TWI223491B - Electronic converter - Google Patents

Description

1223491 五、發明説明（1 ) (技術領域） 本發明係關於具有經電感性耦合而相互連接之第1輸入 電路及第2輸入電路之電子轉換器。前述輸出電路具有第 1及第2輸出端子，在此兩端子間能產生輸出電壓；前述 輸入電路具有連接電源之第1及第2輸入端子，前述電源 至少具有一個直流電壓部件；串聯在第1輸入端子與電感 性耦合之第1連接端之間包含電感器及電容器之串聯電路 ，前述電感器和電容器之連結點係經電子開關接至第2輸 入端子，前述電感器係接在前述連結點和第1輸入端子之 間，前述電容器係接在前述連結點和電感性耦合之間；具 有設在第2輸入端子與電感性耦合之第2連接點之間之偵 測電阻器；及具有控制電路，至少前述輸出電壓及橫跨在 偵測電阻器兩端之壓降能作爲輸入信號而供給至前述控制 電路，控制電路進而成爲供給至其上之輸入信號之函數而 截斷及導通前述開關。 本發明另關於具有經電感性耦合而相互連接之輸入電路 和輸出電路之電子轉換器，前述輸出電路具有第1及第2 輸出端子，在此兩端子間能產生輸出電壓；前述輸入電路 具有連接電源之第1及第2輸入端子，前述電源至少具有 一個直流電壓部件；串聯在第2輸入端子和偵測電阻器之 第1連接端之間包含電感器及電容器之串聯電路，前述電 感器和電容器間之連結點係經二極體接至電感性耦合之第 2連接端，偵測電阻器之第2連接端係接至電感性耦合之 第1連接端，電感器係配置在前述連結點和第2輸入端子 1223491 五、發明説明（2 ) 之間，電容器係配置在前述連結點和偵測電阻器之第1連 接端之間；設在第1輸入端子和偵測電阻器之第1連接端 之電子開關；設在第1輸入端子和電感性耦合之第2連接 贿之間之貞丁 hS電谷^(storage capacitor);及控制電路，至 少前述輸出電壓及橫跨在偵測電阻器兩側之壓降能作爲輸 入信號而輸入前述控制電路，進而成爲供給至其上之輸入 信號之函數以截斷及導通前述開關。 這些轉換器係適用於，和其它的事物，動作低壓的熾燈 及光半導體，例如光射二極體（LED)等等。 (以往技術） 這些電路在以往之技術，例如，具有電壓大到1 00 W之 直流/直流轉換器，上係爲已知具已被使用。控制電路一 般係爲PWM-IC型式，其係監視電流及電壓，至於電子開 關係由垂直電力M0SFET形成。 第1圖係示出此種拓撲之三種實施例，第1 a圖係示出 所謂之 BIFRED(Boost Integrated Flyback Rectifier Energy Storage DC/DC Converter)，第 lb 圖係示出所謂之 BIBRED(Boost Integrated Buck Rectifier. Energy Storage DC/DC Converter)，及第lc圖係示出所謂之PFC飛回轉 換器（Flyback Converter)(PFC = Power Factor Correction:功 率因數校正）。 自200 1年開始，所有照明裝置之電源電流諧波皆須符 合IEC 1 000-3-2準。在以往之技術上係使用PFC電路以 達此目的。以簡單之說法敘述的話，只要自電源引取之電 -4- 1223491 五、發明説明（3 ) 流係與電源電壓成比例的話，即表示PFC係充份足夠。第 la至lc圖所示之電路僅係爲高階單端轉換器（Higher-order single-ended converters) ， 須於輸入側附加電容器以 校正功率因數。 首先，將詳述第la至lc圖之電路。本情形，BIFRED 及BIBRED轉換器之輸入側係作成如下相同構成：至少具 有直流電壓成份之輸入電壓UE係施加於兩輸入端子之間 。第1輸入端子之後係選項地連接二極體D1及電感器L1 。在電感器L1後之第1連結點VP1與第2連結點VP2之 間設有倂聯電路，前述倂聯電路之一個分岐含有電子開關 S 1及分路電阻器RS所形成之串聯電路。前述倂聯電路之 第二個分岐含有電容器C1及電感器L2。分路電阻器RS 係用來決定近似比例於負載電流之變數，嚴格地說係作成 爲供給至控制電路ST之電壓US之形式，前述控制電路 ST係控制開關S 1之導通及截斷。流過RS之電流只要係 大於特定之値，開關S 1即截斷，俾防止傷及電路本身， 及連接於二次側之電路。第la圖所示之BIFRED在其二 次側設有電感器L3，其連同電感器L2形成雙繞組（two-winding)貯能 線圈。 二極體 D2 係與 電感器 L3 串聯 。在輸 出端子上產生電壓U A，另在輸出端子間設有電容器C 2。 第lb圖上所示之BIBRED轉換器，在其二次側設有電 感器L3，連同電感器L2形成純交流變壓器，電容器C2 係與電感器L3串聯，此串聯電路係與二極體D2倂聯。如 此形成之倂聯電路接著與電感器L4串聯。電容器C3係設 1223491 五、發明説明（4) 在輸出端子之間，在電容器C3兩端則產生輸出電壓UA。

示於第lc圖上之PFC飛回轉換益也相冋地含有由兩個 輸入端子形成之輸入，電壓UE係施加於此兩端子。一個 輸入端子有連接二極體D1及電感器L1。D1及L1間之連 結點可選項地經電容器C 1接地。電感器L 1後首先連接一 由二極體D2及電感器L2形成之串聯電路，接著連接一電 容器C2。D2和L2間之連結點係經電容器C3接地。二極 體D4也可選項地接至此連結點，這時，二極體D4之第2 連接端係接至二極體D1和電感器L1間之連接點。L2和 C2間之連結點係經開關S 1及分路電阻器RS接地。在分 路電阻器RS兩端上之壓降US係用作爲控制電路ST之輸 入信號，控制電路接著依前述輸入信號控制開關S1。PFC 飛回轉換器之二次側含有電感器L3，此電感器L3與電感 器L2則形成雙繞組貯能線圈，本情形相同地連接有二極 體D3和電容器C4，參照第la圖，電容器C4兩端之壓降 能分接出以作爲輸出電壓UA。替選地（未圖示），二次側亦 能以對應於第1 b圖之二次側之方式設計。在第1 a至1 c 圖上之各個接地係以Μ註記。 第2圖係示出PFC之基本構成，以往技術即已知曉之 構成，此構成係包含電容器C，電感器L及開關S。 本發明之目的係提供一種電子轉換器，其相較於無PFC 之電子轉換器，無需爲了形成具有PFC之電子轉換器而增 加任何額外之控制及開關。 -6- 1223491 五、發明説明（5) 上述目的係藉具有申請專利範圍第1項之特徵，及具有 申請專利範圍第8項之特徵達成。 ’ 本發明係基於相互隔離一方面之控制電路之參考電位 (reference potentials)及另一方面之PFC之參考電位之理 念。 各個拓樸係轉換成爲電流測定偵測器（分路RS)係接至專 轉屬於與一次側串聯之負載。這種情形可能需要將PFC定 位爲正性及/或使控制電路處於高頻電位。以此種方式， 對照於以往技術，電流測定不會被來自PFC或任何其它低 損失之減震器（SnubberK—般係爲調諧之電路）之信號之任 何方式之干擾。 最後，控制電路之參考電位係良好地設計成當開關導通 時，且開關特別地，係爲電力電晶體時，正性之測定信號 係施加於控制電路之電流測定輸入。此種情形，正性信號 之輸入順序可能需要爲負載之一次側，控制電路之參考電 位及電流測定偵測器。控制電路之參考電位可因此位在電 流測定偵測器和負載之一次側之間。 於本發明之一個特別有利之變更例上，電流測定偵測器 係被二極體，特別是Schottky二極體，橋接成使負性信號 無法施加於控制電路之電流測定輸入。 本發明之另外有利發展係定義於申請專利範圍各項中。 (附圖之說明） 下文將參照附圖詳述本發明之良好實施例，圖式簡單說 明： 1223491 五、發明説明（6 ) 第la圖係示出以往技術知曉之所謂之BIFRED轉換器； 第lb圖係示出以往技術知曉之所謂之BIBRED轉換器； 第1 C圖係示出以往技術知曉之所謂之PFC飛回轉換器； 第2圖係示出以往技術知曉之所謂之PFC電路之基本 構成； 第3a圖係示出根據已知之BIFRED電路之本發明之電 子轉換器； 第3b〜3e圖係示出源自第3a圖，強調具有不同之電流 路徑； 第3f圖係示出根據BIBRED電路之本發明之電子轉換 器； 第3g圖係示出根據PFC飛回電路之本發明之電子轉換 器； 第4圖係示出第3a圖所示之電路配置之電流1^，Is 1 及Id2隨時間變化之情形。 第3圖所示之本發明之電子轉換器電路係根據第1圖所 示之電子轉換器電路，對應之部件係以對應之參考號碼表 示，其等之說明則從略。本發明之理念係藉每個具有分開 之邏輯接地LM及分開之電力接地PM之電路而於第3圖 所示之電子轉換器上實施。 於第3a及3f圖所示之電路變更例上，偵測電阻器RS 和電感性耦合L2之第2連接端間之連結點係接至邏輯接 地LM，而第2輸入端子係接至電力接地PM。本情形，前 述偵測電阻器RS係執行電流測定偵測器之工作。於第3g 1223491 五、發明説明（7) 圖所示之電子轉換器上’本發明理念之實施係在於偵測電 阻器RS和電感性耦合L2之第1連接端間之建結點係接至 邏輯接地，而第1輸入端子係接至電力接地p Μ。 令人驚奇地’此電路測定意指各個轉換器不僅執行其本 身轉換工作而且也執行功率因數校正（PFC)。此點將於下 文使用第3a圖所示之電路配置及第3b至3e圖和第4圖 敘述。 爲說明起見，第3b至3e圖強調電流IL1及IM之電流路 徑。第4圖係繪出流過電感器L 1之電流IL!，流過開關 S1之電流IS1，流過二極體D2之電流ID2及IM之時間上 .之變化輪廓。一個週期之時間長係從0到T。於本情形， 第4圖上之電流IL1在時間上之變化輪廓（一次側電路打開） 係對應於第3b及第3d圖上強調之電流路徑，電流Is i在 時間上之變化輪廓係對應於第3b及3c圖上強調之電流路 徑’及電流ID2在時間上之變化輪廓（僅二次側電流）係對 應於第3d及第3e圖上強調之電流路徑。 從〇至t之時間係定義如下： 時間〇 :開關S1導通 時間〇和η間之時間期間：S1及D1導通 Uli= Ue ; Um = Uci ;電流 Ili 及 Im 流過開關 S1。 時間q : S1截斷 時間η至t2之時間期間：D1及D2導通 UL1= UE -UC1=UA ; UM=UA ;藉變壓器作用流通之電流IL1 及貯能電流IM流過二極體D2。 時間t2 : D1截斷 t2至t3時間期間：D2導通 -9 - 1223491 五、發明説明（8 ) UL1=0 ; υΜ = -υΑ 時間t3 ; D2截斷 ’ 13至T時間期間：靜止階段（q u i e s c e n t p h a s e);無電流 流通；表示斷續的動作。 爲簡化此驗證過程，作成下列假設條件：UA =常數；

Uci -吊數。另外.Ua<Uci β電感親合之阻數比（turns ratio)係 1 : 1 β， 在電源電壓之半週期內和在斷續動作期間之關係之每種 情形係如下述： t, ： It ㈤tl •丨uE卜uc丨-υΛ

LI (t-t,); 因，在時間t2 : ILi=0，結果： t. (UC1+UA-|UE|) p 及，對應地： t ^. r I uE I ) C 2 11 — t" ·〔Uc, + UA- I UE |J 丨’ I Ie| = u , + u cl A UC1 + \ - 卜 取其第1近似値，結果得出： 丨〜|υΕ| 及 |IE| 〜tl2

T X J IL1 dt

1L· 2T (ti *f t2 - ti) U.

E U.

2L1T tit：

E

2L1T -10- 1223491

五、發明説明（9 ) |IeI〜|uE|本身袠示電路除了提供實際之轉換器功能外 另亦提供PFC功能。 ， 如果能證明輸出電電流IA係比例於輸入電流IE時則能 確定除了 PFC功能外，亦執行其轉換器功能。 另外一方面，當t g t i時： 當t > t!時： (Η,); 一 u u 12 L2 因在時間t3時ΙΜ係等於〇，意即 t, = ^Sll£jLt · 一 UA 丨， 及，以對應之方式 另外：

= IL1 dt + ij 〇 n 1 t\ 2T

PsW pE\

Ua^UA-\UE\

"a，丨2 VcyuA 2LJ 從上式可知： Ia〜ti2及IA〜|IE丨 如此，校正轉換器內能量之平衡，進而能獲得高效率 -11- 1223491 五、發明説明（1()) 本發明之另外實施例，未圖示，電感性耦合亦能由單一 線圈提供，這種情形前述單一線圈接至一次側之第1連接 端之第1連接端係接至電感性耦合之二次側之第1連接端 ，而接至一次側之第2連接端之第2連接端係接至電感性 耦合之二次側之第2連接端。 符號之說明 L1，L2，L3，L4 電感器 C1，C2，C3，C4 電容器 D1，D2，D3，D4 二極體 ST 控制電路 RS 偵測電阻器 SI 電子開關 LM 邏輯接地 PM 電力接地 12-

Claims (1)

1223491 六、申請專利範圍 第901 1 4827,號「電子式轉換器」專利案 (92年5月修正） %修正j 補充 六、申請專利範圍 · 填 1. 一種電子式轉換器，具有經電感性耦合（L2，L3)而相 請 委 互連接之輸入電路及輸出電路， 員 明 此輸出電路包含： 不 ， -第1及第2輸出端子，在前述兩端子之間能產生輸 本 案 出電壓（UA)， 修 正 此輸入電路包含： 後 是 -第1及第2輸入端子，前述兩端子係用於連接至少 否 S 具有一個直流電壓部件之電壓源（UE); 更 原 -在第1輸入端子和電感性耦合之第1連接端之間成 實 t 串聯配置之串聯電路，前述串聯電路包括電感器 内 (L1)及電容器（C1)，前述電感器和電容器間之連結 點（VP1)係經電子開關（S1)接至前述第2輸入端子 ;電感器（L1)係配置在連結點（VP1)和第1輸入端 子之間；及電容器（C1 )係配置在連結點（VP1 )和電 感性耦合（L2，L3)之間； -配置在第2輸入端子和電感性耦合（L2，L3)之第2 連接端間之偵測電阻器（RS);及 -控制電路（ST)，至少前述輸出電壓及在偵測電阻器 (RS )兩端之壓降（US )能作爲輸入信號輸入前述控制 電路，進而使前述控制電路（ST)成爲加諸於其上之 1223491 六、申請專利範圍 輸入信號之函數而截斷（opening)及導通（closing) 開關（S 1 ); 其特徵爲： 偵測電阻器（RS)和電感性耦合（L2，L3)間之連結點 係接至邏輯接地（LM)，而第2輸入端子係接至電力接 地（PM )，前述電力接地及邏輯接地之電位係不同。 2. 如申請專利範圍第1項之電子式轉換器，其中 二極體（D1)係配置在第1輸入端子與電感器（L1)之 間。 3. 如申請專利範圍第1項之電子式轉換器，其中 前述電感性耦合（L2，L3)係含有貯能線圈。 4. 如申請專利範圍第1項之電子式轉換器，其中 前述電感性耦合（L2，L3)具有交流（AC)變壓器，前 述交流變壓器之一次側（L2)作爲輸入電路之部份，而 二次側（L3)係爲輸出電路之部份。 5. 如申請專利範圍第4項之電子式轉換器，其中 含有交流變壓器之二次側（L3)及電容器（C2)之串聯 電路係與輸出二極體（D2)係成倂聯配置。 6. 如申請專利範圍第5項之電子式轉換器，其中 前述輸出端子係與前述電容器（C2)作成倂聯配置。 7. 如申請專利範圍第5項之電子式轉換器，其中 以前述方式形成之倂聯電路係與電感器（L4)串聯， 而以前述方式形成之串聯電路係與前述輸出端子及第 1223491 六、申請專利範圍 2電容器（C3)作成倂聯配置，前述第2電容器（C3)係 設在前述輸出端子之間。 8.—種電子式轉換器，具有經電感性耦合而相互連接之 輸入電路及輸出電路，前述輸出電路包含： -第1及第2輸出端子，能在前述端子間產生輸出電 壓（UA); 前述輸入電路包含： -第1及第2輸入端子，前述端子係用於連接至少具 有一個直流電壓部件之電壓電源（UE); -在前述第2輸入端子和偵測電阻器（RS)之第1連接 端之間作成串聯配置之串聯電路，前述串聯電路含 有電感器（L1)及電容器（C2)，前述電感器（L1)及前 述電容器（C2 )間之連結點係經二極體（D2 )接至電感 性耦合（L2，L3)之第2連接端，前述偵測電阻器（RS) 之第2連接端係接至前述電感性耦合（L2，L3)之第1 連接端，前述電感器（L1)係配置在前述連結點和第 2輸入端子之間，及前述電容器（C2)係配置在前述 連結點和偵測電阻器（RS )之第1連接端之間； -配置在前述第1輸入端子及前述偵測電阻器（RS)之 第1連接端之間之電子開關（S1); -配置在前述第1輸入端子和前述電感性耦合（L2，L3) 之第2連接端間之貯能電容器（C3);及 -控制電路（ST)，至少前述輸出電壓和前述偵測電阻 1223491 六、申請專利範圍 器（RS )兩端之壓降（US )作爲輸入信號而供給至前述 控制電路，進而使前述控制電路成爲加諸於其上之 輸入信號之函數之截斷及導通前述開關（S 1 ); 其特徵爲 前述偵測電阻器（RS )和前述電感性耦合（L2，L3 )之 第1連接端間之連結點係接至邏輯接地（ LM )，而前述 第1輸入端子係接至電力接地（PM )，前述電力接地及 邏輯接地之電位係不同。 9·如申請專利範圍第8項之電子式轉換器，其中 ’ 第1輸入二極體（D1)係配置在前述電感器（L1)和前 述第2輸入端子之間。 10·如申請專利範圍第9項之電子式轉換器，其中 前述第1輸入二極體（D1)和前述電感器（L1)間之連 結點係經電容器（C1 )接至前述第1輸入端子。 11·如申請專利範圍第9項之電子式轉換器，其中 前述輸入二極體（D1 )和前述電感器（L 1 )間之連結點 係經第2輸入二極體（D4)接至前述電感性耦合（L2，L3) 之第2連接端。 12·如申請專利範圔第1 〇項之電子式轉換器，其中 前述輸入二極體（D1)和前述電感器（L1)間之連結點 係經第2輸入二極體（D4)接至前述電感性耦合（L2，L3) 之第2連接端。 13·如申請專利範圍第8項之電子式轉換器，其中 -4- 1223491 六、申請專利範圍 前述電感性耦合（L2，L3 )含有貯能線圏。 14. 如申請專利範圍第8項之電子轉換器，其中 前述電感性耦合（L2，L3)係爲交流變壓器，前述交 流變壓器之一次側（L2)係爲前述輸入電路之部份，而 二次側（L3 )係爲前述輸出電路之部份。 15. 如申請專利範圍第 1 3項之電子式轉貪器‘，其中 含有電容器（C4 )及由貯能線圈（L3 )和輸出二極體 (D3 )形成之串聯電路之倂聯電路係配置在輸出端子之 間。 16. 如申請專利範圍第1至第 1 5項中任一項之電子式轉 換器，其中 一只二極體，特別係蕭特基（Schottky)二極體與偵 測電阻器（RS)作成倂聯配置。