功率轉換器與穩定電壓增益的方法
【專利摘要】一種功率轉換器與穩定電壓增益的方法在此揭露。功率轉換器包含原邊補償電容、變壓器與副邊補償電容。原邊補償電容用以自一第一開關電路接收第一交流電壓。變壓器用以接收第一交流電壓而產生第二交流電壓。副邊補償電容用以傳送第二交流電壓至第二開關電路以產生直流輸出電壓。第一開關電路的操作頻率設置于0.8×fa至1.2×fb之間，且fb至多為1.5倍的fa。其中原邊補償電容與變壓器中的原邊漏感對應于第一諧振頻率，副邊補償電容與變壓器中的副邊漏感對應于第二諧振頻率，fa為第一與第二諧振頻率中的較低者，fb為第一與第二諧振頻率中的較高者。
【專利說明】功率轉換器與穩定電壓增益的方法

【技術領域】
[0001] 本發明是有關于一種轉換器，且特別是有關于具有穩定電壓增益的轉換器與方 法。

【背景技術】
[0002] 現今無線電力傳輸技術已應用在許多領域，例如電動汽車、消費性電子產品等等。 無線電力傳輸技術是透過電磁感應原理來實現能量傳遞。
[0003] 請參照圖1A，圖1A繪示一種已知轉換器100的示意圖。如圖1A所示，已知的轉換 器100包含變壓器120、全橋逆變電路140以及橋式整流器160。變壓器120由原邊繞組Np 與副邊繞組Ns耦合而成，且兩者的互感為M，其中原邊繞組的感值為L1 (以下稱此為原邊電 感），副邊繞組Ns的感值為L2 (以下稱此為副邊電感）。全橋逆變電路140將直流輸入電 壓Vin轉換成交流電壓VAC后傳送至變壓器120,再傳遞至橋式整流器160,以產生直流輸 出電壓。再者，由于原邊繞組Np與副邊繞組Ns之間常存在較大的氣隙，而使變壓器 120產生較大的漏感，已知的轉換器100常包含原邊補償電容Cp以及副邊補償電容Cs，以 補償變壓器的漏感。
[0004] 請參照圖1B至圖1E，圖1B繪示已知轉換器100的電壓增益在不同負載下與工作 頻率的關系曲線圖，圖1C繪示已知轉換器100的輸入阻抗在不同負載下與工作頻率關系曲 線圖，圖1D繪示已知轉換器100的電壓增益Av在不同耦合系數k下與工作頻率的關系曲 線圖，圖1E繪示已知轉換器100的輸入阻抗在不同耦合系數k下與工作頻率關系曲線圖。 其中，在圖1B至圖1E中的工作頻率為轉換器100的工作頻率fo與原邊電感L1與原邊補 償電容Cp對應的諧振頻率的比值，在圖1B與圖1D中的電壓增益Av為圖1A中的直流輸出 電壓V d。，wt與直流輸入電壓Vin的比值，而在圖1C與圖1E中的Req為轉換器100的輸入阻 抗的虛部與實部的比值。
[0005] 如圖1B至圖1E所示，一般而言，轉換器100的工作頻率fo會設置于原邊電感L1 與原邊補償電容Cp的諧振頻率，以使輸入阻抗呈現純阻性，進而降低無功功率。然而，隨著 負載或耦合系數k產生變化，轉換器100的電壓增益Av會產生過大的變化，導致電路內部 元件上的壓差變化很大，此時必須選擇耐高壓的元件來提高操作的安全性，因此造成轉換 器的成本增加。另外，電壓增益Av的變化亦對轉換器的轉換效率造成較大的影響。
[0006] 因此，如何能在不同負載與不同耦合系數的情況下，有效地穩定轉換器的電壓增 益，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前相關領域亟需改進的目標。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提供一種功率轉換器與穩定電壓增益的方法。
[0008] 為解決上述問題，本發明的一方面提供一種功率轉換器。功率轉換器包含原邊補 償電容、變壓器與副邊補償電容。原邊補償電容用以自第一開關電路接收第一交流電壓。變 壓器包含原邊繞組與副邊繞組，其中變壓器用以接收第一交流電壓而產生第二交流電壓， 變壓器的原邊繞組電性串接至原邊補償電容。副邊補償電容電性串接于變壓器的副邊繞 組，并用以傳送第二交流電壓至第二開關電路以產生直流輸出電壓。其中，第一開關電路的 操作頻率設置于〇. 8X fa至1. 2Xfb之間，且fb至多為1. 5倍的fa，其中原邊補償電容與 變壓器中的等效原邊漏感對應于第一諧振頻率，副邊補償電容與變壓器中的等效副邊漏感 對應于第二諧振頻率，其中fa為第一諧振頻率與第二諧振頻率中的較低者，fb為第一諧振 頻率與第二諧振頻率中的較高者，借此使功率轉換器的電壓增益在空載時至多為滿載時的 兩倍。
[0009] 根據本發明的一實施例，其中前述的功率轉換器還包含檢測電路與控制電路。檢 測電路用以根據直流輸出電壓產生控制信號。控制電路用以根據控制信號控制第一開關電 路的操作頻率，借此在變壓器的耦合系數產生變化時，使第一開關電路的操作頻率設置于 0? 8Xfa 至 1. 2Xfb。
[0010] 根據本發明的一實施例，其中前述的第一開關電路為逆變電路，并用以根據直流 輸入電壓產生第一交流電壓。
[0011] 根據本發明的一實施例，其中前述的第一開關電路包含一橋臂。橋臂包含兩個電 性串接的切換單元。
[0012] 根據本發明的一實施例，其中前述的第二開關電路為整流電路，用以根據交流電 壓產生直流輸出電壓。
[0013] 根據本發明的一實施例，其中前述的第二開關電路包含一橋臂。橋臂包含兩個電 性串接的切換單元。
[0014] 根據本發明的一實施例，其中當副邊繞組的感值為原邊繞組的感值的N倍時，副 邊補償電感的容值設置為原邊補償電感的容值的1/N倍，其中N>0。
[0015] 根據本發明的一實施例，其中前述的第一開關電路的操作頻率更設置于〇.94Xfa 至1. 065Xfb之間，以使功率轉換器的電壓增益在空載時至多為滿載時的1. 2倍。
[0016] 本發明的另一方面提供一種穩定電壓增益的方法，此方法適用一功率轉換器，此 功率轉換器包含原邊補償電容、變壓器與副邊補償電容，其中原邊補償電容電性串接變壓 器中的原邊繞組，副邊補償電容電性串接變壓器中的副邊繞組。穩定電壓增益的方法包含 下列步驟：（1)自一開關電路產生第一交流電壓至原邊補償電容，借此產生第二交流電壓 至副邊補償電容；（2)根據第二交流電壓產生直流輸出電壓；以及（3)根據此直流輸出電 壓調整開關電路，以使開關電路的操作頻率設置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb之間，且fb至多為 1. 5 Xfa，其中原邊補償電容與變壓器中的等效原邊漏感對應于第一諧振頻率，副邊補償電 容與變壓器中的等效副邊漏感對應于第二諧振頻率，其中fa為第一諧振頻率與第二諧振 頻率中的較低者，fb為第一諧振頻率與第二諧振頻率中的較高者，借此使功率轉換器的一 電壓增益在空載時至多為滿載時的兩倍。
[0017] 根據本發明的一實施例，其中更提供直流輸入電壓至開關電路，借此產生第一交 流電壓。其中開關電路包含逆變電路，且逆變電路包含橋臂，且橋臂包含兩個電性串接的切 換單元。
[0018] 根據本發明的一實施例，其中前述產生直流輸出電壓的步驟更提供第二交流電壓 至整流電路，借此產生直流輸出電壓。
[0019] 根據本發明的一實施例，其中當副邊繞組的感值為原邊繞組的感值的N倍時，將 副邊補償電容的容值設置為原邊補償電容的容值的1/N倍，其中N>0。
[0020] 根據本發明的一實施例，其中更將開關電路的操作頻率設置于0.94Xfa至 1. 065Xfb之間，以使功率轉換器的電壓增益在空載時至多為滿載時的1. 2倍。
[0021] 綜上所述，本發明的技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。通過 上述技術方案，可達到相當的技術進步，并具有產業上的廣泛利用價值，本發明所示的功率 轉換器在不同負載與不同耦合系數k的情況下可具有穩定的電壓增益，借此可在各種操作 環境中可具有一定的操作安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 為讓本發明的上述和其他目的、特征、優點與實施例能更明顯易懂，所附附圖的說 明如下：
[0023] 圖1A繪示一種已知轉換器100的示意圖；
[0024] 圖1B繪示已知轉換器100的電壓增益在不同負載下與工作頻率的關系曲線圖；
[0025] 圖1C繪示已知轉換器100的輸入阻抗在不同負載下與工作頻率關系曲線圖；
[0026] 圖1D繪示已知轉換器100的電壓增益Av在不同耦合系數k下與工作頻率的關系 曲線圖；
[0027] 圖1E繪示已知轉換器100的輸入阻抗在不同耦合系數K下與工作頻率關系曲線 圖；
[0028] 圖2根據本發明的一實施例繪不一種功率轉換器200的不意圖；
[0029] 圖3A根據本發明的一實施例繪不一種功率轉換器300的不意圖；
[0030] 圖3B是依照本發明的一實施例繪示功率轉換器300的等效電路圖；
[0031] 圖3C根據本發明的一實施例繪示功率轉換器300的電壓增益Av在不同負載下與 工作頻率的關系曲線圖；
[0032] 圖4A繪示功率轉換器300的電壓增益Av在不同耦合系數k下與工作頻率的關系 曲線圖；
[0033] 圖4B根據本發明的一實施例繪不一種功率轉換器400的不意圖；以及
[0034] 圖5根據本發明的一實施例繪示一種穩定電壓方法500的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0035] 下文是舉實施例配合所附附圖作詳細說明，但所提供的實施例并非用以限制本發 明所涵蓋的范圍，而結構操作的描述非用以限制其執行的順序，任何由元件重新組合的結 構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的范圍。此外，附圖僅以說明為目的，并 未依照原尺寸作圖。為使便于理解，下述說明中相同元件將以相同的符號標示來說明。
[0036] 關于本文中所使用的"第一"、"第二"、…等，并非特別指稱次序或順位的意思，亦 非用以限定本發明，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的元件或操作而已。
[0037]另外，關于本文中所使用的"耦接"或"連接"，均可指二或多個元件相互直接作實 體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。
[0038] 請參照圖2,圖2根據本發明的一實施例繪示一種功率轉換器200的示意圖。如圖 2所示，功率轉換器200包含原邊補償電容Cp、變壓器220與副邊補償電容Cs。原邊補償 電容Cp電性串接至變壓器220的原邊繞組Np，且原邊補償電容Cp還用以自開關電路200a 接收交流電壓VAC。變壓器220根據交流電壓VAC而產生交流電壓VAC2。副邊補償電容Cs 電性串接至變壓器220的副邊繞組Ns。副邊補償電容Cs更用以傳送交流電壓VAC2至開 關電路200b以產生直流輸出電壓VOUT。前述的開關電路200a的操作頻率(亦即交流電壓 VAC的頻率）設置于0. 8X fa至1. 2Xfb之間，其中原邊補償電容Cp與變壓器220中的等 效原邊漏感對應于第一諧振頻率，而副邊補償電容Cs與變壓器220中的等效副邊漏感對應 于第二諧振頻率，其中fa為第一諧振頻率與第二諧振頻率中的較低者，fb為第一諧振頻率 與第二諧振頻率中的較高者，借此可使功率轉換器200的電壓增益Av在空載時至多為滿載 時的兩倍。如此，相較于先前技術中將工作頻率設置于原邊電感L1與原邊補償電容Cp的 諧振頻率的轉換器，透過將交流電壓VAC的頻率設置于0. 8Xfa至1. 2Xfb之間可使電壓 增益Av更為穩定。
[0039] 以下段落將提出數個應用功率轉換器200的實施例，來說明上述的功能與應用， 但本發明并不僅以下所列的實施例為限。
[0040] 請參照圖3A，圖3A根據本發明的一實施例繪示一種功率轉換器300的示意圖。如 圖3A所示，其中變壓器220的原邊繞組Np的感值為L1 (下稱為原邊電感L1)，副邊繞組Ns 的感值為L2 (下稱為副邊電感L2)。此外，前述的開關電路200a可為各類型的逆變電路。 且開關電路200a包含一橋臂，且橋臂包含兩個電性串接的切換單元。例如，如圖3A所示，開 關電路200a可為由開關S1?S4所構成的全橋逆變電路。其中開關S1與開關S3組成一 橋臂，且開關S2與開關S4組成另一橋臂。前述的開關電路200b可為各類型的整流電路。 相似地，開關電路200b亦包可含一橋臂，且橋臂包含兩個電性串接的切換單元。例如，如圖 3A所示，開關電路200b可為由二極管D1?D4所構成的橋式整流器，其中二極管D1與二極 管D3組成一橋臂，二極管D2與二極管D4組成另一橋臂。上述的開關電路200a、200b僅為 例示，熟悉本領域的技術人員可視實際需求選擇合適的電路架構，本發明并不以此為限。
[0041] 在操作上，開關電路200a用以根據直流輸入電壓VIN產生交流電壓VAC。原邊補 償電容Cp電性串接于原邊繞組Np，并接收交流電壓VAC。副邊補償電容Cs電性串接于副 邊繞組Ns，變壓器220根據交流電壓VAC而于副邊繞組Ns產生交流電壓VAC2。開關電路 200b用以根據此交流電壓VAC2產生直流輸出電壓V0UT。
[0042] 具體而言，在此實施例中，通過調整開關S1?S4(即開關電路200a)的操作頻率 于0. 8Xfa至1. 2Xfb之間，可將交流電壓VAC的頻率設置于0. 8Xfa至1. 2Xfb之間，以 使功率轉換器300可具有較穩定的電壓增益Av。
[0043] 請參照圖3B，圖3B是依照本發明的一實施例繪示功率轉換器300的等效電路圖。 在圖3B中是將圖3A中的開關電路200a等效為交流電壓VAC，而開關電路200b與輸出所 接負載等效成RL，其中假設原邊電感L1與原邊補償電容Cp的諧振頻率與副邊電感L2與 副邊補償電容Cs的諧振頻率相等，亦即

【權利要求】
1. 一種功率轉換器，其特征在于，包含： 一原邊補償電容，用以自一第一開關電路接收一第一交流電壓； 一變壓器，包含一原邊繞組及一副邊繞組，并用以接收該第一交流電壓而產生一第二 交流電壓，該變壓器的該原邊繞組電性串接至該原邊補償電容；以及 一副邊補償電容，電性串接于該變壓器的該副邊繞組，并用以傳送該第二交流電壓至 一第二開關電路以產生一直流輸出電壓， 其中，該第一開關電路的操作頻率設置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb之間，且fb至多為1. 5 倍的fa，其中該原邊補償電容與該變壓器中的一等效原邊漏感對應于一第一諧振頻率，該 副邊補償電容與該變壓器中的一等效副邊漏感對應于一第二諧振頻率，fa為該第一諧振頻 率與該第二諧振頻率中的較低者，fb為該第一諧振頻率與該第二諧振頻率中的較高者，借 此使該功率轉換器的電壓增益在空載時至多為滿載時的兩倍。
2. 根據權利要求1所述的功率轉換器，其特征在于，還包含： 一檢測電路，用以根據該直流輸出電壓產生一控制信號；以及 一控制電路，用以根據該控制信號控制該第一開關電路的操作頻率，借此在該變壓器 的一耦合系數產生變化時，使該第一開關電路的操作頻率設置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb。
3. 根據權利要求1所述的功率轉換器，其特征在于，該第一開關電路為一逆變電路，用 以根據一直流輸入電壓產生該第一交流電壓。
4. 根據權利要求3所述的功率轉換器，其特征在于，該第一開關電路包含一橋臂，其中 該橋臂包含兩個電性串接的切換單元。
5. 根據權利要求1所述的功率轉換器，其特征在于，該第二開關電路為一整流電路，用 以根據該第二交流電壓產生該直流輸出電壓。
6. 根據權利要求5所述的功率轉換器，其特征在于，該第二開關電路包含一橋臂，其中 該橋臂包含兩個電性串接的切換單元。
7. 根據權利要求1所述的功率轉換器，其特征在于，當該副邊繞組的感值為該原邊繞 組的感值的N倍時，該副邊補償電感的容值設置為該原邊補償電感的容值的1/N，其中N>0。
8. 根據權利要求1至7中任一項權利要求所述的功率轉換器，其特征在于，該第一開關 電路的操作頻率更設置于〇. 94Xfa至1. 065Xfb之間，以使該功率轉換器的電壓增益在空 載時至多為滿載時的1. 2倍。
9. 一種功率轉換器，其特征在于，包含： 一第一開關電路，用以根據一直流輸入電壓產生一第一交流電壓； 一原邊補償電容，用以接收該第一交流電壓； 一變壓器，包含一原邊繞組與一副邊繞組，其中該原邊繞組電性串接于該原邊補償電 容，該副邊繞組用以根據該第一交流電壓產生一第二交流電壓； 一副邊補償電容，電性串接于該副邊繞組， 一第二開關電路，用以根據該第二交流電壓產生一直流輸出電壓； 一檢測電路，用以根據該直流輸出電壓產生一控制信號；以及 一控制電路，用以根據該控制信號控制該第一開關電路的操作頻率，借此使該第一開 關電路的操作頻率設置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb之間，且fb至多為1. 5倍的fa，其中該原邊 補償電容與該變壓器中的一等效原邊漏感對應于一第一諧振頻率，該副邊補償電容與該變 壓器中的一等效副邊漏感對應于一第二諧振頻率，fa為該第一諧振頻率與該第二諧振頻率 中的較低者，fb為該第一諧振頻率與該第二諧振頻率中的較高者，借此使該功率轉換器的 一電壓增益在空載時至多為滿載時的兩倍。
10. 根據權利要求9所述的功率轉換器，其特征在于，該第一開關電路的操作頻率更設 置于0. 94Xfa至1. 065Xfb之間，以使該功率轉換器的電壓增益在空載時至多為滿載時的 1.2 倍。
11. 一種穩定電壓增益的方法，其特征在于，適用于一功率轉換器，該功率轉換器包含 一原邊補償電容、一變壓器與一副邊補償電容，其中該原邊補償電容電性串接該變壓器中 的一原邊繞組，該副邊補償電容電性串接該變壓器中的一副邊繞組，該穩定電壓增益的方 法包含： 自一開關電路產生一第一交流電壓至該原邊補償電容，借此產生一第二交流電壓至該 副邊補償電容； 根據該第二交流電壓產生一直流輸出電壓；以及 根據該直流輸出電壓調整該開關電路，以使該開關電路的操作頻率設置于〇. 8Xfa至 1. 2Xfb之間，且fb至多為1. 5Xfa， 其中該原邊補償電容與該變壓器中的一等效原邊漏感對應于一第一諧振頻率，該副邊 補償電容與該變壓器中的一等效副邊漏感對應于一第二諧振頻率，fa為該第一諧振頻率與 該第二諧振頻率中的較低者，fb為該第一諧振頻率與該第二諧振頻率中的較高者，借此使 該功率轉換器的一電壓增益在空載時至多為滿載時的兩倍。
12. 根據權利要求11所述的穩定電壓增益的方法，其特征在于，還包含： 提供一直流輸入電壓至該開關電路，借此產生該第一交流電壓，其中該開關電路包含 一逆變電路，且該逆變電路包含一橋臂，其中該橋臂包含兩個電性串接的切換單元。
13. 根據權利要求11所述的穩定電壓增益的方法，其特征在于，其產生該直流輸出電 壓的步驟還包含： 提供該第二交流電壓至一整流電路，借此產生該直流輸出電壓。
14. 根據權利要求11所述的穩定電壓增益的方法，其特征在于，還包含： 當該副邊繞組的感值為該原邊繞組的感值的N倍時，將該副邊補償電容的容值設置為 該原邊補償電容的容值的1/N，其中N>0。
15. 根據權利要求11至14中任一項權利要求所述的穩定電壓增益的方法，其特征在 于，還包含： 將該開關電路的操作頻率設置于〇. 94Xfa至1. 065Xfb之間，以使該功率轉換器的電 壓增益在空載時至多為滿載時的1. 2倍。
【文檔編號】H02M3/28GK104377959SQ201310360095
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月16日 優先權日:2013年8月16日
【發明者】言超, 張偉強, 徐立智, 李新磊 申請人:臺達電子企業管理（上海）有限公司