TW202133535A - 無橋升降壓式交流對直流轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種無橋升降壓式交流對直流轉換器，用以轉換一交流輸入電源為一直流輸出電源，其包含一第一線路、一第二線路、一第三二極體以及一第四二極體。該第一線路具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端耦接該交流輸入電源，該第二端耦接一接地端，該第三端耦接該直流輸出電源。該第二線路具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端耦接該交流輸入電源，該第二端耦接該接地端，該第三端耦接該直流輸出電源。該第三二極體耦接該第二線路的該第一端與該接地端之間。該第四二極體耦接該第一線路的該第一端與該接地端之間。

Description

無橋升降壓式交流對直流轉換器
本發明係有關一種交流對直流轉換器，尤指一種無橋升降壓式交流對直流轉換器。
傳統升壓型功因校正轉換器(Boost PFC)因電路架構簡單，因此目前仍受工業界廣泛應用，其典型電路架構如圖1所示。然而，升壓型功因校正轉換器缺點有三：第一，輸入必須使用橋式整流二極體，使得二極體導通損耗佔總損失的比例較高，且交流輸入電壓越低時，會帶來更多的效率損失。第二，由於升壓型功因校正轉換器的輸出電壓必須高於輸入交流電源電壓的峰值，因此必須使用400伏特甚至450伏特的電解電容，而且電解電容價格亦會隨著耐壓增加而提高。第三，由於開關瞬間所投入的交流高壓電源，會不受控制地經由整流二極體對大容量輸出的電解電容進行充電，造成遠高於正常操作的湧浪電流，而必須使用熱敏電阻和繼電器進行抑制，如此將提高成本且降低效率。
圖2至圖6屬於無橋功因校正轉換器(bridgeless PFC)架構，可以降低橋式整流二極體的損耗，但是開機湧浪電流以及高輸出電壓的缺點無法克服。
圖7與圖8屬於無橋升降壓式交流對直流轉換器，可以降低橋式整流的損耗，也能克服開關湧浪電流的問題，同時降低輸出電壓，惟這樣的電路架構產生了元件數量過多、成本過高的問題。
本發明之一目的在於提供一種無橋升降壓式交流對直流轉換器，解決橋式整流損耗、開關湧浪電流、高輸出電壓、以及元件數量過多、成本過高的問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的無橋升降壓式交流對直流轉換器，用以轉換一交流輸入電源，進而在一輸出電容上提供具有一正極端與一負極端的一直流輸出電源。該無橋升降壓式交流對直流轉換器包含一第一線路、一第二線路、一第三二極體以及一第四二極體。該第一線路具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端耦接該交流輸入電源的一第一端，該第二端耦接一接地端，該第三端耦接該直流輸出電源的該正極端。該第二線路具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端耦接該交流輸入電源的一第二端，該第二端耦接該接地端，該第三端耦接該直流輸出電源的該正極端。該第三二極體耦接該第二線路的該第一端與該接地端之間。該第四二極體耦接該第一線路的該第一端與該接地端之間。
於一實施例中，該第一線路包含一第一開關、一第一電感以及一第一二極體。該第一開關具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一開關的該第一端耦接該交流輸入電源的該第一端。該第一電感具有一第一端與一第二端，其中該第一電感的該第一端耦接該第一開關的該第二端，該第一電感的該第二端耦接該接地端。該第一二極體具有一陰極端與一陽極端，其中該第一二極體的該陰極端耦接該第一開關的該第二端與該第一電感的該第一端，該第一二極體的該陽極端耦接該直流輸出電源的該正極端。
於一實施例中，該第二線路包含一第二開關、一第二電感以及一第二二極體。該第二開關具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第二開關的該第一端耦接該交流輸入電源的該第二端。該第二電感具有一第一端與一第二端，其中該第二電感的該第一端耦接該第二開關的該第二端，該第二電感的該第二端耦接該接地端。該第二二極體具有一陰極端與一陽極端，其中該第二二極體的該陰極端耦接該第二開關的該第二端與該第二電感的該第一端，該第二二極體的該陽極端耦接該直流輸出電源的該正極端。
於一實施例中，該第一開關的該控制端接收一第一控制信號；當該交流輸入電源為正半週且該第一控制信號控制該第一開關導通時，該第一電感進行儲能；當該交流輸入電源為正半週且該第一控制信號控制該第一開關關斷時，該第一電感進行釋能。
於一實施例中，該第一電感透過一正半週儲能迴路進行儲能，其中該正半週儲能迴路係透過該交流輸入電源、該第一開關、該第一電感、該第三二極體以及該交流輸入電源所形成。
於一實施例中，該第一電感透過一正半週釋能迴路進行釋能，其中該正半週釋能迴路係透過該第一電感、耦接該直流輸出電源的該正極端與該負極端之間的一負載、該第一二極體以及該第一電感所形成。
於一實施例中，該第二開關的該控制端接收一第二控制信號；當該交流輸入電源為負半週且該第二控制信號控制該第二開關導通時，該第二電感進行儲能；當該交流輸入電源為負半週且該第二控制信號控制該第二開關關斷時，該第二電感進行釋能。
於一實施例中，該第二電感透過一負半週儲能迴路進行儲能，其中該負半週儲能迴路係透過該交流輸入電源、該第二開關、該第二電感、該第四二極體以及該交流輸入電源所形成。
於一實施例中，該第二電感透過一負半週釋能迴路進行釋能，其中該負半週釋能迴路係透過該第二電感、耦接該直流輸出電源的該正極端與該負極端之間的一負載、該第二二極體以及該第二電感所形成。
於一實施例中，該直流輸出電源的該負極端耦接該接地端。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖9所示，其係為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器的電路圖。該無橋升降壓式交流對直流轉換器用以轉換一交流輸入電源Vac，進而在一輸出電容Co上提供具有一正極端與一負極端的一直流輸出電源Vo。該無橋升降壓式交流對直流轉換器包含一第一線路10、一第二線路20、一第三二極體D3以及一第四二極體D4。
該第一線路10具有一第一端、一第二端以及一第三端。該第一端耦接該交流輸入電源Vac的一第一端，該第二端耦接一接地端，該第三端耦接該直流輸出電源Vo的該正極端。該第二線路20具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端耦接該交流輸入電源Vac的一第二端，該第二端耦接該接地端，該第三端耦接該直流輸出電源Vo的該正極端。該第三二極體D3耦接該第二線路20的該第一端與該接地端之間。該第四二極體D4耦接該第一線路10的該第一端與該接地端之間。其中，該直流輸出電源Vo的該負極端耦接該接地端。
具體地，該第一線路10包含一第一開關Q1、一第一電感L1以及一第一二極體D1。該第一開關Q1具有一第一端、一第二端以及一控制端，例如為三端 的功率開關元件。其中該第一開關Q1的該第一端耦接該交流輸入電源Vac的該第一端。該第一電感L1具有一第一端與一第二端，其中該第一電感L1的該第一端耦接該第一開關Q1的該第二端，該第一電感L1的該第二端耦接該接地端。該第一二極體D1具有一陰極端與一陽極端，其中該第一二極體D1的該陰極端耦接該第一開關Q1的該第二端與該第一電感L1的該第一端，該第一二極體D1的該陽極端耦接該直流輸出電源Vo的該正極端。
具體地，該第二線路20包含一第二開關Q2、一第二電感L2以及一第二二極體D2。該第二開關Q2具有一第一端、一第二端以及一控制端，例如為三端 的功率開關元件。其中該第二開關Q2的該第一端耦接該交流輸入電源Vac的該第二端。該第二電感L2具有一第一端與一第二端，其中該第二電感L2的該第一端耦接該第二開關Q2的該第二端，該第二電感L2的該第二端耦接該接地端。該第二二極體D2具有一陰極端與一陽極端，其中該第二二極體D2的該陰極端耦接該第二開關Q2的該第二端與該第二電感L2的該第一端，該第二二極體D2的該陽極端耦接該直流輸出電源Vo的該正極端。
請參見圖10A與圖10B所示，其分別為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器處於一正半週儲能操作與一正半週釋能操作的電路圖。該第一開關Q1的該控制端接收一第一控制信號。當該交流輸入電源Vac為正半週且該第一控制信號控制該第一開關Q1導通時，該第一電感L1進行儲能。當該交流輸入電源Vac為正半週且該第一控制信號控制該第一開關Q1關斷時，該第一電感L1進行釋能。
如圖10A所示，該第一電感L1透過一正半週儲能迴路Lps進行儲能，其中該正半週儲能迴路Lps係透過該交流輸入電源Vac、該第一開關Q1、該第一電感L1、該第三二極體D3以及該交流輸入電源Vac所形成。在此操作下，該第二開關Q2可為導通狀態，亦可為關斷狀態。
如圖10B所示，該第一電感L1透過一正半週釋能迴路Lpr進行釋能，其中該正半週釋能迴路Lpr係透過該第一電感L1、耦接該直流輸出電源Vo的該正極端與該負極端之間的一負載(圖未示)、該第一二極體D1以及該第一電感L1所形成。
請參見圖11A與圖11B所示，其分別為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器處於一負半週儲能操作與一負半週釋能操作的電路圖。該第二開關Q2的該控制端接收一第二控制信號。當該交流輸入電源Vac為負半週且該第二控制信號控制該第二開關Q2導通時，該第二電感L2進行儲能。當該交流輸入電源Vac為負半週且該第二控制信號控制該第二開關Q2關斷時，該第二電感L2進行釋能。
如圖11A所示，該第二電感L2透過一負半週儲能迴路Lns進行儲能，其中該負半週儲能迴路Lns係透過該交流輸入電源Vac、該第二開關Q2、該第二電感L2、該第四二極體D4以及該交流輸入電源Vac所形成。在此操作下，該第一開關Q1可為導通狀態，亦可為關斷狀態。
如圖11B所示，該第二電感L2透過一負半週釋能迴路Lnr進行釋能，其中該負半週釋能迴路Lnr係透過該第二電感L2、耦接該直流輸出電源Vo的該正極端與該負極端之間的一負載(圖未示)、該第二二極體D2以及該第二電感L2所形成。
綜上所述，本發明具有以下之特徵與優點：
1、功因校正轉換器可以不需要橋式整流電路，進而可提高轉換效率。
2、直流輸出電源的電壓可以高於或低於交流輸入電源的電壓，因此輸出端可選用耐壓較低的電容，或亦可使用高耐壓功率開關達到高輸入湧浪電壓的耐受能力。
3、無須增加開機的湧浪電流限制器，例如熱敏電阻或繼電器，如此可避免開機繼電器聲音，而可作為非網通應用。
4、可以操作於不連續導通模式、連續導通模式以及臨界導通模式。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
Vac:交流輸入電源
Vo:直流輸出電源
10:第一線路
Q1:第一開關
L1:第一電感
D1:第一二極體
20:第二線路
Q2:第二開關
L2:第二電感
D2:第二二極體
D3:第三二極體
D4:第四二極體
Co:輸出電容
Lps:正半週儲能迴路
Lpr:正半週釋能迴路
Lns:負半週儲能迴路
Lnr:負半週釋能迴路
圖1為相關技術之升壓型功因校正轉換器的電路圖。
圖2至圖6為相關技術之無橋功因校正轉換器的電路圖。
圖7與圖8為相關技術之無橋升降壓式交流對直流轉換器的電路圖。
圖9為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器的電路圖。
圖10A為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器處於一正半週儲能操作的電路圖。
圖10B為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器處於一正半週釋能操作的電路圖。
圖11A為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器處於一負半週儲能操作的電路圖。
圖11B為本發明無橋升降壓式交流對直流轉換器處於一負半週釋能操作的電路圖。
Vac:交流輸入電源
Vo:直流輸出電源
10:第一線路
Q1:第一開關
L1:第一電感
D1:第一二極體
20:第二線路
Q2:第二開關
L2:第二電感
D2:第二二極體
D3:第三二極體
D4:第四二極體
Co:輸出電容

Claims (10)

  1. 一種無橋升降壓式交流對直流轉換器，用以轉換一交流輸入電源，進而在一輸出電容上提供具有一正極端與一負極端的一直流輸出電源，該無橋升降壓式交流對直流轉換器包含： 一第一線路，具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端耦接該交流輸入電源的一第一端，該第二端耦接一接地端，該第三端耦接該直流輸出電源的該正極端； 一第二線路，具有一第一端、一第二端以及一第三端，該第一端耦接該交流輸入電源的一第二端，該第二端耦接該接地端，該第三端耦接該直流輸出電源的該正極端； 一第三二極體，耦接該第二線路的該第一端與該接地端之間；以及 一第四二極體，耦接該第一線路的該第一端與該接地端之間。
  2. 如請求項1所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第一線路包含： 一第一開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第一開關的該第一端耦接該交流輸入電源的該第一端； 一第一電感，具有一第一端與一第二端，其中該第一電感的該第一端耦接該第一開關的該第二端，該第一電感的該第二端耦接該接地端；以及 一第一二極體，具有一陰極端與一陽極端，其中該第一二極體的該陰極端耦接該第一開關的該第二端與該第一電感的該第一端，該第一二極體的該陽極端耦接該直流輸出電源的該正極端。
  3. 如請求項1所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第二線路包含： 一第二開關，具有一第一端、一第二端以及一控制端，其中該第二開關的該第一端耦接該交流輸入電源的該第二端； 一第二電感，具有一第一端與一第二端，其中該第二電感的該第一端耦接該第二開關的該第二端，該第二電感的該第二端耦接該接地端；以及 一第二二極體，具有一陰極端與一陽極端，其中該第二二極體的該陰極端耦接該第二開關的該第二端與該第二電感的該第一端，該第二二極體的該陽極端耦接該直流輸出電源的該正極端。
  4. 如請求項2所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第一開關的該控制端接收一第一控制信號；當該交流輸入電源為正半週且該第一控制信號控制該第一開關導通時，該第一電感進行儲能；當該交流輸入電源為正半週且該第一控制信號控制該第一開關關斷時，該第一電感進行釋能。
  5. 如請求項4所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第一電感透過一正半週儲能迴路進行儲能，其中該正半週儲能迴路係透過該交流輸入電源、該第一開關、該第一電感、該第三二極體以及該交流輸入電源所形成。
  6. 如請求項4所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第一電感透過一正半週釋能迴路進行釋能，其中該正半週釋能迴路係透過該第一電感、耦接該直流輸出電源的該正極端與該負極端之間的一負載、該第一二極體以及該第一電感所形成。
  7. 如請求項3所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第二開關的該控制端接收一第二控制信號；當該交流輸入電源為負半週且該第二控制信號控制該第二開關導通時，該第二電感進行儲能；當該交流輸入電源為負半週且該第二控制信號控制該第二開關關斷時，該第二電感進行釋能。
  8. 如請求項7所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第二電感透過一負半週儲能迴路進行儲能，其中該負半週儲能迴路係透過該交流輸入電源、該第二開關、該第二電感、該第四二極體以及該交流輸入電源所形成。
  9. 如請求項7所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該第二電感透過一負半週釋能迴路進行釋能，其中該負半週釋能迴路係透過該第二電感、耦接該直流輸出電源的該正極端與該負極端之間的一負載、該第二二極體以及該第二電感所形成。
  10. 如請求項1所述之無橋升降壓式交流對直流轉換器，其中該直流輸出電源的該負極端耦接該接地端。
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