TWI573381B - 應用於無線功率傳輸系統之主僕式倍壓全波整流電路 - Google Patents

應用於無線功率傳輸系統之主僕式倍壓全波整流電路 Download PDF

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Description

應用於無線功率傳輸系統之主僕式倍壓全波整流電路
本發明係有關於整流電路，特別有關於一種倍壓整流電路。
整流器係將交流電源轉換為直流電源之電路裝置，其應用極為廣泛，整流之方式主要可分為三類：
1.第一類為被動式整流電路，即由二極體組成半波或全波整流電路，其轉換效率約在55%~65%。
2.第二類為倍壓整流電路，係利用多級半波整流電路將直流電壓倍增，以獲取較高的直流電壓輸出及轉換效率，此類整流電路之轉換效率約為75%左右。
3.第三類為主動式整流電路，由各種固態電子開關及比較器所組成，透過比較器修正功率轉換之損耗，使轉換效率介於85%至96%。
主動式整流電路之轉換效率雖高，電路架構複雜，被動式整流電路則恰好相反，電路架構簡單，但轉換效率最差。
近來無線充電技術迅速發展，普遍被應用於如智慧型手機及平板電腦之可攜式裝置上，而無線充電技術亦必需使用整流電路，且可攜式裝置又必需著重電池電源之使用效率以及體積和重量之限制，故一種具 備高效率及簡化結構之整流乃更顯迫切需要。
本發明之主要目的，係在於提供一種應用於無線功率傳輸系統之主僕式倍壓全波整流電路，其利用簡易之電路架構即可達到極高之轉換效率。
為達到上述目的，本發明之主僕式倍壓全波整流電路係包括：一第一電子開關，具有一第一控制端及二第一接點端，其中該二第一接點端係分別連接接地端及一交流電源之第一端，該第一控制端係連接該交流電源之第二端；一第二電子開關，具有一第二控制端及二第二接點端，其中該二第二接點端係分別連接接地端及該交流電源之第二端，該第二控制端係連接該交流電源之第一端；一第一二極體，其正極端連接於該交流電源之第一端；一第二二極體，其正極端連接於該交流電源之第二端；一第一電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第二端及該第一二極體之負極端；一第二電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第一端及該第二二極體之負極端；一第三二極體，其正極端連接於該第一二極體之負極端；一第四二極體，其正極端連接於該第二二極體之負極端；一第三電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第二端及該第三二極體之負極端；一第四電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第一端及該第四二極體之負極端；一第五二極體，其正極端連接於該第三二極體之負極端；一第六二極體，其正極端連接於該第四二極體之負極端，其負極端係連接於該第五二極體之負極端，並形成一電壓輸出端。
(S1)‧‧‧第一電子開關
(S2)‧‧‧第二電子開關
(PS)‧‧‧交流電源
(RFin+)‧‧‧第一端
(RFin-)‧‧‧第二端
(CL)‧‧‧濾波電容器
(C1)‧‧‧第一電容器
(C2)‧‧‧第二電容器
(C3)‧‧‧第三電容器
(C4)‧‧‧第四電容器
(D1)‧‧‧第一二極體
(D2)‧‧‧第二二極體
(D3)‧‧‧第三二極體
(D4)‧‧‧第四二極體
(D5)‧‧‧第五二極體
(D6)‧‧‧第六二極體
第一圖係本發明之電路圖。
第二圖係本發明於正半週輸入時之等效電路圖。
第三圖係本發明於負半週輸入時之等效電路圖。
第四圖係本發明之另一實施例之電路圖。
茲就本發明之結構之特徵，配合圖式，詳細說明如後，俾使更加明瞭。
首請參閱第一圖，本發明提供一種應用於無線功率傳輸系統之主僕式倍壓全波整流電路，主要係包括一主級全波整流電路(由二個二極體(D1及D2)、及二個電子開關(S1及S2)所組成)及一僕級輔助增壓電路(由四個二極體(D3~D6)及四個電容器(C1~C4)所組成)。藉由電子開關做分相切換，可提升直流電壓及轉換效率，而正負半週相反的電壓極性使電容器亦可進一步達到電壓倍壓之效果及提升轉換效率。此外，差動輸入訊號分別連接於電容器之兩端，更可減少因切換頻率提高所造成的功率轉換損耗，於本實施例中所提之二極體(D1~D6)係為可為MOS二極體或等同效用之二極體元件。
本發明係包含二個電子開關(S1,S2)、六個二極體(D1~D6)及四個電容器(C1~C4)。該二電子開關(S1,S2)係為固態裝置(solid state device)，圖中所示係為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。第一電子開關(S1)具有一第一控制端(即MOSFET之閘極)及二第一接點端(即MOSFET之汲極及源極)，其中該二第一接點端係分別連接接地端及一交流電源(PS)之第一端(RFin+)，該第一控制端係連接該交流電源(PS)之第二端(RFin-)；第二電子開 關(S2)具有一第二控制端(即閘極)及二第二接點端(即汲極及源極)，其中該二第二接點端係分別連接接地端及該交流電源(PS)之第二端(RFin-)，該第二控制端係連接該交流電源之第一端(RFin+)。
第一二極體(D1)之正極端係連接於該交流電源(PS)之第一端(RFin+)，第二二極體(D2)之正極端連接於該交流電源(PS)之第二端(RFin-)；第一電容器(C1)之兩端係連接於該交流電源(PS)之第二端(RFin-)與該第一二極體(D1)之負極端之間，第二電容器(C2)之兩端係連接於該交流電源(PS)之第一端(RFin+)及該第二二極體(D2)之負極端；第三二極體(D3)之正極端係連接於該第一二極體(D1)之負極端，即第三二極體(D3)之正極端、第一二極體(D1)之負極端及第一電容器(C1)之一端係相互連接；第四二極體(D4)之正極端係連接於該第二二極體(D2)之負極端，即第四二極體(D4)之正極端、第二二極體(D2)之負極端及第二電容器(C2)之一端係相互連接。
第三電容器(C3)之兩端係連接於該交流電源(PS)之第二端(RFin-)與該第三二極體(D3)之負極端之間；第四電容器(C4)之兩端係連接於該交流電源(PS)之第一端(RFin+)及該第四二極體(D4)之負極端；第五二極體(D5)之正極端係連接於該第三二極體(D3)之負極端，即第五二極體(D5)之正極端、第三二極體(D3)之負極端及第三電容器(C3)之一端係相互連接；第六二極體(D6)之正極端係連接於該第四二極體(D4)之負極端，其負極端則係連接於該第五二極體(D5)之負極端，並形成一電壓輸出端(Vout)，即第六二極體(D6)之正極端、第四二極體(D4)之負極端及第四電容器(C4)之一端係相互連接。
簡言之，第一電子開關(S1)之二第一接點端、第一二極體 (D1)、第三二極體(D3)及第五二極體(D5)係串聯成一路，而第二電子開關(S2)之二第二接點端、第二二極體(D2)、第四二極體(D4)及第六二極體(D6)係串聯成另一路，該二路係成平行且對稱。
請參閱第二圖，當交流電源(PS)於正半週時，在主級電路中之第一二極體(D1)及第二電子開關(S2)與僕級中之第六二極體(D6)會先行導通，在第一電容器(C1)及濾波電容器(CL)其節點電壓分別為：VC1=2A-Vd及Vout=A-Vd；其中A為輸入電壓振幅，Vd為二極體導通電壓。當第一電容器(C1)之電壓達到VC1=2A-Vd時，便會使得第三二極體(D3)導通，在節點N上之電壓即為3A-2Vd，使得輸出電壓Vout=2A-2Vd。
續請參閱第三圖，當交流電源(PS)於負半週時，在主級電路中之第二二極體(D2)及第一電子開關(S1)導通，在第二電容器(C2)上的節點電壓為VC2=2A-Vd。當第二電容器(C2)之電壓達到VC2=2A-Vd時，便會使得第四二極體(D4)導通，在節點H上之電壓即為3A-2Vd，此時，在僕級電路中之節點N上之電壓為4A-2Vd，使得輸出電壓達到Vout=2A-Vd並維持在2A-Vd，即可達到倍壓之效果。
此外，本發明之僕級輔助增壓電路可再擴充一級或多級，以達到更高的升壓效果。
第四圖所示者，乃本發明之另一實施例，其係分別以一二極體(DA,DB)取代電子開關，其亦可達成如第二、三圖之等效電路。
以上所述者，乃為本發明之一較佳實施例之具體說明，非用以侷限本發明之專利範圍，其他應用本發明之創作精神所為之一切等效變換，均應俱屬本發明之專利範圍內。
(S1)‧‧‧第一電子開關
(S2)‧‧‧第二電子開關
(PS)‧‧‧交流電源
(RFin+)‧‧‧第一端
(RFin-)‧‧‧第二端
(CL)‧‧‧濾波電容器
(C1)‧‧‧第一電容器
(C2)‧‧‧第二電容器
(C3)‧‧‧第三電容器
(C4)‧‧‧第四電容器
(D1)‧‧‧第一二極體
(D2)‧‧‧第二二極體
(D3)‧‧‧第三二極體
(D4)‧‧‧第四二極體
(D5)‧‧‧第五二極體
(D6)‧‧‧第六二極體

Claims (5)

  1. 一種應用於無線功率傳輸系統之主僕式倍壓全波整流電路，係包括：一第一電子開關，具有一第一控制端及二第一接點端，其中該二第一接點端係分別連接接地端及一交流電源之第一端，該第一控制端係連接該交流電源之第二端；一第二電子開關，具有一第二控制端及二第二接點端，其中該二第二接點端係分別連接接地端及該交流電源之第二端，該第二控制端係連接該交流電源之第一端；一第一二極體，其正極端連接於該交流電源之第一端；一第二二極體，其正極端連接於該交流電源之第二端；一第一電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第二端及該第一二極體之負極端；一第二電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第一端及該第二二極體之負極端；一第三二極體，其正極端連接於該第一二極體之負極端；一第四二極體，其正極端連接於該第二二極體之負極端；一第三電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第二端及該第三二極體之負極端；一第四電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第一端及該第四二極體之負極端；一第五二極體，其正極端連接於該第三二極體之負極端；一第六二極體，其正極端連接於該第四二極體之負極端，其負極端係連接於該第五二極體之負極端，並形成一電壓輸出端；及一濾波電容器，連接於該電壓輸出端及接地端之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主僕式倍壓全波整流電路，其中該第一及第二電子開關各為一固態裝置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之主僕式倍壓全波整流電路，其中該固態裝置係為一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFFT)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主僕式倍壓全波整流電路，其中僕級輔助增壓電路包含第三~六二極體及第一~四電容器。
  5. 一種應用於無線功率傳輸系統之主僕式倍壓全波整流電路，係包括：一第一開關二極體，其正極端連接接地端，其負極端連接一交流電源之第一端；一第二開關二極體，其正極端連接接地端，其負極端連接一交流電源之第二端；一第一二極體，其正極端連接於一交流電源之第一端；一第二二極體，其正極端連接於該交流電源之第二端；一第一電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第二端及該第一二極體之負極端；一第二電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第一端及該第二二極體之負極端；一第三二極體，其正極端連接於該第一二極體之負極端；一第四二極體，其正極端連接於該第二二極體之負極端；一第三電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第二端及該第三二極體之負極端；一第四電容器，其兩端分別連接於該交流電源之第一端及該第四二極體之負極端；一第五二極體，其正極端連接於該第三二極體之負極端；一第六二極體，其正極端連接於該第四二極體之負極端，其負極端係連接於該第五二極體之負極端，並形成一電壓輸出端；及一濾波電容器，連接於該電壓輸出端及接地端之間。
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