TWI679838B - 低諧度高效率之高頻半波整流系統 - Google Patents

低諧度高效率之高頻半波整流系統 Download PDF

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劉明
Ming Liu
馬澄斌
Chengbin Ma
方明亮
Ming Liang Fang
莊志豪
Chih Hao Chuang
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Newvastek Co., Ltd.
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Abstract

本發明為有關一種低諧度高效率之高頻半波整流系統，主要結構包括：一兩端分別具有一輸出端及一第一回流端之電流輸出裝置、一整流模組、一調諧單元、一界定於該第一回流端背離該電流輸出裝置一側之第一節點、一穩壓模組、至少一負載元件、一接地部、及至少一界定於該第一節點與該第一回流端間的回流路徑，係將流出該穩壓模組之電流導引至該電流輸出裝置。藉上述結構，利用簡單的電路配置及適當的電容值設定，由調諧單元控制整流模組的工作週期趨近於74奈秒，以供整流模組在低電磁干擾的條件下，調整輸出功率、提升交直流轉換效率。

Description

低諧度高效率之高頻半波整流系統
本發明為提供一種低諧度高效率之高頻半波整流系統，尤指一種結構簡單、電子元件用量較少、不易發熱、可調整輸出功率及可降低電磁干擾的低諧度高效率之高頻半波整流系統。
按，現在對各種低功率電子設備，特別是穿戴裝置的充電方面，存在顯著的需求，這種需要造成使用感應諧振耦合的無線功率傳遞(Wireless power transfer,WPT)在近年來越來越流行，目前WPT工作在千赫茲功率水平的系統設計和應用方面取得重大進展，同時，對於低功率應用，進一步增加諸如幾兆赫的電壓頻率，帶來更大的空間自由度，即更長的傳輸距離和更高的對耦合線圈未對準的容限，並且期望用於構建更緊湊和更輕的WPT系統。
目前常見的電路配置，如第一圖所示，係為習用交流整流電路之電路分布圖，是一種全波電流驅動整流器在兆赫級WPT系統中的應用。由於正弦輸入電壓和電流，這種整流器希望有低諧波含量和高效率整流之效益。然而，在此電路配置中，在正半週及負半週的路徑上分別具有兩個二極體，故在電流經過這四個二極體時便會產生熱量，若因EMI影響附近其他鄰件，則發熱問題更顯著，且此模式之訊號接收效率不甚理想。
然上述交流整流電路之電路配置，確實存在下列問題與缺失尚待改進：
一、必須使用較多的二極體，而容易產生較多的熱量。
二、使用元件較多，使整體體積無法縮小。
三、AC轉換DC之效率不佳。
四、容易因EMI問題影響，導致發熱問題更嚴重。
五、應用於低功率裝置時，干擾問題更明顯，甚至因體積問題難以結合於微型化設備。
是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此 行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。
故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃蒐集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種結構簡單、電子元件用量較少、不易發熱、可調整輸出功率及可降低電磁干擾的低諧度高效率之高頻半波整流系統的發明專利者。
本發明之主要目的在於：簡化電路組成複雜度、減少變壓整流動作所需之電子元件。
本發明之另一主要目的在於：透過演算法計算設計出適當的諧振電容(調諧電容)，使電路特性降低諧度、減少發熱源、提高轉換效率、改善EMI問題。
為達成上述目的，本發明之主要結構包括：一電流輸出裝置，係供輸出交流電，並於兩端分別具有一輸出端及一第一回流端，該輸出端串聯有一供調整輸出功率之整流模組，該整流模組則並聯有一調諧單元，係供控制該整流模組之工作週期於一預定值，且於該第一回流端背離該電流輸出裝置一側界定有一第一節點，並具有一穩壓模組，該穩壓模組一端與該整流模組串聯，且另端連結該第一節點，而該穩壓模組係與一負載元件並聯，該負載元件一側則設有一接地部，及於該第一節點與該第一回流端間界定至少一回流路徑，以將流出該穩壓模組之電流導引至該電流輸出裝置。
俾當使用者利用本發明進行高頻的半波整流時，係將電流輸出裝置輸出的交流電，經由輸出端流至整流模組及調諧單元，以透過演算法設定調諧單元的電容值，控制整流模組的工作週期趨近於74奈秒，藉此達到降低諧度、減少電磁干擾的進步性，並於電流流出整流模組及調諧單元，而流過穩壓模組及負載元件後，使電流再經由第一節點流向回流路徑，而流回電流輸出裝置，以實現高頻、低功率的半波交流整流。
另外，該電流輸出裝置係包含一無線接收單元，該無線接收單元係為電感元件，以使電流來源可為利用電磁感應產生的感應電流。
再者，該輸出端與該整流模組間具有一第二回流端，且該回流路徑上具有一兩端分別連結該第一節點與該第二回流端之回流單元，係將流出該穩壓模組之電流部分導引至該整流模組，以於兆赫級的高頻情況下，讓部分電流經由回流單元再次流向整流模組與調諧單元，而達到提高轉換效率之目的。
進一步來說，更包含一設於該輸出端與該第二回流端之間的諧振模組、及一設於該第一節點與該第一回流端之間的電阻元件，係供降低該高頻半波整流系統之電磁干擾。
更可令諧振模組包含一設於該輸出端一側之第一諧振單元、一設於該第二回流端一側之第二諧振單元、一界定於該回流路徑上且位於該第一節點與該電阻元件之間的第二節點、及一設於該第一諧振單元與該第二諧振單元間之第三諧振單元，其中該第一諧振單元與該第二諧振單元相互串聯，而該第三諧振單元背離該第一諧振單元之一端係連結該第二節點。藉此，利用多組諧振單元共同控制整流模組之工作週期，以大幅提升本發明之功效。
可針對習用交流整流電路所存在之二極體用量較多、電路配置較複雜、整體體積較大、發熱面積也大、卻未能提供相應之整流效益等問題點加以突破，達到上述優點之實用進步性。
1‧‧‧高頻半波整流系統
2‧‧‧電流輸出裝置
21、21b‧‧‧輸出端
22‧‧‧第一回流端
23、23a‧‧‧無線接收單元
3、3a‧‧‧整流模組
4、4a、4b‧‧‧調諧單元
5‧‧‧穩壓模組
6、6a、6b‧‧‧負載元件
61‧‧‧接地部
7、7b‧‧‧回流路徑
71‧‧‧回流單元
711、711b‧‧‧第二回流端
8、8b‧‧‧諧振模組
81b‧‧‧第一諧振單元
82b‧‧‧第二諧振單元
83b‧‧‧第三諧振單元
9、9b‧‧‧電阻元件
P1‧‧‧第一節點
P2‧‧‧第二節點
第一圖 係為習用交流整流電路之電路分布圖。
第二圖 係為本發明第一實施例之實施示意圖。
第三圖 係為本發明第二實施例之實施示意圖。
第四圖 係為本發明第三實施例之實施示意圖。
為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。
請參閱第二圖所示，係為本發明第一實施例之實施示意方塊圖，由圖中可清楚看出本發明之高頻半波整流系統1主要包括：一電流輸出裝置2，係供輸出交流電，並於兩端分別具有一輸出端21及一第一回流端22，且該電流輸出裝置2係包含一無線接收單元23，該無線接收單元23係為電感元件；一與該輸出端21串聯之整流模組3(本實施例係以二極體為代表)，係供調整輸出功率，該輸出端21與該整流模組3間具有一第二回流端711；一與該整流模組3並聯之調諧單元4，係供控制該整流模組3之工作週期於一預定值，其中該工作週期之預定值係為48奈秒(ns)~81奈秒(ns)；一界定於該第一回流端22背離該電流輸出裝置2一側之第一節點P1； 一穩壓模組5，該穩壓模組5一端與該整流模組3串聯，且另端連結該第一節點P1；至少一與該穩壓模組5並聯之負載元件6；一設於該負載元件6一側之接地部61；至少一界定於該第一節點P1與該第一回流端22間的回流路徑7，係將流出該穩壓模組5之電流導引至該電流輸出裝置2，並於該回流路徑7上具有一兩端分別連結該第一節點P1與該第二回流端711之回流單元71，係將流出該穩壓模組5之電流部分導引至該整流模組3；及一設於該輸出端21與該第二回流端711之間的諧振模組8，係供降低該高頻半波整流系統1之電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)、及一設於該第一節點P1與該第一回流端22之間的電阻元件9。
藉由上述構件組構時，由圖中可清楚看出，本實施例主要應用於兆赫級的高頻整流系統，且因現行穿戴式電子裝置的體積較小，故於E類交流電路的高頻半波整流系統1中，在穩壓模組5與負載元件6的回流路徑7上，增設一回流單元71，以提高電流輸出裝置2的轉換效率。
具體而言，電流輸出裝置2由輸出端21輸出電流後，係流向與其串聯的整流模組3，途中雖在第二回流端711處與回流單元71連結，但在兆赫級的高頻電路中，回流單元71(電感)為高阻抗元件，而電流流向相互並聯的整流模組3及調諧單元4時，即可利用調諧單元4控制整流模組3的工作週期，使其趨近於74奈秒(ns)(一般而言工作週期D理想值為48~81奈秒(ns))，藉此有效調整整流模組3的輸出功率，並配合諧振模組8輔助調諧單元4工作，同時降低電磁干擾問題，而在電流經由穩壓模組5及負載元件6並流向回流路徑7時，則可經由第一節點P1、回流單元71將部分電流導引回第二回流端711，而再次由整流模組3及調諧單元4作用，以提升整體功率轉換效益，其餘電流則經由第一回流端22回流至電流輸出裝置2。其中該諧振模組8之電容值演算法則如下所述：「Zrec=Rrec+jXrec」、及「Crx=1/ω(ωLrx+Xrec)」，其中負載元件6的電阻值Zrec=Rrec+jXrec(Rrec為實數負載值、jXrec為虛數負載值)、Crx為諧振模組8的電容值、Lrx為無線接收單元23之電感值。
又請同時配合參閱第三圖所示，係為本發明第二實施例之實施示意圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅為針對低功率電子設備(功率在1瓦以下、負載條件為RL>100)，在E類交流半波整流電路中，藉由本案之技術將電路簡化，即將回流單元合併至無線接收單元23a中、及將諧振模組合併至調諧單元4a中。至於，調諧單元4a可控制整流模組3a之技術係利用「ω Lrx+Xrec=0」、及
Figure TWI679838B_D0001
之演算法，設定調諧單元4a的電容值。其中ω為諧振頻率、Lrx為無線接收單元23a之電感值、負載元件6a的電阻值RL=Zrec=Rrec+jXrec(Rrec為實數負載值、jXrec為虛數負載值)、Cr為調諧單元4a的電容值、D為整流模組3a的工作週期、rDr為整流模組3a的內阻抗、且Φrec為輸入正弦電流的初始相位。
另請同時配合參閱第四圖所示，係為本發明第三實施例之實施示意圖，由圖中可清楚看出，本實施例與上述實施例為大同小異，僅令諧振模組8b進一步包含有一設於該輸出端21b一側之第一諧振單元81b、一設於該第二回流端711b一側之第二諧振單元82b、一界定於該回流路徑7b上且位於該第一節點P1與該電阻元件9b之間的第二節點P2、及一設於該第一諧振單元81b與該第二諧振單元82b間之第三諧振單元83b，其中該第一諧振單元81b與該第二諧振單元82b相互串聯，而該第三諧振單元83b背離該第一諧振單元81b之一端係連結該第二節點P2。藉此，利用第一諧振單元81b、第二諧振單元82b及第三諧振單元83b，更精確的演算出諧振模組8b的有效電容值，進一步提升輔助調諧單元4b工作，同時降低電磁干擾問題，同時解決互感偏低(K<0.07，其中K係代表兩個線圈之實際互感量與最大互感量之比值)的情況下，成功率不足的問題。而該諧振模組8b之電容值則需以圖中標示Zm處的輸入負載為基準進行演算，其演算法如下所述：Z m=R m +jX m
Figure TWI679838B_D0002
其中，ω為諧振頻率、負載元件6b的電阻值Zrec=Rrec+jXrec(Rrec為實數負載值、jXrec為虛數負載值)、Cmns為第二諧振單元82b之電容值、Cmnp為第三諧振單 元83b之電容值。
惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。
綜上所述，本發明之低諧度高效率之高頻半波整流系統於使用時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本發明，以保障發明人之辛苦發明，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

Claims (7)

  1. 一種低諧度高效率之高頻半波整流系統，該高頻半波整流系統主要包括：一電流輸出裝置，係供輸出交流電，並於兩端分別具有一輸出端及一第一回流端；一與該輸出端串聯之整流模組，係供調整輸出功率；一與該整流模組並聯之調諧單元，係供控制該整流模組之工作週期於一預定值；一界定於該第一回流端背離該電流輸出裝置一側之第一節點；一穩壓模組，該穩壓模組一端與該整流模組串聯，且另端連結該第一節點；至少一與該穩壓模組並聯之負載元件；一設於該負載元件一側之接地部；至少一界定於該第一節點與該第一回流端間的回流路徑，係將流出該穩壓模組之電流導引至該電流輸出裝置；一設於該輸出端與該整流模組之間的第二回流端，且該回流路徑上具有一兩端分別連結該第一節點與該第二回流端之回流單元，係將流出該穩壓模組之電流部分導引至該整流模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之低諧度高效率之高頻半波整流系統，其中該電流輸出裝置係包含一無線接收單元，該無線接收單元係為電感元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之低諧度高效率之高頻半波整流系統，其中更包含一設於該輸出端與該第二回流端之間的諧振模組，係供降低該高頻半波整流系統之電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之低諧度高效率之高頻半波整流系統，其中更包含一設於該第一節點與該第一回流端之間的電阻元件。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之低諧度高效率之高頻半波整流系統，其中該諧振模組包含一設於該輸出端一側之第一諧振單元、一設於該第二回流端一側之第二諧振單元、一界定於該回流路徑上且位於該第一節點與該電阻元件之間的第二節點、及一設於該第一諧振單元與該第二諧振單元間之第三諧振單元，其中該第一諧振單元與該第二諧振單元相互串聯，而該第三諧振單元背離該第一諧振單元之一端係連結該第二節點。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之低諧度高效率之高頻半波整流系統，其中更包含一設於該第一節點與該第一回流端之間的電阻元件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之低諧度高效率之高頻半波整流系統，其中該預定值係為48奈秒(ns)~81奈秒(ns)。
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