TWI506946B - 能量回收裝置 - Google Patents

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Description

能量回收裝置
本發明是有關於一種能量回收裝置，特別是指一種使用電感同步切換回收(Synchronized Switch Harvesting on an Inductor，SSHI)技術的能量回收裝置。
I.C.Lien等人於Smart Materials and Structures ,vol.19,no.12,pp.125009,2010所發表的「Revisit of series-SSHI with comparisons to other interfacing circuits in piezoelectric energy harvesting」揭露了兩種習知能量回收裝置11、11’。
參閱圖1，第一種習知能量回收裝置11耦接在一壓電振動裝置12與一負載13之間。壓電振動裝置12受外力作用在一操作頻率振動，且將振動轉換成一交流電壓。第一種習知能量回收裝置11將來自壓電振動裝置12的交流電壓轉換成一直流電壓，且輸出直流電壓到負載13。第一種習知能量回收裝置11使用並列式電感同步切換回收(parallel-SSHI)技術，其中，串聯的一開關111及一電感112並聯於壓電振動裝置12，且開關111在每次壓電振動裝置12的振動位移到達其極值時導通一段預設時間(即該 段預設時間的中心時點與振動位移的相對應極值之間的相位差總是為零)，使得第一種習知能量回收裝置11從壓電振動裝置12擷取到的能量在操作頻率等於壓電振動裝置11的短路共振頻率時能到達其最大值。然而，第一種習知能量回收裝置11從壓電振動裝置12擷取到的能量會隨著操作頻率偏離短路共振頻率而快速地減少。
參閱圖2，第二種習知能量回收裝置11’與第一種習知能量回收裝置11相似，不同之處在於第二種習知能量回收裝置11’使用串列式電感同步切換回收(Series-SSHI)技術，其中，串聯的開關111及電感112串聯於壓電振動裝置12，且開關111在每次壓電振動裝置12的振動位移到達其極值時導通一段預設時間(即該段預設時間的中心時點與振動位移的相對應極值之間的相位差總是為零)，使得第二種習知能量回收裝置11’從壓電振動裝置12擷取到的能量在操作頻率等於壓電振動裝置12的開路共振頻率時能到達其最大值。然而，第二種習知能量回收裝置11’從壓電振動裝置12擷取到的能量會隨著操作頻率偏離開路共振頻率而快速地減少。
因此，本發明之目的即在提供一種可以改善先前技術缺點的能量回收裝置。
根據本發明的一層面，一種能量回收裝置用於從一能量來源回收能量。該能量回收裝置包含串聯的一電感與一控制開關，及一控制模組。串聯的該電感與該控制 開關適用於並聯或串聯於該能量來源。該控制模組耦接到該控制開關，且控制該控制開關在導通與不導通之間的切換，使得該控制開關在每個從一起始時點開始的切換週期中從一轉變時點開始導通一段預設時間，且該轉變時點與該起始時點之間的時間差是可變的。
根據本發明的另一層面，一種能量回收裝置用於從一能量來源回收能量。該能量來源輸出一交流電壓。該能量回收裝置包含一交流至直流轉換模組、一電感、一控制開關、一濾波電容及一控制模組。該交流至直流轉換模組包括二適用於耦接到該能量來源以接收該交流電壓的輸入端，及二輸出端。該交流至直流轉換模組將該交流電壓轉換成一直流電壓，且從該等輸出端輸出該直流電壓。該電感與該控制開關在該交流至直流轉換模組的該等輸入端之間串聯。該濾波電容耦接在該交流至直流轉換模組的該等輸出端之間。該控制模組耦接到該控制開關，且控制該控制開關在導通與不導通之間的切換，使得該控制開關在每個從一起始時點開始的切換週期中從一轉變時點開始導通一段預設時間，且該轉變時點與該起始時點之間的時間差是可變的。
根據本發明的又一層面，一種能量回收裝置用於從一能量來源回收能量。該能量來源輸出一交流電壓。該能量回收裝置包含一交流至直流轉換模組、一電感、一控制開關、一濾波電容及一控制模組。該交流至直流轉換模組包括二適用於耦接到該能量來源以接收該交流電壓的 輸入端，及二輸出端。該交流至直流轉換模組將該交流電壓轉換成一直流電壓，且從該等輸出端輸出該直流電壓。該電感、該控制開關與該濾波電容在該交流至直流轉換模組的該等輸出端之間串聯。該控制模組耦接到該控制開關，且控制該控制開關在導通與不導通之間的切換，使得該控制開關在每個從一起始時點開始的切換週期中從一轉變時點開始導通一段第一預設時間，且該轉換時點與該起始時點之間的時間差是可變的。
11、11’‧‧‧能量回收裝置
111‧‧‧開關
12‧‧‧壓電振動裝置
13‧‧‧負載
2‧‧‧能量回收裝置
21‧‧‧交流至直流轉換模組
211、212‧‧‧第一與第二輸入端
213、214‧‧‧第一與第二輸出端
215~218‧‧‧第一至第四轉換開關
22‧‧‧電感
23‧‧‧第一控制開關
24‧‧‧第二控制開關
25‧‧‧濾波電容
26‧‧‧阻抗模擬模組
27‧‧‧控制模組
3‧‧‧能量來源
31‧‧‧交流供應器
32‧‧‧阻抗電路
321‧‧‧來源電阻
322‧‧‧來源電感
323‧‧‧來源電容
33‧‧‧箝制電容
4‧‧‧能量回收裝置
41‧‧‧交流至直流轉換模組
411、412‧‧‧第一與第二輸入端
413、414‧‧‧第一與第二輸出端
415~418‧‧‧第一至第四轉換二極體
42‧‧‧第一電感
43‧‧‧第一控制開關
44‧‧‧濾波電容
45‧‧‧二極體
46‧‧‧第二電感
47‧‧‧第二控制開關
48‧‧‧阻抗模擬模組
49‧‧‧控制模組
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意電路圖，說明第一種習知能量回收裝置；圖2是一示意電路圖，說明第二種習知能量回收裝置；圖3是一示意電路圖，說明本發明能量回收裝置的第一與第二較佳實施例；圖4是一時序圖，說明一能量來源的一來源電流及能量回收裝置的一第一控制開關的狀態在能量來源的操作頻率小於能量來源的共振頻率時的情況；圖5是一時序圖，說明能量來源的來源電流及能量回收裝置的第一控制開關的狀態在能量來源的操作頻率等於能量來源的共振頻率時的情況；圖6是一時序圖，說明能量來源的來源電流及能量回 收裝置的第一控制開關的狀態在能量來源的操作頻率大於能量來源的共振頻率時的情況；圖7是一模擬圖，說明在不同條件下能量來源的操作頻率與輸出功率之間的關係；圖8是一示意電路圖，說明本發明能量回收裝置的第三較佳實施例；圖9是一示意電路圖，說明本發明能量回收裝置的第四與第五較佳實施例；圖10是一示意電路圖，說明本發明能量回收裝置的第四較佳實施例的變形；及圖11是一示意電路圖，說明本發明能量回收裝置的第六較佳實施例。
參閱圖3，本發明能量回收裝置2的第一較佳實施例用於從一能量來源3回收能量。能量來源3等效上至少包括一交流供應器31及一阻抗電路32。交流供應器31供應一來源電壓及一來源電流Is(t)到阻抗電路32，使得阻抗電路32輸出一交流電壓及一交流電流。在本實施例中，能量來源3是一壓電振動裝置，其受外力作用在一操作頻率振動，且將振動轉換成電，因此，能量來源3還包括一箝制電容33，交流供應器31所供應的來源電壓正比於外力，且阻抗電路32包括在交流供應器31與箝制電容33之間串聯的一來源電阻321、一來源電感322及一來源電容323，且從箝制電容33的兩端輸出交流電壓及交流電流。然而 ，在其它實施例中，能量來源3可以是一接收電磁輻射且將電磁輻射轉換成電的裝置，或一利用電感耦合接收電的裝置。
能量回收裝置2使用並列式電感同步切換回收技術，且包括一交流至直流轉換模組21、一電感22、一第一控制開關23、一第二控制開關24、一濾波電容25、一阻抗模擬模組26及一控制模組27。
交流至直流轉換模組21包括適用於耦接到能量來源3以接收交流電壓的第一與第二輸入端211、212、輸出一直流電壓的第一與第二輸出端213、214，及第一至第四轉換開關215~218。第一轉換開關215耦接在第一輸入端211與第一輸出端213之間。第二轉換開關216耦接在第二輸入端212與第一輸出端213之間。第三轉換開關217耦接在第一輸入端211與第二輸出端214之間。第四轉換開關218耦接在第二輸入端212與第二輸出端214之間。
電感22與第一控制開關23在交流至直流轉換模組21的第一與第二輸入端211、212之間串聯(即串聯的電感22與第一控制開關23並聯於能量來源3)。第二控制開關24與濾波電容25在交流至直流轉換模組21的第一與第二輸出端213、214之間串聯。阻抗模擬模組26並聯於濾波電容25，且具有一可變的阻抗值。阻抗模擬模組26可以採用例如T.Paing等人於IEEE Transactions on Power Electronics ,vol.23,no.3,pp.1494,2008所發表的「Resistor Emulation Approach to Low-Power RF Energy Harvesting」所揭露的方式來實現，此處將不多加說明。
控制模組27耦接到交流至直流轉換模組21、第一與第二控制開關23、24及阻抗模擬模組26，且適用於耦接到能量來源3以偵測交流電壓及交流電流，且根據偵測到的交流電壓及偵測到的交流電流得到能量來源3的輸出功率。
控制模組27根據偵測到的交流電壓控制交流至直流轉換模組21的第一至第四轉換開關215~218在導通與不導通之間的切換，使得當交流電壓導致交流至直流轉換模組21的第一輸入端211上的電位大於交流至直流轉換模組21的第二輸入端212上的電位時，第一與第四轉換開關215、218導通，第二與第三轉換開關216、217不導通，而當交流電壓導致第一輸入端211上的電位小於第二輸入端212上的電位時，第二與第三轉換開關216、217導通，第一與第四轉換開關215、218不導通，以將交流電壓轉換成直流電壓。
參閱圖3至圖6，控制模組27控制第一控制開關23在導通與不導通之間的切換，使得第一控制開關23在每個從一起始時點t0 開始的切換週期T中從一轉變時點t1 開始導通一段預設時間TON ，且轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差是可變的。在本實施例中，起始時點t0 對齊交流電壓的一次微分為零的一相對應時點(此時，來源電流IS (t)為零，且能量來源3的振動位移到達其極值)，且切換週期T及該段預設時間TON 分別如以下方程式所示： T=0.5/f， 方程式1
其中，f是能量來源3的操作頻率，CP 是能量來源3的箝制電容33的電容值，L22 是電感22的電感值。因此，能量來源3的箝制電容33與電感22之間的振盪只持續半個週期，期望交流電壓有大幅度的改變。在本實施例中，控制模組27是根據偵測到的交流電壓得到能量來源3的操作頻率及交流電壓的一次微分為零的時點。然而，在其它實施例中，控制模組27可以偵測能量來源3的振動位移，且根據偵測到的振動位移得到能量來源3的操作頻率及交流電壓的一次微分為零的時點。
控制模組27還調整轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差，來改變該段預設時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的一相對應時點之間的相位差Φ，且調整阻抗模擬模組26的阻抗值，來改變濾波電容25的跨壓VOUT ，以提高能量來源3的輸出功率。理論上，當轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差被調整到一目標時間差TTARGET ，使得該段預設時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ等於一目標相位差ΦTARGET ，且阻抗模擬模組26的阻抗值被調整到使得濾波電容25的跨壓VOUT 等於一目標電壓VTARGET 時，介面A-A’兩側的阻抗會彼此複數共軛，使得能量來源3的輸出功率到達其最大值。目標相位差ΦTARGET 、目標時間差 TTARGET 及目標電壓VTARGET 分別如以下方程式所示： 其中，RS 是能量來源3的阻抗電路32的電阻值，XS (ω)是能量來源3的阻抗電路32的電抗值，ω=2πf，n為大於或等於0的整數，且使得TTARGET 0，VS 是來源電壓的振幅。在本實施例中，RS =R321 ，XS (ω)=ωL322 -1/ωC323 ，其中，R321 是能量來源3的阻抗電路32的來源電阻321的電阻值，L322 是能量來源3的阻抗電路32的來源電感322的電感值，C323 是能量來源3的阻抗電路32的來源電容323的電容值。如圖4所示，當能量來源3的操作頻率小於能量來源3的短路共振頻率(即)時，該段預設時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ會小於零。如圖5所示，當能量來源3的操作頻率等於能量來源3的短路共振頻率時，該段預設時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ會等於零。如圖6所示，當能量來源3的操作頻率大於能量來源3的短路共振頻率時，該段預設時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ會大於零。
控制模組27控制第二控制開關24在導通與不導通之間的切換，使得第二控制開關24在第一控制開關23 導通時不導通，而在第一控制開關23不導通時導通。
值得注意的是，在其它實施例中，第二控制開關24可以被省略，此時，濾波電容25耦接在交流至直流轉換模組21的第一與第二輸出端213、214之間。阻抗模擬模組26可以被省略。第一控制開關23的起始時點t0 可以不對齊交流電壓的一次微分為零的相對應時點。交流至直流轉換模組21的每一轉換開關215~218能以一轉換二極體取代，此時，交流至直流轉換模組21不需受控制模組27控制，就能將交流電壓轉換成直流電壓。或者，控制模組27可以根據例如濾波電容25的跨壓VOUT 及阻抗模擬模組26的阻抗值得到能量回收裝置2的輸出功率，且調整第一控制開關23的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差及阻抗模擬模組26的阻抗值，以提高能量回收裝置2的輸出功率。
綜上所述，由圖7所示的模擬結果可知，在本實施例中，藉由控制模組27調整第一控制開關23的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差及阻抗模擬模組26的阻抗值，使得該段預設時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ等於目標相位差ΦTARGET ，且濾波電容25的跨壓VOUT 等於目標電壓VTARGET ，則能量回收裝置2從能量來源3擷取到的能量(即能量來源3的輸出功率)不會隨著能量來源3的操作頻率偏離短路共振頻率而減少。此外，即便濾波電容25的跨壓VOUT 不等於目標電壓VTARGET ，與第一種習知能量回收裝置11 (見圖1)相比，能量回收裝置2從能量來源3擷取到的能量會隨著能量來源3的操作頻率偏離短路共振頻率而較緩慢地減少。
參閱圖3至圖6，本發明能量回收裝置2的第二較佳實施例是第一較佳實施例的變形。不同於第一較佳實施例，第二較佳實施例的控制模組27只偵測交流電壓，而不偵測交流電流，也不得到能量來源3的輸出功率。此外，控制模組27根據能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值、能量來源3的操作頻率及該段預設時間TON 得到如方程式4所示的目標時間差TTARGET ，且根據目標時間差TTARGET 控制第一控制開關23的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差，使得轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差等於目標時間差TTARGET 。而且，控制模組27根據能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值及來源電壓的振幅得到如方程式5所示的目標電壓VTARGET ，且根據目標電壓VTARGET 控制阻抗模擬模組26的阻抗值，使得濾波電容25的跨壓VOUT 等於目標電壓VTARGET 。
值得注意的是，第二較佳實施例較適合用在能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值及來源電壓的振幅可以被精確得知的情況，而第一較佳實施例的使用則相對較有彈性。此外，在其它實施例中，當能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值及來源電壓的振幅可以被約略得知時，可以結合第一與第二較佳實施例，首先根據方程式4、5得到目標時間差TTARGET 及目標電壓VTARGET ，接著 將目標時間差TTARGET 作為第一控制開關23的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差的初始值，且根據目標電壓VTARGET 得到阻抗模擬模組26的阻抗值的初始值，最後從這些初始值開始調整第一控制開關23的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差及阻抗模擬模組26的阻抗值，以縮短整個調整時間。
參閱圖8，本發明能量回裝置2的第三較佳實施例是第一較佳實施例的變形。不同於第一較佳實施例，交流至直流轉換模組21(見圖3)、第二開關24(見圖3)及濾波電容25(見圖3)在第三較佳實施例中被省略了，此時，能量回收裝置2不將交流電壓轉換成直流電壓，且阻抗模擬模組26並聯於串聯的電感22及第一開關23。
參閱圖9，本發明能量回收裝置4的第四較佳實施例用於從上述能量來源3回收能量。能量回收裝置4使用串列式電感同步切換回收技術，且包括一交流至直流轉換模組41、一第一電感42、一第一控制開關43、一濾波電容44、一個二極體45、一第二電感46、一第二控制開關47、一阻抗模擬模組48及一控制模組49。
交流至直流轉換模組41包括適用於耦接到能量來源3以接收交流電壓的第一與第二輸入端411、412、輸出一直流電壓的第一與第二輸出端413、414，及第一至第四轉換二極體415~418。第一轉換二極體415具有一耦接到第一輸入端411的陽極，及一耦接到第一輸出端413的陰極。第二轉換二極體416具有一耦接到第二輸入端412的 陽極，及一耦接到第一輸出端413的陰極。第三轉換二極體417具有一耦接到第二輸出端414的陽極，及一耦接到第一輸入端411的陰極。第四轉換二極體418具有一耦接到第二輸出端414的陽極，及一耦接到第二輸入端412的陰極。第一至第四轉換二極體415~418相配合將交流電壓轉換成直流電壓。
第一電感42、第一控制開關43與濾波電容44在交流至直流轉換模組41的第一與第二輸出端413、414之間串聯(即串聯的第一電感42與第一控制開關43串聯於能量來源3)。二極體45具有一耦接到交流至直流轉換模組41的第二輸出端414的陽極，及一耦接到交流至直流轉換模組41的第一輸出端413的陰極，用於釋放第一電感42所儲存的能量。第二電感46與第二控制開關47在交流至直流轉換模組41的第一與第二輸入端411、412之間串聯。阻抗模擬模組48並聯於濾波電容44，且具有一可變的阻抗值。阻抗模擬模組48可以採用例如T.Paing等人於IEEE Transactions on Power Electronics ,vol.23,no.3,pp.1494,2008所發表的「Resistor Emulation Approach to Low-Power RF Energy Harvesting」所揭露的方式來實現，此處將不多加說明。
控制模組49耦接到第一與第二控制開關43、47及阻抗模擬模組48，且適用於耦接到能量來源3以偵測交流電壓及交流電流，且根據偵測到的交流電壓及偵測到的交流電流得到能量來源3的輸出功率。
參閱圖4至圖6及圖9，控制模組49控制第一控制開關43在導通與不導通之間的切換，使得第一控制開關43在每個從一起始時點t0 開始的切換週期T中從一轉變時點t1 開始導通一段第一預設時間TON1 ，且轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差是可變的。控制模組49控制第二控制開關47在導通與不導通之間的切換，使得第二控制開關47緊接在第一控制開關43每次從導通切換為不導通之後導通一段第二預設時間TON2 。在本實施例中，起始時點t0 對齊交流電壓的一次微分為零的一相對應時點(此時，來源電流IS (t)為零，且能量來源3的振動位移到達其極值)，切換週期T、該段第一預設時間TON1 及該段第二預設時間TON2 分別如以下方程式所示：T=0.5/f， 方程式6
其中，f是能量來源3的操作頻率，CP 是能量來源3的箝制電容33的電容值，L42 是第一電感42的電感值，L46 是第二電感46的電感值。因此，期望交流電壓在包括該段第一預設時間TON1 及該段第二預設時間TON2 的一段總導通時間TON 中能有大幅度的改變。在本實施例中，控制模組49是根據偵測到的交流電壓得到能量來源3的操作頻率及交流電壓的一次微分為零的時點。然而，在其它實施例中，控制模組49可以偵測能量來源3的振動位移，且根據偵測到 的振動位移得到能量來源3的操作頻率及交流電壓的一次微分為零的時點。
控制模組49還調整轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差，來改變該段總導通時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的一相對應時點之間的相位差Φ，且調整阻抗模擬模組48的阻抗值，來改變濾波電容44的跨壓VOUT ，以提高能量來源3的輸出功率。理論上，當轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差被調整到一目標時間差TTARGET ，使得該段總導通時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ等於一目標相位差ΦTARGET ，且阻抗模擬模組48的阻抗值被調整到使得濾波電容44的跨壓VOUT 等於一目標電壓VTARGET 時，介面A-A’兩側的阻抗會彼此複數共軛，使得能量來源3的輸出功率到達其最大值。目標相位差ΦTARGET 、目標時間差TTARGET 及目標電壓VTARGET 分別如以下方程式所示：
其中，RS 是能量來源3的阻抗電路32的電阻值，XS (ω)是能量來源3的阻抗電路32的電抗值，-1/ωCp是能量來源3的箝制電容33的電抗值，ω=2πf，n為大於或等於0的整數，且使得TTARGET 0，VS 是來源電壓的振幅。在本實施例中，RS =R321 ，XS (ω)=ωL322 -1/ωC323 ，其中，R321 是能量來源3 的阻抗電路32的來源電阻321的電阻值，L322 是能量來源3的阻抗電路32的來源電感322的電感值，C323 是能量來源3的阻抗電路32的來源電容323的電容值。如圖4所示，當能量來源3的操作頻率小於能量來源3的開路共振頻率(即)時，該段總導通時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ會小於零。如圖5所示，當能量來源3的操作頻率等於能量來源3的開路共振頻率時，該段總導通時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ會等於零。如圖6所示，當能量來源3的操作頻率大於能量來源3的開路共振頻率時，該段總導通時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時點之間的相位差Φ會大於零。
值得注意的是，在其它實施例中，二極體45可以被省略。第二電感46及第二控制開關47可以被省略，此時，該段總導通時間TON 只包括該段第一預設時間TON1 。阻抗模擬模組48可以被省略。第一控制開關43的起始時點t0 可以不對齊交流電壓的一次微分為零的相對應時點。交流至直流轉換模組41的每一轉換二極體415~418能以一轉換開關取代，此時，控制模組49還耦接到交流至直流轉換模組41，且根據偵測到的交流電壓控制交流至直流轉換模組41的四個轉換開關在導通與不導通之間的切換，以將交流電壓轉換成直流電壓。如圖10所示，二極體45、第二電感46及第二開關47可以被省略，且串聯的第一電感 42與第一開關43可以耦接在能量來源3與交流至直流轉換模組41的第一輸入端411之間，此時，濾波電容44耦接在交流至直流轉換模組41的第一與第二輸出端413、414之間。或者，控制模組49可以根據例如濾波電容44的跨壓VOUT 及阻抗模擬模組48的阻抗值得到能量回收裝置4的輸出功率，且調整第一控制開關43的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差及阻抗模擬模組48的阻抗值，以提高能量回收裝置4的輸出功率。
綜上所述，在本實施例中，藉由控制模組49調整第一控制開關43的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差及阻抗模擬模組48的阻抗值，使得該段總導通時間TON 的中心時點與交流電壓的一次微分為零的相對應時間點之間的相位差Φ等於目標相位差ΦTARGET ，且濾波電容44的跨壓VOUT 等於目標電壓VTARGET ，則能量回收裝置4從能量來源3擷取到的能量(即能量來源3的輸出功率)不會隨著能量來源3的操作頻率偏離開路共振頻率而減少。此外，即便濾波電容44的跨壓VOUT 不等於目標電壓VTARGET ，與第二種習知能量回收裝置11’(見圖2)相比，能量回收裝置4從能量來源3擷取到的能量會隨著能量來源3的操作頻率偏離開路共振頻率而較緩慢地減少。
參閱圖4至圖6及圖9，本發明能量回收裝置4的第五較佳實施例是第四較佳實施例的變形。不同於第四較佳實施例，第五較佳實施例的控制模組49只偵測交流電壓，而不偵測交流電流，也不得到能量來源3的輸出功率 。此外，控制模組49根據能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值、能量來源3的箝制電容33的電抗值、能量來源3的操作頻率及該段總導通時間TON 得到如方程式10所示的目標時間差TTARGET ，且根據目標時間差TTARGET 控制第一控制開關43的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差，使得第一控制開關43的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差等於目標時間差TTARGET 。而且，控制模組49根據能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值、能量來源3的箝制電容33的電抗值及來源電壓的振幅得到如方程式11所示的目標電壓VTARGET ，且根據目標電壓VTARGET 控制阻抗模擬模組48的阻抗值，使得濾波電容44的跨壓VOUT 等於目標電壓VTARGET 。
值得注意的是，第五較佳實施例較適合用在能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值、能量來源3的箝制電容33的電抗值及來源電壓的振幅可以被精確得知的情況，而第四較佳實施例的使用則相對較有彈性。此外，在其它實施例中，當能量來源3的阻抗電路32的電阻值與電抗值、能量來源3的箝制電容33的電抗值及來源電壓的振幅可以被約略得知時，可以結合第四與第五較佳實施例，首先根據方程式10、11得到目標時間差TTARGET 及目標電壓VTARGET ，接著將目標相位差TTARGET 當作第一控制開關43的轉變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差的初始值，且根據目標電壓VTARGET 得到阻抗模擬模組48的阻抗值的初始值，最後從這些初始值開始調整第一控制開關43的轉 變時點t1 與起始時點t0 之間的時間差及阻抗模擬模組48的阻抗值，以縮短整個調整時間。
參閱圖11，本發明能量回收裝置4的第六較佳實施例是第四較佳實施例的變形。不同於第四較佳實施例，交流至直流轉換模組41(見圖9)、濾波電容44(見圖9)、二極體45(見圖9)、第二電感46(見圖9)及第二開關47(見圖9)在第六較佳實施例中被省略了，此時，能量回收裝置4不將交流電壓轉換成直流電壓，且串聯的第一電感42與第一開關43耦接在能量來源3與阻抗模擬模組48之間，即阻抗模擬模組48串聯於串聯的第一電感42與第一開關43。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧能量回收裝置
21‧‧‧交流至直流轉換模組
211、212‧‧‧第一與第二輸入端
213、214‧‧‧第一與第二輸出端
215~218‧‧‧第一至第四轉換開關
22‧‧‧電感
23‧‧‧第一控制開關
24‧‧‧第二控制開關
25‧‧‧濾波電容
26‧‧‧阻抗模擬模組
27‧‧‧控制模組
3‧‧‧能量來源
31‧‧‧交流供應器
32‧‧‧阻抗電路
321‧‧‧來源電阻
322‧‧‧來源電感
323‧‧‧來源電容
33‧‧‧箝制電容

Claims (20)

  1. 一種能量回收裝置，用於從一能量來源回收能量，該能量回收裝置包含：串聯的一電感與一控制開關，適用於並聯或串聯於該能量來源；及一控制模組，耦接到該控制開關，且控制該控制開關在導通與不導通之間的切換，使得該控制開關在每個從一起始時點開始的切換週期中從一轉變時點開始導通一段預設時間，且該轉變時點與該起始時點之間的時間差是可變的。
  2. 如請求項1所述的能量回收裝置，還包含一阻抗模擬模組，該阻抗模擬模組並聯或串聯於串聯的該電感與該控制開關，且具有一可變的阻抗值，其中，該控制模組還耦接到該阻抗模擬模組，且控制該阻抗模擬模組的阻抗值。
  3. 如請求項1所述的能量回收裝置，該能量來源輸出一交流電壓及一交流電流，其中，該控制模組還耦接到該能量來源以偵測該交流電壓及該交流電流，根據該偵測到的交流電壓及該偵測到的交流電流得到該能量來源的輸出功率，且調整該轉變時點與該起始時點之間的時間差，以提高該能量來源的輸出功率。
  4. 一種能量回收裝置，用於從一能量來源回收能量，該能量來源輸出一交流電壓，該能量回收裝置包含：一交流至直流轉換模組，包括二適用於耦接到該能 量來源以接收該交流電壓的輸入端，及二輸出端，該交流至直流轉換模組將該交流電壓轉換成一直流電壓，且從該等輸出端輸出該直流電壓；一電感與一控制開關，在該交流至直流轉換模組的該等輸入端之間串聯；一濾波電容，耦接在該交流至直流轉換模組的該等輸出端之間；及一控制模組，耦接到該控制開關，且控制該控制開關在導通與不導通之間的切換，使得該控制開關在每個從一起始時點開始的切換週期中從一轉變時點開始導通一段預設時間，且該轉變時點與該起始時點之間的時間差是可變的。
  5. 如請求項4所述的能量回收裝置，該能量來源還輸出一交流電流，其中，該控制模組還耦接到該能量來源以偵測該交流電壓及該交流電流，根據該偵測到的交流電壓及該偵測到的交流電流得到該能量來源的輸出功率，且調整該轉變時點與該起始時點之間的時間差，以提高該能量來源的輸出功率。
  6. 如請求項5所述的能量回收裝置，其中，該起始時點對齊該交流電壓的一次微分為零的一相對應時點。
  7. 如請求項5所述的能量回收裝置，還包含一阻抗模擬模組，該阻抗模擬模組並聯於該濾波電容，且具有一可變的阻抗值，其中，該控制模組還耦接到該阻抗模擬模組，且調整該阻抗模擬模組的阻抗值，來改變該濾波電容 的跨壓，以提高該能量來源的輸出功率。
  8. 如請求項4所述的能量回收裝置，該能量來源在一操作頻率操作，且等效上包括一交流供應器及一阻抗電路，該交流供應器供應一來源電壓到該阻抗電路，使得該阻抗電路輸出該交流電壓，其中，該控制模組還根據該能量來源的該阻抗電路的電阻值與電抗值、該操作頻率及該段預設時間得到一目標時間差，且根據該目標時間差控制該轉變時點與該起始時點之間的時間差，使得該轉變時點與該起始時點之間的時間差等於該目標時間差。
  9. 如請求項8所述的能量回收裝置，其中，該目標時間差根據以下方式被得到： ω=2πf，T=0.5/f，其中，TTARGET 是該目標時間差，RS 是該能量來源的該阻抗電路的電阻值，XS (ω)是該能量來源的該阻抗電路的電抗值，f是該操作頻率，TON 是該段預設時間，n為大於或等於0的整數。
  10. 如請求項8所述的能量回收裝置，還包含一阻抗模擬模組，該阻抗模擬模組並聯於該濾波電容，且具有一可變的阻抗值，其中，該控制模組還耦接到該阻抗模擬模組，根據該能量來源的該阻抗電路的電阻值與電抗值及該來源電壓的振幅得到一目標電壓，且根據該目標電壓控 制該阻抗模擬模組的阻抗值，使得該濾波電容的跨壓等於該目標電壓。
  11. 如請求項10所述的能量回收裝置，其中，該目標電壓根據以下方式被得到： 其中，VTARGET 是該目標電壓，RS 是該能量來源的該阻抗電路的電阻值，XS (ω)是該能量來源的該阻抗電路的電抗值，Vs是該來源電壓的振幅。
  12. 一種能量回收裝置，用於從一能量來源回收能量，該能量來源輸出一交流電壓，該能量回收裝置包含：一交流至直流轉換模組，包括二適用於耦接到該能量來源以接收該交流電壓的輸入端，及二輸出端，該交流至直流轉換模組將該交流電壓轉換成一直流電壓，且從該等輸出端輸出該直流電壓；一第一電感、一第一控制開關與一濾波電容，在該交流至直流轉換模組的該等輸出端之間串聯；及一控制模組，耦接到該第一控制開關，且控制該第一控制開關在導通與不導通之間的切換，使得該第一控制開關在每個從一起始時點開始的切換週期中從一轉變時點開始導通一段第一預設時間，且該轉換時點與該起始時點之間的時間差是可變的。
  13. 如請求項12所述的能量回收裝置，該能量來源還輸出 一交流電流，其中，該控制模組還耦接到該能量來源以偵測該交流電壓及該交流電流，根據該偵測到的交流電壓及該偵測到的交流電流得到該能量來源的輸出功率，且調整該轉變時點與該起始時點之間的時間差，以提高該能量來源的輸出功率。
  14. 如請求項13所述的能量回收裝置，其中，該起始時點對齊該交流電壓的一次微分為零的一相對應時點。
  15. 如請求項13所述的能量回收裝置，還包含一阻抗模擬模組，該阻抗模擬模組並聯於該濾波電容，且具有一可變的阻抗值，其中，該控制模組還耦接到該阻抗模擬模組，且調整該阻抗模擬模組的阻抗值，來改變該濾波電容的跨壓，以提高該能量來源的輸出功率。
  16. 如請求項12所述的能量回收裝置，該能量來源在一操作頻率操作，且等效上包括一交流供應器、一阻抗電路及一箝制電容，該交流供應器供應一來源電壓到該阻抗電路，使得該阻抗電路從該箝制電容的兩端輸出該交流電壓，其中，該控制模組還根據該能量來源的該阻抗電路的電阻值與電抗值、該能量來源的該箝制電容的電抗值、該操作頻率及包括該段第一預設時間的一段總導通時間得到一目標時間差，且根據該目標時間差控制該轉變時點與該起始時點之間的時間差，使得該轉變時點與該起始時點之間的時間差等於該目標時間差。
  17. 如請求項16所述的能量回收裝置，其中，該目標時間差根據以下方式被得到： ω=2πf，T=0.5/f，其中，TTARGET 是該目標時間差，RS 是該能量來源的該阻抗電路的電阻值，XS (ω)是該能量來源的該阻抗電路的電抗值，-1/ωCP 是該能量來源的該箝制電容的電抗值，f是該操作頻率，TON 是該段總導通時間，n為大於或等於0的整數。
  18. 如請求項16所述的能量回收裝置，還包含一阻抗模擬模組，該阻抗模擬模組並聯於該濾波電容，且具有一可變的阻抗值，其中，該控制模組還耦接到該阻抗模擬模組，根據該能量來源的該阻抗電路的電阻值與電抗值、該能量來源的該箝制電容的電抗值及該來源電壓的振幅得到一目標電壓，且根據該目標電壓控制該阻抗模擬模組的阻抗值，使得該濾波電容的跨壓等於該目標電壓。
  19. 如請求項18所述的能量回收裝置，其中，該目標電壓根據以下方式被得到： 其中，VTARGET 是該目標電壓，Rs是該能量來源的該阻抗電路的電阻值，XS (ω)是該能量來源的該阻抗電路的 電抗值，-1/ωCp是該能量來源的該箝制電容的電抗值，Vs是該來源電壓的振幅。
  20. 如請求項12所述的能量回收裝置，還包含在該交流至直流轉換模組的該等輸入端之間串聯的一第二電感及一第二控制開關，其中，該控制模組還耦接到該第二控制開關，且控制該第二控制開關在導通與不導通之間的切換，使得該第二控制開關在該第一控制開關每次從導通切換為不導通之後導通一段第二預設時間。
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