TWI463782B - 用於能量採集之電源轉換裝置及能量採集方法 - Google Patents

Description

用於能量採集之電源轉換裝置及能量採集方法

本揭露係關於一種能量採集技術，特別是有關於一種用於能量採集之電源轉換裝置及能量採集方法。

不論是針對射頻能量、振動能量或是感應線圈的能量採集技術，都需要將交流能量轉換為直流能量的整流器(Rectifier)或交直流轉換電路。

由於環境中的所產生的周圍能量都十分微弱，因此用於能量採集系統的整流器或交直流轉換電路必須能將毫瓦(mW)等級之微弱的交流能量轉換為直流能量的電壓輸出，因此該整流器或交直流轉換電路需要有良好的整流效率，以降低交流訊號轉換為直流訊號之過程的能量損耗，才能使能量採集系統更具實用性與利用價值。

過去有關整流器或交直流轉換電路的研究與設計，主要都是針對瓦特(Watt)等級的輸入功率。近年來已有業者或研究單位提出一些關於低功率輸入之整流器或交直流轉換電路，但其應用於能量採集上，仍存在有過低的交流能量無法採集、能量採集效率不佳等問題。

因此，如何解決上述習知技術的缺失，以有效地進行交流能量的採集，遂成為本領域技術人員的重要課題。

本揭露提供一種用於能量採集之電源轉換裝置及能 量採集方法，利用電流變壓器轉換電力線之時變磁場為交流電流，並利用轉換電路將交流電流整流為直流電流，同時每半週期交替地切換第一與第二開關元件一次，以使輸出電流輪流地通過第一與第二二極體(或第三與第四開關元件)至儲能裝置進行充電，俾使該儲能裝置儲存該輸出電流之能量，進而達到最佳的能量採集效率。

本揭露係提出一種用於能量採集之電源轉換裝置，其包括：電流變壓器，係用以感應電力線之時變磁場以產生輸出電流；轉換電路，電性連接該電流變壓器，係具有第一開關元件、第二開關元件、第一二極體與第二二極體，且該第一二極體與該第二二極體係分別電性連接該第一開關元件及該第二開關元件，該第一開關元件與該第二開關元件係於每半週期被交替地切換一次，以使該輸出電流輪流地通過該第一二極體與該第二二極體；以及儲能裝置，電性連接該轉換電路，係用以儲存通過該第一二極體與該第二二極體之該輸出電流。

本揭露另提出一種能量採集方法，其包括：利用電流變壓器感應電力線之時變磁場以產生輸出電流；利用控制電路控制第一開關元件與第二開關元件，以使該第一開關元件與該第二開關元件於每半週期被交替地切換一次，而使該輸出電流輪流地通過第一二極體與第二二極體；以及利用儲能裝置儲存通過該第一二極體與該第二二極體之該輸出電流。

本揭露再提出一種能量採集方法，其包括：利用電流 變壓器感應電力線之時變磁場以產生輸出電流；利用控制電路控制第一開關元件、第二開關元件、第三開關元件與第四開關元件，以使該第一開關元件與該第二開關元件於每半週期被交替地切換一次，而使該輸出電流輪流地通過該第三開關元件與該第四開關元件；以及利用儲能裝置儲存通過該第三開關元件與該第四開關元件之該輸出電流。

以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本揭露之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

第1圖係繪示本揭露之第一實施例中用於能量採集之電源轉換裝置的電路示意圖。

如圖所示，電源轉換裝置100係包括電流變壓器110、轉換電路120以及儲能裝置130。該電流變壓器110係用以感應電力線140之時變磁場以產生輸出電流。

該轉換電路120電性連接該電流變壓器110，係具有第一開關元件S₁ 、第二開關元件S₂ 、第一二極體D₁ 與第二二極體D₂ ，且該第一二極體D₁ 與該第二二極體D₂ 係分別電性連接該第一開關元件S₁ 及該第二開關元件S₂ ，該第一開關元件S₁ 或該第二開關元件S₂ 可為電晶體開關。

具體而言，該第一開關元件S₁ 之一端係電性連接該電流變壓器110之第一輸出端，另一端係電性連接接地端150。該第二開關元件S₂ 之一端係電性連接該電流變壓器 110之第二輸出端，另一端係電性連接該接地端150。該第一二極體D₁ 係電性連接該電流變壓器110之第一輸出端與該第一開關元件S₁ 。該第二二極體D₂ 係電性連接該電流變壓器110之第二輸出端與該第二開關元件S₂ 。

該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 係於每半週期被外部之控制電路交替地切換一次，以使該輸出電流輪流地通過該第一二極體D₁ 與該第二二極體D₂ 。

該儲能裝置130之一端係電性連接該轉換電路120之第一二極體D₁ 與第二二極體D₂ ，另一端係電性連接該接地端150。該儲能裝置130可為電容或電池，係用以儲存通過該第一二極體D₁ 與該第二二極體D₂ 之該輸出電流。

第2A圖至第2E圖係繪示本揭露利用第1圖之電源轉換裝置於能量採集方法的電路示意圖。第3圖係繪示本揭露第2A圖至第2E圖之能量採集方法中，開關元件與電流間之作動變化的時間關係圖。

如第2A圖所示，該電力線140係具有一次側之主要電感L_p ，該主要電感L_p 係用以提供輸入電流I_in ，該電流變壓器110係依據該輸入電流I_in 而產生輸出電流I_out 。該輸出電流I_out 係為交流電流，該轉換電路120係為交直流轉換電路或整流器，用以整流該輸出電流I_out 為直流電流。

具體而言，該電流變壓器110係作為感應線圈，並可具有二次側之感應電感L_s 與磁化電感L_m ，該感應電感L_s 係用以產生與該輸入電流I_in 成比例之感應電流I_s ，該磁化電感L_m 係產生該電流變壓器110之第一輸出端之電壓V₁ 和第二輸出端之電壓V₂ 間跨壓具時變積分關係之磁化電流I_m ，該輸出電流I_out 係等於該感應電流I_s 加上該磁化電流I_m 。

如第2A圖與第3圖之期間T₁ 所示，當該感應電流I_s 處於正半週期時，該電流變壓器110之第一輸出端之電壓V₁ 大於第二輸出端之電壓V₂ 。先令該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 維持在導通狀態(on-state)，該電流變壓器110、該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 之間會形成迴路。

由於該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 於導通狀態時的阻抗極小，使得該電流變壓器110之第一輸出端與第二輸出端近乎短路，因此蓄積於該磁化電感L_m 之磁化電流I_m 幾乎無任何損耗，所以該感應電流I_s 會隨著該輸入電流I_in 的增加而上升，該輸出電流I_out 亦會隨著該感應電流I_s 的上升而上升。

如第2B圖與第3圖之期間T₂ 所示，當該感應電流I_s 上升至接近最大值時，該第一開關元件S₁ 會被控制電路所斷開(break off)，該輸出電流I_out 則進行放電，並改經由該第一二極體D₁ 傳導至該儲能裝置130，以對該儲能裝置130進行充電，俾使該儲能裝置130儲存該輸出電流I_out 之能量。

在期間T₂ ，該感應電流I_s 與該磁化電流I_m 的方向相同，但該磁化電流I_m 會因該電流變壓器110之第一輸出端與第二輸出端間的跨壓而持續放電與下降。

如第2C圖與第3圖之期間T₃ 所示，等到該磁化電流I_m 放電至零後，該磁化電流I_m 將會開始反向充電，而此充電的電流來自部分的感應電流I_s ，此時該感應電流I_s 還大於該磁化電流I_m ，故該輸出電流I_out 仍會持續進行放電，並通過第一二極體D₁ 傳導至該儲能裝置130，以持續對該儲能裝置130進行充電，俾使該儲能裝置130儲存該輸出電流I_out 之能量。

如第2D圖與第3圖之期間T₄ 所示，當該感應電流I_s 小於該磁化電流I_m 的瞬間，亦即該輸出電流I_out 等於零(放電完畢)時，該第一開關元件S₁ 會被控制電路重新導通，該電流變壓器110、該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 之間會再次形成迴路，使磁化電流I_m 幾乎無任何損耗地儲存於磁化電感L_m 。

因此，藉由上述第2A圖至第2D圖與期間T₁ 至期間T₄ 之運作方式，即可完成該電源轉換裝置100之正半週期的操作。

如第2E圖與第3圖之期間T₅ 所示，當該感應電流I_s 到達負半週期時，該電源轉換裝置100將開始負半週期的運作，其運作方式相反於上述正半週期時，該電源轉換裝置100在第2A圖與第3圖之期間T₁ 的運作方式。同時，在負半週期時，該感應電流I_s 、該磁化電流I_m 與該輸出電流I_out 之電流方向與在正半週期時之電流方向相反。

此外，在第3圖之期間T₆ 、期間T₇ 與期間T₈ 之負半週期時，相反於上述第2B圖至第2D圖與第3圖之期間 T₁ 至期間T₃ 的運作方式，該第二開關元件S₂ 會被控制電路所斷開，且該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 被斷開之時間點P₁ 及時間點P₂ 相隔半週期，而該輸出電流I_out 會改經由該第二二極體D₂ 傳導至該儲能裝置130，並對該儲能裝置130進行充電，俾使該儲能裝置130儲存該輸出電流I_out 之能量，進而達到最佳的能量採集效率。

因此，藉由上述正半週期與負半週期不斷地往返操作，且每半週期交替地切換該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 一次，使該輸出電流I_out 輪流地通過該第一二極體D₁ 與該第二二極體D₂ ，並使該儲能裝置130儲存該輸出電流I_out 通過該第一二極體D₁ 與該第二二極體D₂ 所形成之能量，即可完成本揭露之電源轉換裝置100的運作流程。

第4A圖係繪示本揭露之控制電路的電路示意圖。第4B圖係繪示本揭露第4A圖之控制電路中，用以決定斷開開關元件之時間點的電壓波形圖。

如第4A圖所示，控制電路200係用以控制上述之第一開關元件S₁ 與第二開關元件S₂ ，並可包括驅動器210、偵測器220、多工器230、相移器(phase shifter)240以及比較器250，但不以此為限。在其他實施例中，該控制電路200亦可由不同的元件所構成。

為了實現上述第2A圖至第2E圖與第3圖所述“每半週期交替地切換該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 一次”，本揭露係先利用第4A圖之驅動器210同時導通第 2A圖之第一開關元件S₁ 與第二開關元件S₂ 。

接著，利用第4A圖之偵測器220偵測及判斷該電流變壓器110兩輸出端之電壓V₁ 與電壓V₂ 之極性與數值變化。藉由判斷該極性可得到此半週期應斷開該第一開關元件S₁ 或該第二開關元件S₂ 。

再來，將該偵測器220所判斷之結果分別傳輸至該驅動器210與該多工器230，該驅動器210係用以決定此半週期欲斷開該第一開關元件S₁ 或該第二開關元件S₂ ，該多工器230係用以決定欲斷開之時間點所需之電流變壓器110的輸出端。

上述斷開該第一開關元件S₁ 或該第二開關元件S₂ 之時間點的決定機制，可先利用該相移器240對該多工器230所輸出之原始的電壓訊號V_a 相移為電壓訊號V_b ，再利用該比較器250對相移後的電壓訊號V_b 與原始的電壓訊號V_a 作比較，當該電壓訊號V_b 與該電壓訊號V_a 彼此交越時，如第4B圖之時間點P₁ 所示，該比較器250會送出切換訊號至該驅動器210，此時便會斷開該第一開關元件S₁ ，使該輸出電流I_out 進行放電，該輸出電流I_out 會經由該第一二極體D₁ 傳導至該儲能裝置130，以對該對儲能裝置130進行充電，俾使該儲能裝置130儲存該輸出電流I_out 之能量，藉此完成正半周期的控制程序。

同樣地，負半週期的控制程序，可於時間點P₂ 斷開第二開關元件S₂ ，使該輸出電流I_out 進行放電，該輸出電流I_out 會經由該第二二極體D₂ 傳導至該儲能裝置130，以 對該對儲能裝置130進行充電，俾使該儲能裝置130儲存該輸出電流I_out 之能量。

上述相移器240之最佳相移量與該感應電流I_S 的大小有關，依該感應電流I_S 的大小進行相移量之分段調整，將可得到最佳的轉換效率。

第5圖係繪示本揭露之第二實施例中用於能量採集之電源轉換裝置的電路示意圖。

第二實施例與上述第1圖之第一實施例的電源轉換裝置100大致相同，其主要差異在於： 第三開關元件S₃ 與第四開關元件S₄ 係分別取代第1圖之第一二極體D₁ 與第二二極體D₂ ，該第三開關元件S₃ 或該第四開關元件S₄ 可為電晶體開關。

再者，上述之控制電路200係分別控制該第一開關元件S₁ 至該第四開關元件S₄ ，以使該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ 兩者、以及該第三開關元件S₃ 與該第四開關元件S₄ 兩者於每半週期被交替地切換一次，並使該輸出電流I_out 輪流地通過該第三開關元件S₃ 與該第四開關元件S₄ 。

類似於上述對第4A圖與第4B圖所記載，該控制電路200控制該第一開關元件S₁ 至該第四開關元件S₄ 之步驟簡述如下：

(A)利用該驅動器210同時導通該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ ，並斷開該第三開關元件S₃ 與該第四開關元件S₄ 。

(B)利用控制電路200偵測及判斷該電流變壓器110兩輸出端之電壓V₁ 與電壓V₂ 之極性與數值變化，以供該驅動器210決定斷開該第一開關元件S₁ 或該第二開關元件S₂ ，並導通該第三開關元件S₃ 或該第四開關元件S₄ 。

當該驅動器210斷開該第一開關元件S₁ 時，會同時導通該第三開關元件S₃ ；當該驅動器210斷開該第二開關元件S₂ 時，會同時導通該第四開關元件S₄ 。

藉此，使該輸出電流I_out 進行充電與放電。當該輸出電流I_out 進行放電時，該輸出電流I_out 會經由該第三開關元件S₃ 或該第四開關元件S₄ 傳導至儲能裝置130，以對該對該儲能裝置130進行充電，俾使該儲能裝置130儲存該輸出電流I_out 之能量。

(C)當該輸出電流I_out 放電完畢時，返回上述步驟(A)。利用該驅動器210再次同時導通該第一開關元件S₁ 與該第二開關元件S₂ ，並斷開該第三開關元件S₃ 與該第四開關元件S₄ ，再利用控制電路200進行下一次的偵測及判斷。

第6圖係繪示本揭露之電源轉換裝置與習知技術於能量採集結果的效率比較圖。

如圖所示，利用感應線圈分別搭配習知技術之全橋式整流器與(未整流)具阻抗匹配之負載電阻，在相同的感應電流時，由比較習知技術與本揭露之能量採集結果，可知本揭露之電源轉換裝置能產出較高的輸出能量。

特別是在較低的感應電流時，過低的能量將無法通過橋式整流器，導致橋式整流器之能量採集的效率低落，但 本揭露之電源轉換裝置則無此限制，該電源轉換裝置在較低的感應電流時，依然可以得到對應之輸出能量，進而擴大該電源轉換裝置之應用範圍。

上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理、特點及其功效，並非用以限制本揭露之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本揭露所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

100‧‧‧電源轉換裝置

110‧‧‧電流變壓器

120‧‧‧轉換電路

130‧‧‧儲能裝置

140‧‧‧電力線

150‧‧‧接地端

200‧‧‧控制電路

210‧‧‧驅動器

220‧‧‧偵測器

230‧‧‧多工器

240‧‧‧相移器

250‧‧‧比較器

D₁ ‧‧‧第一二極體

D₂ ‧‧‧第二二極體

I_in ‧‧‧輸入電流

I_m ‧‧‧磁化電流

I_s ‧‧‧感應電流

I_out ‧‧‧輸出電流

L_m ‧‧‧磁化電感

L_p ‧‧‧主要電感

L_s ‧‧‧感應電感

P₁ 、P₂ ‧‧‧時間點

S₁ ‧‧‧第一開關元件

S₂ ‧‧‧第二開關元件

S₃ ‧‧‧第三開關元件

S₄ ‧‧‧第四開關元件

T₁ -T₈ ‧‧‧期間

V₁ 、V₂ ‧‧‧電壓

V_a 、V_b ‧‧‧電壓訊號

第1圖係繪示本揭露之第一實施例中用於能量採集之電源轉換裝置的電路示意圖。

第2A圖至第2E圖係繪示本揭露利用第1圖之電源轉換裝置於能量採集方法的電路示意圖。

第3圖係繪示本揭露第2A圖至第2E圖之能量採集方法中，開關元件與電流間之作動變化的時間關係圖。

第4A圖係繪示本揭露之控制電路的電路示意圖。

第4B圖係繪示本揭露第4A圖之控制電路中，用以決定斷開開關元件之時間點的電壓波形圖。

第5圖係繪示本揭露之第二實施例中用於能量採集之電源轉換裝置的電路示意圖。

第6圖係繪示本揭露之電源轉換裝置與習知技術於能量採集結果的效率比較圖。

100‧‧‧電源轉換裝置

110‧‧‧電流變壓器

120‧‧‧轉換電路

130‧‧‧儲能裝置

140‧‧‧電力線

150‧‧‧接地端

D₁ ‧‧‧第一二極體

D₂ ‧‧‧第二二極體

I_in ‧‧‧輸入電流

L_m ‧‧‧磁化電感

L_p ‧‧‧主要電感

L_s ‧‧‧感應電感

S₁ ‧‧‧第一開關元件

S₂ ‧‧‧第二開關元件

V₁ 、V₂ ‧‧‧電壓

Claims (10)

1. 一種用於能量採集之電源轉換裝置，其包括：電流變壓器，係用以感應電力線之時變磁場以產生輸出電流；轉換電路，電性連接該電流變壓器，係具有第一開關元件、第二開關元件、第一二極體與第二二極體，該第一開關元件係電性連接該第二開關元件，該第一二極體係電性連接該第二二極體，且該第一二極體與該第二二極體係分別電性連接該第一開關元件及該第二開關元件，該第一開關元件與該第二開關元件係於每半週期被交替地切換一次，以使該輸出電流輪流地通過該第一二極體與該第二二極體；以及儲能裝置，其一端係電性連接該第一開關元件與該第二開關元件，而另一端係電性連接該第一二極體與該第二二極體，且該儲能裝置係用以儲存通過該第一二極體與該第二二極體之該輸出電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中，該電力線係用以提供輸入電流，以由該電流變壓器依據該輸入電流而產生該輸出電流。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中，該輸出電流係為交流電流，該轉換電路係為交直流轉換電路或整流器，用以整流該輸出電流為直流電流。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中，該第一開關元件或該第二開關元件係為電晶體開關， 該儲能裝置係為電容或電池。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中，該第一開關元件與該第二開關元件係由外部之控制電路所控制，該控制電路係於每半週期交替地切換該第一開關元件與該第二開關元件一次。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中，該第一二極體與該第二二極體係分別由第三開關元件與第四開關元件所取代。
7. 一種能量採集方法，其包括：利用電流變壓器感應電力線之時變磁場以產生輸出電流；利用控制電路控制第一開關元件與第二開關元件，以使該第一開關元件與該第二開關元件於每半週期被交替地切換一次，而使該輸出電流輪流地通過第一二極體與第二二極體，其中，該第一開關元件係電性連接該第二開關元件，該第一二極體係電性連接該第二二極體；以及利用儲能裝置儲存通過該第一二極體與該第二二極體之該輸出電流，其中，該儲能裝置之一端係電性連接該第一開關元件與該第二開關元件，而另一端係電性連接該第一二極體與該第二二極體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之能量採集方法，其中，利用該控制電路控制該第一開關元件與第二開關元件之步驟係包括： 導通該第一開關元件與該第二開關元件；偵測該電流變壓器兩端電壓之極性與數值變化，以決定斷開該第一開關元件或該第二開關元件之時間點，俾使該輸出電流經由該第一二極體或該第二二極體傳導至該儲能裝置；當該輸出電流放電完畢時，再次導通該第一開關元件與該第二開關元件。
9. 一種能量採集方法，其包括：利用電流變壓器感應電力線之時變磁場以產生輸出電流；利用控制電路控制第一開關元件、第二開關元件、第三開關元件與第四開關元件，以使該第一開關元件與該第二開關元件於每半週期被交替地切換一次，而使該輸出電流輪流地通過該第三開關元件與該第四開關元件，其中，該第一開關元件係電性連接該第二開關元件，該第三開關元件係電性連接該第四開關元件；以及利用儲能裝置儲存通過該第三開關元件與該第四開關元件之該輸出電流，其中，該儲能裝置之一端係電性連接該第一開關元件與該第二開關元件，而另一端係電性連接該第三開關元件與該第四開關元件。
10. 如申請專利範圍第9項所述之能量採集方法，其中，利用該控制電路控制該第一開關元件至該第四開關元件之步驟係包括： 導通該第一開關元件與該第二開關元件，並斷開該第三開關元件與該第四開關元件；偵測該電流變壓器兩端電壓之極性與數值變化，以決定斷開該第一開關元件或該第二開關元件並導通該第三開關元件或該第四開關元件之時間點，俾使該輸出電流經由該第三開關元件或該第四開關元件傳導至該儲能裝置；當該輸出電流放電完畢時，再次導通該第一開關元件與該第二開關元件，並斷開該第三開關元件與該第四開關元件。