TWM488806U - 電源轉換裝置 - Google Patents

Description

電源轉換裝置

本創作係與電源轉換有關；特別是指一種電源轉換裝置。

按，傳統電源轉換裝置之作動，通常是利用變壓器配合上其他電子元件達到電能轉換之效果。而變壓器作動時，通常會產生有對應的激磁電感以及漏感，其中漏感是因磁通無法完全由一次側線圈耦合至二次側線圈，所造成之非理想效應而產生之自然現象。如此一來，變壓器的漏感便會因一次側線圈與二次側線圈間的空氣隙增加，使得變壓器的耦合系數變小而增加。

實際上，變壓器之漏感可被視為與變壓器的一次側線圈的等效電感相串聯的寄生電感。如此一來，變壓器作動時，儲存在一次側線圈之等效電感中的能量，透過變壓器傳送到二次側和負載，而儲存在變壓器漏感中的能量由於沒有電路路徑可流通，而會造成電路上其他元件上產生巨大的電壓尖峰，所以通常都會額外設計一緩衝電路來吸收並消耗掉漏感之能量，而有降低變壓器效率之疑慮。

然而，當電源轉換裝置應用於無線電能傳輸系統時，將使得變壓器耦合係數將會隨著氣隙增加而大幅降低，此時，變壓器漏感將更為加大，若使用上述緩衝電路之設計時，不僅進一步會造成變壓器之效率大幅降低，且緩衝電路所吸收並消耗掉漏感之能量，更會轉換成大量廢熱致使 變壓器及電路上其它元件之壽命容易因高熱而耗減。

有鑑於此，本創作之目的用於提供一種電源轉換裝置，可吸收漏感之能量並反饋回變壓器，進而提升該電源轉換裝置之效率。

緣以達成上述目的，本創作所提供之電源轉換裝置用以將一直流電源之電能轉換供予一負載，且包括一變壓器、一電子開關、一第一電感器、一第一電容器以及一輸出電路。其中，該變壓器具有一一次側線圈以及一二次側線圈，該一次側線圈用以接收該直流電源之電能，該變壓器轉換後自該二次側線圈輸出。該電子開關一端電性連接該一次側線圈，另一端電性連接該直流電源，用以導通或阻斷該直流電源供予該一次側線圈之電能。該第一電感器電性連接該一次側線圈。該第一電容器電性連接該一次側線圈，並與該第一電感器並聯連接，用以接收並儲存該變壓器之漏感產生的電能，並與該第一電感器構成一共振電路，而將電能反饋輸出至該變壓器，使該第一電容器上跨壓之極性重覆且交互地反轉。該輸出電路電性連接該二次側線圈，用以接收該變壓器轉換後輸出之電能，並具有一第二電容器，且該第二電容器一端電性連接該負載之一端，而另一端電性連接該負載之另一端，以輸出電能予該負載。

依據上述構思，本創作更提供有另一電源轉換裝置，用以將一直流電源之電能轉換供予一負載，且包括一變壓器、一電子開關、一漏感回收電路以及一輸出電路。其中，該變壓器具有一一次側線圈以及一二次側線圈，該一次側線圈用以接收該直流電源之電能，該變壓器轉換後自該二次側線圈輸出。該電子開關一端電性連接該一次側線圈，另 一端電性連接該直流電源，用以導通或阻斷該直流電源供予該一次側線圈之電能；該漏感回收電路電性連接該一次側線圈，且輸出之電能於正電壓與負電壓之間重覆且交互地轉換，用以接收並儲存該變壓器之漏感產生的電能，並反饋輸出該變壓器；該輸出電路電性連接該第二次側線圈，用以接收該變壓器轉換輸出之電能，並輸出供予該負載。

藉此，透過上述之電路設計，便可有效地吸收漏感之能量，並於吸收後反饋回變壓器，進而達到提升該電源轉換裝置效率之目的。

10‧‧‧變壓器

11‧‧‧一次側線圈

111‧‧‧第一端

112‧‧‧第二端

12‧‧‧二次側線圈

121‧‧‧第三端

122‧‧‧第四端

20‧‧‧電子開關

Sw‧‧‧金屬氧化物半導體場效電晶體

Dsw‧‧‧本質二極體

30‧‧‧漏感回收電路

40、50‧‧‧輸出電路

C1~C3‧‧‧電容器

L1、L2‧‧‧電感器

D1~D4‧‧‧二極體

Lm‧‧‧等效電感

Lk‧‧‧漏電感

Dc‧‧‧直流電源

Z‧‧‧負載

圖1係本創作第一較佳實施例之電路方塊圖。

圖2係本創作第一較佳實施例之詳細電路圖。

圖3至5係圖2於電源轉換時之等效電路圖。

圖6為第一電容器上跨壓的波形圖。

圖7係本創作第二較佳實施例之詳細電路圖。

為能更清楚地說明本創作，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後，請參圖1所示，為本創作一較佳實施例之電源轉換裝置，用以將一直流電源Dc之電能轉換供予一負載Z，且包括一變壓器10、一電子開關20、一漏感回收電路30以及一輸出電路40。其中：該變壓器10具有一一次側線圈11以及一二次側線圈12，且該一次側線圈10用以接收該直流電源Dc之電能，而該變壓器10轉換後，變自該二次側線圈12輸出轉 換後之電能，更詳而言之，續參閱圖2，該一次側線圈11具有一第一端111以及一第二端112，而該二次側線圈12具有一第三端121以及一第四端122，且該一次側線圈11之第一端111電性連接該直流電源Dc之正電端。另外，於本實施例中，該變壓器10為一返馳式變壓器，其一次側線圈11與二次側線圈12係分別繞設於不同鐵心(圖未示)上而呈各別獨立之可分離設計。當然，在實際實施上，該變壓器10之一次側線圈11與二次側線圈12亦可繞設於同一鐵心上而呈不可分離之結構設計。

該電子開關20一端電性連接該一次側線圈 11，另一端電性連接該直流電源Dc，用以導通或阻斷該直流電源Dc供予該一次側線圈11之電能。於本實施例中，該電子開關20一端電性連接該第二端112，另一端電性連接該直流電源Dc之負電端，而達到導通或阻斷該直流電源Dc供予之電能的目的。更詳而言之，該電子開關20之實際架構包含有一金屬氧化物半導體場效電晶體Sw以及一本質二極體Dsw，該金屬氧化物半導體場效電晶體Sw之源極電性連接該直流電源Dc之負電端，且汲極電性連接該變壓器10之第二端112，而該本質二極體Dsw之正極與負極則分別連接至該該金屬氧化物半導體場效電晶體Sw的源極與汲極。

該漏感回收電路30包含有一第一電感器L1、 一第一電容器C1以及一第一二極體D1。該第一電感器L1與該第一電容器C1並聯連接，且一端共同連接至該第一端111以及該直流電源Dc之正電端，另一端則共同連接至該第一二極體D1之負極，而該第一二極體D1之正極則連接至該第二端112與該金屬氧化物半導體場效電晶體SW之汲極。

該輸出電路40電性連接該二次側線圈12，用 以接收該變壓器10轉換後輸出之電能，並具有一第二電容器C2與該負載Z並聯，且該第二電容器C2一端連接該第四端122，而另一端則透過一第二二極體D2電性連接該第三端121，更詳而言之，該第二二極體D2之正極連接至該第三端121，而其負極則連接至該第二電容器C2，而使得該第二電容器C2透過該第二二極體D2與該變壓器10之二次側線圈12電性連接。

於本實施例中，該等電容器C1~C2、該第一電 感器L1、直流電源Dc之輸入電壓、該電子開關20之切換頻率、以及該負載Z之規格如下表所示：

藉此，透過上述結構設計與規格，請參閱圖3 至圖5，該電源轉換裝置作動時，該變壓器10之一次側線圈11可視為相串連之一等效電感Lm以及一漏電感Lk，且於本實施例中，該等效電感Lm以及該漏電感Lk之感值為30μH，而各元件之作動情形如下所述：請參閱圖3，當該電子開關20導通時，直流電源Dc之電能經過該電子開關20對該變壓器10之一次側線圈11的等效電感Lm以及漏電感Lk進行儲能，且該第二電 容器C2對該負載Z釋能。而該第一二極體D1的設計，是確保該直流電源Dc不會直接對第一電容器C1以及該第一電感器L1充電，而該第二二極體D2之設計，則是確保該第二電容器C2之電能不會反向輸回該變壓器10，而可確保電路作動之準確性。

請參閱圖4，當該電子開關20截止時，存於該 等效電感Lm之儲能轉換至該二次側線圈12後，經過該第二二極體D2將能量傳送至該第二電容器C2儲能並供予該負載Z，於此同時，該漏電感Lk之儲能則經過第一二極體D1傳送至該第一電容器C1與該第一電感器L1構成之共振電路，以透過該第一電容器C2接收並儲存該變壓器10之漏感電能，藉此避免該電子開關20上產生巨大的電壓尖峰。 而後，隨著該等效電感Lm之釋能，該第一電容器C1與第一電感器L1構成之共振電路開始動作，而使得第一電感器L1之儲能轉換成電感電流對第一電容器C1充電，致使該第一電容器C1上的跨壓之極性如所6所示般反轉，而使得該電子開關20之本質二極體Dsw導通。

而後，請參閱圖5，當該電子開關20之本質二 極體Dsw導通時，該第一電容器C1與第一電感器L1構成之共振電路便開始將儲能傳送至該變壓器10之一次側線圈11，使該等效電感Lm持續釋能，直至該電子開關20再次導通而返回圖3之狀態，以完成一週期之動作。

是以，在該電源轉換裝置持續作動之情況下，便繼續重複上述之動作，直至該電源轉換裝置停止作動。

藉此，透過上述之該漏感回收電路30之設計，於每次作動週期中，使該本質二極體Dsw導通前後之整體電路結構改變，而致使該第一電容器C1上的跨壓之極性重覆且交互地反轉，致使該漏感回收電路30輸出之電能於正 電壓與負電壓之間重覆且交互地轉換，而可達到接收並儲存該變壓器10所產生之漏感電能，而後再反饋輸出至該變壓器10之效果，而可減少該一次側線圈11之漏電感所產生的消耗，進而提升該變壓器10之電源轉換效率。

另外，除上述該漏感回收電路30之設計外，為 達到提升轉換效率之目的，請參閱圖7，本創作第二較佳實施例之電源轉換裝置之輸出電路50更包含有一第三二極體D3、一第三電容器C3、一第二電感器L2以及一第四二極體D4。其中，該第三二極體D3之正極連接該第四端122，而負極則透過該第二二極體D2電性連接該第三端121。該第三電容器C3一端連接該第二二極體D2以及該第三二極體D3之負極，另一端則連接該第二電容器C2與該負載Z。該第二電感器L2一端連接該第三電容器C3、該第二電容器C2與該負載Z，而另外一端則與該第四二極體D4之負極連接，且該第四二極體D4之正極則連接到該第三電容器C3與該第二二極體D2以及該第三二極體D3之負極，使該第二電感器L2透過該第四二極體D4電性連接至該第三二極體D3之負極。

如此一來，透過上述之該輸出電路的設計，該 第三電容器C3與該第二電感器L2將形成另一共振電路，致使該第三二極體D3導通前後之等效電路結構改變，導致該第三電容器C3上之跨壓極性重覆且交互地反轉，而可透過該第三電容器C3上之跨壓於負電壓時來補償該負載Z上之電壓所產生之阻障，如此一來，便可提升該變壓器10能源轉換之效率與抑制漣波之效果，同時達到提升功率因數之目的。

另外，以上所述僅為本創作較佳可行實施例而 已，且在電氣特性以及電路動作原理相同之情況下，前述各 電路元件之設置位置以及數量、以及舉凡應用本創作說明書及申請專利範圍所為之等效電路變化，理應包含在本創作之專利範圍內。

10‧‧‧變壓器

11‧‧‧一次側線圈

111‧‧‧第一端

112‧‧‧第二端

12‧‧‧二次側線圈

121‧‧‧第三端

122‧‧‧第四端

20‧‧‧電子開關

30‧‧‧漏感回收電路

40‧‧‧輸出電路

Dc‧‧‧直流電源

Z‧‧‧負載

Claims (11)

1. 一種電源轉換裝置，用以將一直流電源之電能轉換供予一負載，該電源轉換裝置包括：一變壓器，具有一一次側線圈以及一二次側線圈，該一次側線圈用以接收該直流電源之電能，該變壓器轉換後自該二次側線圈輸出；一電子開關，一端電性連接該一次側線圈，另一端電性連接該直流電源，用以導通或阻斷該直流電源供予該一次側線圈之電能；一第一電感器，電性連接該一次側線圈；一第一電容器，電性連接該一次側線圈，並與該第一電感器並聯連接，用以接收並儲存該變壓器之漏感產生的電能，並與該第一電感器構成一共振電路，而將電能反饋輸出至該變壓器，使該第一電容器上跨壓之極性重覆且交互地反轉；以及一輸出電路，電性連接該二次側線圈，用以接收該變壓器轉換後輸出之電能，並具有一第二電容器，且該第二電容器一端電性連接該負載之一端，而另一端電性連接該負載之另一端，以輸出電能予該負載。
2. 如請求項1所述電源轉換裝置，其中該一次側線圈具有一第一端以及一第二端；該直流電源的正電端電性連接該第一端；該電子開關一端電性連接該第二端，另一端電性連接該直流電源之負電端；該第一電感器與該第一電容器之 一端同時電性連接該第一端，且其另一端同時電性連接該第二端。
3. 如請求項1所述電源轉換裝置，更包含有一第一二極體，且該第一二極體一端連接該第一電容器與該第一電感器，另一端連接該變壓器，使該第一電容器與該第一電感器透過該第一二極體電性連接至該變壓器。
4. 如請求項3所述電源轉換裝置，其中該第一二極體之正極連接至該變壓器，而負極則連接至該第一電容器與該第一電感器。
5. 如請求項1所述電源轉換裝置，更包含有一第二二極體，且該第二二極體一端連接該變壓器，另一端連接該輸出電路，使該變壓器透過該第二二極體電性連接該輸出電路。
6. 如請求項5所述電源轉換裝置，其中該第二二極體之正極連接至該變壓器，而負極則連接至該輸出電路。
7. 如請求項1所述電源轉換裝置，其中，該二次側線圈具有一第三端以及一第四端，且該輸出電路更包含有一第三二極體、一第三電容器以及一第二電感器；該第三二極體之正極連接該第四端，負極電性連接該第三端；該第三電容器一端連接該第三二極體之負極，另一端則連接該第二電容器與該負載；該第二電感器一端連接該第三電容器、該第二電容器與該負載，而另外一端則電性連接該第三二極體之負極。
8. 如請求項7所述電源轉換裝置，其中該輸出電路更包含有一第四二極體，一端連接該第三二極體之負極，另一端連 接該第二電感器，而使該第二電感器透過該第四二極體電性連接至該第三二極體之負極。
9. 如請求項8所述電源轉換裝置，其中該第四二極體之正極連接該第三二極體之負極，負極至連接該第二電感器。
10. 如請求項1所述電源轉換裝置，其中該電子開關包含有一金屬氧化物半導體場效電晶體以及一本質二極體，該金屬氧化物半導體場效電晶體之源極與汲極分別電性連接該直流電源與該變壓器，而該本質二極體之兩端則分別連接至該源極與該汲極。
11. 一種電源轉換裝置，用以將一直流電源之電能轉換供予一負載，該電源轉換裝置包括：一變壓器，具有一一次側線圈以及一二次側線圈，該一次側線圈用以接收該直流電源之電能，該變壓器轉換後自該二次側線圈輸出；一電子開關，一端電性連接該一次側線圈，另一端電性連接該直流電源，用以導通或阻斷該直流電源供予該一次側線圈之電能；一漏感回收電路，電性連接該一次側線圈，且輸出之電能於正電壓與負電壓之間重覆且交互地轉換，用以接收並儲存該變壓器之漏感產生的電能，並反饋輸出該變壓器；以及一輸出電路，電性連接該第二次側線圈，用以接收該變壓器轉換輸出之電能，並輸出供予該負載。