專利名稱：諧振電源轉換器及其應用的不斷電系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種不斷電系統，尤其是指一種具有諧振軟切換電源轉換器的不 斷電系統。
背景技術：
不斷電系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)是在原本的電源供應異常 (如供電中斷或是供電電力忽高忽低)時，能夠提供后備的電力讓電子裝置能夠照常運作 的設備，一般來說常用于維持計算機主機(尤其是服務器)或交換機等關鍵設備或精密儀 器，以防止數據遺失或儀器失去控制。而如圖1所示，為公知不斷電系統中的電源轉換器10的線路示意圖，其中包含有 變壓器101、開關單元103和105、吸收回路107和109、輸出電容C。以及輸出電感L。。該電 源轉換器10是當需要使用備用電力時，作備用電力的電壓調整之用，其運作模式有三模式一是開關單元103導通而開關單元105截止，一次側電流流經開關單元103， 同時變壓器101 二次側電流通過二極管D1與D4向負載&供電。模式二是開關單元103截 止而開關單元105導通，一次側電流流經開關單元105，同時變壓器101 二次側電流通過二 極管D2與D3向負載&供電。模式三為開關單元103和105皆截止，一次側不向二次側傳 遞能量，而負載&則由輸出電容C。和輸出電感L。進行供電。接著請參考圖2A及圖2B，為電源轉換器10工作時開關單元103的運作波形，其 中Vgl是開關單元103的閘極驅動電壓，而Vdsl則是開關單元103的工作電壓。如圖2A所 示及圖2B所示，因為電感的關系，開關單元103運作時，在截止(如圖2A的時間點、)或 導通(如圖2B的時間點t2)瞬間會有突波電壓Illa及Illb產生，如此就會使開關損耗急
遽上升。而一般來說，要增加整體的效率，會采取以下的方式第一種為增加吸收回路107 和109中吸收電容的電容值，將施加在開關單元103和105上的突波電壓Illa及Illb作 緩沖，降低開關單元103及105上的電壓沖擊，以減少開關損耗。但透過吸收電容轉移過來 的能量必須由吸收回路107及109中的電阻在一個開關周期內消耗掉，故只是實現了功耗 的轉移，整體的效率并不會有顯著提升。第二種方式為在開關單元103及105分別并聯一 M0SFET，使得開關單元103及105 的導通電阻減少，在電流不變的情況下，降低其導通損耗，但此種方式因為要添加M0SFET， 就會導致體積及成本的上升。第三種方式是增加輸出電感L。的電感值，如此一來對應到一次側的電感也會隨之 增大，由LdiM = Vi的公式可知，電感增大會使流經開關單元103及105電流的變化率降低， 電流峰值下降，如此開關單元103及105的導通損耗也會隨之下降，但電感增大到某一定值 后，由于電感自身損耗的增加大于導通損耗的減少，因此反而整體效率會下降，而要增加電 感也會導致成本及體積的上升。因此，公知不斷電系統中的電源轉換器仍有值得改善之處。
實用新型內容有鑒于此，本實用新型所要解決的技術問題在于，在盡量不增加線路體積及成 本的前提下，降低開關單元的電壓應力，以提升不斷電系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)的電源轉換器的效率。為了達到上述目的，本實用新型提供一種不斷電系統，接收一輸入電源，并提供電 力給一負載使用，該不斷電系統包括一電能儲存單元、一充電單元、一諧振電源轉換器以及 一供電切換單元。其中電能儲存單元是用來在輸入電源正常供應時儲存電力，并在輸入電源供應異 常時(如供電中斷或忽高忽低)提供所儲存的電力給負載使用；充電單元耦接于輸入電源 與電能儲存單元之間，用來將輸入電源作整流與變壓，再傳送至電能儲存單元作電力的儲存。諧振電源轉換器耦接于電能儲存單元，用以作電能儲存單元所儲存的電力的變 壓，該諧振電源轉換器中有一變壓器、至少一開關單元及一諧振電容，其中開關單元耦接于 變壓器的一次側線圈，而諧振電容則與變壓器的二次側線圈串聯，使變壓器的輸出電流產 生諧振；而供電切換單元耦接于輸入電源、電能儲存單元與負載之間，用以控制輸入電源或 電能儲存單元供應電力給負載。其中該充電單元包含一整流器及一充電變壓器，整流器是用來將輸入電源作整 流，而充電變壓器則耦接于整流器，將整流過后的輸入電源作變壓，并傳送至電能儲存單元 作儲存。另外，該不斷電系統更包括有一保護單元、一換流單元及一電源供應模塊。保護單 元可以包括有一電磁干擾濾波單元及至少一保險絲，耦接于輸入電源，以降低輸入電源對 不斷電系統所造成的電磁干擾。換流單元則是耦接于諧振電源轉換器，用以將直流電轉換 成交流電以提供給負載使用；而電源供應模塊耦接于充電單元以及諧振電源轉換器，以提 供充電單元及諧振電源轉換器運作所需的電力。根據本實用新型的另一方案，提供一種諧振電源轉換器，包括有一變壓器、至少一 開關單元及一諧振電容，其中開關單元耦接于變壓器的一次側線圈，而諧振電容則與變壓 器的二次側線圈串聯，使變壓器的輸出電流產生諧振。借助于在電源轉換器的二次側線圈串聯諧振電容，使變壓器輸出電流產生諧振， 進一步讓一次側的開關單元產生零電壓切換及零電流切換的機制，以降低不必要的功率耗 損，在盡量不增加線路體積及成本的前提下，改善不斷電系統的整體效率。以上的概述與接下來的實施例，皆是為了進一步說明本實用新型的技術手段與達 到功效，然所敘述的實施例與附圖僅提供參考與說明用，并非用來對本實用新型加以限制。
圖1為公知不斷電系統中的電源轉換器的線路示意圖；圖2A為公知電源轉換器中開關單元的一種工作波形圖；圖2B為公知電源轉換器中開關單元的另一種工作波形圖；圖3為本實用新型具諧振電源轉換器的不斷電系統的一種實施例的線路示意圖；[0023]圖4為本實用新型諧振電源轉換器的一種實施例的線路示意圖；圖5A為本實用新型諧振電源轉換器的一種實施例的工作波形圖；圖5B為本實用新型諧振電源轉換器的開關單元的閘極驅動電壓與其開關跨壓的 對應波形示意圖；以及圖5C為本實用新型的諧振電源轉換器二次側線圈的輸出電流產生諧振的波形示 意圖。主要元件附圖標記說明10電源轉換器101變壓器103、105 開關單元107、109 吸收回路IllaUllb 突波電壓20諧振電源轉換器201變壓器203、205 開關單元30保護單元301電磁干擾濾波單元303保險絲40充電單元401整流器403充電變壓器50電能儲存單元60換流單元70電源供應模塊80供電切換單元C。輸出電容C；諧振電容Csl、(；2寄生電容D” D2、D3、D4 二極管L。輸出電感Lr漏電感Rl 負載
具體實施方式
請參照圖3，為本實用新型不斷電系統的一種實施例的線路示意圖，接收一輸入電 源Vin并產生一輸出電壓V。ut以供應給一負載(圖未示)，包括有一諧振電源轉換器20、一 充電單元40、一電能儲存單元50以及一換流單元60。其中，該不斷電系統可以是在線式不 斷電系統或在線交錯式不斷電系統。電能儲存單元50可以是任意形式的電容或是充電電池，用來在輸入電源Vin正常供應時儲存電力，并在輸入電源Vin異常(如供電中斷或是不穩定)時，能夠有備用的電力 供應給負載作使用。充電單元40耦接在輸入電源Vin及電能儲存單元50之間，其中有整流 器401及充電變壓器403，分別用來將輸入電源Vin作整流及變壓的動作，并提供給電能儲 存單元50作電力儲存。換流單元60耦接于電能儲存單元50，是當輸入電源Vin異常時，將電能儲存單元 50中所儲存的電力轉換成交流電以供應給負載。而諧振電源轉換器20則是耦接于電能儲 存單元50與換流單元60之間，用來作變壓的動作，包含有一變壓器201、至少一開關單元 203和205以及一諧振電容C,，其中諧振電容C,是耦接于變壓器201的二次側線圈，使變壓 器201的輸出電流能產生諧振的現象，并使一次側開關單元203和205能夠運作在零電流 及零電壓切換的模式，以減少不必要的功率耗損。另外，不斷電系統中更可包含有一保護單元30、一電源供應模塊70以及一供電切 換單元80。保護單元30耦接于輸入電源Vin，可以包括有一電磁干擾濾波單元301與至少 一保險絲303，用來避免過高的溫度或是電磁干擾的現象影響甚至損壞不斷電系統中的電 路元件。電源供應模塊70是用來供應不斷電系統中各個模塊運作所需的電力，如充電模塊 40、諧振電源轉換器20和換流單元60等等。而供電切換單元80則是耦接于換流單元60、輸入電源Vin以及負載三者之間，用 來控制該電能儲存單元50或該輸入電源Vin供電給負載。當輸入電源Vin供電正常時，供電 切換單元80是讓輸入電源Vin直接供應給負載，并截止電能儲存單元50與負載的線路；而 當輸入電源Vin供電異常時，則讓電能儲存單元50供電給負載，并截止輸入電源Vin與負載 的線路，讓負載能夠獲得正常穩定的電力。接著請參照圖4，為本實用新型諧振電源轉換器20的一種實施例的線路示意圖， 在本實施例中為推挽式電源轉換器，包含有一變壓器201、至少一開關單元203和205、諧振 電容(；、二極管DpD2、D3和D4以及輸出電容C。，其中諧振電容C；耦接于變壓器201的二次 側線圈，而諧振電容C,與變壓器201的漏電感L,會產生諧振，使變壓器201的輸出電流產 生諧振，并使一次側的開關單元203和205能夠運作在零電流及零電壓切換的模式之下。當上述的輸入電源Vin供應異常時，就需要諧振電源轉換器20將電能儲存單元50 中所儲存的電力進行變壓，來供應給負載&，請配合參照圖5A進行說明，其運作模式如下模式一是時間點0 t3，在時間點0時，開關單元203在其開關跨壓Vdsl (也就是 寄生電容Csl的跨壓)零電壓時導通，透過二次側的諧振電容C；與漏電感k進行電流的諧 振，而當流經開關單元203的電流I1諧振到零時，開關單元203即被截止，實現零電流截止。 模式二是時間點t3 t4，開關單元203截止且開關單元205還未導通，此時變壓器 201 一次側有激磁電流，會使開關單元203的寄生電容Csl充電至(也就是開關跨壓Vdsl 會升高到2V》，同時開關單元205的寄生電容Cs2則放電到零(也就是開關跨壓Vds2會降低 到零)。模式三是時間點、 、，開關單元205在零電壓時導通，同樣透過二次側的諧振電 容C,與漏電感L,進行電流諧振，當流經開關單元205的電流i2諧振到零時，開關單元205 即被截止，實現零電流截止。模式四則是時間點t5 t6，開關單元205截止且開關單元203還未導通，此時變 壓器201的激磁電流會將開關單元205的寄生電容Cs2充電至2\，同時開關單元203的寄
6生電容Csl則放電到零。接著請參照圖5B，為諧振電源轉換器20的開關單元203的閘極驅動電壓Vgl與其 開關跨壓Vdsl的對應波形，由圖5B中可知，透過諧振電容C；與零電壓及零電流的切換方式， 開關單元203在截止時間點t7及導通時間點t8的開關跨壓Vdsl就不會如公知有突波電壓產生。圖5C即是由諧振電容Cr及變壓器201漏電感Lr交互作用所產生的二次側線圈 諧振電流k的波形示意圖，其中二次側線圈輸出電流的諧振，會在一次側線圈產生激磁電 流，讓開關單元203運作于零電壓及零電流的模式之下，如此不但可以延長開關單元203的 使用壽命，也能省去公知的吸收回路和公知在二次側所添加的輸出電感，實現線路的簡化。綜上所述，透過諧振電容與變壓器的漏電感的交互作用，會使電流產生諧振的現 象，如此便可使諧振電流轉換器的驅動單元在零電壓時導通開關單元，并在零電流時截止 開關單元，實現零電壓及零電流的運作模式，降低不必要的功率耗損以及電磁干擾現象，并 節省原本需要添加在開關單元的吸收回路與二次側輸出電感，使電路架構簡化降低成本， 進一步提升不斷電系統中電源轉換器的效率。以上所述為本實用新型的具體實施例的說明與附圖，而本實用新型的所有保護范 圍應以權利要求保護范圍為準，任何在本實用新型的本領域的普通技術人員，可輕易思及 的變化或修改皆可涵蓋在本實用新型權利要求保護范圍之內。
權利要求一種不斷電系統，其特征在于，接收一輸入電源，并輸出電力給一負載使用，包括一電能儲存單元，在該輸入電源正常供應時儲存電力，并在該輸入電源供應異常時提供所儲存的電力給該負載使用；一充電單元，耦接于該輸入電源與該電能儲存單元之間，將該輸入電源作整流與變壓，再傳送至該電能儲存單元作電力的儲存；一諧振電源轉換器，耦接于該電能儲存單元，以作該電能儲存單元所儲存的電力的變壓，該諧振電源轉換器有一變壓器、至少一開關單元及一諧振電容，其中該些開關單元耦接于該變壓器的一次側線圈，而該諧振電容則與該變壓器的二次側線圈串聯，使該變壓器的輸出電流產生諧振；以及一供電切換單元，耦接于該輸入電源、該電能儲存單元及該負載之間，以控制該輸入電源或該電能儲存單元供應電力給該負載。
2.如權利要求1所述的不斷電系統，其特征在于，該充電單元包括 一整流器，將該輸入電源作整流；以及一充電變壓器，耦接于該整流器，將整流過后的該輸入電源作變壓，并傳送至該電能儲 存單元作儲存。
3.如權利要求1所述的不斷電系統，其特征在于，該電能儲存單元為至少一電容或一 充電電池。
4.如權利要求1所述的不斷電系統，其特征在于，該諧振電源轉換器為一推挽式電源轉換器。
5.如權利要求1所述的不斷電系統，其特征在于，更包括 一保護單元，耦接于該輸入電源，以保護該不斷電系統中的線路。
6.如權利要求5所述的不斷電系統，其特征在于，該保護單元包括一電磁干擾濾波單元，耦接于該輸入電源，以降低該輸入電源對該不斷電系統所造成 的電磁干擾；以及至少一保險絲，耦接于該輸入電源。
7.如權利要求1所述的不斷電系統，其特征在于，更包括一換流單元，耦接于該諧振電源轉換器，以將直流電轉換成交流電以提供給該負載使用。
8.如權利要求1所述的不斷電系統，其特征在于，該不斷電系統為一在線式不斷電系 統或一在線交錯式不斷電系統。
9.如權利要求1所述的不斷電系統，其特征在于，更包括一電源供應模塊，耦接于該充電單元以及該諧振電源轉換器，以提供該充電單元及該 諧振電源轉換器運作所需的電力。
10.一種諧振電源轉換器，其特征在于，應用于一不斷電系統，該不斷電系統有一電能 儲存單元，而該諧振電源轉換器耦接于該電能儲存單元，包括一變壓器，以作該電能儲存單元所儲存的電力的變壓； 至少一開關單元，耦接于該變壓器的一次側線圈；以及 一諧振電容，串聯于該變壓器的二次側線圈，使該變壓器的輸出電流產生諧振。
專利摘要一種諧振電源轉換器及其應用的不斷電系統，接收輸入電源，并提供電力給負載使用，系統中包括電能儲存單元、充電單元、諧振電源轉換器以及供電切換單元。其中電能儲存單元是用來儲存電力，在輸入電源發生異常時能夠提供備用電力給負載使用。諧振電源轉換器是用來在電能儲存單元要提供電力時作變壓，在二次側線圈設有諧振電容，會讓輸出電流能夠產生諧振的現象，以使一次側開關單元運作于零電壓與零電流切換的模式之下，進一步降低電磁干擾現象與不必要的功率耗損。
文檔編號H02J7/34GK201674266SQ200920351980
公開日2010年12月15日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者周穎, 謝卓明, 陳銘憲 申請人:旭隼科技股份有限公司