TWI398088B - 單相功率因數修正交流-直流電源轉換器 - Google Patents

單相功率因數修正交流-直流電源轉換器 Download PDF

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Description

單相功率因數修正交流-直流電源轉換器
本發明係關於一種電源轉換器，尤指一種單相功率因數修正交流-直流電源轉換器。
交流-直流電源轉換器的應用領域相當廣泛，舉凡各種直流電壓輸入之電子產品如照明驅動電路、手機充電、音響、電腦等，皆需使用交流-直流電源轉換器將電力公司所提供之交流電源轉換為直流電使用。
在習知技術中，較常見的係為一種降-升壓型之交流-直流電源轉換器11，其電路架構圖如圖1(a)所示。使用該電路架構，具有單位功率因數、泛用型輸入電壓、低輸入電流諧波、具升/降壓之功能等優點。然而，應用於高輸入電壓及輕載時，功率因數會變差，輸入電流諧波也會增加。
另外還有一種升壓型交流-直流電源轉換器12，其電路架構圖如圖1(b)所示。使用該電路架構，係具有單位功率因數、應用於泛用型輸入電壓、低輸入電流諧波等優點。但是，該電路架構僅能提供升壓功能，無法提供降壓功能，因此後級電路之功率元件需選擇額定較高功率元件補足。
為解決上述習知技術之缺失，發明人本著創作之精神，設計一種單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，以達成單位功率因數、低輸入電流諧波，並使其具有升/降壓之功能。
本發明之主要目的係在提供一種單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，俾能將電源轉換器操作於不連續導通模式，以達到幾近單位功因、低輸入電流總諧波失真、及可升/降之直流輸出等功效。
為達成上述目的，本發明所提供之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器包括：一濾波器，其接收一交流輸入電源；一整流器，其係電性連接至該濾波器；一耦合電感器，其包含有一一次側繞組及一二次側繞組，該一次側繞組包含有一第一端及一第二端，該二次側繞組包含有一第一端及一第二端，該二次側繞組之第二端係電性連接至該整流器；一第一切換裝置，其包含有一第一端及一第二端，該第一切換裝置之第一端係電性連接至該整流器；一第一二極體，其包含有一正極端及一負極端，該第一二極體之正極端係電性連接至該二次側繞組之第一端，該第一二極體之負極端係電性連接至該第一切換裝置之第二端、及該一次側繞組之第一端：一第二切換裝置，其包含有一第一端及第二端，該第二切換裝置之第一端係電性連接至該一次側繞組之第二端，該第二切換裝置之第二端係電性連接至該二次側繞組之第一端，及該第一二極體之正極端；一第二二極體，其包含有一正極端及一負極端，該第二二極體之正極端係電性連接至該整流器；一第三二極體，其包含有一正極端及一負極端，該第三二極體之正極端係電性連接至該一次側繞組之第二端及該第二切換裝置之第一端，該第三二極體之負極端連接至該第二二極體之負極端；以及一輸出電容器，其包含有一第一端及一第二端，該輸出電容器之第一端係電性連接至該第二二極體之負極端及該第三二極體之負極端，該輸出電容器之第二端係電性連接至該二次側繞組之第一端、該第一二極體之正極端、及該第二切換裝置之第二端。
較佳地，該濾波器係由一電感器連接一電容器所構成，該整流器係為由四個二極體所構成之橋式整流器。另外，該一次側繞組及二次側繞組係共用一鐵心，並具有相同匝數。
本發明之主要特徵在於：該第一切換裝置及該第二切換裝置係同步切換為導通或截止，以使該耦合電感器操作於不連續導通模式。當該第一切換裝置及該第二切換裝置同時導通時，該一次側繞組及二次側繞組係為串聯儲能。當該第一切換裝置及該第二切換裝置同時截止時，該一次側繞組及二次側繞組係為並聯釋能。
經由本發明所提供之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，輸入電壓及輸入電流可為同相，以達單位功率因數。其次，本發明具有低輸入電流諧波，可消除諧波污染之問題。並且，本發明輸出之直流電壓具有升/降壓之功能，可應用於泛用型輸入電壓及寬廣負載範圍，且本發明具有固定切換頻率，因此在濾波器的設計上更為容易。
請參考圖2，其係本發明一較佳實施例之電路架構圖。如圖所示，本發明之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器2包括：一濾波器21、一整流器22、一耦合電感器23、一第一切換裝置S1、一第一二極體D1、一第二切換裝置S2、第二二極體D2、第三二極體D3、及一輸出電容器24。較佳地，該濾波器21係由一電感器Lf及一電容器Cf所構成，整流器22係為由四個二極體所構成之橋式整流器。濾波器21係接收一交流輸入電源Vs，整流器22係電性連接至濾波器21。
耦合電感器23包含有一一次側繞組L1及一二次側繞組L2，其中，一次側繞組L1及二次側繞組L2係共用同一鐵心，並具有相同匝數。一次側繞組L1包含有一第一端a及一第二端b，二次側繞組L2亦包含有一第一端a及一第二端b，該二次側繞組L2之第二端b係電性連接至整流器22。第一切換裝置S1包含有一第一端a及一第二端b，該第一切換裝置S1之第一端a係電性連接至整流器22。
第一二極體D1包含有一正極端c及一負極端d，第一二極體D1之正極端c係電性連接至二次側繞組L2之第一端a，第一二極體D1之負極端d係電性連接至第一切換裝置S1之第二端b、及一次側繞組L1之第一端a。第二切換裝置S2亦包含有一第一端a及第二端b，第二切換裝置S2之第一端a係電性連接至一次側繞組L1之第二端b，該第二切換裝置S2之第二端b係電性連接至二次側繞組L2之第一端a，及第一二極體D1之正極端c。第二二極體D2包含有一正極端c及一負極端d，第二二極體D2之正極端c係電性連接至整流器22。第三二極體D3包含有一正極端c及一負極端d，第三二極體D3之正極端c係電性連接至一次側繞組L1之第二端b及第二切換裝置S2之第一端a，第三二極體D3之負極端d係連接至第二二極體D2之負極端d。
輸出電容器24包含有一第一端a及一第二端b，該輸出電容器24之第一端a係電性連接至第二二極體D2之負極端d及第三二極體D3之負極端d。輸出電容器24之第二端係b係電性連接至二次側繞組L2之第一端a、第一二極體D1之正極端c、及第二切換裝置S2之第二端b。該輸出電容器24具有一輸出電源Vo。
本發明之主要特徵在於：第一切換裝置S1及第二切換裝置S2係同步切換為導通或截止，以使耦合電感器23操作於不連續導通模式。由此，當第一切換裝置S1及第二切換裝置S2同時導通時，一次側繞組L1及二次側繞組L2係為串聯儲能；當第一切換裝置S1及第二切換裝置S2同時截止時，一次側繞組L1及二次側繞組L2係為並聯釋能。
本發明之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器2有六種操作模式。首先，請先參考圖3，其係為交流輸入電源Vs為正半波時，流經耦合電感器23及輸出電容器24之電流波形圖。其中，e s 為交流輸入電源Vs之電壓，Vgs1 、Vgs2 分別為第一切換裝置S1及第二切換裝置S2之閘-源極電壓，iL1 、iL2 分別為流經耦合電感器23之一次側繞組L1及二次側繞組L2的電流，ic 為流經輸出電容器24的電流。
每一切換週期具有三種操作模式，請先參考圖4(a)電流路徑圖所示之模式1。於此模式中，交流輸入電源Vs係為正半波，此時，第一切換裝置S1及第二切換裝置S2係先切換為導通，以使交流輸入電源Vs對一次側繞組L1及二次側繞組L2作串聯儲能，而輸出電容器24對一負載25釋能。
接著，進入模式2，請參考圖4(b)所示之電流路徑圖。於此模式中，第一切換裝置S1及第二切換裝置S2切換為截止，以使一次側繞組L1及二次側繞組L2並聯釋能至輸出電容器24及負載25。
而後，進入模式3，請參考圖4(c)所示之電流路徑圖，在此模式中，第一切換裝置S1及第二切換裝置S2仍然截止，耦合電感器23之一次側繞組L1及二次側繞組L2釋能完畢，輸出電容器24對負載25釋能。
此時，若交流輸入電源Vs仍是正半波，本發明之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器2重複上述三種操作模式。若交流輸入電源Vs進入負半波，本發明之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器2則進入下列三種操作模式。由於交流輸入電源Vs為負半波時，流經耦合電感器23及輸出電容器24之電流波形圖與圖3相同，於此不重複繪圖。
首先，模式4請參考圖4(d)所示之電流路徑圖。在此模式中，第一切換裝置S1及第二切換裝置S2先切換為導通，以使交流輸入電源Vs對一次側繞組L1及二次側繞組L2作串聯儲能，而輸出電容器24對負載25釋能。
而後，進入模式5，請參考圖4(e)所示之電流路徑圖。在此模式中，第一切換裝置S1及第二切換裝置S2切換為截止，以使一次側繞組L1及二次側繞組L2並聯釋能至輸出電容器24及負載25。
最後，進入模式6，請參考圖4(f)所示之電流路徑圖。在此模式中，第一切換裝置S1及第二切換裝置S2仍然截止，一次側繞組L1及二次側繞組L2係釋能完畢，以使輸出電容器24對負載25釋能。
為進一步說明本發明之實用效果，請參考圖5，其係為本發明操作於輸入電壓115 Vrms及滿載輸出功率250 W時，交流輸入電源Vs之電壓e s 及電流i s 波形圖。由圖中可清楚地看出，功率因數為幾近單位功因。接著，請參考圖6(a)，其係本發明操作於泛用型輸入電壓及寬廣負載範圍下之功率因數曲線圖，由圖6(a)可清楚地看出，在此範圍下，本發明可達到高功因。最後，請參考圖6(b)，其係本發明操作於泛用型輸入電壓及寬廣負載範圍下輸入電流之總諧波失真數據曲線圖，由圖6(b)可清楚地看出，在此範圍下，本發明具有低輸入電流總諧波失真之特性。
另外，本發明之耦合電感器23亦可改採兩相同電感量之電感器L代替，亦能達成相同之電路功效，其電路架構圖則如圖7所示。
是故，經由本發明所提供之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器2可操作於不連續導通模式以達到幾近單位功因、低輸入電流總諧波失真、及可升/降之直流輸出電壓等功效。相對於傳統單相功率因數修正交流-直流降/升壓型電源轉換器，釋能時間將大幅縮短。因此在不連續導通模式操作下，本發明之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器2可操作於較大的責任週期，因此，本發明適用於寬廣的輸入電壓(90~264 Vrms)及負載範圍。
然而，上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
11．．．降-升壓型之交流-直流電源轉換器
12．．．升壓型交流-直流電源轉換器
2．．．單相功率因數修正交流-直流電源轉換器
21．．．濾波器
22．．．整流器
23．．．耦合電感器
S1．．．第一切換裝置
S2．．．第二切換裝置
D1．．．第一二極體
D2．．．第二二極體
D3．．．第三二極體
24．．．輸出電容器
25．．．負載
Lf,L．．．電感器
Cf．．．電容器
Vs．．．交流輸入電源
Vo．．．輸出電源
L1．．．一次側繞組
L2．．．二次側繞組
a．．．第一端
b．．．第二端
c．．．正極端
d．．．負極端
圖1(a)係習知降-升壓型之交流-直流電源轉換器之電路架構圖。
圖1(b)係習知升壓型交流-直流電源轉換器之電路架構圖。
圖2係本發明一較佳實施例之電路架構圖。
圖3係本發明交流輸入電源為正半波時流經耦合電感器及輸出電容器之電流波形圖。
圖4(a)係本發明一較佳實施例之第一電流路徑圖。
圖4(b)係本發明一較佳實施例之第二電流路徑圖。
圖4(c)係本發明一較佳實施例之第三電流路徑圖。
圖4(d)係本發明一較佳實施例之第四電流路徑圖。
圖4(e)係本發明一較佳實施例之第五電流路徑圖。
圖4(f)係本發明一較佳實施例之第六電流路徑圖。
圖5係本發明一較佳實施例之電壓及電流波形圖。
圖6(a)係本發明一較佳實施例之功率因數曲線圖。
圖6(b)係本發明一較佳實施例之總諧波失真數據曲線圖。
圖7係本發明另一較佳實施例之電路架構圖。
2．．．單相功率因數修正交流-直流電源轉換器
21．．．濾波器
22．．．整流器
23．．．耦合電感器
S1．．．第一切換裝置
S2．．．第二切換裝置
D1．．．第一二極體
D2．．．第二二極體
D3．．．第三二極體
24．．．輸出電容器
25．．．負載
Lf．．．電感器
Cf．．．電容器
Vs．．．交流輸入電源
Vo．．．輸出電源
L1．．．一次側繞組
L2．．．二次側繞組
a．．．第一端
b．．．第二端
c．．．正極端
d．．．負極端

Claims (10)

  1. 一種單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，包括：一濾波器，其接收一交流輸入電源；一整流器，其係電性連接至該濾波器；一耦合電感器，其包含有一一次側繞組及一二次側繞組，該一次側繞組包含有一第一端及一第二端，該二次側繞組包含有一第一端及一第二端，該二次側繞組之第二端係電性連接至該整流器；一第一切換裝置，其包含有一第一端及一第二端，該第一切換裝置之第一端係電性連接至該整流器；一第一二極體，其包含有一正極端及一負極端，該第一二極體之正極端係電性連接至該二次側繞組之第一端，該第一二極體之負極端係電性連接至該第一切換裝置之第二端、及該一次側繞組之第一端；一第二切換裝置，其包含有一第一端及第二端，該第二切換裝置之第一端係電性連接至該一次側繞組之第二端，該第二切換裝置之第二端係電性連接至該二次側繞組之第一端，及該第一二極體之正極端；一第二二極體，其包含有一正極端及一負極端，該第二二極體之正極端係電性連接至該整流器；一第三二極體，其包含有一正極端及一負極端，該第三二極體之正極端係電性連接至該一次側繞組之第二端及該第二切換裝置之第一端，該第三二極體之負極端連接至該第二二極體之負極端；以及一輸出電容器，其包含有一第一端及一第二端，該輸出電容器之第一端係電性連接至該第二二極體之負極端及該第三二極體之負極端，該輸出電容器之第二端係電性連接至該二次側繞組之第一端、該第一二極體之正極端、及該第二切換裝置之第二端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，該濾波器係由一電感器連接一電容器所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，該整流器係為由四個二極體所構成之橋式整流器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，該一次側繞組及二次側繞組係共用一鐵心，並具有相同匝數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，該一次側繞組係為一第一電感器，該二次側繞組係為一第二電感器，該第一、第二電感器具有相同之電感值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，該第一切換裝置及該第二切換裝置係同步切換為導通或截止，以使該耦合電感器操作於不連續導通模式。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，當該第一切換裝置及該第二切換裝置同時導通時，該一次側繞組及二次側繞組係為串聯儲能。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，當該第一切換裝置及該第二切換裝置同時截止時，該一次側繞組及二次側繞組係為並聯釋能。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，於該交流輸入電源之正半波，該第一切換裝置及該第二切換裝置係先切換為導通，以使交流輸入電源對該一次側繞組及二次側繞組作串聯儲能，而輸出電容器對一負載釋能；該第一切換裝置及該第二切換裝置接著切換為截止，以使該一次側繞組及二次側繞組並聯釋能至該輸出電容器及負載；且當該一次側繞組及二次側繞組釋能完畢，該輸出電容器對該負載釋能。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之單相功率因數修正交流-直流電源轉換器，其中，於該交流輸入電源之負半波，該第一切換裝置及該第二切換裝置係先切換為導通，以使交流輸入電源對該一次側繞組及二次側繞組作串聯儲能，而輸出電容器對該負載釋能；該第一切換裝置及該第二切換裝置接著切換為截止，以使該一次側繞組及二次側繞組並聯釋能至該輸出電容器及負載；且當該一次側繞組及二次側繞組釋能完畢，該輸出電容器對該負載釋能。
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