TWI524641B - 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，且亦無法得到良好的電源轉換效率。

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、降低電路成 本，同時可提升電能轉換效率。

緣以達成上述目的，本發明所提供電源轉換裝置用以將一電源之電能轉換後輸出供予一負載，且該電源轉換裝置包含有一電能轉換器、一第一電容以及一直直流轉換器。其中，該電能轉換器電性連接該電源，用以接收該電源輸出之電能，並轉換成脈衝直流後輸出；該第一電容一端電性連接該負載；該直直流轉換器電性連接該電能轉換器、該負載與該第一電容的另一端，用以接收該電能轉換器輸出之脈衝直流，並轉換成直流電能後，一部分輸出予該負載，另一部分輸出予該第一電容。

依據上述構思，該電源係直流電源，且該電能轉換器包含有一第二電容，用以將該電源輸出之電能轉換成脈衝直流。該直直流轉換器包含有一二極體、一電感、一第三電容以及一電子開關；該二極體之正極連接該第一電容與該二電容的一端，而負極則連接該第二電容之另一端；該電感一端電性連接該二極體之正極，而該電感另一端則電性連接該第一電容的另一端；該第三電容一端連接該二極體之負極以及該負載之其中一端，而該第三電容另一端則連接該電感之任意一端；該電子開關設置於該電感與該第一電容之間的迴路上。

依據上述構思，該電源轉換裝置的轉換方法，包含有下列步驟：A. 導通該電子開關，使該電源之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，且該第一電容對該電感釋能，而該第三電容之儲能輸出供予該負載； B.阻斷該電子開關，使該電源之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，而該電感之儲能流經該二極體以對該第三電容釋能。

依據上述構思，該電源係交流電源，且該電能轉換器包含有一整流器以及一第二電容，該整流器用以將該電源輸出之電能整流後輸出；該第二電容用以將該整流器輸出之電能轉換成脈衝直流。該直直流轉換器包含有一二極體、一電感、一第三電容以及一電子開關；該二極體之正極連接該第一電容與該二電容的一端，而負極則連接該第二電容之另一端；該電感一端電性連接該二極體之正極，而該電感另一端則電性連接該第一電容的另一端；該第三電容一端連接該二極體之負極以及該負載之其中一端，而該第三電容另一端則連接該電感之任意一端；該電子開關設置於該電感與該第一電容之間的迴路上。

依據上述構思，該電源轉換裝置的轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該整流器輸出之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，且該第一電容對該電感釋能，而該第三電容之儲能輸出供予該負載；B.阻斷該電子開關，使該整流器輸出之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，而該電感之儲能流經該二極體以對該第三電容釋能。

藉此，透過上述之設計，該電源轉換裝置可有效提高功率因數、降低電路成本，同時提升電能轉換效率之優點。

10‧‧‧電能轉換器

12‧‧‧整流器

20‧‧‧直直流轉換器

100‧‧‧負載

C₁‧‧‧第一電容

C₂‧‧‧第二電容

C₃‧‧‧第三電容

D‧‧‧二極體

L‧‧‧電感

SW‧‧‧電子開關

DC‧‧‧直流電源

AC‧‧‧交流電源

圖1為本發明之電路方塊圖；圖2為本發明第一較佳實施例之電路結構圖；圖3為步驟A時的等效電路圖；圖4為步驟B時的等效電路圖；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1所示，本發明第一較佳實施例之電源轉換裝置用以將一直流電源DC之電能轉換後輸出供予一負載100，且該電源轉換裝置包含有一電能轉換器10、一第一電容C₁以及一直直流轉換器20。其中：該電能轉換器10電性連接該直流電源DC，用以接收該直流電源DC輸出之電能，並轉換成脈衝直流後輸出。請參閱圖2，於本實施例中，該電能轉換器10包含有一第二電容C₂與該直流電源DC併接，用以將該直流電源DC輸出之電能轉換成脈衝直流。

該第一電容C₁具有兩端，且僅其中一端直接電性連接該負載100，而與該負載100形成一分壓電路，藉以降低其它內部元件所承受之電壓，而使得該電源轉換裝置可選用耐壓較低之電子元件，進而有效地達到降低成本之目 的。

該直直流轉換器20則電性連接該電能轉換器10、該負載100與該第一電容C₁的另一端，用以接收該電能轉換器10輸出之脈衝直流，並轉換成直流電能後，一部分輸出予該負載100，另一部分輸出予該第一電容C₁。續參閱圖2，於本實施例中，該直直流轉換器20包含有一二極體D、一電感L、一第三電容C₃以及一電子開關SW。該二極體D之正極連接該第一電容C₁與該二電容C₂的一端，而負極則連接該第二電容C₂之另一端。該電感L一端電性連接該二極體D之正極，而該電感L另一端則電性連接該第一電容C₁的另一端。該第三電容C₃一端連接該二極體D之負極以及該負載100之其中一端，而該第三電容C₃另一端則連接該電感L之另一端。該電子開關SW則用以設置於該電感L與該第一電容C₁之間的迴路上，更詳而言之，該電子開關SW一端連接該電感L以及該第三電容C₃，該電子開關SW另一端則連接該第一電容C₁與該負載100連接之一端。

於本實施例中，該等電容C₁~C₃、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，便可達到增進電能轉換效率之目的，而該方法包含有下列步驟：

A.請參閱圖3，導通該電子開關SW，使該直流電源DC之電能對該第一電容C₁以及該第二電容C₂儲能，並傳輸予該負載100，且該第一電容C₁對該電感L釋能，而該第三電容C₃之儲能輸出供予該負載100。

B.請參閱圖4，阻斷該電子開關SW，使該電源DC之電能對該第一電容C₁以及該第二電容C₂儲能，並傳輸予該負載100，而該電感L之儲能流經該二極體D以對該第三電容釋能C₃。

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，在該電源轉換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，該第三電容C₃的跨壓可自動地提供負電位，而導通該二極體D，以使該二極體D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，本發明除適用於直直流電源轉換外，亦可如圖5所示，於電能轉換器10增加設計一整流器12，並直接將該整流器12與一交流電源連接，藉以透過該整流器12將交流整流為直流後輸出，並同時利用前述之電源轉換 方法，便可達到交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。

值得一提的是，本發明之直直流轉換器20的電子開關SW，只要是設置於該電感L與該第一電容C₁之間的迴路上即可，並不限定其詳細之設置位置，舉例來說，除如圖2所示之位置外，亦可如圖6所示，該電子開關SW一端連接該電感L與該二極體D正極相接之一端，該電子開關D另一端則連接該第一電容C₁不與該負載100連接之一端。或是如圖7所示，先將該第三電容C₃改變位置而與該二極體D連接後，該電子開關SW一端連接該電感L、該二極體D正極以及該第三電容C₃，而該電子開關SW另一端則連接該第一電容C₁不與該負載100連接之一端，而此電路結構設計，配合上前述之轉換方法，同樣可以達到前述之有效提高功率因數、降低電路成本以及提升電能轉換效率之目的。

另外，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，在電氣特性與電路動作原理相同之情況下，電路中所用之元件位置並非唯一，且其數量亦不以單一為限，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‧‧‧電能轉換器

20‧‧‧直直流轉換器

100‧‧‧負載

C₁‧‧‧第一電容

DC‧‧‧直流電源

Claims (15)

1. 一種電源轉換裝置，用以將一電源之電能轉換後輸出供予一負載，且該電源轉換裝置包含有：一電能轉換器，電性連接該電源，用以接收該電源輸出之電能，並轉換成脈衝直流後輸出；一第一電容，具有兩端，且僅其中一端直接電性連接該負載；一直直流轉換器，電性連接該電能轉換器、該負載與該第一電容的另一端，用以接收該電能轉換器輸出之脈衝直流，並轉換成直流電能後，一部分輸出予該負載，另一部分輸出予該第一電容。
2. 如請求項1所述電源轉換裝置，其中該電源係直流電源，且該電能轉換器包含有一第二電容，用以將該電源輸出之電能轉換成脈衝直流。
3. 一種電源轉換裝置，用以將一電源之電能轉換後輸出供予一負載，且該電源轉換裝置包含有：一電能轉換器，電性連接該電源，用以接收該電源輸出之電能，並轉換成脈衝直流後輸出；一第一電容，具有兩端，一端電性連接該負載；一直直流轉換器，電性連接該電能轉換器、該負載與該第一電容的另一端，用以接收該電能轉換器輸出之脈衝直流，並轉換成直流電能後，一部分輸出予該負載，另一部分輸出予該第一電容； 其中該電源係直流電源，且該電能轉換器包含有一第二電容，用以將該電源輸出之電能轉換成脈衝直流；其中該直直流轉換器包含有一二極體、一電感、一第三電容以及一電子開關；該二極體之正極連接該第一電容與該二電容的一端，而負極則連接該第二電容之另一端；該電感一端電性連接該二極體之正極，而該電感另一端則電性連接該第一電容的另一端；該第三電容一端連接該二極體之負極以及該負載之其中一端，而該第三電容另一端則連接該電感之任意一端；該電子開關設置於該電感與該第一電容之間的迴路上。
4. 如請求項3所述電源轉換裝置，其中該電子開關一端連接該電感以及該第三電容，該電子開關另一端則連接該第一電容與該負載連接之一端。
5. 如請求項3所述電源轉換裝置，其中該電子開關一端連接該電感與該二極體正極相接之一端，該電子開關另一端則連接該第一電容不與該負載連接之一端。
6. 如請求項3所述電源轉換裝置，其中該電子開關一端連接該電感、該二極體正極以及該第三電容，而該電子開關另一端則連接該第一電容不與該負載連接之一端。
7. 如請求項1所述電源轉換裝置，其中該電源係交流電源，且該電能轉換器包含有一整流器以及一第二電容，該整流器用以將該電源輸出之電能整流後輸出；該第二電容用以將該整流器輸出之電能轉換成脈衝直流。
8. 一種電源轉換裝置，用以將一電源之電能轉換後輸出供予一負載，且該電源轉換裝置包含有：一電能轉換器，電性連接該電源，用以接收該電源輸出之電能，並轉換成脈衝直流後輸出；一第一電容，具有兩端，一端電性連接該負載；一直直流轉換器，電性連接該電能轉換器、該負載與該第一電容的另一端，用以接收該電能轉換器輸出之脈衝直流，並轉換成直流電能後，一部分輸出予該負載，另一部分輸出予該第一電容；其中該電源係交流電源，且該電能轉換器包含有一整流器以及一第二電容，該整流器用以將該電源輸出之電能整流後輸出；該第二電容用以將該整流器輸出之電能轉換成脈衝直流；其中該直直流轉換器包含有一二極體、一電感、一第三電容以及一電子開關；該二極體之正極連接該第一電容與該二電容的一端，而負極則連接該第二電容之另一端；該電感一端電性連接該二極體之正極，而該電感另一端則電性連接該第一電容的另一端；該第三電容一端連接該二極體之負極以及該負載之其中一端，而該第三電容另一端則連接該電感之任意一端；該電子開關設置於該電感與該第一電容之間的迴路上。
9. 如請求項8所述電源轉換裝置，其中該電子開關一端連接該電感以及該第三電容，該電子開關另一端則連接該第一電容與該負載連接之一端。
10. 如請求項8所述電源轉換裝置，其中該電子開關一端連接該電感與該二極體正極相接之一端，該電子開關另一端則連接該第一電容不與該負載連接之一端。
11. 如請求項8所述電源轉換裝置，其中該電子開關一端連接該電感、該二極體正極以及該第三電容，而該電子開關另一端則連接該第一電容不與該負載連接之一端。
12. 一種如請求項3所述之電源轉換裝置的轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該電源之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，且該第一電容對該電感釋能，而該第三電容之儲能輸出供予該負載；B.阻斷該電子開關，使該電源之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，而該電感之儲能流經該二極體以對該第三電容釋能。
13. 如請求項12所述之轉換方法，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。
14. 一種如請求項8所述之電源轉換裝置的轉換方法，包含有下列步驟：A.導通該電子開關，使該整流器輸出之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，且該第一電容對該電感釋能，而該第三電容之儲能輸出供予該負載； B.阻斷該電子開關，使該整流器輸出之電能對該第一電容以及該第二電容儲能，並傳輸予該負載，而該電感之儲能流經該二極體以對該第三電容釋能。
15. 如請求項14所述之轉換方法，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。