CN104682720A - 交交流电源转换装置及其转换方法 - Google Patents

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Abstract

一种交交流电源转换装置包含有整流电路、主动式功因校正电路、自动电荷抽放电路及逆变电路，该整流电路与该交流电源连接，接收该交流电源的电能后转换成直流的电能输出；该主动式功因校正电路与该整流电路连接，接收该整流电路输出的电能并提升功率因子后输出；该自动电荷抽放电路与该主动式功因校正电路连接，接收该主动式功因校正电路输出的电能后调整输出；该逆变电路连接该自动电荷抽放电路与该负载，接收该自动电荷抽放电路输出的电能，并转换成交流电能后输予该负载。此外，本发明还提供有该交交流电源转换装置的电源转换方法。

Description

交交流电源转换装置及其转换方法
技术领域
本发明是与电源转换有关，特别是指一种交交流电源转换装置及其转换方法。
背景技术
按，传统的交交流电源转换装置通常包含有一整流电路与一输出电容以及一逆变器，以将该整流电路将一交流电源转换成一直流电源，该输出电容跨接于该整流电路的输出端，且该逆变器与输出电容连接后，再连接至一负载。
该交交流电源转换装置在作动时，该交流电源的输入电压与输入电流常会处于相位不同的情况，导致功率因子低且电流总谐波失真严重。此外，只有在该整流电路输出的直流电源的电压高于该输出电容的电压时，才会对该输出电容进行充能，因此造成输出电容充能时间短缩，导致该整流电路中的二极管导通时间亦随的缩短，进而导致导通电流的峰值随的增大，造成输入电流波形失真及功率因子降低外，更会导致该逆变器的电流响应速度受到影响，使得最后输出予负载的交流电能严重失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交交流电源转换装置及其转换方法，除了具有高功率因子的优点外，可以同时兼顾快速响应与低涟波输出电压的目的。
炎实现上述目的，本发明提供的交交流电源转换装置用以将一交流电源的电能转换后供予一负载，且包含一整流电路、一主动式功因校正电路、一自动电荷抽放(auto charge pump)电路以及逆变(Power inverter)电路。其中，该整流电路输入侧与该交流电源连接，用以接收该交流电源的电能后，转换成直流的电能并自其输出侧输出；另外，该输出侧具有一正电端以及一负电端。该主动式功因校正电路与该整流电路的输出端连接，用以接收该整流电路输出的电能并提升功率因子后输出，且包含有一第一二极管，其负极与该正电端连接；一第一电容，其一端与该第一二极管的正极连接；一电子开关，其一端与该第一电容另一端连接，而该电子开关另一端则与该负电端连接；一第一电感，其一端与该第一二极管的负极以及该正电端的连接处连接，而该第一电感另一端与该第一电容以及该电子开关的连接处连接；一第二二极管，其正极与该电子开关以及该负电端的连接处连接；一第二电感，其一端与该第一二极管的正极以及该第一电容的连接处连接，另一端则与该第二二极管的负极连接。该自动电荷抽放电路与该主动式功因校正电路连接，是用以接收该主动式功因校正电路输出的电能后调整输出者，且包含有一第三二极管，其正极与该第二二极管的负极及该第二电感的连接处连接，而负极则与该第二电感、该第一二极管的正极以及该第一电容的连接处电性连接；一第二电容，其一端连接该第三二极管的负极；一第三电感，其一端连接该第一电容的另一端，而另外一端则电性连接至该第三二极管的负极与该第二电容的连接处；一等效电容，其一端与该第二电容与该第三电感的连接处连接，而另一端则与该第三二极管的正极、该第二二极管的负极及该第二电感的连接处连接；该逆变电路电性连接该自动电荷抽放电路的等效电容，并与该负载连接，用以接收该自动电荷抽放电路输出的电能，并转换成预定频率的交流电能后，输出予该负载。
依据上述构思，该交交流电源转换装置的电源转换方法，包含有下列步骤：
A、导通该电子开关，使该整流电路输出的直流电对该第一电感器充能，且该第一电容的储能对该第二电感器充能，而该第二电容与该第三电感的储能对该等效电容充能，使该等效电容的储能通过该逆变电路对该负载释能；
B、断开该电子开关以阻断该整流电路输出的直流电，使该第一电感的储能对该第一电容充能，并使该第二电感的储能对该第三电感、该第二电容与该等效电容充能，使该等效电容的储能持续通过该逆变电路对该负载释能；
C、该第二电感停止释能，使该第三二极管截止，以使该第三电感的储能对该第二电容充能，而使该第二电容的跨压极性反转，且该等效电容的储能持续通过该逆变电路对该负载释能；
D、导通该第三二极管，使该第二电容与该第三电感产生与前一步骤反向的电压，并对该等效电容充能，使该第二电容持续通过该逆变电路对该负载释能。
通过上述设计，便可以在电源转换时提高功率因子，更同时兼顾有快速响应与低涟波输出电压外的优点。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的交交流电源转换装置的电路图；
图2A、B至图5A、B为各步骤的等效电路图；
图6为本发明另一较佳实施例的交交流电源转换装置的电路图。
附图中符号说明：
10整流电路，12正电端，14负电端，20主动式功因校正电路，30自动电荷抽放电路，40、50逆变电路，100交流电源，200负载，C1～C5电容，L1～L3电感，D1～D5二极管，SW电子开关，S1～S6切换开关。
具体实施方式
为能更清楚地说明本发明，举较佳实施例并配合附图详细说明如后。请参照图1所示，本发明一较佳实施例的交交流电源转换装置用以将一交流电源100的电能转换后，输出供予一负载200。该交交流电源转换装置包含一整流电路10、一主动式功因校正电路20、一自动电荷抽放(autocharge pump)电路30以及一逆变(Power inverter)电路40。其中：
该整流电路10于本实施例中为一桥式整流器，且输入侧与该交流电源100连接，用以接收该交流电源100的电能后，转换成直流的电能并自其输出侧输出。另外，该输出侧依据供电的极性而区分有一正电端12以及一负电端14。
该主动式功因校正电路20与该整流电路10的输出端连接，用以接收该整流电路10输出的电能并提升功率因子后输出，且包含有二个二极管（第一二极管D1以及第二二极管D2）、一个电容（第一电容C1）、二个电感（第一电感L1以及第二电感L2）以及一电子开关SW。该些组件的连接关系如下所述：
该第一二极管D1的负极与该正电端12连接。
该第一电容C1一端与该第一二极管D1的正极连接。
该电子开关SW一端与该第一电容C1另一端连接，而另一端则与该负电端14连接。
该第一电感L1一端与该第一二极管D1的负极以及该正电端12的连接处连接，而该第一电感L1另一端与该第一电容C1以及该电子开关SW的连接处连接。
该第二二极管D2正极与该电子开关SW以及该负电端14的连接处连接。
该第二电感L2一端与该第一二极管D1的正极以及该第一电容C1的连接处连接，另一端则与该第二二极管D2的负极连接。
该自动电荷抽放电路30与该主动式功因校正电路20连接，是用以接收该主动式功因校正电路20输出的电能后调整输出，且包含有三个二极管（第三二极管D3、第四二极管D4以及第五二极管D5）、三个电容（第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4）以及一个电感（第三电感L3）。该些组件的连接关系如下所述：
该第五二极管D5的正极连接至该第二电感L2、该第一二极管D1的正极以及该第一电容C1的连接处。
该第三二极管D3的正极与该第二二极管D2的负极及该第二电感L2的连接处连接，而负极则与该第五二极管D2的负极连接以通过该第五二极管D5与该第一二极管D1的正极、该第二电感L2以及该第一电容C1的连接处电性连接。
该第二电容C2一端则与该第三二极管D3的负极及该第五二极管D5的负极的连接处连接。
该第四二极管D4的正极与该第三二极管D3的负极、该第五二极管D5的负极及该第二电容C2的连接处连接。
该第三电感L3一端连接该第一电容C1的另一端，另外一端则与该第四二极管D4的负极连接，而通过该第四二极管D4电性连接至该第三二极管D3的负极、该第五二极管D5的负极及该第二电容C2的连接处。
该第三电容C3与该第四电容C4的一端相连接，且该第三电容C3的另一端与该第二电容C2与该第三电感L3的连接处连接，而该第四电容C4的另一端与该第三二极管D3的正极、该第二二极管D2的负极及该第二电感L2的连接处连接。
该逆变电路40电性连接该自动电荷抽放电路30并与该负载200连接，用以接收该自动电荷抽放电路30输出的电能，并转换成预定频率的交流电能后输出予该负载200。于本实施例中，该逆变电路40系呈半桥是架构而包含有一第一切换开关S1及一第二切换开关S2，且该第一切换开关S1与该第二切换开关S2的一端相连接。另外，该第一切换开关S1的另一端与该第二电容C2、该第三电容C3与该第三电感L3的连接处连接，而该第二切换开关S2的另一端则与该第四电容C4、该第三二极管D3的正极、该第二二极管D2的负极及该第二电感L2的连接处连接。
于本实施例中，该些电容C1～C4、该些电感L1～L3、输入电压、该电子开关SW以及该些切换开关S1、S2的切换频率以及该负载200的规格如下表所示：
第一电感L1 300μH
第二电感L2 300μH
第三电感L3 1000mH
第一电容C1 200μF
第二电容C2 8nF
第三电容C3 100μF
第四电容C4 100μF
输入电压Vin 220Vrms
电子开关SW切换频率 100KHz
切换开关S1、S2的切换频率 200Hz
负载电阻 100Ω
由此，通过上述结构设计与规格，使用时便将该负载200的一端连接至该第三电容C3及该第四电容C4的连接处，而负载200的另外一端则连接至该第一切换开关S1及该第二切换开关S2的连接处，再利用下述的电源转换方法，便可达到提高功率因子，同时兼顾快速响应与低涟波输出电压的效果，而该方法包含有下列步骤：
A、请参照图2A及图2B，导通该电子开关SW，使该整流电路10输出的直流电对该第一电感器L1充能，且该第一电容C1的储能对该第二电感器L2充能，而该第二电容C2与该第三电感L3的储能对该第三电容C3与该第四电容C4充能，使该第三电容C3与该第四电容C4的储能通过该逆变电路40对该负载释能。另外，若交交流电源转换装置动作于正半波导通状态，则第二切换开关S2导通，此时第四电容器C4对该负载200释能，其等效电路如图2A所示。若交交流电源转换装置动作于负半波导通状态，则第一切换开关S1导通，此时则为该第三电容器C3对该负载200释能，其等效电路如图2B所示。
B、请参阅图3A及图3B，断开该电子开关SW以阻断该整流电路10输出的直流电，使该第一电感L1的储能对该第一电容C1充能，并使该第二电感L2的储能对该第三电感L3以及该第二电容C2充能，并通过该第二电容C2与该第三电感L3形成的共振电路，将该第二电感L2的储能传导至该第三电容C3与该第四电容C4，使该第三电容C3与该第四电容C4的储能持续依据正半波或负半波导通状态通过该逆变电路40对该负载200释能。
C、请参阅图4A及图4B，该第一电感L1停止释能后，该第一二极管D1截止，而该第二电感L2停止释能后，该第五二极管D5截止。此时，该第二电容C2与该第三电感L3形成共振电路，以使该第三电感L3的储能对该第二电容C2充能，而使该第二电容C2的跨压极性反转，而该第三电容C3与该第四电容C4的储能持续依据正半波或负半波导通状态通过该逆变电路40对该负载200释能。
D、当该第三电感C3的跨压大于该第三电容C3与该第四电容C4的总跨压时，该第三二极管D3导通，使该第二电容C2与该第三电感L3产生与步骤Ｃ反向的电压，并对该第三电容C3与该第四电容C4充能，使该第三电容C3与该第四电容C4的储能持续依据正半波或负半波导通状态通过该逆变电路40对该负载200释能。
另外，每执行一次步骤A至步骤D后，则表示完成一次周期的作动。是以，在该交交流电源转换装置持续作动的情况下，于步骤D后，便继续重复执行步骤A至步骤D，直至该交交流电源转换装置停止作动。
通过上述的该自动电荷抽放电路30的设计，于每次作动周期中，该第二电容C2的跨压可自动地提供负电位，而导通该第三二极管D3，以使该第三二极管D3导通前后的整体电路结构改变，而可达到快速响应与低涟波输出电压的目的，同时可通过该电子开关SW的切换达到提升功率因子的目的。
另外，该第四二极管D4以及该第五二极管D5的设计更可有效地分别防止电路产生回流影响该主动式功因校正电路20以及该自动电荷抽放电路30的作动，进而使得整体电路更加地稳定，以提升该交交流电源转换装置能源转换与抑制涟波的效果。当然，在实际实施上，即使不使用该第四二极管D4以及该第五二极管D5仍可达到增进电源转换效率以及抑制涟波的目的。
再者，本发明的交交流电源转换装置除适用于半桥式的逆变电路40外，亦适用于如图6所示的全桥式的逆变电路50，而与前述不同之处在于全桥式的逆变电路50具有第一切换开关S3至第四切换开关S6，而第三电容C3与第四电容C4则视为一等效电容C5，而连接关系如下：
该第一切换开关S3与该第三切换开关S5的一端相连接，而该第二切换开关S4与该第四切换开关S6的一端相连接。另外，该第一切换开关S3以及该第二切换开关S4的另一端与该等效电容C5、该第二电容C2与该第三电感L3的连接处连接，而该第三切换开关S5以及该第四切换开关S6的另一端则与该等效电容C5、该第三二极管D3的正极、该第二二极管D2的负极及该第二电感L2的连接处连接。
通过上述的结构设计，使用时便将该负载200的一端连接至该第一切换开关S3与该第三切换开关S5的连接处，而另外一端则连接至该第二切换开关S4与该第四切换开关S6的连接处，并利用前述的电源切换方法，同样能达到高功率因子、快速响应与低涟波输出电压的目的。
以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，且在电气特性以及电路动作原理相同的情况下，前述各电路组件的设置位置以及数量、以及举凡应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效电路变化，理应包含在本发明的专利范围内。

Claims (12)

1.一种交交流电源转换装置，用以将一交流电源的电能转换后供予一负载，且包括：
一整流电路，其输入侧与该交流电源连接，用以接收该交流电源的电能后，转换成直流的电能并自其输出侧输出；另外，该输出侧具有一正电端以及一负电端；
一主动式功因校正电路，与该整流电路的输出端连接，用以接收该整流电路输出的电能并提升功率因子后输出，且包含有：
一第一二极管，其负极与该正电端连接；
一第一电容，其一端与该第一二极管的正极连接；
一电子开关，其一端与该第一电容另一端连接，而该电子开关另一端则与该负电端连接；
一第一电感，其一端与该第一二极管的负极以及该正电端的连接处连接，而该第一电感另一端与该第一电容以及该电子开关的连接处连接；
一第二二极管，其正极与该电子开关以及该负电端的连接处连接；
一第二电感，其一端与该第一二极管的正极以及该第一电容的连接处连接，另一端则与该第二二极管的负极连接；
一自动电荷抽放电路，与该主动式功因校正电路连接，用以接收该主动式功因校正电路输出的电能后调整输出，且包含有：
一第三二极管，其正极与该第二二极管的负极及该第二电感的连接处连接，而负极则与该第二电感、该第一二极管的正极以及该第一电容的连接处电性连接；
一第二电容，其一端连接该第三二极管的负极；
一第三电感，其一端连接该第一电容的另一端，而另外一端则电性连接至该第三二极管的负极与该第二电容的连接处；
一等效电容，其一端与该第二电容与该第三电感的连接处连接，而另一端则与该第三二极管的正极、该第二二极管的负极及该第二电感的连接处连接；
一逆变电路，电性连接该自动电荷抽放电路的等效电容，并与该负载连接，用以接收该自动电荷抽放电路输出的电能，并转换成预定频率的交流电能后，输出予该负载。
2.根据权利要求1所述的交交流电源转换装置，其中，该等效电容是由一第三电容及一第四电容所组成，且该第三电容与该第四电容的一端相连接，而该逆变电路包含有一第一切换开关及一第二切换开关，且该第一切换开关与该第二切换开关的一端相连接；另外，该第三电容以及该第一切换开关的另一端与该第二电容与该第三电感的连接处连接，而该第四电容以及该第二切换开关的另一端与该第三二极管的正极、该第二二极管的负极及该第二电感的连接处连接；再者，该负载的一端连接至该第三电容及该第四电容的连接处，而另外一端则连接至该第一切换开关及该第二切换开关的连接处。
3.根据权利要求1所述的交交流电源转换装置，其中，该逆变电路包含有一第一切换开关、一第二切换开关、一第三切换开关以及一第四切换开关；该第一切换开关与该第三切换开关的一端相连接，而该第二切换开关与该第四切换开关的一端相连接；另外，该第一切换开关以及该第二切换开关的另一端与该等效电容、该第二电容与该第三电感的连接处连接，而该第三切换开关以及该第四切换开关的另一端则与该等效电容、该第三二极管的正极、该第二二极管的负极及该第二电感的连接处连接；再者，该负载的一端连接至该第一切换开关与该第三切换开关的连接处，而另外一端则连接至该第二切换开关与该第四切换开关的连接处。
4.根据权利要求1所述的交交流电源转换装置，其中，该自动电荷抽放电路包含有一第四二极管，其一端连接至该第三二极管的负极与该第二电容的连接处，另一端连接至该第三电感，而使该第三电感通过该第四二极管电性连接至该第三二极管的负极与该第二电容的连接处。
5.根据权利要求4所述的交交流电源转换装置，其中，该第四二极管的正极连接至该第三二极管的负极与该第二电容的连接处，而其负极则连接至该第三电感。
6.根据权利要求1所述的交交流电源转换装置，其中，该自动电荷抽放电路包含有一第五二极管，其一端连接至该第二电感、该第一二极管的正极以及该第一电容的连接处，而另一端则连接至该第三二极管的负极与该第二电容的连接处，而使该第三二极管的负极以及该第二电容通过该第五二极管与该第二电感、该第一二极管的正极以及该第一电容的连接处电性连接。
7.根据权利要求6所述的交交流电源转换装置，其中，该第五二极管的正极连接至该第二电感、该第一二极管的正极以及该第一电容的连接处，而负极则连接至该第三二极管的负极与该第二电容的连接处。
8.一种如权利要求1所述交交流电源转换装置的电源转换方法，包含有下列步骤：
A、导通该电子开关，使该整流电路输出的直流电对该第一电感器充能，且该第一电容的储能对该第二电感器充能，而该第二电容与该第三电感的储能对该等效电容充能，使该等效电容的储能通过该逆变电路对该负载释能；
B、断开该电子开关以阻断该整流电路输出的直流电，使该第一电感的储能对该第一电容充能，并使该第二电感的储能对该第三电感、该第二电容与该等效电容充能，使该等效电容的储能持续通过该逆变电路对该负载释能；
C、该第二电感停止释能，以使该第三电感的储能对该第二电容充能，而使该第二电容的跨压极性反转，且该等效电容的储能持续通过该逆变电路对该负载释能；
D、导通该第三二极管，使该第二电容与该第三电感产生与前一步骤反向的电压，并对该等效电容充能，使该等效电容持续通过该逆变电路对该负载释能。
9.根据权利要求8所述的电源转换方法，其中，于步骤D之后，包含有一步骤，是重复执行步骤A至步骤D。
10.根据权利要求8所述的电源转换方法，其中，于步骤B之后，该第一电感停止释能，使该第一二极管截止。
11.根据权利要求8所述的电源转换方法，其中，于步骤B中，该第二电感是通过该第二电容与该第三电感形成的共振电路，将其储能传导至该等效电容。
12.根据权利要求11所述的电源转换方法，其中，于步骤C中，该第二电容与该第三电感形成的共振电路后，该第三电感的储能对该第二电容充能，而使该第二电容的跨压极性反转，且当该第三电感的跨压大于该等效电容的跨压时，该第三二极管导通，而进入步骤D。
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