TWM450901U - 具可調整電壓功能之緊急備用電源系統 - Google Patents

Description

具可調整電壓功能之緊急備用電源系統

本創作係有關一種具可調整電壓功能之緊急備用電源系統，尤指一種使用超級電容元件做為緊急備用電源之具可調整電壓功能之緊急備用電源系統。

隨著科技的日新月異，利用具有高效率計算處理功能之電腦系統，做為日常生活或者是辦公環境中之輔助工具，來做處理事務或者是做工程計算等等用途，已經成為十分普及之趨勢。因此，對於電腦系統之供電品質的穩定性與可靠度，就相對地格外重要。一旦外部電源瞬間發生停電失效或是電力品質不佳時，所造成的影響將因應使用者用電特性不同而異，輕者將造成用戶端之電腦設備或是電腦作業系統的資料輕微損壞，重者將造成電腦設備永久損壞或資料無法回復，而產生巨大損失。故此，更突顯出緊急備用電源需求的重要性。

超級電容(super capacitor)，又稱為雙電層電容器(electrical double-layer capacitor)，係透過極化電解質來儲存能量，並且因為超級電容係為一種電化學元件，惟，在儲能的過程並不發生化學反應，此種儲能過程是為可逆的，故此，超級電容可以反覆充放電數十萬次，再者，由於超級電容之元件特性，使得在電力轉換過程中，可達成瞬間之充放電，如此，超級電容便可應用於緊急狀況時之備用電源需求。

是以，本案創作人乃另闢蹊徑，進而提出一種具可調整電壓功能之緊急備用電源系統，使用超級電容元件做為緊急備用電源，能夠在當外部交流電源供電失效時，提供約數分鐘至數十分鐘之緊急供電，並且利用電壓控制機制，提供可調整之輸出電壓，以達到具有可靠度、彈性、可調整輸出電壓範圍功效之緊急備用電源系統。

本創作之一目的在於提供一種具可調整電壓功能之緊急備用電源系統，以克服習知技術的問題。因此本創作之緊急備用電源系統係包含一主電源轉換裝置、一備用電源裝置、一開關裝置以及一控制裝置。該主電源轉換裝置係連接一外部交流電源，以轉換該外部交流電源為一直流輸出電壓。該備用電源裝置係包含複數個備用電源模組、至少一開關元件以及一電壓控制單元。每一該備用電源模組係包含一充電單元與一電容組。該電容組係電性連接該充電單元，透過該充電單元對該電容組充電，以產生一電容輸出電壓。該至少一開關元件係電性串聯連接於兩電容組之間。該電壓控制單元係分別電性連接該些備用電源模組，透過控制該至少一開關元件導通，使得所對應之該些電容輸出電壓串聯形成一串聯輸出電壓。該開關裝置係具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端與該第二輸入端係分別接收該直流輸出電壓與該串聯輸出電壓，該輸出端係連接一後端負載。該控制裝置係分別連接該主電源轉換裝置、該備用電源裝置以及該開關裝置；當該控制裝置偵測到該外部交流電源供電失效時，該控制裝置係根據該後端負載所需之電壓，控制該電壓控制單元控制該至少一開關元件導通，以產生電壓大小可調整之該串聯輸出電壓，並且控制該串聯輸出電壓經由該開關裝置之該第二輸入端對該後端負載供電。

為了能更進一步瞭解本創作為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，相信本創作之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。

茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：

請參見第一圖，係為本創作一具可調整電壓功能之緊急備用電源系統之方塊示意圖。該具可調整電壓功能之緊急備用電源系統係包含一主電源轉換裝置10、一備用電源裝置20、一開關裝置30以及一控制裝置40。該主電源轉換裝置10係連接一外部交流電源Vac，以轉換該外部交流電源Vac為一直流輸出電壓Vdc。亦即，該主電源轉換裝置10係為一交流轉直流轉換器(AC-to-DC converter)，可用以將電壓範圍為96~264伏特之交流電壓，轉換為所需電壓準位之該直流輸出電壓Vdc。該備用電源裝置20係包含複數個備用電源模組、至少一開關元件以及一電壓控制單元(詳見後文說明)。該開關裝置30係具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端。該第一輸入端與該第二輸入端係分別接收該主電源轉換裝置10之輸出電壓(亦即該輸出電壓Vdc)與該備用電源裝置20之輸出電壓，該輸出端係連接一後端負載50(詳見後文說明)。

請參見第二A圖，係為本創作該具可調整電壓功能之緊急備用電源系統操作於外部交流電源正常供電時之電路方塊示意圖。承上所述，該開關裝置30之該第一輸入端30_ip1與該第二輸入端30_ip2係分別接收該主電源轉換裝置10之輸出電壓與該備用電源裝置20之輸出電壓。此外，該控制裝置40係分別連接該主電源轉換裝置10、該備用電源裝置20以及該開關裝置30。當該控制裝置40偵測到該外部交流電源Vac正常供電時，該控制裝置40係控制該開關裝置30之該輸出端30_op與該第一輸入端30_ip1導通，使得該直流輸出電壓Vdc係經由該開關裝置30之該第一輸入端30_ip1對該後端負載50供電，並且更控制該直流輸出電壓Vdc對該備用電源裝置20供電並進行充電程序(粗實線表示)。

請參見第二B圖，係為本創作該具可調整電壓功能之緊急備用電源系統操作於外部交流電源供電失效時之電路方塊示意圖。當該控制裝置40偵測到該外部交流電源Vac供電失效時，該控制裝置40係控制該開關裝置30之該輸出端30_op與該第二輸入端30_ip2導通，使得該備用電源裝置20之輸出電壓係經由該開關裝置30之該第二輸入端30_ip2對該後端負載50供電。如此，透過該備用電源裝置20在該外部交流電源Vac供電失效時提供供電，可對該後端負載50提供大約數分鐘至數十分鐘之緊急備用電源。至於該備用電源裝置20之電路架構與操作說明將於後文詳述之。

請參見第三圖，係為本創作一備用電源裝置之電路方塊示意圖。該備用電源裝置20係包含複數個備用電源模組201_1~201_n、至少一開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 以及一電壓控制單元202。該每一該備用電源模組201_1~201_n係包含一充電單元2011_1~2011_n與一電容組2012_1~2012_n。該電容組2012_1~2012_n係電性連接該充電單元2011_1~2011_n，透過該充電單元2011_1~2011_n對該電容組2012_1~2012_n充電，以產生一電容輸出電壓V1~Vn。其中， 每一該 電容組2012_1~2012_n係包含至少一電容元件C₁₁ ~C_nm ，若該至少一電容元件C₁₁ ~C_nm 之數量為複數個時，該些電容元件C₁₁ ~C_nm 係為電性並聯連接，並且，該些電容元件C₁₁ ~C_nm 之並聯數量係根據該緊急備用電源容量設定可予以增減，亦即，當該緊急備用電源容量增加，以延長緊急供電時間時，則可增加該些電容元件C₁₁ ~C_nm 之並聯數量。值得一提，在本說明中，元件符號標示n表示該備用電源模組201_1~201_n之數量，標示m則表示該些電容元件C₁₁ ~C_nm 之並聯數量。該至少一開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 係電性串聯連接於兩電容組2012_1~2012_n之間。該電壓控制單元202係分別電性連接該些備用電源模組201_1~201_n，透過控制該至少一開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 導通，使得所對應之該些電容輸出電壓V1~Vn串聯形成一串聯輸出電壓Vout。值得一提，由於當該外部交流電源Vac正常供電時，該控制裝置40係控制該直流輸出電壓Vdc對該備用電源裝置20之該些充電單元2011_1~2011_n供電，使得該些充電單元2011_1~2011_n分別對該電容組2012_1~2012_n充電。因此，當該外部交流電源Vac供電失效時，該些電容輸出電壓V1~Vn串聯形成該串聯輸出電壓Vout係以對該後端負載50供電。其中，若該電壓控制單元202產生複數個開關控制信號S₁₂ ~S_(n-1)n 分別導通該些開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 時，該些電容組2012_1~2012_n係為電性串聯連接，因此，該串聯輸出電壓Vout之大小即為該些電容輸出電壓V1~Vn之總和，亦即Vout=V1+V2+…+Vn。因此，該控制裝置40係根據該後端負載50所需之電壓，控制該電壓控制單元202控制該至少一開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 導通，以產生電壓大小可調整之該串聯輸出電壓Vout，並且控制該串聯輸出電壓Vout經由該開關裝置30之該第二輸入端30_ip2對該後端負載50供電。

為求方便解釋，在下文將透過合理之假設數據來說明該備用電源裝置20之操作。請參見第四A圖，係為本創作該緊急備用電源系統提供可調整串聯輸出電壓之第一實施例之電路方塊示意圖。如圖所示，該備用電源裝置20係包含一個電壓控制單元202、五個備用電源模組201_1~201_5、對應五個備用電源模組201_1~201_5之五個充電單元2011_1~2011_5，以及四個開關元件Sw₁₂ ~Sw₄₅ 。值得一提，該些元件之數量不為上述之限定，可透過擴充該些元件之數量，以達成更具可靠度、更具彈性、更大可調整電壓範圍之功效。在本實施例中，係採用前五組備用電源模組201_1~201_5，並透過該控制裝置40控制該電壓控制單元202控制前四個開關元件Sw₁₂ ~Sw₄₅ 導通，進而分別產生該些電容輸出電壓V1~V5，以提供該串聯輸出電壓Vout，其中，Vout=V1+V2+V3+V4+V5。值得一提，每一該電容元件C₁₁ ~C_5m 係為一超級電容(super capacitor)，並且其電容電壓額定值為2.4伏特，因此，若使用者應用該具可調整電壓功能之緊急備用電源系統於快捷外設互聯標準(Peripheral Component Interconnect Express, PCI Express)設備所支援的其中一種電壓等級為+12伏特時，即可透過分別產生五個電容輸出電壓V1~V5，並導通四個開關元件Sw₁₂ ~Sw₄₅ ，使得該串聯輸出電壓Vout為12伏特。此外，若欲應用於其他電壓大小之需求時，即可增加或減少該些元件之數量，並透過該電壓控制單元202對該些開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 之導通或截止控制，即可輕易達到該串聯輸出電壓Vout大小以符合應用於其他電壓大小之需求。

請參見第四B圖，係為本創作該緊急備用電源系統提供可調整串聯輸出電壓之第二實施例之電路方塊示意圖。第二實施例與前述第一實施例最大差異在於，第一實施例係採用前五組備用電源模組201_1~201_5，並透過該控制裝置40控制該電壓控制單元202控制前四個開關元件Sw₁₂ ~Sw₄₅ 導通，進而分別產生該些電容輸出電壓V1~V5，以提供該串聯輸出電壓Vout，其中，Vout=V1+V2+V3+V4+V5。然而，在第二實施例中，係可任選非第一組備用電源模組201_1開始之連續五組備用電源模組201_3~201_7，亦即從第三組備用電源模組201_3開始之連續五組備用電源模組201_3~201_7，並透過該控制裝置40控制該電壓控制單元202控制相對應之四個開關元件Sw₃₄ ~Sw₆₇ 導通，進而分別產生該些電容輸出電壓V3~V7，以提供該串聯輸出電壓Vout，其中，Vout=V3+V4+V5+V4+V7。至於其他與第一實施例相同之操作部份，在此不再贅述，配合參見第四A圖及其說明。

綜上所述，本創作係具有以下之優點：

1、利用超級電容具有高度 反覆充放電次數與瞬間充放電能力之特性，應用於緊急備用電源之需求，能夠在當外部交流電源供電失效時，提供約數分鐘至數十分鐘之緊急供電；

2、利用該備用電源裝置20之該電壓控制單元202，根據該後端負載50所需之電壓，控制該些開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 導通，產生電壓大小可調整之該串聯輸出電壓Vout，以提供彈性之輸出電壓調整；

3、透過擴充該備用電源裝置20之該些備用電源模組201_1~201_n以及所對應之該些充電單元2011_1~2011_n與該些開關元件Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n 之數量，以達成更具可靠度、更具彈性、更大可調整電壓範圍之功效；及

4、透過輪替該些備用電源模組201_1~201_n之使用次序(非限定皆由第一組備用電源模組201_1開始)，可增加該些備用電源模組201_1~201_n之使用壽命與更換之便利性。

惟，以上所述，僅為本創作較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本創作之特徵並不侷限於此，並非用以限制本創作，本創作之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本創作申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本創作之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本創作之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

﹝本創作﹞

10‧‧‧主電源轉換裝置

20‧‧‧備用電源裝置

201_1~201_n‧‧‧備用電源模組

2011_1~2011_n‧‧‧充電單元

2012_1~2012_n‧‧‧電容組

202‧‧‧電壓控制單元

Sw₁₂ ~Sw_(n-1)n ‧‧‧開關元件

C₁₁ ~C_1m ‧‧‧電容元件

C₂₁ ~C_2m ‧‧‧電容元件

C₃₁ ~C_3m ‧‧‧電容元件

C_n1 ~C_nm ‧‧‧電容元件

S₁₂ ~S_(n-1)n ‧‧‧開關控制信號

V1~Vn‧‧‧電容輸出電壓

Vout‧‧‧串聯輸出電壓

30‧‧‧開關裝置

30_ip1‧‧‧第一輸入端

30_ip2‧‧‧第二輸入端

30_op‧‧‧輸出端

40‧‧‧控制裝置

50‧‧‧後端負載

Vac‧‧‧外部交流電源

Vdc‧‧‧直流輸出電壓

第一圖係為本創作一具可調整電壓功能之緊急備用電源系統之方塊示意圖；

第二A圖係為本創作該具可調整電壓功能之緊急備用電源系統操作於外部交流電源正常供電時之電路方塊示意圖；

第二B圖係為本創作該具可調整電壓功能之緊急備用電源系統操作於外部交流電源供電失效時之電路方塊示意圖；

第三圖係為本創作一備用電源裝置之電路方塊示意圖；

第四A圖係為本創作該緊急備用電源系統提供可調整串聯輸出電壓之第一實施例之電路方塊示意圖；及

第四B圖係為本創作該緊急備用電源系統提供可調整串聯輸出電壓之第二實施例之電路方塊示意圖。

20‧‧‧備用電源裝置

201_1~201_5‧‧‧備用電源模組

2011_1~2011_5‧‧‧充電單元

2012_1~2012_5‧‧‧電容組

202‧‧‧電壓控制單元

Sw₁₂~Sw₄₅‧‧‧開關元件

C₁₁~C_1m‧‧‧電容元件

C₂₁~C_2m‧‧‧電容元件

C₃₁~C_3m‧‧‧電容元件

C₄₁~C_4m‧‧‧電容元件

C₅₁~C_5m‧‧‧電容元件

S₁₂~S₄₅‧‧‧開關控制信號

V1~V5‧‧‧電容輸出電壓

Vout‧‧‧串聯輸出電壓

30‧‧‧開關裝置

30_ip1‧‧‧第一輸入端

30_ip2‧‧‧第二輸入端

30_op‧‧‧輸出端

40‧‧‧控制裝置

50‧‧‧後端負載

Claims (6)

1. 一種具可調整電壓功能之緊急備用電源系統，係包含：
   一主電源轉換裝置，係連接一外部交流電源，以轉換該外部交流電源為一直流輸出電壓；
   一備用電源裝置，係包含：
   複數個備用電源模組，每一該備用電源模組係包含：
   一充電單元；及
   一電容組，係電性連接該充電單元，透過該充電單元對該電容組充電，以產生一電容輸出電壓；
   至少一開關元件，係電性串聯連接於兩電容組之間；及
   一電壓控制單元，係分別電性連接該些備用電源模組，透過控制該至少一開關元件導通，使得所對應之該些電容輸出電壓串聯形成一串聯輸出電壓；
   一開關裝置，係具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，該第一輸入端與該第二輸入端係分別接收該直流輸出電壓與該串聯輸出電壓，該輸出端係連接一後端負載；及
   一控制裝置，係分別連接該主電源轉換裝置、該備用電源裝置以及該開關裝置；當該控制裝置偵測到該外部交流電源供電失效時，該控制裝置係根據該後端負載所需之電壓，控制該電壓控制單元控制該至少一開關元件導通，以產生電壓大小可調整之該串聯輸出電壓，並且控制該串聯輸出電壓經由該開關裝置之該第二輸入端對該後端負載供電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之緊急備用電源系統，其中當該控制裝置偵測到該外部交流電源正常供電時，該控制裝置係控制該直流輸出電壓經由該開關裝置之該第一輸入端對該後端負載供電，並且更控制該直流輸出電壓對該備用電源裝置之該些充電單元供電，使得該些充電單元分別對該電容組充電。
3. 如申請專利範圍第1項所述之緊急備用電源系統，其中該些電容組之每一該電容元件係為一超級電容(super capacitor)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之緊急備用電源系統，其中該主電源轉換裝置係為一交流轉直流轉換器(AC-to-DC converter)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之緊急備用電源系統，其中每一該電容組係包含至少一電容元件；若該至少一電容元件之數量為複數個時，該些電容元件係為電性並聯連接。
6. 如申請專利範圍第5項所述之緊急備用電源系統，其中該些電性並聯連接電容元件之數量係根據該緊急備用電源系統所提供之緊急備用電源容量與緊急供電時間決定。