TWI489749B - 全橋諧振式單級主動式高功因電力轉換裝置 - Google Patents

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黃登群
楊子弘
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Description

全橋諧振式單級主動式高功因電力轉換裝置
本發明涉及一種電力電子技術應用裝置，具體地說，涉及一種單級高功因電力轉換裝置。
近幾年來，功因修正電路之技術已得到大量研究，有了許多實現方案，其中比較成熟及廣為應用是兩級式之硬切高功因電力轉換裝置，其電路架構如第一圖所示。所謂的硬切，係指開關元件電路切換過程，開關元件電路兩端保有特定的電壓降，使切換過程造成可觀的損失。目前之傳統兩級式高功因電力轉換裝置需一級轉換器執行功因修正，另一級換流器執行DC/AC轉換，其中，轉換器、換流器內之開關元件電路均以硬切方式轉換切換為主，但是，硬切換式轉換器及換流器均有可觀的轉換或切換損失，除了轉換效率較差之外，其必須另須處理開關元件散熱之問題。而且，兩級式高功因電力轉換裝置用單一儲能電感，受限於高電流可能飽和之問題，高功率負載可能無法處理，高功因電力轉換裝置的儲能電感之電流iL 波形如第二圖所示。開關元件開關元件開關元件
本發明之主要目的在於提供一種單級高功因電力轉換裝置，解決現有電力轉換裝置轉換效率差、無法處理高功率負載及切換損失之問題。
為了解決上述現有技術問題，本發明提供了一種單級高功因電力轉換裝置，與電源和負載相連接，所述裝置的電路包括有第一儲能電感和第二儲能電感，所述第一儲能電感及第二儲能電感分別連接至同一全橋換流電路，所述全橋換流電路還並聯有儲能電容。
進一步地，所述裝置的電路還包括有電源整流電路，用於對電源電流進行濾波，所述電源整流電路包括與電源並聯的整流電容和與電源串聯的整流電感。
本發明的有益效果為：(1)本發明相較於現有兩級式電力轉換裝置省去一級轉換器，效率可提升；(2)本發明的電路直接引用原全橋換流器開關元件，同時作為功因修正切換開關元件，具有單級高功因修正(Power Factor Correction)之功能，改善功因之問題，且利用雙電感分攤輸入轉換器之電流，儲放能電感不易飽和，可使用在較大功率輸出之電路；(3)本發明的切換開關元件具有零電壓切換ZVS(Zero Voltage Switching)之功能，此功能可減少開關元件上損失，提升電路效率，並減少開關元件發熱；(4)本發明的電路架構具有將市電低頻轉換成高頻之功能，降低高次諧波之干擾；此外，本發明的電路架構還具有DC/AC之功能，再外加兩個電感之儲放能元件，即可執行輸入電源高功因操作。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明， 以使本領域的技術人員可以更好地理解本發明並能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。
第三圖所示為本發明單級高功因電力轉換裝置的電路架構示意圖，從圖中可以看出，本發明將現有轉換裝置的切換式轉換器和換流器集成整合為一，利用二儲能電感分攤輸入轉換裝置之電流，解決既有技術單一儲能電感容易飽和而限制使用功率輸出之問題，使本較佳實施例具備較大功率輸出之電路之技術功效。
第四圖為本發明單級高功因電力轉換裝置的較佳實施例電路圖，本實施例單級高功因電力轉換裝置與一電源AC和一負載Load相連接，該單級高功因電力轉換裝置的電路包含一第一儲能電感L1和一第二儲能電感L2、一全橋換流電路S1~S4、D1~D4、一諧振電路C3，L4及一儲能電容C1，該第一儲能電感L1及該第二儲能電感L2分別連接至該全橋換流電路與該整流電路之間。該全橋換流電路並聯該儲能電容C1，該儲能電容C1執行儲放能工作。
該電源與該單級高功因電力轉換裝置之間並聯一電源整流電路，用於對該電源之輸出交流電力進行初步整流後輸出，該電源整流電路包括與該電源並聯的一整流電容C2、與該電源串聯的一整流電感L3及一橋式整流二極體D5。該橋式整流二級體D5係用於初步將該電源AC所輸出之交流電源轉換進行橋式整流後輸出至該單級高功因電力轉換裝置。需要特別指出的是，該整流電路的實現並不僅限於此，本領域的技術人員還可選用其 它任一本領域的初步整流電路技術來實現濾波、整流和對電路的保護。
該全橋換流電路包括呈全橋式連接之四個主動開關組，每個該主動開關組包含並聯之一開關元件及一二極體，該二極體與該開關元件可以是內嵌(embedded)一個二極體之場效電晶體(MOSFET)，或為等效上不具有內嵌二極體特性之電晶體(例如雙極電晶體BJT等)再並聯一外部二極體而組成該主動開關組。換言之，每個主動開關組等效為一個二極體以及一個開關元件之並聯，亦即，該全橋式連接之四個電晶體開關元件，其等效電路為包含依次連接之第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4，該第一二極體D1與該第二二極體D2之陰極及陽極分別相連，該第三二極體D3及該第四二極體D4之陽極與陰極分別相互連接，該第一二極體D1及該第三二極體D3串連，該第二二極體D2及該第四二極體D4串連；每個二極體D1~D4各並聯一開關元件S1~S4，該第一二極體D1與該開關元件S1並聯，第二二極體D2與開關元件S2並聯，第三二極體D3與開關元件S3並聯，第四二極體D4與開關元件S4並聯。
該第一儲能電感L1一端連接於第一二極體D1和第三二極體D3連接節點之間，另一端連接至整流二極體D5；該第二儲能電感L2一端連接於該第二二極體D2和該第四二極體D4連接節點之間，另一端連接至該整流二級體D5；該儲能電容C1一端連接於第三二極體 D3和第四二極體D4之間，另一端連接於第一二極體D1和第二二極體D2之陽極連接節點。該諧振電路L4，C3與該負載串接後，其一端連接於該第一第一二極體D1及該第三二極體D3之連接節點，其另一端連接於該第二二極體D2和第四二極體D4之間；本實施例之該諧振電路包含串接之一諧振電感L4和一諧振電容C3。本實施例之該諧振電路係設計工作於電感負載特性，使該全橋換流電路之各開關元件S1~S4可達到零電壓切換，藉以減少各開關元件S1~S4切換過程之損失。
該全橋換流電路之四個開關元件S1~S4之整合，使該全橋換流電路可執行直流/交流(DC/AC)之轉換功能，該整流電路直流轉換交流之功能，且各開關元件S1~S4以對稱方式觸發，亦即該開關元件S1與該開關元件S4同步開啟、該開關元件S2與該開關元件S3同步開啟，但該開關元件S1與該開關元件S2(或S3、S4)交互切換不同時導通(開啟)，各開關元件之切換觸波形如第五圖所示，其中，Vgs1 、Vgs2 、Vgs3 、Vgs4 分別為開關元件S1~S4之觸發訊號電壓，係指控制該開關元件S1~S4導通之訊號，iL1 為流經第一儲能電感L1的電流，iL2 為流經第二儲能電感L2的電流；依據第五圖之波形可知，利用該開關元件S1及開關元件S2之交錯導通，使該第一儲能電感L1與該第二儲能電感L2之電流分別操作於不連續模式，且開關元件S1,S4以及該開關元件S2,S3之間設有一無開關元件導通區間(dead time)，其係為 了避免該開關元件S1及該開關元件S4、該開關元件S2及該開關元件S3有同時開啟之狀況。另外，由第五圖亦可看出該開關元件S2 S3與該開關元件S1 S4導通前該二極體D2 D3與該二極體D1 D4先導通，該開關元件S2 S3與該開關元件S1 S4具零電壓導通切換，降低開關元件發熱量。
請配合參考第六圖、第七圖，透過配置兩個儲能電感L1,L2及該全橋換流電路之各開關元件S1~S4之交錯導通，使該整流電路之輸出電流iRO 及輸出峰值電流iROP
可如第六圖所式，由於該第一儲能電感L1及該第二儲能電感L2隨各開關元件之切換控制，產生相位交錯互補之電流iL1 與iL2 (該第一儲能電感L1之電感電流iL1 標示為實線，該第二儲能電感L1之電感電流iL2 標示為虛線)，使該電感電流iL1 與iL2 之合成電流為每切換週期之峰值電流恰為一弦波峰包之峰值，使最終於該整流電路輸出之合成電流iRO 已經非常接近弦波，如此，使後續的高頻雜訊去除更為容易、簡便；其中，第七圖所示為電路各主要元件上之電壓或電流波形，VAC 代表該電源兩端的電壓，VRO 和iRO 該整流電路輸出側之電壓和電流，is 為濾波後之交流電源輸入電流，iAC 為濾波前之交流電源輸入電流。
更進一步說明之，本實施例之單級高功因電力轉換裝置的動作模式如第八圖~第十三圖，說明如下：
(1)配合參考第八圖，開關元件S1與S4導通，該第一儲能電感L1進行儲能，該第二儲能電感L2可經 過該開關元件S4或該第四二極體D4對該儲能電容C1充電或經該諧振電路及負載進行釋能，VL流經S4與S1，此時VL=VC。
(2)配合參考第九圖，該開關元件S1與S4繼續導通，該第一儲能電感L1持續儲能，該第二儲能電感之電感電流L2經過該開關元件S4做釋能，VL經過D3與D2，此時VL=-VC。
(3)配合參考第十圖，該開關元件S1與S4截止，電路進入無開關元件導通區間，電流經過該第一儲能電感L1經該第三二極體D3對該儲能電容C1充電，電流通過負載VL流經D3與D2，此時VL=-VC。
(4)配合參考第十一圖，該開關元件S2與S3導通，該第二儲能電感L2開始儲能，電流經過該第一儲能電感L1流經開關元件S3或第三二極體D3對儲能電容C1充電或經串聯諧振電路做釋能，VL之電流流經該開關元件S3與S2，此時VL=-VC。
(5)配合參考第十二圖，該開關元件S2與S3繼續導通，該第二儲能電感L2繼續儲能，電流經該第一儲能電感L1、該開關元件S3對該儲能電容C1充電，VL流經開關元件S2與D1，此時VL=VC。
(6)配合參考第十三圖，該開關元件S2與S3截止，該第二儲能電感L2流經D4對該儲能電容C1充電，VL流經D4與D1，此時VL=VC。
由前述說明可知，本實施例可以達成之技術功效包含：
1.本發明為單級高功因修正電路，構造簡單，省去傳統雙級電路效率不佳的問題。
2.設有兩個儲能電感，大幅提昇輸出功率，解決既有技術使用單一電感容易飽和之問題。
3.本發明獨創提出在零電壓切換之全橋換流電路，透過控制開關元件之切換、諧振電路，使該全橋換流電路同時作為功因修正及轉換器，達到最佳功因及轉換效果。
4.本發明最終之濾波前之輸出電流僅剩於微量高頻諧波干擾且波形接近弦波，故可透過更簡單的濾波(相對較低的電感、電容)，即可達到優異、穩定的輸出。
以上所述實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護範圍不限於此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍以申請專利範圍為准。
L1‧‧‧第一儲能電感
L2‧‧‧第二儲能電感
L3‧‧‧整流電感
L4‧‧‧諧振電感
C1‧‧‧儲能電容
C2‧‧‧整流電容
C3‧‧‧諧振電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
D4‧‧‧第四二極體
D5‧‧‧橋式二級體
S1‧‧‧開關元件
S2‧‧‧開關元件
S3‧‧‧開關元件
S4‧‧‧開關元件
第一圖是現有兩級式高功因電力轉換裝置之電路架構示意圖。
第二圖是現有兩級式高功因電力轉換裝置的儲能電感之電流波形圖。
第三圖是本發明的電路架構示意圖。
第四圖是本發明的電路圖。
第五圖是本發明的部分電路元件之電壓電流波形 圖。
第六圖是本發明的兩個儲能電感之電流波形圖及合成波形圖。
第七圖是本發明的電路主要元件之電壓或電流波形圖。
第八圖和第九圖是本發明的電路在開關元件S1及S4導通時動作模式示意圖。
第十圖是本發明的電路在開關元件S1及S4截止時動作模式示意圖。
第十一圖和第十二圖是本發明的電路在開關元件S2及S3導通時動作模式示意圖。
第十三圖是本發明的電路在開關元件S2及S3截止時動作模式示意圖。
L1‧‧‧第一儲能電感
L2‧‧‧第二儲能電感
L3‧‧‧整流電感
L4‧‧‧諧振電感
C1‧‧‧儲能電容
C2‧‧‧整流電容
C3‧‧‧諧振電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
D4‧‧‧第四二極體
D5‧‧‧橋式整流器
S1‧‧‧開關元件
S2‧‧‧開關元件
S3‧‧‧開關元件
S4‧‧‧開關元件

Claims (5)

  1. 一種單級高功因電力轉換裝置，與一電源和一負載相連接，其中包含一第一儲能電感和第二儲能電感、一全橋換流電路、一諧振電路及一儲能電容，該第一儲能電感及該第二儲能電感分別連接於該全橋換流電路及該電源之間，該儲能電容與該全橋換流電路並聯，該諧振電路係串連該負載後連接於該全橋換流電路，其中：該諧振電路係設計工作於電感負載特性；該全橋換流電路包含四個主動開關組，四個該主動開關組以對稱方式觸發；透過該諧振電路形成之電感負載特性，四個該主動開關組之切換係為零電壓切換；該第一儲能電感之電流及該第二儲能電感之電流隨各主動開關組之切換控制，產生相位交錯及互補；及該第一儲能電感和該第二儲能電感之電流合成為具有微量高頻諧波干擾且波形接近弦波的整流電路之輸出電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的單級高功因電力轉換裝置，其包含一電源整流電路，該電源整流電路連接於該第一儲能電感、該第二儲能電感及該電源之間，該電源整流電路係對該電源輸出之電流橋式整流後輸出至該第一、第二儲能電感，該電源整流電路包括與該電源並聯的一整流電容和與該電源串聯的一整流電感，以及與該整流電容並聯之一整流二極體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的單級高功因電力 轉換裝置，其中所述全橋換流電路之四個該主動開關組之等效電路為依次連接之第一二極體、第二二極體、第三二極體及第四二極體，每個二極體的兩端均並聯一開關元件；該第一儲能電感一端連接於該第一二極體和該第三二極體之連接節點，另一端連接至該整流電路；該第二儲能電感一端連接於該第二二極體和該第四二極體之連接節點，另一端連接至所述整流二級體；該儲能電容一端連接於所述第三二極體和第四二極體之連接節點，另一端連接於所述第一二極體和第二二極體之連接節點。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的單級高功因電力轉換裝置，其中該負載一端連接於該第一二極體和該第三二極體之連接節點，另一端串聯該諧振電路後連接於該第二二極體和第四二極體之連接節點。
  5. 如申請專利範圍第4項中所述的單級高功因電力轉換裝置，其中該諧振電路包含串接之一諧振電感與一諧振電容。
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