CN202818090U - 具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器 - Google Patents

Abstract

一种具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器，电性连接于一交流电源。该无桥式功率因数校正器包含一电感元件、一第一开关、一第二开关、一第一二极管、一第二二极管、一电容、一第一整流二极管以及一第二整流二极管。该电感元件电性连接于该第一开关与该第二开关之间。其中，当该交流电源为正半周或负半周时，该第一开关与该第二开关分别由一第一控制信号与一第二控制信号控制为导通或截止，以对该交流电源提供功率因数校正。

Description

具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器

技术领域

本实用新型涉及一种无桥式功率因数校正器，尤其涉及一种具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器。

背景技术

功率因数校正(power factor correction，PFC)电路是目前广泛运用于电子装置中的一种电源转换电路，其可以改善交流电源，使得电压与电流能尽量成为同相位的状态。功率因数校正(PFC)可以表示电子产品对电能的利用效率：功率因数越高，说明电能的利用效率越高，反之亦然。因此，电子产品中通常导入功率因数校正器，如此可大大地提高对电能的利用效率。

请参见图1，为现有技术全桥式功率因数校正器的电路图。由于升压型功率因数校正器(boost PFC)可以用单级电路达成高功因与低谐波的效果，因此最常做为功因校正使用。该升压型功率因数校正器是由一桥式整流器12A、一电感13A、一开关14A、一二极管15A、一电阻16A以及一电容17A所组成。该升压型功率因数校正器电性连接一外部交流电源10A，并通常利用一功率因数校正控制器(未图示)，取得该外部交流电源10A的输入电流与输入电压，以控制该开关14A，并利用高频切换该开关14A，使得输入电流的相位追随输入电压，而达到高功率因数的目的。此外，该外部交流电源10A与该升压型功率因数校正器之间，亦可电性连接一电磁干扰滤波器11A，以消除该外部交流电源10A的噪声。

传统的升压型功率因数校正器中，该桥式整流器12A的桥式二极管(bridgediode)所产生的功率消耗通常占整体转换损失较高比例，因此导致降低转换效率。

请参见图2，为现有技术无桥式功率因数校正器的电路图。该无桥式功率因数校正器的电路图包含一第一电感23_1A、一第二电感23_2A、一第一开关24_1A、一第二开关24_2A、一第一二极管25_1A、一第二二极管25_2A、一电阻26A、一电容27A、一第一整流二极管28_1A、一第二整流二极管28_2A、一第一旁路二极管29_1A以及一第二旁路二极管29_2A。该无桥式功率因数校正器电性连接一外部交流电源20A，并通常利用一功率因数校正控制器(未图示)，取得该外部交流电源20A的输入电流与输入电压，以控制该第一开关24_1A与该第二开关24_2A，并利用高频切换该第一开关24_1A与该第二开关24_2A，使得输入电流的相位追随输入电压，而达到高功率因数的目的。此外，该外部交流电源20A与该无桥式功率因数校正器之间，亦可电性连接一电磁干扰滤波器21A，以消除该外部交流电源20A的噪声。

由于传统无桥式功率因数校正器采用两个电感元件(亦即该第一电感23_1A与该第二电感23_2A)做为当外部交流电源20A为正、负半周时能量转换(储能与释能)之用，并且一电感负责正半周的操作，另一电感则负责负半周的操作，亦即，无论在正半周或负半周供电时，其中一电感则为闲置(idle)状况，如此将使得电感元件的利用率低。再者，由于电感(choke)本身的特性(铁心、绕线…等)，通常所占空间需要较大。

因此，如何设计出一种具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器及其操作方法，利用单一电感元件提供储能与释能的操作，以提供输入电源的功率因数校正，并达到降低损失提高转换效率、节省电感元件所占体积空间，并且提高电感元件利用率的功效，乃为本实用新型所欲行克服并加以解决的一大课题。

实用新型内容

本实用新型的一目的在于提供一种具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器，以克服现有技术的问题，通过利用单一电感元件提供储能与释能的操作，以提供输入电源的功率因数校正，并达到降低损失提高转换效率、节省电感元件所占体积空间，并且提高电感元件利用率的功效。

为达上述目的，本实用新型提供一种具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器，电性连接于一交流电源，其中，该无桥式功率因数校正器包含：

一电感元件，具有一第一端与一第二端；

一第一开关，具有一第一端与一第二端，该第一端连接该交流电源的一第一端，该第二端连接该电感元件的该第一端；

一第二开关，具有一第一端与一第二端，该第一端连接该交流电源的一第二端，该第二端连接该电感元件的该第二端；

一第一二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电感元件的该第一端；

一第二二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电感元件的该第二端，该阴极连接该第一二极管的该阴极；

一电容，具有一第一端与一第二端，该第一端连接该第一二极管的该阴极，该第二端连接一接地点；

一第一整流二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电容的该第二端，该阴极连接该第一开关的该第一端；及

一第二整流二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电容的该第二端，该阴极连接该第二开关的该第一端；

其中，当该交流电源为正半周或负半周时，该第一开关与该第二开关分别由一第一控制信号与一第二控制信号控制为导通或截止，以对该交流电源提供功率因数校正。

上述的无桥式功率因数校正器，其中该无桥式功率因数校正器还包含一控制单元，以产生该第一控制信号与该第二控制信号。

上述的无桥式功率因数校正器，其中当该交流电源为正半周，并且该电感元件为储能操作时，该控制单元切换该第一开关与该第二开关，使得该交流电源通过一正半周储能回路对该电感元件储能，其中该正半周储能回路依序由该交流电源、该第一开关、该电感元件、该第二开关、再回到该交流电源所构成。

上述的无桥式功率因数校正器，其中当该交流电源为正半周，并且该电感元件为释能操作时，该控制单元切换该第一开关并且截止该第二开关，使得该电感元件通过一正半周释能回路将所储存的能量提供至后端输出，其中该正半周释能回路依序由该电感元件、该第二二极管、该电容、该第二整流二极管、该交流电源、该第一开关、再回到该电感元件所构成。

上述的无桥式功率因数校正器，其中当该交流电源为负半周，并且该电感元件为储能操作时，该控制单元切换该第一开关与该第二开关，使得该交流电源通过一负半周储能回路对该电感元件储能，其中，该负半周储能回路依序由该交流电源、该第二开关、该电感元件、该第一开关、再回到该交流电源所构成。

上述的无桥式功率因数校正器，其中当该交流电源为负半周，并且该电感元件为释能操作时，该控制单元切换该第二开关并且截止该第一开关，使得该电感元件通过一负半周释能回路将所储存的能量提供至后端输出，其中，该负半周释能回路依序由该电感元件、该第一二极管、该电容、该第一整流二极管、该交流电源、该第二开关、再回到该电感元件所构成。

上述的无桥式功率因数校正器，其中该无桥式功率因数校正器还包含：

一第一旁路二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该第一开关的该第一端，该阴极连接该电容的该第一端，以提供该第一开关、该第一二极管、该第一整流二极管以及该电感元件的过电压保护；及

一第二旁路二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该第二开关的该第一端，该阴极连接该电容的该第一端，以提供该第二开关、该第二二极管、该第二整流二极管以及该电感元件的过电压保护。

上述的无桥式功率因数校正器，其中该无桥式功率因数校正器与该交流电源之间电性连接一电磁干扰滤波器，以消除该交流电源的噪声。

上述的无桥式功率因数校正器，其中该第一开关与该第二开关为一金属氧化物半导体场效晶体管、一双载子接面晶体管或一绝缘栅双极晶体管。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为现有技术全桥式功率因数校正器的电路图；

图2为现有技术无桥式功率因数校正器的电路图；

图3为本实用新型具单一电感元件的无桥式功率因数校正器的电路图；

图4A为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为正半周并且电感元件为储能操作时的电路图；

图4B为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为正半周并且电感元件为释能操作时的电路图；

图5A为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为负半周并且电感元件为储能操作时的电路图；

图5B为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为负半周并且电感元件为释能操作时的电路图；及

其中，附图标记

现有技术

10A      外部交流电源

11A      电磁干扰滤波器

12A      桥式整流器

13A      电感

14A      开关

15A      二极管

16A      电阻

17A      电容

20A      外部交流电源

21A      电磁干扰滤波器

23_1A    第一电感

23_2A    第二电感

24_1A    第一开关

24_2A    第二开关

25_1A    第一二极管

25_2A    第二二极管

26A      电阻

27A      电容

28_1A    第一整流二极管

28_2A    第二整流二极管

29_1A    第一旁路二极管

29_2A    第二旁路二极管

本实用新型

Vac      交流电源

Lp       电感元件

Sw1      第一开关

Sw2      第二开关

Dp1      第一二极管

Dp2      第二二极管

Cp       电容

Dr1      第一整流二极管

Dr2      第二整流二极管

Db1      第一旁路二极管

Db2      第二旁路二极管

F_emi    电磁干扰滤波器

Vac_1    交流电源第一端

Vac_2    交流电源第二端

Lp_1     电感元件第一端

Lp_2     电感元件第二端

Sw1_1    第一开关第一端

Sw1_2    第一开关第二端

Sw2_1    第二开关第一端

Sw2_2    第二开关第二端

Dp1_1    第一二极管阳极

Dp1_2    第一二极管阴极

Dp2_1    第二二极管阳极

Dp2_2    第二二极管阴极

Cp_1     电容第一端

Cp_2     电容第二端

Dr1_1    第一整流二极管第一端

Dr1_2    第一整流二极管第二端

Dr2_1    第二整流二极管第一端

Dr2_2    第二整流二极管第二端

Db1_1    第一旁路二极管第一端

Db1_2    第一旁路二极管第二端

Db2_1    第二旁路二极管第一端

Db2_2    第二旁路二极管第二端

Lpes     正半周储能回路

Lper     正半周释能回路

Lnes     负半周储能回路

Lner     负半周释能回路

Uc       控制单元

Sc1      第一控制信号

Sc2      第二控制信号

S10～S60 步骤

具体实施方式

兹有关本实用新型的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：

请参见图3，为本实用新型具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器的电路图。该无桥式功率因数校正器电性连接于一交流电源Vac。该无桥式功率因数校正器包含一电感元件Lp、一第一开关Sw1、一第二开关Sw2、一第一二极管Dp1、一第二二极管Dp2、一电容Cp、一第一整流二极管Dr1以及一第二整流二极管Dr2。此外，该无桥式功率因数校正器与该交流电源Vac之间电性连接一电磁干扰滤波器(EMI filter)F_emi，该电磁干扰滤波器F_emi接收该交流电源Vac，以消除该交流电源Vac的噪声。如图3所示，该电感元件Lp具有一第一端Lp_1与一第二端Lp_2。该第一开关Sw1具有一第一端Sw1_1与一第二端Sw1_2，该第一端Sw1_1连接该交流电源Vac的一第一端Vac_1，该第二端Sw1_2连接该电感元件Lp的该第一端Lp_1。该第二开关Sw2具有一第一端Sw2_1与一第二端Sw2_2，该第一端Sw2_1连接该交流电源Vac的一第二端Vac_2，该第二端Sw2_2连接该电感元件Lp的该第二端Lp_2。其中，该第一开关Sw1与该第二开关Sw2为一金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、一双载子接面晶体管(BJT)或一绝缘栅双极晶体管(IGBT)，但不以此为限。该第一二极管Dp1具有一阳极Dp1_1与一阴极Dp1_2，该阳极Dp1_1连接该电感元件Lp的该第一端Lp_1。该第二二极管Dp2具有一阳极Dp2_1与一阴极Dp2_2，该阳极Dp2_1连接该电感元件Lp的该第二端Lp_2，该阴极Dp2_2连接该第一二极管Dp1的该阴极Dp1_2。该电容Cp具有一第一端Cp_1与一第二端Cp_2，该第一端Cp_1连接该第一二极管Dp1的该阴极Dp1_2，该第二端Cp_2连接一接地点(未标示)。该第一整流二极管Dr1具有一阳极Dr1_1与一阴极Dr1_2，该阳极Dr1_1连接该电容Cp的该第二端Cp_2，该阴极Dr1_2连接该第一开关Sw1的该第一端Sw1_1。该第二整流二极管Dr2具有一阳极Dr2_1与一阴极Dr2_2，该阳极Dr2_1连接该电容Cp的该第二端Cp_2，该阴极Dr2_2连接该第二开关Sw2的该第一端Sw2_1。其中，当该交流电源Vac为正半周或负半周时，该第一开关Sw1与该第二开关Sw2分别由一第一控制信号Sc1与一第二控制信号Sc2控制为导通或截止，以对该交流电源Vac提供功率因数校正。值得一提，该无桥式功率因数校正器还包含一第一旁路二极管Db1与一第二旁路二极管Db2。该第一旁路二极管Db1具有一阳极Db1_1与一阴极Db1_2，该阳极Db1_1连接该第一开关Sw1的该第一端Sw1_1，该阴极Db1_2连接该电容Cp的该第一端Cp_1，以提供该第一开关Sw1、该第一二极管Dp1、该第一整流二极管Dr1以及该电感元件Lp的过电压保护。该第二旁路二极管Db2具有一阳极Db2_1与一阴极Db2_2，该阳极Db2_1连接该第二开关Sw2的该第一端Sw2_1，该阴极Db2_2连接该电容Cp的该第一端Cp_1，以提供该第二开关Sw2、该第二二极管Dp2、该第二整流二极管Dr2以及该电感元件Lp的过电压保护。

至于该无桥式功率因数校正器于该交流电源Vac为正半周或负半周时的操作，将配合附图在后文中加以详细说明。

请参见图4A，为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为正半周并且电感元件为储能操作时的电路图。值得一提，该无桥式功率因数校正器还包含一控制单元Uc，以产生该第一控制信号Sc1与该第二控制信号Sc2，分别控制该第一开关Sw1与该第二开关Sw2，进而对该交流电源Vac提供功率因数校正。当该交流电源Vac为正半周，并且该电感元件Lp为储能操作(energy-storing operation)时，该控制单元Uc切换该第一开关Sw1与该第二开关Sw2，使得该交流电源Vac通过一正半周储能回路Lpes对该电感元件Lp储能。其中，该正半周储能回路Lpes依序由该交流电源Vac、该第一开关Sw1、该电感元件Lp、该第二开关Sw2、再回到该交流电源Vac所构成。

请参见图4B，为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为正半周并且电感元件为释能操作时的电路图。当该交流电源Vac为正半周，并且该电感元件Lp为释能操作(energy-releasing operation)时，该控制单元Uc切换该第一开关Sw1并且截止(turned off)该第二开关Sw2，使得该电感元件Lp通过一正半周释能回路Lper将所储存的能量提供至后端输出。其中，该正半周释能回路Lper依序由该电感元件Lp、该第二二极管Dp2、该电容Cp、该第二整流二极管Dr2、该交流电源Vac、该第一开关Sw1、再回到该电感元件Lp所构成。

请参见图5A，为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为负半周并且电感元件为储能操作时的电路图。当该交流电源Vac为负半周，并且该电感元件Lp为储能操作(energy-storing operation)时，该控制单元Uc切换该第一开关Sw1与该第二开关Sw2，使得该交流电源Vac通过一负半周储能回路Lnes对该电感元件Lp储能。其中，该负半周储能回路Lnes依序由该交流电源Vac、该第二开关Sw2、该电感元件Lp、该第一开关Sw1、再回到该交流电源Vac所构成。

请参见图5B，为本实用新型该无桥式功率因数校正器操作于交流电源为负半周并且电感元件为释能操作时的电路图。当该交流电源Vac为负半周，并且该电感元件Lp为释能操作(energy-releasing operation)时，该控制单元Uc切换该第二开关Sw2并且截止(turned off)该第一开关Sw1，使得该电感元件Lp通过一负半周释能回路Lner将所储存的能量提供至后端输出。其中，该负半周释能回路Lner依序由该电感元件Lp、该第一二极管Dp1、该电容Cp、该第一整流二极管Dr1、该交流电源Vac、该第二开关Sw2、再回到该电感元件Lp所构成。

综上所述，本实用新型具有下列特征与优点：

1、利用无桥式电路架构，可无须使用桥式二极管，因此大大地降低损失，进而提高转换效率；

2、利用单一该电感元件Lp，节省所占体积空间；及

3、利用单一该电感元件Lp，做为该交流电源Vac为正、负半周时能量转换之用，以提高该电感元件Lp的利用率。

当然，本实用新型还可有其他多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有单一电感元件的无桥式功率因数校正器，电性连接于一交流电源，其特征在于，该无桥式功率因数校正器包含：

一电感元件，具有一第一端与一第二端；

一第一开关，具有一第一端与一第二端，该第一端连接该交流电源的一第一端，该第二端连接该电感元件的该第一端；

一第二开关，具有一第一端与一第二端，该第一端连接该交流电源的一第二端，该第二端连接该电感元件的该第二端；

一第一二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电感元件的该第一端；

一第二二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电感元件的该第二端，该阴极连接该第一二极管的该阴极；

一电容，具有一第一端与一第二端，该第一端连接该第一二极管的该阴极，该第二端连接一接地点；

一第一整流二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电容的该第二端，该阴极连接该第一开关的该第一端；及

一第二整流二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该电容的该第二端，该阴极连接该第二开关的该第一端；

其中，当该交流电源为正半周或负半周时，该第一开关与该第二开关分别由一第一控制信号与一第二控制信号控制为导通或截止，以对该交流电源提供功率因数校正。

2.根据权利要求1所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，该无桥式功率因数校正器还包含一控制单元，以产生该第一控制信号与该第二控制信号。

3.根据权利要求2所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，当该交流电源为正半周，并且该电感元件为储能操作时，该控制单元切换该第一开关与该第二开关，使得该交流电源通过一正半周储能回路对该电感元件储能，其中该正半周储能回路依序由该交流电源、该第一开关、该电感元件、该第二开关、再回到该交流电源所构成。

4.根据权利要求2所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，当该交流电源为正半周，并且该电感元件为释能操作时，该控制单元切换该第一开关并且截止该第二开关，使得该电感元件通过一正半周释能回路将所储存的能量提供至后端输出，其中该正半周释能回路依序由该电感元件、该第二二极管、该电容、该第二整流二极管、该交流电源、该第一开关、再回到该电感元件所构成。

5.根据权利要求2所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，当该交流电源为负半周，并且该电感元件为储能操作时，该控制单元切换该第一开关与该第二开关，使得该交流电源通过一负半周储能回路对该电感元件储能，其中，该负半周储能回路依序由该交流电源、该第二开关、该电感元件、该第一开关、再回到该交流电源所构成。

6.根据权利要求2所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，当该交流电源为负半周，并且该电感元件为释能操作时，该控制单元切换该第二开关并且截止该第一开关，使得该电感元件通过一负半周释能回路将所储存的能量提供至后端输出，其中，该负半周释能回路依序由该电感元件、该第一二极管、该电容、该第一整流二极管、该交流电源、该第二开关、再回到该电感元件所构成。

7.根据权利要求1所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，该无桥式功率因数校正器还包含：

一第一旁路二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该第一开关的该第一端，该阴极连接该电容的该第一端，以提供该第一开关、该第一二极管、该第一整流二极管以及该电感元件的过电压保护；及

一第二旁路二极管，具有一阳极与一阴极，该阳极连接该第二开关的该第一端，该阴极连接该电容的该第一端，以提供该第二开关、该第二二极管、该第二整流二极管以及该电感元件的过电压保护。

8.根据权利要求1所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，该无桥式功率因数校正器与该交流电源之间电性连接一电磁干扰滤波器，以消除该交流电源的噪声。

9.根据权利要求1所述的无桥式功率因数校正器，其特征在于，该第一开关与该第二开关为一金属氧化物半导体场效晶体管、一双载子接面晶体管或一绝缘栅双极晶体管。

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