專利名稱：備用電源裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是涉及一種備用電源裝置，特別是涉及一種應用磁性電容做為 儲電元件的備用電源裝置。
背景技術：
隨著電力應用科技的發(fā)展，需要靠電力才能運作的電子設備不斷被開 發(fā)出來，使得人們對于電力的需求與日俱增，以致于突然的斷電常常給人 們的生活帶來沖擊與不便，尤其是對于工廠產(chǎn)線或生活中特別重要的負載 設備， 一旦中斷供電，往往會對業(yè)者或使用者造成重大的經(jīng)濟損失。然而， 即使現(xiàn)在的電網(wǎng)設施再先進，意外的斷電仍在所難免，因此能夠在市電斷
電時，及時提供負載所需電能的不斷電系統(tǒng)(UPS)和廣泛應用于建筑電氣領 域及特殊應急供電場合的應急供電系統(tǒng)(EPS)遂成為供電系統(tǒng)中的重要設 備的一。
請參閱圖1所示，是繪示以往現(xiàn)有的一種后備式不斷電系統(tǒng)的電路方 塊示意圖，是目前后備式不斷電系統(tǒng)(UPS)IOO的主要電路方塊圖，當市電正 常輸出時，開關單元13會將市電提供給后端負載，同時，市電經(jīng)由交流/直 流轉(zhuǎn)換器(充電器)10輸出直流電對儲能單元(鉛酸電池組)11預充電。當市 電(Vin)突然中斷時，開關單元13會切換一直流/交流轉(zhuǎn)換器(逆變器)12，同 時儲能單元(鉛酸電池組)11輸出直流電經(jīng)由直流/交流轉(zhuǎn)換器(逆變器)12 進行直/交流轉(zhuǎn)換后輸出一交流電供后端負載使用。
而目前的不斷電系統(tǒng)(UPS)或應急供電系統(tǒng)(EPS)中皆普遍使用鉛酸蓄 電池做為其儲能元件，但是鉛酸蓄電池具有體積大、重量重、能量儲存密 度低、成本高、需要維護、使用壽命短等缺點，并且對環(huán)境溫度要求較高(溫 度太低影響電池容量，溫度高影響電池壽命)，充放電電壓電流有限制(過 高電壓、深度放電等都會嚴重影響電池的壽命，甚至造成永久損壞)，且對充 電過程要求高、充電時間長。
另外，鉛酸蓄電池在UPS或EPS中所占的成本比例相當高，使設備價 格昂貴。而且鉛酸蓄電池并非環(huán)保產(chǎn)品，處理不當容易對環(huán)境造成嚴重的 污染。因此，在UPS或EPS系統(tǒng)中有必要尋求新型的儲能元件來取代鉛酸 蓄電池。
現(xiàn)今應用上大都利用電池、電容或超級電容(Super capacitor)作為能 量儲存的元件。電容雖然在制程上較為簡單，但因其儲存容量小，只能當做短暫儲能使用。而傳統(tǒng)電池，主要是利用化學能的方式來進行能量儲存，因 此其能量儲存密度明顯優(yōu)于一般電容，而可應用于各種電力供應裝置，但
是，其缺點是其所能產(chǎn)生的瞬間電力輸出會受限于化學反應速率，而無法
快速的充放電或進行高功率輸出，且充放電次數(shù)有限，過度充放時容易滋
生各種問題；例如目前所使用的蓄電池，雖然標榜著可重復使用，但還 是有其壽命的限制。在多次充放電或長時間不使用的情況下，蓄電池的容 量會下降，且容易損壞，原因在于蓄電池是利用化學能轉(zhuǎn)換為電能，化學 物質(zhì)要常保其活性，才不至于失效變質(zhì)，當原來的化合物活性都作用完或 將近用完時，便無法再進行新的化學反應，進而導致蓄電池老化而宣告壽 終。
超級電容是一種介于電池與電容間的元件，又稱雙電層電容 (Electrical Double-Layer Capacitor),因同時通過部分物理j渚能、部分 化學儲能架構(gòu)，故其具有比普通電容更大的容量，但其缺點是因為有化 學材料而具有化學特性，而容易有如電池的漏電缺點，又加上因還有部分 是物理特性的放電速度快現(xiàn)象，如此一來就產(chǎn)生有很快就會沒電的現(xiàn)象，無 法達到有效蓄電功能。甚至，超級電容的耐壓度不高，內(nèi)阻較大，因而不 可以用于交流電路，且如果使用不當會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象。
上述現(xiàn)有的儲能元件并無法同時達到UPS或EPS所要求的壽命長(高充 放電次數(shù))、高能量儲存密度、瞬間高功率輸出及快速充放電等優(yōu)點。
由此可見，上述現(xiàn)有的儲能元件在結(jié)構(gòu)與使用上，顯然仍存在有不便 與缺陷，而亟待加以進一步改進。為解決上述存在的問題，相關廠商莫不 費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發(fā)展完成，而 一般產(chǎn)品又沒有適切的結(jié)構(gòu)能夠解決上述問題，此顯然是相關業(yè)者急欲解 決的問題。因此如何能創(chuàng)設一種新型結(jié)構(gòu)的備用電源裝置，實屬當前重要研 發(fā)課題之一，亦成為當前業(yè)界極需改進的目標。
有鑒于上述現(xiàn)有的儲能元件存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品 設計制造多年豐富的實務經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以 研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設一種新型結(jié)構(gòu)的備用電源裝置，能夠改進一般現(xiàn)有的 儲能元件，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷的研究、設計，并經(jīng)過反復試作樣 品及改進后，終于創(chuàng)設出確具實用價值的本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的儲能元件存在的缺陷，而提供一種新 型結(jié)構(gòu)的備用電源裝置，所要解決的技術問題是使其提供一種應用具有低 成本、能量儲存密度高、體積小、重量輕、容量大、無需維護、使用壽命 長、環(huán)保低污染等優(yōu)點的儲能元件的備用電源裝置，非常適于實用。本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。依據(jù) 本發(fā)明提出的一種備用電源裝置，用以連接在一交流市電與一負載間，以對
該負載供電；其中該備用電源裝置包含 一交流/直流轉(zhuǎn)換單元，用以將該 交流市電轉(zhuǎn)換成一直流電輸出； 一磁性電容單元，與該交流/直流轉(zhuǎn)換單元 連接，以接受該直流電的充電以儲能； 一直流/直流轉(zhuǎn)換單元，與該磁性電容 單元連接，用以對該磁性電容一放電電壓進行升/降壓轉(zhuǎn)換，以輸出 一定電 壓； 一直流/交流轉(zhuǎn)換單元，與該直流/直流轉(zhuǎn)換單元連接，用以將該定電壓 轉(zhuǎn)換成一交流電后輸出；以及一控制單元，可選擇連接該交流市電或該直 流/交流轉(zhuǎn)換單元，以適時輸出該交流市電或該交流電給該負載。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現(xiàn)。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的磁性電容單元包括由復數(shù)個 磁性電容以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組成的 一磁性電容組。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的磁性電容包含有一第一磁性 電極、 一第二磁性電極以及設置于其間的一介電層，其中該第一磁性電極與 第二磁性電極內(nèi)具有磁偶極以抑制該磁性電容的漏電流。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的第 一磁性電極包含有 一 第 一磁性層，具有排列成第一方向的磁偶極； 一第二磁性層，具有排列成第二 方向的磁偶極；以及一隔離層，包含有非磁性材料，設置于該第一磁性層 與該第二磁性層間；其中該第一方向與該第二方向互為反向，以抑制該磁性 電容的漏電 流o
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的第 一磁性電極與第二磁性電
極是包含有稀土元素，該介電層是由氧化鈦(Ti03)、氧化鋇鈦(BaTiO》或一 半導體層所構(gòu)成。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的半導體層為氧化硅。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述直流/直流轉(zhuǎn)換單元包括一電 感、 一與該電感的一第一端及該磁性電容單元連接的第一三極管開關、一 與該電感的該第一端連接的第二三極管開關、控制該第一三極管開關及該 第二三極管開關的開關頻率及P麗周期以對該磁性電容單元的放電電壓進 行降壓的一降壓控制電路、與該電感的一第二端連接的一第三三極管開關 及一第四三極管開關、控制該第三三極管開關及該第四三極管開關的開關 頻率及PWM周期以對^f茲性電容單元的放電電壓進行升壓的一升壓控制電 路，以及一對該電感的輸出電流進行濾波整流的濾波電路。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的磁性電容單元更包括一過電 流保護電^各，其連接在該巨磁電容組的正、負極兩端間，用以保護該巨磁電 容組不致因充/放電電流過大而燒毀。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的過電流保護電路包含一與磁性電容組的正極端連接的保險絲及一保護電路， 一串接在磁性電容組的負 極端并受該保護電路控制的開關，以及一連接在該保護電路與磁性電容組 的負極端間的電阻，該電阻偵測該磁性電容組的輸出電流并送給該保護電 路，該保護電路可根據(jù)該輸出電流決定是否切斷該開關，使該磁性電容組停 止供電。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下技術方案來實現(xiàn)。依據(jù)本
發(fā)明提出的一種備用電源裝置，該備用電源裝置包含 一交流/直流轉(zhuǎn)換單 元，用以將輸入的一交流市電轉(zhuǎn)換成一直流電輸出；一-茲性電容單元，與該 交流/直流轉(zhuǎn)換單元連接，以接受該直流電的充電以儲能； 一直流/直流轉(zhuǎn)換 單元，與該磁性電容單元連接，用以對該磁性電容的 一放電電壓進行升/降 壓轉(zhuǎn)換，以輸出一定電壓；以及一直流/交流轉(zhuǎn)換單元，與該直流/直流轉(zhuǎn) 換單元連接，用以將該定電壓轉(zhuǎn)換成一交流電并輸出。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現(xiàn)。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的磁性電容單元包括由復數(shù)個 磁性電容以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組成的 一磁性電容組。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的磁性電容包含有一第一磁性 電極、 一第二磁性電極以及設置于其間的一介電層，其中該第一磁性電極與 第二磁性電極內(nèi)具有f茲偶極以抑制該磁性電容的漏電流。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的第一磁性電極包含有一第 一磁性層，具有排列成第一方向的磁偶極； 一第二磁性層，具有排列成第 二方向的磁偶極；以及一隔離層，包含有非磁性材料，設置于該第一磁性層 與該第二磁性層間；其中該第一方向與該第二方向互為反向，以抑制該磁性 電容的漏電流。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的第一磁性電極與第二磁性電 極是包含有稀土元素，該介電層是由氧化鈦(Ti03)、氧化鋇鈦(BaTi03)或一 半導體層所構(gòu)成。
較佳地,前述的備用電源裝置，其中所述的半導體層為氧化硅。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述直流/直流轉(zhuǎn)換單元包括一電 感、 一與該電感的一第一端及該磁性電容單元連接的第一三極管開關、一 與該電感的該第一端連接的第二三極管開關、控制該第一三極管開關及該 第二三極管開關的開關頻率及P畫周期以對磁性電容單元的放電電壓進行 降壓的一降壓控制電路、與該電感的一第二端連接的一第三三極管開關及 一第四三極管開關、控制該第三三極管開關及第四三極管開關的開關頻率 及P窗周期以對該磁性電容單元的放電電壓進行升壓的一升壓控制電路，以 及一對該電感的輸出電流進行濾波整流的濾波電路。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的磁性電容單元更包括一過電流保護電路，其連接在該》茲性電容組的正、負極兩端間，用以保護該磁性電 容組不致因充/放電電流過大而燒毀。
較佳地，前述的備用電源裝置，其中所述的過電流保護電路包含一與磁 性電容組的正極端連接的保險絲及一保護電路， 一 串接在磁性電容組的負 極端并受該保護電路控制的開關，以及一連接在該保護電路與磁性電容組 的負極端間的電阻，該電阻偵測該磁性電容組的輸出電流并送給該保護電 路，該保護電路可根據(jù)該輸出電流決定是否切斷該開關，使該磁性電容組停
止'供電o
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術方
案，本發(fā)明備用電源裝置至少具有下列優(yōu)點及有益效果本發(fā)明利用磁性電 容做為儲能元件，并搭配一直流/直流轉(zhuǎn)換單元對磁性電容的放電電壓進行 適當升降壓轉(zhuǎn)換，以輸出一固定直流電壓供直流/交流轉(zhuǎn)換單元進行交/直 流轉(zhuǎn)換，能夠減少備用電源裝置的整體體積、重量和制造成本，并且可以 提高能量儲存效率、儲存容量和使用壽命，實現(xiàn)免維護，避免化學儲能存 在的記憶效應和污染問題，有效地改善了現(xiàn)有習知的備用電源裝置(UPS)及 緊急供電裝置(EPS)的整體性能。
綜上所述，本發(fā)明是有關于一種備用電源裝置，連接在一交流市電與 一負載間，以對該負載供電，該備用電源裝置包括一將該交流市電轉(zhuǎn)換成 一直流電輸出的交流/直流轉(zhuǎn)換單元， 一接受該直流電充電以儲能的磁性電 容單元， 一用以對該磁性電容的放電電壓進行升/降壓轉(zhuǎn)換，以輸出一定電 壓的直流/直流轉(zhuǎn)換單元， 一將該定電壓轉(zhuǎn)換成一交流電輸出的直流/交流 轉(zhuǎn)換單元，以及一選擇連接該交流市電或該直流/交流轉(zhuǎn)換單元，以適時輸 出該交流市電或該交流電給該負栽的控制單元。本發(fā)明備用電源裝置應用 磁性電容做為儲能單元，而具有低成本、能量儲存密度高、體積小、重量 輕、容量大、無需維護、使用壽命長、環(huán)保低污染等優(yōu)點。本發(fā)明具有上 述諸多優(yōu)點及實用價值，其不論在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或功能上皆有較大改進，在技術 上有顯著的進步，并產(chǎn)生了好用及實用的效果，且較現(xiàn)有的儲能元件具有增 進的突出功效，從而更加適于實用，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的 技術手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和 其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附 圖，詳細iJL明如下。


圖1是繪示以往現(xiàn)有的一種后備式不斷電系統(tǒng)的電路方塊示意圖。 圖2是繪示本發(fā)明備用電源裝置一較佳實施例的電路方塊示意圖。圖3是繪示本較佳實施例的磁性電容與其他現(xiàn)有習知的能量儲存媒介 的比較示意圖。
圖4是繪示本較佳實施例中磁性電容的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是繪示本較佳實施例的磁性電容另一較佳實施例中第一磁性電極
的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是繪示本發(fā)明另 一較佳實施例中 一磁性電容組的示意圖。 圖7是繪示本較佳實施例的磁性電容單元的充放電特性曲線圖。 圖8是繪示本較佳實施例的直流/直流轉(zhuǎn)換單元的細部電路圖。 圖9 ~圖12是繪示本較佳實施例的直流/直流轉(zhuǎn)換單元在不同操作模式 下的控制訊號波形圖。
圖13是繪示本較佳實施例的一過電流保護電路的詳細電路圖。 圖14是繪示本發(fā)明備用電源裝置另 一較佳實施例的電路方塊圖。
具體實施例方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功 效，以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的備用電源裝置其具體 實施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細說明如后。
有關本發(fā)明前述及其他技術內(nèi)容、特點與功效，在以下配合參考圖式 的兩個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現(xiàn)。這兩個實施例主要不 同處在于，其中一個實施例是以需要一個切換開關(控制單元)的不斷電裝 置(UPS)為例，另外一實施例則是以不需要切換開關(控制單元)的緊急供電 裝置(EPS)為例。
請參閱圖2所示，是本發(fā)明備用電源裝置的一較佳實施例的電路方塊 示意圖。本發(fā)明較佳實施例的備用電源裝置200,主要包括依序串接的一交 流/直流轉(zhuǎn)換單元(充電器)21、 一磁性電容單元22、 一直流/直流轉(zhuǎn)換單元 23、 一直流/交流轉(zhuǎn)換單元(逆變器)24以及一控制單元25。
其中交流/直流轉(zhuǎn)換單元21主要將輸入的交流市電(AC110V) Vin經(jīng)過其 中的自耦變壓器降壓、全波整流以及濾波轉(zhuǎn)換為一直流電壓后輸出。而直 流/交流轉(zhuǎn)換單元24則可采用現(xiàn)有習知的大功率IGBT(InsuIated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極三極管)模組全橋逆變電路，其具有很大 的功率富余量，在輸出動態(tài)范圍內(nèi)輸出阻抗很小以及快速反應的特性。由 于交流/直流轉(zhuǎn)換單元21以及直流/交流轉(zhuǎn)換單元24皆可直接采用現(xiàn)有習 知的電5^,且非本案重點，故在此不再詳述。
交流/直流轉(zhuǎn)換單元21提供一直流電壓對磁性電容單元22充電。本實 施例的磁性電容單元22可以由復數(shù)個磁性電容(Mcap)以串聯(lián)、并聯(lián)或串并 聯(lián)方式組成，讓備用電源裝置200可以因應不同場合的應用或需求，提供不同的輸出電壓、電流和功率等級。磁性電容是一種以硅半導體為原料，在 一定的磁場作用下通過物理儲能方式實現(xiàn)高密度、大容量儲存電能的儲能 元件。且磁性電容具有輸出電流大、體積小、重量輕、超長使用壽命、充
放電能力佳以及沒有充電記憶效應等特性，因此拿來做為備用電源裝置200 的蓄電元件以取代習知的鉛酸蓄電池組，除了可以減少備用電源裝置200 的體積、重量和制造成本，而且可以實現(xiàn)系統(tǒng)免維護以及提高系統(tǒng)使用壽 命等優(yōu)點。所以，本發(fā)明的一特征在于使用磁性電容作為能量儲存裝置以 及電力來源。值得注意的是，相較于一般電容，磁性電容可藉由于上、下 電極處形成的磁場，來抑制漏電流，并能大幅提升能量儲存密度，故可作 為 一極佳的能量儲存裝置或電力供應來源。
請參閱圖3所示，是本較佳實施例的磁性電容與其他現(xiàn)有習知的能量 儲存媒介的比較示意圖。如圖3所示，由于習見的能量儲存媒介(例如傳統(tǒng) 的電池或超級電容)主要是利用化學能的方式來進行能量儲存，因此其能量 儲存密度將會明顯優(yōu)于一般電容，而可應用于各種電力供應裝置，但在此 同時，其所能產(chǎn)生的瞬間電力輸出亦會受限于化學反應速率，而無法快速 的充放電或進行高功率輸出，且充放電次數(shù)有限，過度充放時容易滋生各 種問題。相較于此，由于磁性電容中儲存的能量全部是以電位能的方式進 行儲存，因此，除了具有可與一般電池或超級電容匹配的能量儲存密度之 外，更因為充分保有電容的特性，而具有壽命長(高充放電次數(shù))、無記憶效 應、可進行高功率輸出、快速充放電等特點，故可以有效的解決當前電池 所遇到的各種問題。
請參閱圖4所示，是本發(fā)明 一較佳實施例中的磁性電容4 0 0的結(jié)構(gòu)示意 圖。如圖4所示，f茲性電容400包含有一第一^f茲性電極110、 一第二;茲性電 極120，以及位于其間的一介電層130。其中，第一^f茲性電極110與第二石茲 性電極120，是由具有磁性的導電材料所構(gòu)成，并藉由適當?shù)耐饧与妶鲞M行 磁化，使第一磁性電極110與第二磁性電極內(nèi)分別形成磁偶極 (magenetic dipole)115與125,以在磁性電容400內(nèi)部構(gòu)成一磁場，對帶 電粒子的移動造成影響，從而抑制磁性電容400的漏電流。
需要特別強調(diào)的是，圖4中的磁偶極115與125的箭頭方向僅為一示 意圖。對于熟習該項技藝的技術人員而言，應可了解到磁偶極115與磁偶 極125實際上是由多個整齊排列的微小磁偶極所疊加而成，并且在本發(fā)明 中，磁偶極115與磁偶極125最后形成的方向并無限定，例如可指向同一方 向或不同方向。介電層130則是用來分隔第一磁性電極110與第二磁性電 極120，以于第一磁性電極110與第二磁性電極處累積電荷，儲存電位 能。在本發(fā)明的一實施例中，第一磁性電極110與第二磁性電極是包 含有磁性導電材質(zhì)，例如稀土元素，介電層130是由氧化鈦(Ti03)、氧化鋇鈦(BaTiO》或一半導體層，例如氧化硅(silicon oxide)所構(gòu)成，然而本發(fā)明 并不限于此，因此第一磁性電極110、第二磁性電極120與介電層130均可 視產(chǎn)品的需求而選用適當?shù)钠渌牧稀?br> 現(xiàn)比喻說明本發(fā)明磁性電容的操作原理如下。物質(zhì)在一定磁場下電阻 改變的現(xiàn)象，稱為"磁阻效應"，磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻 現(xiàn)象，通常情況下，物質(zhì)的電阻率在磁場中僅產(chǎn)生輕微的減??；在某種條件 下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值高出 10倍以上，而能夠產(chǎn)生很龐大的磁阻效應。若是進一步結(jié)合Maxwe 11 -Wagner 電路模型，磁性顆粒復合介質(zhì)中也可能會產(chǎn)生很龐大的磁電容效應。
在現(xiàn)有習知的電容中，電容值C是由電容的面積A、介電層的介電常數(shù) ^^及厚度d決定，如下式。然而在本發(fā)明中，磁性電容400主要利用第一 磁性電極110與第二磁性電極120中整齊排列的磁偶極來形成磁場來，使內(nèi) 部儲存的電子朝同一自旋方向轉(zhuǎn)動，進行整齊的排列，故可在同樣條件下， 容納更多的電荷，進而增加能量的儲存密度。類比于習知電容，磁性電容 400的運作原理相當于藉由磁場的作用來改變介電層130的介電常數(shù)，故而 造成電容值的大幅提升。
一 d
此外，在本實施例中，第一^t性電極110與介電層130間的介面131 以及第二磁性電極120與介電層130間的介面I"均為一不平坦的表面，以 藉由增加表面積A的方式，進一步提升磁性電容400的電容值C。
請參閱圖5所示，是本發(fā)明的另一實施例中第一^f茲性電極110的結(jié)構(gòu) 示意圖。如圖5所示，第一磁性電極110是為一多層結(jié)構(gòu)，包含有一第一磁 性層112、 一隔離層114以及一第二磁性層116。其中隔離層114是由非磁 性材料所構(gòu)成，而第一磁性層112與第二磁性層116則包含有具有磁性的 導電材料，并在磁化時，藉由不同的外加電場，使得第一磁性層112與第 二^f茲性層114中的^f茲偶極113與石茲偶極117分別具有不同的方向，例如在 本發(fā)明的一較佳實施例中，磁偶極113與磁偶極117的方向是為反向，而能 進一步抑制磁性電容400的漏電流。此外，需要強調(diào)的是，磁性電極110 的結(jié)構(gòu)并不限于前述的三層結(jié)構(gòu)，而可以類似的方式，以復數(shù)個磁性層與 非磁性層不斷交錯堆疊，再藉由各磁性層內(nèi)磁偶極方向的調(diào)整來進一步抑 制磁性電容400的漏電流，甚至達到幾乎無漏電流的效果。
此外，由于現(xiàn)有習知的儲能元件多半以化學能的方式進行儲存，因此 都需要有一定的尺寸，否則往往會造成儲量效率的大幅下降。相較于此，本發(fā)明的磁性電容400是以電位能的方式進行儲存，且因所使用的材料可適 用于半導體制程，故可藉由適當?shù)陌雽w制程來形成磁性電容400以及周 邊電路連接，進而能夠縮小磁性電容400的體積與重量，由于此制作方法 可使用一般半導體制程而達成，故在此不再予以贅述。
請參閱圖6所示，是本發(fā)明的另一較佳實施例中一磁性電容組500的 示意圖。承前所述，在本實施例中，是利用半導體制程在一硅基板上制作復 數(shù)個小尺寸的磁性電容400,并藉由適當?shù)慕饘倩瞥蹋谠搹蛿?shù)個磁性電 容400間形成電連接，從而構(gòu)成一個包含有多個磁性電容400的磁性電容 組500，再以磁性電容組500作為能量儲存裝置或外部裝置的電力供應來 源。在本實施例中，磁性電容組500內(nèi)的復數(shù)個磁性電容400是以類似陣 列的方式電連接，然而本發(fā)明并不限于此，而可根據(jù)不同的電壓或電容值 需求，進行適當?shù)拇?lián)或并聯(lián)，以滿足各種不同裝置的電力供應需求。
請再參閱圖7所示，是本較佳實施例的磁性電容單元22的一充放電特 性的示意圖，由圖中顯示的放電曲線可知，磁性電容單元22放電時的電壓 并非如同一般蓄電池維持在一定值，而是呈現(xiàn)隨著放電時間迅速遞減的趨 勢。因此，在本實施例中，必需搭配直流/直流轉(zhuǎn)換單元23對磁性電容單 元22放電時輸出的電壓進行適當?shù)纳?降壓轉(zhuǎn)換，使直流/直流轉(zhuǎn)換單元23 可以輸出維持在一定值的直流電壓給直流/交流轉(zhuǎn)換單元2 4 。
因此，請參閱圖8所示，是本較佳實施例的直流/直流轉(zhuǎn)換單元的細部 電路圖。本實施例的直流/直流轉(zhuǎn)換單元23連接磁性電容單元"，并包括 一電感L， 一連接磁性電容單元22與電感L的第一端Pl的第一三極管開關 Ql， 一連接電感L的第一端P1的第二三極管開關Q2， 一控制第一及第二三 極管開關Q1、 Q2作動的降壓(buck)控制電路231, —連接電感L的第二端 P2的第三三極管開關Q3, —連接電感L的第二端P2與一濾波電路2"的 第四三極管開關Q4, —控制第三及第四三極管開關Q3、 (^的升壓(boost) 控制電路233。
降壓控制電路231藉由控制第一及第二三極管開關Ql、 Q2的開關頻率 及PWM周期，對磁性電容單元22的輸出電壓進行降壓，升壓(boost)控制 電路232藉由控制第三及第四三極管開關Q3、 Q4的開關頻率及P麗周期對 磁性電容單元22的輸出電壓進行升壓動作。亦即，假設直流/交流轉(zhuǎn)換單元 24接受的輸入電壓是12V，而磁性電容單元22儲存電壓為30V,則在磁性 電容單元22從一開始放電時的電壓，即30V逐漸下降至15V的這段時間，由 于放電電壓范圍(30V~ 15V)遠大于12V,所以如圖9所示，是繪示本較佳實 施例的直流/直流轉(zhuǎn)換單元在不同搡作模式下的控制訊號波形圖，降壓控制 電路231會根據(jù)放電電壓控制第一及第二三極管開關Q1、 Q2的開關頻率及 P畫周期，同時升壓控制電路233令第三三極管開關Q3 0FF，令第四三極管開關Q4 ON以進行降壓，而將放電電壓(30V 15V)轉(zhuǎn)換成12V輸出。
而在磁性電容單元22的放電電壓從15V降低至12V的這段時間，如圖 10所示，降壓控制電路231及升壓控制電路232會同時作動，以對應放電電 壓分別控制第一、第二、第三及第四三極管開關Ql、 Q2、 Q3及Q4的開關 頻率及PWM周期，使進行小幅度的升降壓調(diào)整，以使輸出電壓維持在12V。
上述直流/直流轉(zhuǎn)換單元23可以直接采用現(xiàn)有的例如LINEAR TECHNOLOGY生產(chǎn)的型號為LTC3780的升降壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。
藉由直流/直流轉(zhuǎn)換單元23搭配磁性電容單元21，就可以克服磁性電 容單元21輸出電壓(放電電壓)不穩(wěn)定的情況，而能提供一 固定電壓給后端 的直流/交流轉(zhuǎn)換單元24，使其據(jù)以產(chǎn)生一交流電輸出。
且控制單元25在本實施例中是一切換開關，其可選擇連接交流市電或 直流/交流轉(zhuǎn)換單元24,在交流市電正常供電情況下，開關25會與交流市 電連接，以提供交流市電給后端的負載，而當交流市電突然斷電時，開關 25會被觸發(fā)并切換至與直流/交流轉(zhuǎn)換單元24連接，以使用磁性電容單元 2 2儲存的電力所轉(zhuǎn)換的交流電給負載。
再者，為了保護磁性電容單元22中的磁性電容(組)，使不致因輸出/入 電流過大而燒毀，請參閱圖13所示，是本較佳實施例的一過電流保護電路 的詳細電路圖。本較佳實施例的磁性電容單元22中除了磁性電容(組)221 外，還包括一過電流保護電路222。過電流保護電路222中包含一與^f茲性電 容(組)221的正極端連接的保險絲223及一保護電路224, —串接在磁性電 容(組)221的負極端并受保護電路224控制的開關2M,以及一連接在保護 電路224與磁性電容(組)221的負極端間的電阻226。其中，保險絲223在 磁性電容(組)221充/放電過程中流經(jīng)電流過大時會過熱燒斷，以保護磁性 電容(組)221;電阻226偵測磁性電容(組)221的輸出(放電)電流并送給保 護電路224,使保護電路224發(fā)現(xiàn)輸出電流突然變大時可以立即切斷開關 225，使磁性電容(組)2 21停止供電以保護磁性電容(組)2 21不致因輸出電流 過大而燒毀。
此外，請參閱圖14所示，是本發(fā)明備用電源裝置另一較佳實施例的電 路方塊圖。本發(fā)明的備用電源裝置第二較佳實施例的備用電源裝置400,可 以做為緊急供電裝置(EPS)使用，且與上述第一實施例唯一不同的是，本實 施例的備用電源裝置300不包含控制單元25，備用電源裝置300僅單純接 受交流市電輸入，并經(jīng)交流/直流轉(zhuǎn)換單元31轉(zhuǎn)成直流電后對磁性電容單 元32充電，使磁性電容單元32儲存一定電力，當需要使用備用電源裝置 300供電時，磁性電容單元32會被放電，并通過直流/直流轉(zhuǎn)換單元33轉(zhuǎn) 換成一定電壓輸出給直流/交流轉(zhuǎn)換單元34，使其據(jù)以產(chǎn)生一交流電輸出給 與其連接的負載使用。綜上所述，上述實施例利用磁性電容做為儲能元件，并搭配一直流/直 流轉(zhuǎn)換單元對磁性電容的放電電壓進行適當升降壓轉(zhuǎn)換，以輸出 一 固定直 流電壓供直流/交流轉(zhuǎn)換單元24進行交/直流轉(zhuǎn)換，而能夠達到減少備用電
源裝置200及備用電源裝置300的整體體積、重量和制造成本，并提高能 量儲存效率、儲存容量和使用壽命，實現(xiàn)免維護，避免化學儲能存在的記 憶效應和污染問題，有效地改善了習知備用電源裝置(UPS)及緊急供電裝置 (EPS)的整體性能。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式 上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā) 明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內(nèi)，當可利 用上述揭示的技術內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但 凡是未脫離本發(fā)明技術方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所 作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內(nèi)。
權利要求
1、一種備用電源裝置，用以連接在一交流市電與一負載間，以對該負載供電；其特征在于該備用電源裝置包含一交流/直流轉(zhuǎn)換單元，用以將該交流市電轉(zhuǎn)換成一直流電輸出；一磁性電容單元，與該交流/直流轉(zhuǎn)換單元連接，以接受該直流電的充電以儲能；一直流/直流轉(zhuǎn)換單元，與該磁性電容單元連接，用以對該磁性電容一放電電壓進行升/降壓轉(zhuǎn)換，以輸出一定電壓；一直流/交流轉(zhuǎn)換單元，與該直流/直流轉(zhuǎn)換單元連接，用以將該定電壓轉(zhuǎn)換成一交流電后輸出；以及一控制單元，可選擇連接該交流市電或該直流/交流轉(zhuǎn)換單元，以適時輸出該交流市電或該交流電給該負載。
2、 如權利要求1所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的磁性電容單元包括由復數(shù)個磁性電容以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組成的一磁性電容組。
3、 如權利要求2所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的磁性電容包含有一第一磁性電極、 一第二磁性電極以及設置于其間的一介電層，其中該第 一磁性電極與第二磁性電極內(nèi)具有磁偶極以抑制該磁性電容的漏電流。
4、 如權利要求3所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的第一磁性電極包含有一第一磁性層，具有排列成第一方向的磁偶極；一第二磁性層，具有排列成第二方向的磁偶極；以及一隔離層，包含有非磁性材料，設置于該第 一磁性層與該第二磁性層間；其中該第一方向與該第二方向互為反向，以抑制該磁性電容的漏電流。
5、 如權利要求3所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的第一磁性電極與第二磁性電極是包含有稀土元素，該介電層是由氧化鈦、氧化鋇鈦或一半導體層所構(gòu)成。
6、 如權利要求5所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的半導體層為氧化硅。
7、 如權利要求1所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的直流/直流轉(zhuǎn)換單元包括一電感、 一與該電感的一第一端及該磁性電容單元連接的第一三極管開關、 一與該電感的該第一端連接的第二三極管開關、控制該第一三極管開關及該第二三極管開關的開關頻率及PWM周期以對該磁性電容單元的放電電壓進行降壓的一降壓控制電路、與該電感的一第二端連接的一第三三極管開關及一第四三極管開關、控制該第三三極管開關及該第四三極管開關的開關頻率及P麗周期以對磁性電容單元的放電電壓進行升壓的一升壓控制電路，以及一對該電感的輸出電流進行濾波整流的濾波電路。
8、 如權利要求2所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的磁性電容單元更包括一過電流保護電路，其連接在該巨-茲電容組的正、負極兩端間，用以保護該巨磁電容組不致因充/放電電流過大而燒毀。
9、 如權利要求8所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的過電流保護電路包含一 與磁性電容組的正極端連接的保險絲及一保護電路， 一 串接在磁性電容組的負極端并受該保護電路控制的開關，以及一連接在該保護電路與磁性電容組的負極端間的電阻，該電阻偵測該磁性電容組的輸出電流并送給該保護電路，該保護電路可根據(jù)該輸出電流決定是否切斷該開關，使該磁性電容組停止供電。
10、 一種備用電源裝置，其特征在于該備用電源裝置包含一交流/直流轉(zhuǎn)換單元，用以將輸入的一交流市電轉(zhuǎn)換成一直流電輸出；一磁性電容單元，與該交流/直流轉(zhuǎn)換單元連接，以接受該直流電的充電以儲能；一直流/直流轉(zhuǎn)換單元，與該磁性電容單元連接，用以對該磁性電容的一放電電壓進行升/降壓轉(zhuǎn)換，以輸出一定電壓；以及一直流/交流轉(zhuǎn)換單元，與該直流/直流轉(zhuǎn)換單元連接，用以將該定電壓轉(zhuǎn)換成一交流電并輸出。
11、 如權利要求10所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的磁性電容單元包括由復數(shù)個磁性電容以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組成的 一磁性電容組。
12、 如權利要求11所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述磁性電容包含有一第一磁性電極、 一第二磁性電極以及設置于其間的一介電層，其中該第 一磁性電極與第二磁性電極內(nèi)具有磁偶極以抑制該磁性電容的漏電流。
13、 如權利要求12所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的第一磁性電極包含有一第一磁性層，具有排列成第一方向的磁偶極；一第二磁性層，具有排列成第二方向的磁偶極；以及一隔離層，包含有非磁性材料，設置于該第 一磁性層與該第二磁性層間；其中該第一方向與該第二方向互為反向，以抑制該磁性電容的漏電流。
14、 如權利要求12所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的第一磁性電極與第二磁性電極是包含有稀土元素，該介電層是由氧化鈦、氧化鋇鈦或一半導體層所構(gòu)成。
15、 如權利要求14所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的半導體層為氧化硅。
16、 如權利要求10所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的直流/直流轉(zhuǎn)換單元包括一電感、 一與該電感的一第一端及該磁性電容單元連接的第一三極管開關、 一與該電感的該第一端連接的第二三極管開關、控制該第一三極管開關及該第二三極管開關的開關頻率及P麗周期以對磁性電容單元的放電電壓進行降壓的一降壓控制電路、與該電感的一第二端連接的一第三三極管開關及一第四三極管開關、控制該第三三極管開關及第四三極管開關的開關頻率及PWM周期以對該磁性電容單元的放電電壓進行升壓的一升壓控制電路，以及一對該電感的輸出電流進行濾波整流的濾波電路。
17、 如權利要求11所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的磁性電容單元更包括一過電流保護電路，其連接在該磁性電容組的正、負極兩端間，用以保護該磁性電容組不致因充/放電電流過大而燒毀。
18、 如權利要求17所述的備用電源裝置，其特征在于其中所述的過電流保護電路包含一與磁性電容組的正極端連接的保險絲及一保護電路，一串接在磁性電容組的負極端并受該保護電路控制的開關，以及一連接在該保護電路與磁性電容組的負極端間的電阻，該電阻偵測該磁性電容組的輸出電流并送給該保護電路，該保護電路可根據(jù)該輸出電流決定是否切斷該開關，使該磁性電容組停止供電。
全文摘要
本發(fā)明是有關于一種備用電源裝置，連接在一交流市電與一負載間，以對該負載供電，該備用電源裝置包括一將該交流市電轉(zhuǎn)換成一直流電輸出的交流/直流轉(zhuǎn)換單元，一接受該直流電充電以儲能的磁性電容單元，一用以對該磁性電容的放電電壓進行升/降壓轉(zhuǎn)換，以輸出一定電壓的直流/直流轉(zhuǎn)換單元，一將該定電壓轉(zhuǎn)換成一交流電輸出的直流/交流轉(zhuǎn)換單元，以及一選擇連接該交流市電或該直流/交流轉(zhuǎn)換單元，以適時輸出該交流市電或該交流電給該負載的控制單元。本發(fā)明備用電源裝置應用磁性電容做為儲能單元而具有低成本、能量儲存密度高、體積小、重量輕、容量大、無需維護、使用壽命長、環(huán)保低污染等優(yōu)點。
文檔編號H02J9/00GK101626166SQ20081013350
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權日2008年7月11日
發(fā)明者許躍騰, 鄭宇竣 申請人:光寶科技股份有限公司