TWI485544B - Power factor improvement circuit - Google Patents

Description

功率因數改善電路

本發明係有關一種功率因數改善電路，特別是指一種體積小、成本低廉，並且可設計於全壓90~264V輸入下，達到PF控制於0.90以上的功率因數改善電路。

按，近年來消費性電子產品及LED驅動電路市場不斷成長，使得電源轉換器必須更省電和小型化，現今許多電力電子相關設備經常使用傳統交流/直流轉換器(AC/DC Converter)，傳統交流/直流轉換器，乃由四個二極體與輸出電容所組成，又稱為峰值整流器(Peak Rectifier)，其優點為造價低廉、電路穩定，但也同時具有低功率因數與高諧波(Harmonics)等缺點。

因此，單以電能而言，提高功率因數(Power Factor，PF)，也能夠同時提高電能使用率，目前常見的解決方法為裝設功率因數修正器(Power Factor Correction，PFC)，並結合一典型脈寬調變器(PWM)電路(如第一圖所示)，其雖然可以將功率因數提升於0.98~0.99之間，但卻存因為整體系統之體積較大且成本較高，而造成小型化電子產品應用上的限制。

另外一種屬於被動式的功率因數控制技術係使用被 動式元件簡單提高PF及下降總諧波失真(THD)之目的(如第二圖所示之填谷線路)。通常此種被動式功率因數控制技術之效能相當低，只接近業界標準「可接受的」下限。

再者，隨著全球關注綠色能源的開發，電源的效率也受到重視，具有半導體控制的電源IC扮演了提升效率的重要角色，電源IC的控制技術讓電源能節省整體的成本、降低不必要的切換損失。其主要係運用具有正半週弦式波形之脈衝直流訊號以做為工作週期脈寬之調變，藉以令負載以完整弦式波形持續運作。然而，類似習用的弦式波形功率因數改善電路係單純運用正半週弦式波形之脈衝直流訊號以做為工作週期脈寬之調變，仍會有造成線路效率降低之虞，而且目前仍無法設計於全電壓90~264V輸入下，達到PF控制於0.90以上之提升效能。

有鑑於此，本發明即在提供一種體積小、成本低廉，並且可設計於全壓90~264V輸入下，達到PF控制於0.90以上的功率因數改善電路，為其主要目的者。

為達上述目的，本發明之功率因數改善電路基本上包括有：一整流單元、一IC啟動單元、一濾波單元、一脈寬調變控制IC、一功率開關元件、一變壓單元、一低頻濾波單元，以及一第一、第二補償網路；其中，該整流單元係供取得市電之交流弦波週期訊號並轉換為一具有正半週弦式波形之第一脈衝直流訊 號；該IC啟動單元係供取得該整流單元之第一脈衝直流訊號，並經分壓後輸出第二脈衝直流訊號；該濾波單元係供取得該整流單元之第一脈衝直流訊號並經濾波後輸出一直流電力訊號；該脈寬調變控制IC係供取得該整流單元之第二脈衝直流訊號以做為位準訊號，並依據第二脈衝直流訊號以決定輸出電力導通週期訊號；該功率開關元件係供取得該脈寬調變控制IC之電力導通週期訊號及該濾波單元之直流電力訊號，並依據電力導通週期訊號以分割直流電力訊號為多個連續電壓脈波訊號，藉此連續電壓脈波訊號；該變壓單元係對應每一電壓脈波訊號接收連續電壓脈波訊號，且依每一電壓脈波訊號之輸入電壓作動輸出電壓。

至於，該低頻濾波單元係設於該整流單元輸出端兩極之間，用以調整輸入至該脈寬調變控制IC之電壓與電流為同相；該第一、第二補償網路係由分別連接到該脈寬調變控制IC之電流補償端及電壓補償端的RC線路構成，供用以降低該脈寬調變控制IC之電流增益值，使該脈寬調變控制IC在每一個工作週期看不到PEAK(最大峰值)波形，避免該脈寬調變控制IC產生不需要的動作。

利用上述特徵，本發明之功率因數改善電路主要將輸入至該脈寬調變控制IC的電壓與電流同相，且電流隨著電壓改變而改變，進而達到提升功率因數(PF)的功能；同時，利用第一、第二補償網路降低該相位調整單元之電流增益(Gain)值，使該脈寬 調變控制IC在每一個工作週期看不到PEAK(最大峰值)波形，避免該脈寬調變控制IC產生不需要的動作，其作用就像將Cycle by Cycle Current mode(連續週期性電流模式)改為RMS current mode(有效性電流模式)，而可獲致一穩定的Duty Cycle(工作週期)(ON)，也因為Output Duty Cycle穩定，所以PF值也穩定的提升，不再振盪，而可設計於全壓90~264V輸入下，達到PF控制於0.90以上之目的。

依據上述主要特徵，本發明之功率因數改善電路係可進一步設有一偵測輔助繞組用以配合該變壓單元回授偵測電壓至該脈寬調變控制IC供與該脈寬調變控制IC內部參考電壓比較，藉以達到定電壓的功能。

依據上述主要特徵，本發明之功率因數改善電路係可進一步在該脈寬調變控制IC之電流偵測端與該功率開關元件之間設有一用以使該第一補償網路作用(供電壓補償使用)更為明確的相位補償單元。

上述相位補償單元係為一連接於該脈寬調變控制IC之電流偵測端與該功率開關元件之間的RC線路構成。

依據上述主要特徵，所述脈寬調變控制IC之電流偵側端與該功率開關元件之間並聯有一供調整該脈寬調變控制IC最大輸出功率的阻抗元件。

本發明之功率因數改善電路係可以產生下列優點：

1.體積小、成本低廉。

2.可簡單使用單級脈寬調變控制IC應用於PFC電路，並克服PF無法在全壓90~264V輸入下，維持其PF0.90及效率85%以上的最佳表現。

3.所使用的單級脈寬調變控制IC為前端回授型的控制模式，其本身具有CV(定電壓)/CC(定電流)或PWM Control的功能，及二次端CC/CV回授功能。

4.可簡單使用單級脈寬調變控制IC完成PFC及高效率的LED或CCFL開關式電源驅動電路，不但可於AC端對LED或CCFL進行調光，並以相對更為積極的手段解決LED或CCFL閃爍的問題。

11‧‧‧整流單元

12‧‧‧IC啟動單元

13‧‧‧濾波單元

14‧‧‧脈寬調變控制IC

15‧‧‧功率開關元件

16‧‧‧變壓單元

17‧‧‧偵測輔助繞組

20‧‧‧低頻濾波單元

31‧‧‧第一及第二補償網路

32‧‧‧相位調整單元

40‧‧‧阻抗元件

第一圖係為一習用主動式功率因數控制電路架構圖。

第二圖係為一習用被動式功率因數控制電路架構圖。

第三圖係為本發明一較佳實施例之功率因數改善電路組成架構圖。

本發明之特點，可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚地瞭解。

如第三圖本發明一較佳實施例之功率因數改善電路組成架構圖所示，本創作之功率因數改善電路基本上包括有：一 整流單元11、一IC啟動單元12、一濾波單元13、一脈寬調變控制IC14、功率開關元件15、一變壓單元16、一低頻濾波單元20，以及一第一、第二補償網路31；其中，該整流單元11係可以為一如圖所示的橋式全波整流器，供取得市電之交流弦波週期訊號並轉換為一具有正半週弦式波形之第一脈衝直流訊號。

該IC啟動單元12係可以為一如圖所示的電阻器，供取得該整流單元11之第一脈衝直流訊號，並經分壓後輸出第二脈衝直流訊號。

該濾波單元13係可以為一如圖所示的RC濾波器，供取得該整流單元11之第一脈衝直流訊號並經濾波後輸出一直流電力訊號，並使該高頻交換電路所產生之突波平滑，減少NOISE產生。

該脈寬調變控制IC14係可以為一如圖所示的單級脈寬調變控制IC，供取得該整流單元11之第二脈衝直流訊號以做為位準訊號，並依據第二脈衝直流訊號以決定輸出電力導通週期訊號。

該功率開關元件15係可以為如圖所示之通道增強型MOSFET，供取得該脈寬調變控制IC14之電力導通週期訊號及該濾波單元之直流電力訊號，並依據電力導通週期訊號以分割直流電力訊號為多個連續電壓脈波訊號，藉此連續電壓脈波訊號。

該變壓單元16係對應每一電壓脈波訊號接收連續電 壓脈波訊號，且依每一電壓脈波訊號之輸入電壓作動輸出電壓。

至於，該低頻濾波單元20係設於該整流單元11輸出端兩極之間，其可以為一如圖所示的電容器(C_DL)構成，主要用以調整輸入至該脈寬調變控制IC14之電壓與電流為同相。

該第一、第二補償網路31係可以由如圖所示之分別連接到該脈寬調變控制IC14之電流補償端(COMI)及電壓補償端(COMV)的RC線路構成，供降低該脈寬調變控制IC14之電流增益值，使該脈寬調變控制IC14在每一個工作週期看不到PEAK(最大峰值)波形，避免該脈寬調變控制IC14產生不需要的動作。

原則上，利用上述特徵，本發明之功率因數改善電路主要利用將輸入至該脈寬調變控制IC14的電壓與電流同相，且電流隨著電壓改變而改變，進而達到提升功率因數(PF)的功能；亦即，當Output到達所設定值的2/3時，因該相位調整單元32的改變Duty Cycle(工作週期)會因Input的改變，Duty Cycle會隨波形一直改變，但因該脈寬調變控制IC14的工作頻率>>120Hz or 100Hz，所以每一個100Hz會有400次以上的On/Off切換動作來產生電流，進而達到High PF之目的。

同時，利用第一、第二補償網路31降低該脈寬調變控制IC14之電流增益(Gain)值，顯現穩定Duty Cycle的功能，使該脈寬調變控制IC在每一個工作週期看不到PEAK(最大峰值)波形，避免該脈寬調變控制IC產生不需要的動作，其作用就像將Cycle by Cycle Current mode(連續週期性電流模式)改為RMS current mode(有效性電流模式)，而可獲致一穩定的Duty Cycle(ON)，也因為Output Duty Cycle穩定，所以PF值也穩定的提升，而可設計於全壓90~264V輸入下，達到PF控制於0.90以上之目的。

當然，本發明之功率因數改善電路於實施時，係可進一步設有一偵側輔助繞組17用以配合該變壓單元16回授偵側電壓至該脈寬調變控制IC14供與該脈寬調變控制IC14內部參考電壓比較，藉以達到定電壓的功能。

以及，可進一步在該脈寬調變控制IC14之電流偵側端(CS)與該功率開關元件15之間設有一用以使該第一、第二補償網路31作用更為明確的相位調整單元32。該相位調整單元32係可以為一如圖所示之連接於該脈寬調變控制IC14之電流偵側端(CS)與該功率開關元件15之間的RC線路構成。甚至，該脈寬調變控制IC14之電流偵側端(CS)與該功率開關元件15之間並聯有一供調整該脈寬調變控制IC14最大輸出功率的阻抗元件40，該阻抗元件40係可以為一如圖所示的電阻器(R_CS)，並且透過簡單改變電阻值的方式，達到設定該脈寬調變控制IC14 Max output power之目的。

具體而言，本發明主要提供一種不使用PFC主動電路亦不使用填谷線路之功率因數改善方式，主要利用D=K基本數學模型為調整基準；例如，將變壓單元之最佳工作點設定在90V Duty≦0.7及264V Duty≧0.3，該低頻濾波單元20之C_DL值設至 0.10uF~0.35uF/450V其阻抗元件40之電阻值R_CS設定輸出電流為最大輸出電流，其CAP_COMI放大至105/16V，將電流增益設為1，如此就可以在90~264V AC Input/Full Load的狀況下，保持PFC≧0.90以上。

與傳統習用技術相較，本發明之功率因數改善電路係可以產生下列優點：

1.體積小、成本低廉。

2.可簡單使用單級脈寬調變控制IC應用於PFC電路，並克服PF無法在全壓90~264V輸入下，維持其PF0.90及85%以上的最佳表現。

3.所使用的單級脈寬調變控制IC為前端回授型的控制模式，其本身具有CV/CC或PWM Control的功能，及二次端CC/CV回授功能。

4.可簡單使用單級脈寬調變控制IC完成PFC及高效率的LED或CCFL開關式電源驅動電路，不但可於AC端對LED或CCFL進行調光，並以相對更為積極的手段解決LED或CCFL閃爍的問題。

如上所述，本發明提供一較佳可行之功率因數改善電路，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

11‧‧‧整流單元

12‧‧‧IC啟動單元

13‧‧‧濾波單元

14‧‧‧脈寬調變控制IC

15‧‧‧功率開關元件

16‧‧‧變壓單元

17‧‧‧偵測輔助繞組

20‧‧‧低頻濾波單元

31‧‧‧第一、第二補償網路

32‧‧‧相位調整單元

40‧‧‧阻抗元件

Claims (2)

1. 一種功率因數改善電路，係包括有：一整流單元，係供取得市電之交流弦波週期訊號並轉換為一具有正半週弦式波形之第一脈衝直流訊號；一IC啟動單元，係取得該整流單元之第一脈衝直流訊號，並經分壓後輸出第二脈衝直流訊號；一濾波單元，係取得該整流單元之第一脈衝直流訊號並經濾波後輸出一直流電力訊號；一脈寬調變控制IC，係供用以取得該整流單元之第二脈衝直流訊號以做為位準訊號，並依據第二脈衝直流訊號以決定輸出電力導通週期訊號；一功率開關元件，供用以取得該脈寬調變控制IC之電力導通週期訊號及該濾波單元之直流電力訊號，並依據電力導通週期訊號以分割直流電力訊號為多個連續電壓脈波訊號，藉此連續電壓脈波訊號；一變壓單元，係對應每一電壓脈波訊號接收連續電壓脈波訊號，且依每一電壓脈波訊號之輸入電壓作動輸出電壓；一偵側輔助繞組，用以配合該變壓單元回授偵側電壓至該脈寬調變控制IC供與該脈寬調變控制IC內部參考電壓比較，藉以達到定電壓的功能；一低頻濾波單元，設於該整流單元輸出端兩極之間，用以調整輸入至該脈寬調變控制IC之電壓與電流為同相； 第一、第二RC補償網路，由分別連接到該脈寬調變控制IC之電流補償端及電壓補償端的RC線路構成，供用以降低該脈寬調變控制IC之電流增益值，使該脈寬調變控制IC在每一個工作週期看不到PEAK(最大峰值)波形，避免該脈寬調變控制IC產生不需要的動作；一相位補償單元，設置在該脈寬調變控制IC之電流偵側端與該功率開關元件之間，用以使該第一、第二補償網路作用更為明確；以及一阻抗元件，並聯在該脈寬調變控制IC之電流偵側端與該功率開關元件之間，以供調整該脈寬調變控制IC最大輸出功率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之功率因數改善電路，其中，該相位補償單元係為一連接於該脈寬調變控制IC之電流偵側端與該功率開關元件之間的RC線路構成。