專利名稱：電源轉換器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明有關一種電源轉換器及其控制方法，特別是關于一種應用在不斷電電源供應器(UPS)中的單相交流/交流電源轉換器。
背景技術：
請參閱圖1，其為一種現(xiàn)有不斷電電源供應器的部份電路圖。在圖1中，不斷電電源供應器1主要包含一交流輸入電壓AC、由二極管Dl和D2構成的一開關 組、 一單相交流-交流轉換器11、由濾波電感Lo及濾波電容Co構成的一交流濾 波器12、以及一負載R所構成。在單相交流-交流轉換器11中，包含有交流電感Li、母線電容Cs以及三個 橋臂，其中由開關Sl和S2所組成的橋臂稱為升壓(boost)橋臂，由開關S3和S4 所組成的橋臂稱為公共(com)橋臂，而由開關S5和S6所組成的橋臂稱為降壓(buck) 橋臂。作為圖1所示的不斷電電源供應器1，在交流輸入電壓AC(市電)正常的情況 下，由交流輸入電壓AC直接提供負載R能量，而當交流輸入電壓AC出現(xiàn)異常時， 則由一儲存電池(未示出)提供負載Rout能量。在這種傳統(tǒng)的交流-交流轉換器11中，由于常有一個以上橋臂是運作于脈波 寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)技術，因此其開關損耗較高；此外，母 線電容Cs的存在也會影響不斷電電源供應器的小型化目標。發(fā)明內容本發(fā)明的主要目的為提出一種電源轉換器，可以在不斷電電源供應器中 作為一自動電壓調整器，可以在不使用任何線頻率變壓器與大電容的情況下， 將交流輸入電壓轉換成穩(wěn)定的交流輸出電壓，并且在同一時間內僅有三分之 一的開關是運作于高頻模式，其余的開關皆是運作于低頻模式。本發(fā)明的主要構想為提出一種電源轉換器，將其輸入端口上的一交流輸入電壓轉換為其輸出端口上的一交流輸出電壓，包括 一能量儲存電感； 一第 一切換電路，耦接于該能量儲存電感，選擇性地切換使得該電源轉換器的輸 入端口耦接于該能量儲存電感； 一第二切換電路，耦接于該能量儲存電感及該 第一切換電路，選擇性地切換使得該電源轉換器的共同端口耦接于該能量儲 存電感；以及一第三切換電路，耦接于該能量儲存電感、該第一切換電路、及 該第二切換電路，選擇性地切換使得該電源轉換器的輸出端口耦接于該能量 儲存電感。本發(fā)明的另一構想為提出一種電源轉換器的控制方法，是應用在一輸入 端口、 一共同端口與一輸出端口之間且互相并聯(lián)耦接的一第一切換電路、一 第二切換電路、 一第三切換電路、以及一能量儲存電感中，用以將該輸入端 口上的一交流輸入電壓轉換為該輸出端口上的一交流輸出電壓，包括步驟如 下當該輸入端口上的一交流輸入電壓高于該輸出端口上的一交流輸出電壓 時，切換該第二切換電路及該第三切換電路使得該共同端口及該輸出端口分 別耦接于該能量儲存電感的二端，并將該第一切換電路運作于高頻；及當該輸 入端口上的該交流輸入電壓低于該輸出端口上的該交流輸出電壓時，切換該 第一切換電路及該第三切換電路使得該輸入端口及該輸出端口分別耦接于該 能量儲存電感的二端，并將該第二切換電路運作于高頻。本發(fā)明可通過下列附圖及詳細說明獲得還深入的了解。


圖1是現(xiàn)有不斷電電源供應器的部份電路圖；圖2是本發(fā)明所提出電源轉換器一較佳實施例的電路圖；圖3(a)與圖3(b)由上至下依序顯示圖2的電源轉換器在降壓模式中，交流 輸出入電壓的波形對照、能量儲存電感L的電流波形、交流輸入電流波形、以及 能量儲存電感L的電壓波形；圖4(a)與圖4(b)由上至下依序顯示圖2的電源轉換器在升壓模式中，交流 輸出入電壓的波形對照、能量儲存電感L的電流波形、交流輸入電流波形、以及
能量儲存電感L的電壓波形；圖5是本發(fā)明所提出電源轉換器另一較佳實施例的電路圖；圖6(a)是本發(fā)明電源轉換器應用于直流供電模式下的不斷電電源供應器的電路圖；圖6(b)是本發(fā)明電源轉換器應用于交流供電模式下的不斷電電源供應器的電 路圖；及圖7是本發(fā)明能量儲存電感上的電流的一可能的波形圖。
具體實施方式
請參閱圖2，其為本發(fā)明所提出電源轉換器一較佳實施例的電路圖，圖中 的電源轉換器2是由能量儲存電感L、第一切換電路21、第二切換電路22、 以及第三切換電路23所構成。其中能量儲存電感L是耦接于三個切換電路21 23，而在此實施例中能量儲存電感L、第一切換電路21、第二切換電路22、 及第三切換電路23是以彼此并聯(lián)的方式相耦接。在圖2中，第一切換電路21具有該電源轉換器2的輸入端口 P，第二切 換電路22具有該電源轉換器2的共同端口 Q，而第三切換電路23具有該電源 轉換器2的輸出端口R。其中，該電源轉換器2的輸入端口 P是連接于一交流 輸入電壓Vac，該電源轉換器2的輸出端口 R是連接于一負載Rout的一端， 而該電源轉換器2的共同端口 Q則連接于該負載Rout的另一端，此外，還有 一濾波電容C與該負載Rout并聯(lián)。在圖2中，利用第一切換電路21進行選擇性地切換可以使得該電源轉換 器2的輸入端口 P耦接于該能量儲存電感L的其中的一端，利用第二切換電 路22進行選擇性地切換可以使得該電源轉換器2的共同端口 Q耦接于該能量 儲存電感L的其中的一端，而利用第三切換電路23進行選擇性地切換可以使 得該電源轉換器2的輸出端口 R耦接于該能量儲存電感L的其中的一端。借 此，便能夠將該電源轉換器2的輸入端口 P上的該交流輸入電壓Vac轉換為 其輸出端口 R上的一交流輸出電壓Vout而輸出至該負載Rout 。本發(fā)明的電源轉換器中的該第一、第二、第三切換電路皆是由單向導通 開關組成，而在經(jīng)過實際配置的本實施例中，第一切換電路21、第二切換電
路22、以及第三切換電路23分別是由二個開關電路彼此串聯(lián)所構成；請參閱 圖2，以第一切換電路21來說，其是由輸入端口 P上方的第一開關電路以及 輸入端口 P下方的第二開關電路所構成。其中，輸入端口 P上方的第一開關 電路是由一晶體管Sl及一二極管所構成，輸入端口 P下方的第二開關電路也 是由一晶體管S2及一二極管所構成。同理，以第二切換電路22來說，其是由共同端口 Q上方的第三開關電路 以及共同端口 Q下方的第四開關電路所構成。其中，共同端口 Q上方的第三 開關電路是由一晶體管S3及一二極管所構成，共同端口 Q下方的第四開關電 路也是由一晶體管S4及一二極管所構成。最后，以第三切換電路23來說，其是由輸出端口 R上方的第五開關電路 以及輸出端口 R下方的第六開關電路所構成。其中，輸出端口 R上方的第五 開關電路是由一晶體管S5及一二極管所構成，輸出端口 R下方的第六開關電 路也是由一晶體管S6及一二極管所構成。借由圖2中的這種電路配置與運作，該電源轉換器2便可以被用作為一 自動電壓調整器(Automatic Voltage Regulator, AVR)，其可在該能量儲存 電感L上產生一全波整流型電流，并可將該電源轉換器2的輸入端口 P上的 該交流輸入電壓Vac轉換為其輸出端口 R上的一交流輸出電壓Vout而輸出至 該負載Rout。以下分別說明圖2的電源轉換器2在降壓模式(Buck Mode)與升壓模式 (Boost Mode)中的各開關運作。 (a)降壓模式(Buck Mode) (al)正周期(Positive Cycle)在此周期中，第三切換電路23的開關S6閉合(100%工作周期)且開關S5 開路(接近0%工作周期)，而第二切換電路22的開關S4開路(0%工作周期)且 開關S3閉合(100%工作周期)，此時第一切換電路21是作為一降壓電路而運 作于高頻的脈波寬度調變(PWM)模式，用以在該交流輸出電壓Vout中產生足 夠的振幅。(a2)負周期(Negative Cycle)在此負周期內，每一切換電路以其中點(輸入端口、共同端口、輸出端口) 為基準，上方與下方的各開關的開關模式和工作周期皆與正周期所述者相反。請參閱圖3(a)與圖3(b),其由上至下依序顯示圖2的電源轉換器在降壓 模式中，交流輸出入電壓的波形對照、能量儲存電感L的電流波形、交流輸 入電流波形、以及能量儲存電感L的電壓波形。由該圖示并對照上述操作可 知，本發(fā)明的電源轉換器在以降壓模式調整該交流輸出電壓時，僅有單一個 切換電路是運作于脈波寬度調變模式，而其他二個切換電路則是運作于輸入 線頻率(I叩ut-line Frequency)模式。(b)升壓模式(Boost Mode)(bl)正周期(Positive Cycle)在此周期中，第一切換電路21的開關SI閉合(100%工作周期)且開關S2 開路(接近0%工作周期)，而第三切換電路23的開關S5開路(0%工作周期)且 開關S6閉合(100%工作周期)，此時第二切換電路22是作為一升壓電路而運 作于高頻的脈波寬度調變模式，用以在直流總線中產生一全波整流型電流；也 即在該交流輸出電壓Vout中產生足夠的振幅。(b2)負周期(Negative Cycle)同樣地，在此負周期內，每一切換電路以其中點為基準，上方與下方的 各開關的開關模式和工作周期皆與正周期所述的相反。請參閱圖4(a)與圖4(b),其由上至下依序顯示圖2的電源轉換器在升壓 模式中，交流輸出入電壓的波形對照、能量儲存電感L的電流波形、交流輸 入電流波形、以及能量儲存電感L的電壓波形。由該圖示并對照上述操作同 樣可知，本發(fā)明的電源轉換器在以升壓模式調整該交流輸出電壓時，僅有單 一個切換電路是運作于脈波寬度調變模式，而其他二個切換電路則是運作于 輸入線頻率模式。另一方面，若是該交流輸入電壓等于該交流輸出電壓，則該第一切換電 路21、該第二切換電路22、以及該第三切換電路23皆是運作于線頻率。請參閱圖5，其為本發(fā)明所提出電源轉換器另一較佳實施例的電路圖。倘 若圖2的電源轉換器2中的能量儲存電感L中具有多余的能量，則可借由耦 接一直流/交流再循環(huán)電路24至該能量儲存電感L及該切換電路，用以將該 能量儲存電感L中的多余能量回饋至該交流輸入電壓Vac。
如前面所述，不斷電電源供應器具有二種工作模式(1)直流供電模式(2) 交流供電模式。以下分別就該二種模式說明本發(fā)明的電源轉換器的運作。(1) 直流供電模式請參閱圖6(a)，其為本發(fā)明電源轉換器應用于直流供電模式下的不斷電 電源供應器的電路圖。在圖6(a)中，與圖2相同的電路元件皆標示著相同的 標號，此外，相異處在于輸入端口 P之處還耦接于一選擇開關Switch,用以 在一直流輸入電壓DC與該交流輸入電壓Vac之間進行選擇。在該交流輸入電壓Vac出現(xiàn)異常而由該直流輸入電壓DC提供負載Rout 能量的情況下，當該交流輸出電壓Vout低于該直流輸入電壓DC時，該電源 轉換器是用作一降壓轉換器；而當該交流輸出電壓Vout高于該直流輸入電壓 DC時，該電源轉換器是用作一升壓轉換器。(2) 交流供電模式請參閱圖6(b)，其為本發(fā)明電源轉換器應用于交流供電模式下的不斷電 電源供應器的電路圖。在圖6(b)中，與圖2相同的電路元件皆標示著相同的 標號，此外，相異處在于電源轉換器還耦接于一充電電路25。當系統(tǒng)輕載時，輸入端口 P上的反應電流會因為該能量儲存電感L而增 加，因此此時利用該充電電路25產生一直流電流進行充電。另一方面，由于 電源轉換器中僅有單一個切換電路是運作于脈波寬度調變模式，而其他二個 切換電路則是運作于輸入線頻率模式，因此開關損耗相對地便變得較低，所 以可以根據(jù)負載R而調整能量儲存電感L的電流的波形。圖7為能量儲存電 感L上的電流的一可能的波形圖。綜上所述，本發(fā)明提供一種電源轉換器，可以在不斷電電源供應器中作 為一自動電壓調整器(AVR)，可以在不使用任何線頻率變壓器與大電容的情況 下，將交流輸入電壓轉換成穩(wěn)定的交流輸出電壓，并且在同一時間內僅有三 分之一的開關是運作于高頻模式，其余的開關皆是運作于低頻模式，能夠大 幅降低開關的切換損耗。
權利要求
1. 一種電源轉換器，將其輸入端口上的一交流輸入電壓轉換為其輸出端 口上的一交流輸出電壓，包括一能量儲存電感；一第一切換電路，耦接于該能量儲存電感，選擇性地切換使得該電源轉換器的輸入端口耦接于該能量儲存電感；一第二切換電路，耦接于該能量儲存電感及該第一切換電路，選擇性地 切換使得該電源轉換器的共同端口耦接于該能量儲存電感；以及一第三切換電路，耦接于該能量儲存電感、該第一切換電路、及該第二 切換電路，選擇性地切換使得該電源轉換器的輸出端口耦接于該能量儲存電 感。
2. 如權利要求1所述的電源轉換器，其特征在于該能量儲存電感、該第一 切換電路、該第二切換電路、及該第三切換電路是彼此并聯(lián)。
3. 如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于該第一切換電路是由一第 一開關電路及一第二開關電路彼此串聯(lián)所構成，其串聯(lián)中點構成該電源轉換 器的輸入端口。
4. 如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于該第二切換電路是由一第 三開關電路及一第四開關電路彼此串聯(lián)所構成，其串聯(lián)中點構成該電源轉換 器的共同端口。
5. 如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于該第三切換電路是由一第 五開關電路及一第六開關電路彼此串聯(lián)所構成，其串聯(lián)中點構成該電源轉換 器的輸出端口。
6. 如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于該第一、第二、第三切換 電路是由單向導通開關組成。
7. 如權利要求6所述的電源轉換器，其特征在于該單向導通開關皆是由一 二極管及一晶體管彼此串聯(lián)所構成。
8. 如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于該電源轉換器的輸出端口 還耦接于一濾波電容及一負載。
9. 如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于該能量儲存電感及該切換 電路還耦接于一直流/交流再循環(huán)電路，用以將該能量儲存電感中的多余能量 回饋至該交流輸入電壓。
10. 如權利要求2所述的電源轉換器，其特征在于該電源轉換器的輸入端 口還耦接于一選擇開關，用以在一直流輸入電壓與該交流輸入電壓之間進行 選擇。
11. 一種電源轉換器的控制方法，應用在一輸入端口、 一共同端口與一輸 出端口之間且互相并聯(lián)耦接的一第一切換電路、 一第二切換電路、 一第三切 換電路、以及一能量儲存電感中，用以將該輸入端口上的一交流輸入電壓轉 換為該輸出端口上的一交流輸出電壓，包括如下步驟(a) 當該輸入端口上的一交流輸入電壓高于該輸出端口上的一交流輸出電 壓時，切換該第二切換電路及該第三切換電路使得該共同端口及該輸出端口 分別耦接于該能量儲存電感的二端，并將該第一切換電路運作于高頻；及(b) 當該輸入端口上的該交流輸入電壓低于該輸出端口上的該交流輸出電 壓時，切換該第一切換電路及該第三切換電路使得該輸入端口及該輸出端口 分別耦接于該能量儲存電感的二端，并將該第二切換電路運作于高頻。
12. 如權利要求11所述的電源轉換器的控制方法，其特征在于步驟(a)進一 步包含如下步驟(al)在該交流輸入電壓的正周期內，切換該第二切換電路及該第三切換電 路使得該共同端口及該輸出端口分別耦接于該能量儲存電感的高壓端與低壓 端；及(a2)在該交流輸入電壓的負周期內，切換該第二切換電路及該第三切換電 路使得該共同端口及該輸出端口分別耦接于該能量儲存電感的低壓端與高壓端。
13. 如權利要求11所述的電源轉換器的控制方法，其特征在于步驟(b)進 一步包含如下步驟(bl)在該交流輸入電壓的正周期內，切換該第一切換電路及該第三切換電 路使得該輸入端口及該輸出端口分別耦接于該能量儲存電感的高壓端與低壓 端；及 (b2)在該交流輸入電壓的負周期內，切換該第一切換電路及該第三切換電 路使得該輸入端口及該輸出端口分別耦接于該能量儲存電感的低壓端與高壓4山頓°
全文摘要
本發(fā)明有關一種電源轉換器及其控制方法，將其輸入端口上的一交流輸入電壓轉換為其輸出端口上的一交流輸出電壓，包括一能量儲存電感；一第一切換電路，耦接于該能量儲存電感，選擇性地切換使得該電源轉換器的輸入端口耦接于該能量儲存電感；一第二切換電路，耦接于該能量儲存電感及該第一切換電路，選擇性地切換使得該電源轉換器的共同端口耦接于該能量儲存電感；以及一第三切換電路，耦接于該能量儲存電感、該第一切換電路、及該第二切換電路，選擇性地切換使得該電源轉換器的輸出端口耦接于該能量儲存電感。
文檔編號H02M5/293GK101123400SQ200610111170
公開日2008年2月13日 申請日期2006年8月9日 優(yōu)先權日2006年8月9日
發(fā)明者朱秋花, 蔡文蔭, 譚驚濤, 陸巖松 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司