TWI596876B - 電源轉換裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

電源轉換裝置及其控制方法

本發明係關於一種電源轉換裝置及其控制方法，特別是一種有輸出操作範圍的電源轉換裝置及其控制方法。

電源轉換裝置主要是將電壓訊號轉換成適合各種電子裝置、負載或其他用電裝置的操作電源。電源轉換裝置可以依據使用者的設定產生操作電源，亦可以依據輸入的電壓訊號，輸出放大後的電壓訊號。

一般而言，當電源轉換器只輸出基本波形，例如正弦波時，電源轉換器可以依據基本波形的電壓值，限制輸出電壓峰值和均方根值。但當電源轉換器輸出的正弦波上具有載波或是其他方波、高次諧波時，因為這些輸出訊號需要經由分析大量數據分析才能讓電源轉換器依據輸出波形的電壓值來限制輸出電壓峰值和均方根值，故電源轉換器需要具備較好的運算效能，才能應付檢測輸出訊號的繁瑣過程，使得電源轉換器成本增加。此外，即使電源轉換器可依據基本波形的電壓值對輸出電壓峰值和均方根值作限制，但目前的電源轉換器亦沒有依據可以限制輸出操作範圍。在沒有限制輸出操作範圍下，電源轉換器的內部元件可能在超額的情形下運作，進而增加電源轉換器損壞的機會。

本發明在於提供一種電源轉換裝置及其控制方法，藉以解決習知電源轉換器沒有依據可以限制輸出操作範圍的問題。

本發明所揭露的電源轉換裝置及其控制方法，具有轉換電路、濾波電路、量測電路和控制電路。轉換電路轉換電壓訊號為操作訊號，並依據控制訊號調整操作訊號的操作電壓值及操作頻率。濾波電路電性連接轉換電路，依據操作訊號產生工作電流。量測電路電性連接濾波電路，以量測工作電流的大小。控制電路電性連接量測電路及轉換電路，當操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積超過限制值時，控制電路依據工作電流的大小調整控制訊號或控制轉換電路停止轉換電壓訊號。限制值係於工作電流的大小到達濾波電路的額定電流值時，依據操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積設定。

根據上述本發明所揭露的電源轉換裝置及其控制方法，藉由於濾波電路的電流大小到達額定電流值時，依據轉換電路轉換出的操作訊號的操作電壓值和操作頻率的乘積，作為電源轉換裝置的限制值。藉此，在操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積超過限制值時，可以據以調整轉換電路輸出操作訊號的頻率和電壓值，或控制轉換電路停止輸出操作訊號，使得電源轉換裝置內部的元件不會超額操作，進而定義出電源轉換器的輸出頻率範圍。並且，不論電源轉換裝置輸出的訊號是否為高次諧波，藉由濾波電路上的工作電流可以被快速地檢測，電源轉換裝置不需要分析大量的數據，使得電源轉換裝置系統運算量降低，成本減少，仍可以有效地限制輸出電壓峰值、均方根值或輸出頻率範圍。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1，圖1是根據本發明一實施例所繪示之電源轉換裝置的功能方塊圖。如圖1所示，電源轉換裝置10具有轉換電路11、濾波電路13、量測電路15和控制電路17。轉換電路11轉換電壓訊號為操作訊號，並依據控制訊號調整操作訊號的操作電壓值及操作頻率，電壓訊號可以是交流訊號亦可以是直流訊號，為了方便圖示及說明，以下實施例及圖式中係以直流訊號表示，但並非用以限制本實施例。濾波電路13電性連接轉換電路11，依據轉換電路11輸出的操作訊號產生工作電流。量測電路15電性連接濾波電路13，用以量測濾波電路13產生的工作電流大小。控制電路17電性連接量測電路15及轉換電路11，當操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積超過限制值時，控制電路17依據工作電流的大小調整控制訊號或控制轉換電路11停止轉換電壓訊號。

限制值係於工作電流的大小到達濾波電路13的額定電流值時，依據操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積設定。濾波電路13的額定電流值例如是濾波電路13上可操作的最大電流值、濾波電路13安全操作的最大電流值或其他關聯於濾波電路13的額定值。濾波電路13安全操作的最大電流值例如是濾波電路13可操作最大電流值，在經降額後的電流值，例如可操作最大電流值的90%、80%、75%或其他降額標準。於其他實施例中，限制值亦可以是濾波電路13中一個元件上的電流值到達額定電流值時，依據操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積而設定。於所屬技術領域具有通常知識者應理解，濾波電路13的工作電流到達額定電流，亦可視為濾波電路13的工作功率到達額定功率或濾波電路13的工作電壓到達額定電壓值。

接下來，請參照圖2，圖2是根據本發明另一實施例所繪示之電源轉換裝置的電路示意圖。如圖2所示，電源轉換裝置20具有轉換電路21、濾波電路23、量測電路25和控制電路27。轉換電路21例如是橋式轉換器、直流對交流轉換器、直流對直流轉換器或其他合適的轉換器。於一個實施例中，轉換電路21具有第一開關M1、第二開關M2、第三開關M3及第四開關M4。第一開關M1和第二開關M2串接構成第一串聯支路，第三開關M3和第四開關M4串接構成第二串聯支路，第一串聯支路和第二串聯支路並聯以形成轉換電路21。第一串聯支路和第二串聯支路分別電性連接於電源30的兩端，以接收電源30輸出的電壓訊號。

濾波電路23例如LC濾波器、電感濾波器、RC濾波器、π型濾波器或其他合適的濾波器。以LC濾波器來說，濾波電路23具有串聯的電感L1、電感L2、電阻R及電容C，濾波電路23的兩端分別電性連接於第一開關M1與第二開關M2之間和第三開關M3與第四開關M4之間，以接收轉換電路21轉換電壓訊號產生的操作訊號。

操作訊號具有操作電壓值和操作頻率，於一個實施例中，轉換電路21的第一開關M1、第二開關M2、第三開關M3與第四開關M4分別依據控制訊號XA、控制訊號XB、控制訊號XC及控制訊號XD，依序的切換導通和截止，並據以調整操作訊號的操作電壓值和操作頻率。濾波電路23接收轉換電路21產生的操作訊號，並對操作訊號進行濾波，以將濾波後的操作訊號提供給負載40。當濾波電路23對操作訊號進行濾波時，流經電容C和電阻R的電流為工作電流Ic。

量測電路25電性連接於電阻R的兩端，用以量測電阻R兩端的電壓差值。量測電路25依據電阻R兩端的電壓差值及電阻R的電阻值，計算工作電流Ic的大小。控制電路27電性連接量測電路25及轉換電路21，以取得量測電路25量測到的工作電流Ic大小，並於操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積超過限制值時，依據工作電流Ic的大小調整控制訊號或控制轉換電路21停止轉換電壓訊號。

於一個實施例中，操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積關聯於工作電流Ic的大小。以濾波電路23的電阻R及電容C來看，操作訊號的操作電壓值大致上等於 。當操作訊號的操作電壓值不變，操作訊號的操作頻率提高時，流經電阻R的工作電流Ic越大。當操作訊號的操作頻率不變，操作訊號的操作電壓值越大時，流經電阻R的工作電流Ic亦會越大。因此，限制操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積大小，可以避免濾波電路23上的工作電流Ic過大，進而避免濾波電路23上的元件超額操作。

反觀來說，濾波電路23的額定電流、額定電壓或額定功率可定義電源轉換器10的輸出操作範圍，亦即操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積範圍。舉例來說，控制電路27控制轉換電路21輸出操作訊號的操作電壓值位於預設電壓值，並調整操作訊號的操作頻率。濾波電路23依據已調整操作頻率的操作訊號產生工作電流Ic。當量測電路25量測到濾波電路23的工作電流Ic大小到達額定電流值時，控制電路27以預設電壓值與操作頻率的乘積作為限制值。藉此，於操作訊號的操作頻率與當前操作電壓值的乘積超過限制值時，控制電路27可以依據工作電流Ic的大小調整控制訊號或控制轉換電路21停止轉換電壓訊號。

以實務上的例子來說，濾波電路23上電阻R的電阻值例如為6歐姆，最大操作功率例如為100瓦。電阻R的最大操作功率經降額標準後例如為75瓦。依據電阻R的電阻值和額標準後的操作功率75瓦，取得電阻R的標準操作電壓為21.21V（ ）。控制電路27控制轉換電路11輸出操作電壓值為500V的操作訊號，並調整操作訊號的操作頻率，直到量測電路25量測到電阻R兩端的電壓差值為21.21V時，取得當時操作訊號的操作頻率，例如為160赫茲。控制電路27依據電壓值500V和操作頻率160赫茲的乘積80000作為限制值。之後，當轉換電路21輸出操作訊號的操作電壓值和操作頻率的乘積超過80000時，控制電路27調整產生的控制訊號或控制轉換電路21停止轉換電壓訊號。

於另一個例子中，控制電路27亦可以控制轉換電路21輸出操作訊號的操作頻率位於預設頻率，並調整操作訊號的操作電壓值。濾波電路23依據已調整操作電壓值的操作訊號產生工作電流Ic。當量測電路25量測到濾波電路23的工作電流Ic大小到達額定電流值時，控制電路27以預設頻率與當前操作電壓值的乘積作為限制值。

當操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積超過限制值時，控制電路17可以控制轉換電路21停止轉換電壓訊號，亦即使轉換電路11停止輸出操作訊號。控制電路27亦可以依據工作電流Ic的大小調整控制訊號。以前述的例子來說，當操作訊號的操作電壓值大致上等於時，控制電路27可以依據工作電流Ic的大小，取得操作電壓值和操作頻率的比例關係，並依據限制值及比例關係，調整輸出的控制訊號，以使轉換電路21可以依據調整後的控制訊號轉換電壓訊號為操作訊號。

於圖2的實施例中，量測電路25是電性連接於電阻R的兩端，依據電阻R兩端的電壓差值計算工作電流Ic的大小。在實務上，量測電路25亦可以是霍爾感測器(Hall sensor)或電流偵測電阻器(Current Shunt Resistance)。霍爾感測器藉由電磁感應來感測通過電阻R的工作電流Ic。電流偵測電阻器串接於電阻R，藉由電流偵測電阻器上的電壓來計算工作電流Ic的大小。另一個例子中，量測電路25亦可以是透過霍爾感 測器或電流偵測電阻器來量測通過電感L1的電流和通過負載40的電流，經由通過電感L1的電流和通過負載40的電流來計算工作電流Ic的大小。於所屬技術領域具有通常知識者可以依據實際情形設計量測電路15取得工作電流Ic的方式，本實施例不予限制。

為了更清楚地說明電源轉換裝置的控制方法，請一併參照圖1與圖3，圖3是根據本發明一實施例所繪示之控制方法的步驟流程圖。如圖3所示，於步驟S501中，轉換電路11轉換電壓訊號為操作訊號。操作訊號具有操作電壓值及操作頻率。於步驟S502中，轉換電路11依據控制電路17輸出的控制訊號調整操作訊號的操作電壓值及操作頻率。於步驟S503中，操作訊號經由濾波電路13產生工作電流。於步驟S504中，量測電路15量測濾波電路13上工作電流的大小。於步驟S505中，當操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積超過限制值時，控制電路17依據工作電流的大小調整控制訊號或控制轉換電路11停止將電壓訊號轉換為電壓訊號。

操作頻率與操作電壓值乘積的限制值例如於工作電流的大小到達濾波電路13的額定電流值時，依據操作訊號的操作頻率與操作電壓值的乘積設定。本發明所述之電源轉換裝置的控制方法實際上均已經揭露在前述記載的實施例中，本實施例在此不重複說明。

綜合以上所述，本發明實施例提供電源轉換裝置及其控制方法，藉由於濾波電路的額定電流、額定電壓或額定功率來定義電源轉換裝置的輸出操作範圍。也就是說，於濾波電路的電流大小到達額定電流值時，依據當時操作訊號的操作電壓值和操作頻率的乘積作為控制電路調整控制訊號的依據。之後，當轉換電路依據控制訊號產生的操作訊號，其操作頻率與操作電壓值的乘積超過限制值時，控制電路就會調整控制訊號，以調整轉換電路輸出的操作訊號或直接控制轉換電路停止輸出操作訊號，使得電源轉換裝置內部的元件不會超額操作，且定義出電源轉換器的輸出操作範圍。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10、20‧‧‧電源轉換裝置

11、21‧‧‧轉換電路

13、23‧‧‧濾波電路

15、25‧‧‧量測電路

17、27‧‧‧控制電路

30‧‧‧電源

40‧‧‧負載

M1‧‧‧第一開關

M2‧‧‧第二開關

M3‧‧‧第三開關

M4‧‧‧第四開關

XA～XD‧‧‧控制訊號

L1、L2‧‧‧電感

R‧‧‧電阻

C‧‧‧電容

圖1是根據本發明一實施例所繪示之電源轉換裝置的功能方塊圖。 圖2是根據本發明另一實施例所繪示之電源轉換裝置的電路示意圖。 圖3是根據本發明一實施例所繪示之控制方法的步驟流程圖。

10‧‧‧電源轉換裝置

11‧‧‧轉換電路

13‧‧‧濾波電路

15‧‧‧量測電路

17‧‧‧控制電路

Claims (10)

1. 一種電源轉換裝置，包括：一轉換電路，轉換一電壓訊號為一操作訊號，並依據一控制訊號調整該操作訊號的一操作電壓值及一操作頻率；一濾波電路，電性連接該轉換電路，依據該操作訊號產生一工作電流；一量測電路，電性連接該濾波電路，用以量測該工作電流的大小；以及一控制電路，電性連接該量測電路及該轉換電路，當該操作訊號的該操作頻率與該操作電壓值的乘積超過一限制值時，該控制電路依據該工作電流的大小調整該控制訊號或控制該轉換電路停止轉換該電壓訊號；其中該限制值係於該工作電流的大小到達該濾波電路的額定電流值時，依據該操作訊號的該操作頻率與該操作電壓值的乘積設定。
2. 如請求項1所述的電源轉換裝置，其中當該控制電路控制該操作訊號的該操作電壓值位於一預設電壓值，並調整該操作訊號的該操作頻率，使該工作電流的大小到達該濾波電路的額定電流值時，該預設電壓值與該操作頻率的乘積為該限制值。
3. 如請求項1所述的電源轉換裝置，其中當該控制電路控制該操作訊號的該操作頻率位於一預設頻率，並調整該操作訊號的該操作電壓值，使該工作電流的大小到達該濾波電路的額定電流值時，該預設頻率與該操作電壓值的乘積為該限制值。
4. 如請求項1所述的電源轉換裝置，其中該濾波電路具有一電阻，該量測電路電性連接於該電阻的兩端，且依據該電阻兩端的電壓差值，計算該工作電流的大小，該濾波電路的額定電流值關聯於該電阻可操作的電流範圍。
5. 如請求項1所述的電源轉換裝置，其中當該操作訊號的該操作頻率與該操作電壓值的乘積超過該限制值時，該控制電路依據該工作電流的大小，判斷該操作頻率與該操作電壓值的一比例關係，並依據該限制值及該比例關係，調整該控制訊號。
6. 一種電源轉換裝置的控制方法，包括：轉換一電壓訊號為一操作訊號；依據一控制訊號調整該操作訊號的一操作電壓值及一操作頻率；該操作訊號經由一濾波電路產生一工作電流；量測該工作電流的大小；以及當該操作訊號的該操作頻率與該操作電壓值的乘積超過一限制值時，依據該工作電流的大小調整該控制訊號或停止將該電壓訊號轉換為該電壓訊號；其中該限制值係於該工作電流的大小到達該濾波電路的額定電流值時，依據該操作訊號的該操作頻率與該操作電壓值的乘積設定。
7. 如請求項6所述的電源轉換裝置的控制方法，更包括設定該操作訊號的該操作電壓值位於一預設電壓值，調整該操作訊號的該操作頻率，使該工作電流的大小到達該濾波電路的額定電流值，依據該預設電壓值與該操作頻率的乘積設定該限制值。
8. 如請求項6所述的電源轉換裝置的控制方法，更包括設定該操作訊號的該操作頻率位於一預設頻率，調整該操作訊號的該操作電壓值，使該工作電流的大小到達該濾波電路的額定電流值，依據該預設頻率與該操作電壓值的乘積設定該限制值。
9. 如請求項6所述的電源轉換裝置的控制方法，其中該濾波電路具有一電阻，於量測該工作電流的大小的步驟中，包括量測該電阻兩端的電壓差值，依據該電阻兩端的電壓差值，計算該工作電流的大小，其中該濾波電路的額定電流值關聯於該電阻可操作的電流範圍。
10. 如請求項6所述的電源轉換裝置的控制方法，其中於依據該工作電流的大小調整該控制訊號的步驟中，包括依據該工作電流的大小，判斷該操作頻率與該操作電壓值的一比例關係，並依據該限制值及該比例關係，調整該控制訊號。