TWI504123B - Flow Transformer Transformer and Its Transforming Method - Google Patents

Description

文流轉交流變壓裝置及其變壓方法

本發明係與電源轉換有關；特別是指一種交流轉交流變壓裝置及其變壓方法。

傳統變壓器大多以一、二側線圈間之匝數比之設計做為升降壓之依據，而導致傳統變壓器具有體積大、成本高、無保護電路且不適用於交流轉交流轉換等缺點。為改善上述缺點，遂有業者研發如圖1所示之電子式交流轉交流變壓裝置，交流電源300透過橋式整流器30將能量儲存於電容器C1、C2，當主動開關S1導通時，儲存於電容器C1的能量經過主動開關S1並透過變壓器40變壓後傳送至負載400，而當主動開關S2導通時，儲存於電容器C2的能量經過主動開關S2並透過變壓器40變壓傳送至負載400，如此一來，透過上述動作的切換，便可達到將變壓後之交流電能供予負載400之目的。

然而，上述之設計為達到較佳之能量緩衝效果，電容C1、C2通常會使用單價較高之大容值電容器，不僅增加了體積，同時也增加了成本支出，更會因電容器充放電能之次數限制，而使得交流轉交流變壓裝置無法具有較長的使用壽命。除此之外，上述之交流轉交流變壓裝置之電路設計亦有安全之疑慮，意即，若主動開關S1、S2同時導通時，則會造成內部線路短路導致燒毀之情形發生。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種交流轉交流變壓裝置及其變壓方法，不僅安全、使用壽命長且電路操作簡單。

緣以達成上述目的，本發明所提供交流轉交流變壓裝置用以將一交流電源之電能的電壓改變後輸出供予一負載，且該交流電源具有一第一端以及一第二端；該交流轉交流變壓裝置包含有一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一變壓器、一電子開關以及一控制模組。其中，該第一二極體之正極與該交流電源之第一端連接。該第二二極體之負極連接至該第一二極體之正極與該交流電源之第一端的連接處。該第三二極體之正極與該交流電源之第二端連接。該第四二極體之負極連接至該第三二極體之正極與該交流電源之第二端的連接處，而其正極連接至該第二二極體之正極。該變壓器具有一一次側以及一二次側，該一次側具有一第一線圈以及一第二線圈，該第一線圈一端與該第二線圈一端連接，且該第一線圈另一端與該第一二極體之負極連接，而該第二線圈之另一端與該第三二極體之負極連接；該二次側與該負載連接。該電子開關一端連接至該第二二極體之正極與該第四二極體之正極的連接處，另一端連接至該第一線圈與該第二線圈之連接處。該控制模組與該電子開關電性連接，用以控制該電子開關導通或阻斷。

依據上述構思，本發明更提供有該交流轉交流變壓裝置之變壓方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該交流電源之電能通過該第一二極體、該第一線圈、該電子開關與該第四二極體，或是通過該第三二極體、該第二線圈、該電子 開關與該第二二極體，而使該交流電源透過該變壓器將電能由該二次側輸出至該負載；B.阻斷該電子開關，使該交流電源與該一次側之間呈斷路，而使該變壓器之二次側停止輸出電能予該負載。

依據上述構思，於步驟A中，當該交流電源之電能為正半波時，則通過該第一二極體、該第一線圈、該電子開關與該第四二極體；當該交流電源之電能為負半波時，則通過該第三二極體、該第二線圈、該電子開關與該第二二極體。

藉此，透過上述結構與方法之設計，便可使該交流轉交流變壓裝置具有安全、使用壽命長且電路操作簡單之優點。

D1~D4‧‧‧二極體

SW‧‧‧電子開關

10‧‧‧變壓器

11‧‧‧一次側

N1‧‧‧第一線圈

N2‧‧‧第二線圈

N3‧‧‧第三線圈

12‧‧‧二次側

20‧‧‧控制模組

21‧‧‧迴授控制電路

211‧‧‧電壓偵測端

212‧‧‧電流偵測端

213‧‧‧輸出端

22‧‧‧脈衝寬度調變電路

23‧‧‧震盪線圈變換器電路

100‧‧‧交流電源

110‧‧‧第一端

120‧‧‧第二端

200‧‧‧負載

C1、C2‧‧‧電容器

S1、S2‧‧‧主動開關

30‧‧‧橋式整流器

40‧‧‧變壓器

300‧‧‧交流電源

400‧‧‧負載

圖1為習用交流轉交流變壓裝置之電路結構圖；圖2為本發明第一較佳實施例之電路結構圖；圖3為正半波時之等效電路圖；圖4為負半波時之等效電路圖；圖5為本發明第二較佳實施例之電路結構圖；圖6為本發明第三較佳實施例之電路結構圖；圖7為本發明第四較佳實施例之電路結構圖。

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2所示，本發明一較佳實施例之交流轉交流變壓裝置用以將一交流電源100之電能的電壓改變後輸出供予一負載200，且該交流電源100具有一第一端110以及一第二端120。該交流轉交流變壓裝置包含有四個二極體(第一二極體D1至第四二極體D4)、一變壓器10、一電子開關SW以及一控制模組20。其中：該第一二極體D1之正極與該交流電源100之第一端110連接。

該第二二極體D2之負極連接至該第一二極體D1之正極與該交流電源100之第一端110的連接處。

該第三二極體D3之正極與該交流電源100之第二端120連接。

該第四二極體D4之負極連接至該第三二極體D3之正極與該交流電源100之第二端120的連接處，而其正極連接至該二二極體D2之正極。

該變壓器10具有一一次側11以及一二次側12，且於本實施例中，該變壓器10為中間抽頭式變壓器，使該一次側11具有一第一線圈N1以及一第二線圈N2，且該第一線圈N1一端與該第二線圈N2一端連接，而該第一線圈N1另一端則與該第一二極體D1之負極連接，且該第二線圈N2之另一端與該第三二極體D3之負極連接。該二次側12與該負載200連接。

該電子開關SW一端連接至該第二二極體D2之正極與該第四二極體D4之正極的連接處，另一端連接至該第一線圈N1與該第二線圈N2之連接處，且可受控制地導通或阻斷。

該控制模組20與該電子開關SW電性連接，用以控制該電子開關SW導通或阻斷。於本實施例中，該控制 模組20包含有一迴授控制電路21以及一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電路22，其中該迴授控制電路21具有一電壓偵測端211、一電流偵測端212以及一輸出端213，該電壓偵測端211與該電流偵測端212電性連接至該變壓器10一次側11處，以偵測該變壓器10一次側11處之電壓與電流，使該輸出端213輸出對應之訊號。本實施例中之電壓偵測端211係連接至該交流電源100以測得供予該一次側11的電壓，而該電流偵測端212係連接至該電子開關SW與該第二二極體D2及該第四二極體D4的連接處以測得供予該一次側11的電流。當然在實際實施上，亦可選擇連接至其他位置來達到同樣之目的。該脈衝寬度調變電路22一端與該輸出端213電性連接，另一端電性連接至該電子開關SW，用以接收該輸出端213輸出之訊號，並依據該輸出端213輸出之訊號產生對應之脈衝寬度調變訊號予該電子開關SW，以控制該電子開關導通或阻斷。

於本實施例中，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，在利用下述方法，便可達到功因校正與變壓之目的，而該方法包含有下列步驟：

A.請參閱圖3與圖4，導通該電子開關SW一 第一預定時間，使該交流電源100之電能於正半波時，該交流電源100之電能通過該第一二極體D1、該第一線圈N1、該電子開關SW與該第四二極體D4，而透過該變壓器10將電能由該二次側12輸出至該負載200(如圖3)。而該交流電源100之電能於負半波時，該交流電源100之電能則通過該第三二極體D3、該第二線圈N2、該電子開關SW與該第二二極體D2，而透過該變壓器10將電能由該二次側12輸出至該負載200(如圖4)。

B.阻斷該電子開關SW一第二預定時間，使該交流電源100與該一次側11之間呈現斷路，而使該變壓器10之二次側12停止輸出電能予該負載200。

另外，每執行一次步驟A至步驟B後，則表示完成一次週期之作動。是以，在該交流轉交流變壓裝置持續作動之情況下，於步驟B後，便繼續重複執行步驟A至步驟B，直至該交流轉交流變壓裝置停止作動。

藉此，透過上述之設計，便可透過調整該第一預定時間與該第二預定時間之長短，達到改變輸出予負載200的電壓大小以及提升功率因數之目的。另外，由於整體電路不須使用電容器，且只須要透過該電子開關SW進行即可控制，不僅具有使用壽命長且控制簡單之優點，更不會有習用變壓裝置容易產生電路短路的疑慮。

除此之外，該控制模組20之迴授控制電路21亦可如圖5般，將其電壓偵測端211與電流偵測端212電性連接至該變壓器10二次側12處，以偵測該變壓器10二次側12處之電壓與電流，而可更徑確地控制該脈衝寬度調變電路22輸出對應之脈衝寬度調變訊號以導通或阻斷該電子開關SW達到相同之目的。

另外，除上述以該脈衝寬度調變電路22做為 該電子開關SW導通或阻斷之控制外，請參閱圖6與圖7，當該變壓器10之一次側11更設有一第三線圈N3時，亦可透過該第三線圈N3設計震盪線圈變換器(Ringing Choke Converter，RCC)電路23替換前述之脈衝寬度調變電路22以達到控制該電子開關SW導通或阻斷之目的，且此架構下，該迴授控制電路21同樣可依需求電性連接至該一次側11處(如圖6)或是二次側12處(如圖7)進行電壓與電流之量測以達到前述實施例之目的。

再者，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。

D1~D4‧‧‧二極體

SW‧‧‧電子開關

10‧‧‧變壓器

11‧‧‧一次側

N1‧‧‧第一線圈

N2‧‧‧第二線圈

12‧‧‧二次側

20‧‧‧控制模組

21‧‧‧迴授控制電路

211‧‧‧電壓偵測端

212‧‧‧電流偵測端

213‧‧‧輸出端

22‧‧‧脈衝寬度調變電路

100‧‧‧交流電源

110‧‧‧第一端

120‧‧‧第二端

200‧‧‧負載

Claims (8)

1. 一種交流轉交流變壓裝置，用以將一交流電源之電能的電壓改變後輸出供予一負載，且該交流電源具有一第一端以及一第二端；該交流轉交流變壓裝置包含有：一第一二極體，其正極與該交流電源之第一端連接；一第二二極體，其負極連接至該第一二極體之正極與該交流電源之第一端的連接處；一第三二極體，其正極與該交流電源之第二端連接；一第四二極體，其負極連接至該第三二極體之正極與該交流電源之第二端的連接處，而其正極連接至該二二極體之正極；一變壓器，具有一一次側以及一二次側，該一次側具有一第一線圈以及一第二線圈，該第一線圈一端與該第二線圈一端連接，且該第一線圈另一端與該第一二極體之負極連接，而該第二線圈之另一端與該第三二極體之負極連接；該二次側與該負載連接；一電子開關，一端連接至該第二二極體之正極與該第四二極體之正極的連接處，另一端連接至該第一線圈與該第二線圈之連接處；以及一控制模組，與該電子開關電性連接，用以控制該電子開關導通或阻斷者。
2. 如請求項1所述交流轉交流變壓裝置，其中該控制模組包含有一迴授控制電路以及一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電路；該迴授控制電路具有一電壓偵 測端、一電流偵測端以及一輸出端，該電壓偵測端與該電流偵測端電性連接至該變壓器一次側處，以偵測該變壓器一次側處之電壓與電流，使該輸出端輸出對應之訊號；該脈衝寬度調變電路一端與該輸出端電性連接，另一端電性連接至該電子開關，用以接收該輸出端輸出之訊號，並產生對應之脈衝寬度調變訊號予該電子開關，以控制該電子開關導通或阻斷。
3. 如請求項1所述交流轉交流變壓裝置，其中該控制模組包含有一迴授控制電路以及一脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)電路；該迴授控制電路具有一電壓偵測端、一電流偵測端以及一輸出端，該電壓偵測端與該電流偵測端電性連接至該變壓器二次側處，以偵測該變壓器二次側處之電壓與電流，使該輸出端輸出對應之訊號；該脈衝寬度調變電路一端與該輸出端電性連接，另一端電性連接至該電子開關，用以接收該輸出端輸出之訊號，並產生對應之脈衝寬度調變訊號予該電子開關，以控制該電子開關導通或阻斷。
4. 如請求項1所述交流轉交流變壓裝置，其中該變壓器一次側更包含有一第三線圈，且該控制模組包含有一迴授控制電路以及一震盪線圈變換器(Ringing Choke Converter，RCC)電路；該迴授控制電路具有一電壓偵測端、一電流偵測端以及一輸出端，該電壓偵測端與該電流偵測端電性連接至該變壓器一次側處，以偵測該變壓器一次側處之電壓與電流，使該輸出端輸出對應之訊號；該震盪線圈變換 器電性連接該第三線圈、該輸出端與該電子開關，用以接收該輸出端輸出之訊號，並據以控制該電子開關導通或阻斷。
5. 如請求項1所述交流轉交流變壓裝置，其中該變壓器一次側更包含有一第三線圈，且該控制模組包含有一迴授控制電路以及一震盪線圈變換器(Ringing Choke Converter，RCC)電路；該迴授控制電路具有一電壓偵測端、一電流偵測端以及一輸出端，該電壓偵測端與該電流偵測端電性連接至該變壓器二次側處，以偵測該變壓器二次側處之電壓與電流，使該輸出端輸出對應之訊號；該震盪線圈變換器電性連接該第三線圈、該輸出端與該電子開關，用以接收該輸出端輸出之訊號，並據以控制該電子開關導通或阻斷。
6. 一種如請求項1所述之交流轉交流電壓裝置的變壓方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該交流電源之電能通過該第一二極體、該第一線圈、該電子開關與該第四二極體，或是通過該第三二極體、該第二線圈、該電子開關與該第二二極體，而使該交流電源透過該變壓器將電能由該二次側輸出至該負載；B.阻斷該電子開關，使該交流電源與該一次側之間呈斷路，而使該變壓器之二次側停止輸出電能予該負載。
7. 如請求項6所述之變壓方法，其中，於步驟B之後，更包含有一步驟，係重覆執行步驟A至步驟B。
8. 如請求項6所述之變壓方法，其中，於步驟A中，當該交流電源之電能為正半波時，則通過該第一二極體、該第一線圈、該電子開關與該第四二極體；當該交流電源之電能為負半波時，則通過該第三二極體、該第二線圈、該電子開關與該第二二極體。