TWI462456B - 直流／直流轉換電路 - Google Patents

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Description

直流/直流轉換電路
本發明係關於一種轉換電路，特別是一種降升壓直流/直流轉換電路。
圖1A所示為傳統升壓同步整流轉換器10之電路示意圖。升壓同步整流轉換器10包含兩個開關16以及18、儲能電感14以及電容17。當開關16導通且開關18截止時，電壓源12對儲能電感14充電，而電容17提供能量至一負載19，當開關16截止且開關18導通時，儲能電感14經由開關18對電容17充電，同時提供能量至負載19。
圖1B所示為傳統降壓同步整流轉換器10’之電路示意圖。當負載19及電容17與電壓源12對換時，即形成一降壓(Buck)同步整流轉換器10’。當開關16截止且開關18導通時，此時電壓源12對儲能電感14與電容17充電，同時提供能量至負載19。當開關16導通且開關18截止時，儲能電感14經由開關16對電容17充電，同時提供能量至負載19。由上述圖1A及圖1B所示之轉換器原理可知，如圖1A及圖1B所示之同步整流轉換器為單向升壓與單向降壓之雙向直流轉換器。
圖2所示為傳統雙向降升壓同步整流轉換器20之電路示意圖。整流轉換器20包含開關24~27、儲能電感28以及電容23。當開關24與開關27導通且開關25與開關26截止時，電壓源22對儲能電感28充電，而電容23提供能 量至負載21。當開關24與開關27截止且開關25與開關26導通時，儲能電感28經由開關25與開關26對電容23充電，同時提供能量至負載21。
當負載21及電容23與電壓源22對換時，當開關24與開關27截止且開關25與開關26導通時，此時電壓源22對儲能電感28與電容23充電，同時提供能量至負載21。當開關24與開關27導通且開關25與開關26截止時，儲能電感28經由開關24對電容23充電，同時提供能量至負載21。由上述可知，圖2所示之整流轉換器20具有雙向升降壓(Buckboost)特性。
由上述圖1A、圖1B、以及圖2之描述可知，儲能電感(例如，圖1A及圖1B中所示之電感14以及圖2中所示之電感28)之作用主要為能量傳遞，而電容(例如，圖1A及圖1B中所示之儲能電容17以及圖2中所示之儲能電容23)之作用則主要為對輸出電壓Vo進行濾波。
一般來說，傳統雙向直流/直流轉換器可透過具同步整流技術之直流轉換器實現，但是其缺點為僅有單向升壓與單向降壓之功能，雖然雙向升降壓之直流轉換器可使用具同步整流技術之降升壓直流轉換器實現，然而卻需較多之主動開關元件，且輸出電壓之漣波亦較大，需要具有較大電感值或電容值之濾波元件。
由於降升壓型轉換器之電感之感值大小，將影響輸入電流之響應速度以及輸出電壓漣波，若電感之感值較小時，降升壓型轉換器之輸入電流響應速度較快，但是輸出電壓漣波較大，反之，若電感值較大時，降升壓型轉換器 之輸入電流響應速度較慢，但是可得到較小的輸出電壓漣波。
因此，傳統降升壓型轉換器常使用具有較小電感值之電感與具有較大電容值的輸出電容，以期達到較快的輸入電流響應速度與較低輸出電壓漣波。然而，傳統降升壓型轉換器必須使用電解電容才能具有較大電容值。但是，電解電容容易受到開關切換所造成之漣波與溫度等外在環境因素影響，使得其壽命較短，進而縮短轉換器之使用壽命。
本發明之目的係在提供一種直流/直流轉換電路，耦接於一直流電源與一負載之間，包括：一第一電荷抽放電路，耦接至該直流電源；一第二電荷抽放電路，耦接至該負載；一第一開關，耦接至該第一電荷抽放電路；一第二開關，耦接至該第二電荷抽放電路；以及一第一電感，該第一電感之一端係耦接至該第一電荷抽放電路以及該第二電荷抽放電路，另一端則耦接至該第一開關及該第二開關之一共同節點，其中，該第一電感、該第一開關以及該第二開關係耦接於該第一電荷抽放電路與該第二電荷抽放電路之間。
本發明所提供之直流/直流轉換電路可避免使用較大電容值之電解電容，同時透過利用電荷抽放電路以及半共振電路達到雙向能量傳遞、柔性切換、低漣波輸出電壓以及使用年限長之優點。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
圖3所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30電路示意圖。轉換電路30包含開關33以及開關34、第一電荷抽放電路35、第二電荷抽放電路36、以及一電感37。在一實施例中，第一電荷抽放電路35包含由一電感L3並聯電容C3所構成之一第一半共振電路351、一與第一半共振電路351串聯耦接之電容C4、以及一個二極體D2與第一半共振電路351串聯後再與電容C4並聯連接。其中，第一半共振電路351與電容C4串聯耦接以達到分壓的效果。在一實施例中，第二電荷抽放電路36包含由一電感L2並聯電容C1所構成之一第二半共振電路361、一與第二半共振電路361串聯耦接之電容C2、以及一個二極體D1與第二半共振電路361以及電容C2並聯連接。其中，第二半共振電路361與電容C2串聯耦接以達到分壓的效果。在一實施例中，電感37、開關33以及33以及開關34係耦接於第一電荷抽放電路35與第二電荷抽放電路36之間，電感37之一端係耦接至電容C3及電容C1，電感37之另一端則耦接至開關33及開關34之一共同節點，其中，開關33及開關34係分別耦接至第一電荷抽放電路35與第二電荷抽放電路36。
如圖3所示，當開關33與開關34截止時，第一半共振電路351中所儲存之能量經過電感37以及電容C4，將開關33之本體二極體導通，此時將開關33導通即完成柔性切換。當開關33導通後，電壓源32將對第一半共振電路351、電感37、以及電容C4進行儲能。此時第一電荷抽放電路35中之電容C4之電容值遠大於電容C3之電容值時，電壓源32所輸入之能量先儲存於第一半共振電路351中，使得電容C3跨壓快速上升，經過LC共振電路作用，而使得電容C3跨壓極性反轉，為開關33之柔性切換動作作準備。而負載端之電容C1 則維持其跨壓為負值，使得二極體D1導通後達到電路能量平衡與持續運轉之目的，同時經過二極體D1將能量傳送至電容C2與負載31，並為開關34之柔性切換動作準備。
當開關33與開關34再次截止時，第二半共振電路361所儲存之能量經過電感37以及電容C4，將開關34之本體二極體導通，此時將開關34導通即完成柔性切換。此時電感37經過開關34對第二半共振電路361以及電容C2進行儲能，並將能量傳遞至負載31。此時第二電荷抽放電路36中之電容C2之電容值遠大於電容C1之電容值，電壓源32所輸入之能量先儲存於第二半共振電路361，而使得電 容C1跨壓快速上升，經過LC共振電路作用，而使得電容C1跨壓極性反轉，為開關34之柔性切換動作準備。而電源側之電容C3則維持其跨壓為負值，使得二極體D2導通後達到電路能量平衡與持續運轉之目的，同時經過二極體D2將能量傳送至電容C4與負載31，並為開關33之柔性切換動作準備。
在一實施例中，第一電荷抽放電路35以及第二電荷抽放電路36係為電壓型自動電荷抽放電路(Auto Charge Pump)。在一實施例中，透過改變開關33或開關34之導通時間，可相應調整轉換電路30輸出至負載31之輸出電壓Vo。在另一實施例中，透過改變開關33或開關34之切換頻率，可相應調整轉換電路30輸出至負載31之輸出電壓Vo。
圖4A至圖4F所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30之工作模式示意圖。圖4A至圖4F將結合圖3進行說明，圖4A至圖4F中與圖3具有相同元件標號之元件具有相同之功能。為方便說明，圖4A至圖4F將就電感37與電感L2 均操作於電流連續導通模式為例，說明本發明之工作模式。以下假設所有電路元件均為理想，而電容C2之電壓維持近似於一定值，同時假設負載31為一純電阻。
圖4A所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30於工作模式一之等效電路。當開關33之本體二極體導通且開關34截止時，電容C3上之跨壓極性為負，經過電感37為開關33之柔性切換做準備。電壓源 32對電器C4充電，且電感L2與電容C1進行共振，將電容C1中之儲能轉換成電感電流i L2 ，同時電容C2提供能量至負載31。
如圖4B中所示，所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30於工作模式二之等效電路。當開關33導通且開關34截止時，此時進入工作模式二。當開關33導通而開關34截止時，開關33完成柔性切換，電壓源32經由開關33對電感37與第一半共振電路351進行充電。第二半共振電路361繼續共振，持續將電容C1之儲能轉換成電感電流i L2 ，同時電容C2提供能量至負載31。
如圖4C中所示，所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30於工作模式三之等效電路。當二極體D1導通時，此時進入工作模式三。電壓源32經由開關33持續對電感37與第一半共振電路351進行充電。第二半共振電路361繼續共振，持續將電容C1 中之儲能轉換成電感電流i L2 ，並將電容C1跨壓極性反轉，將二極體D1導通以改變電路結構，同時將能量傳送至電容C2與負載31。
如圖4D中所示，所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30於工作模式四之等效電路。當開關33截止以及開關34之本體二極體導通時，此時進入工作模式四。當開關33截止以及開關34之本體二極體導通時，電容C1之跨壓極性為負，經過電感37之電流流經開關34之本體二極體，為開關34之柔性切換做準備。 電壓源32對電容C4充電，且第一半共振電路351共振，將電容C3中之儲能轉換成電感電流i L3 ，同時電感37對第二半共振電路361以及電容C2進行充電，並提供能量至負載31。
如圖4E中所示，所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30於工作模式五之等效電路。當開關33截止且開關34導通時，此時進入工作模式五。當開關33截止且開關34導通時，開關34完成柔性切換，電感37經由開關34對第二半共振電路361以及電容C2進行充電，並提供能量至負載31。第一半共振電路351繼續共振，持續將電容C3中之儲能轉換成電感電流i L3 。
如圖4F中所示，所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路30於工作模式六之等效電路。當二極體D2導通時，此時進入工作模式六。電感37經由開關34對第二半共振電路361以及電容C2進行充電，並提供能量至負載31。第一半共振電路351繼續共振，持續將電容C1中之儲能轉換成電感電流i L3 ，並將電容C3跨壓極性反轉，將二極體D2導通以將能量傳送至電容C4。此時僅由電容C2提供能量給予負載31，當開關33之本體二極體導通且開關34截止時，即完成本發明之雙向升降壓直流/直流轉換電路30之一週期動作。
本發明所提出之雙向降升壓直流轉換電路，當開關33導通且開關34截止時，電感37與電感L2 則作為儲能元件，由於電荷抽放電路作用且由於開關33導通時電容C3 上的跨壓已轉變為-Vin ，將導通開關33之本體二極體，進 行開關33之柔性切換。此外，由於電容C4 的電容值大於電容C3 的電容值，所以電壓源32透過電容分壓原理，將大部份電壓跨於電容C3 上，藉此降低輸入電流造成電感之電壓漣波。而當開關33截止且開關34導通時，電感37與電感L3 則作為儲能元件。由於電荷抽放電路作用，由於開關34導通時電容C1 上的跨壓已轉變為-Vo ，將導通開關34之本體二極體，進行開關34之柔性切換，此外，由於電容C2 的電容值大於電容C1 的電容值，所以電壓源32透過電容分壓原理，將大部份電壓跨於電容C1 上，藉此降低輸入電流造成之輸出電壓漣波，電容C1 與電感L2 則由於二極體D1 的導通而改變電路結構變成與電容C2 並聯，共同作為濾波電路元件，使得輸出電壓具有較低輸出漣波，並可避免使用電解電容，延長直流/直流轉換電路之使用壽命。
圖5所示為根據本發明另一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50示意圖。圖5中元件編號與圖3類似之元件具有類似之功能及連接方式，在此不再贅述。在本實施例中，可使用一變壓器57取代圖3中所示之電感37，而使圖3中所示之直流/直流轉換電路30成為隔離型之直流/直流轉換器50。
如圖5所示，直流/直流轉換電路50包含開關33以及開關34、第一電荷抽放電路35、第二電荷抽放電路36、以及一變壓器57。在一實施例中，第一電荷抽放電路35與包含由一電感L3並聯電容C3所構成之一第一半共振電路351、一與第一半共振電路351串聯耦接之電容C4、以 及一個二極體D2與第一半共振電路351串聯後再與電容C4並聯連接。其中，第一半共振電路351與電容C4串聯耦接以達到分壓的效果。在一實施例中，第二電荷抽放電路36包含由一電感L2並聯電容C1所構成之一第二半共振電路361、一與第二半共振電路361串聯耦接之電容C2、以及一個二極體D1與第二半共振電路361以及電容C2並聯連接。其中，第二半共振電路361與電容C2串聯耦接以達到分壓的效果。
在一實施例中，變壓器57之一次側之一端與開關33串聯耦接，另一端耦接至電容C3。變壓器57之二次側之一端與開關34串聯耦接，另一端耦接至電容C1。其中，開關33及開關34係分別耦接至第一電荷抽放電路35與第二電荷抽放電路36。
圖5A至圖5F所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50之工作模式示意圖。圖5A至圖5F將結合圖5進行說明，圖5A至圖5F中與圖5具有相同元件標號之元件具有相同之功能。為方便說明，圖5A至圖5F將就電感L2 與電感L3 均操作於電流連續導通模式為例，說明本發明之工作模式。以下假設所有電路元件均為理想，而電容C2之電壓維持近似於一定值，同時假設負載31為一純電阻。
圖5A所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50於工作模式一之等效電路。當開關元件33之本體二極體導通且開關34截止時，電容C3 之跨壓極性為負，經過變壓器57，將開關33之本體二極體導通， 為開關33之柔性切換做準備。電壓源32對電容C4 充電，且電感L2 與電容C1 共振，將電容C1 之儲能轉換成電感電流i L2 ，同時電容C2 提供能量至負載31。
圖5B所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50於工作模式二之等效電路。當開關33導通且開關34截止時，此時進入工作模式二。當開關33導通且開關34截止時，開關33完成柔性切換，電壓源32經由開關33對變壓器57與第一半共振電路351進行充電。第二半共振電路361繼續共振，持續將電容C1 之儲能轉換成電感電流i L2 ，同時電容C2 提供能量至負載31。
圖5C所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50於工作模式三之等效電路。當二極體D1 導通時，此時進入工作模式三。當電路進入此工作模式時，電壓源32經由開關33持續對變壓器57與第一半共振電路351進行充電。第二半共振電路361繼續共振，持續將電容C1 之儲能轉換成電感電流i L2 ，並將電容C1 跨壓極性反轉，將二極體D1 導通以改變電路結構，同時將能量傳送至電容C2 與負載31。
圖5D所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50於工作模式四之等效電路。當開關33截止以及開關元件34之本體二極體導通時，此時進入工作模式四。當開關33截止以及開關元件34之本體二極體導通時，電容C1 之跨壓極性為負，經過變壓器57，將開關34之本體二極體導通，為開關34之柔性切換做準備。電壓源32對電容C4 充電，且第一半共振電路351共振，將電容 C3 之儲能轉換成電感電流i L3 ，同時變壓器57之二次側對電感L2 、電容C1 與電容C2 進行充電，並提供能量至負載31。
圖5E所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50於工作模式五之等效電路。當開關33截止且開關34導通時，此時進入工作模式五。當開關33截止且開關34導通時，開關34完成柔性切換。變壓器57經由開關34對第二半共振電路361與電容C2 進行充電，並提供能量至負載31。第一半共振電路351繼續共振，持續將電容C3 之儲能轉換成電感電流i L3 。
圖5F所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路50於工作模式六之等效電路。當二極體D2 導通時，此時進入工作模式六。當進入此工作模式時，變壓器57經由開關34對第二半共振電路361與電容C2 進行充電，並提供能量至負載31。第一半共振電路351繼續共振，持續將電容C1 之儲能轉換成電感電流i L3 ，並將電容C3 跨壓極性反轉，將二極體D2 導通以改變電路結構，同時將能量傳送至電容C4 ，此時僅由電容C2 提供能量予負載31，當開關33之本體二極體導通且開關34截止時，即完成直流/直流轉換電路50之一週期動作。
本發明之直流/直流轉換電路採對稱式電路架構設計，將負載與電壓源互換位置，即可實現另一方向之能量傳遞功能。綜言之，本發明所提出之雙向升降壓直流轉換電路，可透過電路參數設計與LC共振電路作用，除了可避免半共振電路之電容飽和，使得電路能自動改變電路結 構，達到具有雙向能量傳遞、柔性切換、低漣波輸出電壓以及長壽命之目的。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
10、10’‧‧‧整流轉換器
12‧‧‧電壓源
14‧‧‧儲能電感
16‧‧‧開關
17‧‧‧電容
18‧‧‧開關
19‧‧‧負載
20‧‧‧傳統雙向同步整流轉換器
21‧‧‧負載
22‧‧‧電壓源
23‧‧‧電容
24、25、26、27‧‧‧開關
28‧‧‧儲能電感
30‧‧‧轉換電路
31‧‧‧負載
32‧‧‧電壓源
33、34‧‧‧開關
35‧‧‧第一電荷抽放電路
351‧‧‧第一半共振電路
36‧‧‧第二電荷抽放電路
361‧‧‧第二半共振電路
37‧‧‧電感
50‧‧‧直流/直流轉換電路
57‧‧‧變壓器
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：
圖1A所示為傳統升壓同步整流轉換器之電路示意圖。
圖1B所示為傳統降壓同步整流轉換器之電路示意圖。
圖2所示為傳統雙向降升壓同步整流轉換器之電路示意圖。
圖3所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路示意圖。
圖4A所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式一之等效電路。
圖4B所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式二之等效電路。
圖4C所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/ 直流轉換電路於工作模式三之等效電路。
圖4D所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式四之等效電路。
圖4E所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式五之等效電路。
圖4F所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式六之等效電路。
圖5所示為根據本發明另一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路示意圖。
圖5A所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式一之等效電路。
圖5B所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式二之等效電路。
圖5C所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式三之等效電路。
圖5D所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式四之等效電路。
圖5E所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式五之等效電路。
圖5F所示為根據本發明一實施例之雙向升降壓直流/直流轉換電路於工作模式六之等效電路。
30‧‧‧轉換電路
31‧‧‧負載
32‧‧‧電壓源
33、34‧‧‧開關
35‧‧‧第一電荷抽放電路
351‧‧‧第一半共振電路
36‧‧‧第二電荷抽放電路
361‧‧‧第二半共振電路
37‧‧‧電感

Claims (11)

  1. 一種直流/直流轉換電路，耦接於一直流電源與一負載之間，包括：一第一電荷抽放電路，耦接至該直流電源；一第二電荷抽放電路，耦接至該負載；一第一開關，耦接至該第一電荷抽放電路；一第二開關，耦接至該第二電荷抽放電路；以及一第一電感，該第一電感之一端係耦接至該第一電荷抽放電路以及該第二電荷抽放電路，另一端則耦接至該第一開關及該第二開關之一共同節點；其中，該第一電感、該第一開關以及該第二開關係耦接於該第一電荷抽放電路與該第二電荷抽放電路之間。
  2. 如申請專利範圍第1項的直流/直流轉換電路，其中，該第一電荷抽放電路，包括：一第一半共振電路，由一第一電容以及一第二電感並聯耦接構成；以及與該第一半共振電路串聯耦接之一第一二極體以及一第二電容。
  3. 如申請專利範圍第1項的直流/直流轉換電路，其中，該第二電荷抽放電路，包括：一第二半共振電路，由一第三電容以及一第三電感並聯耦接構成；以及與該第二半共振電路串聯耦接之一第二二極體以及一第四電容。
  4. 如申請專利範圍第1項的直流/直流轉換電路，其中， 該第一開關及該第二開關係為一功率電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項的直流/直流轉換電路，其中，該第一電荷抽放電路與該第二電荷抽放電路係採背靠背對稱，且該第一電荷抽放電路與該第二電荷抽放電路係為一電壓型自動電荷抽放電路。
  6. 一種直流/直流轉換電路，耦接於一直流電源與一負載之間，包括：一第一電荷抽放電路，耦接至該直流電源；一第二電荷抽放電路，耦接至該負載；以及一變壓器，該變壓器之一次側之一端係串聯耦接至一第一開關，串聯耦接之該變壓器之該一次測及該第一開關與該第一電荷抽放電路並聯耦接，該變壓器之二次側之一端係串聯耦接至一第二開關，串聯耦接之該變壓器之該二次測及該第二開關與該第二電荷抽放電路並聯耦接。
  7. 如申請專利範圍第6項的直流/直流轉換電路，其中，該第一電荷抽放電路，包括：一第一半共振電路，由一第一電容以及一第一電感並聯耦接構成；以及與該第一半共振電路串聯耦接之一第一二極體以及一第二電容。
  8. 如申請專利範圍第6項的直流/直流轉換電路，其中，該第二電荷抽放電路，包括：一第二半共振電路，由一第三電容以及一第二電感並聯耦接構成；以及 與該第二半共振電路串聯耦接之一第二二極體以及一第四電容。
  9. 如申請專利範圍第6項的直流/直流轉換電路，其中，該第一開關及該第二開關係為一功率電晶體。
  10. 如申請專利範圍第6項的直流/直流轉換電路，其中，該第一電荷抽放電路與該第二電荷抽放電路係採背靠背對稱，且該第一電荷抽放電路與該第二電荷抽放電路係為一電壓型自動電荷抽放電路。
  11. 如申請專利範圍第6項的直流/直流轉換電路，其中，該變壓器係為一返馳變壓器。
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