TWI530070B - 突波電流限制裝置及方法 - Google Patents

Description

突波電流限制裝置及方法

本發明係關於一種電流控制裝置；特別關於一種電力裝置，該裝置係利用電力開關本身的特性與控制器，改善習知之突波電流控制技術並且降低其功率損耗。

習知技術一主要是由一電阻性元件及一機械繼電器並聯組成，其藉由與輸入交流電源串接，使得該電阻性元件可以產生電流抑制之功效，之後再將其機械繼電器導通以降低功率損耗。因其架構簡單成本低廉，故被廣泛的使用。然而其繼電器之壽命並不如一般電子元件長，除有失效風險外，繼電器本身仍然耗費一定程度的功率，故對整體而言，所能減少的功率損耗有限。

習知技術二主要是由一電阻性元件及一矽控整流器並聯組成，使得該電阻性元件可以產生電流抑制之功效，之後再將其矽控整流器導通，以降低功電阻性元件之損耗。然而其矽控整流器之導通損失並不如一般整流器小，其所能減少的功率損耗有其限制，故會限制整體效率。

已知之突波電流限制裝置，因元件的非理想特性及非理想 的線路設計，除能提供有限的突波電流抑制外，其功率消耗仍大，且當輸入電壓異常升高時，並無法保護電路上的元件。因此，需要發展一能更進一步降低突波電流、降低功率消耗以及當異常電壓輸入時可保護元件之突波電流限制裝置。

本發明之突波電流限制電路裝置係包括：一與轉換器電路串連之電力開關及一控制該電力開關之控制器。其控制器的控制方法係控制該電力開關於轉換器啟動過程時操作在線性區以限制突波電流且在轉換器啟動完成時操作在飽和區以減少損失。

第一圖：習知具突波電流抑制之交換式電源供應器

10‧‧‧突波電流限制裝置

11‧‧‧輸入電壓轉換單元

12‧‧‧輸出電壓轉換單元

101‧‧‧第一直流儲能電容

Vac1‧‧‧交流輸入電壓

Vdc1‧‧‧直流輸入電壓

Vdc11‧‧‧第一直流電壓

Vdc12‧‧‧第二直流電壓

Vac12‧‧‧第二交流電壓

第二圖：習知技術於開機瞬間中之輸入電壓及突波電流示意圖

Vin‧‧‧輸入電壓

Iin‧‧‧輸入電流

第三圖：本發明之突波電流限制裝置的交換式電源供應器

30‧‧‧輸入電壓轉換器

311‧‧‧輸出電壓轉換器

31‧‧‧突波電流限制裝置

312‧‧‧電力開關

313‧‧‧控制器

Vac3‧‧‧交流輸入電壓

Vdc0‧‧‧直流輸入電壓

Vdc31‧‧‧第一直流電壓

Vdc32‧‧‧第二直流電壓

Vac32‧‧‧第二交流電壓

第四圖：突波電流限制裝置之控制器具體實施例

40‧‧‧電壓偵測

41‧‧‧磁滯比較器

42‧‧‧線性區線性電壓控制產生器

第五圖：突波電流限制控制方法的電壓及時序示意圖

Vi51‧‧‧第一臨界電壓

Vi52‧‧‧第二臨界電壓

第一圖為習知突波電流限制裝置交換式電源供應器之電路架構示意圖；第二圖為習知技術於開機瞬間中之輸入電壓及突波電流示意圖；第三圖為本發明之突波電流限制裝置示意圖；第四圖為本發明所提之該電力開關控制單元具體實施例；第五圖為本發明所提之該電力開關控制單元控制方法之時序與參考電壓示意圖；

請參閱第一圖，第一圖為習知突波電流限制器之電源供應器之電路架構示意圖，一般而言，主要是由突波電流限制裝置10、輸入電壓轉換單元11、儲能電容101及輸出電壓轉換單元12，其中突波電流限制裝置10其作用乃是在於電壓輸入瞬間，儲能電容101尚未建立起任何電壓 前，限制電流大小的裝置。而輸入電壓轉換單元11則將輸入之交流或直流升壓轉換成第一直流電壓Vdc11並儲存在儲能電容101。而電壓轉換單元11後級所串接之輸出電壓轉換單元12乃將電壓轉換單元11所輸出之高壓直流電壓Vdc11轉換為所需的第二直流電壓Vdc12如5V、12V、48Vc或第二交流電壓Vac12如1500Vac、3000Vac或其他規格電壓等。

其中突波電流限制裝置10所採用的架構，目前在交換式電源供應器中常使用繼電器(relay)或矽控整流器(silicon controlled rectifier)並聯一電阻性元件當作限流使用如：負溫度係數電阻(NTC)或一固定式電阻。繼電器因控制方式簡單成本低，故被廣泛的使用。其為了達到抑制突波電流的效果，在輸入電壓建立期間繼電器或矽控整流器為截止狀態，使得電流流經該限流電阻，從而限制突波電流。而當第一直流電壓Vdc11建立後，則轉變為導通狀態，使得限流電阻上面的功率消耗降低。另外矽控整流器的控制動作與繼電器相似，惟其切換速度較繼電器快，可以取代部分橋式整流器的功能。

請參閱第二圖，第二圖為習知技術於開機瞬間中之輸入電壓及突波電流示意圖。當第一直流電壓Vdc11建立期間，其最高突波電流為限流電阻所控制，其阻值越大，瞬間電流越低，然而其瞬間功率也越大，故其元件尺寸也需要增加，目前架構下之經濟尺寸之突波電流約為30A。另外繼電器及矽控整流器皆含有非理想特性，繼電器內含之導通阻抗及矽控整流器之順向壓降較一般二極體高使得正常工作時的電流仍會產生不必要的功率損耗。故在習知之架構下，功率損耗可以到達2W左右。

緣是，本創作人有感上述缺失之改善，乃特潛心研究並配合學理，提出一根據線路分析，以系統化整合思考方式，可在不用增加元件尺寸下大幅度降低突波電流並提升整體效率之創作。

本發明之用途係為改善習知交換式電源供應器之突波電流問題、提高系統效率並可在輸入異常高電壓時保護線路元件。

第三圖為具有本發明之突波電流限制裝置的交換式電源供應器，包括：一輸入電壓轉換單元、一儲能電容、一輸出電壓轉換單元、一電力開關及一控制器。同時視系統及規格需求，該輸入電壓轉換器可使用功率因素校正器或倍壓整流器，其中該功率因素校正器具功率因素修正及產生預調節電壓Vdc31的功能，而倍壓整流則可視輸入情況切換以達到倍壓整流Vdc31。

該儲能電容301用於將輸入電壓轉換單元的能量儲存於其上，並提供輸出電壓轉換單元之用。該輸出電壓轉換單元用於將Vdc31以採用工作周期調整或頻率調整方式，依據負載狀況調節及穩定輸出第二直流Vdc32或第二交流Vac32。

該電力開關312係利用電力電子開關特性，使其分別在開機期間操作在大阻抗的線性區，開機後正常工作期間操作在短路區，以及輸入過電壓保護時的開路區。利用其本身低導通阻抗的特性及線路設計達到降低消耗功率的目的。

該控制器313係接收輸入電壓信號未達開機電壓準位前，控制該電力開關312在開路狀態。而在輸入電壓信號到達第一參考電壓Vi51 時，產生一線性上升之控制電壓，使得該電力開關能工作在高阻抗區或稱為線性區，從而大幅度的降低突波電流至2A。而當控制電壓到達穩定時，使得該電力開關全導通，因為本發明的設計，使得該正常工作電壓所產生的功率損耗較習知技術減少了1.5W。而當輸入電壓達到Vi52異常高壓時，該控制信號可以將該電力開關回到開路狀態，該輸入高壓可以讓該限制裝置承受，使得其後的所有元件可以獲得保護。

本發明之突波電流控制器控制方法係以輸入電壓為基礎，由所設定的兩個臨界值條件判斷目前工作狀態，本方法為一可重複循環之控制策略。此兩個邊界值條件分別為：第一臨界值及第二臨界值。兩個邊界值的關係為第二臨界值大於第一臨界值。由此兩個邊界值條件可分為三個狀態區間，分述如下：首先若第一輸入電壓Vac1或Vdc1電壓準位穩定小於第一臨界值，則為一輸入欠電壓的情況，此時輸入電壓轉換器、輸出電壓轉換器及該電力開關均不動作。但若第一輸入電壓穩定大於第一臨界值但小於第二臨界值時，則判定此時為正常之輸入電壓區間，本突波電流限制裝置控制線路則產生一線性上升之控制波形，使得該電力開關進入高阻抗的線性區間，隨著此控制波形的升高，該阻抗會線性的下降，使得儲能電容上的充電電流呈現一穩定上升波形，最後該限制裝置會到達一全導通的穩態，此時，該輸入電壓轉換器可以開始動作，緊接著輸出電壓轉換器開始動作。

但若輸入電壓持續升高，大於預先設定之第二臨界過高電壓時，此主動式電流限制裝置控制線路送出控制信號關閉輸出電壓轉換 器，接著關閉輸入電壓轉換器，最後將該電力開關關閉。如此一來，輸入之高電壓便不會對如儲能電容或其上的電子元器件造成不可逆的傷害。

本發明具突波電流限制功效之突波電流限制裝置及方法，可以有效的減少正常操作下的功率消耗。同時，在不同輸入電壓條件下，能控制該輸入電壓轉換器、輸出電壓轉換器與該突波電流限制開關之動作狀況，因此，能有效保護其上的元器件避免過高輸入電壓時的損害。更甚者，由於與習知突波電流控制電路比較下，本發明能使正常工作時流經其限制裝置的電流較小，故能降低整機損耗，提升效率。

為了使 貴審查委員能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱本發明之詳細說明及附圖，然所附圖示僅為參考用，並非用來對發明加以限制者。

請參閱第三圖，第三圖為第三圖為具有本發明之突波電流限制裝置31的交換式電源供應器，係包括：一輸入電壓轉換器30、一輸出電壓轉換器311、一電力開關312及一控制器313。其中輸入電壓轉換器更包括一濾波器。輸出電壓轉換器311可依規格需求，使用直流輸出之轉換器或交流輸出之電壓轉換器。以下詳述本發明之具突波電流高效率之突波電流限制裝置3之技術特徵。

一交流電壓Vac3或一直流電壓Vdc0傳送至輸入電壓轉換器30進行電力轉換、功率因素校正、預先調節電壓或輸入倍壓器後，輸出一第一直流電壓Vdc31。而輸出電壓轉換單元則在Vdc31建立後將其轉換為所需的第二直流電壓Vdc32或第二交流電壓Vac32。輸出電壓轉換器藉調整功 率晶體之開關頻率或工作周期以穩定第二直流電壓Vdc32或第二交流電壓Vac32。電力開關控制線路313則偵測輸入電壓情況，並利用磁滯比較機制，以控制其電力開關312的電路工作。

第四圖為本發明所提之突波電流限制裝置31的控制器具體實施例。控制器313藉由設定邊界條件可定義工作區間，及電源供應器工作在輸入過低電壓、正常電壓或過高電壓三個區間。利用突波電流限制裝置控制單元內之磁滯比較器41，設定兩段參考電壓可劃分輸入電壓至三個區間，在三個區間內控制其電力開關312之工作狀態，採取磁滯比較控制之概念以避免誤動作並做為下一個階段信號的基準。

第五圖為本發明之突波電流限制控制方法的電壓及時序示意圖。突波電流控制器以輸入電壓為參考比較對象，在控制器內可設定兩階段的輸入電壓臨界值，分別為輸入電壓第一臨界值Vi51及第二臨界值Vi52。兩個臨界值將輸入電壓分為三個區間，分述如下：

(1)t0<t<t1輸入電壓在低於第一臨界電壓Vi51時，該電力開關工作狀態為關閉，此時輸入電壓轉換器及輸出電壓轉換器均不動作。

(2)t1<t<t2當輸入電壓高於第一臨界值Vi51但低於第二臨界值Vi52時，該突波電流控制器內之磁滯比較器輸出一訊號，使得電力開關線性區控制線路開始動作，藉由一線性上升之控制電壓，得以控制該電力開關的工作區在高阻抗區，並持續緩慢下降，使得輸入電流得以一緩慢的充電電流對儲能電容充電。該控制電壓上升斜率可由本發明所搭配的電力開關元件特性計算得知，使得該晶體可安全的操作在一穩定的大阻抗區在一可控制的時 間之內。

(3)t2<t<t3當突波電流控制器電壓持續上升至預設的飽和電壓時，可由時間或電壓控制，命令其輸入電壓轉換器或倍壓器開始動作，待其第一直流電壓建立完成時令輸出電壓轉換器開始動作，以輸出系統所需的電壓。

(4)t3<t<t4當輸入電壓持續上升，超過第二臨界電壓Vi52時，此時可能會導致電力開關過電壓損傷，本發明之電壓偵測40會偵測該訊號並通知該電力開關關閉，輸入及輸出電壓轉換器停止運作，使得元件可免於過高輸入電壓損傷。

在本發明中，只要採用適當的元件線路參數設計，即可達成超低輸入突波電流，從而避免輸入突波電流過大造成的損害如：輸入電壓源的瞬間大功率輸出需求、保險斷路器的誤觸發、電源供應器輸入端元件的瞬間電流等級要求過大等不良影響。

更有甚者，本發明利用電壓偵測技術，可針對過高輸入電壓做元件的保護，其功能更是習知技術所不能及。綜上所述，本創作實為一不可多得之發明創作裝置及方法，極具產業上利用性、新穎性及進步性，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請，敬請詳查並核准本案專利，以保障創作者之權益。

惟以上所述，僅為本創作之較佳可行實施例之詳細說明與圖式，非因此即拘限本創作之專利範圍，故舉凡運用本創作說明書及圖式內容所為之等效變化實施例，均同理皆包含於本創作之範圍內容，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以 下本案之專利範圍。

30‧‧‧交流/直流轉換器：倍壓整流、功率因素校正器或其他之輸入電壓轉換器

31‧‧‧突波電流限制裝置

312‧‧‧電力開關：如場效應電晶體、IGBT等元件

313‧‧‧控制器：產生一控制電壓以控制該電力開關

311‧‧‧輸出電壓轉換器

Claims (7)

1. 一種突波電流限制裝置，係包括：一電力開關，係與轉換器電路串連，其於該轉換器啟動過程時操作在線性區以限制突波電流且在該轉換器啟動完成時操作在飽和區以減少損失。一控制器，係用於針對輸入電壓狀態偵測啟動過程以控制該電力開關於轉換器啟動過程時操作在線性區且在該轉換器啟動完成時操作在飽和區。
2. 如申請專利範圍第1項所述突波電流限制裝置，其中該控制器係包括：(1)電壓偵測(2)磁滯比較器及(3)線性區線性電壓控制產生器。
3. 一種突波電流限制裝置控制方法，係以偵測一輸入電壓為基礎，設定至少兩個電壓邊限條件以判斷目前輸入狀態，該方法包括下列步驟：a.判斷該輸入電壓之電壓準位、b.使主動式突波電流抑制開關運作在導通區、截止區或線性區及c.使該輸入電壓轉換器及該輸出電壓轉換器運作或關閉。
4. 如申請專利範圍第3項所述突波電流限制裝置控制方法，其中設定兩個邊限電壓值，其關係為第二邊限電壓值大於第一邊限電壓值。
5. 如申請專利範圍第3項所述突波電流限制裝置控制方法，其中a.步驟判斷輸入電壓低於第一邊限電壓值時，則b.步驟則使該輸入電壓轉換器、輸出電壓轉換器及該主動式突波電流抑 制開關均不動作。
6. 如申請專利範圍第3項所述突波電流限制裝置控制方法，其中a.步驟判斷輸入電壓介於第一邊限電壓值與第二邊限電壓之間時，則b.步驟則使該主動式突波電流抑制開關動作在線性區，等到該主動式突波電流抑制開關進入全導通狀態時，使輸入電壓轉換器及輸出電壓轉換器依序動作。
7. 如申請專利範圍第3項所述突波電流限制裝置控制方法，其中a.步驟判斷輸入電壓高於第二邊限電壓值時，則b.步驟則使該輸入電壓轉換器、輸出電壓轉換器及主動式突波電流抑制開關均不動作以保護其元件。