TW201414152A

TW201414152A - 切換控制系統

Info

Publication number: TW201414152A
Application number: TW101135589A
Authority: TW
Inventors: Yu-Che Liu
Original assignee: Joint Power Exponent Ltd
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-01
Also published as: TWI560980B

Abstract

一種切換控制系統用以設置於一包含具有第一線圈與第二線圈之變壓器與至少一開關元件之功率因數修正器，切換控制系統耦接於變壓器以及開關元件，切換控制系統包含微分單元與切換偵測單元。微分單元耦接於變壓器，用以在功率因數修正器通電時，依據第二線圈上之複數個電壓值所形成之電壓波形，藉由微分該電壓波形產生並傳送具有複數個電壓微分值之電壓微分波形。切換偵測單元耦接於微分單元，用以偵測電壓微分波形之該些電壓微分值中之一者是否達到切換值，藉以在達到切換值時產生一切換信號，並將切換信號傳輸至開關元件而使其切換。

Description

切換控制系統

本發明係關於一種切換控制系統，尤指一種藉由微分變壓器二次側線圈上電壓值，當偵測到微分結果達到一切換值時，使開關元件進行切換之功率切換控制系統。

隨著科技的發展與時代的進步，電子裝置的快速發展使得人們生活水準普遍提高，而現今隨著電子裝置的大量發展，功率轉換器的需求因而與日俱增，以現有電子裝置之電源系統為例，大多係使用交流直流轉換器，藉以將電力公司所供應之交流電力，轉換為電子裝置所需求之直流電力。

傳統之交流直流轉換器中，大部分係以被動之二極體元件和電容器將交流訊號整流濾波後達到直流的轉換。雖然二極體元件與電容器所形成之整流器具有耐用、成本低以及架構簡單之優點，但其輸入電流容易具有嚴重非線性失真，造成了低頻諧波的增加，也使得功率因數(Power Factor；PF)變得不佳，而早期的功率因數改善方式，均是利用被動式功率因數電路來提高功率因數，其係於輸入端加入電感或電容之被動元件。

然而，現有之電子裝置因為人們的需求與生活型態的改變，使其以輕薄短小為發展趨勢，進而使得電子裝置電源系統之轉換器亦以輕薄短小為發展走向，但上述被動元件之體積與重量往往造成電子產品小型化的困擾，使得電子裝置之系統效率嚴重降低。

在上述背景之下，主動功率因數修正器近年來有大量發展之趨勢，其除了輕薄短小外，更進一步具有低諧波、高效能以及功率因數佳之優點，而主動功率因數修正器主要具有連續導電模式(CCM)以及臨界導電模式(CrM)，以臨界導電模式為例，其功率因數修正之過程中，係利用零電流偵測器(Zero Current Detector；ZCD)偵測變壓器之電感電流，進而使得開關依據零電流偵測器之輸出結果決定打開或關閉，藉以達到修正並提高功率因數之效果。

其中，上述之修正過程中，雖然可提高功率因數，但在開關進行切換時，由於只是依據零電流偵測器偵測變壓器之電感電流，以決定開關之打開時間或關閉時間，而在開關打開或關閉時會具有較大之切換損失，其主動功率因數修正器並不會選擇最佳之開關切換點進行切換，因此使得轉換效率由於切換損失而降低。

相信舉凡在所屬技術領域中具有通常知識者，在閱讀以上所記載之習知技術後，應該不難理解上述之習知技術中，由於主動功率因數修正器並不會選擇最佳之開關切換點進行切換，使得功率轉換器之轉換效率由於切換損失而降低。

有鑒於在習知技術中，由於主動功率因數修正器(以下將稱功率因數修正器)並不會選擇最佳之開關切換點進行切換，因此使得轉換效率由於切換損失而降低。

緣此，本發明之主要目的係提供一種切換控制系統，其係用以設置於功率因數修正器，藉由微分變壓器二次側線圈上電壓值，並偵測到電壓微分值達到一切換值而切換開關，進而在最佳之切換點使開關進行切換。

本發明為解決習知技術之問題，所採用之必要技術手段係提供一種切換控制系統，係用以設置於一功率因數修正器，功率因數修正器包含一具有一第一線圈與一第二線圈之變壓器以及至少一開關元件，切換控制系統係耦接於變壓器以及開關元件，切換控制系統包含一微分單元以及一切換偵測單元。微分單元係耦接於變壓器，用以在功率因數修正器通電時，微分第二線圈上之複數個電壓值所形成之一電壓波形，而產生並傳送一具有複數個電壓微分值之電壓微分波形。

切換偵測單元係耦接於微分單元，用以偵測電壓微分波形之該些電壓微分值中之一者是否達到一切換值，藉以在達到切換值時，產生一切換信號，並將切換信號傳輸至開關元件，藉以使開關元件切換。其中，該切換值係小於並接近零之值，且該些電壓微分值中之一者為切換值時，該切換偵測單元係傳送該切換信號而使該開關元件切換。

較佳者，上述之切換控制系統中，功率因數修正器更包含一電源、一濾波器、一橋式整流器以及至少一負載，濾波器係耦接於電源，橋式整流器係耦接於濾波器，變壓器係耦接於橋式整流器，開關元件係耦接於變壓器，負載係耦接於變壓器以及開關元件，而電源係交流電源，濾波器係為EMI濾波器，且微分單元係耦接於該第二線圈。

較佳者，上述之切換控制系統中，切換控制系統更包含一驅動單元以及一判斷單元，驅動單元係耦接於切換偵測單元，用以接收並放大切換信號，藉以驅動開關元件。判斷單元係耦接於切換偵測單元以及一誤差運算單元，用以依據誤差運算單元所輸出之一誤差值，產生並傳送一判斷信號至切換偵測單元，用以使切換偵測單元依據切換信號以及判斷信號，控制開關元件之打開時間(on-time)，而判斷信號係包含誤差值之判斷結果，若誤差值為大時，開關元件之打開時間較長，誤差值為小時，開關元件之打開時間較短。此外，微分單元包含數位式以及類比式，數位式微分單元係包含單位延遲器(Unit Delay)、正反器(Flip-flop)、減法器以及增益器中之至少二者組合，類比式微分單元包含電容、電阻以及運算放大器中之至少二者組合。

相較於習知技術，由於主動功率因數修正器並不會選擇最佳之開關切換點進行切換，因此使得轉換效率由於切換損失的部分而降低。

緣此，本發明之主要目的係提供一種切換控制系統，藉由微分單元微分變壓器第二線圈(二次側)上之電壓值，以產生電壓微分值，進而利用切換偵測單元偵測是否達到一切換值，使得電壓微分值為切換值時切換開關，進而在最佳之切換點使開關進行切換，而由於切換值係電壓微分值為小於並接近零時產生切換信號，因此可知其係第二線圈電壓波形為波谷之處，也就是電壓最小之處，此時開關上端之電壓也達到最小值，因而使得開關進行切換時，其切換損失最小，進而提升功率轉換器之轉換效率。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。

由於本發明所提供之切換控制系統中，其組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉較佳實施例來加以具體說明。

請參閱第一圖，第一圖係顯示本發明第一實施例之切換控制系統之方塊示意圖。如第一圖所示，切換控制系統1係用以設置於一功率因數修正器2，切換控制系統1包含一微分單元11、一切換偵測單元12、一驅動單元13以及一判斷單元14。切換偵測單元12係電性連接於微分單元11，驅動單元13係電性連接於切換偵測單元12，判斷單元14係電性連接於切換偵測單元12。

功率因數修正器2包含一電源21、一濾波器22、一橋式整流器23、一具有一第一線圈241與一第二線圈242之變壓器24、一開關元件25、一負載26以及一誤差運算單元27。電源21係交流電源，濾波器22係耦接於電源21，且濾波器22係為EMI濾波器，橋式整流器23係耦接於濾波器22，變壓器24係耦接於橋式整流器23，且第一線圈241係一次側線圈，第二線圈242係二次側線圈，開關元件25係耦接於變壓器24，負載26係耦接於變壓器24以及開關元件25，誤差運算單元27係耦接於切換控制系統1。更進一步來說，切換控制系統1係耦接於變壓器24以及開關元件25，微分單元11係耦接於變壓器24之第二線圈242，而誤差運算單元27係耦接於判斷單元14。

請一併參閱第一圖、第二圖以及第二A圖，第二圖係顯示本發明開關元件、第一線圈電感電流、第二線圈電壓以及開關元件電壓之波形示意圖，第二A圖係顯示本發明第二線圈電壓、微分第二線圈電壓後之電壓微分以及開關元件電壓對時間之波形示意圖，其中，第二A圖係擷取第二圖之震盪區間放大與微分第二線圈電壓後之比較波形示意圖(亦即第二A圖之V(t)係第二圖第二線圈電壓震盪區間放大波形圖，D(t)係微分第二線圈電壓震盪區間後之波形圖，而Vds(t)係開關元件電壓波形圖)。如圖所示，功率因數修正器2通電時(更進一步來說係在電源21輸入交流電)，濾波器22係可過濾切換控制系統1所產生之雜訊，而橋式整流器23係用以將濾波器 22輸出之交流波全波整流為正電壓輸出，而前述經整流之交流波輸入變壓器24後，係使第一線圈241上產生電感電流I，且電感電流I是正比於交流波之輸入電壓，而第一線圈241上產生電感電流I時具有相對應之電壓，以下以第二圖(並請參閱第一圖)更進一步說明。

如第二圖所示，功率因數修正器2在修正功率因數的過程中，開關元件25會進行切換導通，在本發明第一實施例中，係先假設開關元件25已先打開後並關閉，而區間A係為開關元件25打開(導通)之時間，其中，在開關元件25打開時，第一線圈241之電感電流I呈線性增加(第二圖亦繪示第二線圈242以及開關元件25之電壓狀態)，而在第一線圈241之電感電流I到達某一閾值時，係使開關元件25關閉而讓第一線圈241之電感電流I呈線性遞減至原準位(即開關元件25剛打開之準位，且本發明第一實施例之原準位為零)，且第二線圈242之電壓係線性遞減而後形成LC震盪(開關元件25之電壓亦因此震盪，且其電壓波形頻率與第二線圈242之電壓波形頻率相同)。

此時，請進一步一併參閱第二A圖，由於第一線圈241之電感電流I降至零，使得開關元件25需再打開，而微分單元11依據第二線圈242上之複數個電壓值所形成之電壓波形(即上述之LC震盪之電壓波形)，藉由微分該電壓波形(亦即微分上述之該些電壓值)產生並傳送一具有複數個電壓微分值之電壓微分波形(即第二A圖之中間所繪示之波形圖)。其中，由第二A圖可明顯了解到第一基準點 a1、第二基準點a2以及第三基準點a3係位於同一垂直基準線上，第四基準點b1以及第五基準點b2係位於同一垂直基準線上，而在本發明第一實施例中，第一基準點a1是第二線圈242電壓波形之波谷轉折處，且由於斜率為零，因此微分之電壓波形中之第二基準點a2係為零，而開關元件25之電壓(Vds，汲極至源極之電壓)波形(繪示於第二A圖最下方之波形圖)第三基準點a3係對應於第一基準點a1而為波谷之處。另外，第四基準點b1是第二線圈242電壓波形之波谷轉折處，且由於斜率為零，因此微分之電壓波形中之第五基準點b2係為零，此外，第五基準點b2係為電壓波形之斜率由負經零而正之切換基準點。

在微分單元11微分產生上述之電壓微分波形後，切換偵測單元12用以偵測電壓微分波形之該些電壓微分值是否為一切換值，藉以在該些電壓微分值中之一者為切換值時產生一切換信號(圖未示)，並將切換信號傳輸至開關元件25，藉以使開關元件25打開，其中，在本發明第一實施例中，上述之切換值係小於且接近零之值(亦即切換值為負值並接近於零)，而在該些電壓微分值中之一者達到上述之切換值時，切換偵測單元12係傳送切換信號而使開關元件25打開(即切換偵測單元12係偵測電壓微分波形之負值是否達到切換值，在達到切換值時傳送切換信號使開關元件25打開)，更進一步來說，切換偵測單元12係傳送切換信號至驅動單元13。

驅動單元13係用以接收並放大切換信號，藉以驅動開關元件25打開，在其他實施例中，切換控制系統1可不具有驅動單元13，本發明第一實施例具有驅動單元13之目的在於實務中之切換信號過小，需經放大輸出後才可驅動開關元件25打開。另外，在本發明第一實施例中，判斷單元14除了耦接於切換偵測單元12外，更耦接一誤差運算單元27，用以依據誤差運算單元27所輸出之一誤差值，產生並傳送一判斷信號(圖未示)至切換偵測單元12，用以使切換偵測單元12依據切換信號以及判斷信號，控制開關元件25之打開時間(on-time)，此外，判斷信號係包含誤差值之判斷結果，若誤差值很大時，開關元件25之打開時間會較長以進行補償，誤差值為小時，開關元件25之打開時間會較短。

更進一步來說，上述之誤差運算單元27之運算過程中，其係設有一參考閾值，其例如是參考電壓值，藉以比較而輸出誤差值，在本發明第一實施例中，誤差運算單元27可為減法器，其係用以相減參考電壓值而運算出誤差值，進而產生上述之判斷信號。

其中，請再參閱第二圖以及第二A圖，在此需要強調的是，在未加入本發明所提供之切換控制系統1之功率因數修正器2中，其切換點係在第二圖切換準位線A1之處(同樣為第二A圖切換準位線A2之處)，而由於切換準位線A1以及A2係接近電壓波形之波峰之處，由P_loss=(1/2)*C*V_ds ²可知，在電壓波形為波峰之處係電壓最大時，因此未加入本發明所提供之切換控制系統1之功率因數修正器2之切換損失會很大。而本發明所提供之切換控制系統1設置於功率因數修正器2後，由於切換偵測單元12係在電壓微分值為切換值(即電壓微分值由負經零而正時，也就是電壓波形由負斜率經斜率為零而轉為正斜率，在此稱為零交越)，傳送切換信號至驅動單元13而使開關元件25進行切換而打開(或關閉)，而由於電壓微分值由負經零而正是在第二線圈242電壓值為最小之處(若電壓微分值由正經零而負，會是在電壓值為最大之處，而使切換損失大)，因而切換損失為最小，使得藉由本發明所提供之切換控制系統1，可確實使開關元件25在切換損失最小時進行切換，進而提升轉換器之轉換效率。

請參閱第三圖，第三圖係顯示本發明第二實施例之切換控制系統之方塊示意圖。如第三圖所示，與第一圖不同的是，本發明第二實施例之微分單元11係包含一單位延遲(Unit Delay)器111以及一減法器112，進而以數位方式形成微分電路，而其餘實施方式皆與第一實施例相同，在此不再予以贅述。

請參閱第四圖，第四圖係顯示本發明第三實施例切換控制系統之方塊示意圖。如第四圖所示，與第一圖以及第二圖不同的是，本發明第三實施例之微分單元11a係包含一單位延遲器111a、一減法器112a以及一增益器113a，進而以數位方式形成微分電路，而其餘實施方式皆與第一實施例相同，在此不再予以贅述，另外，在其他實施方式亦可加入正反器(Flip-flop)，但不限於上述。其中，在其他實施例中，微分單元11以及11a係可以類比形式形成微分電路，其可藉由電容、電阻以及運算放大器中之至少二種組合而成。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1‧‧‧切換控制系統

11、11a‧‧‧微分單元

111、111a‧‧‧單位延遲器

112、112a‧‧‧減法器

113a‧‧‧增益器

12‧‧‧切換偵測單元

13‧‧‧驅動單元

14‧‧‧判斷單元

2‧‧‧功率因數修正器

21‧‧‧電源

22‧‧‧濾波器

23‧‧‧橋式整流器

24‧‧‧變壓器

241‧‧‧第一線圈

242‧‧‧第二線圈

25‧‧‧開關元件

26‧‧‧負載

27‧‧‧誤差運算單元

A1、A2‧‧‧切換準位線

a1‧‧‧第一基準點

a2‧‧‧第二基準點

a3‧‧‧第三基準點

b1‧‧‧第四基準點

b2‧‧‧第五基準點

I‧‧‧電感電流

第一圖係顯示本發明第一實施例之切換控制系統之方塊示意圖；第二圖係顯示本發明開關元件、第一線圈電感電流、第二線圈電壓以及開關元件電壓之波形示意圖；第二A圖係顯示本發明第二線圈電壓、微分第二線圈電壓微分後之電壓微分以及開關元件電壓對時間之波形示意圖；第三圖係顯示本發明第二實施例之切換控制系統之方塊示意圖；以及第四圖係顯示本發明第三實施例切換控制系統之方塊示意圖。