TWM446403U - 非接觸式變壓器 - Google Patents

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TWM446403U TW101214429U TW101214429U TWM446403U TW M446403 U TWM446403 U TW M446403U TW 101214429 U TW101214429 U TW 101214429U TW 101214429 U TW101214429 U TW 101214429U TW M446403 U TWM446403 U TW M446403U
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Chun-Chen Chen
Po-Ching Yu
Wei-Chun Chang
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Phihong Technology Co Ltd
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Description

非接觸式變壓器
本創作係相關於一種變壓器，尤相關於一種非接觸式變壓器。
傳統非接觸式變壓器主要是提供軌道一個穩定的電流和磁場，利用共振的原理，取電裝置可接受到感應電源並調節出一個穩定的電壓和電流，提供給所需的負載。其中主機包含電力箱和濾波箱，軌道裝置包含軌道電纜線、軌道電纜線支撐機構及輸電箱，取電裝置包含取電器和取電控制器。
非接觸式電軌傳輸系統是藉由共振原理發展出感應式傳電技術，使得電能可以從主機、軌道裝置傳輸到取電器上。共振現象是一種物理特質，每一個物體會有某些特定的頻率，當另一個物體有相同的頻率的時候，此時就會產生共振現象。在物理學方面，一個系統在某些頻率下會產生最大的振動，這些頻率稱為系統的共振頻率。在這些共振頻率下，即使是很小的週期性外力也可能導致高度的振動，因為系統會存放振動能量。
電路系統的共振是由於系統裡的電容和電感。因為電感在其磁場正在減弱的時候，會產生電流，而此電流會把電容充電，但當電容在放電的時候，放電的電流就會產生磁場，此磁場就會到電感裡，電感裡的磁場就開始增強。這個過程會一直重複。在某些電路裡，當電路裡的電感電 抗和電容電抗是相同的時候，也會產生共振，其能量會在電感的磁場和電容的電壓裡擺盪。
電力發射器主要是由主機及供電線圈構成。經由感應，取電線圈感應到電力經過接收器中的共振電路，產生穩定的電壓和電流再經過調節器，調節成直流電以供負載使用。
然而，傳統的非接觸式變壓器在供電效率上仍有待改進。
本創作的目的即在改善上述問題。
本創作改良非接觸式磁性元件結構，使磁性元件發送端鐵芯中柱長度設計為足夠貫穿發送端與接收端兩組線圈，兩組線圈於同一鐵心中柱進行磁場轉換，提高接收端線圈所感應電壓，以達到高磁通轉換效率。
本創作的一實施例提供一種非接觸式變壓器，包含：一發射鐵芯，其連接於一電源轉換器之後，且具有一中柱；一環狀發射電感，其位在該發射鐵芯上且圍繞該中柱，以發射一電磁能量；一接收鐵芯，其連接一輸出電路，該接收鐵芯和該輸出電路形成一獨立元件可移動接近或離開該發射鐵芯；及一環狀接收電感，其位在該接收鐵芯上，其中當該獨立元件移動接近該發射鐵芯，使該環狀接收電感套上該中柱而與該環狀發射電感重疊時，該環狀接收電感接收該環狀發射電感所發射的該電磁能量，且該中柱之一長度足夠貫穿該環狀發射電感和該環狀接收電感之整體。
本創作的另一實施例提供一種非接觸式變壓器，其中該電源轉換器包括：一電磁干擾過濾器，用以過濾電磁干擾；一橋式整流器，其連接於該電磁干擾過濾器之後；一接觸式變壓器，其連接於該橋式整流器之後，並包括一一次側電感和一二次側電感，用以將一第一電流轉換為一第二電流；一二次側二極體，其與該二次側電感串聯；一二次側電容，其與該二次側電感和該二次側二極體之整體並聯；一回饋電路，其連接該二次側電容之一高壓端；一前級半導體開關，其連接該一次側電感；一控制器，其連接該回饋電路和該半導體開關，用以根據從該回饋電路傳回的一訊號，藉由該半導體開關控制該一次側電感的開啟或關閉。
本創作具有下列優點：(一)可應用於高瓦特輸出的產品；(二)改善磁性元件的磁場轉換效率；(三)拉長發送接收之間的接觸距離；(四)後級半橋電路一、二次側元件可於零電壓或零電流切換，提升整體電路效率；(五)當應用於室內與戶外照明設備時，可省去照明燈具與設備之間的連接端子，達到節能環保的功效；(六)因為可除去會鏽蝕的連接端子，而能用於潮濕及高水氣環境。
現在將對本創作不同的實施方式進行說明。下列描述提供本創作特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本創作亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，文中不會對一些 已熟知之結構或功能或是作細節描述，以避免各種實施例間不必要相關描述之混淆，以下描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本創作某特定實施例之細節描述一起使用。
本創作提供一種高功因高效率的非接觸式轉換系統，能夠提升非接觸式轉換效率，及具有輸入功率因數校正功能。
圖2為本創作之非接觸式轉換系統之一實施例之全系統示意圖，包括：一交流電源輸入(202)、一電源轉換器(300)、一發射電路(410)、一接收電路(450)和一輸出電路(460)。其中該交流電源輸入(202)可以為市電，而該輸出電路(460)可以為一電力負載，包括充電器、電燈、等電器。而「非接觸」即存在於該發射電路(410)和該接收電路(450)之間，以去除實體電線。
當應用於室內與戶外照明設備時，可省去照明燈具與設備之間的連接端子，達到節能環保的功效。同時因為已除去會鏽蝕的連接端子，使此種照明設備能用於潮濕及高水氣環境。
圖1為本創作之轉換系統之前級的一實施例之示意圖，其中包括：一電磁干擾過濾器(104)，用以過濾電磁干擾；一橋式整流器(106)，其連接於該電磁干擾過濾器(104)之後。一功率因數修正電路(111)連接於該橋式整流器(106)之後，並包括：一電感(109)；一二極體(112)，其與該電感(109)串聯；一電容(114)；及一半導體開關(118)，其連接 該電感(109)。
其中，經過功率因數修正的電流經由一前級輸出端(116)流至一後級的輸入端。
圖3a為本創作之非接觸式轉換系統之前級的又一實施例之示意圖。其中將圖1之功率因數修正電路(111)進行修改，從而使本創作之非接觸式轉換系統的前級為單級式功率因數校正交流轉直流轉換器，主要提升功因數並提升系統效率。亦即，電源轉換器(300)是一具功率因數修正的電源轉換器。
如圖3a所示，本創作之一種非接觸式轉換系統的一電源轉換器(300)包括：一電磁干擾過濾器(304)，用以過濾電磁干擾；一橋式整流器(306)，其連接於該電磁干擾過濾器(304)之後；一接觸式變壓器，其連接於該橋式整流器(306)之後，並包括一一次側電感(308)和一二次側電感(310)，用以高功因且降壓地將一第一電流(交流電)轉換為一第二電流(直流電)。
此外，該電源轉換器(300)尚包括：一二次側二極體(312)，其與該二次側電感(310)串聯；一二次側電容(314)，其與該二次側電感(310)和該二次側二極體(312)之整體並聯；一回饋電路(322)，其連接該二次側電容(314)之一高壓端；一前級半導體開關(318)，其連接該一次側電感(308)。
其中，一控制器(320)連接該回饋電路(322)和該半導體開關(318)，用以根據從該回饋電路(322)傳回的一訊號，藉由該半導體開關(318)控制該一次側電感(308)的開啟或關 閉。
經過功率因數修正的電流經至一前級輸出端(316)。
圖3b為本創作之非接觸式轉換系統之前級的又一實施例之示意圖。
如圖3b所示，本創作之一種非接觸式轉換系統的一電源轉換器(300’)包括：一電磁干擾過濾器(304’)，用以過濾電磁干擾；一橋式整流器(306’)，其連接於該電磁干擾過濾器(304’)之後；一接觸式變壓器，其連接於該橋式整流器(306’)之後，並包括一一次側電感(308’)和一二次側電感(310’)，用以高功因且降壓地將一第一電流(交流電)轉換為一第二電流(直流電)。
此外，該電源轉換器(300’)尚包括：一二次側二極體(312’)，其與該二次側電感(310’)串聯；一二次側電容(314’)，其與該二次側電感(310’)和該二次側二極體(312’)之整體並聯；一回饋電路(322’)，其一端連接該二次側電容(314’)之一高壓端，另一端連接用於訊號傳輸之一光耦盒(323)；一前級半導體開關(318’)，其連接該一次側電感(308’)。
經過功率因數修正的電流經至一前級輸出端(316’)。
其中，一控制器(320’)連接該回饋電路(322’)和該半導體開關(318’)，用以根據從該回饋電路(322’)傳回的一訊號，藉由該半導體開關(318’)控制該一次側電感(308’)的開啟或關閉。
其中控制器(320’)可以是一單級返馳和邊界模式功率 因數修正控制器(Single-Stage Flyback and Boundary Mode PFC Controller for Lighting)，包括：FL6961晶片，圖3b所示之元件1-8，即為FL6961晶片的各埠口的編號。
圖4a為本創作之非接觸式轉換系統之後級採用半橋諧振電路的一實施例之示意圖。其中，一次側將前級輸出直流電壓轉換為交流訊號，經由非接觸式磁性元件做能量轉換，二次側將接收到交流訊號藉由橋式整流轉換為直流電源提供負載使用。
來自圖3a或圖3b之前級輸出端(316或316’)的電流流至圖4a、圖4b和圖4c之後級輸入端(402、402’、402”)。
本創作之非接觸式轉換系統之後級包括：一發射電路(410)，其連接於圖3a或3b之電源轉換器(300或300’)之後，並包括：一半橋諧振器(412)，用以將該第二電流(直流電)轉換為一第三電流(交流電)；及一發射電感(423)，用以將該第三電流(交流電)轉換為一電磁能量以進行無線傳輸。其中該半橋諧振器(412)之後連接有二後級半導體開關(414,416)，該二後級半導體開關(414,416)各被一二極體(415、417)跨接兩端，以形成一控制切換電路(424)。
本發明非接觸轉換系統一次側的發射電路(410)尚包括一迴授電路(413)，其一端連接於該發射電感(423)與一接地電容(421)之間，且另一端連接至該半橋諧振器(412)。
本創作之發射電路(410)另包括一諧振槽(426)，其包括：一諧振電容(418)，其連接在該控制切換電路(424)之後；及一諧振電感(420)，其串接在該諧振電容(418)之後。
本創作之非接觸式轉換系統之後級尚包括：一接收電路(450)，其包括二接收電感(451a、451b)，用以藉由電磁感應的作用接收該電磁能量，並轉換為一第四電流(直流電)。其中，一輸出電路(460)連接該接收電路(450)，用以輸出該第四電流(直流電)。其中，該二接收電感(451a、451b)之後更連接有二整流二極體(452、454)，以形成一橋式整流電路(430)。
在橋式整流電路(430)之後連接有一低通過濾電路(432)，其中包含一低通過濾電容(456)。
其中以諧振及變頻控制該控制切換電路(424)，使該控制切換電路(424)於零電壓切換，及使該橋式整流電路(430)於零電流切換。
因此，本創作之後級為一非接觸式驅動電路，電路為變頻式的半橋諧振電路，採用諧振原理達到一次側元件零電壓切換，當二次側負載變動時，一次側諧振曲線相對變化，操作頻率隨負載改變而變化，於任何負載條件與諧振曲線之間，達到最佳的操作頻率，使一次側開關於零電壓切換(Zero voltage switching)及二次側整流元件於零電流切換(Zero current switching)，降低整體電路的切換損失，進而提升整體電路效率。
圖4b為本發明之非接觸式轉換系統之後級採用半橋轉換電路的另一實施例之示意圖。其中，以發射電路(410’)取代圖4a實施例的發射電路(410)，以連接於圖3a或3b之電源轉換器(300或300’)之後。該發射電路(410’)包括： 一半橋轉換電路，用以將該第二電流(直流電)轉換為一第三電流(交流電)；及一發射電感(423’)，用以將該第三電流(交流電)轉換為一電磁能量以進行無線傳輸。其中該半橋轉換電路包括：二後級電容(C1’，C2’)；及二後級半導體開關(Q1’，Q2’)，該二後級半導體開關(Q1’，Q2’)各被一二極體(D1’，D2’)跨接兩端，以形成一控制切換電路。
圖4c為本發明之非接觸式轉換系統之後級採用全橋轉換電路的又一實施例之示意圖。其中，以發射電路(410”)取代圖4a實施例的發射電路(410)，以連接於圖3a或3b之電源轉換器(300或300’)之後。該發射電路(410”)包括：一全橋轉換電路，用以將該第二電流(直流電)轉換為一第三電流(交流電)；及一發射電感(423”)，用以將該第三電流(交流電)轉換為一電磁能量以進行無線傳輸。其中該全橋轉換電路包括：四後級半導體開關(Q1’，Q2’，Q3’，Q4’)，該四後級半導體開關(Q1’，Q2’，Q3’，Q4’)各被一二極體(D1’，D2’，D3’，D4’)跨接兩端，以形成一控制切換電路。
圖5a為本創作之發射電路的一實施例，而圖5b為本創作之接收電路的一實施例。圖6為本創作之接收電路和發射電路結合的一實施例。
如圖5a所示，發射鐵芯(502)的作用與圖2和圖4a之發射電路(410)類似，其發射電感為一環狀發射電感(504)，且該發射鐵芯(502)包括一中柱(506)，其位於該環狀發射電感(504)的中心。
如圖5b所示，接收鐵芯(512)的作用與圖2和圖4a之 接收電路(450)類似，其具有接收電感形成一環狀接收電感(510)。當該環狀接收電感(510)套上該中柱(506)而與該環狀發射電感(504)重疊時，該環狀接收電感(510)接收該環狀發射電感(504)所發射的該電磁能量。
其中該中柱(506)及鐵芯基底部分的形狀可為下列之一種：圓柱體、圓錐體、長方體、或三角錐體。且中柱(506)的長度設計為足夠貫穿環狀接收電感(510)與環狀發射電感(504)兩組線圈，兩組線圈於發射鐵芯(502)的中柱(506)進行磁場轉換，提高接收端線圈(即，環狀接收電感(510)所感應電壓和磁場，以達到高磁通轉換效率。
在該接收電芯(512)之後可連接一輸出電路，其可以為一電力負載，包括充電器、電燈、等電器。
本創作並未侷限在此處所描述之特定細節特徵。在本創作之精神與範疇下，與先前描述與圖式相關之許多不同的變更是可被允許的。因此，本創作將由下述之專利申請範圍來包含其所可能之修改變更，而非由上方描述來界定本創作之範疇。
1~8‧‧‧埠口
102‧‧‧交流電源
104‧‧‧電磁干擾過濾器
106‧‧‧橋式整流器
109‧‧‧電感
110‧‧‧二次側電感
111‧‧‧功率因數修正電路
112‧‧‧二次側二極體
114‧‧‧電容
116‧‧‧前級輸出端
118‧‧‧半導體開關
202‧‧‧交流電源
300‧‧‧電源轉換器
304‧‧‧電磁干擾過濾器
306‧‧‧橋式整流器
308‧‧‧一次側電感
310‧‧‧二次側電感
312‧‧‧二次側二極體
314‧‧‧二次側電容
316‧‧‧前級輸出端
318‧‧‧半導體開關
320‧‧‧控制器
322‧‧‧回饋電路
323‧‧‧光耦盒
300'‧‧‧電源轉換器
304'‧‧‧電磁干擾過濾器
306'‧‧‧橋式整流器
308'‧‧‧一次側電感
310'‧‧‧二次側電感
312'‧‧‧二次側二極體
314'‧‧‧二次側電容
316'‧‧‧前級輸出端
318'‧‧‧半導體開關
320'‧‧‧控制器
322'‧‧‧回饋電路
402、402’、402”‧‧‧後級輸入端
410、410’、410”‧‧‧發射電路
412‧‧‧半橋諧振器
413‧‧‧迴授電路
414‧‧‧後級半導體開關
415‧‧‧二極體
416‧‧‧後級半導體開關
417‧‧‧二極體
418‧‧‧諧振電容
418’‧‧‧電容
418”‧‧‧電容
420‧‧‧諧振電感
423、423’、423”‧‧‧發射電感
424‧‧‧控制切換電路
426‧‧‧諧振槽
430‧‧‧橋式整流電路
432‧‧‧低通過濾電路
450‧‧‧接收電路
451a‧‧‧接收電感
451b‧‧‧接收電感
452‧‧‧二極體
454‧‧‧二極體
456‧‧‧低通過濾電容
460‧‧‧輸出電路
502‧‧‧發射鐵芯
504‧‧‧環狀發射電感
506‧‧‧中柱
510‧‧‧環狀接收電感
512‧‧‧接收鐵芯
C1’、C2’‧‧‧後極電容
D1’、D2’、D1”、D2”、D3”、D4”‧‧‧二極體
Q1’、Q2’、Q1”、Q2”、Q3”、Q4”‧‧‧後級半導體開關
Vdc‧‧‧直流電壓
圖1為本創作之轉換系統之前級的一實施例之示意圖。
圖2為本創作之非接觸式轉換系統之一實施例之全系統示意圖。
圖3a為本創作之非接觸式轉換系統之前級的又一實施例之示意圖。
圖3b為本創作之非接觸式轉換系統之前級的又一實施例之示意圖。
圖4a為本創作之非接觸式轉換系統之後級採用半橋諧振電路的一實施例之示意圖。
圖4b為本發明之非接觸式轉換系統之後級採用半橋轉換電路的另一實施例之示意圖。
圖4c為本發明之非接觸式轉換系統之後級採用全橋轉換電路的又一實施例之示意圖。
圖5a為本創作之發射電路的一實施例。
圖5b為本創作之接收電路的一實施例。
圖6為本創作之接收電路和發射電路結合的一實施例。
502‧‧‧發射鐵芯
504‧‧‧環狀發射電感
506‧‧‧中柱
510‧‧‧環狀接收電感
512‧‧‧接收鐵芯

Claims (10)

  1. 一種非接觸式變壓器，包含：一發射鐵芯，其連接於一電源轉換器之後，且具有一中柱；一環狀發射電感，其位在該發射鐵芯上且圍繞該中柱，以發射一電磁能量；一接收鐵芯，其連接一輸出電路，該接收鐵芯和該輸出電路形成一獨立元件可移動接近或離開該發射鐵芯；及一環狀接收電感，其位在該接收鐵芯上，其中當該獨立元件移動接近該發射鐵芯，使該環狀接收電感套上該中柱而與該環狀發射電感重疊時，該環狀接收電感接收該環狀發射電感所發射的該電磁能量，且該中柱之一長度足夠貫穿該環狀發射電感和該環狀接收電感之整體。
  2. 如請求項1所述之變壓器，其中該電源轉換器包括：一電磁干擾過濾器，用以過濾電磁干擾；一橋式整流器，其連接於該電磁干擾過濾器之後；一接觸式變壓器，其連接於該橋式整流器之後，並包括一一次側電感和一二次側電感，用以高功因且降壓地將一第一電流轉換為一第二電流；一二次側二極體，其與該二次側電感串聯；一二次側電容，其與該二次側電感和該二次側二極體之整體並聯； 一回饋電路，其連接該二次側電容之一高壓端；一前級半導體開關，其連接該一次側電感；一控制器，其連接該回饋電路和該半導體開關，用以根據從該回饋電路傳回的一訊號，藉由該半導體開關控制該一次側電感的開啟或關閉。
  3. 如請求項2所述之變壓器，其中該第一電流為交流電，而該第二電流為直流電。
  4. 如請求項2所述之變壓器，其中該電源轉換器是一具功率因數修正電源轉換器。
  5. 如請求項2所述之變壓器，其中該控制器是一單級返馳和邊界模式功率因數修正控制器。
  6. 如請求項1所述之變壓器，其中該發射鐵芯另包括一半橋諧振器。
  7. 如請求項6所述之變壓器，其中該半橋諧振器之後連接有二後級半導體開關，以形成一控制切換電路。
  8. 如請求項7所述之變壓器，另包括一諧振槽，其包括：一諧振電容，其連接在該控制切換電路之後；及一諧振電感，其串接在該諧振電容之後。
  9. 如請求項7所述之變壓器，其中該環狀接收電感之後更連接有二整流二極體，以形成一橋式整流電路，其中以諧振及變頻控制該控制切換電路，使該控制切換電路於零電壓切換，及使該橋式整流電路於零電流切換。
  10. 如請求項1所述之變壓器，其中該中柱的形狀可為下列之一種：圓柱體、圓錐體、長方體、或三角錐體。
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