TWI675539B - 電源轉換裝置 - Google Patents

Abstract

一種電源轉換裝置，包含一輸入單元、一開關單元、一控制單元，及一輸出單元。該輸入單元用以接收一直流電源。該一開關單元包括一第一開關、一第二開關、一第三開關，及一第四開關。該第一開關及該第三開關串聯再與該輸入單元並聯。該第二開關及該第四開關串聯再與該輸入單元並聯。該控制單元包括一於該第一開關及該第四開關間之第一控制端，及一於該第二開關及該第三開關間之第二控制端。該輸出單元包括一於該第一開關及該第三開關間之第一輸出端，及一於該第二開關及該第四開關間之第二輸出端。該輸出單元用以輸出一交流電源。

Description

電源轉換裝置

本發明是有關於一種電源轉換裝置，尤其是一種直流電轉交流電之電源轉換裝置。

電源轉換器具有許多種類，舉例來說，交流電轉交流電(AC-AC)、交流電轉直流電(AC-DC)、直流電轉直流電(DC-DC)，及直流電轉交流電(DC-AC)。

其中，直流電轉交流電(DC-AC)之電源轉換器可以運用於太陽能板、蓄電電池，或是電路中電力轉換之中。

參閱圖1，為基本直流電轉交流電(DC-AC)的電路，包括一電容C、一第一開關Q1、一第二開關Q2、一第三開關Q3，及一第四開關Q4。

該電容C一直流電源DC並聯，該第一開關Q1與該第三開關Q3串聯後再與該電容C並聯，該第二開關Q2與該第四開關Q4串聯後再與該電容C並聯，該第一開關Q1與該第三開關Q3之連接處界定一第一輸出點11，該第二開關Q2與該第四開關Q4之連接處界定一第二輸出點12，該第一輸出點11及該第二輸出點12輸出交流電，以供應一負載Load。

其中，該第一開關Q1由一第一驅動器D1控制，該第二開關Q2由一第二驅動器D2控制，該第三開關 Q3由一第三驅動器D3控制，該第四開關Q4由一第四驅動器D4控制。

該第一驅動器D1、該第二驅動器D2、該第三驅動器D3及該第四驅動器D4都需要設置隔離線圈以將控制訊號進行阻隔，以避免訊號來源之電力品質被影響或是電源轉換電路輸出的電力不穩定，進一步導致傳統直流電轉交流電(DC-AC)電路元件繁多，電路設置複雜。

由上述說明可知，雖然習知揭露了直流電轉交流電(DC-AC)電路，但實際使用上仍有下列缺點：

一、電路複雜：

習知直流電轉交流電(DC-AC)電路必須每一開關設置一個驅動器，以有效控制輸出端輸出交流電，使用電子元件繁多，電路複雜。

二、需要同步控制：

習知直流電轉交流電(DC-AC)電路中，該第一驅動器D1與該第四驅動器D4之控制訊號必須同步，該第二驅動器D2及該第三驅動器D3之控制訊號必須同步，所以必須進行訊號的同步控制。

因此，如何減少電路使用的電子元件，更減少使用的控制訊號源，以達到直流電轉交流電的效果，是相關技術人員亟需努力的目標。

有鑑於此，本發明之一目的是在提供一種電源轉換裝置，適用於將一直流電源轉換成一交流電源，該 直流電源包括一高壓端，及一低壓端，該電源轉換裝置包含一輸入單元、一開關單元、一控制單元，及一輸出單元。

該輸入單元包括一用以連接該直流電源之高壓端的高壓輸入端，及一用以連接該直流電源之低壓端的低壓輸入端。

該開關單元包括一第一開關、一第二開關、一第三開關，及一第四開關，該第一開關及該第二開關為pnp型電晶體，該第三開關及該第四開關為npn型電晶體，該第一開關具有一第一射極、一第一基極，及一第一集極，該第二開關具有一第二射極、一第二基極，及一第二集極，該第三開關具有一第三射極、一第三基極，及一第三集極，該第四開關具有一第四射極、一第四基極，及一第四集極，該第一開關之第一射極連接該高壓輸入端，該第一開關之第一基極連接該低壓輸入端，該第一開關之第一集極連接該第三開關之第三集極，該第三開關之第三射極連接該低壓輸入端，該第二開關之第二射極連接該高壓輸入端，該第二開關之第二基極連接該低壓輸入端，該第二開關之第二集極連接該第四開關之第四集極，該第四開關之第四射極連接該低壓輸入端。

該控制單元包括一用以輸入一第一控制訊號之第一控制端，及一用以輸入一第二控制訊號之第二控制端，該第一控制端分別連接該第一開關之第一集極及該第四開關之第四基極，該第二控制端分別連接該第二開關之第二集極及該第三開關之第三基極。

該輸出單元包括一連接該第一開關之第一集極的第一輸出端，及一連接該第二開關之第二集極的第二輸出端，該第一輸出端及第二輸出端用以輸出該交流電源。

本發明的又一技術手段，是在於上述之該開關單元更包括一設置於該高壓輸入端及該低壓輸入端間之電容。

本發明的另一技術手段，是在於上述之該開關單元更包括一設置於該第一開關之第一基極與該低壓輸入端間之第一電阻。

本發明的再一技術手段，是在於上述之該開關單元更包括一設置於該第一控制端與該第一開關之第一集極間之第二電阻。

本發明的又一技術手段，是在於上述之該開關單元更包括一設置於該第一控制端與該第四開關之第四基極間之第三電阻。

本發明的另一技術手段，是在於上述之該開關單元更包括一設置於該第二開關之第二基極與該低壓輸入端間之第四電阻。

本發明的再一技術手段，是在於上述之該開關單元更包括一設置於該第二控制端與該第三開關之第三基極間之第五電阻。

本發明的又一技術手段，是在於上述之該開關單元更包括一設置於該第二控制端與該第二開關之第二 集極間之第六電阻。

本發明的另一技術手段，是在於上述之該直流電源之電壓為8V~30V。

本發明的再一技術手段，是在於上述之該第一控制訊號及該第二控制訊號為方波訊號，且該第一控制訊號及該第二控制訊號之高電壓控制於不同時序。

本發明之有益功效在於，當該第一控制訊號及該第二控制訊號電壓為低電壓時，該第三開關及該第四開關皆為斷路，因此該交流電源為低電壓。當該第一控制訊號為高電壓且該第二控制訊號為低電壓時，該第一開關短路，該第二開關斷路，該第三開關斷路，該第四開關短路，以使該交流電源取得正電壓。當該第一控制訊號為低電壓且該第二控制訊號為高電壓時，該第一開關斷路，該第二開關短路，該第三開關短路，該第四開關斷路，以使該交流電源取得負電壓。藉由調控該第一控制訊號及該第二控制訊號可以該交流電源輸出由方波組成的交流電。

D1‧‧‧第一驅動器

D2‧‧‧第二驅動器

D3‧‧‧第三驅動器

D4‧‧‧第四驅動器

11‧‧‧第一輸出點

12‧‧‧第二輸出點

C‧‧‧電容

Q1‧‧‧第一開關

E1‧‧‧第一射極

B1‧‧‧第一基極

C1‧‧‧第一集極

Q2‧‧‧第二開關

E2‧‧‧第二射極

B2‧‧‧第二基極

C2‧‧‧第二集極

Q3‧‧‧第三開關

E3‧‧‧第三射極

B3‧‧‧第三基極

C3‧‧‧第三集極

Q4‧‧‧第四開關

E4‧‧‧第四射極

B4‧‧‧第四基極

C4‧‧‧第四集極

DC‧‧‧直流電源

AC‧‧‧交流電源

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

R6‧‧‧第六電阻

Load‧‧‧負載

Vi‧‧‧輸入電壓

Vo‧‧‧輸出電壓

sige1‧‧‧第一控制訊號

sige2‧‧‧第二控制訊號

VEC1‧‧‧第一開關電壓

VEC2‧‧‧第二開關電壓

VCE3‧‧‧第三開關電壓

VCE4‧‧‧第四開關電壓

311‧‧‧高壓輸入端

312‧‧‧低壓輸入端

331‧‧‧第一控制端

332‧‧‧第二控制端

341‧‧‧第一輸出端

342‧‧‧第二輸出端

圖1是一電路示意圖，說明習知一種直流電轉交流電(DC-AC)的電路；圖2是一裝置示意圖，說明本發明一種電源轉換裝置之一較佳實施例；及圖3是一時序圖，說明該較佳實施例中電壓的變化。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

參閱圖2，為本發明一種電源轉換裝置，適用於將一直流電源DC轉換成一交流電源AC，並使一負載Load使用該交流電源AC。其中，圖2中之複數線段交叉處有黑點時表示該複數線段連接，複數線段交叉處沒有黑點時表示該複數線段沒有連接。該電源轉換裝置包含一輸入單元、一開關單元、一控制單元，及一輸出單元。

該直流電源DC包括一高壓端，及一低壓端，該直流電源DC提供一輸入電壓Vi，該輸入電壓Vi為直流電，其中，該直流電源DC可以是變壓電路所提供之具有鋸齒波特性的直流電，或是由蓄電池所提供之穩定品質的直流電，該直流電源DC之電壓為8V~30V，實際實施時，該直流電源DC之電壓可以使用其他的電壓，不應以此為限。

該輸入單元包括一用以連接該直流電源DC之高壓端的高壓輸入端311，及一用以連接該直流電源DC之低壓端的低壓輸入端312。

該開關單元包括一第一開關Q1、一第二開關Q2、一第三開關Q3、一第四開關Q4、一電容C、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4、一第五電阻R5，及一第六電阻R6。其中，該第一開關Q1 及該第二開關Q2為pnp型電晶體，該第三開關Q3及該第四開關Q4為npn型電晶體。

該控制單元包括一用以輸入一第一控制訊號sige1之第一控制端331，及一用以輸入一第二控制訊號sige2之第二控制端332。該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2為方波訊號，且該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2之高電壓存在於不同時序。由於控制方波之時序的技術為習知技術，並廣泛運用於電子設備中，於此不再贅述。

該輸出單元包括一第一輸出端341，及第二輸出端342，該第一輸出端341及第二輸出端342用以輸出該交流電源AC。該交流電源AC提供一輸出電壓Vo給該負載Load，該輸出電壓Vo為方波組成的交流電，也稱為脈波寬度調變(英語：Pulse Width Modulation，縮寫：PWM)，控制該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2之時序，就可以控制該交流電源AC之輸出電壓Vo。

該第一開關Q1具有一第一射極E1、一第一基極B1，及一第一集極C1。該第二開關Q2具有一第二射極E2、一第二基極B2，及一第二集極C2。該第三開關Q3具有一第三射極E3、一第三基極B3，及一第三集極C3。該第四開關Q4具有一第四射極E4、一第四基極B4，及一第四集極C4。

該第一開關Q1之第一射極E1連接該高壓輸入端311，該第一開關Q1之第一基極B1連接該低壓輸入 端312，該第一開關Q1之第一集極C1連接該第三開關Q3之第三集極C3，該第三開關Q3之第三射極E3連接該低壓輸入端312，該第二開關Q2之第二射極E2連接該高壓輸入端311，該第二開關Q2之第二基極B2連接該低壓輸入端312，該第二開關Q2之第二集極C2連接該第四開關Q4之第四集極C4，該第四開關Q4之第四射極E4連接該低壓輸入端312，該第一控制端331分別連接該第一開關Q1之第一集極C1及該第四開關Q4之第四基極B4，該第二控制端332分別連接該第二開關Q2之第二集極C2及該第三開關Q3之第三基極B3。該第一輸出端341連接該第一開關Q1之第一集極C1。該第二輸出端342連接該第二開關Q2之第二集極C2

該電容C設置於該高壓輸入端311及該低壓輸入端312之間，用以對該直流電源DC進行穩壓，也就是當該直流電源DC具有鋸齒波特性時，該電容C可以減緩或消除鋸齒波特性，以保持該直流電源DC品質穩定。實際實施時，該直流電源DC為品質穩定之直流電時，可以不設置該電容C，不應以此為限。

該第一電阻R1設置於該第一開關Q1之第一基極B1與該低壓輸入端312之間，該第二電阻R2設置於該第一控制端331與該第一開關Q1之第一集極C1之間，該第三電阻R3設置於該第一控制端331與該第四開關Q4之第四基極B4之間，該第四電阻R4設置於該第二開關Q2之第二基極B2與該低壓輸入端312之間，該第五 電阻R5設置於該第二控制端332與該第三開關Q3之第三基極B3之間，該第六電阻R6設置於該第二控制端332與該第二開關Q2之第二集極C2之間。

該第一電阻R1為該第一開關Q1之第一基極Bl的限流電阻，用以保護該第一開關Q1之第一基極B1與該第一開關Q1之第一射極E1間之半導體。該第六電阻R6為該第二開關Q2之第二基極B2的限流電阻，用以保護該第二開關Q2之第二基極B2與該第二開關Q2之第二射極E2間之半導體。

該第二電阻R2用以保護產生該第一控制訊號sige1之微控制器，避免該第三開關Q3導通時，該直流電源DC破壞產生該第一控制訊號sige1之微控制器。該第四電阻R4用以保護產生該第二控制訊號sige2之微控制器，避免該第四開關Q4導通時，該直流電源DC破壞產生該第二控制訊號sige2之微控制器。本案之第一控制訊號sige1及第二控制訊號sige2直接由微控制器(MCU)產生，不需使用驅動器中之線圈元件隔離電路中之電力，微控制器中運作的訊號屬於低電壓低電流，避免該直流電源DC破壞微控制器就要適當地設置該第二電阻R2及該第四電阻R4。較佳地，該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2之高電壓為3.3V~5V。實際實施時，應配合實際使用狀況來選擇產生該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2之微控制器的種類，不應以此為限。

該第三電阻R3可以限制該第四開關Q4之 第四基極B4的電流，用以控制該第四開關Q4之第四集極C4與該第四開關Q4之第四射極E4的電流。該第五電阻R5可以限制該第三開關Q3之第三基極B3的電流，用以控制該第三開關Q3之第三集極C3與該第三開關Q3之第三射極E3的電流。

配合參閱圖3，為該較佳實施例之開關元件的電壓時序圖，顯示該第一控制訊號sige1、該第二控制訊號sige2、該輸出電壓Vo、該第一開關Q1之第一射極E1與第一集極C1(第一開關電壓VEC1)、該第二開關Q2之第二射極E2與第二集極C2(第二開關電壓VEC2)、該第三開關Q3之第三集極C3與第三射極E3(第三開關電壓VCE3)，及該第四開關Q4之第四集極C4與第四射極E4(第四開關電壓VCE4)的電壓變化。

當該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2為低電壓時，該第一開關Q1之第一基極B1與第一集極C1導通，該第二開關Q2之第二基極B2與第二集極C2導通，該第三開關Q3之第三集極C3與第三射極E3斷路，該第四開關Q4之第四集極C4與第四射極E4斷路。如此，該第一輸出端341與該第二輸出端342與該高壓輸入端311導通，該第一輸出端341與該第二輸出端342沒有壓差，該交流電源AC之輸出電壓Vo為低電壓或零電壓。

當該第一控制訊號sige1為高電壓且該第二控制訊號sige2為低電壓時，該第一開關Q1之第一基極 B1與第一集極C1導通，該第二開關Q2之第二基極B2與第二集極C2斷路，該第三開關Q3之第三集極C3與第三射極E3斷路，該第四開關Q4之第四集極C4與第四射極E4導通。如此，該第一輸出端341與該高壓輸入端311導通，該第二輸出端342與該低壓輸入端312導通，該交流電源AC之輸出電壓Vo為正電壓。

當該第一控制訊號sige1為低電壓且該第二控制訊號sige2為高電壓時，該第一開關Q1之第一基極B1與第一集極C1斷路，該第二開關Q2之第二基極B2與第二集極C2導通，該第三開關Q3之第三集極C3與第三射極E3導通，該第四開關Q4之第四集極C4與第四射極E4斷路。如此，該第一輸出端341與該低壓輸入端312導通，該第二輸出端342與該高壓輸入端311導通，該交流電源AC之輸出電壓Vo為負電壓。

控制該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2之時序，就可以控制該交流電源AC之輸出電壓Vo，以使該輸出電壓Vo為方波組成的交流電，並提供該負載Load使用。

由上述說明可知，本發明電源轉換裝置確實具有下列功效：

一、減少控制訊號：

本發明之電源轉換裝置以兩個控制訊號控制四個開關元件，並使該輸出單元輸出交流電，有效減少控制訊號之數量。

二、電路簡單：

本發明之電源轉換裝置不虛設置驅動器，有效減少電路的設計，更省去驅動器中變壓器的設置，也是電路體積縮小，相較於傳統電路更為簡單。

三、驅動交流電源：

該第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2為微控制器輸出的電力，具有低電壓低電流的特性，該直流電源DC之輸入電壓Vi具有高電壓高電流的特性，本發明之電源轉換裝置維持以低電壓低電流之第一控制訊號sige1及該第二控制訊號sige2，控制該直流電源DC以使該輸出單元輸出高電壓高電流之輸出電壓Vo。

綜上所述，於該開關單元之配置下，該第一控制訊號sige1可以控制該第一開關Q1及該第四開關Q4之做動，該第二控制訊號sige2可以控制該第二開關Q2及該第三開關Q3，以控制該輸出單元之輸出電壓Vo具有正電壓、負電壓或低電壓(零電壓)的交流電特性的電壓，故確實可以達成本發明之目的。

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發明說明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。

Claims (10)

1. 一種電源轉換裝置，適用於將一直流電源轉換成一交流電源，該直流電源包括一高壓端，及一低壓端，該電源轉換裝置包含：一輸入單元，包括一用以連接該直流電源之高壓端的高壓輸入端，及一用以連接該直流電源之低壓端的低壓輸入端；一開關單元，包括一第一開關、一第二開關、一第三開關，及一第四開關，該第一開關及該第二開關為pnp型電晶體，該第三開關及該第四開關為npn型電晶體，該第一開關具有一第一射極、一第一基極，及一第一集極，該第二開關具有一第二射極、一第二基極，及一第二集極，該第三開關具有一第三射極、一第三基極，及一第三集極，該第四開關具有一第四射極、一第四基極，及一第四集極，該第一開關之第一射極連接該高壓輸入端，該第一開關之第一基極連接該低壓輸入端，該第一開關之第一集極連接該第三開關之第三集極，該第三開關之第三射極連接該低壓輸入端，該第二開關之第二射極連接該高壓輸入端，該第二開關之第二基極連接該低壓輸入端，該第二開關之第二集極連接該第四開關之第四集極，該第四開關之第四射極連接該低壓輸入端；一控制單元，包括一用以輸入一第一控制訊號之第一控制端，及一用以輸入一第二控制訊號之第二控制端，該第一控制端分別連接該第一開關之第一集極及該 第四開關之第四基極，該第二控制端分別連接該第二開關之第二集極及該第三開關之第三基極；及一輸出單元，包括一連接該第一開關之第一集極的第一輸出端，及一連接該第二開關之第二集極的第二輸出端，該第一輸出端及第二輸出端用以輸出該交流電源。
2. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該開關單元更包括一設置於該高壓輸入端及該低壓輸入端間之電容。
3. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該開關單元更包括一設置於該第一開關之第一基極與該低壓輸入端間之第一電阻。
4. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該開關單元更包括一設置於該第一控制端與該第一開關之第一集極間之第二電阻。
5. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該開關單元更包括一設置於該第一控制端與該第四開關之第四基極間之第三電阻。
6. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該開關單元更包括一設置於該第二開關之第二基極與該低壓輸入端間之第四電阻。
7. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該開關單元更包括一設置於該第二控制端與該第三開關之第三基極間之第五電阻。
8. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該開關單元更包括一設置於該第二控制端與該第二開關之第二集極間之第六電阻。
9. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該直流電源之電壓為8V~30V。
10. 依據申請專利範圍第1項所述電源轉換裝置，其中，該第一控制訊號及該第二控制訊號為方波訊號，且該第一控制訊號及該第二控制訊號之高電壓控制於不同時序。