光能电路及其谐振电路的制作方法

本发明涉及一种光能电路及其谐振电路，特别是指一种基于谐振频率而操作的光能电路。本发明还涉及用于光能电路中的谐振电路。

背景技术：

与本申请相关的前申请有：美国专利申请美国专利US 6984970以及美国专利US 9461551。

因应能源危机以及全球能源库存量不足的问题，目前已有越来越多的先进国家投入研究太阳能电池。太阳能电池属于光能电路的一种，其基本原理是利用半导体PN二极管接面的特性，当该二极管接面接收到光能时，可将其转换成电能，并利用该电能对电池充电，以产生电力。二极管产生电能的V-I(电压－电流)关系如图1所示，其中实线表示电压与电流的关系，虚线表示电压与电流的乘积，也就是功率(power)。图中假设所接收到的光能不变，故仅显示一条曲线，但若接收到的光能产生变化时，曲线也会相应变化。

如图1所示，最大电压点Voc位于断路位置，最大电流点Isc位于短路位置，但若欲取得最大的能量输出，则最佳输出点并非位于最大电压或最大电流处，而是位于电能曲线的最佳功率输出点(Maximum Power Point，MPP)，其对应的电压与电流分别为Vmpp与Impp。且由于所接收到的光能经常并非定值，因此，通常必需设计复杂精密的数字电路，以供计算所萃取的电能是否位于该光能下的最佳功率输出点(以下简称MPP)。

现有技术的光能电路的一例可参照美国专利US 6984970，该案所公开的电路大致如图2所示，其中光能元件(photovoltaic device)2所产生的输入电压Vin，通过一个功率输出级(power stage)3进行电压转换后成为输出电压Vo，对负载4进行供电，该负载4例如可以是一个充电电池，而功率输出级3则例如可以是升压电路、降压电路、反压电路、返驰电路等。为了使功率输出级3能适切地在MPP处萃取电能，电路中设有一个数字控制器5，此数字控制器5中的数字计算模块51(其例如为数字微控制器)根据输入电压Vin的数值与萃取电流i的数值，不断进行相乘以计算MPP，并根据MPP计算最佳电压值Vmpp。所计算出的最佳电压值Vmpp再与输入电压Vin进行比较，以令控制电路52产生信号，决定如何控制功率输出级3。图2所示的电路中，由于光能元件2中的每一个单一PN二极管接面的压降约为0.6V，因此，光能元件2必需包含数十个串联的PN二极管，典型的光能元件2包括60个串联的PN二极管，才能产生足够高的输入电压Vin，让功率输出级3处理。当串联的数十个PN二极管中，任何一个以上的PN二极管被遮蔽，都会造成产出电能明显的降低。因此不但限制了光能电路的输出电能效率，也增加设计上的困难，且也势必提高电路的整体成本。

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种光能电路及其谐振电路，可以解决前述现有技术的问题，光能元件2仅需要少数甚至单一个PN二极管，即可将光能转换为电能，提高光能电路及其中的谐振电路的应用范围。

技术实现要素：

为了实现上述发明目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种光能电路，包含：一光能元件，用以吸收光能而产生一输入电压；一谐振电路，与该光能元件耦接，用以将该输入电压转换为一输出电压，以供应电能给一负载电路，该谐振电路包括：一谐振反流器(resonant inverter)，与该光能元件耦接，用以接收该输入电压，并根据一控制信号，以切换其中至少一开关，而将该输入电压转换为一交流谐振电压；一主谐振器，与该谐振反流器耦接，用以接收该交流谐振电压，产生一主谐振电压；以及一次谐振器，与该主谐振器耦接，用以将该主谐振电压转换为该输出电压；以及一控制器，根据一输入功率或一输出功率，以该谐振电路的一谐振频率为基准，调整该控制信号的一切换频率或一工作比，以决定一最大功率点(maximum power point，MPP)；其中，该谐振反流器、该主谐振器与该次谐振器都具有该谐振频率。

就另一个观点言，本发明也提供了一种谐振电路，用于一光能电路，该光能电路包含一光能元件、该谐振电路与一控制器，其中该光能元件，用以吸收光能而产生一输入电压，该谐振电路与该光能元件耦接，用以将该输入电压转换为一输出电压，以供应电能给一负载电路，该谐振电路包括：一谐振反流器(resonant inverter)，与该光能元件耦接，用以接收该输入电压，并根据一控制信号，以切换其中至少一开关，而将该输入电压转换为一交流谐振电压；一主谐振器，与该谐振反流器耦接，用以接收该交流谐振电压，产生一主谐振电压；以及一次谐振器，与该主谐振器耦接，用以将该主谐振电压转换为该输出电压；其中，该控制器，根据一输入功率或一输出功率，以该谐振电路的一谐振频率为基准，调整该控制信号的一切换频率或一工作比，以决定一最大功率点(maximum power point，MPP)；其中，该谐振反流器、该主谐振器与该次谐振器都具有该谐振频率。

在一较佳实施例中，该次谐振器包括：一LC谐振电路，与该主谐振器耦接，包括串联的一电感与一电容，该LC谐振电路具有该谐振频率，用以根据该主谐振电压，产生一次谐振电压；以及一倍压电路，与该LC谐振电路耦接，用以倍压该次谐振电压，而产生该输出电压。

在一较佳实施例中，该次谐振器包括：一LC谐振电路，与该主谐振器耦接，包括并联的一电感与一电容，该LC谐振电路具有该谐振频率，用以根据该主谐振电压，产生一次谐振电压；以及一整流电路，与该LC谐振电路耦接，用以整流该次谐振电压，而产生该输出电压。

在前述的实施例中，该主谐振器与该次谐振器间，以电磁耦合(electromagnetic coupling)的非接触方式耦接。

在一较佳实施例中，该谐振反流器包括：一反流器电路，包括一全桥反流器、一半桥反流器、或一E类反流器(Class E inverter)，该反流器电路与该光能元件耦接，具有该至少一开关，其根据该控制信号而操作，用以将该输入电压，转换为一交流输入电压；以及一交流谐振电路，与该反流器电路耦接，用以将该交流输入电压转换为该交流谐振电压。

在前述的实施例中，该谐振电路包括多个该次谐振器，且各该次谐振器以电磁耦合的非接触方式，与该主谐振器耦接。

就另一个观点言，本发明也提供了一种从一光能元件萃取电能的方法，包括以下步骤：根据一控制信号，以切换至少一开关，将该光能元件产生的一输入电压转换为以一谐振频率为基准的一交流谐振电压；接收该交流谐振电压，产生一主谐振电压；以及以电磁耦合(electromagnetic coupling)的非接触方式，将该主谐振电压转换为一输出电压，以供应电能给一负载电路；根据一输入功率或一输出功率，调整该控制信号的一切换频率或一工作比，以决定一最大功率点(maximum power point，MPP)。

在一较佳实施例中，该以电磁耦合的非接触方式，将该主谐振电压转换为一输出电压，以供应一负载电路的步骤包括：根据该主谐振电压，产生一次谐振电压；以及倍压该次谐振电压，而产生该输出电压。

在一较佳实施例中，该以电磁耦合的非接触方式，将该主谐振电压转换为一输出电压，以供应一负载电路的步骤包括：提供一LC谐振电路，包括并联的一电感与一电容，该LC谐振电路具有该谐振频率，并根据该主谐振电压，产生一次谐振电压；以及整流该次谐振电压，而产生该输出电压。

以下通过具体实施例详加说明，应当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。

附图说明

图1标出光能元件在相同光能下的电压－电流关系图；

图2为现有技术的光能电路的示意电路图；

图3显示本发明第一个实施例；

图4显示本发明第二个实施例；

图5显示本发明第三个实施例；

图6显示本发明第四个实施例；

图7显示本发明第五个实施例；

图8显示本发明第六个实施例；

图9显示本发明第七个实施例；

图10显示根据本发明的相关信号波形示意图；

图11显示根据本发明第二个实施例中的主谐振器105与交流谐振电路1033的示意图。

图中符号说明

100，200，300，400，500，600 光能电路

101 光能元件

102 谐振电路

103，303 谐振反流器

104 负载电路

105，305 主谐振器

107，307 次谐振器

109，209 控制器

1031，3031，4031 反流器电路

1033，3033 交流谐振电路

1071，3071 LC谐振电路

1073 倍压电路

3073 整流电路

C1，C2，Co，Cs 电容

Ctl 控制信号

Iin 输入电流

ISENSE 感测电流

ICOIL，ITX_IN 电流

L0，L1，Lp，Ls，Ls1，Ls2 电感

Pin 输入功率

Pout 输出功率

S1，S2 开关

VACin 交流输入电压

VACrnt 交流谐振电压

Vin 输入电压

Vout 输出电压

VPrnt 主谐振电压

VSENSE 感测电压

VSrnt 次谐振电压

Zeq 反射阻抗

ZTX，ZTX_IN 等效阻抗

ω 谐振频率

具体实施方式

本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。

图3显示本发明第一个实施例。如图3所示，光能电路100包含光能元件101、谐振电路102与控制器109。光能元件101用以吸收光能(如图中斜线箭头所示意)而产生输入电压Vin。谐振电路102与光能元件101耦接，用以将输入电压Vin转换为输出电压Vout，以供应电能给负载电路104。其中，负载电路104例如但不限于为充电电池。

谐振电路102包括谐振反流器(resonant inverter)103、主谐振器105与次谐振器107。谐振反流器103与光能元件101耦接，用以接收输入电压Vin，并根据控制信号Ctl，以切换其中至少一开关，而将直流的输入电压Vin转换为交流谐振电压VACrnt。主谐振器105与谐振反流器103耦接，用以接收交流谐振电压VACrnt，产生主谐振电压VPrnt。次谐振器107与主谐振器105耦接，用以将主谐振电压VPrnt转换为输出电压Vout。控制器109根据输入功率Pin或输出功率Pout，以谐振电路102的谐振频率为基准，调整控制信号Ctl的切换频率或工作比，以决定最大功率点(maximum power point，MPP)。其中，谐振反流器103、主谐振器105与次谐振器107都具有谐振频率。

图4显示本发明第二个实施例。本实施例显示光能电路100一种较具体的实施例。如图所示，谐振反流器103包括反流器电路1031与交流谐振电路1033。反流器电路1031利用高频电桥电路，将直流电压转换成交流电压，其例如但不限于包括如图所示的全桥反流器，根据控制信号Ctl而切换其中的开关，以将直流输入电压Vin转换为交流输入电压VACin，而输入交流谐振电路1033。在其他的实施例中，反流器电路1031例如但不限于包括半桥反流器或E类反流器(Class E inverter)。如图所示，交流谐振电路1033例如但不限于包含电感L1与电容C1，与反流器电路1031耦接，用以将交流输入电压VACin转换为交流谐振电压VACrnt。其中，交流谐振电路1033具有谐振频率ω。

主谐振器105与谐振反流器103耦接，用以接收交流谐振电压VACrnt，产生主谐振电压VPrnt。主谐振器105例如但不限于包含电感Lp与电容C2，其具有谐振频率ω。如图所示，次谐振器107与主谐振器105例如但不限于以电磁耦合(electromagnetic coupling)的非接触方式耦接，用以将主谐振电压VPrnt转换为输出电压Vout，其具有谐振频率ω。如图所示，次谐振器107包括LC谐振电路1071与倍压电路1073。LC谐振电路1071与主谐振器105以电磁耦合方式耦接，包括串联的电感Ls与电容Cs，且LC谐振电路1071具有谐振频率ω，用以根据主谐振电压VPrnt，产生次谐振电压VSrnt。倍压电路1073与LC谐振电路1071耦接，用以倍压次谐振电压VSrnt，而产生输出电压Vout。如图所示，倍压电路1073例如由两二极管与电容Co组成，以实现倍压次谐振电压VSrnt的效果。当然，图4所示的倍压电路1073为倍压电路的其中一种实施例，还有其他许多的实施方式，其放大的倍数也不限于2倍，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。

控制器109例如但不限于感测光能元件101的压降与流经光能元件101的电流，而取得输入功率Pin，以谐振电路102的谐振频率ω为基准，调整控制信号Ctl的切换频率或工作比(duty ratio)，使得切换频率等于谐振频率ω或接近谐振频率ω，并计算且决定最大功率点(maximum power point，MPP)。其中，谐振反流器103、主谐振器105与次谐振器107都具有谐振频率ω。计算与决定最大功率点的方式，为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。

图5显示本发明第三个实施例。本实施例显示光能电路200一种较具体的实施例。本实施例与第二个实施例不同之处，在于：在本实施例中，控制器209感测输出电压Vout及输出电流，而产生感测电压VSENSE与感测电流ISENSE，以计算输出功率Pout，并据以产生控制信号Ctl。此外，通过调整流经负载电路104的电流，以将光能电路200操作于最大功率点。

本发明在许多方面优于现有技术，首先，例如以本发明第一个实施例为例，将控制信号Ctl的频率，调整于谐振电路102的谐振频率ω或接近谐振频率ω，因此不需要串联多个光能元件101，根据本发明的光能元件101可以由单一光能元件(具有单一PN接面)组成，即可将光能转换为电能，如此一来，解决了现有技术中，任何一个光能元件被遮蔽都会大大降低将光能转换为电能的效率，提高光能电路及其中的谐振电路的应用范围。

再者，根据本发明，在谐振电路102中，主谐振器105与次谐振器107可以电磁耦合的非接触方式耦接，也就是说，光能元件101、谐振反流器103与主谐振器105(也可以加入控制器109)，位于同一侧；而谐振器107与负载电路104则位于另一侧，两侧电路可以不直接连接，如此一来，与接收光能的光能元件101同一侧的电路(例如属于太阳能板侧电路)，与谐振器107与负载电路104(例如属于充电电池侧电路)可以分为不同电路，在应用上提供弹性，以无线充电的方式使用。

另外，根据本发明，由于采用谐振操作，因此无论负载电路104是重载或轻载，流经主谐振器105中的线圈(电感LP)可以保持定电流。详言之，请参阅图11，显示根据本发明第二个实施例中的主谐振器105与交流谐振电路1033的示意图。如图所示，考虑反流器电路1031之后的等效阻抗ZTX_IN、流经电感L1的电流ITX_IN、交流谐振电路1033之后的等效阻抗ZTX、流经电感LP的电流ICOIL与主谐振器105后的反射阻抗Zeq，

当

且ZTX＝jXP+Zeq，其中XP为电感LP的等效阻抗

则等效阻抗

而流经电感LP的电流

流经电感LP的电流ICOIL与主谐振器105后的反射阻抗Zeq无关，在交流输入电压VACin变化不大的情况下，流经主谐振器105中的线圈(电感LP)可以保持定电流。

图6显示本发明第四个实施例。本实施例显示光能电路300一种较具体的实施例。如图所示，谐振反流器303包括反流器电路3031与交流谐振电路3033。反流器电路3031利用高频电桥电路，将直流电压转换成交流电压，其例如但不限于包括如图所示的包括开关S1与S2的半桥反流器，根据控制信号Ctl而切换开关S1与S2，以将直流输入电压Vin转换为交流输入电压VACin，而输入交流谐振电路3033。如图所示，交流谐振电路3033例如但不限于包含电感L1与电容C1，与反流器电路3031耦接，用以将交流输入电压VACin转换为交流谐振电压VACrnt。其中，交流谐振电路3033具有谐振频率ω。

主谐振器305与谐振反流器303耦接，用以接收交流谐振电压VACrnt，产生主谐振电压VPrnt。主谐振器305例如但不限于包含电感Lp，其与交流谐振电路3033中的电容C1具有谐振频率ω。如图所示，次谐振器307与主谐振器305例如但不限于以电磁耦合(electromagnetic coupling)的非接触方式耦接，用以将主谐振电压VPrnt转换为输出电压Vout，其具有谐振频率ω。如图所示，次谐振器307包括LC谐振电路3071与整流电路3073。LC谐振电路3071与主谐振器305以电磁耦合方式耦接，包括并联的电感Ls与电容Cs，且LC谐振电路1071具有谐振频率ω，用以根据主谐振电压VPrnt，以并联谐振的方式产生次谐振电压VSrnt。并联的电感Ls与电容Cs有倍压的效果，相较于第二个实施例，可以提高次谐振电压VSrnt。整流电路3073与LC谐振电路3071耦接，用以整流次谐振电压VSrnt，而产生输出电压Vout。如图所示，整流电路3073例如由四个二极管与电容Co组成，其中四个二极管以桥接方式连接，以产生整流的效果。当然，图6所示的整流电路3073为整流电路的其中一种实施例，还有其他许多的实施方式，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。

图7显示本发明第五个实施例。本实施例显示光能电路400一种较具体的实施例。本实施例与第二个实施例不同之处，除了采用与第三个实施例相同的主谐振器305外，在本实施例中，反流器电路4031利用高频电桥电路，将直流电压转换成交流电压，其例如但不限于包括如图所示的包括开关S1与电感L0的E类(class E)反流器，根据控制信号Ctl而切换开关S1，以将直流输入电压Vin转换为交流输入电压VACin，而输入交流谐振电路1033。

图8显示本发明第六个实施例。本实施例显示光能电路500一种较具体的实施例。本实施例与第五个实施例不同之处，在于本实施例采用与第三个实施例相同的控制器209。控制器209感测输出电压Vout及输出电流，而产生感测电压VSENSE与感测电流ISENSE，以计算输出功率Pout，并据以产生控制信号Ctl。此外，通过调整流经负载电路104的电流，以将光能电路500操作于最大功率点。

图9显示本发明第七个实施例。本实施例显示光能电路600一种较具体的实施例。本实施例与第五个实施例不同之处，在于本实施例的光能电路600具有多个(例如但不限于两个)次谐振器107。主谐振器可以耦接多个次谐振器也是另一个本发明优于现有技术之处。在本发明中，主谐振器与次谐振器可以由电磁耦合的方式耦接，因此，不需要另外增加其他的电路，而可以直接耦接多个次谐振器。

图10显示根据本发明的相关信号波形示意图。请参阅图10，并同时参阅图4。图10显示流经光能元件101的输入电流Iin、输入电压Vin、输出电流Iout、输出电压Vout、与电流ITX_IN的信号波形示意图。根据本发明其中一个实施例，输入电压Vin约为0.5V，而输出电压Vout约为19.5V，转换率约为39倍。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用；举其中一例，如前所述，根据本发明，图9所示的多个次谐振器，也适用于其他实施例。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式很多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。