CN105024538B - 具有功率因素校正电路的电源供应器 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种具有功率因素校正电路的电源供应器，可接收三相电压的电压，包括：三个整流模块，分别接收该三相电压的第一相电压、第二相电压以及第三相电压，且每一个整流模块更包括：滤波器，接收该三相电压的其中一电压，并输出滤波电压；单相功率因素校正电路，耦接于该滤波器，接收该滤波电压，再输出校正电压；并更包括主晶体管；以及转换器，耦接于该单相功率因素校正电路的输出端，并连接电压输出端；至少一个功率因素校正控制器，连接该主晶体管；以及模拟控制器，连接该转换器。借由本发明，其整流模块不互相干扰，所使用的元件数量比传统三相单并联功率因素校正电路少，能够节省成本，却又不会影响效果，顾及品质。

Description

具有功率因素校正电路的电源供应器

技术领域

本发明是有关于一种单相升降压功率因数校正电路(buck－boost PFCcircuit)，尤其是指一种利用升降压功率因数校正电路，可改善升降压并提高其效率。

背景技术

功率因素(power factor)指的是有效功率与总耗电量之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量的比值，一般来说，功率因素可以用来衡量电力被利用的程度，当功率因素值越大，代表电力利用率越高。应用在电源供应器上的功率因素校正器大多用于控制调整交流电电流输入的时间和波型，使其与直流电电压波型尽可能地一致，让功率因素值接近1，避免电力设备系统消耗的电力超出其规格，产生不必要的干扰。

由上述可知，低功率因素代表电力效能低，电力效能越低代表电力在配送网络中的耗损越高；假如较低的功率因素没有被校正提升，电力公司除了有效功率外，还要提供与工作非相关的虚功，相对的，就要增加发电机、转换机、输送工具、甚至缆线等电力输送设备的消耗，才能弥补较低的功率因素；因此，大多电子设备都会具有功率因素校正器(powerfactor calibration，PFC)，来帮助改善自身能源使用率。

功率因素校正器内的电路可分为单相功率因素电路以及三相功率因素电路。请参考图1，是示范习用三个单相功率因素校正电路组成的三相PFC电路。如图1所示，单相功率因素电路主要是利用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波，提高功率因素。然而，当三个单相电路组成在一起时，容易互相影响，即使加入隔离电感也无法完全消除，造成电路的效率和输入电流总谐波畸变等指示也有所下降，因此，单相功率因素电路相当不适合大功率应用场合。

请参考图2，是示范习用三相六开关功率因素校正电路图。如图2所示，六开关三相功率因素校正是由6个功率开关器所组成，每个桥臂上下2个开关与其并联的开关组成，每相电流可通过桥臂上的这2个开关进行控制。由于三相的电流之和为零，所以只要对其中的两相电流进行控制就足够，因而在实际应用中，对电压绝对值最大的这一相不进行控制，而只选另外两相进行控制。这样做的好处是减小了开关动作的次数，因而可以减小总的开关损耗。不过，六开关三相功率因素校正电路使用开关数目太多，控制复杂，成本又高，且每个桥臂上两只串联开关存在直通短路的危险，对功率驱动控制的可靠度要求就很高。

接续上述，三相功率因素电路的输入功率高，且为一个恒定值，如此，可以使用容量较小的输出电容，实现更快的输出电压动态响应调节。不过，三相功率因素电路难以掌控三相之间的耦合。在单相功率因素电路中，如果负载等效为一个电阻，则输入功率因素为1，而在三相功率因素电路中，即使负载等效为一个电阻，功率因素时常难以是满意的值，原因就在于三相功率因素电路无法同时兼顾三相输入电流，不能独立控制任一相输入电流都为正弦波形。习知技术针对这个问题进行改善，推行出许多典型的三相功率因素电路，然而，这些典型电路所需要的电子元件太多，且控制复杂，对于元件耐压的需求较高，增加了成本的负担。

单相功率因素电路以及三相功率因素电路都有其优点，但如何在价格和性能之间取得平衡，仍是电源供应器领域的研究发展的重点。

有鉴于此，为了平衡价格与性能、降低结构复杂度、保持响应速度快，本案的发明人极力研究，尝试不同的电子元件及搭配不同的电路，并进行一连串测试，终于研究出本发明一种具有功率因素校正电路的电源供应器。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种具有功率因素校正电路的电源供应器，整流模块不互相干扰，所使用的元件数量比传统三相并联功率因素校正电路少，能够节省成本，却又不会影响效果，顾及品质。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。本发明提供一种具有功率因素校正电路的电源供应器，可接收三相电压的电压，并包括：三个整流模块，分别接收该三相电压的第一相电压、第二相电压以及第三相电压，且每一个整流模块更包括：滤波器，接收该三相电压的第一相电压、第二相电压以及第三相电压其中一电压，并输出滤波电压；单相功率因素校正电路，耦接于该滤波器，接收该滤波电压，再输出校正电压；并更包括主晶体管；以及转换器，耦接于该单相功率因素校正电路的输出端，并连接电压输出端，接收该校正电压，再输出输出电压；其中一个整流模块的转换器分别与另外两个整流模块的转换器连接在一起；至少一个功率因素校正控制器，连接该主晶体管，以模拟信号控制该主晶体管动作；以及模拟控制器，连接该转换器，控制该转换器动作。

本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其中该转换器可为下列任一种：相移式全桥转换器、相移式半桥转换器、串联谐振转换器以及顺向式电力转换器。

前述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其中该转换器为相移式全桥转换器，并包含变压器以及四个晶体管；其中一转换器的变压器的二次侧分别与另两转换器的变压器的二次侧相连；该模拟控制器连接并控制该四个晶体管动作，其中，两个晶体管串连在一起后与另外两个串连在一起的晶体管并联。

前述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其中该单相功率因素校正电路包含桥式整流器，该桥式整流器的输出端连接电感；相对于该桥式整流器，该主晶体管以及二极管分别连接于该电感的一端；而该主晶体管与该转换器并联，该二极管连接该转换器。

前述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其更包括微处理器，连接并用于控制该模拟控制器，其中，该模拟控制器为脉宽调变控制器。

前述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其中该电压输出端设置有电流感测器，连接于该微处理器，并用于感测该电压输出端的电流，且将感测结果传送至该微处理器，该微处理器依照感测结果决定是否借由该模拟控制器来控制该转换器。

借由上述技术方案，本发明的具有功率因素校正电路的电源供应器至少具有下列优点及有益效果：

(1)整流模块不互相干扰：传统单相功率因素校正电路因并联，互相干扰而难以控制，此外，传统单相功率因素校正电路容易增加损耗，相较之下，本发明的整流模块不会互相干扰，元件耐压需求降低，同时又可以应用于大功率场合。

(2)降低元件需求：相较于传统三相单并联功率因素校正电路，本发明所利用的电子元件数量比较少；本发明是功率因素校正电路以及转换器的组合，用模拟信号即可控制动作，降低制造过程复杂度，能够节省成本，同时，并不因为电子元件的数量而影响效果，顾及品质。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1：示范习用三个单相功率因素校正电路组成的三相PFC电路；

图2：示范习用三相六开关功率因素校正电路图；

图3：本发明一种具有功率因素校正电路的电源供应器的架构图；

图4：本发明的单相功率因素校正电路以及相移式全桥转换器的元件；

图5：本发明的单相功率因素校正电路以及相移式半桥转换器的元件；

图6：本发明的单相功率因素校正电路以及串联谐振转换器的元件；

图7：本发明的单相功率因素校正电路以及顺向电力转换器的元件。

【主要元件符号说明】

11： 单相功率因素校正电路

111： 主晶体管

12： 滤波器

13： 转换器

131： 变压器

2： 功率因素校正控制器

3： 模拟控制器

4： 微处理器

41： 电流感测器

S： 第一相电压

R： 第二相电压

T： 第三相电压

V1： 滤波电压

V2： 校正电压

V3： 输出电压

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种具有功率因素校正电路的电源供应器的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参考图3，本发明一种具有功率因素校正电路的电源供应器的架构图。如图3所示，本发明为一种具有功率因素校正电路的电源供应器，可接收三相电压的电压，并包括：三个整流模块，分别接收该三相电压的第一相电压S、第二相电压R以及第三相电压T，且每一个整流模块更包括：滤波器12，接收该三相电压的第一相电压S、第二相电压R以及第三相电压T其中一电压，并输出滤波电压V1；单相功率因素校正电路11，耦接于该滤波器12，接收该滤波电压V1，再输出校正电压V2；并更包括主晶体管111；以及转换器13，耦接于该单相功率因素校正电路11的输出端，并连接电压输出端14，接收该校正电压V2，再输出输出电压V3；其中一个整流模块的转换器13分别与另外两个整流模块的转换器13连接在一起；至少一个功率因素校正控制器2，连接该主晶体管111，以模拟信号控制该主晶体管111动作；以及模拟控制器3，连接该转换器13，控制该转换器13动作。该电压输出端14的电流为直流电，输出电压V3为直流电。该三相电压由电力供应单位所提供。

请参考图4，示范了本发明的单相功率因素校正电路以及相移式全桥转换器的元件。请同时参阅图3以及图4，该转换器13为相移式全桥转换器，而每一个转换器13包含变压器131以及四个晶体管；其中一个转换器13的变压器131的二次侧分别与另两个转换器13的变压器131的二次侧相连；该模拟控制器3连接并控制该四个晶体管动作，其中，两个晶体管串连在一起后与另外两个串连在一起的晶体管并联。其中，该模拟控制器3为脉宽调变控制器。

接续上述，该单相功率因素校正电路11包含桥式整流器，该桥式整流器的输出端连接电感；相对于该桥式整流器，该主晶体管111以及二极管分别连接于该电感的一端；而该主晶体管111与该转换器13并联，二极管连接于该转换器13。一电容连接该二极管以及该转换器13，并与该转换器13并联，此外，该电容还连接到地线。

本发明的转换器13由一组模拟信号来控制动作，因此，在本发明中，模拟控制器3即可控制三组转换器13动作，而习用功率因素校正电路，采用单相转换器的控制方式，须借由三组控制器才能完成控制，相较之下，本发明可用较低的成本的控制方式，但能达到与三相功率因素校正电路相同的功效。

请参考图3，本发明更包括一微处理器4，连接并用于控制该模拟控制器3，其中，该模拟控制器3为脉宽调变控制器；该电压输出端14设置有电流感测器41，连接于该微处理器4，并用于感测该电压输出端14的电流，且将感测结果传送至该微处理器4，该微处理器4依照感测结果决定是否借由该模拟控制器3来控制该转换器13。

接续上述，本发明所使用的微处理器4是所谓的微控制器(microcontrollerunit)，能够比较电流感测器41的感测结果是否超出预期，并在超出预期时，输出控制信号，借由该模拟控制器3来控制该相移式全桥转换器13。其中，上述电压输出端14设置有电流感测器41，连接于该微处理器4，并用于感测该电压输出端的电流，且将感测结果传送至该微处理器，该微处理器依照感测结果决定是否借由该模拟控制器3来控制该转换器13。

本发明的该转换器13还可以为相移式半桥转换器、串联谐振转换器或是顺向电力转换器。请参考图5，示范了本发明的单相功率因素校正电路以及相移式半桥转换器的元件；如图5所示，相移式半桥转换器具有两个相连的电容，两个晶体管串联，该两个电容之间连接变压器131的一次侧，该两个晶体管中间连接电容，再连接到变压器131的一次侧。

请参考图6，示范了本发明的单相功率因素校正电路以及串联谐振转换器的元件，其中，串联谐振转换器具有两个晶体管，两个晶体管之间串联两个电感，接着，电感与变压器131的一次侧连接。请参考图7，示范了本发明的单相功率因素校正电路以及顺向电力转换器的元件，其中，顺向电力转换器具有晶体管，连接于变压器131的一次侧。在上述中，本发明所提供的所有转换器13内的晶体管，都由模拟控制器3来控制动作。本发明将三个电压分为三个单相来处理，避免耐压性不足的问题。

经由上述详细说明后，已清楚了解本发明的架构，总结上述，本发明具有以下优点：

(1)整流模块不互相干扰：传统单相功率因素校正电路因并联，互相干扰而难以控制，此外，传统单相功率因素校正电路容易增加损耗，相较之下，本发明的整流模块不会互相干扰，元件耐压需求降低，同时又可以应用于大功率场合。

(2)降低元件需求：相较于传统三相单并联功率因素校正电路，本发明所利用的电子元件数量比较少；本发明是功率因素校正电路以及转换器的组合，用模拟信号即可控制动作，降低制程复杂度，能够节省成本，同时，并不因为电子元件的数量而影响效果，顾及品质。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种具有功率因素校正电路的电源供应器，可接收三相电压的电压，其特征在于其包括：

三组整流模块，分别接收该三相电压的第一相电压、第二相电压以及第三相电压，且每一个整流模块更包括：

滤波器，接收该三相电压的第一相电压、第二相电压以及第三相电压其中一电压，并输出滤波电压；

单相功率因素校正电路，耦接于该滤波器，接收该滤波电压，再输出校正电压；并更包括主晶体管；以及

转换器，耦接于该单相功率因素校正电路的输出端，并连接电压输出端，接收该校正电压，再输出输出电压；其中一个整流模块的转换器分别与另外两个整流模块的转换器连接在一起；

至少一个功率因素校正控制器，连接该主晶体管，以控制该主晶体管动作；以及

模拟控制器，连接该转换器，控制该转换器动作；

其中，该单相功率因素校正电路系包括：

一桥式整流器，系耦接于该滤波器与该转换器之间；

一电感，其一端系耦接至该桥式整流器；

一二极管，其P端系耦接至该电感的另一端；

一电容，其一端系耦接至该二极管的N端，且其另一端系耦接于该滤波器与该转换器之间，并同时耦接至地端；及

一主晶体管，其汲极端系耦接至该电感与该二极管的P端之间，其源极端系耦接至地端，且其闸极端系耦接至该功率因素校正控制器。

2.如权利要求1所述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其特征在于其中该转换器可为下列任一种：相移式全桥转换器、相移式半桥转换器、串联谐振转换器以及顺向式电力转换器。

3.如权利要求2所述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其特征在于其中该转换器为相移式全桥转换器，并包含变压器以及四个晶体管；其中一转换器的变压器的二次侧分别与另两转换器的变压器的二次侧相连；该模拟控制器连接并控制该四个晶体管动作，其中，两个晶体管串连在一起后与另外两个串连在一起的晶体管并联。

4.如权利要求1所述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其特征在于其更包括微处理器，连接并用于控制该模拟控制器，其中，该模拟控制器为脉宽调变控制器。

5.如权利要求4所述的具有功率因素校正电路的电源供应器，其特征在于其中该电压输出端设置有电流感测器，连接于该微处理器，并用于感测该电压输出端的电流，且将感测结果传送至该微处理器，该微处理器依照感测结果决定是否借由该模拟控制器来控制该转换器。