TWI504116B - Power conversion device and conversion method thereof - Google Patents

Description

電源轉換裝置及其轉換方法

本發明係與電源轉換有關；特別是指一種電源轉換裝置及其轉換方法。

按，傳統的電源轉換裝置通常是利用一輸出電容跨接於至電源的輸出端再連接至一負載，藉以直接透過電容之充放電達到電能轉換輸出之目的。而以交直流轉換為例，輸出電容前通常再連接有一整流電路以將交流電能轉換成直流電能。

然而，前述用以交直流轉換之電源轉換裝置在作動時，常因為該交流電源的輸入電壓與輸入電流處於相位不同的情況，而導致功率因數低落且電流總諧波失真嚴重。

除此之外，只有在該整流電路的輸出電壓高於輸出電容的電壓時，整流電路才會對輸出電容進行充電，因此造成輸出電容充能時間短縮，導致該整流電路中之二極體導通時間亦隨之縮短，進而導致導通電流的峰值隨之增大，造成輸入電流波形失真及功率因數降低外，更會使得最後輸出予負載之電能嚴重失真。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種電源轉換裝置及其轉換方法，可有效提高功率因數，且亦可有效地抑制輸出予負載之電壓漣波。

緣以達成上述目的，本發明提供一種直直流轉換之電源轉換裝置，用以將一直流電源之電能轉換後供予一負載，且該直流電源具有一正電端以及一負電端；該電源轉換裝置包括一第一電感、一開關元件、一二極體、一第一電容、一第二電感以及一第二電容。其中，該第一電感一端與該正電端連接。該開關元件一端連接至該第一電感另一端，而另一端則連接至該負電端。該二極體正極連接至該開關元件與該第一電感之連接處。該第一電容一端與該二極體之負極連接。該第二電感一端連接至該第一電容與該二極體之負極連接處，而另一端則連接至該第一電容之另一端。該第二電容與該負載並聯，且一端連接至該第二電感與該第一電容相連之另一端，而另一端則連接至該開關元件與該負電端之連接處。

依據上述構思，本發明更提供有一種交直流轉換之電源轉換裝置，用以將一交流電源之電能轉換後供予一負載，且包括一整流電路、一第一電感、一開關元件、一二極體、一第一電容、一第二電感以及一第二電容。其中，該整流電路具有一輸入側以及一輸出側，且該輸入側與該交流電源電性連接，用以將交流電源之電能轉換成直流電能後自該輸出側輸出；另外，該輸出側依據輸出電能之極性而具有一正電端以及一負電端。該第一電感一端與該正電端連接。該開關元件一端連接至該第一電感另一端，而另一端則連接至該負電端。該二極體正極連接至該開關元件與該第一電感之連接處。該第一電容一端與該二極體之負極連接。該第二電感一端連接至該第一電容與該二極體之負極連接處，而另一端則連接至該第一電容之另一端。該第二電容與該負載並聯，且一端連接至該第二電感與該第一電容相連之另一端，而另一端則連接至該開關元件與該負電端之連接處。

依據上述構思，該開關元件包含有並聯連接之一電子開關以及一本質二極體，且該電子開關一端與該本質二極體之負極同時連接至該第一電感另一端，而該電子開關另一端與該本質二極體之正極則同時連接至該負電端。

依據上述構思，該電源轉換裝置的直直流電源轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該直流電源輸出之電能對該第一電感充能，且該第二電感、第一電容以及該第二電容之儲能對該負載釋能；B.斷開該電子開關，使該第一電感之儲能對該第二電感、該第一電容與該二電容充能，使該第二電容之儲能持續對該負載釋能；C.該第一電感停止釋能，以使該第二電感之儲能對該第一電容充能，而使該第一電容之跨壓極性反轉，且該第二電容之儲能持續該負載釋能；D.導通該本質二極體，使該第一電容與該第二電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該第二電容充能，使該第二電容持續對該負載釋能。

依據上述構思，該電源轉換裝置的交直流電源轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該整流電路輸出之電能對該第一電感充能，且該第二電感、第一電容以及該第二電容之儲能對該負載釋能； B.斷開該電子開關，使該第一電感之儲能對該第二電感、該第一電容與該二電容充能，使該第二電容之儲能持續對該負載釋能；C.該第一電感停止釋能，以使該第二電感之儲能對該第一電容充能，而使該第一電容之跨壓極性反轉，且該第二電容之儲能持續該負載釋能；D.導通該本質二極體，使該第一電容與該第二電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該第二電容充能，使該第二電容持續對該負載釋能。

藉此，透過上述之設計，便可於直直流轉換或是交直流電源轉換時，有效地提高功率因數，且亦可有效地抑制輸出予負載之電壓漣波。

10‧‧‧整流電路

12‧‧‧正電端

14‧‧‧負電端

20‧‧‧開關元件

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

300‧‧‧直流電源

SW‧‧‧電子開關

Dsw‧‧‧本質二極體

L1、L2‧‧‧電感

C1、C2‧‧‧電容

D‧‧‧二極體

圖1為本發明第一較佳實施例之電路圖；圖2至5為圖1於各步驟之等效電路圖；圖6為本發明第二較佳實施例之電路圖。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。請參圖1所示，本發明第一較佳實施例之電源轉換裝置用以將一交流電源100之電能轉換後供予一負載200，且包括一整流電路10、一開關元件20、一獨立二極體D、二電感(第一電感L1及第二電感L2)以 及二電容(第一電容C1及第二電容C2)。該等元件之連接關係如下所述：該整流電路10於本實施例中為一橋式整流器，且輸入側與該交流電源100連接，用以接收該交流電源100之電能後，轉換成直流之電能並自其輸出側輸出。另外，該輸出側依據供電之極性而區分有一正電端12以及一負電端14。當然，在實際實施上，除使用橋式整流器之外，亦可使用中間抽頭式、真空管式、或是其它架構之整流器來達到相同之目的。

該第一電感L1一端與該正電端12連接。

該開關元件20一端連接至該第一電感L1另一端，而另一端則連接至該負電端14。於本實施例中，該開關元件20包含有並聯連接之一電子開關SW以及一本質二極體Dsw，且該電子開關SW一端與該本質二極體Dsw之負極同時連接至該第一電感L1另一端，而該電子開關SW另一端與該本質二極體Dsw之正極則同時連接至該負電端14。

該二極體D之正極連接至該電子開關SW與該第一電感L1之連接處。

該第一電容C1一端與該二極體D之負極連接。

該第二電感L2一端連接至該第一電容C1與該二極體D之負極連接處，而另一端則連接至該第一電容C1之另一端。

該第二電容C2與該負載200並聯，且一端連接至該第二電感L2與該第一電容C1相連之另一端，而另一端則連接至該電子開關SW與該負電端14之連接處。

於本實施例中，該等電容C1~C2、該等電感L1~L2、輸入電壓、輸出電壓、該電子開關SW之切換頻率、以及該負載200之規格如下表所示：

藉此，透過上述結構設計與規格，在利用下述之電源轉換方法，便可達到增進電源轉換效率之目的，而該方法包含有下列步驟：

A.請參閱圖2，導通該電子開關，使該整流電路輸出之電能對該第一電感L1充能，且該第二電感L2、第一電容C1以及該第二電容C2之儲能對該負載200釋能。

B.請參閱圖3，斷開該電子開關，使該第一電感L1之儲能對該第二電感L2與該第一電容C1充能，並透過該第一電容C1與該第二電感L2形成之共振電路，將其儲能傳導至該第二電容C2，以使該第二電容C2持續對該負載200釋能。

C.請參閱圖4，當該第一電感L1停止釋能時，第一電容C1與該第二電感L2形成共振電路，使該第二電感L2之儲能對該第一電容C1充能，而使該第一電容C1之跨壓極性反轉，且該第二電容C2之儲能持續該負載 200釋能。

D.請參閱圖5，當該第二電感L2之跨壓大於該第二電容C2之跨壓時，該本質二極體導通，使該第一電容C1與該第二電感L2產生與前一步驟反向之電壓，並藉以對該第二電容C2充能，使該第二電容C2持續對該負載200釋能。

每執行一次步驟A至步驟D後，則表示完成一次週期之作動。是以，在該電源轉換裝置持續作動之情況下，於步驟D後，便繼續重複執行步驟A至步驟D，直至該電源轉換裝置停止作動。

藉此，透過上述之設計，於每次作動週期中，該第一電容C1的跨壓可自動地提供負電位，而導通該本質二極體Dsw，以使該本質二極體Dsw導通前後之整體電路結構改變，而可達到快速響應與低漣波輸出電壓之目的，同時可透過該電子開關SW之切換達到提升功率因數之目的。

另外，本案除適用於交直電源轉換外，亦可如圖6所示，省略整流電路10，並直接與一直流電源300之正電端與負電端連接，同時利用前述之電源轉換方法，便可達到直直流電源轉換之目的，且同時可達到提升功率因數、快速響應與低漣波輸出電壓之效果。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，且在電氣特性以及電路動作原理相同之情況下，前述各電路元件之設置位置以及數量、以及舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效電路變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

10‧‧‧整流電路

12‧‧‧正電端

14‧‧‧負電端

20‧‧‧開關元件

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

SW‧‧‧電子開關

Dsw‧‧‧本質二極體

L1、L2‧‧‧電感

C1、C2‧‧‧電容

D‧‧‧二極體

Claims (12)

1. 一種電源轉換裝置，用以將一直流電源之電能轉換後供予一負載，且該直流電源具有一正電端以及一負電端；該電源轉換裝置包括：一第一電感，其一端與該正電端連接；一開關元件，一端連接至該第一電感另一端，而另一端則連接至該負電端；一二極體，其正極連接至該開關元件與該第一電感之連接處；一第一電容，其一端與該二極體之負極連接；一第二電感，其一端連接至該第一電容與該二極體之負極連接處，而另一端則連接至該第一電容之另一端；一第二電容，與該負載並聯，且一端連接至該第二電感與該第一電容相連之另一端，而另一端則連接至該開關元件與該負電端之連接處。
2. 如請求項1所述之電源轉換裝置，其中該開關元件包含有並聯連接之一電子開關以及一本質二極體，且該電子開關一端與該本質二極體之負極同時連接至該第一電感另一端，而該電子開關另一端與該本質二極體之正極則同時連接至該負電端。
3. 一種如請求項2所述之電源轉換裝置的電源轉換方法，包含有下列步驟： A.導通該電子開關，使該直流電源輸出之電能對該第一電感充能，且該第二電感、第一電容以及該第二電容之儲能對該負載釋能；B.斷開該電子開關，使該第一電感之儲能對該第二電感、該第一電容與該二電容充能，使該第二電容之儲能持續對該負載釋能；C.該第一電感停止釋能，以使該第二電感之儲能對該第一電容充能，而使該第一電容之跨壓極性反轉，且該第二電容之儲能持續該負載釋能；D.導通該本質二極體，使該第一電容與該第二電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該第二電容充能，使該第二電容持續對該負載釋能。
4. 如請求項3所述之電源轉換方法，其中，於步驟D後，更包含有一步驟，係重複執行步驟A至步驟D。
5. 如請求項3所述之電源轉換方法，其中，於步驟B中，該第一電感係透過該第一電容與該第二電感形成之共振電路，將其儲能傳導至該第二電容。
6. 如請求項5所述之電源轉換方法，其中，於步驟C中，該第一電容與該第二電感形成之共振電路後，該第二電感之儲能對該第一電容充能，而使該第二電容之跨壓極性反轉，且當該第二電感之跨壓大於該第二電容之跨壓時，該本質二極體導通，而進入步驟D。
7. 一種電源轉換裝置，用以將一交流電源之電能轉換後供予一負載，且包括：一整流電路，具有一輸入側以及一輸出側，且該輸入側與該交流電源電性連接，用以將交流電源之電能轉換成直流電能後自該輸出側輸出；另外，該輸出側依據輸出電能之極性而具有一正電端以及一負電端；一第一電感，其一端與該正電端連接；一開關元件，其一端連接至該第一電感另一端，而另一端連接至該負電端；一二極體，其正極連接至該開關元件與該第一電感之連接處；一第一電容，其一端與該二極體之負極連接；一第二電感，其一端連接至該第一電容與該二極體之負極連接處，而另一端則連接至該第一電容之另一端；一第二電容，與該負載並聯，且一端連接至該第二電感與該第一電容相連之另一端，而另一端則連接至該開關元件與該負電端之連接處。
8. 如請求項7所述之電源轉換裝置，其中該開關元件包含有並聯連接之一電子開關以及一本質二極體，且該電子開關一端與該本質二極體之負極同時連接至該第一電感另一端，而該電子開關另一端與該本質二極體之正極則同時連接至該負電端。
9. 一種如請求項8所述之電源轉換裝置的電源轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該整流電路輸出之電能對該第一電感充能，且該第二電感、第一電容以及該第二電容之儲能對該負載釋能；B.斷開該電子開關，使該第一電感之儲能對該第二電感、該第一電容與該二電容充能，使該第二電容之儲能持續對該負載釋能；C.該第一電感停止釋能，以使該第二電感之儲能對該第一電容充能，而使該第一電容之跨壓極性反轉，且該第二電容之儲能持續該負載釋能；D.導通該本質二極體，使該第一電容與該第二電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該第二電容充能，使該第二電容持續對該負載釋能。
10. 如請求項9所述之電源轉換方法，其中，於步驟D後，更包含有一步驟，係重複執行步驟A至步驟D。
11. 如請求項9所述之電源轉換方法，其中，於步驟B中，該第一電感係透過該第一電容與該第二電感形成之共振電路，將其儲能傳導至該第二電容。
12. 如請求項11所述之電源轉換方法，其中，於步驟C中，該第一電容與該第二電感形成之共振電路後，該第二電感之儲能對該第一電容充能，而使該第二電容之跨壓極性反 轉，且當該第二電感之跨壓大於該第二電容之跨壓時，該本質二極體導通，而進入步驟D。