TWI553678B - Magnetoelectric amplifying device - Google Patents

Description

磁電放大裝置

本發明是有關於一種電能放大裝置，特別是指一種磁電放大裝置。

參見圖1所示，習知變壓器，例如一種由E型鐵心及I型鐵心組成的變壓器1，其上的初級線圈11與次級線圈12是以緊實耦合(tight coupling)方式繞設於鐵心上，且由於習知鐵心通常由單一材料製成，先天的材料特性限制使得鐵心之間需保留氣隙以避免磁飽和，但也因此產生負磁性阻尼效應，使得其輸出能量小於輸入能量，即增益值永遠小於1，且輸出端OUT的反電動勢會直接衝擊輸入端IN，渦電流損失大，因此即使變壓器1的轉換效率再高，亦只能做電能的傳遞或轉移。

因此，本發明的目的，在於提供一種藉由切換控制具有正磁性阻尼效應的開關磁阻式變壓器，使得其輸出能量大於輸入能量的磁電放大裝置。

於是本發明一種磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括至少一開關磁阻式變壓器、至少一阻尼電 容及一開關電路。其中該開關磁阻式變壓器包含一鐵心單元及至少一線圈，該鐵心單元概呈「日」形且由至少一種鐵心材料組成而同時具有電感性與電容性，且該線圈與該鐵心單元鬆散耦合地繞設於該鐵心單元，該阻尼電容與該線圈電耦接而共同構成一諧振電路，該開關電路與該直流電源及該線圈電耦接，並控制該直流電源與該線圈導通而對該線圈激磁，使該鐵心單元達到磁飽和，再控制該直流電源與該線圈不導通，使該鐵心單元因磁飽和而產生磁場換相並產生一渦電流流過該諧振電路，使該阻尼電容儲能。

較佳地，在本發明的第一實施例中，該鐵心單元包含一個同時具有電感性與電容性，且概呈「口」形的PN半導體型鐵心，及一個設於該PN半導體型鐵心內部或側邊的永久磁鐵，且該開關磁阻式變壓器包含一繞設於該PN半導體型鐵心上的線圈，且該開關電路包含一端與該線圈一端電耦接，另一端與該直流電源的正端電耦接的一上開關，一端與該線圈的另一端電耦接，另一端與該直流電源的負端電耦接的一第二開關，一反向電耦接在該線圈與該上開關的一接點和該直流電源的負端之間的第一二極體，及一反向電耦接在該線圈與該第二開關的一接點和該直流電源的正端之間的第二二極體，且該上開關及下開關被同時導通或不導通。

較佳地，該PN半導體型鐵心是一固態電感器。

較佳地，在本發明的第二實施例中，該鐵心單 元包含概呈「口」形且重疊設置的一個具有電感性的錳-鋅鐵心及一個具有電容性的鎳-鋅鐵心，以及一個夾設於該錳-鋅鐵心及該鎳-鋅鐵心之間的永久磁鐵，且該開關磁阻式變壓器包含一繞設於該錳-鋅鐵心及該鎳-鋅鐵心相重疊的一側邊上的線圈，且該開關電路包含兩個與該直流電源並聯的橋臂，每一橋臂具有一上開關、一下開關以及各別與該上開關及該下開關反向並聯的兩個飛輪二極體，且該線圈的兩端各別電耦接在兩個橋臂的上開關與下開關的一接點，且其中一橋臂的上開關及另一橋臂的下開關導通時，其中一橋臂的下開關及另一橋臂的上開關不導通，反之，其中一橋臂的下開關及另一橋臂的上開關導通時，其中一橋臂的上開關及另一橋臂的下開關不導通。

較佳地，在本發明的第三較佳實施例中，該鐵心單元包含具有電容性且概呈「日」形的一第一矽鋼片組及一第二矽鋼片組，以及一個具有電感性且概呈「日」形的一非晶質鐵心，其中該第一矽鋼片組與該第二矽鋼片組分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面而組成該鐵心單元，且開關磁阻式變壓器包含與鐵心單元鬆散耦合地各別繞設在該鐵心單元的相反兩側邊的一第一線圈及一第二線圈，其中該阻尼電容與該第二線圈並聯，且該開關電路包括相串聯再與該直流電源並聯的一上阻尼電容及一下阻尼電容，以及串聯再與該直流電源並聯的一上開關及一下開關，且該第一線圈的一端與該上開關及該下開關的一接點電耦接，其另一端與該上阻尼電容及該下阻尼電容的一接點電 耦接，且該上開關與該下開關還各別反向並聯一飛輪二極體，而且該開關電路還包括一電耦接在該阻尼電容與該直流電源之間的半波整流電路，且該上開關與該下開關被輪流導通。

較佳地，在本發明的第四較佳實施例中，該鐵心單元包含具有電容性且概呈「日」形的一第一矽鋼片組及一第二矽鋼片組，以及一個具有電感性且概呈「日」形的一非晶質鐵心，其中該第一矽鋼片組與該第二矽鋼片組分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面而組成該鐵心單元，且開關磁阻式變壓器包含與鐵心單元鬆散耦合地各別繞設在該鐵心單元的相反兩側邊的一第一線圈及一第二線圈，且該阻尼電容與該第二線圈並聯而共同構成一並聯諧振電路，該開關電路包含一端與該第一線圈一端電耦接，另一端與該直流電源的正端電耦接的一上開關，一端與該線圈的另一端電耦接，另一端與該直流電源的負端電耦接的一第二開關，以及兩個各別與該上開關及該下開關反向並聯的二極體，且該磁電放大裝置還包括一電耦接在該阻尼電容與該直流電源之間的全波整流電路，而且該上開關及該下開關被同時導通或不導通。

較佳地，在本發明的第五實施例中，該磁電放大裝置包含三個開關磁阻式變壓器，每一開關磁阻式變壓器的該鐵心單元包含具有電容性且概呈「日」形的一第一矽鋼片組及一第二矽鋼片組、一個具有電感性且概呈「日」形的一非晶質鐵心、一第一線圈及一第二線圈，其中該 第一矽鋼片組與該第二矽鋼片組分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面而組成該鐵心單元，該第一線圈及該第二線圈與該鐵心單元鬆散耦合地各別繞設在該鐵心單元的相反兩側邊，且該磁電放大裝置還包括三個諧振電容、三個阻尼電容及三個全波整流電路，該三個諧振電容分別與相對應的該開關磁阻式變壓器的該第一線圈串聯而構成三個串聯諧振電路，該三個阻尼電容分別與相對應的該開關磁阻式變壓器的該第二線圈並聯而構成三個並聯諧振電路，且該三個全波整流電路分別電耦接在相對應的該三個並聯諧振電路與該直流電源之間，且該開關電路包含三個與該直流電源並聯的橋臂，每一橋臂具有一上開關、一下開關以及兩個分別與該上開關及該下開關反向並聯的飛輪二極體，而且該三個串聯諧振電路分別電耦接在兩兩相鄰的橋臂的上開關與下開關的一接點之間，且該開關電路受控制使該三個串聯諧振電路輪流與該直流電源導接，使該直流電源輸出的電流從該三個串聯諧振電路的一端或另一端輸入。

本發明藉由控制上述的開關電路，使導接直流電源與繞設於開關磁阻式變壓器的鐵心單元上的線圈，讓線圈產生的磁場使鐵心單元瞬間變成磁鐵，再控制直流電源與線圈不導接，讓鐵心單元因磁場換相消磁而產生渦電流並耦合至繞設於鐵心單元上的線圈，並經由與線圈並聯之阻尼電容收集該渦電流，再由阻尼電容適時輸出電流對該直流電源充電，而藉此將具有正磁性阻尼效應的鐵心單元內蘊藏的磁能轉換成電能輸出，使得開關磁阻式變壓器 的輸出能量大於輸入能量，並提升直流電源的電力。

2、3、4‧‧‧開關磁阻式變壓器

5、6、7、8、9‧‧‧開關電路

21、31、41‧‧‧鐵心單元

22‧‧‧PN半導體型鐵心

23、34‧‧‧永久磁鐵

32‧‧‧錳-鋅鐵心

33‧‧‧鎳-鋅鐵心

42‧‧‧第一矽鋼片組

43‧‧‧第二矽鋼片組

44‧‧‧非晶質鐵心

51、52、53‧‧‧串聯諧振電路

61、62、91、92、93‧‧‧橋臂

70‧‧‧半波整流電路

71、72、73‧‧‧並聯諧振電路

80、101、102、103‧‧‧全波整流電路

L‧‧‧線圈

Vdc‧‧‧直流電源

Cpr、Cp、Cd‧‧‧阻尼電容

S1、S3、U+、V+、W+‧‧‧上開關

S2、S4、U-、V-、W-‧‧‧下開關

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

D‧‧‧飛輪二極體

L1、L11、L21、L31‧‧‧第一線圈

L2、L12、L22、L32‧‧‧第二線圈

Cd1‧‧‧上阻尼電容

Cd2‧‧‧下阻尼電容

a、b‧‧‧端

Csr‧‧‧諧振電容

U、V、W‧‧‧接點

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是習知一種變壓器的構造示意圖；圖2是本發明應用之開關磁阻式變壓器的第一較佳實施例的構造示意圖；圖3是本發明電磁放大裝置的第一較佳實施例的電路圖；圖4及圖5是本發明電磁放大裝置的第一較佳實施例的電路作動圖；圖6是圖2的第一較佳實施例的一變化實施態樣；圖7是本發明應用之開關磁阻式變壓器的第二較佳實施例的構造分解示意圖；圖8是本發明應用之開關磁阻式變壓器的第二較佳實施例的構造組合示意圖；圖9是本發明電磁放大裝置的第二較佳實施例的電路圖；圖10至圖13是本發明電磁放大裝置的第二較佳實施例的電路作動圖；圖14是本發明應用之開關磁阻式變壓器的第三較佳實施例的構造分解示意圖；圖15是本發明應用之開關磁阻式變壓器的第三較佳實施例的構造組合示意圖； 圖16是本發明應用之開關磁阻式變壓器的第三較佳實施例的電路示意圖；圖17是本發明電磁放大裝置的第三較佳實施例的電路圖；圖18至圖21是本發明電磁放大裝置的第三較佳實施例的電路作動圖；圖22是本發明電磁放大裝置的第四較佳實施例的電路圖；圖23及圖24是本發明電磁放大裝置的第四較佳實施例的電路作動圖；圖25是本發明電磁放大裝置的第五較佳實施例的電路圖；圖26顯示本發明電磁放大裝置的第五較佳實施例中的三個相串接的串聯諧振電路；圖27至圖30是本發明電磁放大裝置的第五較佳實施例的電路作動圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明磁電放大裝置是藉由切換控制具有正磁性阻尼效應的開關磁阻式變壓器，使得其輸出能量大於輸入能量。且本發明中應用的開關磁阻式變壓器主要包括一鐵心單元及至少一繞設在鐵心單元上的線圈，其中鐵心單元概呈「日」形，並由至少一種鐵心材料組成以同時具有 電感性與電容性，且線圈是與鐵心單元鬆散耦合(loose coupling)地繞設於鐵心單元。

參見圖2所示，是開關磁阻式變壓器的第一較佳實施例，其中開關磁阻式變壓器2的鐵心單元21包含一個同時具有電感性與電容性，且概呈「口」形(或環狀)的PN半導體型鐵心22，例如固態電感器，以及一個設於PN半導體型鐵心22內部的永久磁鐵23，其與PN半導體型鐵心22共同構成一概呈「日」形的鐵心。且本實施例包含一繞設於PN半導體型鐵心22上的線圈L。由於線圈L與PN半導體型鐵心22是鬆散耦合，且PN半導體型鐵心22本身及其與永久磁鐵23之間沒有氣隙，使得當輸入電流對線圈L激磁，使線圈L產生磁場時，鐵心單元21會被充磁，且由於永久磁鐵23具有負阻抗(負電感)效應，而使得鐵心單元21迅速達到磁飽和，並於停止輸入能量至線圈L時，鐵心單元21會因為正磁性阻尼效應(磁場換相，magnetic shunt)釋放磁能，並產生渦電流耦合至線圈L，使線圈L的輸出能量大於輸入能量。

再一併參見圖2、圖3所示，是本發明磁電放大裝置的第一較佳實施例，其接受一直流電源Vdc(例如蓄電池或可充電電池)輸入，並包含上述的開關磁阻式變壓器2、一與直流電源Vdc並聯的阻尼電容Cd以及一開關電路5。開關電路5包含一端與線圈L一端電耦接，另一端與直流電源Vdc的正端電耦接的上開關S1，一端與線圈L的另一端電耦接，另一端與直流電源Vdc的負端電耦接的下開 關S2，一反向電耦接在上開關S1和線圈L的一接點與直流電源Vdc的負端之間的第一二極體D1，及一反向電耦接在線圈L和下開關S2的一接點與直流電源Vdc的正端之間的第二二極體D2，且上開關S1及下開關S2還各自反向並聯一飛輪二極體D。

藉此，如圖4所示，當上開關S1及下開關S2被同時導通時，直流電源Vdc經由上開關S1及下開關S2與線圈L導接，並輸出電流流經線圈L而對線圈L激磁，使產生磁場對鐵心單元21充磁，使得鐵心單元21迅速達到磁飽和而瞬間變成磁鐵。然後，如圖5所示，將上開關S1與下開關S2同時由導通狀態切換至不導通時，線圈L經由第一二極體D1及第二二極體D2與阻尼電容Cd導接，此時，除了線圈L因反電動勢產生的電流外，同時鐵心單元21會因磁場換相而瞬間消磁，並產生一渦電流耦合至線圈L，使得線圈L輸出一電流(包含反電動勢產生的電流及渦電流)向阻尼電容Cd充電。

因此，藉由提供一控制訊號控制上開關S1及下開關S2同時導通，然後再使上開關S1及下開關S2同時不導通，並反覆進行上述動作，則當阻尼電容Cd兩端的電壓大於直流電源Vdc時，阻尼電容Cd即輸出電流對直流電源Vdc充電，藉此，提升直流電源Vdc的電力。且本實施例的控制訊號的頻率固定，約10KHz，振幅約12V，但不以此為限。並且藉由調整控制訊號的導通周期(Duty Cycle)來控制鐵心單元21達到磁飽和的時間點，使鐵心單元21消 磁時能產生最大的渦電流。

此外，本實施例的永久磁鐵23除了設置在PN半導體型鐵心22內部外，亦可如圖6所示，將永久磁鐵23設置在PN半導體型鐵心22的外側邊，而同樣能達到使鐵心單元21被激磁時迅速達到磁飽和的功效。

再參見圖7及圖8所示，是開關磁阻式變壓器的第二較佳實施例，其中開關磁阻式變壓器3的鐵心單元31包含概呈「口」形且重疊設置的一個具有電感性的錳-鋅鐵心32及一個具有電容性的鎳-鋅鐵心33，以及一個夾設於錳-鋅鐵心32及鎳-鋅鐵心33之間的永久磁鐵34，而與錳-鋅鐵心32及鎳-鋅鐵心33共同構成一概呈「日」形的鐵心。且本實施例包含一繞設於錳-鋅鐵心32及鎳-鋅鐵心33相重疊的一側邊上的線圈L。由於線圈L與鐵心單元31是鬆散耦合，且錳-鋅鐵心32及鎳-鋅鐵心33與永久磁鐵23之間沒有氣隙，使得當輸入電流對線圈L激磁，使線圈L產生磁場時，鐵心單元31會因線圈L的磁場以及永久磁鐵23的負阻抗(負電感)效應而迅速達到磁飽和，並於停止輸入電流至線圈L時，鐵心單元21會因為磁場換相而釋放磁能，並產生渦電流耦合至線圈L，使線圈L的輸出能量大於輸入能量。

再一併參見圖8與圖9所示，是本發明磁電放大裝置的第二較佳實施例，其接受一直流電源Vdc(例如蓄電池或可充電電池)輸入，並包含上述的開關磁阻式變壓器3、一與直流電源Vdc並聯的阻尼電容Cd以及一開關電路 6。開關電路6包含兩個與直流電源Vdc並聯的橋臂61、62，每一橋臂具有一上開關S1、S3、一下開關S2、S4，以及各別與上開關S1、S3及下開關S2、S4反向並聯的飛輪二極體D，且線圈L電耦接在兩個橋臂61、62之間，亦即線圈L的一端與橋臂61的上開關S1及下開關S2的接點電耦接，線圈L的另一端與橋臂62的上開關S3及下開關S4的接點電耦接。

藉此，如圖10所示，當控制橋臂61的上開關S1及橋臂62的下開關S4導通，並控制橋臂61的下開關S2及橋臂62的上開關S3不導通時，直流電源Vdc經由上開關S1及下開關S4與線圈L導接，使得直流電源Vdc輸出的電流流經線圈L而對線圈L激磁，使鐵心單元31因受到線圈L之磁場充磁而迅速達到磁飽並瞬間變成磁鐵，接著，如圖11所示，當控制上開關S1與下開關S4由導通狀態切換至不導通時，線圈L將經由與橋臂61的下開關S2並聯的飛輪二極體D，以及與橋臂62的上開關S3並聯的飛輪二極體D，與阻尼電容Cd導接，此時，由線圈L的反電動勢產生的電流，以及鐵心單元21因磁場換相瞬間消磁而產生的一渦電流將耦合至線圈L，使得線圈L輸出一電流(包含反電動勢產生的電流及渦電流)向阻尼電容Cd充電。

同理，如圖12所示，當控制橋臂62的下開關S2及橋臂61的上開關S3導通，並控制橋臂62的上開關S1及橋臂61的下開關S4不導通時，直流電源Vdc經由上 開關S3及下開關S2與線圈L導接，使得直流電源Vdc輸出電流流經線圈L而對線圈L激磁，使鐵心單元31迅速達到磁飽和而瞬間變成磁鐵，接著，如圖13所示，當控制上開關S3與下開關S2由導通狀態切換至不導通時，線圈L將經由與橋臂61的上開關S1並聯的飛輪二極體D，以及與橋臂62的下開關S4並聯的飛輪二極體D，與阻尼電容Cd導接，同時，由線圈L的反電動勢產生的電流，以及鐵心單元21因磁場換相瞬間消磁而產生的一渦電流將耦合至線圈L，使得線圈L輸出一電流(包含反電動勢產生的電流及渦電流)向阻尼電容Cd充電。

因此，當提供一控制訊號交替控制橋臂61的上開關S1與橋臂62的下開關S4同時導通或橋臂62的上開關S3與橋臂61的下開關S2同時導通，將會使鐵心單元21因反覆被充磁再消磁而持續產生渦電流並耦合至線圈L，再由線圈L流向阻尼電容Cd，而持續對阻尼電容Cd充電，使得當阻尼電容Cd兩端的電壓大於直流電源Vdc時，阻尼電容Cd即輸出電流對直流電源Vdc充電，而提升直流電源Vdc(蓄電池)的電力。且本實施例的控制訊號頻率固定，約10KHz，振幅約12V，但不以此為限。並且可藉由調整控制訊號導通上開關S1、S3與下開關S2、S4的導通周期(Duty Cycle)來控制鐵心單元21磁飽和的時間，使鐵心單元21消磁時能產生最大的渦電流。

再參見圖14至圖16所示，是開關磁阻式變壓器的第三較佳實施例，其中開關磁阻式變壓器4的鐵心單 元41包含具有電容性且概呈「日」形的一第一矽鋼片組42及一第二矽鋼片組43，以及一個具有電感性且概呈「日」形的一非晶質鐵心44，且第一矽鋼片組42與第二矽鋼片組43分別固定在非晶質鐵心44的相反兩面而組成鐵心單元41，且本實施例包含與鐵心單元41鬆散耦合地各別繞設在鐵心單元41的相反兩側邊的一第一線圈L1及一第二線圈L2。由於第一線圈L1及一第二線圈L2與鐵心單元41是鬆散耦合，兩者之間呈電性絕緣，且第一矽鋼片組42、第二矽鋼片組43與非晶質鐵心44之間沒有氣隙，使得由第一線圈L1輸入電流對鐵心單元41充磁時，鐵心單元41會迅速達到磁飽和，並於停止輸入電流至第一線圈L1時，鐵心單元21會瞬間消磁並產生正磁性阻尼效應(磁場換相)，同時釋放磁能產生的渦電流耦合至第二線圈L2，使第二線圈L2的輸出能量大於第一線圈L1的輸入能量。

另一併參見圖16與圖17所示，是本發明磁電放大裝置的第三較佳實施例，其接受一直流電源Vdc(例如蓄電池或可充電電池)輸入，並包含上述的開關磁阻式變壓器4、一與第二線圈L2並聯以構成一並聯諧振電路的阻尼電容Cp，以及一開關電路7。開關電路7包括相串聯再與直流電源Vdc並聯的一上阻尼電容Cd1及一下阻尼電容Cd2，以及串聯再與直流電源Vdc並聯的一上開關S1及一下開關S2，且第一線圈L1的一端a與上開關S1及下開關S2的一接點電耦接，其另一端b與上阻尼電容Cd1及下阻尼電容Cd2的一接點電耦接，又上開關S1與下開關S2還 各別反向並聯一飛輪二極體D。此外，開關電路7還包括一電耦接在阻尼電容Cp與直流電源Vdc之間，由兩個二極體D1、D2構成的半波整流電路70。

藉此，如圖18所示，當控制上開關S1導通，下開關S2不導通時，直流電源Vdc經由上開關S1及下阻尼電容Cd2與第一線圈L1導接，而輸出電流對第一線圈L1激磁，並對下阻尼電容Cd2充電，同時鐵心單元41因受到第一線圈L1之磁場充磁而迅速達到磁飽和，接著，如圖19所示，當控制上開關S1由導通狀態切換至不導通時，第一線圈L1因反電動勢產生之電流會經由下阻尼電容Cd2及與下開關S2並聯的飛輪二極體D形成一放電迴路而對下阻尼電容Cd2充電，同時，鐵心單元41因瞬間消磁而產生之渦電流會耦合至第二線圈L2並由第二線圈L2流向阻尼電容Cp而對阻尼電容Cp充電。

同理，如圖20所示，當換成控制下開關S2導通，上開關S1不導通時，直流電源Vdc經由上阻尼電容Cd1及下開關S2與第一線圈L1導接，而輸出電流對第一線圈L1激磁，並對上阻尼電容Cd1充電，同時鐵心單元41因電流產生之磁場迅速達到磁飽和而變成磁鐵，接著，如圖21所示，控制下開關S2由導通狀態切換至不導通時，第一線圈L1因反電動勢產生之電流會經由與上開關S1並聯的飛輪二極體D及上阻尼電容Cd1形成一放電迴路而對上阻尼電容Cd1充電，同時，鐵心單元41因瞬間消磁產生之渦電流耦合至第二線圈L2，並由第二線圈L2流向阻 尼電容Cp而對阻尼電容Cp充電。

因此，當提供一控制訊號控制上開關S1及下開關S2輪流導通時，將會使鐵心單元21因反覆被充磁再消磁而持續產生渦電流並耦合至第二線圈L2，再由第二線圈L2流向阻尼電容Cp，而持續對阻尼電容Cp充電，且調整控制訊號的頻率至使第二線圈L2與阻尼電容Cp產生諧振時，阻尼電容Cp上將產生一半波諧振訊號，其經由半波整流電路70的二極體D1、D2進行半波整流成一脈動直流訊號後，對直流電源Vdc充電，而提升直流電源Vdc(蓄電池)的電力。且在此過程中，上阻尼電容Cd1及下阻尼電容Cd2亦被持續充電，因此當上阻尼電容Cd1和下阻尼電容Cd2串聯疊加的電壓大於直流電源Vdc的電壓時，上阻尼電容Cd1和下阻尼電容Cd2即會向直流電源Vdc充電，而提升直流電源Vdc(蓄電池)的電力。

參見圖22所示，是本發明磁電放大裝置的第四較佳實施例，其接受一直流電源Vdc(例如蓄電池或可充電電池)輸入，並包含上述的開關磁阻式變壓器4、一與第二線圈L2並聯的阻尼電容Cd、一開關電路8及一電耦接在阻尼電容Cd與直流電源Vdc之間的全波整流電路80。其中開關電路8包括一端與直流電源Vdc的正端電耦接，另一端與第一線圈L1的一端電耦接的上開關S1，以及一端與第一線圈L1的另一端電耦接，另一端與直流電源Vdc的負端電耦接的下開關S2。

藉此，如圖23所示，當控制上開關S1及下開 關S2同時導通，直流電源Vdc經由上開關S1及下開關S2與第一線圈L1導接，並輸出電流對第一線圈L1激磁，使鐵心單元41因第一線圈L1產生之磁場迅速達到磁飽和而瞬間變成磁鐵，接著，如圖24所示，控制上開關S1及下開關S2同時由導通狀態切換至不導通，則鐵心單元41因瞬間消磁，磁場換相而產生之渦電流會耦合至第二線圈L2並由第二線圈L2流向阻尼電容Cd而對阻尼電容Cd充電。

因此，藉由提供一控制訊號反覆控制上開關S1及下開關S2同時導通再同時不導通，將會使鐵心單元41因反覆被充磁再消磁而不斷產生渦電流並耦合至第二線圈L2，再由第二線圈L2流向阻尼電容Cd，而持續對阻尼電容Cd充電，且本實施例的控制訊號的頻率固定，而且藉由調整控制訊號的振幅至使第二線圈L2與阻尼電容Cd產生諧振時，阻尼電容Cd上將產生一弦波諧振訊號，其經由全波整流電路80進行全波整流成一脈動直流訊號後，被輸出至直流電源Vdc，對直流電源Vdc充電，而提升直流電源Vdc的電力。

再參見圖25、圖26所示，是本發明磁電放大裝置的第五較佳實施例，其接受一直流電源Vdc(例如蓄電池或可充電電池)輸入，並包含三個上述的開關磁阻式變壓器4、三個諧振電容Csr(也是阻尼電容)、三個阻尼電容Cpr、一開關電路9以及三個全波整流電路101、102、103；其中如圖26所示，三個諧振電容Csr分別與相對應的開關磁阻式變壓器4的第一線圈L11、L21、L31串聯而構成三個 串聯諧振電路51、52、53，且該三個串聯諧振電路51、52、53頭尾相串接而具有三個接點U、V、W。且如圖25所示，三個阻尼電容Cpr分別與相對應的開關磁阻式變壓器4的第二線圈L12、L22、L32並聯而構成三個並聯諧振電路71、72、73，且該三個全波整流電路101、102、103分別對應電耦接在該三個並聯諧振電路71、72、73與直流電源Vdc之間，以將各該並聯諧振電路71、72、73輸出的交流諧振訊號全波整流成一脈動直流訊號後，再輸出至直流電源Vdc。

且開關電路9包含三個與直流電源Vdc並聯的橋臂91、92、93，每一橋臂具有一上開關U+、V+、W+、一下開關U-、V-、W-、以及複數與各該上開關U+、V+、W+及各該下開關U-、V-、W-對應且反向並聯的飛輪二極體D，而該三個串聯諧振電路51、52、53分別電耦接在兩兩相鄰的橋臂的上開關與下開關的接點之間。

藉此，當提供一控制訊號控制三個串聯諧振電路51、52、53輪流與直流電源Vdc導接，例如圖27所示，控制橋臂91的上開關U+及相鄰的另一橋臂92的下開關V-導通，其餘開關不導通時，直流電源Vdc會經由上開關U+及下開關V-與串聯諧振電路51導接而輸出電流至串聯諧振電路51，且若控制訊號的振幅及導通周期(相位)固定，且其工作頻率恰使串聯諧振電路51產生諧振時，串聯諧振電路51將產生最大諧振電流，且其產生的磁場會對其所繞設的鐵心單元41充磁，使得鐵心單元41迅速達到磁飽 和而瞬間變成磁鐵。

然後，如圖28所示，當控制訊號接著控制上開關U+及下開關V-由導通狀態切換至不導通，並換成橋臂92的上開關V+與相鄰的另一橋臂93的下開關W-導通時，串聯諧振電路51所繞設的鐵心單元41會瞬間消磁，並因磁場換相產生一渦電流耦合至繞設其上的第二線圈L12，且設若控制訊號的頻率會同時使並聯諧振電路71產生諧振，則並聯諧振電路71將產生一交流弦波訊號，該交流訊號並經由與並聯諧振電路71電耦接的全波整流電路101整流成一脈動直流訊號後，輸出至直流電源Vdc而對直流電源Vdc充電。

與此同時，如圖28所示，直流電源Vdc經由上開關V+及下開關W-與串聯諧振電路52電耦接而輸出電流流經串聯諧振電路52，且串聯諧振電路52將因與控制訊號的頻率產生諧振而輸出最大諧振電流，並對其所繞設的鐵心單元41充磁，使得鐵心單元41迅速達到磁飽和而瞬間變成磁鐵。

然後，如圖29所示，當控制訊號控制上開關U+及下開關V-由導通狀態切換至不導通，且換成控制橋臂93的上開關W+與相鄰的另一橋臂91的下開關U-導通時，串聯諧振電路52所繞設的鐵心單元41會瞬間消磁，並因磁場換相產生一渦電流耦合至繞設其上的第二線圈L22，且控制訊號的頻率會同時使並聯諧振電路72產生諧振而產生一交流弦波訊號，該交流訊號經由與並聯諧振電路72電耦 接的全波整流電路102整流成一脈動直流訊號後，輸出至直流電源Vdc而對直流電源Vdc充電。

因此，同理，如圖30所示，當控制訊號控制上開關W+及下開關U-由導通狀態切換至不導通時，並控制橋臂91的下開關U-及另一相鄰橋臂92的上開關V+導通，使直流電源Vdc經由上開關V+及下開關U-與串聯諧振電路51導接，而從另一方向輸入電流至串聯諧振電路51時，串聯諧振電路51會產生諧振並對其所繞設的鐵心單元41充磁，同時，串聯諧振電路53所繞設的鐵心單元41會瞬間消磁，並產生一渦電流耦合至繞設其上的第三線圈L32，使並聯諧振電路73因諧振而產生一交流弦波訊號，該文流弦波訊號經由與並聯諧振電路73電耦接的全波整流電路103整流成一脈動直流訊號後，輸出至直流電源Vdc而對直流電源Vdc充電。

因此，當控制訊號接著透過控制開關電路9，控制串聯諧振電路51、52、53輪流與直流電源Vdc導接，使直流電源Vdc輸出的電流從另一方向輸入串聯諧振電路51、52、53，使串聯諧振電路51、52、53所對應繞設的鐵心單元41被充磁再消磁，即可激發鐵心單元41持續產生渦電流，並耦合至對應繞設其上的並聯諧振電路71、72、73，使並聯諧振電路71、72、73因諧振而對應產生一交流弦波訊號，並經相對應的全波整流電路101、102、103整流後，輸出對直流電源Vdc充電，而提升直流電源Vdc的電力。

所以，控制訊號藉由控制開關電路9，使串聯諧振電路51、52、53輪流與直流電源Vdc導接，讓直流電源Vdc輸出的電流從串聯諧振電路51、52、53的一端或另一端輸入，使串聯諧振電路51、52、53產生諧振，讓其所繞設的鐵心單元41瞬間磁飽和再瞬間消磁，以藉由鐵心單元41不斷地磁場換相而產生渦電流耦合至相對應的並聯諧振電路71、72、73，使不斷地產生交流弦波訊號並經過整流後，對直流電源Vdc充電。

綜上所述，上述本實施例藉由不同的控制訊號控制上述的開關電路，使導接直流電源Vdc與繞設於開關磁阻式變壓器的鐵心單元上的線圈，讓線圈產生的磁場使鐵心單元瞬間變成磁鐵，再控制直流電源Vdc與線圈不導接，讓鐵心單元因磁場換相消磁而產生渦電流並耦合至繞設於鐵心單元上的線圈，並經由與線圈並聯之阻尼電容收集該渦電流，再由阻尼電容適時輸出電流對該直流電源Vdc充電，而藉此將具有正磁性阻尼效應的鐵心單元內蘊藏的磁能轉換成電能輸出，使得開關磁阻式變壓器的輸出能量大於輸入能量，並提升直流電源Vdc的電力。

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。

5‧‧‧開關電路

Vdc‧‧‧直流電源

Cd‧‧‧阻尼電容

S1‧‧‧上開關

S2‧‧‧下開關

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

L‧‧‧線圈

Claims (6)

1. 一種磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括：至少一開關磁阻式變壓器，其包含一鐵心單元及至少一線圈，該鐵心單元概呈「日」形且由至少一種鐵心材料組成而同時具有電感性與電容性，且該線圈鬆散耦合地繞設於該鐵心單元；至少一阻尼電容，與該線圈電耦接而共同構成一諧振電路；及一開關電路，與該直流電源及該線圈電耦接，並控制該直流電源與該線圈導通而對該線圈激磁，使該鐵心單元達到磁飽和，再控制該直流電源與該線圈不導通，使該鐵心單元因磁飽和而產生磁場換相並產生一渦電流流過該諧振電路，使該阻尼電容儲能；其中該鐵心單元包含一個同時具有電感性與電容性，且概呈「口」形的PN半導體型鐵心，及一個設於該PN半導體型鐵心內部或側邊的永久磁鐵，且該開關磁阻式變壓器包含一繞設於該PN半導體型鐵心上的線圈；該開關電路包含一端與該線圈一端電耦接，另一端與該直流電源的正端電耦接的一上開關，一端與該線圈的另一端電耦接，另一端與該直流電源的負端電耦接的一下開關，一反向電耦接在該線圈與該上開關的一接點和該直流電源的負端之間的第一二極體，及一反向電耦接在該線圈與該第二開關的一接點和該直流電源的正端之間的第二二極體，且該上開關及下開關被同時導通 或不導通。
2. 如請求項1所述的磁電放大裝置，其中該PN半導體型鐵心是一固態電感器。
3. 一種磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括：至少一開關磁阻式變壓器，其包含一鐵心單元及至少一線圈，該鐵心單元概呈「日」形且由至少一種鐵心材料組成而同時具有電感性與電容性，且該線圈鬆散耦合地繞設於該鐵心單元；至少一阻尼電容，與該線圈電耦接而共同構成一諧振電路；及一開關電路，與該直流電源及該線圈電耦接，並控制該直流電源與該線圈導通而對該線圈激磁，使該鐵心單元達到磁飽和，再控制該直流電源與該線圈不導通，使該鐵心單元因磁飽和而產生磁場換相並產生一渦電流流過該諧振電路，使該阻尼電容儲能；其中該鐵心單元包含概呈「口」形且重疊設置的一個具有電感性的錳-鋅鐵心及一個具有電容性的鎳-鋅鐵心，以及一個夾設於該錳-鋅鐵心及該鎳-鋅鐵心之間的永久磁鐵，且該開關磁阻式變壓器包含一繞設於該錳-鋅鐵心及該鎳-鋅鐵心相重疊的一側邊上的線圈；該開關電路包含兩個與該直流電源並聯的橋臂，每一橋臂具有一上開關、一下開關以及各別與該上開關及該下開關反向並聯的兩個飛輪二極體，且該線圈的兩端各別電耦接在兩個橋臂的上開關與下開關的一接點，且 其中一橋臂的上開關及另一橋臂的下開關導通時，其中一橋臂的下開關及另一橋臂的上開關不導通，反之，其中一橋臂的下開關及另一橋臂的上開關導通時，其中一橋臂的上開關及另一橋臂的下開關不導通。
4. 一種磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括：至少一開關磁阻式變壓器，其包含一鐵心單元及至少一線圈，該鐵心單元概呈「日」形且由至少一種鐵心材料組成而同時具有電感性與電容性，且該線圈鬆散耦合地繞設於該鐵心單元；至少一阻尼電容，與該線圈電耦接而共同構成一諧振電路；及一開關電路，與該直流電源及該線圈電耦接，並控制該直流電源與該線圈導通而對該線圈激磁，使該鐵心單元達到磁飽和，再控制該直流電源與該線圈不導通，使該鐵心單元因磁飽和而產生磁場換相並產生一渦電流流過該諧振電路，使該阻尼電容儲能；其中該鐵心單元包含具有電容性且概呈「日」形的一第一矽鋼片組及一第二矽鋼片組，以及一個具有電感性且概呈「日」形的一非晶質鐵心，其中該第一矽鋼片組與該第二矽鋼片組分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面而組成該鐵心單元，且開關磁阻式變壓器包含鬆散耦合地各別繞設在該鐵心單元的相反兩側邊的一第一線圈及一第二線圈；該阻尼電容與該第二線圈並聯，且該開關電路包括 相串聯再與該直流電源並聯的一上阻尼電容及一下阻尼電容，以及串聯再與該直流電源並聯的一上開關及一下開關，且該第一線圈的一端與該上開關及該下開關的一接點電耦接，其另一端與該上阻尼電容及該下阻尼電容的一接點電耦接，且該上開關與該下開關還各別反向並聯一飛輪二極體，而且該開關電路還包括一電耦接在該阻尼電容與該直流電源之間的半波整流電路，且該上開關與該下開關被輪流導通。
5. 一種磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括：至少一開關磁阻式變壓器，其包含一鐵心單元及至少一線圈，該鐵心單元概呈「日」形且由至少一種鐵心材料組成而同時具有電感性與電容性，且該線圈鬆散耦合地繞設於該鐵心單元；至少一阻尼電容，與該線圈電耦接而共同構成一諧振電路；及一開關電路，與該直流電源及該線圈電耦接，並控制該直流電源與該線圈導通而對該線圈激磁，使該鐵心單元達到磁飽和，再控制該直流電源與該線圈不導通，使該鐵心單元因磁飽和而產生磁場換相並產生一渦電流流過該諧振電路，使該阻尼電容儲能；其中該鐵心單元包含具有電容性且概呈「日」形的一第一矽鋼片組及一第二矽鋼片組，以及一個具有電感性且概呈「日」形的一非晶質鐵心，其中該第一矽鋼片組與該第二矽鋼片組分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面 而組成該鐵心單元，且該開關磁阻式變壓器包含鬆散耦合地各別繞設在該鐵心單元的相反兩側邊的一第一線圈及一第二線圈；該阻尼電容與該第二線圈並聯而共同構成一並聯諧振電路，該開關電路包含一端與該第一線圈一端電耦接，另一端與該直流電源的正端電耦接的一上開關，一端與該線圈的另一端電耦接，另一端與該直流電源的負端電耦接的一下開關，以及兩個各別與該上開關及該下開關反向並聯的二極體，且該磁電放大裝置還包括一電耦接在該阻尼電容與該直流電源之間的全波整流電路，而且該上開關及該下開關被同時導通或不導通。
6. 一種磁電放大裝置，接受一直流電源輸入，並包括：至少一開關磁阻式變壓器，其包含一鐵心單元及至少一線圈，該鐵心單元概呈「日」形且由至少一種鐵心材料組成而同時具有電感性與電容性，且該線圈鬆散耦合地繞設於該鐵心單元；至少一阻尼電容，與該線圈電耦接而共同構成一諧振電路；及一開關電路，與該直流電源及該線圈電耦接，並控制該直流電源與該線圈導通而對該線圈激磁，使該鐵心單元達到磁飽和，再控制該直流電源與該線圈不導通，使該鐵心單元因磁飽和而產生磁場換相並產生一渦電流流過該諧振電路，使該阻尼電容儲能；其中該磁電放大裝置包含三個開關磁阻式變壓器，每一 開關磁阻式變壓器的該鐵心單元包含具有電容性且概呈「日」形的一第一矽鋼片組及一第二矽鋼片組，以及一個具有電感性且概呈「日」形的一非晶質鐵心，該第一矽鋼片組與該第二矽鋼片組分別固定在該非晶質鐵心的相反兩面而組成該鐵心單元，且每一開關磁阻式變壓器包含鬆散耦合地各別繞設在該鐵心單元的相反兩側邊的一第一線圈及一第二線圈；該磁電放大裝置包括三個諧振電容、三個阻尼電容及三個全波整流電路，該三個諧振電容分別與相對應的該開關磁阻式變壓器的該第一線圈串聯而構成三個串聯諧振電路，該三個阻尼電容分別與相對應的該開關磁阻式變壓器的該第二線圈並聯而構成三個並聯諧振電路，且該三個全波整流電路分別電耦接在相對應的該三個並聯諧振電路與該直流電源之間，且該開關電路包含三個與該直流電源並聯的橋臂，每一橋臂具有一上開關、一下開關以及兩個分別與該上開關及該下開關反向並聯的飛輪二極體，而且該三個串聯諧振電路分別電耦接在兩兩相鄰的橋臂的上開關與下開關的一接點之間，且該開關電路受控制使該三個串聯諧振電路輪流與該直流電源導接，使該直流電源輸出的電流從該三個串聯諧振電路的一端或另一端輸入。