TW201628323A - 同步自激式單級高功率因數轉換電路 - Google Patents
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Abstract
一種同步自激式單級高功率因數轉換電路，其包含一升壓及功因修正電路、一諧振電路、一自激訊號變壓器及一自激訊號電路，而該自激訊號電路與該自激訊號變壓器纏繞於同一鐵心，此做法可達到操作頻率與諧振頻率的同步，且該諧振電路包含一激磁電感，該激磁電感使該升壓及功因修正電路具有零電壓切換之功效。而本發明的優點在於，（1）由該自激訊號變壓器上可獲得觸發一功率開關之訊號，不再需有額外的鐵心來轉換訊號；（2）功率開關具零電壓切換及類零電流切換之效果；及（3）該輸出整流電路具有零電流截止之功效。
Description
本發明是一種高功率因數轉換電路，尤其是一種同步自激式的單級高功率因數轉換電路。
驅動電路是介於主電路及控制電路中，用於對控制電路之訊號作放大的中間電路，其中驅動電路也肩負有隔離負載或配合調整輸入負載出電壓、電流的功能。於現有之電路架構中，例如:傳統自激式電路，如圖1所示，其傳統自激式電路架構之優點為藉由諧振電流流經一易飽和鐵心來製作開關觸發訊號，使得在電路類型的選擇上可避免採用積體電路。然而傳統的自激式電路架構之缺點在於，需額外的鐵心來收集訊號與提供訊號，造成電路製作成本得提昇。此外，傳統的自激式電路架構並不具有功因修正之功能，使得電路得整體效能無法有效的提升，且電路中所包含得開關並不具有零電壓切換與零電流切換的電路特性，同樣使得整體電路的損失過多，進一步的，傳統自激式電路架構對負載並不具有隔離效果。由上述為傳統自激式電路架構之缺點，為此需要一種具有一整合性之電路架構同時解決上述所提之問題。
為提供一種低損失且具有功因修正功效的轉換電路，本發明提出一種同步自激式單級高功率因數轉換電路，其包含一啟動電路、一升壓及功因修正電路、一諧振電路、一自激訊號變壓器及一自激訊號電路，而該自激訊號變壓器包含一自激訊號變壓器繞組，該自激訊號變壓器繞組與該自激訊號變壓器之一次側及二次側繞組繞於同一鐵心，使該自激訊號電路的一操作頻率與該諧振電路的一諧振頻率達到同步，其中：該諧振電路包含一激磁電感，該激磁電感與該自激訊號變壓器之一次側繞組並聯；該升壓及功因修正電路包含二功率開關，該激磁電感之激磁電流之相位落後，使該功率開關釋放一寄生電容中儲存之電能，使該功率開關具有零電壓切換及類零電流切換之特性；該啟動電路儲存經由一輸入電源輸入之電能，使該啟動電路儲存之電能觸發該升壓及功因修正電路之導通並觸發該自激訊號電路產生一觸發訊號；及該諧振電路的電能經由該自激訊號變壓器的一次側繞組以電磁能轉換，轉換至該自激訊號變壓器的二次側繞組後經由一輸出整流電路輸出。
進一步的，該升壓及功因修正電路包含一功因修正電感，該功因修正電感使該輸入電源輸入的一輸入電流及輸入電壓具有相同相具有低總諧波失真的特性。
進一步的，該啟動電路包含一直流濾波電容、一啟動電阻、一啟動電容、及一雙向觸發二極體，其中：該輸入電源所輸入之電能儲存於該直流濾波電容，該直流濾波電容儲存之電能對該啟動電容充電；及該崩潰電容儲存之電能高於該雙向觸發二極體之一崩潰電壓後，該雙向觸發二極體供給功率開關(S2
)導通訊號。
進一步的，該輸出整流電路與負載連接，而該輸出整流電路為一中央抽頭式整流及濾波電路，而該輸出整流電路包含的複數個整流二極體具有零電流截止之功效。
進一步的，該輸入電源為一全橋整流及濾波電路。
進一步的，該諧振電路為一LLC半橋諧振電路。
由上述說明可知，本發明具有下列優點：
(1) 由該自激訊號變壓器上可獲得觸發該功率開關32之訊號，不再需有額外的鐵心來轉換訊號
(2) 鐵心不需考慮有飽和問題，可提供較大功率的負載
(3) 功率開關32具零電壓切換之效果
(4) 訊號開關32具可達到類零電流切換之效果
(5) 該輸出整流電路具有零電流截止之功效
(6) 自激訊號變壓器繞組(TVS1
、TVS2
)各為獨立線圈，有隔離之效果
(7) 負載具隔離效果
(8) 具高功率因數
請參考圖2及3，本發明為一種同步自激式單級高功因轉換電路，其包含一整流及濾波電路10、一啟動電路20、一升壓及功因修正電路30、一諧振電路40、一自激訊號變壓器50、一自激訊號電路60及一輸出整流電路70。
一輸入電源80（例如：市電）經由一整流及濾波電路10輸入，該整流及濾波電路10濾波及整流由該輸入電源80輸入的交流電源。其中，該整流及濾波電路10可為全波或半波整流及濾波電路，在此不限定，而於本發明中該整流及濾波電路10由四顆整流二極體11、一濾波電感12(Lf
)及一濾波電容13 (Cf
) 組成一全橋整流及濾波電路。其中，該濾波電感12(Lf
)及一濾波電容13(Cf
)對該輸入電源80進行濾波，該濾波電感12及該濾波電容13串聯後，與該輸入電源80進行並聯。
該整流及濾波電路10與該啟動電路20連接，該啟動電路20包含一直流濾波電容21(Cbus
)、一啟動電阻22 (Rstart
)、一啟動電容23 (Cstart
)、及一雙向觸發二極體24(DIAC)，其中該直流濾波電容21及該啟動電容23分別連接於該啟動電阻22之兩端，該啟動電阻22與該啟動電容23連接的一端該雙向觸發二極體24連接。進一步的，一二極體 (D4
)與該雙向觸發二極體24並聯。
該升壓及功因修正電路30分別與該整流及濾波電路10及該啟動電路20連接，其中，該升壓及功因修正電路30包含一功因修正電感31 (LPFC
)及二功率開關32 (S1
、S2
)，每一該功率開關32包含一開關二極體33及一觸發開關34，該開關二極體33與該觸發開關34並聯形成該功率開關32。二該功率開關32形成串聯，而該功因修正電感31之一端透過一二極體 (D3
)與二該功率開關32 (S1
、S2
)相連之連接點連接，而該功因修正電感31之另一端與該整流及濾波電路10連接。該功率開關32 (S1
)之一端與該功率開關32 (S2
)連接，而另一端與該直流濾波電容21連接。進一步的，該雙向觸發二極體24之一端與該啟動電容23連結，而另一端與二該功率開關32 (S1
、S2
)相連之連接點連接。
該諧振電路40與該功率開關32 (S1
)並聯，本發明中，該諧振電路40為一LLC半橋諧振電路，其中該諧振電路40包含一(Cbus
)諧振電感41(Lr
)、一諧振電容42(Cr
)及一激磁電感43(Lm
)。該諧振電感41分別與該功率開關32 (S1
)中該開關二極體33之陰極及該諧振電容42連接而該諧振電容42之另一端與該激磁電感43連接。該激磁電感43未與該諧振電容42連接之一端與該功率開關32 (S1
)中該開關二極體33之陽極連接。其中，該激磁電感43可為該自激訊號變壓器50一次側繞組 (Tp
)所產生的一內生電感或可為一實體電感，在此不限定。在該激磁電感43為該內生電感時，可有降低元件述及降低生產成本之優點。
該自激訊號變壓器50之一次側繞組與該激磁電感43並聯，而該自激訊號變壓器50之二次側繞組 (TS1
、TS2
)與該輸出整流電路70連接，而該輸出整流電路70與一負載等效阻抗90 (Rload
)連接。其中該輸出整流電路70可為全波整流及濾波電路、半波整流及濾波電路或為交流輸出整流電路，在此不限定，而本發明中，該直流輸出整流及濾波電路70為一中央抽頭式整流及濾波電路，其中該自激訊號變壓器50之二次側繞組(TS1
、TS2
)分別與二整流二極體71 (D1
、D2
)連接。
該自激訊號變壓器50包含一自激訊號變壓器繞組(TVS1
、TVS2
)，而該自激訊號變壓器繞組與該自激訊號變壓器50之一次側繞組及二次側繞組繞於同一鐵心，使該自激訊號電路60的一操作頻率與該諧振電路40的一諧振頻率達到同步。進一步的，該自激訊號變壓器繞組(TVS1
、TVS2
)分別與該自激訊號電路60並聯。該自激訊號電路60包含一保護功率開關61，透過該保護功率開關61，避免過大的電壓輸出對電路造成損壞，其中該保護功率開關61可由金屬氧化物二極體或釸二極體等組成，於本發明中，該保護功率開關61係由二稽納二極體組成，而二該稽納二極體之因陰極相對連接後形成該保護功率開關61。
請參考圖4～5，其為本發明之該啟動電路20之啟動步驟：
啟動步驟1、請參考圖4，該輸入電源80對該啟動電路20進行充電。其中，於電路之初始狀態中，該自激式單級高功率因數轉換電路中不存在能量轉換。該輸入電源80經由該整流及濾波電路10整流後輸入，整流後的該輸入電源80導通該功率開關32 (S1
)中的該開關二極體33，並經由該功率開關32(S1
)對該直流濾波電容21進行充電，進一步的，該直流濾波電容21所儲存的電壓對該啟動電容23進行充電。
啟動步驟2、請參考圖5，透過該輸入電源80對該啟動電路20進行的充電，而該啟動電路20儲存之電能，使該升壓及功因修正電路30的該功率開關32導通。其中，該啟動電容23所儲存的電壓，隨該直流濾波電容21的持續充電而升高，在該啟動電容23所儲存的電壓高於該雙向觸發二極體24之崩潰電壓後，使該雙向觸發二極體24呈現崩潰導通。進一步的，該雙向觸發二極體24的崩潰導通使該功率開關32(S2
)導通，供給該功率開關(S2
)一導通訊號。
請參考圖6～9，其為本發明之電路動作步驟：
動作步驟1：請參考圖6，於該功率開關(S2
)32導通前，該激磁電感43釋放其儲存之電能，使該功率開關(S2
)32中的寄生電容釋放所儲存之電能，該功率開關32具有零電壓切換之特性。
動作步驟2：請參考圖7，該功率開關32(S2
)的導通使該輸入電源80通過該功因修正電感31並對該功因修正電感31充電。同時，該直流濾波電容21所儲存之電能通過該諧振電路40至該功率開關32(S2
)對該諧振電路40進行充電，同時，充入該諧振電路40的電能由該自激訊號變壓器50的一次側繞組以電磁能轉換，轉換至其二次側繞組並透過該輸出整流電路70輸出；而該功率開關32(S2
)之導通觸發該自激訊號電路60感應該自激訊號變壓器繞組()產生一自激觸發訊號 (VS2
)。
動作步驟3、請參考圖8，於該功率開關(S1
)32導通前，該激磁電感43釋放其儲存之電能，使該功率開關(S1
)32中的寄生電容釋放所儲存之電能，該功率開關32具有零電壓切換之特性。
動作步驟4：請參考圖9，該功率開關32(S1
)的導通使該輸入電源80通過該功因修正電感31並對該功因修正電感31充電，並透過該功因修正電感31對該直流濾波電容21進行充電。同時，該諧振電路40反向釋放所儲存之電能，該諧振電路40的電能由該自激訊號變壓器50的一次側繞組以電磁能轉換，轉換至其二次側繞組並透過該輸出整流電路70輸出；而該功率開關32(S1
)之導通觸發該自激訊號電路60感應該自激訊號變壓器繞組()產生一自激觸發訊號(VS1
)。
該諧振電路40之諧振振盪形成二該功率開關32 (S1
、S2
)依序的導通及截止，循環動作步驟1～4之動作。
請參考圖3、10及11，由圖3及10中可知該功率開關32(S1
)兩端之一功率開關電壓為「VAB
」，通過該諧振電感41及該諧振電容42之一諧振電流為「Ir
」，該諧振電流分流至該激磁電感43及該自激訊號變壓器50之一次側繞組中，流經該激磁電感43之電流為一激磁電流「Im
」，流經該自激訊號變壓器50一次側繞組之電流為一變壓器電流「Ip
」，而該自激訊號變壓器50一次側繞組之電壓為一變壓器電壓「Vp
」，且該自激訊號變壓器繞組產生之自激觸發訊號、(VS1
、VS2
)使該變壓器電壓及該電壓器電流與該觸發訊號之頻率對應。
由圖10可知，本發明中為使該功率開關32具有零電壓切換及類零電流切換之特性，在此電路中，功率開關電壓與該變壓器電流之相位相同。然而於先前技術之電路中，該功率開關32中存在有一寄生電容效應，因開關電壓與變壓器電流相位相同之因素，使該寄生電容所儲存之電能無法釋放，因此功率開關32無法維持零電壓切換及類零電流切換之特性，導致該功率開關32導通時產生一功率損失。
為解決上述該變壓器電流與該功率開關電壓相同，而導致該寄生電容之電能無法釋放的問題，本發明於該自激訊號變壓器50一次側繞組端並聯該激磁電感43，使該諧振電流中包含有該激磁電流，該激磁電流之相位落後使該功率開關電壓之相位超前該諧振電流。相位落後的該諧振電流釋放該寄生電容所儲之電量(如圖6及圖8所示)，使電路在實際上具備有零電壓切換及類零電流切換之功效。
請參考圖12及16，通過該功因修正電感31之一功因修正電流(ILPFC
)隨著該功率開關32(S2
)的導通或截止而使該功因修正電流為一低頻包覆高頻之電流。該輸入電源80輸入的一輸入電流(Iin
)經由該整流及濾波電路10之整流及濾波後使該輸入電源80的一輸入電壓(Vin
)與該輸入電流具有相同的相位且具有低總諧波失真的特性，使該功因修正電感31具有功因調整的效果。
請參考圖13～15，經由該自激訊號變壓器50一次側繞組轉換至二次側繞組之二次側繞組電壓(Vgs1
、Vgs2
)與分別流通該整流二極體71 (D1
、D2
)的整流二極體電流電流(ID1
、ID2
)有相位差異使該二次側繞組電壓及該整流二極體電流具有零電流截止的效果。
由上述說明可知，本發明具有下列優點：
(1) 由該自激訊號變壓器上可獲得觸發該功率開關32之訊號，不再需有額外的鐵心來轉換訊號
(2)鐵心不需考慮有飽和問題，可提供較大功率的負載
(3) 功率開關32具零電壓切換之效果
(4) 訊號開關32具可達到類零電流切換之效果
(5) 該輸出整流電路具有零電流截止之功效
(6) 自激訊號變壓器繞組(TVS1
、TVS2
)各為獨立線圈，有隔離之效果
(7) 負載具隔離效果
(8) 具高功率因數
10‧‧‧整流及濾波電路
11‧‧‧輸入電源整流二極體
(Lf)12‧‧‧濾波電感
(Cf)13‧‧‧濾波電容
20‧‧‧啟動電路
(Cbus)21‧‧‧直流濾波電容
(Rstart)22‧‧‧啟動電阻
(Cstart)23‧‧‧啟動電容
(DIAC)24‧‧‧雙向觸發二極體
30‧‧‧升壓及功因修正電路
(LPFC)31‧‧‧功因修正電感
(ILPFC)‧‧‧功因修正電流
(S1、S2)32‧‧‧功率開關
(VAB)‧‧‧功率開關電壓
33‧‧‧開關二極體
34‧‧‧觸發開關
40‧‧‧諧振電路
(Lr)41‧‧‧諧振電感
(Cr)42‧‧‧諧振電容
(Lm)43‧‧‧激磁電感
(Ir)‧‧‧諧振電流
50‧‧‧自激訊號變壓器
(Im)‧‧‧激磁電流
(Ip)‧‧‧變壓器電流
(TP)‧‧‧自激訊號變壓器一次側繞組
(TS1、TS2)‧‧‧自激訊號變壓器二次側繞組
(TVS1、TVS2)‧‧‧自激訊號變壓器繞組
(VS1、VS2)‧‧‧自激觸發訊號
60‧‧‧自激訊號電路
61‧‧‧保護功率開關
70‧‧‧輸出整流電路
(D1、D2)71‧‧‧整流二極體
(ID1、ID2)‧‧‧整流二極體電流
80‧‧‧輸入電源
(Iin)‧‧‧輸入電流
(Vin)‧‧‧輸入電壓
(Rload)90‧‧‧負載等效阻抗
11‧‧‧輸入電源整流二極體
(Lf)12‧‧‧濾波電感
(Cf)13‧‧‧濾波電容
20‧‧‧啟動電路
(Cbus)21‧‧‧直流濾波電容
(Rstart)22‧‧‧啟動電阻
(Cstart)23‧‧‧啟動電容
(DIAC)24‧‧‧雙向觸發二極體
30‧‧‧升壓及功因修正電路
(LPFC)31‧‧‧功因修正電感
(ILPFC)‧‧‧功因修正電流
(S1、S2)32‧‧‧功率開關
(VAB)‧‧‧功率開關電壓
33‧‧‧開關二極體
34‧‧‧觸發開關
40‧‧‧諧振電路
(Lr)41‧‧‧諧振電感
(Cr)42‧‧‧諧振電容
(Lm)43‧‧‧激磁電感
(Ir)‧‧‧諧振電流
50‧‧‧自激訊號變壓器
(Im)‧‧‧激磁電流
(Ip)‧‧‧變壓器電流
(TP)‧‧‧自激訊號變壓器一次側繞組
(TS1、TS2)‧‧‧自激訊號變壓器二次側繞組
(TVS1、TVS2)‧‧‧自激訊號變壓器繞組
(VS1、VS2)‧‧‧自激觸發訊號
60‧‧‧自激訊號電路
61‧‧‧保護功率開關
70‧‧‧輸出整流電路
(D1、D2)71‧‧‧整流二極體
(ID1、ID2)‧‧‧整流二極體電流
80‧‧‧輸入電源
(Iin)‧‧‧輸入電流
(Vin)‧‧‧輸入電壓
(Rload)90‧‧‧負載等效阻抗
圖1為本發明之先前技術示意電路圖。 圖2為本發明較佳實施例之電路圖。 圖3為本發明較佳實施例之電路細部組件圖。 圖4為本發明較佳實施例之電路啟動動作示意圖。 圖5為本發明較佳實施例之電路啟動動作示意圖。 圖6為本發明較佳實施例之電路動作示意圖。 圖7為本發明較佳實施例之電路動作示意圖。 圖8為本發明較佳實施例之電路動作示意圖。 圖9為本發明較佳實施例之電路動作示意圖。 圖10為本發明較佳實施例之功率開關及自激訊號變壓器電流波型圖。 圖11為本發明較佳實施例之自激訊號變壓器一次側繞組電壓電流及功率開關波型圖。 圖12為本發明較佳實施例之輸入電流之功因調整波型圖。 圖13為本發明較佳實施例之功率開關電壓及自激訊號變壓器電流波型圖。 圖14為本發明較佳實施例之輸出整流電路波型圖。 圖15為本發明較佳實施例之輸出整流電路波型圖。 圖16為本發明較佳實施例之輸入電路波型圖。
10‧‧‧整流及濾波電路
20‧‧‧啟動電路
30‧‧‧升壓及功因修正電路
40‧‧‧諧振電路
50‧‧‧自激訊號變壓器
60‧‧‧自激訊號電路
(VS1、VS2)‧‧‧自激觸發訊號
70‧‧‧輸出整流電路
80‧‧‧輸入電源
Claims (6)
- 一種同步自激式單級高功率因數轉換電路，其包含一啟動電路、一升壓及功因修正電路、一諧振電路、一自激訊號變壓器及一自激訊號電路，而該自激訊號變壓器包含一自激訊號變壓器繞組，該自激訊號變壓器繞組與該自激訊號變壓器之一次側及二次側繞組繞於同一鐵心，使該自激訊號電路的一操作頻率與該諧振電路的一諧振頻率達到同步，其中： 該諧振電路包含一激磁電感，該激磁電感與該自激訊號變壓器之一次側繞組並聯； 該升壓及功因修正電路包含二功率開關，該激磁電感之激磁電流之相位落後，使該功率開關釋放一寄生電容中儲存之電能，使該功率開關具有零電壓切換及類零電流切換之特性； 該啟動電路儲存經由一輸入電源輸入之電能，使該啟動電路儲存之電能觸發該升壓及功因修正電路之導通並觸發該自激訊號電路產生一觸發訊號；及 該諧振電路的電能經由該自激訊號變壓器的一次側繞組以電磁能轉換，轉換至該自激訊號變壓器的二次側繞組後經由一輸出整流電路輸出。
- 如申請專利範圍第1項所述之同步自激式單級高功率因數轉換電路，該升壓及功因修正電路包含一功因修正電感，該功因修正電感使該輸入電源輸入的一輸入電流及輸入電壓具有相同相具有低總諧波失真的特性。
- 如申請專利範圍第2項所述之同步自激式單級高功率因數轉換電路，該啟動電路包含一直流濾波電容、一啟動電阻、一啟動電容、及一雙向觸發二極體，其中： 該輸入電源所輸入之電能儲存於該直流濾波電容，該直流濾波電容儲存之電能對該啟動電容充電；及 該崩潰電容儲存之電能高於該雙向觸發二極體之一崩潰電壓後，該雙向觸發二極體供給功率開關(S2 )導通訊號。
- 如申請專利範圍第3項所述之同步自激式單級高功率因數轉換電路，該輸出整流電路與負載連接，而該輸出整流電路為一中央抽頭式整流及濾波電路，而該輸出整流電路包含的複數個整流二極體具有零電流截止之功效。
- 如申請專利範圍第3項所述之同步自激式單級高功率因數轉換電路，該輸入電源為一全橋整流及濾波電路。
- 如申請專利範圍第3項所述之同步自激式單級高功率因數轉換電路，該諧振電路為一LLC半橋諧振電路。
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|---|---|---|---|
| TW104102594A TWI552498B (zh) | 2015-01-26 | 2015-01-26 | 同步自激式單級高功率因數轉換電路 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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