TWI583091B - 具電能回收之交流電子負載 - Google Patents

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具電能回收之交流電子負載
本發明技術特徵之一在於整合電子學與電力電子學上電路分析與創新設計，將直流電路之電流源電路與電容充放電電路設計原理加以組合創新應用至交流電源電路並可以有效應用在商品化的電流源-電容充放電電路，讓原拘限於直流設計領域擴展至交流電源電路設計範圍。
習知交流電子負載(AC Electronic Load AC-EL)是交流電源功能測試時必備之裝置，其連接方式請參考圖一。待測交流電源Vac10進行輸出功能測試時其輸出電流iac11波形會隨測試項目的不同而不同。例如，輸出電流iac11在測試項目1時，所需波形就如iac1，在測試項目2時，所需波形就如iac2。故交流電子負載12其工作模式也需配合調整。
除此之外，待測交流電源Vac10輸出之電能也直接送至交流電子負載12，但習知交流電子負載皆無電能回收功能，故皆以熱形式排放，而加裝散熱裝置亦造成雙重電能損失。
本發明主要技術特徵之一請先參酌圖三並對照圖二。其中待測交流電源Vac30經由二極體組成的橋式整流或類似功能的整流之全波整流電路31產生一脈動直流電，再經電流輸入-電壓輸出之轉換器(電路)32產生一浮動直流電壓，再經直流-直流(DC/DC)轉換器33或直流-交流(DC/AC)轉換器34，將轉換後的穩定直流電或交流電，送出再應用。
其中監控系統37之多組輸入/輸出端也分別接至電流輸入-電壓輸出之轉換器(電路)32、直流-直流(DC/DC)轉換器33或直流-交流(DC/AC)轉換器34，以讀取相關電壓、電流、溫度等資料參數，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。
請再參酌圖七，並對照圖三。待測交流電源Vac70經橋式整流電路71產生一脈動直流電源Vadm72並接至Re74與介面電路73。介面電路73是接至主動元件Q75並受監控系統720控制而產生Vre710(Vre710大小與波形是依測試項目所設訂的，並由監控系統720與介面電路73來完成)。
若主動元件Q75處於工作區，而若主動元件Q75電流放大倍率夠大，由電路理論得知
又iadm=ie+iadr≒i(若ie>>iadr)，因此Vre710波形與iadm713幾乎是一致的，
。(ie715、ic716、iadr714)。
iadm713經由Re74、主動元件Q75對電阻、電容組合而成的雙端等效零件Zm76進行充放電而產生一浮動直流電壓，再經由直流-直流轉換器77產生一直流電輸出(接至直流終端負載)，或經由直流-交流轉換器78產生一交流電輸出(接至交流終端負載)，而完成電能回收功能。
其中監控系統720之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路73、直流-直流(DC/DC)轉換器77、直流-交流(DC/AC)轉換器78、主動元件Q75，以讀取相關電壓、電流、溫度等資料參數，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。並確保主動元件Q75處於工作區。
主動元件Q75可以是BJT、MOSFET等元件，但電路架構需稍微修改。
RL、Re、Rm‧‧‧電阻
ZL‧‧‧等效負載(阻抗)
Zm‧‧‧電阻、電容組合而成的雙端等效零件
Cm‧‧‧電容
Vac/iac‧‧‧待測單相或多相交流電源/電流
Vadm/iadm‧‧‧待測交流電源經全波整流後之直流脈動電源/電流
Vre‧‧‧電阻Re二端電壓
Q‧‧‧主動元件(BJT、MOSFET之主動元件)
ie、ic、ib‧‧‧電流
iadm、iac、idc、iadr‧‧‧電流
圖一 習知不具電能回收之交流電子負載
圖二 具電能回收之交流電子負載
圖三 具電能回收之交流電子負載之內部架構方塊
圖四 直流電源電流源電路
圖五 脈動直流電源電流源電路(電阻負載)
圖六 脈動直流電源電流源電路(阻抗負載)
圖七 具電能回收之交流電子負載基本電路架構
圖八 負載等效
圖九 具電能回收之交流電子負載具體實施例電路架構
本發明主要技術特徵之一的直流電源電流源電路結構，請參考圖四所示的設計。idc=ic+idcr≒ic(若ic>>idcr)，再根據習知電子學理論可知，當主動元件Q43處於工作區(Q為BJT、MOSFET等主動元件)，若主動元件Q43電流放大倍率夠大，直流電源Vdc45之輸出電流idc46約等於ic49且約為Vre/Re的值，其間並不會隨Vdc45、RL42大小改變而改變，故直流電源將會輸出一固定電流，其大小約為Vre/Re。Vre48是可調控的，其大小可利用外部介面電路41設計來達成此功效。
本發明另一技術特徵則是脈動直流電源電流源電路於電阻負載結構的設計，發明內容請參考圖五並對照圖四。若ic>>iadr且主動元件Q53之電流放大倍率夠大及主動元件Q53處於工作區，則iadm=ic+iadr≒ic。
根據電子學理論可知，當主動元件Q53處於工作區(Q是BJT、MOSFET主動元件)，脈動直流電源Vadm55之輸出電流iadm56約等於ic59且約為Vre/Re的值，其間並不會隨Vadm55、RL52大小改變而改變，故脈動直流電源將會輸出一固定脈動直流電流，其大小約為Vre/Re。Vre58大小與波形是可調控的且依測試項目所設訂的，並由監控系統511與介面電路51來完成。
Vre1/iadm1是脈動直流電源Vadm55處於待測項目1之波形，Vre2/iadm2是脈動直流電源Vadm55處於待測項目2之波形。
本發明又一技術特徵則是脈動直流電源電流源於阻抗負載結構的設計，發明內容請參考圖六，並對照圖五。其中以電阻、電容組合而成雙端等效零件ZL62取代RL52若ic>>iadr且主動元件Q63之電流放大倍率夠大及主動元件Q63處於工作區，則iadm=ic+iadr≒ic。
根據電子學理論可知，當主動元件Q63處於工作區(Q是BJT、MOSFET主動元件)，脈動直流電源Vadm65之輸出電流iadm66約等於ic69且約為Vre/Re的值，其間並不會隨Vadm65、ZL62大小改變而改變，故脈動直流電源將會輸出一固定脈動直流電流，其大小約為Vre/Re。
而Vre68是可調控的，其大小與波形是依測試項目所設訂的，並由監控系統611與介面電路61來完成。
Vre1/iadm1是脈動直流電源Vadm65處於待測項目1之波形，Vre2/iadm2是脈動直流電源Vadm65處於待測項目2之波形。
本發明具電能回收之交流電子負載其觀念與學理結構，請參考實施例中的圖七、圖八，並對照圖六。由電子電路設計學理得知，圖六之ZL62就如同圖八之ZL81，ZL81就是由電阻、電容組合而成的雙端等效零件Zm82、直流-直流(DC/DC)轉換器83、直流-交流(DC/AC)轉換器84之等效電路和，如圖八所示。
待測交流電源70經由二極體組成的橋式整流或類似功能整流之全波整流電路71產生脈動直流電Vadm72並接至Re74，且接至介面電路73。介面電路73則再接至主動元件Q75、Re74之組合電路而產生Vre710。
電阻、電容組合而成的雙端等效零件Zm76，兩端是一浮動直流電壓，經直流-直流(DC/DC)轉換器77、直流-交流(DC/AC)轉換器78轉換成 一穩定的直流電、交流電並輸出，以供回收再應用。
其中監控系統720之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路73、直流-直流(DC/DC)轉換器77、直流-交流(DC/AC)轉換器78、主動元件Q75，以讀取相關電壓、電流、溫度等資料參數，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。
除此之外，監控系統720經介面電路73及相關介面電路，讀取電阻、電容組合而成的雙端等效零件Zm76之電壓、電流相關資訊而產生調控所需Vre710之波形及大小，以確保Q75處於工作區。
Vre1/iadm1是脈動直流電源Vadm72處於待測項目1之波形，Vre2/iadm2是脈動直流電源Vadm72處於待測項目2之波形。
iac1是對應於Vre1/iadm1，iac2是對應於Vre2/iadm2之待測交流電源之輸出電流波形。
將上述技術特徵具體呈現的本發明另一實施例，如圖九所示，並請參考圖七、圖八。其中Zm76是由電容Cm97與電阻Rm96組合取代之。待測交流電源Vac90經由二極體組成的橋式整流或類似功能整流之全波整流電路91產生脈動直流電Vadm92並接至Re94，同時也接至介面電路93。介面電路93，則再接至主動元件Q95、Re94之組合電路而產生Vre911。
電容Cm97與電阻Rm96組合而成的雙端等效零件之兩端是一浮動直流電壓，經直流-直流(DC/DC)轉換器98、直流-交流(DC/AC)轉換器99轉換成一穩定的直流電、交流電並輸出，以供回收再應用。
雖然待測交流電源Vac90於nπ附近時，其整流後的Vadm92無法讓主動元件Q95正常工作，但不影響本發明之實用性。
其中監控系統921之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路93、直流-直流(DC/DC)轉換器98、直流-交流(DC/AC)轉換器99、主動元件Q95，以讀取相關電壓、電流、溫度等資料參數，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。
除此之外，監控系統921經介面電路93及相關介面電路，讀取電容Cm97與電阻Rm96組合而成的雙端等效零件之電壓、電流相關資訊而產生調控所需之Vre911波形及大小，以確保Q95處於工作區。
Vre1/iadm1是脈動直流電源Vadm92處於待測項目1之波形，Vre2/iadm2是脈動直流電源Vadm92處於待測項目2之波形。
iac1是對應於Vre1/iadm1，iac2是對應於Vre2/iadm2之待測交流電源之輸出電流波形。
70‧‧‧Vac單相或多相待測交流電源
71‧‧‧全波整流
72‧‧‧Vadm脈動直流電源
73‧‧‧介面電路
74‧‧‧電阻Re
75‧‧‧主動元件Q
76‧‧‧電阻、電容組合之雙端等效零件Zm
77‧‧‧直流/直流(DC/DC)轉換器
78‧‧‧直流/交流(DC/AC)轉換器
710‧‧‧Vre電阻Re兩端電壓
720‧‧‧監控系統

Claims (10)

  1. 一種具電能回收之交流電子負載，其包括：一全波整流電路，用以接收一待測交流電源，並將該待測交流電源整流成一脈動直流電源；一電流輸入-電壓輸出之轉換器，耦接該全波整流電路，用以接收該脈動直流電源以對該待測交流電源的功能進行多種測試項目的測試，並將測試時相應於該脈動直流電源的輸出電流透過一電阻-電容(RC)電路轉換為一浮動直流電壓；一直流/直流(DC/DC)轉換器，耦接該電流輸入-電壓輸出之轉換器，用以將該電流輸入-電壓輸出之轉換器所輸出之該浮動直流電壓轉換成一穩定的直流輸出以供後端的直流終端負載應用，從而完成該待測交流電源處於功能測試時之輸出的電能回收；以及一監控系統，藉由介面電路連接至該電流輸入-電壓輸出之轉換器與該直流/直流(DC/DC)轉換器，讀取相關資料參數，以下達控制信號，使該具電能回收之交流電子負載系統穩定工作，其中該監控系統與該介面電路依據該些測試項目的不同而調控該脈動直流電源的該輸出電流的大小與波形。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具電能回收之交流電子負載，其更包括：一直流/交流(DC/AC)轉換器，耦接該電流輸入-電壓輸出之轉換器，用以將該電流輸入-電壓輸出之轉換器所輸出之該浮動直流電壓轉換成一穩定的交流輸出以供後端的交流終端負載應用，從 而完成該待測交流電源處於功能測試時之輸出的電能回收，其中，該監控系統更藉由所述介面電路連接至該直流/交流(DC/AC)轉換器，讀取相關資料參數，以下達控制信號，使該具電能回收之交流電子負載系統穩定工作。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之具電能回收之交流電子負載，其中該全波整流電路是由二極體組成的橋式整流。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之具電能回收之交流電子負載，其中該電流輸入-電壓輸出之轉換器之輸入端接至該全波整流電路之輸出端，該電流輸入-電壓輸出之轉換器之輸出端則接至該直流/直流(DC/DC)轉換器或該直流/交流(DC/AC)轉換器之輸入端，且該電流輸入-電壓輸出之轉換器、該直流/直流(DC/DC)轉換器與該直流/交流(DC/AC)轉換器皆經由所述介面電路受該監控系統所監控。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之具電能回收之交流電子負載，其中該電流輸入-電壓輸出之轉換器之內部電路包括：一主動元件，該主動元件包含BJT或MOSFET元件，其中該電流輸入-電壓輸出之轉換器具有提供電能回收之功能，且該待測交流電源為單相交流電源或多相交流電源。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具電能回收之交流電子負載，其中該電流輸入-電壓輸出之轉換器之內部電路更包括：該電阻-電容(RC)電路，其中該電阻-電容(RC)電路為一電阻、電容組合而成的雙端等效零件，該雙端等效零件的第一端與該主動元件之 第一端以及該直流/直流(DC/DC)轉換器及/或該直流/交流(DC/AC)轉換器之輸入端相接，而該雙端等效零件的第二端則接至地。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具電能回收之交流電子負載，其中該電流輸入-電壓輸出之轉換器之內部電路更包括：一電阻零件，該電阻零件的第一端與該主動元件之第二端相接，而該電阻零件的第二端則接至該全波整流電路之輸出端。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具電能回收之交流電子負載，其中該電流輸入-電壓輸出之轉換器之內部電路更包括：所述介面電路，其與該主動元件之控制端相接。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之具電能回收之交流電子負載，其中該直流/直流(DC/DC)轉換器或該直流/交流(DC/AC)轉換器是和該電流輸入-電壓輸出之轉換器之內部電路中的該雙端等效零件並聯。
  10. 一種依申請專利範圍第1或2項所述之具電能回收之交流電子負載所設計之產品，其係用以電能回收。
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