功率转换器与稳定电压增益的方法
【专利摘要】一种功率转换器与稳定电压增益的方法在此揭露。功率转换器包含原边补偿电容、变压器与副边补偿电容。原边补偿电容用以自一第一开关电路接收第一交流电压。变压器用以接收第一交流电压而产生第二交流电压。副边补偿电容用以传送第二交流电压至第二开关电路以产生直流输出电压。第一开关电路的操作频率设置于0.8×fa至1.2×fb之间，且fb至多为1.5倍的fa。其中原边补偿电容与变压器中的原边漏感对应于第一谐振频率，副边补偿电容与变压器中的副边漏感对应于第二谐振频率，fa为第一与第二谐振频率中的较低者，fb为第一与第二谐振频率中的较高者。
【专利说明】功率转换器与稳定电压增益的方法
【技术领域】
[0001] 本发明是有关于一种转换器，且特别是有关于具有稳定电压增益的转换器与方 法。
【背景技术】
[0002] 现今无线电力传输技术已应用在许多领域，例如电动汽车、消费性电子产品等等。 无线电力传输技术是透过电磁感应原理来实现能量传递。
[0003] 请参照图1A，图1A绘示一种已知转换器100的示意图。如图1A所示，已知的转换 器100包含变压器120、全桥逆变电路140以及桥式整流器160。变压器120由原边绕组Np 与副边绕组Ns耦合而成，且两者的互感为M，其中原边绕组的感值为L1 (以下称此为原边电 感），副边绕组Ns的感值为L2 (以下称此为副边电感）。全桥逆变电路140将直流输入电 压Vin转换成交流电压VAC后传送至变压器120,再传递至桥式整流器160,以产生直流输 出电压。再者，由于原边绕组Np与副边绕组Ns之间常存在较大的气隙，而使变压器 120产生较大的漏感，已知的转换器100常包含原边补偿电容Cp以及副边补偿电容Cs，以 补偿变压器的漏感。
[0004] 请参照图1B至图1E，图1B绘示已知转换器100的电压增益在不同负载下与工作 频率的关系曲线图，图1C绘示已知转换器100的输入阻抗在不同负载下与工作频率关系曲 线图，图1D绘示已知转换器100的电压增益Av在不同耦合系数k下与工作频率的关系曲 线图，图1E绘示已知转换器100的输入阻抗在不同耦合系数k下与工作频率关系曲线图。 其中，在图1B至图1E中的工作频率为转换器100的工作频率fo与原边电感L1与原边补 偿电容Cp对应的谐振频率的比值，在图1B与图1D中的电压增益Av为图1A中的直流输出 电压V d。，wt与直流输入电压Vin的比值，而在图1C与图1E中的Req为转换器100的输入阻 抗的虚部与实部的比值。
[0005] 如图1B至图1E所示，一般而言，转换器100的工作频率fo会设置于原边电感L1 与原边补偿电容Cp的谐振频率，以使输入阻抗呈现纯阻性，进而降低无功功率。然而，随着 负载或耦合系数k产生变化，转换器100的电压增益Av会产生过大的变化，导致电路内部 元件上的压差变化很大，此时必须选择耐高压的元件来提高操作的安全性，因此造成转换 器的成本增加。另外，电压增益Av的变化亦对转换器的转换效率造成较大的影响。
[0006] 因此，如何能在不同负载与不同耦合系数的情况下，有效地稳定转换器的电压增 益，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域亟需改进的目标。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种功率转换器与稳定电压增益的方法。
[0008] 为解决上述问题，本发明的一方面提供一种功率转换器。功率转换器包含原边补 偿电容、变压器与副边补偿电容。原边补偿电容用以自第一开关电路接收第一交流电压。变 压器包含原边绕组与副边绕组，其中变压器用以接收第一交流电压而产生第二交流电压， 变压器的原边绕组电性串接至原边补偿电容。副边补偿电容电性串接于变压器的副边绕 组，并用以传送第二交流电压至第二开关电路以产生直流输出电压。其中，第一开关电路的 操作频率设置于〇. 8X fa至1. 2Xfb之间，且fb至多为1. 5倍的fa，其中原边补偿电容与 变压器中的等效原边漏感对应于第一谐振频率，副边补偿电容与变压器中的等效副边漏感 对应于第二谐振频率，其中fa为第一谐振频率与第二谐振频率中的较低者，fb为第一谐振 频率与第二谐振频率中的较高者，借此使功率转换器的电压增益在空载时至多为满载时的 两倍。
[0009] 根据本发明的一实施例，其中前述的功率转换器还包含检测电路与控制电路。检 测电路用以根据直流输出电压产生控制信号。控制电路用以根据控制信号控制第一开关电 路的操作频率，借此在变压器的耦合系数产生变化时，使第一开关电路的操作频率设置于 0? 8Xfa 至 1. 2Xfb。
[0010] 根据本发明的一实施例，其中前述的第一开关电路为逆变电路，并用以根据直流 输入电压产生第一交流电压。
[0011] 根据本发明的一实施例，其中前述的第一开关电路包含一桥臂。桥臂包含两个电 性串接的切换单元。
[0012] 根据本发明的一实施例，其中前述的第二开关电路为整流电路，用以根据交流电 压产生直流输出电压。
[0013] 根据本发明的一实施例，其中前述的第二开关电路包含一桥臂。桥臂包含两个电 性串接的切换单元。
[0014] 根据本发明的一实施例，其中当副边绕组的感值为原边绕组的感值的N倍时，副 边补偿电感的容值设置为原边补偿电感的容值的1/N倍，其中N>0。
[0015] 根据本发明的一实施例，其中前述的第一开关电路的操作频率更设置于〇.94Xfa 至1. 065Xfb之间，以使功率转换器的电压增益在空载时至多为满载时的1. 2倍。
[0016] 本发明的另一方面提供一种稳定电压增益的方法，此方法适用一功率转换器，此 功率转换器包含原边补偿电容、变压器与副边补偿电容，其中原边补偿电容电性串接变压 器中的原边绕组，副边补偿电容电性串接变压器中的副边绕组。稳定电压增益的方法包含 下列步骤：（1)自一开关电路产生第一交流电压至原边补偿电容，借此产生第二交流电压 至副边补偿电容；（2)根据第二交流电压产生直流输出电压；以及（3)根据此直流输出电 压调整开关电路，以使开关电路的操作频率设置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb之间，且fb至多为 1. 5 Xfa，其中原边补偿电容与变压器中的等效原边漏感对应于第一谐振频率，副边补偿电 容与变压器中的等效副边漏感对应于第二谐振频率，其中fa为第一谐振频率与第二谐振 频率中的较低者，fb为第一谐振频率与第二谐振频率中的较高者，借此使功率转换器的一 电压增益在空载时至多为满载时的两倍。
[0017] 根据本发明的一实施例，其中更提供直流输入电压至开关电路，借此产生第一交 流电压。其中开关电路包含逆变电路，且逆变电路包含桥臂，且桥臂包含两个电性串接的切 换单元。
[0018] 根据本发明的一实施例，其中前述产生直流输出电压的步骤更提供第二交流电压 至整流电路，借此产生直流输出电压。
[0019] 根据本发明的一实施例，其中当副边绕组的感值为原边绕组的感值的N倍时，将 副边补偿电容的容值设置为原边补偿电容的容值的1/N倍，其中N>0。
[0020] 根据本发明的一实施例，其中更将开关电路的操作频率设置于0.94Xfa至 1. 065Xfb之间，以使功率转换器的电压增益在空载时至多为满载时的1. 2倍。
[0021] 综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。通过 上述技术方案，可达到相当的技术进步，并具有产业上的广泛利用价值，本发明所示的功率 转换器在不同负载与不同耦合系数k的情况下可具有稳定的电压增益，借此可在各种操作 环境中可具有一定的操作安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说 明如下：
[0023] 图1A绘示一种已知转换器100的示意图；
[0024] 图1B绘示已知转换器100的电压增益在不同负载下与工作频率的关系曲线图；
[0025] 图1C绘示已知转换器100的输入阻抗在不同负载下与工作频率关系曲线图；
[0026] 图1D绘示已知转换器100的电压增益Av在不同耦合系数k下与工作频率的关系 曲线图；
[0027] 图1E绘示已知转换器100的输入阻抗在不同耦合系数K下与工作频率关系曲线 图；
[0028] 图2根据本发明的一实施例绘不一种功率转换器200的不意图；
[0029] 图3A根据本发明的一实施例绘不一种功率转换器300的不意图；
[0030] 图3B是依照本发明的一实施例绘示功率转换器300的等效电路图；
[0031] 图3C根据本发明的一实施例绘示功率转换器300的电压增益Av在不同负载下与 工作频率的关系曲线图；
[0032] 图4A绘示功率转换器300的电压增益Av在不同耦合系数k下与工作频率的关系 曲线图；
[0033] 图4B根据本发明的一实施例绘不一种功率转换器400的不意图；以及
[0034] 图5根据本发明的一实施例绘示一种稳定电压方法500的方法流程图。
【具体实施方式】
[0035] 下文是举实施例配合所附附图作详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发 明所涵盖的范围，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结 构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并 未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件将以相同的符号标示来说明。
[0036] 关于本文中所使用的"第一"、"第二"、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦 非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
[0037]另外，关于本文中所使用的"耦接"或"连接"，均可指二或多个元件相互直接作实 体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指二或多个元件相互操作或动作。
[0038] 请参照图2,图2根据本发明的一实施例绘示一种功率转换器200的示意图。如图 2所示，功率转换器200包含原边补偿电容Cp、变压器220与副边补偿电容Cs。原边补偿 电容Cp电性串接至变压器220的原边绕组Np，且原边补偿电容Cp还用以自开关电路200a 接收交流电压VAC。变压器220根据交流电压VAC而产生交流电压VAC2。副边补偿电容Cs 电性串接至变压器220的副边绕组Ns。副边补偿电容Cs更用以传送交流电压VAC2至开 关电路200b以产生直流输出电压VOUT。前述的开关电路200a的操作频率(亦即交流电压 VAC的频率）设置于0. 8X fa至1. 2Xfb之间，其中原边补偿电容Cp与变压器220中的等 效原边漏感对应于第一谐振频率，而副边补偿电容Cs与变压器220中的等效副边漏感对应 于第二谐振频率，其中fa为第一谐振频率与第二谐振频率中的较低者，fb为第一谐振频率 与第二谐振频率中的较高者，借此可使功率转换器200的电压增益Av在空载时至多为满载 时的两倍。如此，相较于先前技术中将工作频率设置于原边电感L1与原边补偿电容Cp的 谐振频率的转换器，透过将交流电压VAC的频率设置于0. 8Xfa至1. 2Xfb之间可使电压 增益Av更为稳定。
[0039] 以下段落将提出数个应用功率转换器200的实施例，来说明上述的功能与应用， 但本发明并不仅以下所列的实施例为限。
[0040] 请参照图3A，图3A根据本发明的一实施例绘示一种功率转换器300的示意图。如 图3A所示，其中变压器220的原边绕组Np的感值为L1 (下称为原边电感L1)，副边绕组Ns 的感值为L2 (下称为副边电感L2)。此外，前述的开关电路200a可为各类型的逆变电路。 且开关电路200a包含一桥臂，且桥臂包含两个电性串接的切换单元。例如，如图3A所示，开 关电路200a可为由开关S1?S4所构成的全桥逆变电路。其中开关S1与开关S3组成一 桥臂，且开关S2与开关S4组成另一桥臂。前述的开关电路200b可为各类型的整流电路。 相似地，开关电路200b亦包可含一桥臂，且桥臂包含两个电性串接的切换单元。例如，如图 3A所示，开关电路200b可为由二极管D1?D4所构成的桥式整流器，其中二极管D1与二极 管D3组成一桥臂，二极管D2与二极管D4组成另一桥臂。上述的开关电路200a、200b仅为 例示，熟悉本领域的技术人员可视实际需求选择合适的电路架构，本发明并不以此为限。
[0041] 在操作上，开关电路200a用以根据直流输入电压VIN产生交流电压VAC。原边补 偿电容Cp电性串接于原边绕组Np，并接收交流电压VAC。副边补偿电容Cs电性串接于副 边绕组Ns，变压器220根据交流电压VAC而于副边绕组Ns产生交流电压VAC2。开关电路 200b用以根据此交流电压VAC2产生直流输出电压V0UT。
[0042] 具体而言，在此实施例中，通过调整开关S1?S4(即开关电路200a)的操作频率 于0. 8Xfa至1. 2Xfb之间，可将交流电压VAC的频率设置于0. 8Xfa至1. 2Xfb之间，以 使功率转换器300可具有较稳定的电压增益Av。
[0043] 请参照图3B，图3B是依照本发明的一实施例绘示功率转换器300的等效电路图。 在图3B中是将图3A中的开关电路200a等效为交流电压VAC，而开关电路200b与输出所 接负载等效成RL，其中假设原边电感L1与原边补偿电容Cp的谐振频率与副边电感L2与 副边补偿电容Cs的谐振频率相等，亦即
【权利要求】
1. 一种功率转换器，其特征在于，包含： 一原边补偿电容，用以自一第一开关电路接收一第一交流电压； 一变压器，包含一原边绕组及一副边绕组，并用以接收该第一交流电压而产生一第二 交流电压，该变压器的该原边绕组电性串接至该原边补偿电容；以及 一副边补偿电容，电性串接于该变压器的该副边绕组，并用以传送该第二交流电压至 一第二开关电路以产生一直流输出电压， 其中，该第一开关电路的操作频率设置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb之间，且fb至多为1. 5 倍的fa，其中该原边补偿电容与该变压器中的一等效原边漏感对应于一第一谐振频率，该 副边补偿电容与该变压器中的一等效副边漏感对应于一第二谐振频率，fa为该第一谐振频 率与该第二谐振频率中的较低者，fb为该第一谐振频率与该第二谐振频率中的较高者，借 此使该功率转换器的电压增益在空载时至多为满载时的两倍。
2. 根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，还包含： 一检测电路，用以根据该直流输出电压产生一控制信号；以及 一控制电路，用以根据该控制信号控制该第一开关电路的操作频率，借此在该变压器 的一耦合系数产生变化时，使该第一开关电路的操作频率设置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb。
3. 根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，该第一开关电路为一逆变电路，用 以根据一直流输入电压产生该第一交流电压。
4. 根据权利要求3所述的功率转换器，其特征在于，该第一开关电路包含一桥臂，其中 该桥臂包含两个电性串接的切换单元。
5. 根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，该第二开关电路为一整流电路，用 以根据该第二交流电压产生该直流输出电压。
6. 根据权利要求5所述的功率转换器，其特征在于，该第二开关电路包含一桥臂，其中 该桥臂包含两个电性串接的切换单元。
7. 根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，当该副边绕组的感值为该原边绕 组的感值的N倍时，该副边补偿电感的容值设置为该原边补偿电感的容值的1/N，其中N>0。
8. 根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的功率转换器，其特征在于，该第一开关 电路的操作频率更设置于〇. 94Xfa至1. 065Xfb之间，以使该功率转换器的电压增益在空 载时至多为满载时的1. 2倍。
9. 一种功率转换器，其特征在于，包含： 一第一开关电路，用以根据一直流输入电压产生一第一交流电压； 一原边补偿电容，用以接收该第一交流电压； 一变压器，包含一原边绕组与一副边绕组，其中该原边绕组电性串接于该原边补偿电 容，该副边绕组用以根据该第一交流电压产生一第二交流电压； 一副边补偿电容，电性串接于该副边绕组， 一第二开关电路，用以根据该第二交流电压产生一直流输出电压； 一检测电路，用以根据该直流输出电压产生一控制信号；以及 一控制电路，用以根据该控制信号控制该第一开关电路的操作频率，借此使该第一开 关电路的操作频率设置于〇. 8Xfa至1. 2Xfb之间，且fb至多为1. 5倍的fa，其中该原边 补偿电容与该变压器中的一等效原边漏感对应于一第一谐振频率，该副边补偿电容与该变 压器中的一等效副边漏感对应于一第二谐振频率，fa为该第一谐振频率与该第二谐振频率 中的较低者，fb为该第一谐振频率与该第二谐振频率中的较高者，借此使该功率转换器的 一电压增益在空载时至多为满载时的两倍。
10. 根据权利要求9所述的功率转换器，其特征在于，该第一开关电路的操作频率更设 置于0. 94Xfa至1. 065Xfb之间，以使该功率转换器的电压增益在空载时至多为满载时的 1.2 倍。
11. 一种稳定电压增益的方法，其特征在于，适用于一功率转换器，该功率转换器包含 一原边补偿电容、一变压器与一副边补偿电容，其中该原边补偿电容电性串接该变压器中 的一原边绕组，该副边补偿电容电性串接该变压器中的一副边绕组，该稳定电压增益的方 法包含： 自一开关电路产生一第一交流电压至该原边补偿电容，借此产生一第二交流电压至该 副边补偿电容； 根据该第二交流电压产生一直流输出电压；以及 根据该直流输出电压调整该开关电路，以使该开关电路的操作频率设置于〇. 8Xfa至 1. 2Xfb之间，且fb至多为1. 5Xfa， 其中该原边补偿电容与该变压器中的一等效原边漏感对应于一第一谐振频率，该副边 补偿电容与该变压器中的一等效副边漏感对应于一第二谐振频率，fa为该第一谐振频率与 该第二谐振频率中的较低者，fb为该第一谐振频率与该第二谐振频率中的较高者，借此使 该功率转换器的一电压增益在空载时至多为满载时的两倍。
12. 根据权利要求11所述的稳定电压增益的方法，其特征在于，还包含： 提供一直流输入电压至该开关电路，借此产生该第一交流电压，其中该开关电路包含 一逆变电路，且该逆变电路包含一桥臂，其中该桥臂包含两个电性串接的切换单元。
13. 根据权利要求11所述的稳定电压增益的方法，其特征在于，其产生该直流输出电 压的步骤还包含： 提供该第二交流电压至一整流电路，借此产生该直流输出电压。
14. 根据权利要求11所述的稳定电压增益的方法，其特征在于，还包含： 当该副边绕组的感值为该原边绕组的感值的N倍时，将该副边补偿电容的容值设置为 该原边补偿电容的容值的1/N，其中N>0。
15. 根据权利要求11至14中任一项权利要求所述的稳定电压增益的方法，其特征在 于，还包含： 将该开关电路的操作频率设置于〇. 94Xfa至1. 065Xfb之间，以使该功率转换器的电 压增益在空载时至多为满载时的1. 2倍。
【文档编号】H02M3/28GK104377959SQ201310360095
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】言超, 张伟强, 徐立智, 李新磊 申请人:台达电子企业管理（上海）有限公司