CN201774469U - 具功因修正的电源转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种具功因修正的电源转换装置，将输入电压转换成输出电压，该转换装置包括电感性组件、单向导通组件、开关、储能组件、电容性组件及输出电路。电感性组件接收输入电压。单向导通组件串联电感性组件与开关。储能组件串联该开关与电容性组件，电容性组件具有辅助电压。输出电路耦接于储能组件，用以输出该输出电压。其中，导通的开关令输入电压对电感性组件充电与辅助电压对储能组件充电，并且，截止的开关令电感性组件与储能组件对输出电路放电，以及令该电感性组件对该电容性组件放电。以达成高功率因子与稳定输出的特点，并降低成本。

Description

具功因修正的电源转换装置
技术领域
本创作为一种具功因修正的电源转换装置，尤指一种高功率因子的电源转换装置。
背景技术
功因修正(Power Factor Correction；PFC)其主要作用是让电器产品的输入电压与输入电流的相位达到相同，且使电器产品的负载近似于电阻性负载，以达到供电的高功率因子。
参考图1，图1为传统具有功因修正器的直流电源供应器架构示意图。如图1所示，直流电源供应器1包含有一EMI滤波电路11、一整流电路13、一功因修正器10及一电压转换器12。整流电路13经由EMI滤波电路11接收一输入市电AC，以及将输入市电AC转换成一直流电压DC，并且将直流电压DC送至功因修正器10。
功因修正器10包括一功率级101与一控制级102，在功率级101部分，目前有以下几种常见的拓朴结构：升压型、降压型与返驰式架构等。在这几种架构中，由于升压型可以用单级电路达成高功因与较低谐波的效果，因此最常被应用于功因修正器10中。在控制级102部分，则多半利用一PFC控制器1020取得功率极101的输出电压、输入电流、输入电压等讯号来决定驱动一功率开关Q3。通过高频切换功率开关Q3来强迫输入电流的相位追随输入市电AC，而达成高功率因子的目的。
另外，电压转换器12也包括了一功率级121与一控制级122，在功率级121部分有以下常见的结构：升压型、降压型与返驰式架构等。在控制级122部分，则多半利用一PWM控制器1220透过一回授电路1222取得功率级121的输出电压Vo与输出电流Io等讯号来决定驱动一功率开关Q1。通过高频切换功率开关Q1来达到稳定输出电压Vo与输出电流Io的目的。
直流电源供应器1使用两级方式转换，以求得高功率因子以及稳定的输出电压与电流。然而，此种直流电源供应器1需要两组的控制级与两组功率级，其电路结构相当复杂，相对成本也较高。
发明内容
本创作的实施例提供一种具功因修正的电源转换装置，本实施例的电源转换装置通过电路结构上的改良与单级控制方式，达成高功率因子与稳定输出的特点。
本实施例的具功因修正的电源转换装置系将一输入电压转换成输出电压，该转换装置包括：电感性组件、单向导通组件、开关、储能组件、电容性组件及输出电路。电感性组件接收输入电压。单向导通组件串联电感性组件与开关。储能组件串联该开关与电容性组件，电容性组件具有一辅助电压。输出电路耦接于储能组件，用以输出该输出电压。
本实施例的具功因修正的电源转换装置简化了传统电源供应器复杂的电路架构，并且采用单级控制的方式，提供高达0.98以上的功率因子值与稳定的输出。同时，本实施例的具功因修正的电源转换装置使用单一电感性组件，以降低电源的电磁干扰(EMI)，同时，也克服了传统电源供应器在功因修正(PFC)、电磁干扰(EMI)与输出稳定性无法兼顾的问题。
附图说明
图1为传统具有功因修正器的直流电源供应器架构示意图；
图2为本创作第一实施例的具功因修正的电源转换装置；
图3A至图3F为本创作第一实施例的操作波形示意图；
图4为本创作第一实施例的定频式功因校正波形示意图；
图5为本创作第一实施例的变频式功因校正波形示意图；
图6为本第一实施例的第一应用电路示意图；
图7为本第一实施例的第二应用电路示意图；
图8为本第一实施例的第三应用电路示意图；
图9为本创作第二实施例的具功因修正的电源转换装置；
图10为本创作第二实施例的操作波形示意图；及
图11为本第二实施例的应用电路示意图。
符号说明
直流电源供应器1                功因修正器10
EMI滤波电路11                  电压转换器12
整流电路13                     输入市电AC
直流电压DC                     功率级101、121
控制级102、122                PFC控制器1020
功率开关Q1、Q3                PWM控制器1220
回授电路1222                  具功因修正的电源转换装置2、2’
储能组件20、20’              输出电路22、22’
控制器23                      回授电路24
调整电路25                    EMI滤波电路26
整流电路27                    电感性组件Lp
单向导通组件D1                开关Q1
电容性组件C1                  输入电压Vr
辅助电压Vb                    输出电压Vo
第一电流ILp                   第二电流ILf、IL
输出电流Io                    二极管D2
输出电容C2                    交流电压AC
一次侧电感Lf                  二次侧电感Ls
电感器L                       变压器T1
具体实施方式
本创作提供一种具功因修正的电源转换装置，该装置利用单级控制方式进行电压转换与供电，并且在供电过程中，同时兼顾功因修正(PFC)与稳定输出的特点。
参考图2，图2为本创作第一实施例的具功因修正的电源转换装置。如图2所示，具功因修正的电源转换装置2包括有一电感性组件Lp、一单向导通组件D1、一开关Q1、一储能组件20、一电容性组件C1及一输出电路22。其中，电感性组件Lp接收一输入电压Vr。单向导通组件D1串联电感性组件Lp与开关Q1。储能组件20串联于开关Q1与电容性组件C1，其中，电容性组件C1具有一辅助电压Vb。输出电路22耦接于储能组件20，用以输出一输出电压Vo。
配合图3A，复参考图2。于时间to-t1时，开关Q1受到控制而导通。此时，输入电压Vr经由导通的开关Q1与单向导通组件D1对电感性组件Lp充电，并储存一第一电流ILp于电感性组件Lp。同时，电容性组件C1上的辅助电压Vb经由导通的开关Q1对储能组件20充电，并储存一第二电流ILf于储能组件20。前述中，储能组件20可以是一变压器T1。并且，
复参考图2。于时间t1-t2时，开关Q1受到控制而截止。此时，第一电流ILp与第二电流ILf将会反应到储能组件20的二次侧电感Ls，并从二次侧电感Ls产生一输出电流Io以对输出电路22放电。第一电流ILp在开关Q1截止时，不仅经由储能组件20对输出电路22放电，同时，也会经由储能组件20的一次侧电感Lf对电容性组件C1放电，由于第一电流ILp会随输入电压Vr的电压而增减，当第一电流ILp小于第二电流ILf时，辅助电压Vb的电压由电容性组件C1的容量维持并对一次侧电感Lf放电，当第一电流ILp大于第二电流ILf时，电容性组件C1开始充电，以重新建立辅助电压Vb于电容性组件C1上(配合图3B至图3F)。
复参考图2。在本第一实施例中，单向导通组件D1可以是二极管(Diod)或开关晶体(MOS)等组件。同时，电感性组件Lp可以是电感器(Inductance)或变压器(Transformer)等组件。电容性组件C1可以是电容器(Capacitance)。输出电路22包括一二极管D2连接一输出电容C2。在开关Q1截止时，输出电流Io经由二极管D2对输出电容C2充电，并在输出电容C2上建立该输出电压Vo。
复参考图2。具功因修正的电源转换装置2更可以包括一控制器23与一回授电路24。其中，控制器23连接于开关Q1，其系依据一操作频率对开关Q1进行切换的控制。同时，回授电路24耦接于输出电路22与控制器23，回授电路24从输出电路22取得输出电压Vo与输出电流Io的信号，并且将该些信号送至控制器23，以提供控制器23参考。如此，控制器23将可以根据输出电压Vo、输出电流Io的信号与操作频率加以控制开关Q1的切换动作，让本第一实施例的具功因修正的电源转换装置2在供电过程中，同时兼顾功因修正(PFC)与稳定输出的特点。
配合图4，复参考图2。具功因修正的电源转换装置2更可以包括一EMI滤波电路26与一整流电路27，整流电路27耦接EMI滤波电路26与电感性组件Lp，其中，整流电路27从EMI滤波电路26接收一交流电压AC，以及将交流电压AC整流，以送出该输入电压Vr至电感性组件Lp。如图4所示，输入电压Vr为一直流电压，在输入电压Vr的一半周期间内，控制器23采用固定频率的方式控制开关Q1高频切换，以让第一电流ILp的平均值Iav的相位能够跟随输入电压Vr的相位，进而达成功因修正的目的。
配合图5，复参考图2。具功因修正的电源转换装置2更可以包括一调整电路25。调整电路25耦接控制器23与整流电路27，调整电路25从整流电路27的输出取得输入电压Vr，并且，根据输入电压Vr的大小调整控制器23的操作频率fo。如图5所示，在输入电压Vr的一半周期间内，调整电路25会跟随着输入电压Vr的大小而调整控制器23的操作频率fo，其中，输入电压Vr变大，操作频率fo跟着变大，相反的，输入电压Vr变小，操作频率fo跟着变小。
如此，控制器23采用频率调变的方式控制开关Q1高频切换，以让第一电流ILp的平均值Iav的相位能够跟随输入电压Vr的相位，进而达成功因修正的目的。在本实施例中，操作频率fo的范围是50Khz至100Khz，然而，此范围并非为本创作的唯一限制。
配合图2，参考图6。图6为本第一实施例的第一应用电路示意图。如图6所示，具功因修正的电源转换装置2中的控制器23可以是一PWM控制器，例如型号UC3842/3844的控制器。同时，调整电路25由电阻器Rf1、Rf2、Rf3、R38、二极管D19及电容器C5组成。
配合图2，参考图7。图7为本第一实施例的第二应用电路示意图。如图7所示，具功因修正的电源转换装置2中的控制器23可以是一具准谐振模式(QR Mode)的PWM控制器，例如型号OB2202的控制器。同时，调整电路25由电阻器R9、R10及电容器C8组成。控制器23操作在准谐振模式(QR Mode)时，第一电流ILp会保持在非连续与连续的临界点上(即T＝Ton+Toff)。
配合图2，参考图8。图8为本第一实施例的第三应用电路示意图。如图8所示，具功因修正的电源转换装置2中，控制器23、调整电路25及开关Q1组成一荡线圈变换器控制电路(Ringing Choke Converter；RCC)。其中，控制器23由电阻器R2、R7-R8、电容器C9及开关Q3所组成，调整电路25由电阻器R6、R9-R10、电容器C8、二极管D10-D11及开关Q4。
配合图2，参考图9。图9为本创作第二实施例的具功因修正的电源转换装置。在本创作第二实施例中的组件与第一实施例相同者，系以相同符号标示。第二实施例与第一实施例的电路动作原理与达成的功效相同，经过比较下，其主要的差异处在于：第一实施例为一种绝缘型的电源转换装置，而第二实施例为一种非绝缘型的电源转换装置。其中，第二实施例的储能组件20’是一电感器L。
配合图10，复参考图9。于时间to-t1时，开关Q1受到控制而导通。此时，输入电压Vr经由导通的开关Q1与单向导通组件D1对电感性组件Lp充电，并储存一第一电流ILp于电感性组件Lp。同时，电容性组件C1上的辅助电压Vb经由导通的开关Q1对储能组件20’充电，并储存一第二电流IL于储能组件20’。
于时间t1-t2时，开关Q1受到控制而截止。此时，第一电流ILp与第二电流IL结合成输出电流Io以对输出电路22’放电。第一电流ILp在开关Q1截止时，不仅经由储能组件20’对输出电路22’放电，同时，也会经由储能组件20’对电容性组件C1放电，由于第一电流ILp会随输入电压Vr的电压而增减，当第一电流ILp小于第二电流IL时，辅助电压Vb的电压由电容性组件C1的容量维持并对储能组件20’放电，当第一电流ILp大于第二电流IL时，电容性组件C1开始充电，以重新建立辅助电压Vb于电容性组件C1上。
配合图9，参考图11。图11为本第二实施例的应用电路示意图。如图11所示，具功因修正的电源转换装置2’中的控制器23可以是一PWM控制器，例如型号UC3842/3844的控制器。同时，调整电路25由电阻器Rf1、Rf2、Rf3、R38、二极管D19及电容器C5所组成。
另外，本第二实施例的具功因修正的电源转换装置2’的其它应用中，控制器23同样可以如第一实施例所言，是一具准谐振模式(QR Mode)的PWM控制器，例如型号OB2202的控制器，同时，调整电路25由电阻器R9、R10及电容器C8组成(如图7所示)。亦或，控制器23、调整电路25及开关Q1组成一荡线圈变换器控制电路(Ringing Choke Converter；RCC)，其中，控制器23由电阻器R2、R7-R8、电容器C9及开关Q3所组成，调整电路25由电阻器R6、R9-R10、电容器C8、二极管D10-D11及开关Q4(如图8所示)。
综上所述，本创作的具功因修正的电源转换装置具有以下优点：
一、使用单一PWM控制器及开关晶体，线路基本结构简单，成本低，功率因子高。
二、反驰式电源转换线路架构，因其频率固定，使得与输入电流与输入电压会产生一定的相位差，但功率因子值(PF)仍能保持于0.90以上，对某些功率因子值(PF)要求不高的应用是很好的解决方式。
三、对开关的频率作调变，来调整功率因子，对现有各种PWM线路易于达成，使用简单，易于达成对高功率因子要求，功率因子值(PF)可以达到0.98以上。
四、直流输出稳定佳，对低频线频率(Line Frequency)调节度好，无需使用超大容量输出电容，调节低频线频率，节省空间，节省成本。
五、PFC电感峰值电流低，电磁干扰(EMI)防治上相对容易。
以上所述，仅为本创作最佳的一的具体实施例的详细说明与附图，任何熟悉该项技术人员在本创作的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的保护范围内。

Claims (13)

1.一种具功因修正的电源转换装置，其特征在于，将输入电压转换成输出电压，该装置包括：
电感性组件，接收该输入电压；
单向导通组件，串联该电感性组件；
开关，串联该电感性组件与该单向导通组件；
储能组件，串联该开关；
电容性组件，串联该开关与该储能组件，该电容性组件具有辅助电压；及
输出电路，耦接于该储能组件，输出该输出电压。
2.根据权利要求1所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，更包括控制器，该控制器耦接该开关。
3.根据权利要求2所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，更包括回授电路，该回授电路耦接于该输出电路与该控制器。
4.根据权利要求3所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，更包括整流电路与EMI滤波电路，该整流电路耦接该EMI滤波电路与该电感性组件，该整流电路从该EMI滤波电路接收交流电压，以及输出该输入电压。
5.根据权利要求4所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，更包括一调整电路，该调整电路耦接该控制器。
6.根据权利要求1所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该单向导通组件为二极管。
7.根据权利要求1所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该电感性组件为电感器。
8.根据权利要求1所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该电容性组件为电容器。
9.根据权利要求1所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该储能组件为电感器或变压器。
10.根据权利要求1所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该输出电路包括二极管连接输出电容。
11.根据权利要求2所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该控制器为PWM控制器。
12.根据权利要求2所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该控制器为具准谐振模式的PWM控制器。
13.根据权利要求5所述的具功因修正的电源转换装置，其特征在于，该控制器、该调整电路及该开关组成荡线圈变换器控制电路。
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