CN1125530C - 功率因数修正电路 - Google Patents
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Abstract
一种功率因数修正电路，是在传统交换式电源供应器的AC/DC整流电路中的桥式整流器与电解电容的正极端之间串接一绕线组及一二极管，并在该电解电容的正极端与该电源供应器的DC/DC转换器之间，串接另一绕线组，使该两个绕线组共用同一磁芯，藉由控制该两个绕线组的极性作用，使该二极管在逆向及顺向偏压状态之间切换，使交流电源在其交流正弦电压的每一个相位内，均可将其输入电流导入该电解电容，可有效改善该交换电源供应器的输入电源的功率因数，提高其用电效能及品质。
Description
本发明涉及一种功率因数修正电路，尤指一种完全无需改变传统以交流电源为输入电源的交换式电源供应器(off-lineswitchlng power supply)的原线路设计，仅需增加设置一简单电路，即可有效修正及改善该交换式电源供应器的输入电源的功率因数(power factor)，以符合电流谐波法规IEC-1000-3-2中A类或D类的规定。
传统的以交流电源为输入电源的交换式电源供应器，参阅图1所示，主要是由一交流对直流(AC/DC)整流电路(rectifier circuit)1及一直流对直流(DC/DC)转换器(converter)2所组成。由于，在该整流电路1中，一电解电容C1是连接在一桥式整流器DB1后，以作为一滤波器。因此，输入该整流电路1的交流电源Vs1，仅在其输入电压高于该电解电容C1的电压时，该桥式整流器DB1开始导通，对该电解电容C1进行充电，因此其输入电流IPC为一脉冲式电流(pulsating current)，参阅图2所示，通过该整流电路1使得该传统交换式电源供应器的输入电源的功率因数大幅降低，仅为50％左右，其输入电流总谐波失真(total harmonics distortion，简称THD)值则高达100％以上，造成电流谐波的严重失真，用电品质恶化。如此，电厂持续运转所提供的交流电源，自然无法被正常且有效地利用，形成能源上极大的浪费。
对此，先进国家着手制定各种电流谐波法规(如：IEC1000-3-2)，期望能藉此迫使电源供应器的制造厂商，有效改善其产品特性，使其所制造的电源供应器的电流波形能符合各个电流谐波法砚的要求，进而提高电源供应器的用电效能及品质。
为适应各国电流谐波法规的要求，各电源供应器的制造厂商及研究开发人员，均已对传统以交流电源为输入电源的交换式电源供应器的电路，进行若干研究，并藉下列设计方式，改善其功率因数：
(1)电感式功率因数修正电路：参阅图3所示，主要是在传统电源供应器的桥式整流器DB1与电解电容C1之间，串接一类似于修正日光灯功率因数的镇流器所使用的低频大型绕线组L1，使该绕线组L1与该电容C1形成一低通滤波器，以对输入DC/DC转换器2的电流波形进行整形；但是，该绕线组L1具有体积大、功率因数改善效果有限及容易产生高温的缺点。
(2)主动式功率因数修正电路：参阅图4所示，该电路除需重新设计传统电源供应器的AC/DC整流电路，将其与DC/DC转换器形成一双级电路外，还需加设一组复杂的控制电路(control circuit)11及一大功率的开关元件Q1。这种设计方式虽可改善功率因数的效果，但是，其电路设计颇为复杂，且制造成本较高。
(3)高频振荡式(Dither type)单级单开关的功率因数修正电路：参阅图5所示，该电路的结构虽较为简单，但是，仍需重新设计传统电源供应器的电路，且其在使用上有下列缺点：
(a)需配置高耐压的电解电容：当其DC/DC转换器2在连续导通摸式(continuous current mode)运作下，若负载由重载瞬间降至轻载时，其电解电容C1上的直流链电压Vdc将立即升高1～2倍，因此，必需改用更高耐压的电解电容C1。
(b)电压涟波升高：由于开关Q1导通时，交流电源VS1端电流的交流成份将被导入，故其DC/DC转换器2的输出端，将受120Hz交流作用的影响，而使其电压涟波值升高。
(c)连续导通摸式下功率因数改善效果不佳：该电路中所设置的大型绕线组L1，在连续导通摸式运作下，并不能使其获得良好的功率因数改善效果。
(4)S·Teramoto在1994年中请的第5,301,095号美国专利：参阅图6所示，该专利的电路结构主要是将前述高频振荡式单级单开关的功率因数修正电路中的二极管D2去除，而以一极小值的电容C3取代，以改善其功率因数；但是，其余两个缺点仍未有效解决。
(5)Fu-Sheng Tsai在1997年申请的第5,600,546号美国专利：参阅图7所示，该专利的电路结构主要是在前述高频振荡式单级单开关的功率因数修正电路中，再加入一绕线组L3与二极管D2串联，藉由调低其DC/DC转换器2的初级绕线组LP与绕线组L1之间的电感比LP/L1或升高该绕线组L3与初级绕线组LP之间的电感比L3/LP，以解决其DC/DC转换器2在连续导通摸式运作下，电解电容C1上直流链电压Vdc升高的问题，但是，其余两个缺点则仍然存在。
本发明的目的是提供一种可以克服上述各种现有技术缺陷的功率因数修正电路，
本发明的目的是这样实现的：其主要是在一电源供应器的一AC/DC整流电路中的一桥式整流器与一电解电容的正极端之间，依序串接一绕线组及一二极管，并在该电解电容的正极端与该电源供应器的一DC/DC转换器之间，串接另一绕线组，且使该二绕线组共用同一磁芯，藉该DC/DC转换器控制该两个绕线组的极性，使该二极管在逆向及顺向偏压状态之间切换，进而使交流电源在其交流正弦电压的每一个相位内，均可将其输入电流导入该电解电容。
其中该DC/DC转换器包括：一变压器，该变压器的初级绕线组是分别藉一电力开关元件及该另一绕线组跨接在该电解电容的两端，形成一串联回路，该变压器的次级线圈则与一次级侧整流二极管分别跨接在一次级侧输出平滑滤波电容的两端，形成另一串联回路；一控制电路，该控制电路是连接在该电力开关元件与该DC/DC转换器的输出端之间，以监测该输出端的电压，并产生一控制信号，调整该电力开关元件的导通时间，使该输出端的电压值保持在一稳态固定值。
其中该桥式整流器的两个直流电压输出端上，可跨接一高频滤波电容，以滤除电路中所产生的高频杂讯，使该桥式整流器的输出端电流更为平滑。
其中该桥式整流器的交流输入端上，可跨接一高频滤波电容，以滤除电路中所产生的高频杂讯，使交流电源输入端所输入的电流更为平滑。
本发明的特点是：通过在传统交换式电源供应器的AC/DC整流电路中的桥式整流器与电解电容的正极端之间串接一绕线组及一阻断二极管，并在该电解电容的正极端与其DC/DC转换器之间，串接另一绕线组，使该两个绕线组共用同一磁芯，通过控制该两个绕线组的极性作用，使该二极管在逆向及顺向偏压状态之间切换，进而使交流电源在其交流正弦电压的每一个相位内，均可将其输入电流导入该电解电容，并可藉适当调整该两个绕线组的电感比，有效改善该交换电源供应器的功率因数值达0.9以上，以符合电流谐波法规IEC-1000-3-的中A类或D类的规定，且其DC/DC转换器在连续导通模式运作下，负载由重载瞬间降至轻载时，其电解电容上不致发生直流链电压升高的问题，DC/DC转换器的输出电压也不再受120Hz电压涟波的影响。
下面配合附图及若干实施例，详细说明本发明的技术内容如下：
图1是传统交换式电源供应器的电路结构示意图；
图2是传统交换式电源供应器中通过该整流电路的输入电流的波形示意图；
图3是电感式功率因数修正电路的结构示意图；
图4是主动式功率因数修正电路的结构示意图；
图5是高频振荡式单级单开关的功率因数修正电路的结构示意图；
图6是第5,301,095号美国专利的电路结构示意图；
图7是第5,600,546号美国专利的电路结构示意图；
图8是本发明的一实施例的电路结构示意图；
图9是本发明的一实施例中，DC/DC转换器为一驰返式转换器的电路结构示意图；
图10是图9的本发明实施例中，该控制开关元件端的电压Vds及流经该两个绕线组La、Lb上的电流ILa、ILb的波形示意图；
图11是图9的本发明实施例中，输入电流Iin的波形示意图；
图12是图9的本发明实施例在各种负载状况下，其电解电容C1的电压Vdc波形示意图；
图13是图9的本发明实施例与图7的传统电源供应器之间在次级电解电容上的电压连波的比较示意图；
图14是图9的本发明实施例的直流链电压Vdc在负载电流瞬间变化时的波形示意图；
图15是本发明的另一实施例的电路结构示意图；
图16是本发明的又一实施例的电路结构示意图；
表1是本发明电路的输入电流Iin的各谐波成份值与电流谐波法规IEC-1000-3-2中A类管制标准的比较数据；
表2是本发明电路的输入电流Iin的各谐波成份值与电流谐波法规IEC-1000-3-2中D类管制标准的比较数据。
本发明是一种功率因数修正电路，参阅图8所示，该电路是在传统交换式电源供应器的AC/DC整流电路1(参阅图1所示)中的桥式整流器DB1与电解电容C1的正极端之间，串接一绕线组La及一个二极管D1，并在该电解电容C1的正极端与其DC/DC转换器2之间，串接另一绕线组Lb，且使该两个绕线组共用同一磁芯Tr1。
在本发明的一实施例中，参阅图9所示，该DC/DC转换器2可为一驰返式(Fly-back)转换器，该驰返式转换器是由一变压器Tr2。一电力开关元件Q1、一控制电路21(control circuit)、一次级侧整流二极管D2及一次级侧输出平滑滤波电容C3等元件所组成。其中该变压器Tr2的初级绕线组LP与次级绕线组LS的匝数比为NP∶NS，电感值则分别为LP及LS，该变压器Tr2的该初级绕线组LP是分别藉该电力开关元件Q1及该绕线组LP跨接在该电解电容C1的两端，形成一串联回路，该次级线圈LS则与该整流二极管D2分别跨接于该平滑滤波电容C3的两端，形成另一串联回路，该DC/DC转换器2藉该控制电路21(control circuit)监测其输出端X3、X4之间的电压，以产生一控制信号，调整该电力开关元件Q1的导通时间，使该输出端X3、X4的电压值V。保持在一稳态固定值。
再参阅图9所示，其中VS1是代表输入该电源供应器的交流电源，X1、X2代表跨接在该桥式整流器DB1的两个输入端，Iin、Vin则分别代表该两个输入端的电流值及电压值，Vin(rec)是代表该桥式整流器DB1输出端的电压值，ILa、ILb分别代表流经该两个绕线组La及Lb上的电流，Vy代表该绕线组La与该二极管D1连接端的电压值，Vdc代表该电解电容C1的一直流电压值。
在本发明的该实施例中，当该电力开关元件Q1导通时，该初级绕线组LP上将产生一斜率为Vdc/(Lb+LP)的电流ILb，该电流ILb将经该电解电容C1的正极端，流过该两个绕线组Lb、LP及该电力开关元件Q1，而回到该电解电容C1的负极端。由于该两个绕线组Lb及LP是绕设在同一磁芯Tr1上，故在极性安排下，将使该二极管D1变成逆向偏压，使该绕线组La上的电流ILa为零，此时，由于该绕线组Lb上仍有电流ILb流过，故该磁芯Tr1内的磁力线将呈扩张状。
在该实施例中，当该电力开关元件Q1被切断时，该磁芯Tr1内的磁力线开始缩减，而在该两个绕线组La及Lb的极性安排下，将使该二极管D1变成顺向偏压，在该绕线组La上产生一斜率为(Vin(rec)-Vdc)/La的电流ILa，而从交流电源VS1输入端X1、X2将电流导入该电解电容C1。
由图10所示，该控制开关元件Q1端的电压Vds及流经该两个绕线组La、Lb上的电流ILa、ILb波形可知，本发明的该实施例所产生的输入电流Iin波形，将如图11所示，完全符合IEC-1000-3-2法规中D类或A类的管制标准，此可藉参照表1及表2所示的各谐波成份值与管制标准的比较数据，得以证明。
由以上所述可知，在传统交换式电源供应器中，加入本发明的功率因数修正电路，即可使该交流电源VS1在其交流正弦电压Vin的每一个相位内(即该控制开关元件Q1的每一次切换周期)，均可将其输入电流Iin导人该电解电容C1。因此，本发明只需通过适当调整该两个绕线组La、Lb的电感值及该DC/DC转换器的变压器Tr2上初级绕线组LP的电感值，就可轻易地将其功率因数提升至0.9以上，同时，其电流总和失真THD值也可降至15％以下。所以，本发明的功率因数修正电路，不仅可大幅提高传统电源供应器的输入电流的功率因数，且可有效降低输入电流的谐波失真，使其满足IEC-1000-3-2法规中D类或A类的管制标准。
另外，本发明的该实施例在各种负载状况下，其电解电容C1的电压变化，由图12所示可知，是保持在一稳态的直流电压值。该实施例与图7所示的传统电源供应器之间在电解电容上的电压波形变化比较，也可由图13得知，在该实施例中，其DC/DC转换器的输出电压涟波将不受120Hz电压涟波的影响。又，由图14所示可知，在连续导通模式运作下，负载由重载降至轻载时，本发明的该实施例将不会发生直流链电压Vdc升高的问题。
在本发明的另一实施例中，参阅图15所示，可通过在图8所示的实施例中该桥式整流器DB1的两个直流电压输出端上，跨接一高频滤波电容C2，滤除电路中所产生的高频杂讯，使该桥式整流器DB1输出端的电流更为平滑。
在本发明的又一实施例中，参阅图16所示，也可通过在图8所示的实施例中该桥式整流器DB1的交流输入端X1、X2上，跨接一高频滤波电容C2，滤除电路中所产生的高频杂讯，使交流电源VS1输入端X1、X2所输入的电流Iin更为平滑。
以上所述，仅是本发明的一较佳的实施例，但是，本发明所主张的权利要求范围，并不局限于此，凡熟悉该项技术人士，依据本发明所揭露的技术内容，可轻易考虑到的等效变化，如：将本发明实施例中的驰返式(Fly-back)转换器以顺向式(Forward)转换器、半桥式(Half-bridge)转换器、全桥式(Full-bridge)转换器、推挽式(Push-pull)转换器或降压式(Boost)转换器等其它传统DC/DC转换器，予以取代，均应属于不脱离本发明的保护范围。
Claims (4)
1、一种功率因数修正电路，其特征在于：在一电源供应器的一AC/DC整流电路中的一桥式整流器与一电解电容的正极端之间，依序串接一绕线组及一二极管，并在该电解电容的正极端与该电源供应器的一DC/DC转换器之间，串接另一绕线组，且使该两个绕线组共用同一磁芯，藉该DC/DC转换器控制该两个绕线组的极性，使该二极管在逆向及顺向偏压状态之间切换，进而使交流电源在其交流正弦电压的每一个相位内，均可将其输入电流导入该电解电容。
2、如权利要求1所述的一种功率因数修正电路，其特征在于：其中该DC/DC转换器包括：一变压器，该变压器的初级绕线组和一电力开关元件及该另一绕线组串联后跨接在该电解电容的两端，形成一串联回路，该变压器的次级线圈则与一次级侧整流二极管串联后跨接在一次级侧输出平滑滤波电容的两端，形成另一串联回路；一控制电路，该控制电路是连接在该电力开关元件与该DC/DC转换器的输出端之间，以监测该输出端的电压，并产生一控制信号，调整该电力开关元件的导通时间，使该输出端的电压值保持在一稳态固定值。
3、如权利要求1或2所述的一种功率因数修正电路，其特征在于：其中该桥式整流器的两个直流电压输出端上，可跨接一高频滤波电容。
4、如权利要求1或2所述的一种功率因数修正电路，其特征在于：其中该桥式整流器的交流输入端上，可跨接一高频滤波电容。
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