TW201308849A - 具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器 - Google Patents

具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器 Download PDF

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Abstract

本發明係為一種具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器，係包括有一輸入電壓、一輸入濾波器、一橋式整流器、一轉換電路及一輸出電路，該輸入濾波器係電性連接該輸入電壓，且包含有一濾波電感及一濾波電容，該橋式整流器係並聯該輸入濾波器，該轉換電路係並聯該橋式整流器，該輸出電路係並聯該轉換電路，且包含有一輸出電感串聯一輸出電容，且在該輸出電容之兩端點再並聯一負載電阻，其主要目的在於得到幾近單位功率因數，且可使得其責任週期操作範圍更大，可應用於泛用型輸入電壓(90 Vrms-264Vrms)及寬廣的負載範圍。

Description

具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器
　　本發明係有關於一種電源轉換器，特別係指一種具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器。
　　按，一般習知電源轉換器分為交流-直流(AC-DC)轉換器及直流-直流(DC-DC)轉換器，而若要兼具有升-降壓之功能者通常需要兩級轉換器串聯藉以達成，第一級轉換器先做整流，即將交流電壓轉為直流電壓(AC-DC)以及功率因數(PF)的校正，而第二級則將直流低電壓轉為直流高電壓或者將直流高電壓轉為直流低電壓(DC-DC)，藉以供升-降壓功能之直流電壓，因此習知轉換器無法達到極高的轉換效率，如中華民國發明專利公告第447187號「單相升/降壓交直流轉換器」，其係由一般習用之功率半導體開關元件、電感器、電容器、功率二極體及一組轉換器之控制電路所組成，以達到能將輸入之單相交流電源轉換成一可調升或調降之直流電壓輸出，其中，係藉著串接一個電感器於電源與習用之單相全橋式整流器之輸入端，而於該單相全橋式整流器之輸出端並聯兩組由一個功率二極體器及一個功率半導體開關元件組成之串聯電路後，在該兩組串聯電路之兩連接點串接一電容器，且在其中之一個功率二極體之兩端再並聯一個由濾波電感器及濾波電容器組成之串聯電路，而負載電阻則並接於此濾波電容器，而另外一個特點乃在於僅需使用單級轉換即可獲得高效率之單相升/降壓交流變直流之轉換器，尤指同時兼具備輸入端電流為弦波且具單位功率因數之效果。
　　且，一般習知單相交流-直流轉換器，其功率因數常因負載是否滿載而有所不同，且輸入電流諧波大容易失真，然，習知缺點在於責任週期操作範圍較小，且並無利用耦合電感來達到釋能時間的縮短，因此，本發明人致力於研究，進而發展出一種具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器。
　　本發明提供一種具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器，係包括有：
　　一輸入電壓；
　　一輸入濾波器，係電性連接前述輸入電壓，且包含有一濾波電感及一濾波電容，該濾波電感係串聯該濾波電容；
　　一橋式整流器，係並聯前述輸入濾波器；
　　一轉換電路，係並聯前述橋式整流器，且包含有一第一電感、一第二電感、一第一切換開關、一第二切換開關、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第五二極體、一第六二極體、一第七二極體、一儲能電容及一變壓器，其中該第一電感及第二電感之繞組為相同匝數，該第一電感一端連接該第一切換開關及第一二極體，而該第一電感另一端連接該第二切換開關、第二二極體、第五二極體及儲能電容，而該第二電感一端連接該第二二極體及橋式整流器，而該第二電感之另一端連接該第三二極體及第四二極體，且在該第一電感連接之該第一二極體及儲能電容之連接節點上連接該變壓器，而該變壓器之二次側連接該第六二極體及第七二極體，且該第六二極體串聯該第七二極體；
　　一輸出電路，係並聯前述轉換電路，且包含有一輸出電感器串聯一輸出電容，且在該輸出電容之兩端點再並聯一負載電阻。
　　進一步，該第一電感及第二電感為耦合電感。
　　進一步，該第一電感之電感值相等於該第二電感之電感值。
　　本發明之優點在於：
　　1.本發明可應用於輸入電壓為有效值90伏特-有效值264伏特之間，以及可應用於較寬廣的負載範圍。
　　2.本發明有較低的電流總諧波失真。
　　3.本發明具有較穩定的直流輸出電壓。
　　4.本發明之直流鏈結電壓低於輸入電壓之峰值，且遠小於直流電壓450伏特，符合實用原則。
　　有關本發明之技術特徵及增進功效，配合下列圖式之較佳實施例即可清楚呈現，請參閱第一圖及第二圖所示，本發明係為一種具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器，其係包含有：
　　一輸入電壓（1）及一輸入濾波器（2），而該輸入濾波器（2）係電性連接前述輸入電壓（1），且該輸入濾波器（2）包含有一濾波電感（Lf）及一濾波電容（Cf），而該輸入電壓（1）係串聯該濾波電感（Lf），再並聯該濾波電容（Cf），而該輸入濾波器（2）電性連接有一橋式整流器（3），該橋式整流器（3）係並聯前述輸入濾波器（2），而該橋式整流器（3）電性連接有一轉換電路（4），該轉換電路（4）包含有一第一電感（L1）、一第二電感（L2）、一第一切換開關（S1）、一第二切換開關（S2）、一第一二極體（D1）、一第二二極體（D2）、一第三二極體（D3）、一第四二極體（D4）、一第五二極體（D5）、一第六二極體（D6）、一第七二極體（D7）、一儲能電容（C1）及一變壓器（Tr），在本實施例中，該第一電感（L1）及第二電感（L2）為耦合電感，且該耦合電感之一次側繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]為相同匝數，該第一切換開關（S1）之汲極(Drain)端係電性連接該橋式整流器（3），該第一電感（L1）一端連接該第一切換開關（S1）之源極(Source)端及第一二極體（D1），而該第一電感（L1）另一端連接該第二切換開關（S2）之汲極(Drain)端、第二二極體（D2）之陰極端、第五二極體（D5）之陰極端及儲能電容（C1），而該第二電感（L2）一端連接該第二二極體（D2）之陽極端及橋式整流器（3），而該第二電感（L2）之另一端連接該第三二極體（D3）之陰極端及第四二極體（D4）之陰極端，且在該第一二極體（D1）之陽極端及儲能電容（C1）之連接節點上連接該變壓器（Tr），而該變壓器（Tr）之二次側連接該第六二極體（D6）之陽極端且串聯該第七二極體（D7）之陰極端，而該第七二極體（D7）再電性連接一輸出電路（5），而該輸出電路（5）係並聯前述轉換電路（4），且該輸出電路（5）包含有一輸出電感（Lo）串聯一輸出電容（Co），且在該輸出電容（Co）之兩端點再並聯一負載電阻（R）。
　　進一步說明請參閱第二圖所示，本發明進一步包含有前半級電源轉換器及後半級電源轉換器，其中前半級電源轉換器係為單相修正型之交流-直流(AC-DC)之降-昇壓型(buck-boost)電源轉換器，而後半級電源轉換器為直流-直流(DC-DC)之順向型(forward)電源轉換器，一開始採用波寬頻率調變技術(PWM)，同步驅動該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2），使得前半級電源轉換器，即該轉換電路（4）中之耦合電感之電流操作在不連續導通模式，在電源電壓正半波時，耦合電感之電流iL 1及iL 2波形，如第七圖所示，而當該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）導通時，該耦合電感之一次繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]為串聯並開始儲能，而當該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）截止時，該耦合電感之一次繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]為並聯且開始釋能，輸入該橋式整流器(3)之電流iS’，其波形如第七圖所示，該輸入濾波器(2)可將輸入該橋式整流器(3)之電流iS’之諧波濾除，因此輸入電流可得一幾近正弦之波形，且輸入電流與輸入電壓達到同相，功率因數幾近於1，而橋式整流器（3）將所輸入之交流電壓整流成直流電壓，即為交流轉直流(AC-DC)，利用該轉換電路（4）中之耦合電感並聯釋能特性使得釋能的時間可被縮短，進而使得責任週期(Duty-Cycle)操作範圍更大。
　　本發明之電源轉換器之操作原理有下列六種模式，請配合參閱第二圖、第三A圖、第三B圖、第四A圖、第四B圖、第五A圖、第五B圖、第六A圖及第六B圖所示，其敘述如下：
　　模式1：在此模式下，該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）導通，當輸入之電壓為正半波時，對耦合電感之一次側繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]作串聯並儲能，而該儲能電容（C1）所儲存之能量則經由該變壓器（Tr）釋能至該輸出電感（Lo）、輸出電容（Co）及負載電阻（R），其電流路徑請參閱第三A圖及第三B圖所示。
　　模式2：在此模式下，該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）截止，當輸入之電壓為正半波時，該耦合電感器之一次側繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]並聯且釋能至該儲能電容（C1），而該輸出電感（Lo）則釋能至該輸出電容（Co）及負載電阻（R），其電流路徑請參閱第四A圖及第四B圖所示。
　　模式3：在此模式下，該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）仍然截止，當輸入之電壓為正半波時，該耦合電感器之一次側繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]釋能完畢，而該輸出電感（Lo）則持續釋能至該輸出電容（Co）及負載電阻（R），其電流路徑請參閱第五A圖及第五B圖所示。
　　模式4：在此模式下，該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）導通，而當該輸入之電壓為負半波時，對耦合電感器之一次側繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]作串聯且儲能，而該儲能電容（C1）儲存之能量則經由該變壓器（Tr）釋能至該輸出電感（Lo）、輸出電容（Co）及負載電阻（R），其電流路徑請參閱第六A圖及第六B圖所示。
　　模式5：在此模式下，其輸入之電壓為負半波，該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）截止，而該耦合電感器之一次側繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]並聯且釋能至該儲能電容（C1），而該輸出電感（Lo）則釋能至該輸出電容（Co）及負載電阻（R），其電流路徑同於模式2，請參閱第四A圖及第四B圖所示。
　　模式6：在此模式下，其輸入之電壓為負半波，該第一切換開關（S1）及第二切換開關（S2）仍然截止，而該耦合電感器之一次側繞組[第一電感（L1）]及二次側繞組[第二電感（L2）]釋能完畢，且該輸出電感（Lo）則持續釋能至該輸出電容（Co）及負載電阻（R），而其電流路徑同於模式3，請參閱第五A圖及第五B圖所示。
　　再者，請參閱第七圖所示，係輸入電壓es、第一切換開關(S1）與第二切換開關（S2）之觸發信號、未濾波之輸入電流及耦合電感電流之波形圖。
　　再者，請參閱第八圖及第九圖所示，第八圖係為當操作狀態為輸入電壓為90Vrms、輸出電壓24Vdc及滿載輸出功率為200W時之輸入電壓es及輸入電流is之波形圖，而第九圖係為當操作狀態為輸入電壓為90Vrms、輸出電壓24Vdc及滿載輸出功率為200W時之直流鏈結電壓Vc1及輸出電壓Vo之波形圖。
　　再者，請參閱第十圖及第十一圖所示，第十圖係為當操作狀態為輸入電壓為264Vrms、輸出電壓24Vdc及輕載輸出功率為20W時之輸入電壓es及輸入電流is之波形圖，而第十一圖係為當操作狀態為輸入電壓為264Vrms、輸出電壓24Vdc及輕載輸出功率為20W時之直流鏈結電壓Vc1及輸出電壓Vo之波形圖
　　又，請參閱第十二圖所示，係為本發明之另一實施例之電路圖，係為採用該第一電感之電感值與該第二電感之電感值相等(即L1=L2)，藉以代替該耦合電感，而其操作模式如同上述6種模式，在此不多加敘述。
　　如上所述，本發明所提供之實施說明及圖式係為本發明之較佳實施例，並非以此侷限於本發明。
　　綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)．．．輸入電壓
(2)．．．輸入濾波器
(3)．．．橋式整流器
(4)．．．轉換電路
(5)．．．輸出電路
(S1)．．．第一切換開關
(S2)．．．第二切換開關
(L1)．．．第一電感
(L2)．．．第二電感
(Lf)．．．濾波電感
(Lo)．．．輸出電感
(C1)．．．儲能電容
(Cf)．．．濾波電容
(Co)．．．輸出電容
(D1)．．．第一二極體
(D2)．．．第二二極體
(D3)．．．第三二極體
(D4)．．．第四二極體
(D5)．．．第五二極體
(D6)．．．第六二極體
(D7)．．．第七二極體
(R)．．．負載電阻
(Tr)．．．變壓器
　　第一圖係為本發明之示意系統方塊圖。
　　第二圖係為本發明之詳細實體結構電路圖。
　　第三A圖係為本發明之模式1之電流路徑圖。
　　第三B圖係為本發明之模式1之電流路徑圖，說明第一切換開關S1及第二切換開關S2導通，而輸入電壓為正半波且耦合電感之ㄧ次側繞組及二次側繞組作串聯儲能時之電流路徑。
　　第四A圖係為本發明之模式2之電流路徑圖。
　　第四B圖係為本發明之模式2之電流路徑圖，說明第一切換開關S1及第二切換開關S2截止，而輸入電壓為正半波且耦合電感之ㄧ次側繞組及二次側繞組作並聯釋能至儲能電容C1時之電流路徑。
　　第五A圖係為本發明之模式3之電流路徑圖。
　　第五B圖係為本發明之模式3之電流路徑圖，說明第一切換開關S1及第二切換開關S2仍然截止，而輸入電壓為正半波時且輸出電感Lo釋能至輸出電容Co及負載電阻R之電流路徑。
　　第六A圖係為本發明之模式4之電流路徑圖。
　　第六B圖係為本發明之模式4之電流路徑圖，說明第一切換開關S1及第二切換開關S2導通，而輸入電壓為負半波且耦合電感之ㄧ次側繞組及二次側繞組作串聯儲能時之電流路徑。
　　第七圖係為本發明之輸入電壓es、第一切換開關S1與第二切換開關S2之觸發信號、未濾波之輸入電流及耦合電感電流之波形圖。
　　第八圖係為本發明之輸入電壓90Vrms、輸出電壓24Vdc及滿載輸出功率200W之輸入電壓es及輸入電流is之波形圖。
　　第九圖係為本發明之輸入電壓90Vrms、輸出電壓24Vdc及滿載輸出功率200W之直流鏈結電壓Vc1及輸出電壓Vo之波形圖。
　　第十圖係為本發明之輸入電壓264Vrms、輸出電壓24Vdc及輕載輸出功率20W之輸入電壓es及輸入電流is之波形圖。
　　第十一圖係為本發明之輸入電壓264Vrms、輸出電壓24Vdc及輕載輸出功率20W之直流鏈結電壓Vc1及輸出電壓Vo之波形圖。
　　第十二圖係為本發明之另一實施例之電路圖。
(1)．．．輸入電壓
(2)．．．輸入濾波器
(3)．．．橋式整流器
(4)．．．轉換電路
(5)．．．輸出電路
(S1)．．．第一切換開關
(S2)．．．第二切換開關
(L1)．．．第一電感
(L2)．．．第二電感
(Lf)．．．濾波電感
(Lo)．．．輸出電感
(C1)．．．儲能電容
(Cf)．．．濾波電容
(Co)．．．輸出電容
(D1)．．．第一二極體
(D2)．．．第二二極體
(D3)．．．第三二極體
(D4)．．．第四二極體
(D5)．．．第五二極體
(D6)．．．第六二極體
(D7)．．．第七二極體
(R)．．．負載電阻
(Tr)．．．變壓器

Claims (3)

  1. 一種具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器，係包括有：
    　　一輸入電壓；
    　　一輸入濾波器，係電性連接前述輸入電壓，且包含有一濾波電感及一濾波電容，該濾波電感係串聯該濾波電容；
    　　一橋式整流器，係並聯前述輸入濾波器；
    　　一轉換電路，係並聯前述橋式整流器，且包含有一第一電感、一第二電感、一第一切換開關、一第二切換開關、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第五二極體、一第六二極體、一第七二極體、一儲能電容及一變壓器，其中該第一電感及第二電感之繞組為相同匝數，該第一電感一端連接該第一切換開關及第一二極體，而該第一電感另一端連接該第二切換開關、第二二極體、第五二極體及儲能電容，而該第二電感一端連接該第二二極體及橋式整流器，而該第二電感之另一端連接該第三二極體及第四二極體，且在該第一電感連接之該第一二極體及儲能電容之連接節點上連接該變壓器，而該變壓器之二次側連接該第六二極體及第七二極體，且該第六二極體串聯該第七二極體；
    　　一輸出電路，係並聯前述轉換電路，且包含有一輸出電感串聯一輸出電容，且在該輸出電容之兩端點再並聯一負載電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器，該第一電感及第二電感為耦合電感。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具電氣隔離之單相交流-直流電源轉換器，該第一電感之電感值相等於該第二電感之電感值。
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