CN1338800A - 具切换功能的功率因数校正装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种具切换功能的功率因数校正装置及其方法,其主要构造,是包含有一电感器、一切换装置及一电源电压侦测装置,其中电源电压侦测装置可连接一输入电源,而输出端则连接切换装置,并依该电压值而输出不同的电气讯号至该切换装置,致使该电感器内的两电感可由串联连接状态切换成并联连接状态或由并联连接状态切换成串联连接状态,以抑制其交流电流的高频谐波值,且可同时降低电磁波的干扰产生、缩减装置体积及节省制作成本。

Description

具切换功能的功率因数校正装置及其方法

本发明是有关于一种具切换功能的功率因数校正装置及其方法，尤指一种可依不同输入电压值而自动切换选择两电感间的连接组态，以获得相对应电感总值的功率因数校正方法。

由于现代电气化产业的快速发展，外加上环保安全潮流的意识抬头，电气化产品的环保规范便显得如此不可缺少，为此各种环保或安全规章协定也一一出炉，对于电源供应器的需求及设计也是须符合国际电气协会所设定的规范，例如从公元2001年元月1日起，在欧洲地区，抑制交流电流高频谐波的EN61000-3-2规章便会生效，换言之所有功率消耗从数十瓦至数百瓦的电气产品，如电视、个人电脑、监视器等专业电源供应器都会在EN61000-3-2的限制规范内。因此，为了要符合EN61000-3-2规章的限制规定，一般业界是使用一种主动式功率因数校正装置设置于电源回路之中，请参阅图1A，是为现有电源供应器的主动式功率因数校正回路(PFC)示意图；如图所示，该主动式功率因数校正装置10’是由控制IC、变压器、切换电路及二极管等元件所组成，而串接于桥式整流器(由二极管D1、D2、D3及D4所组成)20’与滤波电容间，用以抑制该电源供应器内滤波电容C在交流电源充电程序时所产生的高频谐波。虽然运用该校正装置10’可得到最佳抑制高频谐波效果，然而，由于该校正装置10’是在高频下进行切换操作，故容易引起严重的电磁波干扰(EMI)，相对引起其他视讯产品的荧幕干扰问题，且由于PFC内是使用IC晶片来控制其高频载波，其制作成本居高不下，不具市场竞争力及产品利用性亦为具有待解决的问题。

为解决上述问题，业界则设计出另外一种被动式功率因数校正回路；如图1B所示，交流电源在输入端L，(N)与桥式整流器(由二极管D1、D2、D3及D4所组成)间串接一电感器Lm，用以抑制该电源供应器内滤波电容C在交流电源充电时所产生的高频谐波。此种被动式校正回路虽可解决上述现有主动式校正回路的问题。然而，由于国际上不同国家或地区所提供的电压值并不一致，例如在日本为100伏特，而欧洲则为230伏特，故当产品销售至日本时便需使用符合当地电压值的电感器Lm1；反之，若销售至欧洲地区时亦需要符合当地不同电压值的电感器Lm2。根据实验数据显示，若当地提供电压值为100伏特时，如日本，则因为其高频谐波限制量可以用EN61000-3-2安规的限制量乘以2.3倍来换算，所以其限制相对较为宽松，故仅需使用约10mH的电感器即能符合当地环保安全规章的限制；反之，若当地提供电压值为230伏特时，如欧洲地区，则约需使用40mH的电感器方能符合当地EN61000-3-2规章的限制。

为此，若欲在同一装置内设计同时符合不同国家地区的电压值环保规范协定，不仅可使用于日本等提供电压值较小的国家，亦可使用于欧洲等提供电压值较大的地区，则其电感器的选择与使用便面临两难的困境。因为，提供电压值为100伏特时，必须有较大的电流，故其电感器将需要较粗截面的绕线；而在230伏特使用地区时，则需较大的电感值，故其电感器必须有较多的绕线圈数，但因为如此则绕线总电阻值过大，若使用于100伏特供给电压值的地区时，将使得滤波电容C产生严重的电压降问题，因此其电感并不适用于100伏特供给电压值的日本地区来使用。困此，上述现有产品必须在同一装置内存在有两种不同规格的电感器，再依照地区的不同而选择使用哪一组电感器，而未被选择的电感器则闲置不用，如此不仅将形成资源的浪费，更直接造成装置体积的占据空间过大，不利产品设计。

故，如何针对上述现有功率因数校正回路所发生的问题提出一种新颖的解决方法及装置，不仅不需因为不同国家或地区的电压输入值而更换不同的电感器，以作为限制其高频谐波值之用，且同时可抑制电磁波干扰的产生及降低制作成本的目的，长久以来一直是使用者殷切盼望及本发明人欲行解决的困难点所在。

本发明的主要目的，在于提供一种具切换功能的功率因数校正装置及其方法，充分利用电感对称排列组态的不同变化，换言之，即在电源供应器的交流回路内设计两个相对称电感器，可因应输入电压值的不同而切换其串联或并联连接状态，以达到所需求的电感值，借此调节产品高频谐波以符合欧洲地区的EN61000-3-2规格或其它地区的环保安全规定。

本发明的次要目的，在于提供一种具切换功能的功率因数校正装置及其方法，其是在于输入端设置一侦测电源电压装置，用以自动侦测其输入电压值，致使该功率因数校正回路正确切换其两电感器的连接状态，达到可依当地所提供的电压值而自动切换功率因教校正回路电感值的目的。

本发明的又一目的，在于提供一种具切换功能的功率因数校正装置及其方法，一装置内仅需一内含二相对应电感的电感器即可，以适用于各地区的输入电压值，而装置内的二电感皆需同时塔配使用，而无需如现有装置一般必须有2组不同规格的电感器组，故不仅可缩小装置的占用体积、降低资源的浪费、及节省成本支出。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

一种具切换功能的功率因数校正装置，其主要构造是包括有：

一电感器，内部至少包含有两相等对称摆置连接的电感，而该电感器的输出端可连接一全波整流器；及

一切换装置，其输入端连接一电源输入源，而输出端则连接该电感器，利用该切换装置的切换动作可致使电感器内的二电感选择串联连接状态及并联连接状态其中之一。

其中该电感器内二电感在电源输入源的电压值高过一预设值时是成串联连接状态，而低于该预设值时则切换成并联连接状态。

尚可包括有一电源电压侦测装置，设置于该切换装置与电源输入源之间，借此自动侦测电源输入源的电压值而提供切换装置一电气讯号。

其中该电源电压侦测装置是至少包含有二串联的电阻，并依序连接有一齐纳二极管及一晶体管，当电源输入源的电压值高过一预设值时，可致使该齐纳二极管及晶体管动作而产生该电气讯号。

其中该切换装置是为一双刀双投的继电器。

其中该切换装置是为一手动式开关器。

其中该电感器亦可直接以两个独立的电感器来构成取代。

一种具切换功能的功率因数校正方法，其主要实施步骤是包括有：

a.侦测所输入的交流电源电压值；

b.一切换装置依据该电源电压值动作；及

c.受控于该切换装置动作，致使一电感器内的至少两电感选择切换成并联连接状态及串联连接状态的其中之一。

其中该步骤a中，是以一电源电压侦测装置自动侦测该输入的电源电压值。

其中该步骤a中，是以手动设定该输入的电压值。

其中该步骤b中是以手动方式选择切换该切换装置动作。

其中该步骤b及步骤C可为下列步骤：

比较电源电压值是否高于一预设值；

若是，则切换开关致使该电感器内的两电感成串联连接状态；

      及

若否，则切换开关致使该电感器内的两感成并联连接状态。

兹为使了更清楚地对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，仅佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后：

【图示说明】

图1A：为一现有电源供应器的主动式功率因数校正回路示意图；

图1B：为一现有电源供应器的被动式功率因数校正回路示意图；

图2：为本发明一较佳实施例具切换功能的功率因数校正装置的方块示意图；

图3：为本发明一较佳实施例的功率因数校正方法实施流程图；

图4：为本发明一较佳实施例的电路图；

图5：为本发明又一实施例的电路图；

图6A至图6B：为在未装设本发明功率因数校正装置时的交流电流(100伏特)高频谐波长条示意图及交流电压/电流波形图；

图6C至图6D：为在未装设本发明功率因数校正装置时的交流电流(230伏特)高频谐波长条示意图及交流电压/电流波形图；

图7A至第7B：为在装设本发明功率因数校正装置后的交流电流(100伏特)高频谐波长条示意图及交流电压/电流波形图；及

图7C至第7D：为在装设本发明功率因数校正装置后的交流电流(230伏特)高频谐波长条示意图及交流电压/电流波形图。

首先，请参阅图2，是为本发明一较佳实施例具切换功能的功率因数校正装置的方块示意图；如图所示，功率因数校正装置10包含有一电源电压侦测装置12，用以侦测该地区所提供输入的交流电源电压值，其输出端则连接一切换装置14，依据所侦测而得的一电压值产生电气变化，并切换选择一连接电感器16内的至少二个电感的连接组态；其中该电感器16内的两个电感是为由同面径大小及缠线圈数相同的线圈缠绕而成，分别设置于一铁芯的相对两边对称摆置(当然其电感器亦可直接以两个独立的电感器取代)，故当输入的交流电源经过该功率因数校正装置10及全波整流器20而转换成直流电源输出时，该装置10所产生的电感值将依其输入的交流电源电压值作适当的改变，因此可用以抑制该电源供应器内交流电源充电时高频谐波的产生。

接着，请参阅图3，为本发明一较佳实施例的功率因数校正方法实施流程图；如图所示，当输入一交流电源至该功率因数校正装置10时，电源电压侦测装置12将侦测所输入的电源电压值，如步骤310；判断该电压值为100伏特或为230伏特，如步骤320；若输入的电压值为100伏特时，则至步骤330，表示切换装置14将该电感器16内的两电感切换为并联连接状态，因此如果单一电感的电感值为20mH时，则其两电感并联后的电感值即为10mH，故可适用于如日本地区；反之若步骤320中是判断所输入的电压为230伏特时，则进行步骤340，该电感器16内的两电感将切换为串联连接状态，因此，同样为20mH的两电感串联后，其电感值即为40mH，故可适用于如欧洲地区；最后，再经过全波整流器20的全波整流滤波作用，以输出直流电源，如步骤350。

另外，请参阅图4，是为本发明一较佳实施例的功率因数校正装置电路图；如图所示，当一交流电源经由输入端L(N)输入后，将经过一电源电压侦测装置12，经由其内两串联电阻R1及R2的分压作用后，再由一齐纳二极管Dz控制并侦测该输入电压值，若当该输入电源电压值(如230伏特)高于齐纳二极管Dz的一预设电压值(如150伏特)时，则予以导通，接着促使晶体管Q导通，并电气触发一切换装置14，而该切换装置14是为一双刀双投式继电器或其它切换开关，在平时状态是设定为A点与B点相接及D点与E点相接的线路(如逆时针箭头)，换言之即是将电感器16内的两电感Lm设定为相互并联线路。故当电感Lr电气触发后，该继电器14内的B点将改为与C点相接，而E点则改与F点相接(如顺时针箭头)，此时该电感器16内的两电感Lm将立即变为串联连接状态，如此，其总和电感量为2Lm，以适用于高电压电源供给地区，如230伏特输出的欧洲地区；最后再连接至一全波桥式整流器20(由二极管D1、D2、D3及D4所组成)及滤波电容CF的全波电流滤波作用后接至负载以输出直流电源。

又，因为电感器16的两电感Lm是预先设定为并联状态，故其总和电感量为1/2Lm，也就是说预先设定的输入电压值为100伏特，因此当使用地区如日本为100伏特低电压供给国家时，其齐纳二极管Dz及晶体管Q均不予导通，因此电感Lr亦不会产生一电气讯号来切换装置14及更改电感器16的内部两电感连接状态。再者，在输入电压值为100伏特时，由于两个并联电感可平均分摊原本输入的较大电流，故可利用较细的线圈缠绕，致使其所需的铁芯体积亦可选择较小，因此装置整体体积亦相对较小。

又，本发明电感器16内所设置的两电感不管是在230伏特或100伏特状态下皆予以同时搭配使用，不像现有装置一般利用两不相干的电感器来选择其一而用，另一电感器则废置不用，故不管是从体积大小或制作成本来考量，本发明技术皆较具市场竞争优势。

当然，本发明的电源电压侦测装置12功能亦可改为使用者自行判断，并利用一手动切换开关54来取代上述实施例的切换开关14，使用者因应该地区的实际供给电压值来扳动手动切换开关54以切换选择线路连接状态(B点及E点是与A点及D点或C点及F点连接)，借此同样可达到上述实施例的功效及目的，如图5所示。

最后，请参阅图6A至图7D，是分别为本发明功率因数校正装置的装设于回路前、后时所产生的高频谐波长条示意图及交流电压/电波波形图。其中图6A是为在供给电压值为100伏特而未装设功率因数校正装置时的图示，该图号*所示即为日本地区电源供应器高频谐波的限制规定量，而其长条图即为实际测试所得的高频谐波量，如图可看出其皆超过安全规定量值，完全不符合其环保安全规定；在图6B中，其上图是为所输入的交流电压波形，可视为完美的正弦波，而下图则为所输入的交流电流波形，其尖端值较突出且集中，与输入电压波形较不符合，因此所产生的高频谐波量较大。同理，在图6C及图6D中，是为在供给电压值为230伏特(如欧洲地区)而未装设功率因数校正装置时的图示，同样可获得其不符合EN61000-3-2规章高频谐波限制规定量的结果。

反之，在图7A及图7B中，是为在装设本发明功率因数校正装置后而使用于如日本地区供给电压值为100伏特时的图示，由实验图示可明显看出即使是测验至第39阶谐波时，本发明还是低于当地环保安全规章所规定的高频谐波限制规定量；且其所输入的交流电流波形亦相对较为平缓及契合所输入的交流电压波形图，故其抑制高频谐波产生量的效果亦十分显著。同理，在图7C及图7D中，在本发明功率因数校正装置装设于回路后，而使用于供给电压值为230伏特(如欧洲地区)的实验值图示，亦可同样得到其完全符合EN61000-3-2规章高频谐波限制规定量的完美结果，因此两相比较可证明本发明功率因数校正装置的明显功效。

综上所述，本发明是有关于一种具切换功能的功率因数校正装置及其方法，尤指一种可依输入电源电压值而自动切换的功率因数校正方法，不需因不同的电压输入值而更换不同的电感器以限制其高频谐波值，且同时可降低电磁波的干扰及节省制作成本。故本发明实为一富有新颖性、创造性、及可供产业利用功效，应符合专利申请要件无疑，故依法提出发明专利申请。

惟以上所述，仅为本发明的一较佳实例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (12)

1·一种具切换功能的功率因数校正装置，其特征是：其主要构造是包括有：

一电感器，内部至少包含有两相等对称摆置连接的电感，而该电感器的输出端可连接一全波整流器；及

一切换装置，其输入端连接一电源输入源，而输出端则连接该电感器，利用该切换装置的切换动作可致使电感器内的二电感选择串联连接状态及并联连接状态其中之一。

2·如权利要求1所述的具切换功能的功率因数校正装置，其特征是：其中该电感器内二电感在电源输入源的电压值高过一预设值时是成串联连接状态，而低于该预设值时则切换成并联连接状态。

3·如权利要求1所述的具切换功能的功率因数校正装置，其特征是：尚包括有一电源电压侦测装置，设置于该切换装置与电源输入源之间，借此自动侦测电源输入源的电压值而提供切换装置一电气讯号。

4·如权利要求3所述的具切换功能的功率因数校正装置，其特征是：其中该电源电压侦测装置是至少包含有二串联的电阻，并依序连接有一齐纳二极管及一晶体管，当电源输入源的电压值高过一预设值时，可致使该齐纳二极管及晶体管动作而产生该电气讯号。

5·如权利要求1所述的具切换功能的功率因数校正装置，其特征是：其中该切换装置是为一双刀双投的继电器。

6·如权利要求1所述的具切换功能的功率因数校正装置，其特征是：其中该切换装置是为一手动式开关器。

7·如权利要求1所述的具切换功能的功率因数校正装置，其特征是：其中该电感器亦直接以两个独立的电感器来构成取代。

8·一种具切换功能的功率因数校正方法，其特征是：其主要实施步骤是包括有：

a.侦测所输入的交流电源电压值；

b.一切换装置依据该电源电压值动作；及

c.受控于该切换装置动作，致使一电感器内的至少两电感选择切换成并联连接状态及串联连接状态的其中之一。

9，如权利要求8所述的具切换功能的功率因数校正方法，其特征是：其中该步骤a中，是以一电源电压侦测装置自动侦测该输入的电源电压值。

10·如权利要求8所述的具切换功能的功率因数校正方法，其特征是：其中该步骤a中，是以手动设定该输入的电压值。

11·如权利要求10所述的具切换功能的功率因数校正方法，其特征是：其中该步骤b中是以手动方式选择切换该切换装置动作。

12·如权利要求8项所述的具切换功能的功率因数校正方法，其特征是：其中该步骤b及步骤C为下列步骤：

比较电源电压值是否高于一预设值；

若是，则切换开关致使该电感器内的两电感成串联连接状态；

及

若否，则切换开关致使该电感器内的两感成并联连接状态。

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