TWI704753B

TWI704753B - 電源轉換裝置

Info

Publication number: TWI704753B
Application number: TW108123764A
Authority: TW
Inventors: 詹子增
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2019-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2020-09-11
Also published as: TW202103417A

Abstract

一種電源轉換裝置，其包括變壓器、功率開關、脈寬調變信號產生器、儲能元件、第一充電電路及至少一第二充電電路。變壓器的一次側繞組接收輸入電力。變壓器的輔助繞組提供輔助電力。功率開關耦接一次側繞組。脈寬調變信號產生器產生脈寬調變信號以控制功率開關的啟閉。儲能元件耦接脈寬調變信號產生器的電源端。第一充電電路受控於第一控制信號而根據輔助電力對儲能元件充電。第二充電電路與第一充電電路並聯連接。第二充電電路受控於第二控制信號而被輔助電力充電以儲存備援電力，並根據備援電力對儲能元件充電。

Description

電源轉換裝置

本發明是有關於一種電源裝置，且特別是有關於一種可延長電源轉換裝置中的輔助電源電容器之壽命的電源轉換裝置。

圖1A是習知的一種電源轉換裝置的電路示意圖。請參照圖1A，電源轉換裝置100包括變壓器TR、功率開關Q1、脈寬調變信號產生器120、功率二極體D1、電容器CA1以及整流電路180。

變壓器TR具有一次側繞組Np、二次側繞組Ns以及輔助繞組Na。一次側繞組Np用以自外部電源接收輸入電壓VIN。功率開關Q1耦接在一次側繞組Np的第二端(例如異名端(opposite-polarity terminal)，即未打點處) 與接地端GND之間，且受控於脈寬調變信號SP。脈寬調變信號產生器120耦接功率開關Q1，用以產生脈寬調變信號SP以控制功率開關Q1的啟閉，致使變壓器TR可將一次側繞組Np所儲存的電能轉移至二次側繞組Ns及輔助繞組Na。轉移至二次側繞組Ns的電能可透過整流電路180提供輸出電壓VO給負載。

電容器CA1耦接在脈寬調變信號產生器120的電源端PVCC與接地端GND之間，用以穩定電源端PVCC的電壓。功率二極體D1耦接輔助繞組Na、電容器CA1及電源端PVCC。轉移至輔助繞組Na的電能可透過功率二極體D1對電容器CA1充電，並可提供至脈寬調變信號產生器120的電源端PVCC以對脈寬調變信號產生器120供電，其中電容器CA1的電壓V1’如圖1B所示。

一般來說，脈寬調變信號產生器120運作所需的電壓很高(例如可高達30伏特)，致使電容器CA1長期地處於高電壓的狀態(亦即電容器CA1的電壓V1’為固定的高電壓)，如此將會縮短電容器CA1的使用壽命。因此，如何延長電容器CA1的使用壽命乃是本領域技術人員所面臨的重大課題之一。

有鑑於此，本發明提供一種電源轉換裝置，可延長電源轉換裝置中的輔助電源電容器(即脈寬調變信號產生器之電源端的電容器)的壽命。

本發明的電源轉換裝置包括變壓器、功率開關、脈寬調變信號產生器、第一儲能元件、第一充電電路以及至少一第二充電電路。變壓器具有一次側繞組以及輔助繞組。一次側繞組用以接收輸入電力。輔助繞組用以提供輔助電力。功率開關耦接一次側繞組，且受控於脈寬調變信號。脈寬調變信號產生器耦接功率開關，用以產生脈寬調變信號以控制功率開關的啟閉。第一儲能元件耦接脈寬調變信號產生器的電源端，用以提供脈寬調變信號產生器運作所需的電力。第一充電電路耦接輔助繞組及第一儲能元件。第一充電電路受控於第一控制信號而根據輔助電力對第一儲能元件充電。此至少一第二充電電路與第一充電電路並聯連接。此至少一第二充電電路受控於至少一第二控制信號而依序地被輔助電力充電以儲存至少一備援電力，並根據此至少一備援電力對第一儲能元件充電。

基於上述，在本發明實施例所提出的電源轉換裝置中，由於第一充電電路受控於第一控制信號而根據輔助電力對第一儲能元件充電，且第二充電電路受控於第二控制信號儲存備援電力，並根據所儲存的備援電力對第一儲能元件充電，因此透過第一控制信號及第二控制信號即可控制對第一儲能元件(電容器)充電的時間，故可避免第一儲能元件(電容器)長期地處於高電壓的狀態，從而延長第一儲能元件(電容器)的使用壽命。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為了使本發明之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。另外，說明書中使用的術語“耦接”可為“間接耦接”或是“直接耦接”。

圖2是依照本發明一實施例所繪示的電源轉換裝置200的電路示意圖。請參照圖2，電源轉換裝置200可包括變壓器TR、功率開關Q1、脈寬調變信號產生器220、第一儲能元件240、第一充電電路261以及第二充電電路262，但本發明不限於此。在本發明的一實施例中，電源轉換裝置200還可包括整流電路280。

變壓器TR具有一次側繞組Np、二次側繞組Ns以及輔助繞組Na。一次側繞組Np用以接收輸入電力(即輸入電壓VIN)並儲存電能。二次側繞組Ns耦接整流電路280。輔助繞組Na則用以提供輔助電力PA。

功率開關Q1耦接在一次側繞組Np的第二端(例如異名端(opposite-polarity terminal)，即未打點處) 與接地端GND之間，且受控於脈寬調變信號SP。脈寬調變信號產生器220耦接功率開關Q1，用以產生脈寬調變信號SP以控制功率開關Q1的啟閉，致使變壓器TR可將一次側繞組Np所儲存的電能轉移至二次側繞組Ns及輔助繞組Na，其中轉移至二次側繞組Ns的電能可透過整流電路180提供輸出電壓VO給負載。在本發明的一實施例中，脈寬調變信號產生器220可採用微控制器或特殊應用積體電路(ASIC)或可編程邏輯裝置(PLD)或場可編程閘陣列(FPGA)之類的硬體電路來實現，但不限於此。

第一儲能元件240耦接脈寬調變信號產生器220的電源端PVCC，用以提供脈寬調變信號產生器220運作所需的電力。在本發明的一實施例中，儲能元件240可採用電容器CA1來實現，但不限於此。在本發明的一實施例中，電容器CA1的電容值可例如為6.8微法拉(µF)，但不限於此。

第一充電電路261耦接輔助繞組Na及第一儲能元件240。第一充電電路261可受控於第一控制信號CG1而根據輔助電力PA對第一儲能元件240充電。第二充電電路262與第一充電電路261並聯連接。第二充電電路262可受控於第二控制信號CG2而被輔助電力PA充電以儲存備援電力P21，並可根據所儲存的備援電力P21對第一儲能元件240充電。

由於第一充電電路261受控於第一控制信號CG1而根據輔助電力PA對第一儲能元件240充電，且第二充電電路262受控於第二控制信號CG2儲存備援電力P21，並根據所儲存的備援電力P21對第一儲能元件240充電，因此透過第一控制信號CG1及第二控制信號CG2即可控制對第一儲能元件240(電容器CA1)充電的時間，故可避免第一儲能元件240(電容器CA1)長期地處於高電壓的狀態，從而延長第一儲能元件240的使用壽命。

在本發明的一實施例中，第一控制信號CG1及第二控制信號CG2可由脈寬調變信號產生器220來產生，但本發明不限於此。在本發明的其他實施例中，第一控制信號CG1及第二控制信號CG2也可由獨立於脈寬調變信號產生器220之外的控制器來實現，端視實際應用或設計需求而定。

圖3是依照本發明一實施例所繪示的圖2的第一充電電路261及第二充電電路262的電路示意圖。為了便於說明，圖3還繪示了第一充電電路261、第二充電電路262、輔助繞組Na、脈寬調變信號產生器220以及第一儲能元件240的耦接關係。請合併參照圖2及圖3，第一充電電路261可包括整流電路2612以及開關電路2614。整流電路2612耦接輔助繞組Na，用以對輔助電力PA進行整流以產生直流電力PD1。開關電路2614耦接在整流電路2612與第一儲能元件240之間，且受控於第一控制信號CG1而啟閉。

詳細來說，當開關電路2614受控於第一控制信號CG1而被導通時，開關電路2614可傳輸直流電力PD1至第一儲能元件240以對第一儲能元件240充電。相對地，當開關電路2614受控於第一控制信號CG1而被關斷時，第一儲能元件240停止被直流電力PD1充電。

在本發明的一實施例中，整流電路2612可包括功率二極體D1，但本發明並不以此為限。功率二極體D1的陽極耦接輔助繞組Na，且功率二極體D1的陰極耦接開關電路2614。

在本發明的一實施例中，開關電路2614可包括功率電晶體M1，但本發明並不以此為限。功率電晶體M1的第一端耦接功率二極體D1的陰極，功率電晶體M1的第二端耦接第一儲能元件240及脈寬調變信號產生器220的電源端PVCC，且功率電晶體M1的控制端接收第一控制信號CG1。

第二充電電路262可包括第二儲能元件2620、第三充電電路2623以及單向導通電路2624。第二儲能元件2620用以儲存備援電力P21。第三充電電路2623耦接輔助繞組Na及第二儲能元件2620。第三充電電路2623受控於對應的第二控制信號CG2而根據輔助電力PA對第二儲能元件2620充電。單向導通電路2624耦接在第二儲能元件2620與第一儲能元件240之間。單向導通電路2624可在第二儲能元件2620的電壓V21大於第一儲能元件240的電壓V1時根據第二儲能元件2620所儲存的備援電力P21對第一儲能元件240充電。

在本發明的一實施例中，第二儲能元件2620可採用電容器CA21來實現，但不限於此。在本發明的一實施例中，電容器CA21的電容值可例如為4.7微法拉(µF)，但不限於此。

在本發明的一實施例中，第三充電電路2623可包括整流電路6232以及開關電路6234。整流電路6232耦接輔助繞組Na，用以對輔助電力PA進行整流以產生直流電力PD21。開關電路6234耦接在整流電路6232與第二儲能元件2620之間，且受控於第二控制信號CG2而啟閉。

詳細來說，當開關電路6234受控於第二控制信號CG2而被導通時，開關電路6234可傳輸直流電力PD21至第二儲能元件2620以對第二儲能元件2620充電。相對地，當開關電路6234受控於第二控制信號CG2而被關斷時，第二儲能元件2620停止被直流電力PD21充電。

在本發明的一實施例中，整流電路6232可包括功率二極體D21，但本發明並不以此為限。功率二極體D21的陽極耦接輔助繞組Na，且功率二極體D21的陰極耦接開關電路6234。

在本發明的一實施例中，開關電路6234可包括功率電晶體M21，但本發明並不以此為限。功率電晶體M21的第一端耦接功率二極體D21的陰極，功率電晶體M21的第二端耦接第二儲能元件2620，且功率電晶體M21的控制端接收第二控制信號CG2。

在本發明的一實施例中，單向導通電路2624可包括功率二極體D22。功率二極體D22的陽極耦接第二儲能元件2620，且功率二極體D22的陰極耦接第一儲能元件240及脈寬調變信號產生器220的電源端PVCC。

圖4是依照本發明一實施例所繪示的圖3的第一控制信號CG1、第二控制信號CG2、第一儲能元件240的電壓V1及第二儲能元件2620的電壓V21的時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電壓。以下假設功率電晶體M1、M21分別反應於邏輯高位準的第一控制信號CG1、第二控制信號CG2而被導通，且功率電晶體M1、M21分別反應於邏輯低位準的第一控制信號CG1、第二控制信號CG2而被關斷。

請合併參照圖2~圖4，第一控制信號CG1的相位以及第二控制信號CG2的相位彼此不同。如此一來，第一充電電路261開始對第一儲能元件240充電的時間點T42可與第二儲能元件2620開始被充電的時間點T41錯開，且第一充電電路261停止對第一儲能元件240充電的時間點T44可與第二儲能元件2620停止被充電的時間點T43錯開。

除此之外，如圖4所示，第一充電電路261根據輔助電力PA對第一儲能元件240充電的時間區間TP11，與第二充電電路262被輔助電力PA充電的時間區間TP21部份重疊。第一充電電路261停止根據輔助電力PA對第一儲能元件240充電的時間區間TP12，與第二充電電路262停止被輔助電力PA充電的時間區間TP22部份重疊。如此一來，可避免第一儲能元件240(電容器CA1)的電壓V1及第二儲能元件2620(電容器CA21)的電壓V21長期地維持在固定的高電壓位準，故可延長第一儲能元件240(電容器CA1)及第二儲能元件2620(電容器CA21)的使用壽命。

需說明的是，圖4所示的第一控制信號CG1及第二控制信號CG2的時序僅是範例，並非用以限制本發明，只要避免讓第一儲能元件240(電容器CA1)的電壓V1及第二儲能元件2620(電容器CA21)的電壓V21維持在固定的高電壓位準即可。

圖5是依照本發明另一實施例所繪示的電源轉換裝置500的電路示意圖。請參照圖2、圖3及圖5。圖5的電源轉換裝置500類似於圖2的電源轉換裝置200，其差異僅在於：電源轉換裝置500還包括另一第二充電電路562。換句說話，相較於圖2的電源轉換裝置200具有一個第二充電電路262，圖5的電源轉換裝置500則具有兩個第二充電電路262及562。如圖5所示，第二充電電路262、第二充電電路562及第一充電電路261三者並聯連接。第二充電電路262及562分別受控於第二控制信號CG2及CG3而依序地被輔助電力PA充電以儲存備援電力P21及P31。第二充電電路262及562可分別根據備援電力P21及P31對第一儲能元件240充電。

第二充電電路562的實施方式類似於第二充電電路262。詳細來說，第二充電電路562可包括第二儲能元件5620、第三充電電路5623以及單向導通電路5624。第二儲能元件5620用以儲存備援電力P31。第三充電電路5623耦接輔助繞組Na及第二儲能元件5620。第三充電電路5623受控於對應的第二控制信號CG3而根據輔助電力PA對第二儲能元件5620充電。單向導通電路5624耦接在第二儲能元件5620與第一儲能元件240之間。單向導通電路5624可在第二儲能元件5620的電壓V31大於第一儲能元件240的電壓V1時根據第二儲能元件5620所儲存的備援電力P31對第一儲能元件240充電。

在本發明的一實施例中，第二儲能元件5620可採用電容器CA31來實現，但不限於此。在本發明的一實施例中，電容器CA31的電容值可例如為4.7微法拉(µF)，但不限於此。

在本發明的一實施例中，第三充電電路5623可包括整流電路7232以及開關電路7234。整流電路7232耦接輔助繞組Na，用以對輔助電力PA進行整流以產生直流電力PD31。開關電路7234耦接在整流電路7232與第二儲能元件5620之間，且受控於第二控制信號CG3而啟閉。

詳細來說，當開關電路7234受控於第二控制信號CG3而被導通時，開關電路7234可傳輸直流電力PD31至第二儲能元件5620以對第二儲能元件5620充電。相對地，當開關電路7234受控於第二控制信號CG3而被關斷時，第二儲能元件5620停止被直流電力PD31充電。

在本發明的一實施例中，整流電路7232可包括功率二極體D31，但本發明並不以此為限。功率二極體D31的陽極耦接輔助繞組Na，且功率二極體D31的陰極耦接開關電路7234。

在本發明的一實施例中，開關電路7234可包括功率電晶體M31，但本發明並不以此為限。功率電晶體M31的第一端耦接功率二極體D31的陰極，功率電晶體M31的第二端耦接第二儲能元件5620，且功率電晶體M31的控制端接收第二控制信號CG3。

在本發明的一實施例中，單向導通電路5624可包括功率二極體D32。功率二極體D32的陽極耦接第二儲能元件5620，且功率二極體D32的陰極耦接第一儲能元件240及脈寬調變信號產生器220的電源端PVCC。

圖6是依照本發明一實施例所繪示的圖5的第一控制信號CG1、第二控制信號CG2、CG3、第一儲能元件240的電壓V1、第二儲能元件2620的電壓V21以及第二儲能元件5620的電壓V31的時序示意圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電壓。以下假設功率電晶體M1、M21、M31分別反應於邏輯高位準的第一控制信號CG1、第二控制信號CG2、CG3而被導通，且功率電晶體M1、M21、M31分別反應於邏輯低位準的第一控制信號CG1、第二控制信號CG2、CG3而被關斷。

請合併參照圖5及圖6，第一控制信號CG1的相位、第二控制信號CG2的相位以及第二控制信號CG3的相位彼此不同。如此一來，第一充電電路261開始對第一儲能元件240充電的時間點T64、第二儲能元件2620開始被充電的時間點T62以及第二儲能元件5620開始被充電的時間點T61可彼此錯開。第一充電電路261停止對第一儲能元件240充電的時間點T66、第二儲能元件2620停止被充電的時間點T65以及第二儲能元件5620停止被充電的時間點T63可彼此錯開。

除此之外，如圖6所示，第一充電電路261根據輔助電力PA對第一儲能元件240充電的時間區間TP11，與第二充電電路262被輔助電力PA充電的時間區間TP21部份重疊。第二充電電路262被輔助電力PA充電的時間區間TP21，與第二充電電路562被輔助電力PA充電的時間區間TP31部份重疊。第一充電電路261停止根據輔助電力PA對第一儲能元件240充電的時間區間TP12，與第二充電電路262停止被輔助電力PA充電的時間區間TP22部份重疊。第一充電電路261停止根據輔助電力PA對第一儲能元件240充電的時間區間TP12，與第二充電電路562停止被輔助電力PA充電的時間區間TP32部份重疊。如此一來，可避免第一儲能元件240(電容器CA1)的電壓V1、第二儲能元件2620(電容器CA21)的電壓V21以及第二儲能元件5620(電容器CA31)的電壓V31長期地維持在固定的高電壓位準，故可延長第一儲能元件240(電容器CA1)、第二儲能元件2620(電容器CA21)及第二儲能元件5620(電容器CA31)的使用壽命。

以下將針對圖1A的電源轉換裝置100中的電容器CA1的使用壽命及圖5的電源轉換裝置500中的電容器CA1的使用壽命進行比較及說明。在此假設圖1A的所採用的電容器CA1及圖5的所採用的電容器CA1的特性及參數皆相同，如表1所示。表1

電容值	6.8 µF
額定電壓V ₀	50 V
頻率係數F	2.5
額定溫度T ₀	100℃
基本壽命L ₀	1000小時
額定漣波電流I ₀	1.5 A rms
電容器類型	捲繞型(radial)
因子n	4.4
於額定溫度與額定漣波電流下，電容器的溫度上升值ΔT ₀	30℃

基此，當圖1A的電源轉換裝置100及圖5的電源轉換裝置500運作時，可取得圖1A的電容器CA1及圖5的電容器CA1的實際特性及參數如表2所示。另外，根據表1、表2以及式(1)即可計算出圖1A的電容器CA1的預期使用壽命及圖5的電容器CA1的預期使用壽命。

式(1) 表2

	圖1A的電容器CA1	圖5的電容器CA1
實際漣波電流I _X	1.388 A rms	1.077 A rms
表面溫度T _S	73.4℃	65.4℃
實際電壓與額定電壓的比值V _X/V ₀	0.95	0.88
實際溫度 T _X	83℃	78℃
於實際溫度與實際漣波電流下，電容器的溫度上升值ΔT _X	6.6℃	5.8℃
預期使用壽命L _X	62400小時 (約7.12年)	137570小時 (約15.7年)

根據計算結果可知，圖1A的電容器CA1的預期使用壽命約為7.12年，而圖5的電容器CA1的預期使用壽命可達15.7年。因此，透過第一控制信號CG1及第二控制信號CG2、CG3控制電容器CA1被充電的時間，可避免電容器CA1長期地處於高電壓的狀態，故可延長電容器CA1的使用壽命。

需說明的是，雖然本發明圖2的實施例是以電源轉換裝置200具有一個第二充電電路262來說明，而本發明圖5的實施例是以電源轉換裝置500具有兩個第二充電電路262、562來說明，但本發明並不以此為限。事實上，本發明的電源轉換裝置也可具有三個或三個以上的第二充電電路。關於電源轉換裝置具有三個或三個以上的第二充電電路的實施細節，可以根據圖2至圖6的說明而類推得知，因此不再贅述。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200、500:電源轉換裝置

120、220:脈寬調變信號產生器

240:第一儲能元件

261:第一充電電路

2612、6232、7232:整流電路

2614、6234、7234:開關電路

262、562:第二充電電路

2620、5620:第二儲能元件

2623、5623:第三充電電路

2624、5624:單向導通電路

180、280:整流電路

CA1、CA21、CA31:電容器

CG1:第一控制信號

CG2、CG3:第二控制信號

D1、D21、D22、D31、D32:功率二極體

GND:接地端

M1、M21、M31:功率電晶體

Na:輔助繞組

Np:一次側繞組

Ns:二次側繞組

P21、P31:備援電力

PA:輔助電力

PD1、PD21、PD31:直流電力

PVCC:電源端

Q1:功率開關

SP:脈寬調變信號

T41~T44、T61~T66:時間點

TP11、TP12、TP21、TP22、TP31、TP32:時間區間

TR:變壓器

V1、V1’、V21、V31:電壓

VIN:輸入電壓

VO:輸出電壓

下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。圖1A是習知的一種電源轉換裝置的電路示意圖。圖1B是圖1A的電容器的電壓波形示意圖。圖2是依照本發明一實施例所繪示的電源轉換裝置的電路示意圖。圖3是依照本發明一實施例所繪示的圖2的第一充電電路及第二充電電路的電路示意圖。圖4是依照本發明一實施例所繪示的圖3的第一控制信號、第二控制信號、第一儲能元件的電壓及第二儲能元件的電壓的時序示意圖。圖5是依照本發明另一實施例所繪示的電源轉換裝置的電路示意圖。圖6是依照本發明一實施例所繪示的圖5的第一控制信號、第二控制信號、第一儲能元件的電壓以及第二儲能元件的電壓的時序示意圖。

200:電源轉換裝置

220:脈寬調變信號產生器

240:第一儲能元件

261:第一充電電路

262:第二充電電路

280:整流電路

CA1:電容器