整流信號轉換成一具有高頻切換變化成份之信號，該具有高頻切換變化成份之信號在一第一電壓時具有一第一頻率，該具有高頻切換變化成份之信號在一第二電壓時具有一第二頻率；一諧振轉換單元，電連接於該全波整流信號及該控制單元，該諧振轉換單元包含一諧振電感器及一諧振電容器，該諧振電感器與該諧振電容器串聯連接，該諧振轉換單元具有一預定操作頻率範圍，該預定操作頻率範圍介於該第一頻率及該第二頻率之間，該諧振轉換單元操作於該第一頻率時具有一第一電壓增益，該諧振轉換單元操作於該第二頻率時具有一第二電壓增益；及一濾波電容器，電連接於該諧振轉換單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無需電解電容之電源轉換器，其中該第一電壓小於該第二電壓，該第一頻率小於該第二頻率。
3. 一種無需電解電容之電源轉換器之電源轉換方法，係用以將輸入之一全波整流信號轉換為一趨於平穩之直流電壓，該無需電解電容之電源轉換器包含一諧振轉換單元、一控制單元及一濾波電容器，該控制單元電連接於該全波整流信號，該諧振轉換單元電連接於該全波整流信號及該控制單元，該濾波電容器電連接於該諧 振轉換單元，該無需電解電容之電源轉換器之電源轉換方法包含：A.透過該控制單元將該全波整流信號轉換為一具有高頻切換變化成份之信號，其中該具有高頻切換變化成份之信號在一第一電壓時具有一第一頻率，該具有高頻切換變化成份之信號在一第二電壓時具有一第二頻率；B.利用該諧振轉換單元依據該第一頻率及該第二頻率之變化調整該具有高頻切換變化成份之信號的電壓振幅使產生一電壓振幅接近的高頻切換脈波，其中該諧振轉換單元具有一預定操作頻率，該預定操作頻率介於該第一頻率及該第二頻率之間，該諧振轉換單元操作於該第一頻率時具有一第一電壓增益，該諧振轉換單元操作於該第二頻率時具有一第二電壓增益；及C.利用該濾波電容器濾除高頻切換脈波的高頻切換成份，並輸出一趨於穩定之直流信號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之無需電解電容之電源轉換器之電源轉換方法，其中該諧振轉換單元包含一諧振電感器以及一個諧振電容器，且該諧振電感器與該諧振電容器串聯連接。