CN101645660A - 具维持时间延迟功能的交直流电源转换器 - Google Patents

具维持时间延迟功能的交直流电源转换器 Download PDF

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Abstract

本发明关于一种具维持时间延迟功能的交直流电源转换器，其功率因数校正电路的输出电容以一电子开关与一辅助电容并联，并将一切换开关串联于辅助电容与该功率因数校正电路的输入端，该电子开关及切换开关的控制端均连接至一功率因数校正控制器；当交流电源供电正常时，即令电子开关导通，令输出电容与辅助电容并联，并令切换开关断路；反之，若交流电源中断时，则令切换开关导通而该电子开关断路，令该辅助电容作为该功率因数校正电路的输入电源，维持其输出电容直流电源一段时间，不必额外的维持时间延长电路。

Description

具维持时间延迟功能的交直流电源转换器
技术领域
本发明是一种交直流电源转换器，尤指一种具维持时间延迟功能的交直流电源转换器。
背景技术
请参阅图4所示，一般将高压交流电源转换为低压直流电源的交直流电源转换器，包含有：
一全波整流器50，其连接至一交流弦波电源(220V)，其峰值电压为 ± 220 × 1.141 ≅ ± 310 V 将其全波整流后输出一直流弦波电源信号，其峰值电压为+310V；
一功率因数(PFC)校正电路51，其输入端连接至该全波整流器50输出端，以取得该直流弦波电源信号，并加以调整该直流弦波电源信号的电压及电流相位一致，再经过升压电路(Boost)后，输出一直流电源信号(+380V)；及
一交换式直流对直流转换电路52，其连接至该功率因数校正电路51输出端，以将该直流电源信号予以降压，输出符合要求的低压直流电源(如+12V或+5V)。
上述功率因数校正电路51通常采用升压电路，故输出比该全波整流器50输出的直流弦波电源信号的电压值更高(如380V)；由于交直流电源转换器必须输出低压直流电源，故再利用该交换式直流对直流转换电路52将直流电源信号的电压予以调降。以上述例子来说，要将380V直流电信号转换至12V或5V的低压直流电源输出Vo，交换式直流对直流转换电路52在连续导通模式(CCM)下，其主动开关的工作比率算式为 D = V o V i , 因此按此算式可知该主动开关的工作比率会非常小，造成整体的电源转换效率低。
再者，一般交直流电源转换器通常为确保于交流电源中断时，仍能提供负载一段时间的电源，以令负载可安全关闭，故上述交直流电源转换器进一步增加一维持时间延长电路54及一辅助电容53，其中该辅助电容53通过该维持时间延长电路54并联至输出电容511，当输出电容511的电压低于一设定值之后，辅助电容53即开始对维持时间延长电路54放电，经过维持时间延长电路54转换后持续对交换式直流对直流转换电路52提供直流电源，并维持输出电容511的电压准位以延长维持时间，此相关技术揭示于美国第6,504,497号专利。
因此，由上述现有的交直流电源转换器若欲达到延长维持时间，则必须额外加入由升压电路所构成的维持时间延长电路，因此就图4可知，具有维持时间延长的交换式电源电路必须包含有二组升压电路，各升压电路的主动开关各自需要一脉宽调变控制器IC1、IC2，不但电源转换效率不佳，且电路复杂度高，相对成本亦不便宜。
发明内容
有鉴于上述缺点，本发明主要目的是提供一种具维持时间延迟功能的交直流电源转换器。
欲达上述目的所使用的主要技术手段是令该交直流电源转换器包含有：
一全波整流器，其连接至一交流弦波电源，将其全波整流滤波，而于输出端输出一直流弦波电源信号；
一功率因数校正电路，其输入端连接至该全波整流器的输出端，并包含有一输出电容；
一功率因数校正控制器，其连接至该全波整流器的输出端及功率因数校正电路，以于取得该直流弦波电源信号的电压及电流信号后，依据电压及电流信号控制功率因数校正电路，调整直流弦波电源信号的电压及电流相位一致，以及对该直流弦波电源信号的电压予以稳压，令该功率因数校正电路的输出电容输出一直流电源信号；
一交换式直流对直流转换电路，其连接至该功率因数校正电路的输出电容，将该直流电源信号予以降压，输出符合要求的一低压直流电源；
一辅助电容，其通过一电子开关与该功率因数校正电路的输出电容并联，又该电子开关的控制端与该功率因数校正控制器连接；及
一切换开关，其串联于辅助电容与该功率因数校正电路的输入端，又该切换开关的控制端连接至该功率因数校正控制器。
上述本发明主要令辅助电容分别通过电子开关及切换开关连接至输出电容及该功率因数校正电路的输入端，并由功率因数校正控制器控制启闭；当交流电源正常供电时，控制电子开关开启导通，而令切换开关关闭断路，此时该辅助电容即可将直流电源储存于其中；反之，当交流电源中断时，即控制该切换开关开启导通，而令电子开关关闭断路，如此该辅助电容即不再与输出电容连接，而将其储存的直流电源输出至该功率因数校正电路的输入端，而由该功率因数校正电路稳定此一直流电源电压，故输出电容即可提供该交换式直流对直流转换电路一段时间的直流电源信号，而不必额外的维持时间延长电路。
附图说明
图1：是本发明第一较佳实施例的电路图。
图2A至图2C：是本发明第二较佳实施例的电路图。
图3：是本发明的控制时序图。
图4：是现有的交直流电源转换器的电路方块图。
附图标号
10全波整流器
20功率因数校正电路
21串接开关电路
211第一主动开关
212第二主动开关
22第三主动开关
23储能电感
24输出电容
25二极管
26功率因数校正控制器
27辅助电容
28电子开关
29切换开关
30交换式直流对直流转换电路
50全波整流器
51功率因数校正电路
511输出电容
52直流对直流转换电路
53辅助电容
54维持时间延长电路。
具体实施方式
请参阅图1所示，为本发明具维持时间延迟功能的交直流电源转换器的一较佳实施例的电路图，其包含有：
一全波整流器10，其连接至一交流弦波电源(220V)，将其全波整流，于输出端输出一直流弦波电源信号(+310V)；
一功率因数校正电路20，其连接至该全波整流器10的输出端，以取得该直流弦波电源信号，并包含有一输出电容24；
一功率因数校正控制器26，其连接至该全波整流器10的输出端及功率因数校正电路20，以于取得该直流弦波电源信号的电压及电流信号后，依据电压及电流信号控制功率因数校正电路20，调整直流弦波电源信号的电压及电流相位一致，以及对该直流弦波电源信号的电压予以稳压，令该功率因数校正电路20的输出电容24输出一直流电源信号VB；
一交换式直流对直流转换电路30，其连接至该功率因数校正电路20的输出端，以将直流电源信号予以降压，输出符合要求的低压直流电源(如+12V或+5V)；该交换式直流对直流转换电路30可为降压电源电路、升压电源电路、返驰式电源电路或顺向式电源电路、全桥式电源电路、半桥式电源电路等；
一辅助电容27，其通过一电子开关28与该功率因数校正电路的输出电容24并联，其控制端是连接至功率因数校正控制器26，由该功率因数校正控制器26控制启闭；及
一切换开关29，其串联于辅助电容24与该功率因数校正电路20的输入端之间，且该切换开关29的控制端连接至该功率因数校正控制器电路26，由该功率因数校正控制器26控制其启闭。
上述本发明主要令辅助电容27分别通过电子开关28及切换开关29连接至输出电容24及该功率因数校正电路20的输入端，且其控制端均连接至该功率因数校正控制器26，由其控制其启闭；故当该功率因数校正控制器26判断交流电源正常供电时，会控制电子开关28开启导通，并令切换开关29关闭断路；如此，该辅助电容27即可与输出电容24并联，进而将直流电源储存其中。反之，当交流电源中断，并由该功率因数校正控制器26检知时，同时控制电子开关28关闭断路，令切换开关29开启导通，如此该辅助电容27不再与输出电容24连接，而连接至该功率因数校正电路20的输入端。此时，该功率因数校正电路20对该辅助电容27直流电源进行稳压，最后由输出电容24输出。
以下谨进一步说明本发明功率因数校正电路20，其包含有：
一串接开关电路21，其并联于该全波整流器10的输出端，并由第一及第二主动开关211、212串联而成，其中该第一及第二主动开关211、212的控制端连接至该功率因数校正控制器26，又该第一主动开关211通过该切换开关29与该辅助电容27连接；
一储能电感23，其一端连接于该串接开关电路21的第一及第二主动开关211、212的串联节点；
一第三主动开关22，是连接于储能电感23另一端及接地端，又该第三主动开关22与储能电感23的连接节点再通过一二极管25与该输出电容24连接，即二极管25阳极接第三主动开关22与储能电感L1的连接节点，而二极管25的阴极则连接至输出电容C1，以供该交换式直流对直流转换器30的输入端连接，而该第三主动开关22的控制端连接至功率因数校正控制器26。
上述储能电感23一端通过一串联开关电路21连接至全波整流器10的输出端，而另一端则连接有一第三主动开关22以及通过一二极管25连接至输出电容24，故可由该功率因数校正控制器26依据直流弦波电源的电压及电流信号，控制上述串联开关电路21及第三主动开关22的导通时序及时间，稳定该输出电容24上的直流电源信号的电压；又，该功率因数校正控制器26于检测该交流电源中断时，会控制第一主动开关21及切换开关29开启导通，构成一电源回路，以将该辅助电容27储存的直流电源予以升压后，由输出电容24输出予下级交换式直流对直流转换电路30，维持输出直流电源一段时间。
首先说明功率因数校正电路20输出直流电源信号的电路动作，并该功率因数校正控制器26包含有一控制程序，该控制程序包含有升压模式、降压模式及维持时间延长模式。
一.升压模式(Boost mode)
请配合图2A及图3所示，由于全波整流器10输出的直流弦波电源信号VA仍有高低电压的起伏，因此该功率因数校正控制器26检知目前直流弦波电源信号(VA)的电压低于一电压预定值(V1；如200V)，则控制第一主动开关211导通直接将高电位输入至储能电感23中，同时并关闭第二主动开关212，使其断开与低电位的连接，再依据目前直流弦波电源信号(VA)的电压与电压预定值(V1)之差，调整输出至该第三主动开关22的导通周期，若第三主动开关22的导通周期愈大，则目前电压即能快速地升高至电压预定值(V1)，诚如输出电容24的直流电源信号(VB)的电压波形所示。又，为使辅助电容27可进行充电储能，故亦同时控制电子开关28导通，令其与输出电容24并联；又因为此时交流电源正常，不需启动维持时间延长(Hold-up time)功能，即该辅助电容27不需放电至输出电容24，故该切换开关29被控制呈关闭断路。
二.降压模式(Buck mode)。
请配合参阅图2B所示，待目前直流弦波电源信号VA的电压高于电压预定值(V1)时，该功率因数校正控制器26则关闭第三主动开关22，同时依据目前直流弦波电源信号的电压(VA)与电压预定值(V1)之差，控制该串联开关电路21的第一及第二主动开关211、212交替导通或均不导通，将目前直流弦波电源信号(VA)的电压予以调降，令该输出电容24的电压维持在电压预定值(V1)；是以，本发明功率因数校正控制器26确实可输出一维持在电压预定值(V1)的直流电源信号(VB)。同理，为使辅助电容27可进行充电储能，故亦同时控制电子开关28开启导通，令其与输出电容24并联，同理，由于交流电源正常，不需启动维持时间延长(Hold-up time)功能，即辅助电容27不需放电至输出电容24，故该切换开关29被控制呈关闭断路。
三.维持时间延长模式(Hold-up time mode)
请配合参阅图2C所示，若目前直流弦波电源信号(VA)的电压为零，则该功率因数校正控制器26立即关闭第二开关及电子开关212、28，令第一主动开关211及切换开关29开启导通，其中辅助电容27即通过切换开关29及第一主动开关211将其储存的直流电源输出至储能电感23，此时该功率因数校正控制器26将辅助电容27的直流电源通过控制第三主动开关22的切换，将其升压至电压预定值(V1)，并由输出电容24输出，以持续维持输出直流电源信号(VB)一段时间，直到辅助电容27直流电源不足为止。
上述第一至第三主动开关121、122、22、电子开关28及切换开关29可为MOSFET或IGBT功率型电子元件。

Claims (6)

1.一种具维持时间延迟功能的交直流电源转换器，其特征在于，该交直流电源转换器包含有：
一全波整流器，其连接至一交流弦波电源，将其全波整流滤波，而于输出端输出一直流弦波电源信号；
一功率因数校正电路，其输入端连接至该全波整流器的输出端，并包含有一输出电容；
一功率因数校正控制器，其连接至该全波整流器的输出端及功率因数校正电路，以于取得该直流弦波电源信号的电压及电流信号后，依据电压及电流信号控制功率因数校正电路，调整直流弦波电源信号的电压及电流相位一致，以及对该直流弦波电源信号的电压予以稳压，令该功率因数校正电路的输出电容输出一直流电源信号；
一交换式直流对直流转换电路，其连接至该功率因数校正电路的输出电容，将该直流电源信号予以降压，输出符合要求的低压直流电源；
一辅助电容，其通过一电子开关与该功率因数校正电路的输出电容并联，又该电子开关的控制端与该功率因数校正控制器连接；及
一切换开关，其串联于该辅助电容与该功率因数校正电路的输入端，又该切换开关的控制端连接至该功率因数校正控制器。
2.如权利要求1所述具维持时间延迟功能的交直流电源转换器，其特征在于，该功率因数校正电路包含有：
一串接开关电路，其并联于该全波整流器的输出端，并由第一及第二主动开关串联而成，其中该第一及第二主动开关的控制端连接至该功率因数校正控制器，又该第二主动开关通过该切换开关连接至该辅助电容；
一储能电感，其一端连接于该串接开关电路的第一及第二主动开关的串联节点；及
一第三主动开关，其连接于储能电感另一端及接地端，又该第三主动开关与储能电感的连接节点再通过一二极管与该输出电容连接，即二极管阳极接第三主动开关与储能电感的连接节点，而二极管的阴极则连接至输出电容，其中该第三主动开关的控制端连接至功率因数校正控制器。
3.如权利要求1或2所述具维持时间延迟功能的交直流电源转换器，其特征在于，该交换式直流对直流转换电路为降压电源电路、升压电源电路、返驰式电源电路、顺向式电源电路、全桥式电源电路或半桥式电源电路。
4.如权利要求1或2所述具维持时间延迟功能的交直流电源转换器，其特征在于，上述第一至第三主动开关、电子开关及切换开关为MOSFET或IGBT功率型电子元件。
5.如权利要求3所述具维持时间延迟功能的交直流电源转换器，其特征在于，上述第一至第三主动开关、电子开关及切换开关为MOSFET或IGBT功率型电子元件。
6.如权利要求3所述具维持时间延迟功能的交直流电源转换器，其特征在于，该功率因数校正控制器包含有一控制程序，其包含有：
取得目前一直流弦波电源信号的电压及电流信号；
判断目前直流弦波电源信号是否为零；若是则进一步判断目前直流弦波电源信号的电压高于或低于一电压预定值；若为低于电压预定值则执行一升压模式；反之，则执行一降压模式，如此重复判断；其中：
该升压控制模式令第二主动开关及切换开关断开；而令第一主动开关及电子开关导通，依据目前该直流弦波电源信号的电压与电压预定值之差，调整输出至第三主动开关的导通时间，直到与电压预定值相同为止；
该降压控制模式令第三主动开关及切换开关关闭，并令电子开关导通，再依据目前直流弦波电源信号的电压与电压预定值之差，交替启闭第一及第二主动开关；
若目前直流弦波电源信号的电压为零，则令第一主动开关及切换开关导通，而关闭第二主动开关及电子开关，并调整输出至第三主动开关的导通时间，直到辅助电容直流电源不足为止。
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