TW201220665A - Single-phase PFC AC-DC power converter - Google Patents

Description

201220665 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電源轉換器，尤扣 °°尤才曰一種早相功率因 數修正交流-直流電源轉換器。 【先前技術】 交流-直流電源轉換n的應用領域相當廣泛，舉凡各種 直流電壓輸入之電子產品如照明驅動電路、手機充電、立 響'電腦等，皆需使用交流-直流電源轉換器將電力公司： 提供之交流電源轉換為直流電使用。 在習知技術中，較常見的係為一種降_升壓型之交流_ 直流電源轉換器11，其電路架構圖如圖1⑷所示。使用； :=，具有單位功率因數、泛用型輸入電壓、低輸：電 =白波'具升/降壓之功能等優點。然而’應用於高輸入電 壓及輕料，功率因數會變差，輸人電流譜波也會增加。 另外迈有—種升壓型交流-直流電源轉換器丨2 ,其電路 =構圖如^⑻所示。使用該電路架構，係具有單位功率因 f、應用於泛用型輸入電愿、低輸入電流譜波等優點。但 疋，f電路架構僅能提供升壓功能，無法提供降壓功能， 因此後級電路之功率元件需選擇額定較高功率元件補足。 ?解決上述習知技術之缺失，發明人本著創作之精 ：汁—種單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，以 早位功率因數、低輪入電流错波，並使其具有升/降壓 之功能。 201220665 【發明内容】 七本知明之王要目的係在提供—種單相功率因數修正交 L直㈣電源轉換$ ’俾能將電源轉換器操作於不連續導通 模式’以達到幾近單位功因、低輸入電流總言皆波失真、及 可升/降之直流輸出等功效。 一為達成上述目的，本發明所提供之單相功率因數修正 直·包源轉換器包括：—濾波器，其接收一交流輸入 & ^ 11 ’其係電性連接至該ϋ波器；-耗合電感 益，其包含有一一次側繞組及一二次側繞組，該一次側繞 組包含有-第-端及一第二端，該二次側繞組包含有一第 一立尚及一法一 *山 ^ 弟一而，該二次側繞組之第二端係電性連接至該 …第一切換裝置，其包含有-第-端及-第二端， 切換裝置之第—端係電性連接至該整流器；一第一 :¾體’其包含有—正極端及一負極端，#第一二極體之 係電性連接至該二次側繞組之第一端，該第一二極 組之負極端係電性速垃& #續 x ^ 接至δ玄第一切換裝置之第二端、及該 一次側繞組之第一端.楚_ +„抬壯 臨为淫 而，一第一切換裝置，其包含有一第一 一端，該第二切換裝置之第-端係電性連接至該- 至$ _ 一 ，該第二切換裝置之第二端係電性連接 第^次側繞組之第―端，及該第—二極體之正極端；-;極體：其包含有_正極端及_負極端，③第二二極 :極端係電性連接至該整流器；—第三二極體，其包 5 —正極端及—負極端’該第三二極體之正極端係電性 201220665 連接至該一次側繞組之第二端及該第二切 端，該第三二極體之自朽*奐衷置之第— …〇山接至該第二二極體之負杜 埏，以及-輸出電容器’其包含有—第—負極 該輸出電容器之第—端係電性連接 一力而， 端及該第三二極體之負極端，該輸出 性連接至該二次側繞組之第-端、該第：二電 端、及該第二切換裝置之第二端。 —祖之正極 較佳地，該濾波器係由一電感器連接— :器係為由四個二極體所構成之橋式整流器二 側繞組及二次側繞组係❹-鐵心，並具有相 本發明之主要特徵在於：該第—切換裝置及該第 換裝置係同步切換 於不連鋒導，番= 以使該耗合電感器操作 同時導。當该第一切換裝置及該第二切換裝置 換Γ次側繞組及二次側繞組係為串聯儲能。 田4第-切換裝置及該第二切換裝置同時戴止時，… 側繞組及二次側繞組係為並聯釋能。 經由本發明所提供之單相功率因數修正交流直流 源轉換器’輸入電壓及輸入電流可為同相，以達單位㈣ 因數。^次’本發明具有低輸入電流諧波，可消除譜波污 2之問題。並且，本發明輸出之直流電壓具有升"条壓之功 能’可應用於泛用型輸入電壓及寬廣負載範圍，且本發明 具有固定切換頻率，因此在渡波H的設計上以容易。 201220665 【實施方式】 請參考圖2，其係本發明一較佳實施例之電路架構圖。 ^圖所示，本發明之單相功率因數修正交流_直流電源轉換 S5 2吐括.一濾波器2 1、一整流器22、一耦合電感器93、— 第一切換裝置S1、—第一二極體D1、一第二切換裝置幻、 第 極體D2、第三二極體D3、及一輸出電容器24。較佳 地’該濾波器21係由一電感器Lf及一電容器Cf所構成’ ^ • 流器22係為由四個二極體所構成之橋式整流器。濾波器^丨 係接收一交流輸入電#Vs，整流器22係電性連接至濾波一 21。 ’心 / . 耦合電感器23包含有一一次側繞組。及—二次側繞組 L 2 ’其_，一次側繞組U及二次側繞組L 2係共用同一鐵=, 亚具有相同匝數。一次側繞組L1包含有一第一端a及一第二 縞b，一次側繞組L2亦包含有_第一端a及一第二端匕，該二 -人側繞組L2之第二端b係電性連接至整流器22。第一切換裝 鲁置S丨包含有一第一端a及一第二端b，該第一切換裝置$丨之 第一端a係電性連接至整流器22。 又 第—極D 1包含有一正極端c及一負極端d ,第一二 極體D1之正極端c係電性連接至二次側繞組L2之第一端 第一一極體D1之負極端0係電性連接至第一切換裝置μ之 ^人立“及一次側繞組L1之第一端3。第二切換裝置”亦 l s有第一端a及第二端b，第二切換裝置S2之第一端&係 電$連接至一次側繞組L1之第二端b，該第二切換裝置u 之第二端b係電性連接至二次側繞組口之第一端a，及第— 201220665 二極體D1之正極端c。第二二極體D2包含有一正極端^及一 負極端d，第二二極體D2之正極端c係電性連接至整流器 22。第三二極體D3包含有_正極端c及—負極端^第三二 極體D3之正極端c係電性連接至_次侧繞組1丨之第二端^及 第二切換裝置S2之第一端第三二極細之負極❹係連 接至第二二極體D2之負極端d。 輸出電容器24包含有—筮_,山s 也 ,第及一第二端b，該輸出 =24之：一·係電性連接至第二二極體的之負極端」 電r生連接之負極"1“。輸出電容器24之第二端係㈣ «連接至二次側繞組L2之第一心、第一二極體D丨之正極 知c、及第二切換裝置S2 -輸出電源V。。 弟-W _出電容器24具有 "本發明之主要特徵在於：第—切換裝置Μ及第二 裝且S2係同步切換為導通 ' μ.φ m 域止以使耗合電感器23操作 :不連續導通模式。由此’當第_切換裝 ： 裝置S2同時導通時’-次側繞組u及二次側繞二 聯儲能；當第-切換裝置31及第二 $ 2::串 時，一次側结 7珉忒置S2同時哉止 —次側繞組L2係為並聯釋能。 本發明之單相幼| m Μ & ^ 、數t正父流.直流電源輕拖呙）古 操作模式。首先，請先參相3,其係為μ w 波形圖。電感器23及輸出電容_流 0為父仙·輸入電源Vs之電壓，ν 別為第一切換裝置s 叫、乂扣分 置w及4二切換裝置S2u'極電屋， 201220665 丨U、iL2分別為流經耦合電感器23之一次側繞組。及二次側 繞組L2的電流，lc為流經輸出電容器24的電流。 母一切換週期具有三種操作模式，請先參考圖4^)電 流路徑圖所示之模式丨。於此模式中，交流輸入電源Vs係為 正半波’此時’第一切換裝置81及第二切換裝置以係先切 換為V通，以使父流輸入電源Vs對一次側繞組L.1及二次側 繞組L2作串聯儲能，而輸出電容器24對一負載25釋能。 接著進入模式2，請芩考圖4(b)所示之電流路徑圖。 於此杈式中，第一切換裝置8丨及第二切換裝置“切換為戴 止，以使一次側繞組L丨及二次側繞組L2並聯釋能至輸出電 容器24及負載25。 而後，進入模式3，請苓考圖4(c)所示之電流路徑圖’ 在此模式中，第一切換裝置s〖及第二切換裝置S2仍然截 止，耦合電感益23之一次側繞組L丨及二次側繞組L2釋能完 畢’輸出電容器24對負載25釋能。 此時，若交流輸入電源Vs仍是正半波，本發明之單相 功率因數修正交流-直流.電源轉換器2重複上述三種操作模 式。若交流輸入電源Vs進入負半波，本發明之單相功率因 數修正交流-直流電源轉換器2則進入下列三種操作模式。 由於交流輸入電源Vs為負半波時，流經耦合電感器23及輸 出電谷器2 4之々a波形圖與圖3相同，於此不重複繪圖。 首先’模式4請參考圖4(d)所示之電流路徑圖。在此模 式中，第一切換裝置S1及第二切換裝置S2先切換為導通， 201220665

以使交流輪入電源Vs對—，相A 栌性此—1%，.且1丨及二次側繞組匕2作串 如储 >]匕，而輪出電容器24對負載25釋能。 在此二、進入模式5 ’請參考圖4(e)所示之電流路徑圖。 t tri 一切換裝置Μ及第二切換裝置S2切換為截 —;4及“、側繞紙丨及二次側繞社2並聯釋能至輸出電 谷為24及負載25。 取後’進入模式6,請參考圖4⑴所示之電流路徑圖。 在此j中’第一切換裝置以及第二切換裝置S2仍然戴 止，一次側繞組U及二次側繞社2係釋能完畢，以 電容器24對負載25釋能。 為進-步說明本發明之實用效果，請參考圖5,其係為 本發明操作於輸入電壓"5 Vrms及滿载輸出功率Μ。w 時’父流輸入電源Vs之電壓q及電流“波形圖。由圖中可清 楚地看出’功率因數為幾近單位功因。接著，請參考圖6⑷， 其係本發明操作於泛用型輸人電壓及寬廣負載範圍下之功 率因數曲線圖，由圖6⑷可清楚地看出，在此範圍下本發 月可達到问功因。最後，請參考圖6(b)，其係本發明操作於 泛用型輸入電壓及寬廣負載範園下輸入電流之總谐波失直 數據曲線圖，由圖6(b)可清楚地看出，在此範圍下，本發明 具有低輸入電流總错波失真之特性。 另外，本發明之耦合電感器23亦可改採兩相同電感量 之電感器L代替，亦能達成相同之電路功效，其電路架構圖 則如圖7所示。 201220665 疋故’經由本發明所提供之單相功率因數修正交流-直 流電源轉換器2可操作於不連續導通模式以達到幾近單位 功因、低輸入電流總諧波失真、及可升/降之直流輪出電壓 等功效。相對於傳統單相功率因數修正交流-直流降/升壓型 電源轉換器，釋能時間將大幅縮短。因此在不連續導通模 式操作下，本發明之單相功率因數修正交流_直流電源轉換 器2可操作於較大的責任週期，因此，本發明適用於寬廣的 籲 輸入黾壓（90〜264 Vrms)及負載範圍。 ’、’ 然而’上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本 發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而 非僅限於上述實施例。 【圖式簡單說明】 圖丨（a)係習知降-升壓型之交流_直流電源轉換器之帝 構圖。 屯峪木 • 圖1(b)係習知升壓型交流-直流電源轉換器之電路架構圖。 圖2係本發明一較佳實施例之電路架構圖。 θ 圖3係本發明交流輸入電源為正半波時流經耦合 。 輸出電容器之電流波形圖。 、 圖4(a)係本發明一較佳實施例之第一電流路徑圖。 圖4(b)係本發明一較佳實施例之第二電流路徑圖。 圖4(c)係本發明一較佳實施例之第三電流路徑圖。 圖4(d)係本發明一較佳實施例之第四電流路徑圖。 圖4(e)係本發明一較佳實施例之第五電流路徑圖。 201220665 圖4(f)係本發明一較佳實施例之第六電流路徑圖。 圖5係本發明一較佳實施例之電壓及電流波形圖。 圖6(a)係本發明一較佳實施例之功率因數曲線圖。 圖6(b)係本發明一較佳實施例之總諧波失真數據曲線圖。 圖7係本發明另一較佳實施例之電路架構圖。 【主要元件符號說明】 11 降-升壓型之交流-直流1 2 升壓型交流-. 電源轉換器 換器 2 單相功率因數修正交流- 直流電源轉換器 21 渡波器 22 整流器 23 耦合電感器 S1 第一切換裝置 S2 第二切換裝置 D1 第一二極體 D2 第二二極體 D3 第三二極體 24 輸出電容器 25 負載 Lf，L 電感器 Cf 電容器 Vs 交流輸入電源 Vo 輸出電源 LI 一次側繞組 L2 二次側繞組 a 第一端 b 第二端 c 正極端 d 負極端

Claims (1)

1. 201220665 七 括： 、申請專利範圍： 丨.種早相功率因數修正交流-直流電源轉 換器， 包 '處波為，其接收一交流輸入電源； -整流器’其係電性連接至該渡波器； 一搞合電感器，其包含右 wλ ,〇 匕3有--次側繞組及一二次伽从 、且，該一次側繞組包含有 ·.九 ^ 匕3有一第一端及—第二端，該二 ，-凡組包含有一第一姑另一 人例 技 0 弟一端，該二次側繞組之第_山 係吆性連接至該整流器； 一而 端及一第二端 該 -第-切換裝置，其包含有一第…一」 第置之第一端係電性連接至該整流器； 一- 疒I —極肢’其包含有-正極端及-負極端，該| 气货 而保弘性連接至該二次側繞組之第一 二 、而保电性連接至該第一切換裝置之筹 而及该一次側繞組之第一端； 7第二切換裝置’其包含有一 一切換裝置之第一狞及+1 而。哀每 # 而〜電性連接至該一次惻繞組之第- ^，該第二切換梦朁夕铱 凡且又弟一 (宽 第—端係電性連接至該二次側繞知 第二而’及該第-二極體之正極端； 二二：：：:Γ體’其包含有一正極端及-負極端，該第 ,正極端係電性連接至該整流器； 一弟三二極體，人丄 二- G 3有一正極端及一負極端，該第 --極體之正極端係電性連接至該一次側繞組之第二端及 201220665 •極體之負極端連接至 該第二切換裝置之第-端，該第三 該第二二極體之負極端；以及— -輸出電容器’其包含有一 出電容器之第一端係電性連接 …端’該較 該第三二極體之負極端，該輸出：容：：！體之負極端及 接至該二次側繞組之 ：合-弟—端係電性連 該第二切換裝置之第二端。…亥第—二極體之正極端、及 2.如申請專利範圍第1項 。

   流-直流電源轉換器，1中，，早目功率因數修正交 電容器所構成。 波心由-電感器連接- 3·如申請專利範圍第丨項 流-直流電源轉換器，盆中…；1之早相功率因數修正交 構成之橋式整流器。 為係為由四個二極體所 流直申請專利範圍第1項所述之單相功率因數修正交 机-旦流電源轉換器，中， 奴.々止乂 共用一鐵心，並具有相同側繞組及二次側繞組係

   流-直产電犯圍第I項所述之單相功率因數修正交 器， 、 5亥-次側繞组係為一第一電感 口乂 一二人側繞組係為一第二 器具有相同之電感值。 '第二電感 6 ·如申請專利範圍第丨 流-直流電源轉M，其中之單㈣率因數修正交 裝置係同步切換為導通或截 切換裝置及違第二切換 不連續導通模式。 止，以使㈣合電感器操作於 U 201220665 7.如申請專利範圍第6項所述之單相功率因數修正交 流-直流電源轉換器’其中，當該第一切換裝置及該第二切 換裝置同時㈣時，mm組及：次側繞組係為串聯 儲能。 S.如申請專利範圍第7項所述之單相功率因數修正交 流-直流電源轉換器’其中，當該第一切換裝置及該第二切 換4置同時載止時，該一次側繞組及二次側繞組係為並聯 釋能。 9.如申請專利範圍第6項所述之單相功率因數修正交 流-直流電源轉換器’其中，於該交流輸入電源之正半波， 違第-切換裝置及該第二切換裝置係先切換為導通，以使 交流輸入電源對該-次侧繞組及二次侧繞組作串聯儲能， 垃：出弘：益對一負載釋能；該第—切換裝置及該第二切 拍將踩〜』 吏次側·繞組及二次側繞組 二:玄輸出電谷器及負載：且當該-次側繞組及二 、且釋能完畢’該輸出電容器對該負載釋能u J【如申請專利範圍第9項所述之單相功率因數修正 Γ:，電源轉換器，其中’於該交流輪入電源之負半 以使㈣置及該第4換裝置係先切換為導通， 能=:_該一次側繞組及二次側繞組作串聯儲 :切::_能;該第-切換裝置及該第 —刀換衣置接者切換為截止，以 繞組並聯釋能至該輸出電容器及：人側繞組及二次側 及、’且當該一次側繞組 輸出電容器對該負載釋能。 15