TWI437410B - 降壓式功率因數修正系統 - Google Patents
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Description
本發明係為一種降壓式功率因數修正系統，尤其是有關於一種降壓式功率因數修正系統，其可適用於降低電力系統的虛功率，並提供功率因數修正之效果。
目前電氣用品使用直流電的很多，但由於市電為交流電，所以需要作交-直流轉換；而為了降低電力系統的虛功率，並減少電流諧波造成系統干擾，許多電氣用品被要求具有高功率因數與低電流諧波，因此功率因數修正器被廣泛地使用著。常用的功率因數修正電路以升壓式為代表，但卻有直流輸出電壓需高於輸入交流電壓峰值的限制，其他降壓式或降升壓式等可輸出較低電壓之電路，但分別有特性較差、效率較低、儲能元件體積較大或控制方式複雜較難實現等缺點。
圖一A顯示傳統的功率因數修正器通常所採用的升壓式(BOOST)轉換電路，其主要優點是具有較高的功率因數與較簡便的控制方式。圖一B顯示圖一A之傳統功率因數修正器的輸入端電壓Vs
及電流Is
波形示意圖，且ω為市電角頻率，Vm
與Im
分別表示電壓峰值與電流峰值。升壓式轉換電路的電流路徑允許部份能量從電源AC直接對直流鏈電容CDC
充電(如圖一A之實線箭頭所示)，故其儲能電感LPFC
之儲能需求量較低，所以電感體積可較小，效率也較高，且圖一A中QPFC
表示主動開關晶體，DPFC
表示二極體，且該電容CS
可根據實際需求而設計。但是上述之傳統的功率因數修正器往往伴隨著高輸出電壓，因而使得功率元件的電壓應力較高，而另一方面，對於電壓需求較低(低於電源峰值電壓)的負載而言，傳統的升壓式功率因數修正器無法直接提供適當的電源，必須再透過降壓轉換電路(Buck Converter)將其輸出電壓降為負載所需之額定電壓，如圖二所示，但如此設計不但增加電路體積與生產成本，還會增加電路的功率損耗，降低整體電路之轉換效率。
為了提高電路的轉換效率，也有直接設計以降壓式轉換電路作為功率因數修正器，如圖三A所示。降壓式轉換電路的電流路徑也允許部份能量從電源AC直接對直流鏈電容CDC
充電，故其儲能電感LPFC
亦具有儲能需求量較低、體積較小的優勢，電路效率也較高。降壓式功率因數修正器主要缺點是當電源電壓低於直流輸出電壓時，電路將無法引進輸入電流，其輸入電流為不連續，如圖三B所示，故功率因數較低、電流諧波含量較大。此外，降壓式功率因數修正器還有控制方式較複雜之缺點。
另外，也有以降升壓式轉換電路(Buck-Boost Converter)(如圖四所示)或返馳式轉換電路(Fly-Back Converter)(如圖五所示)作為功率因數修正器設計，雖然也可達到高功因，但其電流路徑不允許能量從電源直接對直流鏈電容充電，因此共同的缺點是電感的儲能需求較大，造成其體積較大，且磁能損失也導致其效率較差。
此外，也有整合了升壓式轉換電路與降壓式轉換電路所形成一整合式電路之功率因數修正器，如圖六所示。當主動開關晶體Q2截止時，主動開關晶體Q1可進行降壓式轉換的操作；而當Q1維持導通時，Q2可進行升壓式轉換的操作。但這種設計的電路之控制方式非常複雜，除非開發特用IC，否則將不易實現，其實用性不高。
且上述所提及之傳統的功率因數修正電路還具有一個共同的缺點，即需要一大儲能電容CDC
。因為，為維持穩定的負載端電壓，即儲能電容CDC
的電壓變動量ΔV需很小，表示儲能電容CDC
必需具有足夠的電容量以吸收從市電引入的兩倍頻功率波，如圖七所示。受限於以很小的電壓變動量ΔV來吸收輸入功率與輸出功率間的差異量，造成直流鏈電容之容值必需很大。
在一實施例中，本發明提供一種降壓式功率因數修正系統，係包括：一第一儲能裝置，用以儲存與釋放能量；一第一轉換裝置，耦接該第一儲能裝置，用以傳送與轉換能量；一第二儲能裝置，耦接該第一儲能裝置，用以儲存與釋放能量；以及一第二轉換裝置，耦接該第二儲能裝置，用以傳送與轉換能量。且該降壓式功率因數修正器更包括：一整流裝置，耦接該第一儲能裝置，接收並整流一電源，進而產生一輸入電壓，以及一負載耦接該第一儲能裝置。較佳地，該降壓式功率因數修器更包括一開關元件，其耦接於該第一儲能裝置與該第二儲能裝置之間。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：
圖八係顯示根據本發明之一實施例之降壓式功率因數修正系統1，其包括：一第一儲能裝置11、一第一轉換裝置T1
、一第二儲能裝置12、一第二轉換裝置T2
。該第一儲能裝置11，用以儲存與釋放能量。該第一轉換裝置T1
，其耦接該第一儲能裝置11，用以傳送與轉換能量。該第二儲能裝置12，其耦接該第一儲能裝置11，用以儲存與釋放能量以及該第二轉換裝置T2
，其耦接該第二儲能裝置12，用以傳送與轉換能量。該降壓式功率因數修正系統1更包括一整流裝置13，其耦接該第一儲能裝置11，接收並整流一電源AC，進而產生一輸入電壓VIN
，而上述電源AC可為交流電源；以及一負載(Load)，其耦接該第一儲能裝置11。
該第一儲能裝置11能量儲存路徑包括：Path 1，由該輸入電壓VIN
直接對該第一與第二儲能裝置11、12充電，以形成一第一能量路徑(如圖九(a)所示)；Path 2，由該輸入電壓VIN
透過第一轉換裝置T1
對第一儲能置11充電，以形成一第二能量路徑(如圖九(b)所示)；Path 3，第二儲能裝置12透過第二轉換裝置T2
對第一儲能置11充電，以形成一第三能量路徑(如圖九(c)所示)。
第一轉換裝置T1
與第二轉換裝置T2
依時序控制進行能量轉換工作，因此，該能量儲存路徑Path 1、Path 2及Path 3也依序出現。而負載(Load)所須之能量皆由第一儲能裝置11供應，其能量傳遞路徑為Path 4。
第十圖係顯示應用第八圖的一實施例。此降壓式功率因數修正系統2，係包括：一第一儲能裝置21、一第二儲能裝置22、一第一轉換裝置T1
以及一第二主動開關晶體Q2
，且在實際電路操作上可將該第一轉換裝置T1
結合該第二主動開關晶體Q2
以形成一第二轉換裝置T2
。且該降壓式功率因數俢正系統2更包括一整流裝置23，其接收並整流一電源AC，進而產生一輸入電壓VIN
，而上述電源AC可為交流電源，以及該降壓式功率因數修正系統2包括一負載(Load)。於本實施例，該第一與第二儲能裝置21與22可為電容C1
與C2
，該整流裝置23可為一橋式整流器以及該第一轉換裝置T1
包括一第一二極體D1
、一第一主動開關晶體Q1
以及一第一電感L1
，且該第二轉換裝置T2
包括該第一二極體D1
、該第一主動開關晶體Q1
、該第一電感L1
以及該第二主動開關晶體Q2
。更進一步而言，該第一轉換裝置T1
內的該第一二極體之D1
之一端耦接該整流裝置23，且其另一端耦接該第一主動開關晶體Q1
以及該第一電感L1
；而該第一主動開關晶體Q1
之一端耦接該第一二極體之D1
，且其另一端耦接該整流裝置23；而該第一電感L1
之一端耦接該第一二極體之D1
，且其另一端耦接該第一儲能裝置21(電容C1
)。該第二轉換裝置T2
內的第二主動開關晶體Q2
之一端耦接該第一主動開關晶體Q1
，且其另一端耦接該第二儲能裝置22(電容C2
)。此外，該第一儲能裝置21(電容C1
)的一端耦接該第一二極體之D1
，且其另一端耦接該第二儲能裝置22(電容C2
)，且電容C1
與該負載並聯。而該第二儲能裝置22(電容C2
)的一端耦接電容C1
，而其另一端耦接第二主動開關晶體Q2
。且其中該第二主動開關晶體Q2
用於低頻切換，而該第一主動開關晶體Q1
受高頻率的脈波寬度調變(pulse-width modulation,PWM)訊號所控制，且該脈波寬度訊號可透過一回授信號進行調變。而關於此降壓式功率因數修正系統2之電路動作如下：
模式一：於本實施例，當該輸入電壓VIN
大於該第一與第二儲能裝置21與22之電壓和VC1
+VC2
時，該第二主動開關晶體Q2
之旁路二極體為順偏導通，則該輸入電壓VIN
直接對該第一與第二儲能裝置21與22充電，以形成一第一能量傳遞路徑Path 1；同時該輸入電壓VIN
並透過第一轉換裝置T1
對該第一儲能裝置21充電，形成一第二能量傳遞路徑Path 2；且該第一儲能裝置21與該負載(Load)間形成一第四能量傳遞路徑Path 4，且於該負載(Load)上有一橫跨電壓Vo
；在此模式下，該第二轉換裝置T2
為不工作狀態，即第三能量傳遞路徑Path 3不存在。該第一能量傳遞路徑Path 1係由該輸入電壓VIN
經由該第一與第二儲能裝置21、22(電容C1
與C2
)與該第二主動開關晶體Q2
之旁路二極體所形成，且該第二能量傳遞路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
經由該第一儲能裝置21(電容C1
)、該第一轉換裝置T1
所形成，且該第四能量傳遞路徑Path 4係由該第一儲能裝置21(電容C1
)與該負載(Load)間之迴路所形成。電路之動作分析圖如圖十一(a)所示。
在模式一中，當該第一轉換裝置T1
之該第一主動開關晶體Q1
高頻PWM導通而該第一二極體D1
不導通，以形成一第二能量傳遞路徑Path 2，且該第二能量傳遞路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
、該第一儲能裝置21(電容C1
)、該第一電感L1
、該轉換第一主動開關晶體Q1
之迴路所形成，如圖十一(a)所示，此時該輸入電壓VIN
對該第一儲能電容C1
及該第一電感L1
充電；當該轉換第一主動開關晶體Q1
為高頻PWM截止後，該第一轉換裝置T1
之該第一二極體D1
轉為導通(ON)，而形成一新的第二能量傳遞路徑New Path 2，且該新的第二能量傳遞路徑New Path 2係由該第一儲能電容C1
、該第一電感L1
與該第一二極體D1
之迴路所形成，且該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量傳遞路徑New Path 2釋放至第一儲能電容C1
，動作分析圖如圖十一(b)所示。而該第二主動開關晶體Q2
之旁路二極體在此模式下仍保持為導通(ON)狀態，因此，能量傳遞路徑Path 1及Path 4皆維持不變。
當該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量傳遞路徑New Path 2完全釋放至第一儲能電容C1
後，則該第一轉換裝置T1
之該第一二極體D1
與該第一主動開關晶體Q1
皆為不導通(OFF)，則新的第二能量傳遞路徑New Path 2消失，但第一、第四能量路徑Path 1與4，仍皆維持不變，如圖十一(c)所示，且此一階段只在第一電感L1
之電流為不連續模式時才發生。當該第一主動開關晶體Q1
再次被高頻PWM導通時，該第二能量傳遞路徑Path 2再次形成，週而復始動作。
模式二：於本實施例，當該輸入電壓VIN
小於該第一與第二儲能裝置21與22之電壓和VC1
+VC2
但大於該第一儲能裝置21(電容C1
)之電壓VC1
時，該第二主動開關晶體Q2
為截止狀態，該第一能量傳遞路徑Path 1不存在，且該第二儲能裝置22(電容C2
)不再被充電；該第二轉換裝置T2
為不工作狀態，即第三能量傳遞路徑Path 3不存在。此時該輸入電壓VIN
透過第一轉換裝置T1
對該第一儲能裝置21(電容C1
)充電，形成一第二能量傳遞路徑Path 2；且該第一儲能裝置21(電容C1
)與該負載(Load)間形成一第四能量傳遞路徑Path 4，如圖十二(a)。且該第二能量傳遞路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
經由該第一儲能裝置21(電容C1
)、該第一能量轉換裝置T1
所形成，且該第四能量路徑Path 4係由該第一儲能裝置21(電容C1
)與該負載(Load)間之迴路所形成。
在模式二中，當該第一轉換裝置T1
之該第一主動開關晶體Q1
為高頻PWM之導通(ON)狀態而該第一二極體D1
不導通(OFF)，形成一第二能量傳遞路徑Path 2，且該第二能量傳遞路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
、該第一儲能裝置21(電容C1
)、該第一電感L1
、該轉換第一主動開關晶體Q1
之迴路所形成，此時該輸入電壓VIN
對該第一儲能電容C1
及該第一電感L1
充電；當該第一主動開關晶體Q1
為高頻PWM截止後，則該第一轉換裝置T1
之該第一二極體D1
轉為導通，形成一新的第二能量傳遞路徑New Path 2，且該新的第二能量傳遞路徑New Path 2係由該第一儲能電容C1
、該第一電感L1
與該第一二極體D1
之迴路所形成，且該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量傳遞路徑New Path 2釋放至第一儲能電容C1
，如圖十二(b)。
當該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量傳遞路徑New Path 2完全釋放至第一儲能電容C1
後，則該第一轉換裝置T1
之該第一二極體D1
與該第一主動開關晶體Q1
皆為不導通(OFF)，則新的第二能量傳遞路徑New Path 2消失，但是第四能量傳遞路徑Path 4，仍維持不變，如圖十二(c)，且此一階段只在第一電感L1
之電流為不連續模式時才發生。當該第一主動開關晶體Q1
再次被高頻PWM導通時，該第二能量傳遞路徑Path 2再次形成，週而復始動作。
模式三：於本實施例，當該輸入電壓VIN
小於該第一儲能裝置21(電容C1
)之電壓VC1
時，該第二主動開關晶體Q2
導通以啟動該第二轉換裝置T2
，形成一第三能量傳遞路徑Path 3；且該第三能量傳遞路徑Path 3係由該第二儲能裝置22(電容C2
)、該第二轉換裝置T2
所形成，且該第一儲能裝置21(電容C1
)與該負載間形成一第四能量傳遞路徑Path 4。在本模式中，第一能量傳遞路徑Path 1與第二能量傳遞路徑Path 2都不存在；且該第四能量傳遞路徑Path 4係由該第一儲能裝置21(電容C1
)與該負載間之迴路所形成，如圖十三(a)。
在模式三中，當該第二轉換裝置T2
之該第一主動開關晶體Q1
高頻PWM導通而該第一二極體D1
不導通，以形成一第三能量傳遞路徑Path 3，且該第三能量傳遞路徑Path 3係由該第一電感L1
、該第一主動開關晶體Q1
、該第二主動開關晶體Q2
與該第二儲能裝置22(電容C2
)之迴路所形成，此時該第二儲能電容C2
對該第一電感L1
充電；當該第一主動開關晶體Q1
為高頻PWM截止後，則該第二轉換裝置T2
之該第一二極體D1
轉為導通，形成一新的第三能量傳遞路徑New Path 3，且該新的第三能量傳遞路徑New Path 3係由該第一儲能裝置21(電容C1
)、該第一電感L1
與該第一二極體D1
之迴路所形成，該第一電感L1
之能量藉由該新的第三能量傳遞路徑New Path 3釋放至第一儲能電容C1
，如圖十三(b)。
當該第一電感L1
之能量藉由該新的第三能量傳遞路徑New Path 3完全釋放至第一儲能裝置21(電容C1
)後，則該第二轉換裝置T2
之該第一二極體D1
與該第一主動開關晶體Q1
皆為不導通(OFF)，則新的第三能量傳遞路徑New Path 3消失，但是第四條能量傳遞路徑Path 4，仍維持不變，如圖十三(c)，且此一階段只在第一電感L1
之電流為不連續模式時才發生。當該第一主動開關晶體Q1
再次被高頻PWM導通時，該第三能量傳遞路徑Path 3再次形成，週而復始動作。
根據本實施例，該第一二極體D1
、該第一主動開關晶體Q1
與該第一電感L1
組成該第一轉換裝置T1
，但是於電路操作過程中亦可組合該第一二極體D1
、該第一主動開關晶體Q1
、該第一電感L1
與該第二主動開關晶體Q2
為第二轉換裝置T2
。
第十四圖係顯示應用第八圖的另一實施例。此降壓式功率因數修正系統3，其包括一第一儲能裝置31、一第二儲能裝置32、一第一轉換裝置T1
以及第二轉換裝置T2
。且該降壓式功率因數俢正系統3更包括一整流裝置33，其接收並整流一電源AC，進而產生一輸入電壓VIN
，而上述電源AC可為交流電源，以及降壓式功率因數修正系統3包括一負載(Load)。另外，該降壓式功率因數修正系統3更包括一開關元件34，其耦接於該第一儲能裝置31與該第二儲能裝置32之間。於本實施例，該第一與第二儲能裝置31與32可為電容C1
與C2
，該整流裝置33可為一橋式整流器，該第一轉換裝置T1
包括一第一二極體D1
、一第一主動開關晶體Q1
以及一第一電感L1
，該第二轉換裝置T2
包括一第二二極體D2
、一第二主動開關晶體Q2
、一第二電感L2
以及該開關元件34可為一二極體D3
。更進一步而言，該第一轉換裝置T1
的該第一二極體D1
之一端耦接該整流裝置33，且其另一端耦接該第一主動開關晶體Q1
以及該第一電感L1
；而該第一轉換裝置T1
的第一主動開關晶體Q1
之一端耦接該第一二極體D1
，且其另一端耦接該整流裝置33；而該第一轉換裝置T1
的第一電感L1
之一端耦接該第一二極體D1
，而其另一端耦接開關元件34。該第二轉換裝置T2
之該第二二極體D2
之一端耦接該第一二極體D1
與該第一儲能裝置31(電容C1
)，且其另一端耦接該第一主動開關晶體Q2
以及該第一電感L2
；而該第二轉換裝置T2
之該第二主動開關晶體Q2
的一端耦接該第二二極體D2
，且其另一端耦接該第一主動開關晶體Q1
與該第二儲能裝置32，且該第二轉換裝置T2
之該第二電感L2
的一端耦接該第二二極體D2
，且其另一端耦接該開關元件34。此外，該第一儲能裝置31(電容C1
)的一端耦接該第一二極體之D1
，且其另一端耦接該開關元件34，且第一儲能裝置31(電容C1
)與該負載(Load)並聯。而該第二儲能裝置32內的電容C2
的一端耦接開關元件34，而其另一端耦接第二主動開關晶體Q2
。且其中該第一、第二主動開關晶體Q1
、Q2
可受同一組或分別的兩組高頻率的脈波寬度調變(pulse-width modulation，PWM)訊號所控制，且該脈波寬度訊號皆可透過回授信號進行調變。而關於降壓式功率因數修正系統3之電路動作如下：
模式一：於本實施例，當該輸入電壓VIN
大於該第一與第二儲能裝置31與32之電壓和VC1
+VC2
時，該開關元件34(二極體D3
)為順偏導通，則該輸入電壓VIN
直接對該第一與第二儲能裝置31與32充電，以形成一第一能量傳遞路徑Path 1；同時該輸入電壓VIN
並透過第一轉換裝置T1
對該第一儲能裝置31充電，形成一第二能量傳遞路徑Path 2；且該第一儲能裝置31(電容C1
)與該負載(Load)間形成一第四能量傳遞路徑Path 4，且於該負載(Load)上有一橫跨電壓VO
；在此模式下，該第二轉換裝置T2
為不工作狀態，即第三能量傳遞路徑Path 3不存在。該第一能量傳遞路徑Path 1係由該輸入電壓VIN
經由該第一與第二儲能裝置31、32(電容C1
與C2
)與該開關元件34(二極體D3
)所形成，且該第二能量路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
經由該第一儲能裝置31(電容C1
)、該第一轉換裝置T1
所形成，且該第四能量路徑Path 4係由該第一儲能裝置31(電容C1
)與該負載(Load)間之迴路所形成。如圖十五(a)所示。
在模式一中，當該第一轉換裝置T1
之該第一主動開關晶體Q1
高頻PWM導通而該第一二極體D1
不導通，以形成一第二能量傳遞路徑Path 2，且該第二能量傳遞路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
、該第一儲能裝置31(電容C1
)、該第一電感L1
、該第一主動開關晶體Q1
之迴路所形成，如圖十五(a)所示，此時該輸入電壓VIN
對該第一儲能電容C1
及該第一電感L1
充電；當該第一轉換裝置T1
之該第一主動開關晶體Q1
高頻PWM截止而該第一二極體D1
轉為導通，以形成一新的第二能量傳遞路徑New Path 2，如圖十五(b)所示，且該新的第二能量傳遞路徑New Path 2係由該第一儲能裝置31(電容C1
)、該第一電感L1
與該第一二極體D1
之迴路所形成，該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量傳遞路徑New Path 2釋放至第一儲能電容C1
，且第一、第四能量傳遞路徑Path 1與Path 4，仍皆維持不變。
當該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量傳遞路徑New Path 2完全釋放至第一儲能電容C1
後，該第一轉換裝置T1
之該第一二極體D1
與該第一主動開關晶體Q1
皆為不導通(OFF)，則新的第二能量傳遞路徑New Path 2消失，但是第一、第四能量路徑Path 1與4，仍皆維持不變，如圖十五(c)所示，且此一階段只在第一電感L1
之電流為不連續模式時才發生。當該第一主動開關晶體Q1
再次被高頻PWM導通時，該第二能量傳遞路徑Path 2再次形成，週而復始動作。
模式二：於本實施例，當該輸入電壓VIN
小於該第一與第二儲能裝置31與32之電壓和VC1
+VC2
，但大於該第一儲能裝置31(電容C1
)之電壓VC1
時，該開關元件34(二極體D3
)為逆偏截止，該第一能量傳遞路徑Path 1不存在，且不再對該第二儲能裝置32(電容C2
)充電，該第二轉換裝置T2
為不工作狀態，即第三能量傳遞路徑Path 3不存在。此時該輸入電壓VIN
透過第一轉換裝置T1
對該第一儲能裝置31(電容C1
)充電，形成一第二能量傳遞路徑Path 2；且該第一儲能裝置31(電容C1
)與該負載(Load)間形成一第四能量傳遞路徑Path 4，如圖十六(a)。且該第二能量傳遞路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
經由該第一儲能裝置31(電容C1
)、該第一能量轉換裝置T1
所形成，且該第四能量路徑Path 4係由該第一儲能裝置31(電容C1
)與該負載(Load)間之迴路所形成。
在模式二中，當該第一轉換裝置T1
之該第一主動開關晶體Q1
為高頻PWM之導通(ON)狀態而該第一二極體D1
不導通(OFF)，形成一第二能量傳遞路徑Path 2，且該第二能量路徑Path 2係由該輸入電壓VIN
、該第一儲能裝置31(電容C1
)、該第一電感L1
、該轉換第一主動開關晶體Q1
之迴路所形成，此時該輸入電壓VIN
對該第一儲能電容C1
及該第一電感L1
充電；當該第一主動開關晶體Q1
為高頻PWM截止後，則該第一轉換裝置T1
之該第一二極體D1
轉為導通，形成一新的第二能量傳遞路徑New Path 2，且該新的第二能量傳遞路徑New Path 2係由該第一儲能電容C1
、該第一電感L1
與該第一二極體D1
之迴路所形成，且該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量傳遞路徑New Path 2釋放至第一儲能電容C1
，如圖十六(b)。
當該第一電感L1
之能量藉由該新的第二能量路傳遞徑New Path 2完全釋放至第一儲能電容C1
後，該第一轉換裝置T1
之該第一二極體D1
與該第一主動開關晶體Q1
皆轉為不導通(OFF)，則新的第二能量傳遞路徑New Path 2消失，如圖十六(c)所示，但是第四能量傳遞路徑Path 4，仍維持不變，且此一階段只在第一電感L1
之電流為不連續模式時才發生。當該第一主動開關晶體Q1
再次被高頻PWM導通時，該第二能量傳遞路徑Path 2再次形成，週而復始動作。
模式三：於本實施例，當該輸入電壓VIN
小於該第一儲能裝置31(電容C1
)之電壓VC1
時，該第二轉換裝置T2
開始工作，形成一第三能量傳遞路徑Path 3；且該第三能量傳遞路徑Path 3係由該第二儲能裝置32(電容C2
)、該第二轉換裝置T2
，且該第一儲能裝置31(電容C1
)與該負載間形成一第四能量傳遞路徑Path 4。在本模式中，第一能量傳遞路徑Path 1與第二能量傳遞路徑Path 2都不存在；且該第四能量傳遞路徑Path 4係由該第一儲能裝置31(電容C1
)與該負載間之迴路所形成，如圖十七(a)。
在模式三中，當該第二轉換裝置T2
之該第二主動開關晶體Q2
高頻PWM導通而該第二二極體D2
不導通，以形成一第三能量傳遞路徑Path 3，且該第三能量傳遞路徑Path 3係由該第二電感L2
、該第二主動開關晶體Q2
與該第二儲能裝置32(電容C2
)之迴路所形成，此時該第二儲能電容C2
對該第二電感L2
充電；當該第二主動開關晶體Q2
為高頻PWM截止後，則該第二轉換裝置T2
之該第二二極體D2
轉為導通，形成一新的第三能量傳遞路徑New Path 3，且該新的第三能量傳遞路徑New Path 3係由該第一儲能裝置31(電容C1
)、該第二電感L2
、該第二二極體D2
與該開關元件34(二極體D3
)之迴路所形成，該第二電感L2
之能量藉由該新的第三能量路徑New Path 3釋放至第一儲能電容C1
，如圖十七(b)。
當該第二電感L2
之能量藉由該新的第三能量傳遞路徑New Path 3完全釋放至第一儲能裝置31(電容C1
)後，則該第二轉換裝置T2
之該第二二極體D2
與該第二主動開關晶體Q2
皆為不導通(OFF)，則新的第三能量傳遞路徑New Path 3消失，但是第四條能量傳遞路徑Path 4，仍維持不變，如圖十七(c)，且此一階段只在第二電感L2
之電流為不連續模式時才發生。當該第二主動開關晶體Q2
再次被高頻PWM導通時，該第三能量路徑Path 3再次形成，週而復始動作。
因此，本發明可設計電流路徑允許部份能量從電源直接對直流鏈電容充電，以減少儲能電感之儲能需求量，使電感體積減小，電路效率提高，進而簡化電路結構並使電路易於控制。此外，本發明亦將儲能電容分為兩個，第一儲能電容和負載並聯，以穩定負載電壓，第二儲能電容與第一儲能電容形成串聯分壓，可降低第一儲能電容的電壓應力和體積；第二儲能電容並透過轉換電路將能量轉移到第一儲能電容，協助第一儲能電容穩定電壓，故第一儲能電容的體積可縮小；且第二儲能電容可允許大範圍的電壓變動(大ΔV)甚至完全的釋能，故其電容值需求亦可縮小。
唯以上所述者，僅為本發明之範例實施態樣爾，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
1、2、3．．．降壓式功率因數修正系統
11、21、31．．．第一儲能裝置
12、22、32．．．第二儲能裝置
13、23、33．．．整流裝置
34．．．開關元件
T1
．．．第一轉換裝置
T2
．．．第二轉換裝置
Load．．．負載
AC．．．電源
Q、Q1
、Q2
、QPFC
．．．主動開關晶體
L1
、L2
、LPFC
．．．電感
D1
、D2
、D3
、DPFC
．．．二極體
C1、C2
、CDC
、CS
．．．電容
Vs
、VIN
、VC1
、VC2
、Vo
、Vm
．．．電壓
Is
、Im
．．．電流
Path 1、Path 2、New Path 2、Path 3、New Path 3、Path 4．．．能量傳遞路徑
圖一A顯示傳統的功率因數修正器通常所採用的升壓式轉換電路；
圖一B顯示圖一A之傳統功率因數修正器的輸入端電壓Vs及電流Is波形示意圖；
圖二顯示具有升壓式與降壓式兩級轉換電路之傳統的功率因數修正器；
圖三A顯示傳統的降壓式功率因數修正器；
圖三B顯示圖三A之傳統的降壓式功率因數修正器的輸入端電壓Vs及電流Is波形示意圖；
圖四顯示具有降升壓式轉換電路之傳統的功率因數修正器；
圖五顯示具有馳返式轉換電路之傳統的功率因數修正器；
圖六顯示具有整合升壓式與降壓式轉換電路之功率因數修正器。
圖七之波形圖顯示功率波與儲能電容CDC
之電壓變動量ΔV間之關係。
圖八顯示根據本發明之一實施例之降壓式功率因數修正系統；
圖九(a)、(b)、(c)顯示圖八之降壓式功率因數修正器之複數能量傳遞路徑。
圖十顯示應用圖八之一實施例子。
圖十一(a)、(b)、(c)顯示當該輸入電壓大於第一與第二儲能裝置之電壓和時，圖十之降壓式功率因數修正系統之電路操作。
圖十二(a)、(b)、(c)顯示當該輸入電壓小於該第一與第二儲能裝置之電壓和但大於該第一儲能裝置之電壓時，圖十之降壓式功率因數修正系統之電路操作。
圖十三(a)、(b)、(c)顯示當該輸入電壓小於該第一儲能裝置之電壓時，圖十之降壓式功率因數修正系統之電路操作。
圖十四顯示應用圖八之另一實施例。
圖十五(a)、(b)、(c)顯示當該輸入電壓大於該第一與第二儲能裝置之電壓和時，圖十四之降壓式功率因數修正系統之電路操作。
圖十六(a)、(b)、(c)顯示當該輸入電壓小於該儲第一與第二儲能裝置之電壓和但大於該第一儲能裝置之電壓時，圖十四之降壓式功率因數修正系統之電路操作。
圖十七(a)、(b)、(c)顯示當該輸入電壓小於該第一儲能裝置之電壓時，圖十四之降壓式功率因數修正系統之電路操作。
1‧‧‧降壓式功率因數修正系統
11‧‧‧第一儲能裝置
12‧‧‧第二儲能裝置
13‧‧‧整流裝置
T1
‧‧‧第一轉換裝置
T2
‧‧‧第二轉換裝置
Load‧‧‧負載
AC‧‧‧電源
Claims (21)
- 一種降壓式功率因數修正系統，包括：一第一儲能裝置，用以儲存與釋放能量；一第一轉換裝置，耦接該第一儲能裝置，用以傳送與轉換能量；一第二儲能裝置，耦接該第一儲能裝置，用以儲存與釋放能量；以及一第二轉換裝置，耦接該第二儲能裝置，用以傳送與轉換能量。
- 如申請專利範圍第1項所述之降壓式功率因數修正系統，更包括：一整流裝置，耦接該第一儲能裝置，接收並整流一電源，進而產生一輸入電壓；以及一負載，耦接該第一儲能裝置。
- 如申請專利範圍第2項所述之降壓式功率因數修正系統，其中第一儲能裝置能量儲存路徑，為複數能量傳遞路徑。
- 如申請專利範圍第3項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該複數能量傳遞路徑包括由該輸入電壓直接對該第一與第二儲能裝置充電，以形成一第一能量傳遞路徑，且該輸入電壓經過該第一轉換裝置對該第一儲能置充電，以形成一第二能量傳遞路徑以及該第二儲能裝置透過該第二轉換裝置對該第一儲能置充電，以形成一第三能量傳遞路徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一與第二儲能裝置係為電容。
- 如申請專利範圍第2項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該整流裝置為係為一橋式整流器。
- 如申請專利範圍第1項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一轉換裝置包括一第一二極體、一第一主動開關晶體以及一第一電感，且該第二轉換裝置包括該第一二極體、該第一主動開關晶體、該第一電感以及一第二主動開關晶體。
- 如申請專利範圍第7項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一能量傳遞路徑係由該輸入電壓經由該第一與第二儲能裝置以及該第二主動開關晶體之旁路二極體所形成，且該第二能量傳遞路徑係由該輸入電壓經由該第一儲能裝置、該第一轉換裝置所形成，且該第三能量傳遞路徑係由該第二儲能裝置經由該第二轉換裝置與第一儲能裝置所形成。
- 如申請專利範圍第8項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一儲能裝置與該負載間形成一第四能量傳遞路徑。
- 如申請專利範圍第7項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第二主動開關晶體用於低頻切換，而該第一主動開關晶體受高頻率的脈波寬度調變所控制，且該脈波寬度係透過一回授信號進行調變。
- 如申請專利範圍第3項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一轉換裝置包括一第一二極體、一第一主動開關晶體以及一第一電感，且該第二轉換裝置包括一第二二極體、一第二主動開關晶體以及一第二電感。
- 如申請專利範圍第11項所述之降壓式功率因數修正系統，更包括：一開關元件，耦接於該第一儲能裝置與該第二儲能裝置之間。
- 如申請專利範圍第12項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該開關元件為一半導體二極體。
- 如申請專利範圍第13項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一能量傳遞路徑係由該輸入電壓經由該第一與第二儲能裝置以及該半導體二極體所形成，且該第二能量傳遞路徑係由該輸入電壓經由該第一儲能裝置、該第一轉換裝置所形成，且該第三能量路徑係由該第一儲能裝置、該第二儲能裝置與該第二轉換裝置所形成。
- 如申請專利範圍第14項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一儲能裝置與該負載間形成一第四能量傳遞路徑。
- 如申請專利範圍第11項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一主動開關晶體與該第二主動開關晶體均受高頻率的脈波寬度調變所控制，且該脈波寬度係可透過回授信號進行調變。
- 如申請專利範圍第1項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該能量為電壓或電流。
- 如申請專利範圍第7項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一轉換裝置之該第一二極體耦接該整流裝置，且該第一轉換裝置之該第一主動開關晶體的一端耦接該第一二極體且其另一端耦接該整流裝置，且該第一轉換裝置之該第一電感之一端耦接該第一二極體且其另一端耦接該第一儲能裝置。
- 如申請專利範圍第18項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第二轉換裝置之該第二主動開關晶體的一端耦接該第一主動開關晶體，且另一端耦接該第二儲能裝置。
- 如申請專利範圍第12項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第一轉換裝置之該第一二極體耦接該整流裝置，且該第一轉換裝置之該第一主動開關晶體的一端耦接該第一二極體且其另一端耦接該整流裝置，且該第一轉換裝置之該第一電感之一端耦接該第一二極體且其另一端耦接該開關元件。
- 如申請專利範圍第20項所述之降壓式功率因數修正系統，其中該第二轉換裝置之該第二二極體耦接該第一二極體，且該第二轉換裝置之該第二主動開關晶體的一端耦接該第二二極體且其另一端耦接該第一主動開關晶體，且該第二轉換裝置之該第二電感的一端耦接該第二二極體且其另一端耦接該開關元件。
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