CN103580468B - 被动式功因校正电路 - Google Patents

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Abstract

本公开为一种被动式功因校正电路,包括:一滤波装置,用以降低一输入电流的高次谐波;一谐振装置,耦接该滤波装置,用以控制该输入电流的动作时间;以及一抑制装置,耦接该谐振装置,用以抑制该输入电流的纹波。

Description

被动式功因校正电路
技术领域
[0001] 本公开为一种被动式功因校正电路(Passive Power Factor Correct1nCircuit),尤其涉及一种可有效地应用于电流型交直流转换器的被动式功因校正电路。
背景技术
[0002]传统被动式功因校正电路由电感、电容和二极管等被动元件所构成,通过改变输入电流流入滤波电容的路径与时间,可改善输入电流的波形与相位,进而抑制谐波,提高功率因数。虽然,被动式功因校正技术所得到的功率因数不如主动式功因校正电路高,但被动式功因校正电路仍然能使电路的功因值提高到0.7〜0.9,电流谐波失真总量降至50%以下,除此之外,还有无主动开关元件、电路结构简单、成本低廉以及无主动开关切换造成的电磁干扰问题等优点,因此至今仍然广泛应用于中小功率的电子设备中。但是,被动式功因校正电路设计的工作点容易受到输入电压、输入电压频率以及输出功率的影响,使得功因校正效果受到影响。
[0003]传统交直流转换器工作于输入电压与电流相位不同情况下,将导致功率因数低落且电流总谐波失真严重;除此之外,只有输入电压高于电容电压时,输入电源才会对输出电容充电,因此造成电容充电时间缩短,以致整流二极管的导通时间亦随之缩短,导通电流的峰值随之增大,进而造成输入电流波形的失真与功因降低。低功率因数的设备产品,除了浪费能源外亦增加电力公司不必要的虚功需求,因此改善功率因数就成为电力电子重要课题之一O
[0004]传统功因校正电路因采用电路是否具有主动开关元件,可分为被动式(Passive)与主动式(Active)功因校正器两种。图1显示传统被动功因校正电路的单相桥式整流电路,因为,输出滤波电容Cd。的存在,造成输入电流含有大量谐波失真,将导致功率因数低落且电流总谐波失真严重。另外,传统被动式校正电路主要是由硅钢片组成电感元件,串接在桥式整流器输入端,如图2所示的单相电路,或可搭配电容形成LC滤波器或CLC(3i型)滤波器。由于硅钢片组成的电感器体积大且笨重,而且该电路的功率因数最高仅到75%左右。此外,被动式功因校正电路的体积会随着输出功率增加或额定输入电压降低而增加,因此传统被动功因校正电路的桥式整流电路虽有简单耐用的优点,却是性能太差不符合现今应用需求。
[0005]传统主动式功因校正电路其主要优点有功率因数可达0.99以上,电流谐波失真总量可小于10%,其单相电路如图3所示,除此之外,还有输入电压范围广泛、输出电压稳定、磁性元件体积小以及不受输出功率变动影响。然而主动式功因校正电路需要额外控制电路,其价格、电磁噪声与强健性则远不及被动式功因校正电路。
[0006]而传统低频式功因校正电路与上述传统主动功因校正电路架构类似,仅主动开关元件工作于低频切换,基本动作原理为使用两倍的市电频率作为主动开关的切换频率,藉以降低较高频成分电磁干扰的问题,其单相电路如图4所示,通过功率开关截止与导通时间的变化,来获得较佳的功因值。低频式功因校正电路具有高效率、控制简单、不需要高速功率元件以及没有高频电磁干扰等优点。对于以变频器为主的家电产品如冰箱、冷气机等系统而言,可有效改善功因,降低电流谐波失真总量。
发明内容
[0007]在一实施例中,本公开提供一种被动式功因校正电路,包括:一滤波装置,用以降低一输入电流的高次谐波;一谐振装置,耦接该滤波装置,用以控制该输入电流的动作时间;以及一抑制装置,耦接该谐振装置,用以抑制该输入电流的纹波。
附图说明
[0008]图1显示传统被动功因校正电路的一单相桥式整流电路;
[0009]图2显示传统被动功因校正电路的另一单相桥式整流电路;
[0010] 图3显示传统主动功因校正电路;
[0011 ]图4显示传统低频式功因校正电路;
[0012]图5显不根据本公开一实施例的一被动式功因校正电路;
[0013]图6显示应用图5的被动式功因修正电路;
[0014]图7A显示图6的操作于第一模式的被动式功因修正电路;
[0015]图7B显示图7A的波形图;
[0016]图8A显示图6的操作于第二模式的被动式功因修正电路;
[0017]图8B显不图8A的波形图;以及
[0018]图9显不应用本公开一例子的波形图。
[0019]【主要元件符号说明】
[0020] 11 滤波装置
[0021] 12 谐振装置
[0022] 13 抑制装置
[0023] 14 整流器
[0024] 15 电源
[0025] Load 负载
[0026] 21 谐振电路
[0027] 22 整流器
[0028] Vac 交流电源
[0029] iAc 交流电流
[0030] Vcl、VLd、Vdc、VL1、VL2、V。 电压
[0031] ic1、iLd、idc、iL1、iL2、i。 电流
具体实施方式
[0032]为使本领域技术人员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解,下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明,以使得本领域技术人员可以了解本公开的特点,详细说明陈述如下:
[0033]图5显示根据本公开一实施例的一被动式功因校正电路。该被动式功因校正电路包括一滤波装置11、一谐振装置12与一抑制装置13。该滤波装置11,其用以降低一输入电流的高次谐波,且该滤波装置11包括一滤波电感,进一步而言,通过滤波装置11使得输入电流延后一小段时间才开始动作,藉此降低输入电流的高次谐波;该谐振装置12,其耦接该滤波装置11,以用以控制输入电流的动作时间,进而降低输入电流的高次谐波,且该谐振装置12包括一第一电感与一第一电容,且该第一电感与该第一电容并联;该抑制装置13,其耦接该谐振装置12,用以抑制该输入电流的纹波,换句话说,该抑制装置13可降低输入电流纹波,进而减少输出电流纹波的影响。且该抑制装置13包括一第二电感与一二极管。该被动式功因校正电路还包括一电源15、一整流器14与一负载Load,且该电源15可为一交流电源,而该整流器14可为一桥式整流器或其他将交流电源整流为直流电源的装置,例如,全波整流器、半波整流器等等。该整流器14,其耦接该电源15,用以整流该电源15并产生该输入电流。此夕卜,前述的负载Load与该第二电感L2串联,且该第二电感1^2可抑制流经该负载Load的该输入电流的纹波。
[0034]图6显示应用图5的被动式功因修正电路。如图6所示,该被动式功因修正电路包括:一滤波电感Ld,其用以降低一输入电流的高次谐波;一谐振电路21,其耦接该滤波电感Ld,用以控制输入电流的动作时间,该谐振电路由一第一电感Li与一第一电容Ci所组成;一二极管D1,其耦接该谐振电路21 ;以及一第二电感L2,其耦接该谐振电路21,该第二电感L2串联一负载Load并与该二极管D1并联,且该第二电感1^2用以抑制流经该负载Load的该输入电流的纹波。该被动式功因修正电路还包括一交电流源Vac与一整流器22,该整流器22耦接该交流电源VAC,用以整流该交流电源Vac并产生该输入电流id。。而该整流器22可为一桥式整流器或其他将交流电源整流为直流电源的装置,例如,全波整流器、半波整流器等等。
[0035]图7A显示图6的操作于第一模式的被动式功因修正电路。当该第一电容(^上跨压Vc1与滤波电感Ld上跨压Vw的和大于直流电压Vd。时,二极管0工导通,该第一电容(^对该第一电感Li充电,而该第二电感L2经过该二极管Di继续对负载Load释能。此外,直流电压Vd。仍分别对滤波电感Ld、第一电感1^持续充电,且当被动式功因修正电路中该二极管D1截止时,该被动式功因修正电路即完成一周期的动作。同时,经整流后的电压Vd。直流电压于零,该滤波电感Ld的电流kd继续保持为零,以降低输入电流的高次谐波。图7B显示图7A的被动式功因修正电路操作于第一模式的波形图。如图7B所示,Vac表示交流电源、iAC表示交流电流、iu表不滤波电感Ld上的电流、iLi表不第一电感Li上的电流、Vdc表不输入直流电压、Vci表不该第一电容Ci上的电压以及i。表示该负载Load上的电流。
[0036]图8A显示图6的操作于第二模式的被动式功因修正电路。当直流电压Vdc随着输入交流电源Vac增加而增加,此时直流电压Vd。将分别大于滤波电感Ld上跨压VLd、该第一电容C1上跨压VC1、该第二电感L2上跨压Vl2与该负载上的电压V。的和,此时,直流电压Vdc分别对滤波电感Ld、该第一电容C1、该第一电感L1以及该第二电感1^2充电,且二极管D1I的电流iD1为零。如果当电路中的二极管0:导通时,该被动式功因校正电路即会再进入第一工作模式。图SB显示图8A的被动式功因修正电路操作于第二模式的波形图。
[0037] 图9显示应用本公开一例子的波形图。兹以100W LED负载为例,100WLED负载为24颗LED串联连接所构成,其负载上的电流i。为1A。当输入电压为IlOVrms时,本公开的被动式功因校正电路的交流输入电流i Ac、交流输入电源Vac、输出电压V。以及输出电流i。的模拟波形依序如图9所示。由上述输入电流iAC、交流输入电压Vac的模拟波形可见,本公开所提出的被动式功因校正电路,当使用100W LED作为输出负载时,可以得到电路功率因数为0.966,满足尚功因的目的。
[0038]本公开提出的被动式功因校正电路,可作为电流型交直流转换器,且该被动式功因校正电路所输入的单相或三相交流电压源经过全桥二极管整流电路整流后,可得到具二倍频成分或六倍频的直流电压,经过电路中输入滤波电感器,输出至其它电路。本公开的被动式功因校正电路主要是由一交流电源整流电路、一个电容、一个二极管以及三个电感所构成,且上述的交流电源整流电路具有一交流电源与一整流电路。
[0039]传统交直流转换器大都会使用桥式整流器作为前级整流电路,并在输出端并联电容器作为电路滤波与储能之用。输出端并联电容器容值的大小与输出纹波电压成反比,如果欲获得较小纹波,则并联电容器容值亦必须随着增大,但是随着电容器容值的增加,也意味着在输入交流电压周期时间内,输入交流电压低于电容器电压的时间亦将增加。如此一来,将造成桥式整流器中二极管的导通时间缩小以及导通电流峰值增大,进而造成输入电流波形的失真及功因降低。但是,本公开通过电路设计与共振电路作用,使得各个电容与电感的充放电时间常数为所需值,控制二极管导通时间与电容的放电时间,其目的在于将输入电容所存储的能量,可以在储能电感的电流为零前传送至负载端,如此一来,在进入下半个工作周期时,输入电源可以持续对输入电容充电,如此不但可增加整流二极管的导通时间也可减少导通电流的峰值大小,藉此改善电路的功率因数,同时也可以降低输出电容器对于电路的功率因数的影响,并提供稳定的直流输出电压。此外,本公开的电路设计不需要并联高容值且寿命较有限的电解电容器滤波,而是通过输出滤波电感抑制流经负载的电流纹波,可有效延长电路使用寿命。
[0040]此外,在实际运用上,本公开采用被动元件设计可避免DC与AC LED路灯系统的电源容易受到外在环境与输入电压变动的影响,具有高效率、高功因、高资源再利用率以及长寿命等优点。
[0041]然而以上所述仅为本发明的范例实施方式,当不能以的限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰,皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种被动式功率因子校正电路,包括: 一滤波装置,用以降低一输入电流的高次谐波; 一谐振装置,耦接该滤波装置,用以控制该输入电流的高次谐波;以及 一抑制装置,耦接该谐振装置,用以抑制该输入电流的纹波; 一电源; 一整流器,耦接该电源,用以整流该电源并产生该输入电流;以及 一负载,耦接该抑制装置,其中 该滤波装置还包括一滤波电感,该谐振装置包括一第一电感与一第一电容,且该第一电感与该第一电容并联;该抑制装置包括一第二电感与一二极管,该负载的一端与该第二电感的一端连接,使该负载与该第二电感串联,该负载与该第二电感则与该二极管并联,且该二极管的阴极与该第一电感的一端、该第一电容的一端及该第二电感的另一端连接,该二极管的阳极与该负载的另一端连接。
2.如权利要求1所述的被动式功率因子校正电路,其中该第二电感抑制流经该负载的该输入电流的纹波。
3.如权利要求1所述的被动式功率因子校正电路,其中当该被动式功率因子校正电路操作于一第一模式时,该第一电容上的跨压与第二电感上的跨压之和大于该输入电流的直流电压,因此,该二极管导通,而该第一电容对该第一电感进行充电。
4.如权利要求1所述的被动式功率因子校正电路,其中当该被动式功率因子校正电路操作于一第二模式时,该输入电流的电压将大于该滤波电感、该第一电容、该第二电感与该负载上的电压的和,因此,该输入电流的电压分别对该滤波电感、该第一电容、该第二电感与该负载进行充电。
5.如权利要求1所述的被动式功率因子校正电路,其中该整流器为一桥式整流器或其它将交流电源整流为直流电源的装置。
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