TWI441429B - 無橋交錯式功率因數調整電路 - Google Patents

Description

無橋交錯式功率因數調整電路

本發明是有關於一種功率因數調整電路，特別是有關於一種無橋交錯式功率因數調整電路。

目前，市場上大部分的交直流電源控制裝置，如變頻控制窗型冷氣、中央空調系統之各種變頻驅動器或交流感應馬達之速度控制，主要可分為三大控制方式，分別為極數控制、功率控制及頻率控制，最前者極數控制的變極數接線十分複雜，次者功率控制則需穩定負載方可使用，而變頻率控制在現今的交直流電源控制產業裡具有其優勢，尤為交流感應馬達之速度控制的最佳方法。

變頻率控制將交流電轉變為直流電，再將它切換成不同頻率的交流電以驅動馬達。因此，如何提供高效率、高功率因數、低漣波電流及大容量的交流轉直流轉換器已成為一個研究與應用上日趨重要的課題。

現今已被提出來的電路模組有：

(1)功因調整電路，其優點在於提高功率因數。

(2)無橋式整流功因調整電路，其優點在於提高效率。

(3)交錯式功因調整電路，其優點在於減少漣波電流。

惟效率、功率因數、漣波電流及成本均為現今市場應用上極為重視的要點。因此，以需求來說，要同時具有如上述幾點優點之理想的功率因數調整電路，已成市場應用上刻不容緩的問題。

有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提供無橋交錯式功率因數調整電路，以解決目前現有電路在效率、功率因數、漣波電流及成本不符合市場需求的問題。

根據本發明之目的，提出一種無橋交錯式功率因數調整電路，係包含電壓源、第一電流感應單元、第二電流感應單元以及切換單元組。其中電壓源產生正弦波交流電壓訊號。第一電流感應單元連接電壓源並接收正弦波交流電壓訊號之正半週週期，且第一電流感應單元具有第一輸出電壓及第二輸出電壓。第二電流感應單元連接電壓源並接收該正弦波交流電壓訊號之負半週週期，並第二電流感應單元具有第三輸出電壓及第四輸出電壓。切換單元組係包含第一切換單元、第二切換單元、第三切換單元、第四切換單元、電容、負載電阻以及總輸出電壓。其中第一切換單元、第二切換單元、第三切換單元、第四切換單元、電容、負載電阻以及總輸出電壓彼此並聯，且第一電流感應單元連接第一切換單元和第二切換單元，第二電流感應單元連接第三切換單元和第四切換單元。此外，在電壓源之波形為正半週週期期間，當第一切換單元導通之階段，第一電流感應單元傳送第一電流流進第二切換單元，並經由負載電阻和第四切換單元流回第二電流感應單元；當第一切換單元截止之階段，第一電流感應單元傳送第二電流流進第一切換單元，並經由負載電阻和第三切換單元流回第二電流感應單元。而在電壓源之波形為負半週週期期間，當第三切換單元導通之階段，第二電流感應單元傳送第三電流流進第四切換單元，並經由負載電阻和第二切換單元流回第一電流感應單元；當第三切換單元截止之階段，第二電流感應單元傳送第四電流流進第三切換單元，並經由負載電阻和第一切換單元流回第一電流感應單元。

其中，第一切換單元係包含第一二極體及第一電晶體，第一電晶體之汲極串聯第一二極體之輸入端；第二切換單元係包含第二二極體及第二電晶體，第二電晶體之汲極串聯第二二極體之輸入端；第三切換單元係包含第三二極體及第三電晶體，第三電晶體之汲極串聯第三二極體之輸入端；第四切換單元係包含第四二極體及第四電晶體，第四電晶體之汲極串聯第四二極體之輸入端。其中第一二極體、第二二極體、第三二極體及第四二極體之輸出端連接在一起，並並聯電容、負載電阻及總輸出電壓之正電端；且第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體及第四電晶體之源極連接在一起，並並聯電容、負載電阻及總輸出電壓之負電端。此外，在電壓源之波形為正半週週期期間，當第一電晶體觸發導通之階段，第一電流感應單元傳送第一電流流經第二二極體之輸入端與輸出端，並經由負載電阻和第四電晶體之源極和汲極流回第二電流感應單元；當第一電晶體截止之階段，第一電流感應單元傳送第二電流流經第一二極體之輸入端與輸出端，並經由負載電阻和第三電晶體之源極和汲極流回第二電流感應單元。在電壓源之波形為負半週週期期間，當第三電晶體觸發導通之階段，第二電流感應單元傳送第三電流流經第四二極體之輸入端與輸出端，並經由負載電阻和第二電晶體之源極和汲極流回第一電流感應單元；當第三電晶體截止之階段，第二電流感應單元傳送第四電流流經第三二極體之輸入端與輸出端，並經由負載電阻和第一電晶體之源極和汲極流回第一電流感應單元。

其中，無橋交錯式功率因數調整電路更包括一控制電路連接於電壓輸入源與切換單元組之間，控制電路分別連接第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體及第四電晶體之閘極，且控制電路分別傳送電壓訊號至第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體及第四電晶體之閘極；當電壓訊號經過緩衝器至閘極時，則電晶體觸發導通，若電壓訊號未經過緩衝器至閘極時，則電晶體截止。此外控制電路為一開迴路控制電路或閉迴路控制電路。

其中，開迴路控制電路接收電壓輸入源之輸入電壓與切換單元組之輸入電流，進而使得輸入電流與輸入電壓調整成同相位。而閉迴路控制電路接收電壓輸入源之輸入電壓與切換單元組之總輸出電壓，進而使得總輸出電壓能維持在一常壓，且切換單元組之負載電阻值之大小並不會影響總輸出電壓維持在一常壓。

其中，第一電流感應單元包含第一電感以及第二電感；第二電流感應單元包含第三電感以及第四電感。且第一電感連接第一二極體之輸入端，第二電感連接第二二極體之輸入端，第三電感連接第三二極體之輸入端，第四電感連接第四二極體之輸入端。此外，無橋交錯式功率因數調整電路其交流電壓之頻率與搭配之兩組電流感應單元之值成一反比。

承上所述，依本發明之無橋交錯式功率因數調整電路，其可具有一個或多個下述優點：

(1)功因調整其輸入端的功率因數趨近於1。

(2)無橋式整流電路效率提升至0.96以上。

(3)交錯式功因調整電路之漣波電流減為一般之十分之一。

(4)降低了整流器額外的需求成本。

(5)輸出電壓更穩定，以應付更大電流的負載。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之無橋交錯式功率因數調整電路之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之無橋交錯式功率因數調整電路之主電路圖。該圖中，包含一電壓源10、第一電流感應單元11、第二電流感應單元12以及切換單元組13。其中電壓源10產生正弦波交流電壓訊號。第一電流感應單元11連接電壓源10並接收正弦波交流電壓訊號之正半週週期，且第一電流感應單元11具有第一輸出電壓V1及第二輸出電壓V2。第二電流感應單元12連接電壓源10並接收該正弦波交流電壓訊號之負半週週期，並第二電流感應單元12具有第三輸出電壓V3及第四輸出電壓V4。切換單元組13包含第一切換單元131、第二切換單元132、第三切換單元133、第四切換單元134、電容C、負載電阻R以及總輸出電壓Vo。其中第一切換單元131、第二切換單元132、第三切換單元133、第四切換單元134、電容C、負載電阻R以及總輸出電壓Vo彼此相互並聯在一起，且第一電流感應單元11連接第一切換單元131和第二切換單元132，第二電流感應單元12連接第三切換單元133和第四切換單元134。

承接上述，在電壓源10之波形為正半週週期的期間時，當第一切換單元131導通的階段，第一電流感應單元11會傳送第一電流流進第二切換單元132，並經由負載電阻R和第四切換單元134流回第二電流感應單元12；而當第一切換單元131截止的階段，第一電流感應單元11傳送第二電流流進第一切換單元131，並經由負載電阻R和第三切換單元133流回第二電流感應單元12。而在電壓源10之波形為負半週週期的期間，當第三切換單元133導通的階段，第二電流感應單元12傳送第三電流流進第四切換單元134，並經由負載電阻R和第二切換單元132流回第一電流感應單元11；當第三切換單元133截止的階段，第二電流感應單元12傳送第四電流流進第三切換單元133，並經由負載電阻R和第一切換單元131流回第一電流感應單元11。

此外，第一切換單元131包含第一二極體D1及第一電晶體M1，第一電晶體M1之汲極串聯第一二極體D1之輸入端；第二切換單元132包含第二二極體D2及第二電晶體M2，第二電晶體M2之汲極串聯第二二極體D2之輸入端；第三切換單元133包含第三二極體D3及第三電晶體M3，第三電晶體M3之汲極串聯第三二極體D3之輸入端；第四切換單元134包含第四二極體D4及第四電晶體M4，第四電晶體M4之汲極串聯第四二極體D4之輸入端。而這些第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4之輸出端連接在一起，並並聯電容C、負載電阻R及總輸出電壓Vo之正電端；並且這些第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3及第四電晶體M4之源極連接在一起，並並聯電容C、負載電阻R及總輸出電壓Vo之負電端。

進一步詳述的是，在電壓源10之波形為正半週週期期間，當第一電晶體M1觸發導通之階段，第一電流感應單元11傳送第一電流流經第二二極體D2之輸入端與輸出端，並經由負載電阻R和第四電晶體M4之源極和汲極流回第二電流感應單元12；當第一電晶體M1截止之階段，第一電流感應單元11傳送第二電流流經第一二極體D1之輸入端與輸出端，並經由負載電阻R和第三電晶體M3之源極和汲極流回第二電流感應單元12。而在電壓源10之波形為負半週週期期間，當第三電晶體M3觸發導通之階段，第二電流感應單元12傳送第三電流流經第四二極體D4之輸入端與輸出端，並經由負載電阻R和第二電晶體M2之源極和汲極流回第一電流感應單元11；當第三電晶體M3截止之階段，第二電流感應單元12傳送第四電流流經第三二極體D3之輸入端與輸出端，並經由負載電阻R和第一電晶體D1之源極和汲極流回第一電流感應單元11。

請參閱第2圖及第4圖，無橋交錯式功率因數調整電路更包括一控制電路連接於電壓輸入源10與切換單元組13之間，進一步說明，控制電路分別連接第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3及第四電晶體M4之閘極，且控制電路分別傳送電壓訊號至第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3及第四電晶體M4之閘極；當電壓訊號經過緩衝器至閘極時，則電晶體觸發導通，若電壓訊號未經過緩衝器至閘極時，則電晶體截止。此外，控制電路為一開迴路控制電路20或閉迴路控制電路21。

承上所述，開迴路控制電路20接收電壓輸入源10之輸入電壓Vin與切換單元組13之輸入電流，進而使得輸入電流與輸入電壓Vin調整成同相位。而閉迴路控制電路21接收電壓輸入源10之輸入電壓Vin與切換單元組13之總輸出電壓Vo，進而使得總輸出電壓Vo能維持在一常壓，且切換單元組13之負載電阻R之值的大小並不會影響總輸出電壓Vo維持在一常壓。

在本實施例中，第一電晶體M1、第二電晶體M2、第三電晶體M3以及第四電晶體M4皆為p型電晶體。且第一電流感應單元11包含第一電感L1以及第二電感L2；第二電流感應單元12包含第三電感L3以及第四電感L4，此四個電感皆為高頻偶合式電感。此外，第一電感L1連接第一二極體D1之輸入端，第二電感L2連接第二二極體D2之輸入端，第三電感L3連接第三二極體D3之輸入端，第四電感L4連接第四二極體D4之輸入端。

在本實施例中，第一電流感應單元11及該第二電流感應單元12稱為一耦合式昇壓型功因調整電路，該切換單元組13為一交錯式功因調整電路。

順帶一提的是，無橋交錯式功率因數調整電路其交流電壓之頻率與搭配之兩組電流感應單元11、12之值成一反比。

綜上所述，本發明之無橋交錯式功率因數調整電路，結合了無橋式整流功因調整電路及交錯式功因調整電路之概念，藉由擷取其各自優點發展而成的一種具有高功率因數與高效能之昇壓穩壓電路。其具有如下特點：

(1)功因調整其輸入端的功率因數趨近於1。

(2)無橋式整流電路效率提升至0.96以上。

(3)交錯式功因調整電路之漣波電流減為一般之十分之一。

(4)降低了整流器額外的需求成本。

(5)輸出電壓更穩定，以應付更大電流的負載。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10．．．電壓源

11．．．第一電流感應單元

12．．．第二電流感應單元

13．．．切換單元組

20．．．開迴路控制電路

21．．．閉迴路控制電路

131．．．第一切換單元

132．．．第二切換單元

133．．．第三切換單元

134．．．第四切換單元

Vin．．．輸入電壓

L1．．．第一電感

L2．．．第二電感

L3．．．第三電感

L4．．．第四電感

V1．．．第一輸出電壓

V2．．．第二輸出電壓

V3．．．第三輸出電壓

V4．．．第四輸出電壓

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

D4．．．第四二極體

M1．．．第一電晶體

M2．．．第二電晶體

M3．．．第三電晶體

M4．．．第四電晶體

C．．．電容

R．．．負載電阻

以及

Vo．．．總輸出電壓

第1圖　係為本發明之無橋交錯式功率因數調整電路之主電路圖；

第2圖　係為本發明之無橋交錯式功率因數調整電路之主電路含開迴路控制電路圖；

第3圖　係為本發明之無橋交錯式功率因數調整電路之主電路含開迴路控制電路的模擬結果圖；

第4圖　係為本發明之無橋交錯式功率因數調整電路之主電路含閉迴路控制電路圖；以及

第5圖　係為本發明之無橋交錯式功率因數調整電路之主電路含閉迴路控制電路的模擬結果圖。

10．．．電壓源

11．．．第一電流感應單元

12．．．第二電流感應單元

13．．．切換單元組

131．．．第一切換單元

132．．．第二切換單元

133．．．第三切換單元

134．．．第四切換單元

V1．．．第一輸出電壓

V2．．．第二輸出電壓

V3．．．第三輸出電壓

V4．．．第四輸出電壓

C．．．電容

R．．．負載電阻

以及

Vo．．．總輸出電壓

Claims (11)

1. 一種無橋交錯式功率因數調整電路，係包含：一電壓源，係產生一正弦波交流電壓訊號；一第一電流感應單元，係連接該電壓源並接收該正弦波交流電壓訊號之一正半週週期，並該第一電流感應單元具有一第一輸出電壓及一第二輸出電壓；一第二電流感應單元，係連接該電壓源並接收該正弦波交流電壓訊號之一負半週週期，並該第二電流感應單元具有一第三輸出電壓及一第四輸出電壓；以及一切換單元組，係包含：一第一切換單元；一第二切換單元；一第三切換單元；一第四切換單元；一電容；一負載電阻；以及一總輸出電壓；其中，該第一切換單元、該第二切換單元、該第三切換單元、該第四切換單元、該電容、該負載電阻以及該總輸出電壓彼此並聯，並該第一電流感應單元連接該第一切換單元和該第二切換單元，該第二電流感應單元連接該第三切換單元和該第四切換單元；其中，在該電壓源之波形為一正半週週期期間，當該第一切換單元導通之階段，該第一電流感應單元傳送一第一電流流進該第二切換單元，並經由該負載電阻和該第四切換單元流回該第二電流感應單元；當該第一切換單元截止之階段，該第一電流感應單元傳送一第二電流流進該第一切換單元，並經由該負載電阻和該第三切換單元流回該第二電流感應單元；在該電壓源之波形為一負半週週期期間，當該第三切換單元導通之階段，該第二電流感應單元傳送一第三電流流進該第四切換單元，並經由該負載電阻和該第二切換單元流回該第一電流感應單元；當該第三切換單元截止之階段，該第二電流感應單元傳送一第四電流流進該第三切換單元，並經由該負載電阻和該第一切換單元流回該第一電流感應單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中：該第一切換單元係包含：一第一二極體；以及一第一電晶體，該第一電晶體之汲極串聯該第一二極體之輸入端；該第二切換單元係包含：一第二二極體；以及一第二電晶體，該第二電晶體之汲極串聯該第二二極體之輸入端；該第三切換單元係包含：一第三二極體；以及一第三電晶體，該第三電晶體之汲極串聯該第三二極體之輸入端；該第四切換單元係包含：一第四二極體；以及一第四電晶體，該第四電晶體之汲極串聯該第四二極體之輸入端；其中，該第一二極體、該第二二極體、該第三二極體及該第四二極體之輸出端連接在一起，並並聯該電容、該負載電阻及該總輸出電壓之正電端；且該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體之源極連接在一起，並並聯該電容、該負載電阻及該總輸出電壓之負電端；其中，在該電壓源之波形為該正半週週期期間，當該第一電晶體觸發導通之階段，該第一電流感應單元傳送該第一電流流經該第二二極體之輸入端與輸出端，並經由該負載電阻和該第四電晶體之源極和汲極流回該第二電流感應單元；當該第一電晶體截止之階段，該第一電流感應單元傳送該第二電流流經該第一二極體之輸入端與輸出端，並經由該負載電阻和該第三電晶體之源極和汲極流回該第二電流感應單元；在該電壓源之波形為該負半週週期期間，當該第三電晶體觸發導通之階段，該第二電流感應單元傳送該第三電流流經該第四二極體之輸入端與輸出端，並經由該負載電阻和該第二電晶體之源極和汲極流回該第一電流感應單元；當該第三電晶體截止之階段，該第二電流感應單元傳送該第四電流流經該第三二極體之輸入端與輸出端，並經由該負載電阻和該第一電晶體之源極和汲極流回該第一電流感應單元；其中，該無橋交錯式功率因數調整電路，更包括一控制電路，連接該電壓輸入源與該切換單元組之間，並該控制電路分別連接該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體之閘極，且該控制電路分別傳送一電壓訊號至該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體及該第四電晶體之閘極；當該電壓訊號經過一緩衝器至該閘極時，則該電晶體觸發導通，若該電壓訊號未經過該緩衝器至該閘極時，則該電晶體截止。
3. 如申請專利範圍第2項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該控制電路係為一開迴路控制電路。
4. 如申請專利範圍第2項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該控制電路係為一閉迴路控制電路。
5. 如申請專利範圍第3項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該開迴路控制電路接收該電壓輸入源之一輸入電壓與該切換單元組之一輸入電流，進而使得該輸入電流與該輸入電壓調整成同相位。
6. 如申請專利範圍第4項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該閉迴路控制電路接收該電壓輸入源之一輸入電壓與該切換單元組之該總輸出電壓，進而使得該總輸出電壓能維持在一常壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該切換單元組之該負載電阻值之大小不影響該總輸出電壓維持在一常壓。
8. 如申請專利範圍第2項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體以及該第四電晶體皆為p型電晶體。
9. 如申請專利範圍第2項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該第一電流感應單元包含一第一電感以及一第二電感，該第一電感連接該第一二極體之輸入端，該第二電感連接該第二二極體之輸入端；該第二電流感應單元包含一第三電感以及一第四電感，該第三電感連接該第三二極體之輸入端，該第四電感連接該第四二極體之輸入端。
10. 如申請專利範圍第1項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該第一電流感應單元及該第二電流感應單元係為一耦合式昇壓型功因調整電路，該切換單元組為一交錯式功因調整電路。
11. 如申請專利範圍第1項所述之無橋交錯式功率因數調整電路，其中該交流電壓之頻率與搭配之該第一電流感應單元及該第二電流感應單元之值成一反比。