CN101888171A - 具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其包含一高频开关控制器、一升压电感器、一滤波电容器、二升压晶体管组件、二升压二极管、二线电压极性检测器与二低频开关驱动器。二线电压极性检测器以耦合(可为但不受限于光耦合、磁耦合等)信号控制二低频开关驱动器，其与高频开关控制器以一控制逻辑(可为但不受限于或逻辑、与非逻辑等)驱动二升压晶体管组件使得升压电感器可经二升压晶体管组件的通道释放其储能且本体二极管导通损失可被降低以提升效率。

Description

具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器
技术领域
本发明有关一种无桥式功率因数修正器，特别是一种具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其中升压电感器通过升压晶体管组件的通道释放其储能以降低本体二极管导通损失并提升效率。
背景技术
一般而言，电阻器消耗实功率(real power)因为线电流与线电压同相(in phasewith)；电感器或电容器储存虚功率(imaginary power)因为线电流与线电压的相位差九十度(in quadrature with)。电阻性负载仅消耗实功率而非电阻性负载不仅消耗实功率而且储存虚功率。虚功率增加非必要的线电流和线损。因此，电力公司要求大规模用电设备的功率因数(Power Factor，PF)被修正至一可接受的值。修正功率因数的普遍方法为促进线电流与线电压同相。在切换式电源供应器中的功率因数修正器(Power Factor Corrector，PFC)将线电流波形塑造成线电压波形以修正功率因数。
现有的PFC拓扑结构，如图1所示，利用一桥式整流器10将跨于第一输入电压端Vi1和第二输入电压端Vi2的交流弦波输入电压整流成跨于滤波电容器C11的直流弦波输出电压；和一升压转换器11将线电流波形塑造成线电压波形并且将跨于滤波电容器C11的较低的直流弦波输入电压转换成跨于滤波电容器C12的较高的直流恒定输出电压。
为便于说明升压电感器的储能与释能，假设水平轴为电感器电流且垂直轴为电感器电压。升压电感器L11永远操作在第一与第四象限。当高频开关控制器12开启升压晶体管Q11，升压电感器L11通过滤波电容器C11和升压晶体管Q11在第一象限储能。当高频开关控制器12关闭升压晶体管Q11，升压电感器L11通过滤波电容器C11、升压二极管D11和滤波电容器C12在第四象限释能。高频开关控制器12与升压转换器11将通过第一输入电压端Vi1和第二输入电压端Vi2的交流输入电流波形塑造成跨于第一输入电压端Vi1和第二输入电压端Vi2的交流输入电压波形并且将跨于滤波电容器C12的直流输出电压稳压在一恒定准位。
仔细审视桥式整流器10。为便于说明下文，假设正半周(positive half period)意指Vi1的电位高于Vi2的电位且负半周(negative half period)意指Vi1的电位低于Vi2的电位。在每半周期间，两个对角的(diagonal)整流二极管开启。在正半周期间，左上整流二极管和右下整流二极管开启。在负半周期间，右上整流二极管和左下整流二极管开启。因此，现有的PFC拓扑结构遭受整流二极管导通损失(rectification diode conduction loss)。无桥式PFC拓扑结构可消除此整流二极管导通损失藉由将桥式整流器从PFC拓扑结构移除。
现有的无桥式PFC拓扑结构示于图2，其中第一输入电压端Vi1和第二输入电压端Vi2连接至交流输入电压源；升压电感器L21可被集总(lumped)/分布(distributed)在Vi1与第一连接端V1间，或/及Vi2与第二连接端V2间；滤波电容器C21连接至输出电压端Vo和参考电压端Vref；升压二极管D21、D22和升压N通道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)Q21、Q22被连接成一桥式配置(bridge configuration)且被放置在升压电感器L21和滤波电容器C21之间；高频开关控制器22同时开启或关闭升压晶体管Q21和Q22。
在正半周期间，升压电感器L21操作在第一与第四象限。当高频开关控制器22同时开启升压晶体管Q21和Q22，升压电感器L21通过交流输入电压源、升压晶体管Q21的通道和Q22的通道在第一象限储能。当高频开关控制器22同时关闭升压晶体管Q21和Q22，升压电感器L21通过交流输入电压源、升压二极管D21、滤波电容器C21和升压晶体管Q22的本体二极管(body diode)在第四象限释能。在负半周期间，升压电感器L21操作在第二与第三象限。当高频开关控制器22同时开启升压晶体管Q21和Q22，升压电感器L21通过交流输入电压源、升压晶体管Q22的通道和Q21的通道在第三象限储能。当高频开关控制器22同时关闭升压晶体管Q21和Q22，升压电感器L21通过交流输入电压源、升压二极管D22、滤波电容器C21和升压晶体管Q21的本体二极管在第二象限释能。
因为现有的无桥式PFC拓扑结构不需桥式整流器，它比现有的PFC拓扑结构有较高的效率。然而，可惜的是升压电感器通过NMOSFET的本体二极管释放其储能。此释能电感器电流导致本体二极管导通损失(body diode conduction loss)。本发明揭示如何通过NMOSFET的通道(channel)释放升压电感器的储能以降低此本体二极管导通损失。
发明内容
依据本发明，具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器包含一第一输入电压端、一第二输入电压端、一第一连接端、一第二连接端、一输出电压端、一参考电压端、一升压电感器、一滤波电容器、一第一与一第二升压二极管、一第一与一第二升压晶体管组件、一高频开关控制器、一第一与一第二低频开关驱动器及一第一与一第二线电压极性检测器。
升压电感器可被集总或分布在交流输入电压源与二连接端间；滤波电容器置于输出电压端与参考电压端之间；第一与第二升压二极管的阳极分别连接至第一与第二连接端；第一与第二升压二极管的阴极皆连接至输出电压端。
第一与第二升压晶体管组件皆包含一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端与一第二输出端，其中第一与第二升压晶体管组件的第一输入端分别连接至第一与第二低频开关驱动器；第一与第二升压晶体管组件的第二输入端皆连接至高频开关控制器；第一与第二升压晶体管组件的第一输出端分别连接至第一与第二连接端；第一与第二升压晶体管组件的第二输出端皆连接至参考电压端。
第一与第二线电压极性检测器皆连接至交流输入电压源的二端；分别检测交流输入电压源的负与正半周且分别以耦合(可为但不受限于光耦合、磁耦合等)信号控制第一与第二低频开关驱动器，其与高频开关控制器以一控制逻辑(可为但不受限于或逻辑、与非逻辑等)驱动第一与第二升压晶体管组件。
第一及第二升压晶体管组件的通道位于其第一与第二输出端之间。在负半周期间，第一低频开关驱动器恒开启第一升压晶体管组件的通道而高频开关控制器开启或关闭第二升压晶体管组件的通道使得升压电感器可通过第一升压晶体管组件的通道释放其储能以降低本体二极管导通损失。在正半周期间，第二低频开关驱动器恒开启第二升压晶体管组件的通道而高频开关控制器开启或关闭第一升压晶体管组件的通道使得升压电感器可通过第二升压晶体管组件的通道释放其储能以降低本体二极管导通损失。简言之，第一与第二升压晶体管组件的通道分别在负与正半周期间维持开启。
附图说明
本发明的上述及其它特点和优点通过下列配合附图对本发明的较佳具体实施例的详细描述将可被更加清楚地了解，其中：
图1所示为现有桥式功率因数修正器的电路图。
图2所示为现有无桥式功率因数修正器的电路图。
图3所示为本发明的方块图。
图4a所示为本发明的第一实施例的电路图。
图4b所示为本发明的第二实施例的电路图。
具体实施方式
图3显示依据本发明的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器的方块图，其包含一第一输入电压端Vi1、一第二输入电压端Vi2、一第一连接端V1、一第二连接端V2、一输出电压端Vo、一参考电压端Vref、一升压电感器L21、一滤波电容器C21、一第一升压二极管D21、一第二升压二极管D22、一第一升压晶体管组件33、一第二升压晶体管组件34、一高频开关控制器22、一第一低频开关驱动器303、一第二低频开关驱动器304、一第一线电压极性检测器301与一第二线电压极性检测器302。
Vi1与Vi2连接至一交流输入电压源；L21可被集总/分布在Vi1与V1间或/及Vi2与V2间；C21置于Vo与Vref之间；D21与D22的阳极分别连接至V1与V2；D21与D22的阴极皆连接至Vo。
第一与第二升压晶体管组件33与34皆包含一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端与一第二输出端，其中第一与第二升压晶体管组件33与34的第一输入端分别连接至第一与第二低频开关驱动器303与304；第一与第二升压晶体管组件33与34的第二输入端皆连接至高频开关控制器22；第一与第二升压晶体管组件33与34的第一输出端分别连接至V1与V2；第一与第二升压晶体管组件33与34的第二输出端皆连接至Vref。
第一与第二线电压极性检测器301与302皆连接至Vi1与Vi2；分别检测交流输入电压的负与正半周且分别以耦合(可为但不受限于光耦合、磁耦合等)信号控制第一与第二低频开关驱动器303与304，其与高频开关控制器22以一控制逻辑(可为但不受限于或逻辑、与非逻辑等)驱动第一与第二升压晶体管组件33与34。
第一及第二升压晶体管组件33和34的通道位于其第一与第二输出端之间。在负半周期间，第一低频开关驱动器303恒开启第一升压晶体管组件33的通道而高频开关控制器22开启或关闭第二升压晶体管组件34的通道使得L21可通过第一升压晶体管组件33的通道释放其储能以降低本体二极管导通损失。在正半周期间，第二低频开关驱动器304恒开启第二升压晶体管组件34的通道而高频开关控制器22开启或关闭第一升压晶体管组件33的通道使得L21可通过第二升压晶体管组件34的通道释放其储能以降低本体二极管导通损失。简言之，第一与第二升压晶体管组件的通道分别在负与正半周期间维持开启。
接着探讨第一低频开关驱动器303与高频开关控制器22如何以或控制逻辑(OR control logic)驱动第一升压晶体管组件33。假设X1为第一低频开关驱动器303的输出信号，其被输入至第一升压晶体管组件33的第一输入端作为或逻辑门(OR logic gate)的第一输入信号；X2为高频开关控制器22的输出信号，其被输入至第一升压晶体管组件33的第二输入端作为或逻辑门的第二输入信号；Y为或逻辑门的输出信号，其被用以驱动第一升压晶体管组件33的栅极。X1、X2与Y间的或逻辑关系可被表示为：Y＝X1+X2，且对应的真值表(truth table)列于表1，其中L代表低电平且H代表高电平。
在正半周期间，X1恒维持在低电平(X1＝L)；Y的电平等于X2的电平(Y＝X1+X2＝L+X2＝X2)。易言之，高频开关控制器22开启或关闭第一升压晶体管组件33的通道。在负半周期间，X1恒维持在高电平(X1＝H)；Y亦恒维持在高电平(Y＝X1+X2＝H+X2＝H)。易言之，第一低频开关驱动器303恒开启第一升压晶体管组件33的通道。同样的推理亦可被用于说明第二低频开关驱动器304与高频开关控制器22如何以或控制逻辑驱动第二升压晶体管组件34。
Figure B2009101416085D0000051
表1
继续探讨第一与第二低频开关驱动器303与304以及高频开关控制器22如何以与非控制逻辑(NAND control logic)驱动第一与第二升压晶体管组件33与34。笛摩根定律(De Morgan’s Law)叙述：
Figure B2009101416085D0000052
易言之，一或逻辑门在逻辑上是等效于二非逻辑门(NOT logic gates)与一与非逻辑门(NAND logic gate)串接(in cascade with)。此逻辑等效(logic equivalence)列于表2，其中X1与X2为或逻辑门的二输入信号，其分别为二非逻辑门的二输入信号；
Figure B2009101416085D0000061
与
Figure B2009101416085D0000062
分别为二非逻辑门的二输出信号，其亦为与非逻辑门的二输入信号；Y为或逻辑门的输出信号，其亦为与非逻辑门的输出信号。值得一提的是
Figure B2009101416085D0000063
所需的非逻辑门可被省略
Figure B2009101416085D0000064
藉由交换线电压极性检测器和低频开关驱动器间的耦合关系。
表2
尽管逻辑等效，以与非逻辑实现的具体实施例比以或逻辑实现的具体实施例更加复杂且昂贵。因此，下列段落仅聚焦于以或逻辑实现的较佳具体实施例。
图4a与4b显示依据本发明的具有逻辑控制的无桥式PFC的二具体实施例的电路图。于图4a中，二升压晶体管组件33与34皆采用一双晶体管开关电路(dualtransistor switch circuit)；于图4b中，二升压晶体管组件33与34皆采用一单晶体管开关电路(single transistor switch circuit)。一般而言，二升压晶体管组件33与34皆可采用双晶体管开关电路或单晶体管开关电路。
首先说明图4a中的双晶体管开关电路。第一升压晶体管组件33为第一N通道金属氧化物半导体场效应晶体管Q41与第二N通道金属氧化物半导体场效应晶体管Q42并联(漏极与源极间的通道)。Q41与Q42的栅极分别充当第一升压晶体管组件33的第一与第二输入端；Q41与Q42的漏极与源极分别充当第一升压晶体管组件33的第一与第二输出端。为简化下列说明，第一与第二N通道金属氧化物半导体场效应晶体管分别简称为第一与第二晶体管；第一与第二升压晶体管组件分别简称为第一与第二组件。
图4a的动作原理叙述如下：在正半周期间，第二组件34的第一晶体管Q44开启但第一组件33的第一晶体管Q41关闭。当高频开关控制器22同时开启第一与第二组件33与34的第二晶体管Q42与Q43，升压电感器L21通过交流输入电压源、第一组件33的第二晶体管Q42的通道以及第二组件34的第一与第二晶体管Q44和Q43的并联通道储能；当高频开关控制器22同时关闭第一与第二组件33与34的第二晶体管Q42与Q43，升压电感器L21通过交流输入电压源、第一升压二极管D21、滤波电容器C21和第二组件34的第一晶体管Q44的通道释能。在负半周期间的电路操作对称于在正半周期间的电路操作。因此，升压电感器L21在负半周期间通过交流输入电压源、第二升压二极管D22、滤波电容器C21和第一组件33的第一晶体管Q41的通道释放其储能。
接着说明图4b中的单晶体管开关电路。第一升压晶体管组件33包含一或逻辑门U45与一N通道金属氧化物半导体场效应晶体管Q45，其中U45的第一与第二输入端分别充当第一升压晶体管组件33的第一与第二输入端；U45的输出端连接至Q45的栅极；Q45的漏极与源极分别充当第一升压晶体管组件33的第一与第二输出端。为简化下列说明，N通道金属氧化物半导体场效应晶体管简称为晶体管；或逻辑门简称为门。
图4b的动作原理叙述如下：在正半周期间，第二组件34的门U46的第一输入信号为高电平(H)但第一组件33的门U45的第一输入信号为低电平(L)。当高频开关控制器22的输出信号为高电平(H)，第一组件33的门U45与第二组件34的门U46的输出信号皆为高电平(H)；第一组件33的晶体管Q45与第二组件34的晶体管Q46皆开启；升压电感器L21通过交流输入电压源、第一组件33的晶体管Q45的通道与第二组件34的晶体管Q46的通道储能。当高频开关控制器22的输出信号为低电平(L)，第二组件34的门U46的输出信号仍为高电平(H)但第一组件33的门U45的输出信号为低电平(L)；第二组件34的晶体管Q46开启但第一组件33的晶体管Q45关闭；升压电感器L21通过交流输入电压源、第一升压二极管D21、滤波电容器C21与第二组件34的晶体管Q46的通道释能。在负半周期间的电路操作对称于在正半周期间的电路操作。因此，升压电感器L21在负半周期间通过交流输入电压源、第二升压二极管D22、滤波电容器C21与第一组件33的晶体管Q45的通道释放其储能。
须强调图4a中的升压电感器L21与图4b中的升压电感器L21皆可通过升压晶体管组件33或34中的晶体管的通道释放其储能。因此，本发明所揭示的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器可降低现有的无桥式功率因数修正器拓扑结构中的升压晶体管的本体二极管导通损失以提升效率。
另外，图4a与4b中的第一线电压极性检测器301与第二线电压极性检测器302分别以光耦合(可为但不受限于)信号控制第一低频开关驱动器303与第二低频开关驱动器304。发光二极管41a与42a分别在负与正半周期间发射光耦合信号；对应的光耦合晶体管41b与42b接收光耦合信号以分别控制第一低频开关驱动器303与第二低频开关驱动器304。线电压极性检测器301与302以及低频开关驱动器303与304的电路结构与动作原理已详细揭露于本案发明人之前发明专利申请案200810174895.5；此处不再赘述。然而，须强调线电压极性检测器301与302以及低频开关驱动器303与304可以离散零件(discrete components)或集成电路(integrated circuits)实现。
以上所述的实施例仅是说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以其限定本发明的专利范围，即凡是根据本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器包含：
一第一连接端、一第二连接端、一输出电压端、一参考电压端，一升压电感器设置于一交流输入电压源与该二连接端间，一滤波电容器连接于该输出电压端与该参考电压端间；
一第一线电压极性检测器与一第二线电压极性检测器，该第一与该第二线电压极性检测器皆连接该交流电压源的两端，分别用以检测该交流输入电压源为负半周期间与正半周期间；
一第一低频开关驱动器与一第二低频开关驱动器，该第一低频开关驱动器受控于该第一与该第二线电压极性检测器其中之一，该第二低频开关驱动器受控于该第一与该第二线电压极性检测器其中的另一个；
一第一升压二极管与一第二升压二极管，该第一与该第二升压二极管的阳极分别连接该第一与该第二连接端，该第一与该第二升压二极管的阴极共同连接于该输出电压端；以及
一第一升压晶体管组件与一第二升压晶体管组件，其中该第一与该第二升压晶体管组件皆包含一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端与一第二输出端，该第一与该第二升压晶体管组件的该第一输入端分别连接于该第一与该第二低频开关驱动器，该第一与该第二升压晶体管组件的该第二输入端共同连接于一高频开关控制器，该第一与该第二升压晶体管组件的该第一输出端分别连接该第一与该第二连接端，该第一与该第二升压晶体管组件的该第二输出端共同连接该参考电压端，其中
在负半周期间，该第一低频开关驱动器恒开启该第一升压晶体管组件的该第一与该第二输出端间的通道，而该高频开关控制器开启或关闭该第二升压晶体管组件的该第一与该第二输出端间的通道，在正半周期间，该第二低频开关驱动器恒开启该第二升压晶体管组件的该第一与该第二输出端间的通道，而该高频开关控制器开启或关闭该第一升压晶体管组件的该第一与该第二输出端间的通道。
2.根据权利要求1所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该第一与该第二升压晶体管组件是以“或”逻辑方式控制，且该第一与该第二低频开关驱动器分别由该第一与该第二线电压极性检测器控制。
3.根据权利要求2所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该第一与该第二升压晶体管组件可同时为一单晶体管开关电路或同时为一双晶体管开关电路，或其中之一为该单晶体管开关电路而另一为该双晶体管开关电路。
4.根据权利要求3所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该双晶体管开关电路包含：
一第一N通道金属氧化物半导体场效应晶体管；以及
一第二N通道金属氧化物半导体场效应晶体管，与该第一N通道金属氧化物半导体场效应晶体管并联，其漏极与源极分别连接该第一输出端与该第二输出端，该第一与该第二N通道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极则分别连接该第一输入端与该第二输入端。
5.根据权利要求3所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该单晶体管开关电路包含：
一N通道金属氧化物半导体场效应晶体管，其漏极与源极分别连接该单晶体管开关电路的该第一与该第二输出端，且该N通道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极电性连接其源极；以及
一或逻辑门，该或逻辑门的第一输入端与第二输入端分别连接该单晶体管开关电路的该第一与该第二输入端，且该或逻辑门的输出端连接该N通道金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极。
6.根据权利要求2所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该第一与该第二线电压极性检测器分别以光耦合、磁耦合或电耦合方式控制该第一与该第二低频检测驱动电路。
7.根据权利要求6所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该第一与该第二线电压极性检测器皆包含一发光二极管，用以分别于该交流输入电压源的负半周期间与正半周期间产生一光耦合信号，且该第一与该第二低频开关驱动器皆包含：
一光耦合晶体管，该光耦合晶体管的集极连接一固定电压，其射极通过一第一电阻器连接该参考电压端，且该第一与该第二低频开关驱动器的该光耦合晶体管分别接收该第一与该第二线电压极性检测器的该发光二极管的该光耦合信号；
一PNP双极晶体管，该PNP双极晶体管的射极接收该固定电压，其基极通过一第三电阻器连接该固定电压，其集极通过一第二电阻器连接该参考电压端，且该第一与该第二低频开关驱动器的该PNP双极晶体管的集极分别连接该第一与该第二升压晶体管组件的该第一输入端；以及
一NPN双极晶体管，该NPN双极晶体管的射极连接该参考电压端，其集极通过一第四电阻器与该PNP双极晶体管的基极连接，其基极通过一第五电阻器连接至该光耦合晶体管的射极。
8.根据权利要求1所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该第一线电压极性检测器与该第一低频开关驱动器，及该第二线电压极性检测器与该第二低频开关驱动器，可以离散零件或集成电路实现。
9.根据权利要求1所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该升压电感器是以一集总方式连接于该交流输入电压源与该二连接端间，该集总方式是该升压电感器连接于该交流输入电压源的一端与该第一连接端间，或为该升压电感器连接于该交流输入电压源的另一端与该第二连接端间。
10.根据权利要求1所述的具有逻辑控制的无桥式功率因数修正器，其特征在于该升压电感器是以一分布方式连接于该交流输入电压源与该二连接端间，其中该升压电感器包含一第一升压电感器与一第二升压电感器，该分布方式是该第一升压电感器连接于该交流输入电压源的一端与该第一连接端间，及该第二升压电感器连接于该交流输入电压源的另一端与该第二连接端间。
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