TWI477044B

TWI477044B - Step-down rectifier

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Publication number: TWI477044B
Application number: TW101129121A
Authority: TW
Original assignee: Univ Nat Kaohsiung Marine
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2015-03-11
Also published as: TW201407943A

Description

降壓型整流器

本發明係關於一種整流器，尤指一種降壓型整流器。

大部分之電子設備均必須使用直流電源供應於其內部之電子電路，而電池充電器及LED照明電路等亦需直流電源供應，而輸配電系統則多以交流電來進行，因此必須使用整流器作為交流和直流之間的電力轉換來提供該直流電源，傳統上整流器大都採用橋式二極體整流器，它具有架構簡單及成本低廉等優點，但是該整流器之直流電源之電壓值無法控制、輸入功因差、輸入的交流電流含有大量諧波成分、輸出直流電源之電壓值較高…等不足之處，因而無法直接供電給電子電路、低壓電池充電及LED照明。

為了滿足諧波管制規範，如IEEE519-1992，IEC1000-3-2及IEC1000-3-4，目前很多電子設備、電池充電器及LED照明電路其輸入電流均要求低諧波失真及高輸入功因。傳統整流器無法滿足諧波管制規範及功因之要求，因此，近年來便有功因修正器(power factor corrector)電路被發展出來，請參閱第一圖所示為習用功因修正器電路(B)，該習用功因修正電路(B)包含一橋式二極體整流器(B1)可供電性連接至一交流電源(B3)，該橋式二極體整流器(B1)電性連接至一升壓電力轉換器(B2)，該升壓電力轉換器(B2)可供電性連接至一負載(B4)，該升壓電力轉換器(B2)包括：一電力電子開關(B22)於並聯該橋式二極體整流器(B1)之路徑上，串聯一電感(B21)；一電容(B23)於並聯該電力電子開關(B22)之路徑上，串聯一二極體(B24)，且該二極體(B24)之陰極電性連接至該電容(B23)，該電容(B23)可供並聯一負載(B4)。

該習用功因修正電路(B)藉由控制該電力電子開關(B22)之開關切換，可在該電感(B21)上進行儲能及釋能，以得到一可控制的輸出直流電壓，並得到一近似弦波之輸入電流，並使輸入功因趨近於單位功因。

惟，該習用功因修正電路(B)之輸出直流電源之電壓值必須高於該交流電源之電壓峰值，因此其輸出直流電源為一高電壓，此直流電源將無法直接供電給電子電路、低壓電池充電及LED照明；因此，必須再結合一高降壓比之降壓電力轉器，以供應較低電壓值之直流電源，因而造成電路架構複雜；且當交流電源之電壓絶對值較低時，由於輸入交流電源之電壓絶對值與輸出直流電源之電壓值差很大，因此該升壓電力轉換器(B2)之升壓比將非常高，造成該習用功因修正電路(B)較低的效率。

另一個整流電路如圖二所示，為用於LED之照明電路(C)，包括：一橋式二極體整流器(C1)可供電性連接至一交流電源(C3)，該橋式二極體整流器(C1)電性連接至一降壓電力轉換器(C2)，該降壓電力轉換器(C2)包括：一二極體(C22)並聯該橋式二極體整流器(C1)之路徑上，串聯一電力電子開關(C21)，且該電力電子開關(C21)之二端分別電性連接至該橋式二極體整流器(C1)之輸出端及該二極體(C22)之陰極；一電容(C24)並聯該二極體(C22)之路徑上，串聯一電感(C23)，且該電感(C23)之一端電性連接至該二極體(C22)之陰極，該電容(C24)可供並聯一負載(C4)。

該照明電路(C)雖然可得到一較低電壓值之輸出直流電源，但當交流電源之電壓絶對值小於該輸出直流電源之電壓值時，其輸入電流將為零，會造成輸入交流電源含有較大之諧波，無法達到單位功因，且較無法滿足諧波管制規範。

為了解決先前技術所述不足之處，本發明者提出一種降壓型整流器，包括：一整流電路：該整流電路可供電性連接至一交流電源。

一整合升降壓電力轉換器：該整合升降壓電力轉換器包括：一升壓電力轉換器之輸入端電性連接至該整流電路之輸出端，該升壓電力轉換器之輸出端電性連接至該降壓電力轉換器之輸入端，該降壓電力轉換器之輸出端可供電性連接至一負載，且該升壓電力轉換器與該降壓電力轉換器共用一第一電力電子開關。

一切換電容電路：該切換電容電路，該切換電容電路電性連接至該升壓電力轉換器之輸出端作為儲能電容，且電性連接至該降壓電力轉換器之輸入端作為輸入電源，該切換電容電路包含兩個電容，該兩個電容可運作成單一電容充電、兩電容串聯充電或兩電容並聯放電等。

藉由上述之構造，該降壓型整流器藉由該升壓電力轉換器及該降壓電力轉換器共用該第一電力電子開關，來簡化該降壓型整流器整體所需電路，並使該降壓型整流器得以調節輸出直流電源的電壓值，且該輸出直流電源之電壓值可遠低於該交流電源之電壓峰值，並可得到一近似弦波之輸入電流，且輸入功因趨近於單位功因，以滿足諧波管制規範及功因之要求，而該切換電容電路可降低該升壓電力轉換器的升壓比，及增加該降壓電力轉換器之降壓比，以提升該降壓型整流器的整體效率。

(A1)‧‧‧降壓型整流器

(A2)‧‧‧交流電源

(A3)‧‧‧負載

(10)‧‧‧整流電路

(11)‧‧‧整合升降壓電力轉換器

(11A)‧‧‧升壓電力轉換器

(11B)‧‧‧降壓電力轉換器

(110)‧‧‧第一電感

(111)‧‧‧第一二極體

(112)‧‧‧第二二極體

(113)‧‧‧第一電力電子開關

(114)‧‧‧第三二極體

(115)‧‧‧第二電感

(116)‧‧‧輸出電容

(12)‧‧‧切換電容電路

(120)‧‧‧第一電容

(121)‧‧‧第二電容

(122)‧‧‧第四二極體

(123)‧‧‧第二電力電子開關

(124)‧‧‧第五二極體

(125)‧‧‧第一端點

(126)‧‧‧第二端點

(127)‧‧‧二極體

(B)‧‧‧習用功因修正電路

(B1)‧‧‧橋式二極體整流器

(B2)‧‧‧升壓電力轉換器

(B21)‧‧‧電感

(B22)‧‧‧電力電子開關

(B23)‧‧‧電容

(B24)‧‧‧二極體

(B3)‧‧‧交流電源

(B4)‧‧‧負載

(C)‧‧‧照明電路

(C1)‧‧‧橋式二極體整流器

(C2)‧‧‧降壓電力轉換器

(C21)‧‧‧電力電子開關

(C22)‧‧‧二極體

(C23)‧‧‧電感

(C24)‧‧‧電容

(C3)‧‧‧交流電源

(C4)‧‧‧負載

第一圖係習用功因修正電路示意圖

第二圖係照明電路示意圖

第三圖係本發明之示意圖

第四圖(a)係當直流電源之電壓值小於設定值，且第一電力電子開關於導通時，各元件作動示意圖

第四圖(b)係當直流電源之電壓值小於設定值，且第一電力電子開關於截止時，各元件作動示意圖

第五圖(a)係當直流電源之電壓值大於設定值，且第一電力電子開關於導通時，各元件作動示意圖

第五圖(b)係當直流電源之電壓值大於設定值，且第一電力電子開關於截止時，各元件作動示意圖

為使本發明之特徵和優點能更明顯易懂，以下茲以本發明之較佳實施例，並配合圖示做詳細說明。

以下說明請配合參閱第三圖所示，本發明係關於一種降壓型整流器(A1)，包括一整流電路(10)、一整合升降壓電力轉換器(11)及一切換電容電路(12)。

該整流電路(10)可供電性連接至一交流電源(A2)，而將該交流電源(A2)轉換成一直流電源。其中本發明所指之該整流電路(10)，較佳為一橋式二極體整流電路，該橋式二極體整流電路主要係由四個二極體組成。

為了使交流電源之輸入電流為一近似弦波之電流及輸入功因趨近於單位功因，該整流電路(10)之輸出端必須電性連接至一升壓電力轉換器(11A)而成為一功因修正器，並且為了供應較低之直流電壓，還必須再電性連接至一降壓電力轉換器(11B)，本發明之降壓型整流器(A1)中該整合升降壓電力轉換器(11A)係將該升壓電力轉換器(11A)與該降壓電力轉換器(11B)整合在一起。

請參考第三圖所示之該降壓型整流器(A1)，該升壓電力轉換器(11)較佳係包括一第一電感(110)之一端電性連接至該整流電路(10)之一輸出端，另一端分別電性連接至一第一二極體(111)之陽極及一第二二極體(112)之陽極，該第一二極體(111)之陰極電性連接至該第一電力電子開關(113)，該第二二極體(112)之陰極電性連接至該切換電容電路(12)。

該降壓電力轉換器(11B)較佳係包括一第三二極體(114)並聯一輸出電容(116)，該輸出電容(116)可供並聯一負載(A3)，該輸出電容(116)並聯該第三二極體(114)之路徑串聯一第二電感(115)，且該第二電感(115)電性連接至該第三二極體(114)陰極，該第三二極體(114)之陽極電性連接至該第一電力電子開關(113)，該第三二極體(114)之陰極電性連接至該切換電容電路(12)。

藉由上述之構造，使該升壓電力轉換器(11A)與該降壓電力轉換器(11B)共用該第一電力電子開關(113)，而可減少所使用之電力電子開關元件，亦可有效簡化該降壓型整流器(A1)的整體電路，其中該第一電力電子開關(113)較佳為MOSFET或IGBT。

請再參考第三圖所示之該降壓型整流器(A1)，該切換電容電路(12)較佳係包括一第一端點(125)及一第二端點(126)及一第一電容(120)及一第二電容(121)，該第一端點(125)分別電性連接至該升壓電力轉換器(11A)之該第二二極體(112)陰極及該降壓電力轉換器(11B)之該第三二極體(114)陰極，該第一電容(120)之一端電性連接至該第一端點(125)，該第一電容(120)之另一端串聯一第四二極體(122)之陽極，該第四二極體(122)之陰極分別電性連接至一第五二極體(124)之陽極及該第二電容(121)之一端，該第五二極體(124)之陰極電性連接至該第一電容(120)之一端；該第四二極體(122)之陽極電性連接至一第二電力電子開關(123)之一端，該第二電容(121)之另一端分別電性連接至該第二電力電子開關(123)之另一端及該第二端點(126)。

請再參考第一圖所示之該降壓型整流器(A1)，藉由上述之構造，該切換電容電路(12)之兩端點(125、126)並聯至該升壓電力轉換器(11A)之輸出端及該降壓電力轉換器(11B)之輸入端，以作為該升壓電力轉換器(11A)之輸出電容及該降壓電力轉換器(11B)之輸入電源。該第一電容(120)、該第四二極體(122)、該第二電容(121)形成兩個電容之串聯充電迴路；該第一電容(120)、該第二電力電子開關(123)形成單一個電容充電迴路；該第一電容(120)、該電力電子開關(123)、該第五二極體(124)與該第二電容(121)形成兩個電容之並聯放電迴路；因此該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與該第二電容(121)可運作成單一電容充電、兩個電容串聯充電及兩個電容並聯放電等。其中，該第二電力電子開關(123)較佳為一MOSFET或一IGBT，且該MOSFET具有一個反向並聯二極體(127)，該IGBT具有一個反向並聯二極體(127)。

以下茲以第四圖(a)、(b)及第五圖(a)、(b)，來分別說明該降壓型整流器(A1)之工作流程。

請參閱第四圖(a)、(b)所示，該交流電源經該整流電路(10)整流後，會變成一直流電源，其電壓值為該交流電源電壓之絶對值，當該直流電源之電壓值小於一設定值時，該第二電力電子開關(123)會形成導通狀態，該設定值為該直流電源之峰值電壓的一半。

請先參閱第四圖(a)所示，當該直流電源之電壓值小於該設定值，且該第一電力電子開關(113)於導通時，該第二二極體(112)、該第三二極體(114)及第四二極體(122)為截止，圖式中以虛線表示，此時該升壓電力轉換器(11A)之動作如下，該整流電路(10)輸出之直流電源經該第一二極體(111)與該第一電力電子開關(113)對該第一電感(110)充電，使該第一電感(110)進行儲能；該降壓電力轉換器(11B)之動作如下，該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與該第二電容(121)經該第五二極體(124)與該第二電力電子開關(123)之反向二極體(127)並聯經該第一電力電子開關(113)對該第二電感(115)與該輸出電容(116)充電，因此，當該第一電力電子開關(113)導通時，該第一電感(110)與該第二電感(115)均經由該第一電力電子開關(113)進行充電儲能，該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與該第二電容(121)運作成並聯放電。

接著，當該直流電源之電壓值小於該設定值，而該第一電力電子開關(113)截止時，請參閱第四圖(b)所示，該第一二極體(111)、該第四二極體(122)、該第五二極體(124)及該第一電力電子開關(113)為截止(圖式中以顏色較淡之線條表示之)此時該升壓電力轉換器(11A)之動作如下，該直流電源經該第一電感(110)及該第二二極體(112)及第二電力電子開關(123)對該第一電容(120) 進行充電，而該第二電容(121)之電壓值則維持不變，即該升壓電力轉換器(11A)之輸出電壓值為該第一電容(120)之電壓值；該降壓電力轉換器(11B)之動作如下，該第二電感(115)經該第三二極體(114)對該輸出電容(116)釋能，此時該切換電容電路(12)之該第一電容(120)運作成單一電容充電。

請參閱第四圖(a)、(b)所示，當該直流電源之電壓值小於該設定值時，該降壓電力轉換器(11B)之輸入電壓為該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與該第二電容(121)之並聯電壓，由於該第一電容(120)與該第二電容(121)採並聯放電可確保其電壓之均衡，該第一電容(120)與該第二電容(121)之電壓和約等於習用功因修正器之輸出直流電壓，因而該第一電容(120)與該第二電容(121)之電壓約為習用功因修正器之輸出直流電壓之一半，因此該降壓電力轉換器(11B)之降壓比可放大兩倍，以增加該第一電力電子開關(113)之責任週期，而該整合升降壓電力轉換器(11)之該升壓電力轉換器(11A)之升壓比約為習用功因修正器中升壓電力轉換器之升壓比之一半，由於升壓轉換器之效率反比於其升壓比，因此本發明降壓型整流器(A1)可得到較高之工作效率。

請參閱第五圖(a)、(b)所示，為當該直流電源之電壓值高於該設定值時，該降壓型整流器(A1)內各元件作動的等效電路示意圖，此時該第二電力電子開關(123)會維持在截止狀態。

請先參閱第五圖(a)所示，當該直流電源之電壓值高於該設定值時，且該第一電力電子開關(113)導通時，該第二二極體(112)、該第三極體(114)、該第四二極體(122)及該第二電力電子開關(123)為截止，圖式中以虛線表示，此時該升壓電力轉換器(11A)之動作如下，該整流電路(10)輸出之該直流電源經該第一二極體 (111)與該第一電力電子開關(113)對該第一電感(110)充電，使該第一電感(110)進行儲能；該降壓電力轉換器(11B)之動作如下，該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與該第二電容(121)經該第五二極體(124)與該第二電力電子開關(123)之反向二極體(127)並聯經該第一電力電子開關(113)對該第二電感(115)與該輸出電容(116)充電，因此，當該第一電力電子開關(113)導通時，該第一電感(110)與該第二電感(115)均經由該第一電力電子開關(113)進行充電儲能，該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與該第二電容(121)運作成並聯放電。

接著，當該直流電源之電壓值高於該設定值時，且該第一電力電子開關(113)為截止時，請參閱第五圖(b)所示，該第一二極體(111)、該第五二極體(124)、該第一電力電子開關(113)及該第二電力電子開關(123)為截止，圖式中以虛線表示，此時該升壓電力轉換器(11A)之動作如下，該直流電源經該第一電感(110)及該第二二極體(112)對該切換電容電路(12)充電，此時該第四二極體(122)導通，該第一電容(120)與該第二電容(121)係進行串聯充電；該降壓電力轉換器(11B)之動作如下，該第二電感(115)經該第三二極體(114)對該輸出電容(116)釋能，此時該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與該第二電容(121)運作成串聯充電。

縱上所述，本發明之降壓型整流器(A1)之優點在於：

(1)該升壓電力轉換器(11A)及該降壓電力轉換器(11B)共同使用該第一電力電子開關(113)，而簡化該降壓型整流器(A1)所需電路。

(2)藉由控制該第一電力電子開關(113)作高頻脈寬調變切換，而得到可調節的該輸出直流電壓，並在交流輸入端得到一近似弦波之電流及其輸入功因趨近於單位功因。

(3)當該整流電路(10)輸出之該直流電源之電壓值低於該設定值時，該升壓電力轉換器(11A)僅對該切換電容電路(12)之電容(120)充電，意即於該交流電源電壓較低時可減小升壓比；而放電時該切換電容電路(12)之該第一電容(120)與第二電容(121)採用並聯方式對該降壓電力轉換器(11B)放電，如此可增加該降壓電力轉換器(11B)之降壓比，以提升該降壓型整流器(A1)的整體效率，且該第一電容(120)與第二電容(121)並聯放電可確保其電壓之均衡。

(4)該降壓型整流器(A1)的輸出直流電源之電壓值可遠低於該交流電源之電壓峰值。

綜上所述，本發明確實符合產業利用性，且未於申請前見於刊物或公開使用，亦未為公眾所知悉，且具有非顯而易知性，符合可專利之要件，爰依法提出專利申請。

惟上述所陳，為本發明在產業上一較佳實施例，舉凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化，皆屬本案訴求標的之範疇。