TWI472135B

TWI472135B - 主動式功因修正器

Info

Publication number: TWI472135B
Application number: TW101146307A
Authority: TW
Inventors: Chih Ling Yang; Chih Shuo Yang; Chao Hua Yang
Original assignee: Chang Mei Ling
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2015-02-01
Also published as: TW201424228A

Description

主動式功因修正器

本發明技術特徵之一在於整合電子學與電力電子學上電路分析與設計的新發明，將直流電路恆流源電路與電橋電路設計原理加以推導擴大應用至交流電源電路並實用化，讓原先局限應用於直流電路設計領域擴展創新於交流電源電路設計的發明。

為了改善電力系統供電品質，電力公司都會要求終端用戶(負載)必須具有某一程度以上的功率因數(Power Factor)與某一程度以下的諧波失真(Harmonic Distortion)。

因此為了提升功率因數，皆會在電源輸入端與負載間增加一組功因修正器(電路)以符合電力公司要求。

功因修正器(電路)，目前區分為兩大類。由電阻、電容、電感等純被動元件組成的，就稱為被動式功因修正器(電路)，適用于大功率場合，由主動元件與電阻、電容、電感等組成的，稱為主動式功因修正器(電路)，適用于中、低功率場合。

主動式功因修正器(電路)，目前是以PWM控制電路架構為主，若終端負載是直流負載則大都祇需一級就可完成，所以EMI較小，效率也較高。若終端負載是交流負載，一般都需二級才能完成，第一級是以Boost或Buck-Boost為架構的DC/DC Converter，第二級則為DC/AC Inverter，所以EMI大，效率也低，故PWM主動式功因修正器(電路)大都用於中小功率系統(負載)。

請參考圖一之習知技藝，交流電源V_ac/i_ac11直接接至負載Z_L12，故電力供應系統之品質將大幅下滑。

請參考圖二之另一習知技術，交流電源V_ac/i_ac21接至功因修正器(PFC)23再接至負載Z_L22，所以電力供應系統品質將可大幅改善。

本發明主要技術特徵之一請先考圖六。交流電源V_ac/i_ac60經全波整流電路61產生脈動直流電源V_acm/i_acm601並接至Q₁69與Q₂610，同時也接至介面電路62產生脈動直流參考電源V_acr/i_acr602。脈動直流參考電源V_acr/i_acr602則接至介面電路63、介面電路64、介面電路65、介面電路66以產生、V₁、V₂、V_re3、V_re4之控制信號。

上臂主動元件(Q₁69、Q₂610)、下臂主動元件(Q₃611、Q₄612)與電阻R_e3613、R_e4614及阻抗負載(中間臂)Z_L615組合成一橋式連接電路，其中Q₁69與Q₂610是被設計當開關，故工作於截止/飽和區，Q₁69、Q₄610不能同時開(ON)或同時關(OFF)，Q₃611、Q₄612 是被設計做線性放大，故工作於工作區，Q₃611、Q₄612也不能同時動作，一個動作，另一個則需停止。

Q₁69、Q₄612是一組，Q₂610、Q₃611是另外一組，當Q₁69開(ON)，則Q₄612也動作，此時Q₂610必須是關(OFF)，Q₃611也不能動作；當Q₂610開(ON)，則Q₃611也動作，此時Q₁69必須是關(OFF)，Q₄612也不能動作。相關時序請參考圖六。

其中監控系統68之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路62、介面電路63、介面電路64、介面電路65、介面電路66、介面電路67，和主動元件Q₁69、Q₂610、Q₃611、Q₄612以讀取相關電壓、電流、溫度有關資料，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。

因為交流電源V_ac/i_ac60、脈動直流電源V_acm/i_acm601、脈動直流參考電源V_acr/i_acr602與V_re3、V_re4被設計成同頻同相，且Q₃611、Q₄612工作於工作區，故交流電源V_ac60之電流i_ac、脈動直流電源V_acm601之電流i_acm、脈動直流參考電源V_acr602之電流i_acr必然也是同頻同相，所以脈動直流電源V_acm/i_acm601之電壓、電流是同頻同相，脈動直流參考電源V_acr/i_acr602之電壓、電流也是同頻同相，故交流電源V_ac/i_ac60之電壓、電流也一定是同頻同相，因而達成功因修正目的。

監控系統任務就是在確保整體系統穩定工作於所設定之工作模式。

R_L、R_e、R_e3、R_e4‧‧‧電阻

Z_L‧‧‧電阻、電容、電感組合而成的雙端等效零件(負載)

V_ac/i_ac‧‧‧交流電源

V_acm/i_acm‧‧‧脈動直流電源

V_acr/i_acr‧‧‧脈動直流參考電源

V_re3、V_re4‧‧‧電阻R_e3、R_e4二端電壓

V_re‧‧‧電阻R_e二端電壓

Q₁、Q₂、Q₃、Q₄‧‧‧主動元件(如BJT、MOSFET有關元件)

i_e、i_c、i_b‧‧‧電流

V_dc/I_dc‧‧‧直流電源

I_e、I_c、I_b‧‧‧電流

圖一習知不具功因修正器之負載架構

圖二習知具功因修正器之負載架構

圖三本發明直流電壓、電流同相原理

圖四本發明脈動直流電壓、電流同相原理

圖五本發明交流電源電壓、電流同相原理

圖六本發明主動式功因修正器實施例電路架構

圖七本發明主動式功因修正器具體實施例電路架構

本發明主要技術特徵之一的直流電壓、電流同相結構，請參考圖三。根據習知電子學理論可知，當主動元件Q31處於工作區，主動元件Q是BJT、MOSFET等相關之主動元件，直流電源V_dc35之輸出電流I_dc必等於I_c且約為V_re/R_e的值，其間並不會隨V_dc35、電阻R_L32大小改變而改變，故直流電源將會輸出一固定電流，其大小約為V_re/R_e。V_re是可調控的，其大小可利用外部介面電路34、參考電源V_ref36之電路設計來達成此功效。

本發明另一技術特徵之一則是脈動電壓、電流同相結構，請參考圖四，並對照圖三。其中Z_L42取代R_L32，V_acm45取代V_dc35，若Q處於工作區，則

令V_re與V_acm45同頻同相，則i_acm便與V_acm同頻同相且不因V_acm45與Z_L42大小改變而改變。

因為V_acm與V_re可能是弦波整流後波形，故在n π(n=0,1,2...)附近會使Q無法工作於工作區而造成i_acm與V_acm不同相，但不影響本發明整體設計。

Z_L42：雙端等效零件(電阻、電容、電感組合而成)

V_acm/i_acm45：脈動直流電源

本發明又一技術特徵則是利用所述之交流電源其電壓、電流同相結構，請參考圖五，並對照圖三、圖四。交流電源50經全波整流電路51產生脈動直流電源V_acm/i_acm501，並接至Z_L55，並經介面電路52產生脈動直流參考電源V_acr/i_acr502，再接至介面電路53，若Q56處於工作區，V_re與V_acm同頻同相，則i_acm便與V_acm同頻同相，不因V_acm501與ZL55大小改變而改變。

交流電源50經全波整流51與介面電路52產生V_acm/i_acm501、V_acr/i_acr502，且都同頻同相。V_acr經介面電路53產生所需之V_re，故V_re也與V_acr同頻同相。

又因為，故V_acm、i_acm、V_acr、i_acr同頻同相，所以交流電源之V_ac與i_ac便同相。

其中監控系統54之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路52、介面電路53、主動元件Q56，以讀取相關電壓、電流、溫度等資料參數，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。

除此之外，監控系統54再藉由相關介面電路讀取電阻、電容、電感組合而成的雙端等效零件Z_L55電壓、電流等相關資料而經介面電路53調控產生所需之V_re大小，以確保主動元件Q56處於工作區。

本發明類比主動式功因修正器(電路)實施例電路架構請參考圖六。交流電源60經全波整流電路61產生脈動直流電源V_acm/i_acm601，並接至Q₁69、Q₂610，再經介面電路62產生脈動直流參考電源V_acr/i_acr602，並接至介面電路63、介面電路64、介面電路65、介面電路66；當Q₁69呈現ON(V₁為Hi電位)，則Q₂610OFF(V₂為Lo電位)，此時V_re3為零，V_re4則不為零且是與V_acm601同頻同相之脈動直流電，因此i_acm經Q₁69流至Z_L615再經Q₄612、R_e4614流回，故也與V_acm601幾乎同相；當Q₁69 OFF(V₁為Lo電位)，則Q₂610為ON(V₂為Hi電位)，此時V_re3不為零且是與V_acm601同頻同相之脈動直流電，而V_re4則為零。故i_acm便經由Q₂610流至Z_L615再經Q₃611、R_e3613流回，所以也與V_acm601幾乎同相。

因此負載Z_L615二端電壓、電流變化就如同外接一交流電源，但其電壓、電流幾乎同相，因而達成功因修正目的。

Z_L615：雙端等效零件(電阻、電容、電感組合而成)

將上述技術特徵具體呈現的本發明另一實施例，請參考圖七，並對照圖六。交流電源70經全波整流電路71產生脈動直流電源V_acm/i_acm701，並接至Q₁79、Q₂710，再經介面電路72產生脈動直流參考電源V_acr/i_acr702，並接至介面電路73、介面電路74、介面電路75、介面電路76，其中交流馬達(AC Motor)715取代負載Z_L615，交流馬達715若直接接至交流電源70，必然產生功因下降問題，而造成供電系統供電品質大幅下降。現將交流馬達715接至如圖七電路(功因修正電路)；在某半週時，Q₁79 ON、Q₄712工作，Q₂710 OFF、Q₃711不動作，因此i_acm經Q₁79流至交流馬達715再經Q₄712、R_e4714流回，而驅動交流馬達715且其與V_acm大約同相，故V_ac/i_ac70也因此大約同相；在某另半週時，Q₁79 OFF、Q₄712不動作，Q₂710 ON、Q₃711工作，因此i_acm經Q₂710流至交流馬達715再經Q₃711、R_e3713流回，而驅動交流馬達715且其與V_acm大約同相，故V_ac/i_ac70於此半週也大約同相。

因此交流馬達715就如同外接一交流電源且功能不變的正常工作，但對供電系統而言，其電壓、電流又大約同相，因此就達到功因修正目的。

Q₁79、Q₂710、Q₃711、Q₄712是主動元件，可以是BJT、MOSFET等相關主動元件。

全波整流就是一般橋式整流，大都由二極體組成。V_acr702經介面電路73，介面電路74產生V₁、V₂。V_acr702經介面電路75，介面電路76產生V_re3、V_re4。

其中監控系統78之多組輸入/輸出端也分別接至介面電路72、介面電路73、介面電路74、介面電路75、介面電路76、介面電路77，和主動元件Q₁79、Q₂710、Q₃711、Q₄712以讀取相關電壓、電流、溫度有關資料，並適時適當的送出所需的調控信號，以利系統順利的工作於所設訂之模式。

以上各單元電路可由相關電子電路設計來完成。本發明所作組合而應用至功因修正器(電路)設計之學理與電路架構觀念是不可多得的發明，且可以用於電器產品有關之裝置。

60‧‧‧交流電源(單相或多相)V_ac/i_ac

61‧‧‧全波整流

62、63、64、65、66、67‧‧‧介面電路

68‧‧‧監控系統

69、610、611、612‧‧‧主動元件Q₁、Q₂、Q₃、Q₄

613、614‧‧‧電阻R_e3、R_e4

615‧‧‧電阻、電容、電感組合之等效阻抗負載Z_L

601‧‧‧脈動直流電源V_acm/i_acm

602‧‧‧脈動直流參考電源V_acr/i_acr

Claims

一種主動式功因修正器，包括：一全波整流電路，其經配置以接收一經輸入的交流電源，並對該經輸入的交流電源進行整流後以輸出一脈動直流電源；一第一介面電路，耦接至該全波整流電路的輸出，且其經配置以反應於該脈動直流電源而產生並輸出一脈動直流參考電源；多個第二介面電路，分別耦接至該第一介面電路的輸出以接收該脈動直流參考電源；以及一電橋電路，耦接至該全波整流電路的輸出與該些第二介面電路的輸出，且其經配置以反應於該些第二介面電路的輸出而操作在類比線性放大狀態，進而供應一電壓與電流同相位的交流電源給一負載，從而實現功因修正。
如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其中該經輸入的交流電源為單相電源或多相電源。
如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其中該全波整流電路是由二極體組成的橋式整流。
如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其中該電橋電路為單相橋式結構或多相橋式結構。
如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其中該電橋電路包含至少兩路橋臂，每一路橋臂係由依序串接的上臂主動元件、下臂主動元件與一個被動元件所組成，且該負載跨視為該電橋電路的中間臂。
如申請專利範圍第5項所述之主動式功因修正器，其中該電橋電路之二個上臂主動元件的作動係依循該經輸入之交流電源的相位時序而為互補，且其中一路橋臂的下臂主動元件係跟隨另一路橋臂的上臂主動元件動作。
如申請專利範圍第5項所述之主動式功因修正器，其中該電橋電路之二個上臂主動元件係工作於飽和區或截止區而被當作開關使用，且該電橋電路之二個下臂主動元件係工作於工作區以行使類比線性放大功能。
如申請專利範圍第5項所述之主動式功因修正器，其中該些主動元件係以BJT或MOSFET來實施，而該些被動元件係以電阻零件來實施。
如申請專利範圍第5項所述之主動式功因修正器，更包括：一第三介面電路，耦接至該負載；以及一監控系統，耦接至該第一介面電路、該些第二介面電路、該第三介面電路、該些主動元件，用以讀取相應於該主動式功因修正器的電壓、電流和溫度資料，藉以作為應用有該主動式功因修正器之系統的控制依據，進而使該系統工作於一所設定的模式。
如申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正器，其中該主動式功因修正器係適用於電器產品之裝置。