TWI506940B - A fly - back AC / DC converter and its conversion method - Google Patents

Description

返馳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；特別是指一種返馳式交直流轉換裝置及其轉換方法。

按，返馳式電能傳輸系統與一般接觸型電能傳輸系統最大的不同，在於返馳式電能傳輸系統不須經由電力線直接傳輸能量，而是利用一返馳式變壓器電磁耦合而將能量由一次側傳遞至二次側電路，然而返馳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，傳統返馳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，甚易受返馳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，由於電能傳輸系統之輸出電壓需大於負載電壓，才能夠克服輸出端之電位而將能量傳送至負載，因此返馳式電能傳輸電路中，往往需要較大匝數比之變壓器才能夠將電壓提升至所需電壓，如此一來，而返馳式變壓器之銅損隨著線圈匝數增加而增加，以致電源轉換效率降低。

有鑑於此，本發明之目的用於提供一種返馳式交直流轉換裝置及其轉換方法，可以提供負電位以補償負載電壓之阻障，進而可降低變壓器之線圈匝數比，以降低銅損 提升電源轉換效率，使得變壓器一次側能量能夠更平順更有效率的傳送至負載，進一步增進電源轉換效率。

緣以達成上述目的，本發明所提供返馳式交直流轉換裝置用以將交流電源之電能轉換後，輸出供予一負載；該返馳式交直流轉換裝置包含有一整流電路、一電子開關、一返馳式(Flyback)變壓器以及一自動電荷抽放(auto charge pump)電路。其中，該整流電路與該交流電源連接，且用以接收該交流電源之電能後轉換成直流電輸出。該電子開關與該整流電路電性連接。該返馳式變壓器具有一一次側以及一二次側，且該一次側兩端分別電性連接該整流電路以及該電子開關，而該二次側具有一第一端以及一第二端。該自動電荷抽放(auto charge pump)電路，其一側電性連接該返馳式變壓器，另一側電性連接該負載；該自動電荷抽放電路包含有一第一二極體，其正極連接該二次側之第二端，其負極電性連接該二次側之第一端；一第一電容，其一端連接該第一二極體之負極；一電感，其一端連接該第一電容之另一端，而另外一端則電性連接該第一二極體之負極；一第二電容，並聯連接該負載，且其一端連接該第一電容與該電感，而另一端連接該第一二極體之正極與該二次側之第二端。

依據上述構思，該返馳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返馳式變壓器之一次側充電，而該電感、該第一電容與該第二電容對該負載釋能；B. 斷開該電子開關以阻斷該整流電路輸出之直流電，使該返馳式變壓器之二次側對該電感、該第一電容 與該第二電容充電，並使該第二電容持續對該負載釋能；C. 該返馳式變壓器停止釋能，以使該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，且該第二電容對該負載釋能；D. 導通該第一二極體，使該第一電容與該電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該第二電容充電，使該第二電容持續對該負載釋能。

藉此，透過上述之設計，便可以在電源轉換時，提供負電位以補償負載電壓之阻障，進而可降低該返馳式變壓器之線圈匝數比，以降低銅損提升電源轉換效率，使得該返馳式變壓器一次側能量能夠更平順更有效率的傳送至負載，進一步增進電源轉換效率。

10‧‧‧返馳式變壓器

11‧‧‧一次側

12‧‧‧二次側

121‧‧‧第一端

122‧‧‧第二端

20‧‧‧自動電荷抽放電路

D1、D2、D3‧‧‧二極體

C1、C2‧‧‧電容

L‧‧‧電感

R‧‧‧整流電路

SW‧‧‧電子開關

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

圖1為本發明較佳實施例之返馳式交直流轉換裝置的電路圖；圖2至圖5為各步驟之等效電路圖；圖6為第一電容之電壓波型圖。

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返馳式交直流轉換裝置用以將一交流電源100之電能 轉換後，輸出供予一負載200。該返馳式交直流轉換裝置包含有一整流電路R、一電子開關SW、一返馳式(Flyback)變壓器10以及一自動電荷抽放(auto charge pump)電路20。其中：該整流電路R與該交流電源100連接，且於本實施例中為一橋式整流器，用以接收該交流電源100之電能後，轉換成直流電輸出。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。

該電子開關SW與該整流電路R電性連接，用以受控制地導通或阻斷該整流電路R輸出之直流電。

該返馳式變壓器10具有一一次側11以及一二次側12。該一次側11兩端分別電性連接該整流電路R以及該電子開關SW，而該二次側12具有一第一端121以及一第二端122。

該自動電荷抽放電路20其一側電性連接該返馳式變壓器10，另一側電性連接該負載200。該自動電荷抽放電路20包含有三個二極體(第一二極體D1、第二二極體D2以及第三二極體D3)、兩個電容(第一電容C1與一第二電容C2)以及一個電感L。該等元件之連接關係如下所述：該第二二極體D2之正極連接該返馳式變壓器10二次側12之第一端121。

該第一二極體D1之正極連接該二次側12之第二端122，其負極連接該第二二極體D2之負極，而透過該第二二極體D2電性連接至該二次側12之第一端121。

該第一電容C1一端連接至該第一二極體D1之負極、以及第二二極體D2之負極。

該第三二極體D3之正極連接至該第一電容 C1、第一二極體D1之負極以及第二二極體D2之負極。

該電感L之一端連接該第一電容C1之另一端，另外一端則連接該第三二極體D2之負極，而透過該第三二極體D3電性連接至該第一二極體D1之負極。

該第二電容C2為非電解電容並聯連接該負載200，且其一端連接該第一電容C1與該電感L，而另一端連接該第一二極體D1之正極與該二次側12之第二端122。

於本實施例中，該等電容C1~C2、該電感L、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R輸出之直流電對該返馳式變壓器10之一次側11充電，而該電感L、該第一電容C1與該第二電容C2對該負載200釋能。

B. 請參閱圖3，斷開該電子開關SW，以阻斷整流電路R之直流電，而使該返馳式變壓器10之二次側12對該電感L、該第一電容C1充電，並透過該第一電容C1與該電感L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，當該返馳式變壓器10停止釋能，該第一電容C1與該電感L共振，使該電感L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，此時，該第二電容C2依舊持續對該負載200釋能。

D. 請參閱圖5，當該電感之跨壓L大於該第二電容C2之跨壓時，進而導通該第一二極體D1，使該第一電容C1與該電感L產生與步驟C反向之電壓，並對該第二電容C2充電，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，在該返馳式交直流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，直至該返馳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20之設計，於每次作動週期中，該第一電容C1的跨壓Vc1可如圖6所示般自動地提供負電位，而導通該第一二極體D1，以使該第一二極體D1導通前後之整體電路結構改變，並透過負壓補償負載200上之電壓所產生之阻障。如此一來，便可降低該返馳式變壓器10之線圈匝數比，進而降低銅損，且亦可使得該返馳式變壓器10一次側的能量能夠更平順更有效率的傳送至負載200，進一步增進電源轉換效率，同時具有較低輸出電壓漣波之效果，進而達到提升該第二電容C2之使用壽命之效果。

另外，該第二二極體D2以及該第三二極體D3 之設計更可有效地分別防止電路產生回流影響該返馳式變壓器10、以及該自動電荷抽放電路20之作動，進而使得整體電路更加地穩定，藉以提升該返馳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，即使不使用該第二二極體D2以及該第三二極體D3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‧‧‧返馳式變壓器

11‧‧‧一次側

12‧‧‧二次側

121‧‧‧第一端

122‧‧‧第二端

20‧‧‧自動電荷抽放電路

D1、D2、D3‧‧‧二極體

C1、C2‧‧‧電容

L‧‧‧電感

R‧‧‧整流電路

SW‧‧‧電子開關

100‧‧‧交流電源

200‧‧‧負載

Claims (9)

1. 一種返馳式交直流轉換裝置，用以將交流電源之電能轉換後，輸出供予一負載；該返馳式交直流轉換裝置包含有：一整流電路，與該交流電源連接，且用以接收該交流電源之電能後轉換成直流電輸出；一電子開關，與該整流電路電性連接；一返馳式(Flyback)變壓器，具有一一次側以及一二次側，且該一次側兩端分別電性連接該整流電路以及該電子開關，而該二次側具有一第一端以及一第二端；以及一自動電荷抽放(auto charge pump)電路，其一側電性連接該返馳式變壓器，另一側電性連接該負載；該自動電荷抽放電路包含有：一第一二極體，其正極連接該二次側之第二端，其負極電性連接該二次側之第一端；一第一電容，其一端連接該第一二極體之負極；一電感，其一端連接該第一電容之另一端，而另外一端則電性連接該第一二極體之負極；一第二電容，並聯連接該負載，且其一端連接該第一電容與該電感，而另一端連接該第一二極體之正極與該二次側之第二端。
2. 如請求項1所述之返馳式交直流轉換裝置，其中該自動電荷抽放電路更包含有一第二二極體，一端連接該返馳式變壓器二次側之第一端，另一端連接該第一二極體之負極， 而使該第一二極體透過該第二二極體電性連接至該返馳式變壓器二次側之第一端。
3. 如請求項2所述之返馳式交直流轉換裝置，其中該第二二極體之正極連接該返馳式變壓器二次側之第一端，而負極則連接該第一二極體之負極。
4. 如請求項1所述之返馳式交直流轉換裝置，其中該自動電荷抽放電路更包含有一第三二極體，一端連接該第一二極體之負極，另一端連接該電感，而使該電感透過該第三二極體電性連接至該第一二極體之負極。
5. 如請求項4所述之返馳式交直流轉換裝置，其中該第三二極體之正極連接該第一二極體之負極，而其負極連接該電感。
6. 一種如請求項1所述之返馳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返馳式變壓器之一次側充電，而該電感、該第一電容與該第二電容對該負載釋能；B. 斷開該電子開關以阻斷該整流電路輸出之直流電，使該返馳式變壓器之二次側對該電感、該第一電容與該第二電容充電，並使該第二電容持續對該負載釋能；C. 該返馳式變壓器停止釋能，以使該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，且該第二電容對該負載釋能； D. 導通該第一二極體，使該第一電容與該電感產生與前一步驟反向之電壓，並對該第二電容充電，使該第二電容持續對該負載釋能。
7. 如請求項6所述之電源轉換方法，其中，於步驟D後，更包含有一步驟，係重複執行步驟A至步驟D。
8. 如請求項6所述之電源轉換方法，其中，於步驟B中，該返馳式變壓器之二次側係透過該第一電容與該電感形成之共振電路，將其儲能傳導至該第二電容。
9. 如請求項8所述之電源轉換方法，其中，於步驟C中，該第一電容與該電感形成之共振電路後，該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，且當該電感之跨壓大於該第二電容之跨壓時，該第一二極體導通，而進入步驟D。