TWI395085B - No bridge power factor correction circuit - Google Patents
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Description
本發明係關於一種無橋式功率因數校正電路,尤指一種將交流接地和直流接地端相連,且適當選擇電流路徑,從而有效地降低電磁干擾(EMI)與導通損耗之無橋式功率因數校正電路。
傳統升壓式功率因數校正電路(Boost PFC)由具有一輸入橋式整流電路,因此具有顯著的導通損失(conduction loss),為克服此缺點,遂提出無橋式功率因數校正電路(Bridgeless PFC)。
如第六圖所示,為美國第7215560號專利案所揭示之無橋式功率因數校正電路其中一實施例,其包含有:一第一電感(LPFC1
),其一端連接一交流電源(Vac)之第一輸出端,另一端連接一第一串聯電路(61)之串聯中點,該第一串聯電路(61)以第一二極體(D1)與第一開關(S1)串聯組成,其串聯中點指第一二極體(D1)之陽極與第一開關(S1)之連接節點;一第二電感(LPFC2
),其一端連接該交流電源(Vac)之第二輸出端,另一端連接一第二串聯電路(62)之串聯中點,該第二串聯電路(62)以第二二極體(D2)與第二開關(S2)串聯組成,其串聯中點指第二二極體(D2)之陽極與第二開關(S2)之連接節點;一負載電路(63),由一輸出電容(Co)與一輸出負載(RL)並聯構成,該負載電路(63)之兩端分別定義為一直流輸出端(64)與一直流接地端(65),其中,前述兩串聯電路(61)(62)亦是連接於直流輸出端(64)與直流接地端(65)之間且與負載電路(63)構成並聯。
前述實施例之特點在於交流電源(Vac)之第一輸入端與直流接地端(65)之間設有第一輸入二極體(Da),而第二輸入端與直流接地端(65)之間設有第二輸入二極體(Db)。兩輸入二極體(Da)(Db)均是慢恢復二極體,其作用類似橋式整流器中的二極體,當交流電源(Vac)為正半週時,可通過第二輸入二極體(Db)使交流接地與直流接地端(65)彼此連接,以抑制由第二電感(LPFC2
)上的電壓波動所帶來的EMI干擾;當交流電源(Vac)為負半週時,將通過第一輸入二極體(Da)使交流接地與直流接地端(65)連接,以抑制由第一電感(LPFC1
)上的電壓波動帶來的EMI干擾;高頻紋波電流(High-frequency ripple current)和部分工頻電流(市頻電流/低頻電流)通過第一輸入二極體(Da)或者第二輸入二極體(Db)回到輸入端,部分工頻電流通過第一開關(S1)/第二開關(S2)流過第一電感(LPFC1
)/第二電感(LPFC2
)回到輸入端。
惟上述電路中的第一輸入二極體(Da)與第二輸入二極體(Db)必須選用具備較大導通壓降之二極體,其導通損耗大,且需要額外加設散熱器,整體的體積相對增加。
請參考第七圖所示,為美國第7215560號專利案所揭示之無橋式功率因數校正電路之另一實施例,與其第一實施例之差異在於原第一輸入二極體(Da)與第二輸入二極體(Db)以一第一輸入電容(Ca)與一第二輸入電容(Cb)加以取代。兩輸入電容(Ca)(Cb)均為高電容量的電容,亦具備高耐壓。
其電路動作原理為:因兩輸入電容(Ca)(Cb)具備高容值,當高頻雜訊通過電容時,其阻抗較小,相當於短路。當交流電源(Vac)之輸出為正半週時,可通過第二電容(Cb)而使交流接地與直流接地端(65)連接,以抑制由第二電感(LPFC2
)上之電壓波動所帶來的EMI干擾;反之,當交流電源(Vac)為負半週時,可通過第一輸入電容(Ca)而使交流接地與直流接地端(65)連接,藉此抑制由第一電感(LPFC1
)上的電壓波動所帶來的EMI干擾。其中,高頻紋波電流可通過第一輸入電容(Ca)/第二輸入電容(Cb)回到交流電源(Vac),工頻電流則可通過第一開關(S1)之寄生二極體(Dsd1)/第二開關(S2)之寄生二極體(Dsd2)而流過第一電感(LPFC1
)/第二電感(LPFC2
)回到交流電源(Vac)。
惟上述電路中的兩輸入電容(Ca)(Cb)須採用高品質的元件,以確保低等效電阻;然而在低壓重載的情況下,其導通損耗仍很大。
請參考第八圖所示,為中國大陸CN 200620124692.1專利案所揭示之「無橋並聯的單級功率因數校正電路」,其電路結可說是同時結合前述第六、七圖電路之特徵,即同時存在第一輸入二極體(Da)、第二輸入二極體(Db)、第一輸入電容(Ca)與第二輸入電容(Cb),其中第一輸入二極體(Da)與第一輸入電容(Ca)並聯,第二輸入二極體(Db)與第二輸入電容(Cb)並聯。此電路之動作原理前述兩實施例相同,故不另贅述,然而可明顯看出此電路使用相對較多數量的電子元件,不僅製造成本提高,且低壓重載時導通損耗亦大。
由前述說明可知,習用無橋式功率因數校正電路因部分工頻電流從開關之寄生二極體和電感流過,導致導通損耗增加,不利於應用在低壓重載的情況。有鑑於此,本發明之主要目的係提供一種低導通損耗、低電磁干擾之無橋式功率因數校正電路,為達成前述目的,本發明係具有:一第一電感,其一端連接一交流電源之第一輸出端,另一端連接一第一串聯電路,該第一串聯電路以第一二極體與第一開關串聯構成,該第一二極體其陽極與第一開關之連接節點係連接該第一電感之該另一端;一第二電感,其一端連接該交流電源之第二輸出端,另一端連接一第二串聯電路,該第二串聯電路以第二二極體與第二開關串聯構成,該第二二極體其陽極與第二開關之連接節點係連接該第二電感之該另一端;一負載電路,由一輸出電容與一輸出負載並聯構成,該負載電路之兩端分別作為一直流輸出端與一直流接地端,其中,前述兩串聯電路與負載電路係並聯連接;一第一輸入開關,係連接至交流電源之第一輸入端與該直流接地端之間;一第二輸入開關,係連接於交流電源之第二輸入端與該直流接地端之間。
當該交流輸入電源輸出正半週電壓時,係控制第二輸入開關為常導通狀態,第一輸入開關與第二開關處於恆截止狀態,第一開關控制為交替地導通/截止;由於第二開關一直維持為低電壓準位(截止狀態),電流可經由第二輸入開關回到交流電源,而不須經過第二開關之寄生二極體和第二電感,故損耗降低。
反之,當該交流輸入電源輸出負半週電壓時,係控制第一輸入開關為常導通狀態,第二輸入開關與第一開關處於恆截止狀態,第二開關控制為交替地導通/截止;由於第一開關在輸入電壓為負半週時一直維持為低電壓準位,電流可經由第一輸入開關回到交流電源,而沒有經過第一開關之寄生二極體和第一電感,故損耗降低,從而提高效率。
請參閱第一圖所示,為本發明第一實施例之詳細電路圖,其包含有:一第一電感(LPFC1
),其一端連接一交流電源(Vac)之第一輸出端,另一端連接一第一串聯電路(11)之串聯中點,該第一串聯電路(11)以第一二極體(D1)與第一開關(S1)串聯組成,其串聯中點指第一二極體(D1)之陽極與第一開關(S1)之連接節點;一第二電感(LPFC2
),其一端連接該交流電源(Vac)之第二輸出端,另一端連接一第二串聯電路(12)之串聯中點,該第二串聯電路(12)以第二二極體(D2)與第二開關(S2)串聯組成,其串聯中點指第二二極體(D2)之陽極與第二開關(S2)相連之連接節點;一負載電路(13),由一輸出電容(Co)與一輸出負載(RL)並聯構成,該負載電路(13)之兩端分別定義為一直流輸出端(14)與一直流接地端(15),其中,前述兩串聯電路(11)(12)亦是連接於直流輸出端(14)與直流接地端(15)之間且與負載電路(13)構成並聯;一第一輸入開關(Sa),其一端連接至第一電感(LPFC1
)與交流電源(Vac)相連之節點,另一端連接至一檢測電阻(Rs)的第一端,該檢測電阻(Rs)的第二端連接該直流接地端(15),其中該第一輸入開關(Sa)可為MOS電晶體;一第二輸入開關(Sb),其一端連接至第二電感(LPFC2
)與交流電源(Vac)相連之節點,另一端連接該檢測電阻(Rs)的第一端,其中該第二輸入開關(Sb)可為MOS電晶體。
此外,在交流輸入電源(Vac)之輸出端與兩電感(LPFC1
)(LPFC2
)之間可連接一電磁干擾濾波器(EMI filter)(20),將欲輸出之電流先行濾波再提供至兩電感(LPFC1
)(LPFC2
)。
請同時參閱第二、三圖所示,當交流輸入電源(Vac)為正半週時,第二輸入開關(Sb)處於常導通狀態,第一輸入開關(Sa)與第二開關(S2)處於恆截止狀態,第一開關(S1)控制為交替地導通/截止。由於第二輸入開關(Sb)之導通電阻極小,故全部電流(包含工頻電流和高頻紋波電流)均可通過第二輸入開關(Sb)經過該電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac)。
另一方面,當第一開關(S1)導通時,電流通過第一電感(LPFC1
)流經第一開關(S1),並通過檢測電阻(Rs)和第二輸入開關(Sb),經電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac),輸入電流線性上升;反之,當第一開關(S1)關閉時,電流通過第一電感(LPFC1
)流經第一二極體(D1),對輸出電容(Co)進行充電並提供輸出負載(RL)電流,最後通過該檢測電阻(Rs)和第二輸入開關(Sb),經電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac)端,輸入電流線性下降。
由於第二開關(S2)在輸入電壓正半週時一直維持為低電壓準位,電流經由檢測電阻(Rs)、第二輸入開關(Sb)和電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac),而沒有經過第二開關(S2)之寄生二極體(Dsd2)和第二電感(Lpfc2),故損耗降低,從而提高效率。
請參考第二、四圖所示,當交流輸入電源(Vac)為負半週時,第一輸入開關(Sa)處於常導通狀態,第二輸入開關(Sb)與第一開關(S1)處於恆截止狀態,第二開關(S2)控制為交替地導通/截止。由於第一輸入開關(Sa)之導通電阻極小,故全部電流(包含工頻電流和高頻紋波電流)均可通過第一輸入開關(Sa)經過該電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac)。
另一方面,當第二開關(S2)導通時,電流通過第二電感(LPFC2
)流經第二開關(S2),並通過檢測電阻(Rs)和第一輸入開關(Sa),經電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac),輸入電流線性上升;反之,當第二開關(S2)關閉時,電流通過第二電感(LPFC2
)流經第二二極體(D2),對輸出電容(Co)進行充電並提供輸出負載(RL)電流,最後通過該檢測電阻(Rs)和第一輸入開關(Sa),經電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac)端,輸入電流線性下降。
由於第一開關(S1)在輸入電壓為負半週時一直維持為低電壓準位,電流經由檢測電阻(Rs)、第一輸入開關(Sa)和電磁干擾濾波器(20)回到交流電源(Vac),而沒有經過第一開關(S1)之寄生二極體(Dsd1)和第一電感(LPFC1
),故損耗降低,從而提高效率。
本發明以兩輸入開關(Sa)(Sb)提供電流迴路,使輸入正/負半週時能將交流接地和直流接地端(15)直接相連,從而有效地降低EMI干擾。同時,由於工頻電流基本上皆經由兩輸入開關(Sa)(Sb)回流到交流電源(Vac),可避免流經第一開關(S1)之寄生二極體(Dsd1)和第一電感(LPFC1
)或第二開關(S2)之寄生二極體(Dsd2)和第二電感(LPFC2
),故亦可降低導通損耗。此外,本發明亦具有以下數點特徵
1.採用單一檢測電阻(Rs),可簡化無橋式功率因數校正電路的電流檢測線路。
2.對於低壓大電流場合應用,效率提升明顯。
3.兩電感(LPFC1
)(LPFC2
)交替工作,可降低電感的發熱程度。
4.通過兩輸入開關(Sa)(Sb)組成的續流支路,將交流接地與直流接地端(15)直接連接起來,有效降低因無橋拓撲自身缺陷導致的EMI干擾和損耗問題。
請參考第五圖所示,為本發明之第二實施例,係將原檢測電阻(Rs)以三個電流互感器(30a)~(30c)取代,第一電流互感器(30a)係與第一串聯電路(11)串聯以偵測流過第一串聯電路(11)上的電流,第二電流互感器(30b)與第二串聯電路(12)串聯,以偵測流過第二串聯電路(12)上的電流,第三電流互感器(30c)連接在第二二極體(D2)之陰極與輸出電容(Co)之間,偵測二者之間的電流。該三個電流互感器(30a)~(30c)係共同輸出一電流感測信號(CS)。
(11)(61)...第一串聯電路
(12)(62)...第二串聯電路
(13)(63)...負載電路
(14)(64)...直流輸出端
(15)(65)...直流接地端
(20)...電磁干擾濾波器
(30a)...第一電流互感器
(30b)...第二電流互感器
(30c)...第三電流互感器
(LPFC1
)...第一電感
(LPFC2
)...第二電感
(Vac)...交流電源
(D1)...第一二極體
(D2)...第二二極體
(Da)...第一輸入二極體
(Db)...第二輸入二極體
(Ca)...第一輸入電容
(Cb)...第二輸入電容
(S1)...第一開關
(S2)...第二開關
(Sa)...第一輸入開關
(Sb)...第二輸入開關
(Co)...輸出電容
(RL)...輸出負載
(Rs)...檢測電阻
第一圖:本發明第一實施例之詳細電路。
第二圖:本發明之主要工作波形圖
第三圖:本發明第一實施例於正半週之電路動作圖。
第四圖:本發明第一實施例於負半週之電路動作圖。
第五圖:本發明第二實施例之詳細電路圖。
第六圖:美國第7215560號專利案所揭示之無橋式功率因數校正電路之一實施例。
第七圖:美國第7215560號專利案所揭示之無橋式功率因數校正電路之另一實施例。
第八圖:中國大陸CN200620124692.1專利案所揭示之無橋並聯的單級功率因數校正電路之電路圖。
(11)...第一串聯電路
(12)...第二串聯電路
(13)...負載電路
(14)...直流輸出端
(15)...直流接地端
(20)...電磁干擾濾波器
(LPFC1
)...第一電感
(LPFC2
)...第二電感
(Vac)...交流電源
(D1)...第一二極體
(D2)...第二二極體
(S1)...第一開關
(S2)...第二開關
(Sa)...第一輸入開關
(Sb)...第二輸入開關
(Co)...輸出電容
(RL)...輸出負載
(Rs)...檢測電阻
Claims (5)
- 一種無橋式功率因數校正電路,包含有:一第一電感,其一端連接一交流電源之第一輸出端,另端連接一第一串聯電路,該第一串聯電路以第一二極體與第一開關串聯構成,該第一二極體其陽極與第一開關之連接節點係連接該第一電感之該另一端;一第二電感,其一端連接該交流電源之第二輸出端,另一端連接一第二串聯電路,該第二串聯電路以第二二極體與第二開關串聯構成,該第二二極體其陽極與第二開關之連接節點係連接該第二電感之該另一端;一負載電路,由一輸出電容與一輸出負載並聯構成,該負載電路之兩端分別作為一直流輸出端與一直流接地端,其中,前述兩串聯電路與負載電路係並聯連接;一第一輸入開關,係連接至交流電源之第一輸入端與該直流接地端之間;一第二輸入開關,係連接於交流電源之第二輸入端與該直流接地端之間;一第一電流互感器,係與第一串聯電路串聯;一第二電流互感器,係與第二串聯電路串聯;一第三電流互感器,係連接在第二二極體之陰極與輸出電容之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正電路,該第一輸入開關與第二輸入開關皆為金氧半(MOS)電晶體。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之無橋式功率因數校 正電路,其中:該交流輸入電源輸出正半週電壓時,係控制第二輸入開關為常導通狀態,第一輸入開關與第二開關處於恆截止狀態,第一開關控制為交替地導通/截止;該交流輸入電源輸出負半週電壓時,係控制第一輸入開關為常導通狀態,第二輸入開關與第一開關處於恆截止狀態,第二開關控制為交替地導通/截止。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之無橋式功率因數校正電路,該交流電源之兩輸出端與第一電感和第二電感之間係連接一電磁干擾濾波器。
- 如申請專利範圍第3項所述之無橋式功率因數校正電路,該交流電源之兩輸出端與第一電感和第二電感之間係連接一電磁干擾濾波器。
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