TWI504127B - Isolated AC / DC converter and its conversion method - Google Patents

Description

隔離式交直流轉換裝置及其轉換方法

本發明係與電源轉換有關；特別是指一種隔離式交直流轉換裝置及其轉換方法。

按，隔離式電能傳輸系統與一般接觸型電能傳輸系統最大的不同，在於隔離式電能傳輸系統不須經由電力線直接傳輸能量，而是利用一隔離式變壓器電磁耦合而將能量由一次側傳遞至二次側電路，然而隔離式變壓器因其先天耦合不良因素，使得電力轉換效率較低。因此，傳統隔離式電能傳輸系統常利用共振式阻抗匹配方式，來提升電源轉換效率，但是利用阻抗匹配電路方式實現之電路，甚易受隔離式變壓器耦合系數參數影響，而達不到預期效果，造成電源轉換效率低落。

此外，使用隔離式電能傳輸系統之習用交直流轉換裝置在作動時，交流電源的輸入電壓與輸入電流常會處於相位不同的情況，導致功率因數低且電流總諧波失真嚴重。此外，只有在內部整流電路輸出之直流電源的電壓高於該輸出電容的電壓時，才會對輸出端之電容進行充能，因此造成該電容充能時間短縮，導致導通電流的峰值隨之增大，除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直流電能嚴重失真。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種隔離式交直流轉換裝置，除了具有高功率因數之優點外，可以同時兼顧快速響應與低漣波輸出電壓之目的。

緣以達成上述目的，本發明所提供隔離式交直流轉換裝置用以將一交流電源之電能轉換後供予一負載，且包含一整流電路、一主動式功因校正電路、一隔離式變壓器以及一自動電荷抽放(auto charge pump)電路。其中，該整流電路輸入側與該交流電源連接，用以接收該交流電源之電能後，轉換成直流之電能並自其輸出側輸出；另外，該輸出側具有一正電端以及一負電端。該主動式功因校正電路與該整流電路之輸出端連接，用以接收該整流電路輸出之電能並提升功率因數後輸出，且包含有一第一二極體，其負極與該正電端連接；一第一電容，其一端與該第一二極體之正極連接；一電子開關，其一端與該第一電容另一端連接，而該電子開關另一端則與該負電端連接；一第一電感，其一端與該第一二極體之負極以及該正電端之連接處連接，而該第一電感另一端與該第一電容以及該電子開關的連接處連接；一第二二極體，其正極與該電子開關以及該負電端的連接處連接。該隔離式變壓器具有一一次側以及一二次側，且該一次側以及該二次測分別具有一第一端以及一第二端；該一次側之第一端連接至該第一二極體與該第一電容之連接處，而該一次側之第二端連接至該第二二極體之負極。該自動電荷抽放電路一側電性連接該隔離式變壓器，另一側電性連接該負載；該自動電荷抽放電路包含有一第三二極體，其正極連接至該隔離式變壓器二次側之第二端，而負極則與該隔離式變壓器二次側之第一端電性連接；一第二電容，其一端連接該第三二極體之負極；一第二電感，其一端連接該第二電容之另一端，而另外一端則電性連接至該第三二極體之負極與該 第二電容之連接處；一第三電容，與該負載並聯，且其一端與該第二電容與該第二電感的連接處連接，而另一端則與該第三二極體之正極及該隔離式變壓器二次側之第二端的連接處連接。

依據上述構思，該隔離式交直流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直流電對該第一電感器充能，且該第一電容之儲能對該隔離變壓器之一次側充能，而該第二電容與該第二電感之儲能對該第三電容充能，使該第三電容對該負載釋能；B.斷開該電子開關以阻斷該整流電路輸出之直流電，使該第一電感之儲能對該第一電容充能，並使該隔離式變壓器之儲能由二次側對該第二電感、該第二電容與該第三電容充能，使該第三電容持續通過該負載釋能；C.導通該第三二極體，使該第二電容與該第二電感對該第三電容充能，使該第三電容持續該負載釋能。

藉此，透過上述之設計，便可以在電源轉換時提高功率因數，更同時兼顧有快速響應與低漣波輸出電壓外之優點。

10‧‧‧整流電路

12‧‧‧正電端

14‧‧‧負電端

20‧‧‧主動式功因校正電路

30‧‧‧隔離式變壓器

31‧‧‧一次側

311‧‧‧第一端

312‧‧‧第二端

32‧‧‧二次側

321‧‧‧第一端

322‧‧‧第二端

40‧‧‧自動電荷抽放電路

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

SW‧‧‧電子開關

C1~C3‧‧‧電容

L1~L2‧‧‧電感

D1~D5‧‧‧二極體

圖1為本發明較佳實施例之隔離式交直流轉換裝置的 電路圖；圖2至圖4為圖1於各步驟之等效電路圖。

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，本發明一較佳實施例之隔離式交直流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，且包含一整流電路10、一主動式功因校正電路20、一隔離式變壓器30以及一自動電荷抽放(auto charge pump)電路40。其中：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。

該主動式功因校正電路20與該整流電路10之輸出端連接，用以接收該整流電路10輸出之電能並提升功率因數後輸出，且包含有二個二極體(第一二極體D1以及第二二極體D2)、一個電容(第一電容C1)、一個電感(第一電感L1)以及一電子開關SW。該等元件之連接關係如下所述：第一二極體D1之負極與該正電端12連接。

該第一電容C1一端與該第一二極體D1之正極連接。

該電子開關SW一端與該第一電容C1另一端連接，而另一端則與該負電端14連接。

該第一電感L1一端與該第一二極體D1之負極 以及該正電端12之連接處連接，而該第一電感L1另一端與該第一電容C1以及該電子開關SW的連接處連接。

該第二二極體D2正極與該電子開關SW以及該負電端14的連接處連接。

該隔離式變壓器30具有一一次側31以及一二次側32。該一次側31與二次側32分別具有一第一端311、321以及一第二端312、322。該第一端311連接至該第一二極體D1與該第一電容C1之連接處，而該第二端312則連接至該第二二極體D2之負極。

該自動電荷抽放電路40與隔離式變壓器之二次側32連接，且包含有三個二極體(第三二極體D3、第四二極體D4以及第五二極體D5)、二個電容(第二電容C2以及第三電容C3)以及一個電感(第二電感L2)。該等元件之連接關係如下所述：該第五二極體D5之正極連接至該第一端321。

該第三二極體D3之正極連接至該第二端322，而負極則與該第五二極體D5之負極連接以透過該第五二極體D5與該第一端321電性連接。

該第二電容C2一端則與該第三二極體D3之負極及該第五二極體D5之負極的連接處連接。

該第四二極體D4之正極與該第三二極體D3之負極、該第五二極體D5之負極及該第二電容C2之連接處連接。

該第二電感L2一端連接該第三電容C3之另一端，另外一端則與該第四二極體D4之負極連接，而透過該第四二極體D4電性連接至該第三二極體D3之負極、該第五二極體D5之負極及該第二電容C2之連接處。

該第三電容C3與該負載200並聯，且一端與 該第二電容C2與該第二電感L2的連接處連接，而另一端與該第三二極體D3之正極以及該第二端322的連接處連接。

於本實施例中，該等電容C1~C2、該等電感L1~12、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SW，使該整流電路10輸出之直流電對該第一電感器L1充能，且該第一電容C1之儲能對該隔離變壓器30之一次側31充能，而該第二電容C2與該第二電感L2之儲能對該第三電容C3充能，使該第三電容C3對該負載200釋能。

B.請參閱圖3，斷開該電子開關SW以阻斷該整流電路10輸出之直流電，使該第一電感L1之儲能對該第一電容C1充能，並使該隔離式變壓器30之儲能由二次側32對該第二電感L2、該第二電容C2充能，並透過該第二電容C2與該第二電感L2形成之共振電路，將其儲能傳導至該第三電容C3，使該第三電容C3持續通過該負載釋能。

C.請參閱圖4，該第一電感L1停止釋能，使該第一二極體D1截止，且當該第二電感L2之跨壓大於該第三電容C3之跨壓時，該第三二極體D3導通，使該第二電容C2與該第二電感L2對該第三電容C3充能，使該第三電容C3持續該負載200釋能。

另外，每執行一次步驟A至步驟C後，則表示完成一次週期之作動。是以，在該隔離式交直流轉換裝置持續作動之情況下，於步驟C後，便繼續重複執行步驟A至步驟C，直至該隔離式交直流轉換裝置停止作動。

藉此，透過上述之該自動電荷抽放電路40之設計，於每次作動週期中，使該第三二極體D3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，該第四二極體D4以及該第五二極體D5之設計更可有效地分別防止電路產生回流影響該隔離式變壓器30以及該自動電荷抽放電路40之作動，進而使得整體電路更加地穩定，藉以提升該隔離式交直流轉換裝置能源轉換與抑制漣波之效果。當然，在實際實施上，即使不使用該第四二極體D4以及該第五二極體D5仍可達到增進電源轉換效率以及抑制漣波之目的。

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。

10‧‧‧整流電路

12‧‧‧正電端

14‧‧‧負電端

20‧‧‧主動式功因校正電路

30‧‧‧隔離式變壓器

31‧‧‧一次側

311‧‧‧第一端

312‧‧‧第二端

32‧‧‧二次側

321‧‧‧第一端

322‧‧‧第二端

40‧‧‧自動電荷抽放電路

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

SW‧‧‧電子開關

C1~C3‧‧‧電容

L1~L2‧‧‧電感

D1~D5‧‧‧二極體

Claims (10)

1. 一種隔離式交直流轉換裝置，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，其輸入側與該交流電源連接，用以接收該交流電源之電能後，轉換成直流之電能並自其輸出側輸出；另外，該輸出側具有一正電端以及一負電端；一主動式功因校正電路，與該整流電路之輸出端連接，用以接收該整流電路輸出之電能並提升功率因數後輸出，且包含有：一第一二極體，其負極與該正電端連接；一第一電容，其一端與該第一二極體之正極連接；一電子開關，其一端與該第一電容另一端連接，而該電子開關另一端則與該負電端連接；一第一電感，其一端與該第一二極體之負極以及該正電端之連接處連接，而該第一電感另一端與該第一電容以及該電子開關的連接處連接；一第二二極體，其正極與該電子開關以及該負電端的連接處連接；一隔離式變壓器，具有一一次側以及一二次側，且該一次側以及該二次測分別具有一第一端以及一第二端；該一次側之第一端連接至該第一二極體與該第一電容之連接處，而該一次側之第二端連接至該第二二極體之負極； 一自動電荷抽放(auto charge pump)電路，其一側電性連接該隔離式變壓器，另一側電性連接該負載；該自動電荷抽放電路包含有：一第三二極體，其正極連接至該隔離式變壓器二次側之第二端，而負極則與該隔離式變壓器二次側之第一端電性連接；一第二電容，其一端連接該第三二極體之負極；一第二電感，其一端連接該第二電容之另一端，而另外一端則電性連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處；一第三電容，與該負載並聯，且其一端與該第二電容與該第二電感的連接處連接，而另一端則與該第三二極體之正極及該隔離式變壓器二次側之第二端的連接處連接。
2. 如請求項1所述之隔離式交直流轉換裝置，其中該自動電荷抽放電路更包含有一第四二極體，其一端連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處，另一端連接至該第三電感，而使該第三電感透過該第四二極體電性連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處。
3. 如請求項2所述之隔離式交直流轉換裝置，其中該第四二極體之正極連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處，而其負極則連接至該第三電感。
4. 如請求項1所述之隔離式交直流轉換裝置，其中該自動電荷抽放電路更包含有一第五二極體，其一端連接至該隔離 式變壓器二次側之第一端，而另一端則連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處，而使該第三二極體之負極以及該第二電容透過該第五二極體與該隔離式變壓器二次側之第一端電性連接。
5. 如請求項4所述之隔離式交直流轉換裝置，其中該第五二極體之正極連接至該隔離式變壓器二次側之第一端，而負極則連接至該第三二極體之負極與該第二電容之連接處。
6. 一種如請求項1所述之隔離式交直流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直流電對該第一電感器充能，且該第一電容之儲能對該隔離變壓器之一次側充能，而該第二電容與該第二電感之儲能對該第三電容充能，使該第三電容對該負載釋能；B.斷開該電子開關以阻斷該整流電路輸出之直流電，使該第一電感之儲能對該第一電容充能，並使該隔離式變壓器之儲能由二次側對該第二電感、該第二電容與該第三電容充能，使該第三電容持續通過該負載釋能；C.導通該第三二極體，使該第二電容與該第二電感對該第三電容充能，使該第三電容持續該負載釋能。
7. 如請求項6所述之電源轉換方法，其中，於步驟C後，更包含有一步驟，係重複執行步驟A至步驟C。
8. 如請求項6所述之電源轉換方法，其中，於步驟B之後，該第一電感停止釋能，使該第一二極體截止。
9. 如請求項6所述之電源轉換方法，其中，於步驟B中，該隔離式變壓器係透過該第二電容與該第二電感形成之共振電路，將其儲能傳導至該第三電容。
10. 如請求項9所述之電源轉換方法，其中，於步驟B中，該第二電容與該第二電感形成之共振電路後，當該第二電感之跨壓大於該第三電容之跨壓時，該第三二極體導通，而進入步驟C。