专利名称：压电式电源转换器的制作方法
技术领域：
本发明系有关一种压电式电源转换器，特别是关于一种利用压电组件提升功率输 出之电源转换器。
背景技术：
目前，越来越多的可携式设备开始提供彩色屏幕、立体音讯、和连结等先进功能， 例如GPRS、无线网络和蓝芽、以及视讯和相机拍摄。相较于臃肿笨重的可携式设备，消费者 希望产品设计不仅轻薄短小，操作方便，还有很长的电池使用寿命。消费者的喜好为电路设 计工程师带来了两难的局面他们必须提供更多电源给系统并产生更多组电压，但在这同 时，可携式产品可供电源供应器使用的空间和电池容量却日益减少。为了满足这些技术要求，设计人员就必须采用电源效率更高，然而一般电源转换 器之电路中，系使用一般电容器串联或并联于电感做谐振效应，然而，一般电容的电容量 低，若输入电压讯号过大，会造成很大的漏电流，功率输出之效率并不高，而电容器的耐压 性不足，失效模式会使电容器爆炸，容易导致失火的危险。有鉴于此，本发明遂提出一种压电式电源转换器，以改善存在于先前技术中之该 些缺失。
发明内容本发明的主要目的在于提供一种压电式电源转换器，利用结构简单的压电组件配 合一般变压器，用以提供倍数增加的输出功率，进而达到大功率输出之功效。本发明之另一目的系提供一种压电式电源转换器，利用结构简单的压电组件取代 一般电容使用，压电组件的漏电流小、耐压性高、没有过热起火的危险，其可靠性高，进而可 解决传统电源转换器中的电容器所造成耐压低及过热起火的危险，其次，压电组件体积小， 封装厚度薄，极具有市场竞争优势。为达到上述目的，本发明提供一种压电式电源转换器，应用于直流转交流之电源 转换器，其包含变压器系具有一次侧和二次侧，至少一第一压电组件系一端连接于一次侧， 另一端系接收一脉波电压并输出至一次侧，于输出端设有至少一第二压电组件，其系位于 二次侧，且用来输出一直流电压至外部负载运作。此外，本发明提供另一种压电式电源转换器，应用于交流转交流之电源转换器，其 包含变压器具有一次侧和二次侧，至少一第一压电组件系一端连接于一次侧，另一端系接 收一脉波电压并输出至一次侧，并由二次侧输出交流电压至一外部负载运作。底下藉由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明之目的、技 术内容、特点及其所达成之功效。
图1为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第一实施例示意图。
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图2A为本发明实施例所提供之压电震荡器之示意图。图2B为本发明实施例所提供之压电震荡器之等效电路。图2C为本发明实施例所提供之压电电容之等效电路。图3为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第二实施例示意图。图4为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第三实施例示意图。图5为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第四实施例示意图。图6为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第五实施例示意图。图7为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第六实施例示意图。图8为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第七实施例示意图。图9为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第八实施例示意图。图IOA为本发明实施例所提供之绝缘型压电震荡器之等效电路。图IOB为本发明实施例所提供之绝缘型压电震荡器之结构剖视图。图11为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第九实施例示意图。图12为本发明应用于半桥式交流转交流之电源转换器之第十实施例示意图。图13为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第十一实施例示意图。图14为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第十二实施例示意图。图15为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第十三实施例示意图。图16为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第十四实施例示意图。图17所示，为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第十五实施例示意 图。图18为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第十六实施例示意图。图19为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第十七实施例示意图。图中11变压器111 一次侧112 二次侧12压电震荡器13压电电容14滤波电感21 基材22导电层23导电层31第一压电震荡器32第二压电震荡器41中心抽头51第一谐振电感52第二谐振电感91绝缘型压电震荡器911第一输入端
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912 第:二输入端
913 第--输出端
914 第:二输出端
92基材
93第— 上电极
94第一 下电极
95第二.上电极
96第二.下电极
具体实施方式请参阅图1，为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第一实施例示意图， 其包含一变压器11、至少一第一压电组件及至少一第二压电组件，其中，变压器11具有一 次侧111和二次侧112。利用变压器11之一次侧111作为电感使用，并与第一压电组件 串联构成一谐振电路，而第一压电组件系利用本身所具有的电容特性作为一压电震荡器12 使用，且用以取代传统电源转换器中的电容器。其中，本实施例所揭露之压电震荡器12，如 图2A所示，系以压电材质制作一圆板形状的基材21，当然，其形状亦可为方形或矩形或其 它几何形状，再以银胶、铜膏或镍膏制作同样为圆形的导电层22、23于基材21的整个或部 分上表面与下表面，以构成压电震荡器12之两极来引导电流。在此，请参阅图2B，为压电震 荡器12之等效电路，等效电路中绘示有等效电阻R、等效电阻L、以及分别表示电特性与力 学特性的等效电容Ca与Cb。本实施例可利用变压器11之一次侧111作为电感使用以形成 一半桥谐振电路，当谐振电路谐振时，压电震荡器12用以储存电能且具有压电特性，可以 调整功率因素再将功率输出，通电变形时会产生逆压电效应，变形后会产生正压电效应，而 其正、逆压电效应的转换将会生成正电荷，使电压放大，而具有放大电压的效果，以达到大 功率输出的功效，其中，等效电路中的等效电容之力学特性Cb值约为电特性Ca值的3倍电 容量，将Ca值与Cb值的电容量相加，如此使压电震荡器12具有高电容量(Q = C*V)，故可 提供倍数增加的输出功率，进而提高效率能量转换的功效。第二压电组件系位于二次侧112，第二压电组件系利用本身所具有的电容特性作 为一压电电容13使用，且用以取代传统电源转换器中的电容器。其中，本实施例所揭露之 压电电容13，如图2C所示，为压电电容13等效电路，等效电路中绘示有等效电阻R、等效电 阻L、及表示电特性的等效电容Ca。与一般电容器不同之处在于，本实施例之压电震荡器12 与压电电容13的漏电流小、耐压性高、没有过热起火的危险，其可靠性高，进而可解决传统 电源转换器中的电容器所造成耐压低及过热起火的危险，此外，由于压电震荡器12与压电 电容13的体积小，封装厚度薄，极具有市场竞争优势。变压器11之二次侧112两端系分别连接于二二极管Dl与D2，而二极管Dl与D2 连接于一滤波电感14，第二压电组件系连接于滤波电感14以形成一输出滤波整流电路。由 于二极管Dl与D2具有单向导电的特性，可以把方向和大小交变的交流电压变换为直流电 压，故作为整流之用。当一次侧111之输入电压为正值，则感应二次侧112之输入电压亦为正值。当输 入电压为正半周时，变压器11之二次侧112的上端为正，下端为负，则二极管Dl为顺向偏
6压，电流可从二极管Dl流出通过滤波电感14至压电电容13进行充电，但二极管D2为逆向 偏压，相当于开路状态，没有电流流通。当输入电压为负半周时，变压器11之二次侧112的 上端为负，下端为正，则二极管Dl为逆向偏压，电流不能流通，而二极管D2为顺向偏压，电 流可由二极管D2流出通过滤波电感14至压电电容13进行充电，藉此，压电电容13用来输 出直流电压至外部负载运作。请一并参阅图1及图3。图3为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第 二实施例示意图，其与图1之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之处在于 具有二第一压电组件，其利用本身所具有的电容特性作为第一压电震荡器31与第二压电 震荡器32使用，且位于变压器11之一次侧111，利用变压器11之一次侧作为电感使用以形 成一全桥谐振电路，压电震荡器31、32分别连接于一次侧111两端，第一压电震荡器31与 第二压电震荡器32系接收脉波电压。当谐振电路谐振时，使其产生压电效应而提升电容量 并输出至一次侧111，比运用一颗压电震荡器更能提高功率之输出。请一并参阅图3及图4。图4为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第 三实施例示意图，其与图3之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之处在于 变压器11具有至少一中心抽头41，且位于二次侧112中间，而中心抽头41至两端点的电压 相等。当输入电压为正半周时，二极管Dl为顺向偏压，电流可从二极管Dl流出通过滤波 电感14至压电电容13进行充电，再回到中心抽头41，但二极管D2为逆向偏压，相当于开路 状态，没有电流流通。当输入电压为负半周时，二极管Dl为逆向偏压，电流不能流通，而二 极管D2为顺向偏压，电流可由二极管D2流出，通过滤波电感14至压电电容13进行充电， 再回到中心抽头41，因此，在压电电容13上产生的电压降之极性与正半周时相同，即表示 通过压电电容13之电流均为同一方向，再由压电电容件13输出直流电压至外部负载运作。请一并参阅图4及图5，图5为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第四 实施例示意图，其与图4之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之处在于包 含第一谐振电感51与第二谐振电感52，其分别对应串联第一压电震荡器31与第二压电震 荡器32以形成一全桥谐振电路，且位于变压器11之一次侧111。第一压电震荡器31与第 二压电震荡器32系分别透过第一谐振电感51与第二谐振电感52接收脉波电压，由于第一 谐振电感51与第二谐振电感52具有储能功效，因此可提供第一压电震荡器31与第二压电 震荡器32更高的电压。当谐振电路谐振时，能产生压电效应而提升电容量并输出至一次侧 111，其用以提供外部负载的较大功率输出。此外，变压器11可为无中心抽头之设计，如图6 所示，为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第五实施例示意图，变压器11之二 次侧112两端分别连接于二二极管D1、D2，用以将交流电压变换为直流电压，再由压电电容 13输出直流电压至外部负载运作。请一并参阅图5及图7，图7为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第六 实施例示意图，其与图5之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之处在于使 用一颗谐振电感51串联连接于一颗压电震荡器31以形成一半桥谐振电路，且位于变压器 11之一次侧111。当谐振电路谐振时，能产生压电效应而提升电容量并输出至一次侧111， 其用以提供外部负载的较小功率输出。此外，变压器可为无中心抽头之设计，如图8所示， 为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第七实施例示意图，变压器11之二次侧
7112两端分别连接于二二极管D1、D2，用以将交流电压变换为直流电压，再由压电电容13输 出直流电压至外部负载运作。请一并参阅图6及图9，图9为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之第 八实施例示意图，其与图6之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之处在于 将图6的第一压电震荡器31与第二压电震荡器32合并为一个绝缘型压电震荡器91代替 使用为例，当然，绝缘型压电震荡器91可视需求来合并更多颗压电震荡器使用。请参阅图 10A,为绝缘型压电震荡器91之等效电路，其系将两个图2B所绘示之等效电路合并，因此， 可以产生第一输入端911、第二输入端912与第一输出端913、第二输出端914。接续，请参阅图10B，为绝缘型压电震荡器91之结构剖视图，包含基材92、至少一 第一上电极93、至少一第一下电极94、至少一第二上电极95及至少一第二下电极96。基 材92系为陶瓷材料所构成，具有上表面与下表面，第一上电极93设置于基材92之上表面， 而第一下电极94设置于基材92之下表面，并与第一上电极93对称，由第一输入端911接 收一脉波电压至第一上电极93，并经过内部压电效应而提升电容量，再由第一下电极94输 出，其为第一输出端913。换言之，由第二输入端912接收一脉波电压至第二上电极95设置 于基材92之上表面，而第二下电极96设置于基材92之下表面，并与第二上电极95对称， 第二上电极95接收一脉波电压并经过内部压电效应而提升电容量，再由第二下电极96输 出，其为第二输出端914。由于第一上、下电极93、94之间与第二上、下电极95、96之间基材 分别通该直流电压而予以极化，极化后具有正负极性，而中间未极化的部分仍会保持陶瓷 材料的特性，因此不具备有极性，当直流电压通过时，则会呈绝缘状态。接续，本实施例再利 用第一谐振电感51与第二谐振电感52分别连接于绝缘型压电容91之第一输入端911与 第二输入端912，以形成一全桥谐振电路，且位于变压器11之一次侧111。其中，当谐振电 路谐振时，能使绝缘型压电容91之第一输入端911与第二输入端912分别连接于与第一谐 振电感51与第二谐振电感52，以产生压电效应而提升电容量，绝缘型压电容91之第一输出 端913、第二输出端914系连接于一次侧111两端，使一次侧111具有压电转换后的高交流 电压，用以提供外部负载的较大功率输出。此外，如图11所示，为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第九实施例 示意图，利用一第一谐振电感51连接于绝缘型压电容91以形成一半桥谐振电路，且位于变 压器11之一次侧111。当谐振电路谐振时，能使绝缘型压电容91产生压电效应而提升电容 量并输出至一次侧111，其用以提供外部负载的较小功率输出。由上述实施例可知，均为一个电压输出至外部负载运作，若输入之电压讯号较大 时，可设计二个输出以上，换言之，则需搭配二个以上的中心抽头与二个以上滤波整流电 路，以提供两个以上的电压输出至外部负载运作。请参阅图12为本发明应用于半桥式交流转交流之电源转换器之第十实施例示意 图，其与图1不同之处在于，本实施例系应用于交流转交流之电源转换器，而图1之实施例 系为交流转直流之电源转换器，故变压器11之二次侧112不需要输出滤波整流电路来将 交流电压转换为直流电压之动作。交流转交流之电源转换器包含变压器11及至少一第一 压电组件，其中，变压器11具有一次侧111和二次侧112。利用变压器11之一次侧作为电 感使用，并与第一压电组件连接以形成一半桥谐振电路，而第一压电组件系利用本身所具 有的电容特性作为一压电震荡器12使用，且用以取代传统电源转换器中的电容器。其中，
8本实施例所揭露之压电震荡器12，其结构与等效电路请分别参阅图2A及图2B。本实施例 可利用变压器11之一次侧111作为电感使用以形成一半桥谐振电路，当谐振电路谐振时， 压电震荡器12用以储存电能且具有压电特性，可以调整功率因素再将功率输出，通电变形 时会产生逆压电效应，变形后会产生正压电效应，而其正、逆压电效应的转换将会生成正电 荷，使电压放大，而具有放大电压的效果，以达到大功率输出的功效，其中，等效电路中的等 效电容之力学特性Cb值约为电特性Ca值的3倍电容量，将Ca值与Cb值的电容量相加，如 此使压电震荡器12具有高电容量(Q = C*V)，故可提供倍数增加的输出功率，进而提高效率 能量转换的功效。请一并参阅图12及图13。图13为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器 之第十一实施例示意图，其与图12之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之 处在于具有二第一压电组件，其利用本身所具有的电容特性作为第一压电震荡器31与第 二压电震荡器32使用，且位于变压器11之一次侧111，利用变压器11之一次侧作为电感 使用以形成一全桥谐振电路，第一压电震荡器31与第二压电震荡器32分别连接于一次侧 111两端，第一压电震荡器31与第二压电震荡器32系接收脉波电压。当谐振电路谐振时， 使其产生压电效应而提升电容值并输出至一次侧111，比运用一颗压电震荡器更能提高功 率之输出。请一并参阅图13及图14。图14为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器 之第十二实施例示意图，其与图13之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之 处在于变压器11具有至少一中心抽头41，且位于二次侧112中间，而中心抽头41至两端 点的电压相等，使其有两组输出电压，用以提供外部负载的较大功率输出。此外，请参阅图 15，为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第十三实施例示意图，变压器11具有 至少一中心抽头41，且位于二次侧112中间，而中心抽头41至两端点的电压相等，使其有两 组输出电压，用以提供外部负载的较小功率输出。请一并参阅图14及图16。图16为本发明应用于全桥输入之压电式电源转换器之 第十四实施例示意图，其与图14之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之处 在于包含第一谐振电感51与第二谐振电感52，其分别对应串联第一压电震荡器31与第二 压电震荡器32以形成一全桥谐振电路，且位于变压器11之一次侧111。第一压电震荡器 31与第二压电震荡器32系分别透过第一谐振电感51与第二谐振电感52接收脉波电压，由 于二谐振电感51、52具有储能功效，因此可提供二压电震荡器31、32更高的电压。当谐振 电路谐振时，能产生压电效应而提升电容值并输出至一次侧111，其用以提供外部负载的较 大功率输出。此外，变压器11可为无中心抽头之设计，如图17所示，为本发明应用于全桥 输入之压电式电源转换器之第十五实施例示意图，变压器11之一次侧111感应二次侧112， 并由二次侧112输出交流电压，其用以提供外部负载的较大功率输出。请一并参阅图15及图18，图18为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之 第十六实施例示意图，其与图15之实施例雷同，雷同之处便不再多加赘述。其中，不同之处 在于使用一颗第一谐振电感51串联连接于一颗第一压电震荡器31以形成一半桥谐振电 路，且位于变压器11之一次侧111。当谐振电路谐振时，能产生压电效应而提升电容值并输 出至一次侧111，其用以提供外部负载的较小功率输出。此外，变压器11可为无中心抽头 之设计，如图19所示，为本发明应用于半桥输入之压电式电源转换器之第十七实施例示意
9图，变压器11之一次侧111感应二次侧112，并由二次侧112输出交流电压，其用以提供外 部负载的较小功率输出。由上述实施例可知，均为一个电压输出至外部负载运作，若输入之电压讯号较大 时，可设计二个输出以上，换言之，则需搭配二个以上的的中心抽头，以提供两个以上的电 压输出至外部负载运作。以上所述之实施例仅系为说明本发明之技术思想及特点，其目的在使熟习此项技 艺之人士能够了解本发明之内容并据以实施，当不能以之限定本发明之专利范围，即大凡 依本发明所揭示之精神所作之均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明之专利范围内。
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权利要求
一种压电式电源转换器，其包含一变压器，具有一次侧和二次侧；至少一第一压电组件，系一端连接于该一次侧，另一端系接收一脉波电压并输出至该一次侧；及至少一第二压电组件，系位于该二次侧，且用来输出一直流电压至外部负载运作。
2.如申请专利范围第1项所述之压电式电源转换器，其中该第二压电组件系为一压电 电容。
3.如申请专利范围第1项所述之压电式电源转换器，其中该第一压电组件系为一压电震荡器。
4.如申请专利范围第3项所述之压电式电源转换器，其中该压电震荡器包含有一基材 及二导电层，该基材具有上表面与下表面，该二导电层分别形成于该上表面与下表面，而构 成该压电震荡器之两极。
5.如申请专利范围第4项所述之压电式电源转换器，其中该基材之形状系为圆形、方 形或矩形。
6.如申请专利范围第1项所述之压电式电源转换器，其中该第一压电组件系为一绝缘 型压电震荡器。
7.如申请专利范围第6项所述之压电式电源转换器，其中该绝缘型压电震荡器包含 基材、至少一第一上电极、至少一第一下电极、至少一第二上电极及至少一第二下电极，该 基材系为陶瓷材料所构成，具有上表面与下表面，该第一上电极设置于该基材之上表面，而 该第一下电极设置于该基材之下表面，并与该第一上电极对称，该第二上电极设置于该基 材之上表面，而该第二下电极设置于该基材之下表面，并与该第二上电极对称，其中该第一 上、下电极之间与该第二上、下电极之间基材分别通该脉波电压而予以极化，而中间没有频 率之输入电压时，则中间未极化的部分会呈绝缘状态。
8.如申请专利范围第1项所述之压电式电源转换器，更包含一谐振电感，其串联连接 于该第一压电组件以形成一半桥谐振电路，且位于该变压器之该一次侧。
9.如申请专利范围第8项所述之压电式电源转换器，更包含二该谐振电感，其对应串 联连接于二该第一压电组件以形成一全桥谐振电路，且位于该变压器之该一次侧。
10.如申请专利范围第9项所述之压电式电源转换器，其中该全桥谐振电路包含该二 谐振电感与该第一压电组件，且该二谐振电感分别串联连接于该第一压电组件。
11.如申请专利范围第1项所述之压电式电源转换器，更包含二二极管与一滤波电感， 该滤波电感一端连接于该二二极管，另一端连接于该第二压电组件以形成一滤波整流电 路，且位于该变压器之该二次侧。
12.如申请专利范围第1项所述之压电式电源转换器，其中该变压器具有至少一中心 抽头，其位于该二次侧中间以使其两端电压相等。
13.—种压电式电源转换器，应用于交流转交流之转换器，其包含一变压器，具有一次侧和二次侧；及至少一第一压电组件，系一端连接于该一次侧，另一端系接收一脉波电压并输出至该 一次侧，并由该二次侧输出该交流电压至一外部负载运作。
14.如申请专利范围第13项所述之压电式电源转换器，其中该第一压电组件系为一压2电震荡器。
15.如申请专利范围第14项所述之压电式电源转换器，其中该压电震荡器包含有一基 材及二导电层，该基材具有上表面与下表面，该二导电层分别形成于该上表面与下表面，而 构成该压电震荡器之两极。
16.如申请专利范围第15项所述之压电式电源转换器，其中该基材之形状系为圆形、 方形、矩形或其它几何形状。
17.如申请专利范围第13项所述之压电式电源转换器，其中该第一压电组件系为一绝 缘型压电震荡器。
18.如申请专利范围第17项所述之压电式电源转换器，其中该绝缘型压电震荡器包含 基材、至少一第一上电极、至少一第一下电极、至少一第二上电极及至少一第二下电极，该 基材系为陶瓷材料所构成，具有上表面与下表面，该第一上电极设置于该基材之上表面，而 该第一下电极设置于该基材之下表面，并与该第一上电极对称，该第二上电极设置于该基 材之上表面，而该第二下电极设置于该基材之下表面，并与该第二上电极对称，其中该第一 上、下电极之间与该第二上、下电极之间基材分别通该脉波电压而予以极化，而中间没有频 率之输入电压时，则中间未极化的部分会呈绝缘状态。
19.如申请专利范围第13项所述之压电式电源转换器，更包含一谐振电感，其连接于 该第一压电组件以形成一半桥谐振电路，且位于该变压器之该一次侧。
20.如申请专利范围第19项所述之压电式电源转换器，更包含二该谐振电感，其对应 连接于二该第一压电组件以形成一全桥谐振电路，且位于该变压器之该一次侧。
21.如申请专利范围第13项所述之压电式电源转换器，其中该变压器具有至少一中心 抽头，其位于该二次侧中间以使其两端电压相等。全文摘要
本发明系揭露一种压电式电源转换器，其系利用压电组件取代传统电容器，由于压电组件比传统电容器包含更高的电容量，且能够在通电变形时产生逆电压效应，变形后产生正压电效应，如此会有正电荷产生，具有放大电压效果而达到大功率输出，因此，可改善传统电容器低电压、漏电流大及小功率输出的缺点。
文档编号H02M7/04GK101924479SQ200910147558
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月16日 优先权日2009年6月16日
发明者魏道金 申请人:金威贸易有限公司;威远科技股份有限公司