TWI491155B - 具功因修正與低輸出漣波之單端控制整合性轉換器 - Google Patents

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Description

具功因修正與低輸出漣波之單端控制整合性轉換器
本發明相關於一種單端開關控制達到功率因數修正之目的之整合性轉換器。
參考圖1，為習知功率轉換電路示意圖。圖中所示習知轉換電路包括一整流電路91、一功率因素校正(Power Factor Correction；PFC)電路92、一直流對直流轉換器93、一前級控制器94及一後級控制器95。PFC電路92耦接於整流電路91與直流對直流轉換器93之間。
PFC電路92透過整流電路91耦接至一交流電源90，以獲得一交流電供應，PFC電路92包括一升壓電感器921、一電容器922、一二極體923以及一開關924。
整流電路91耦接至一交流電源90，開關924透過升壓電感器921耦接至整流電路91的輸出端，電容器922並聯於開關924。前級控制器94耦接至開關924的控制端，藉由輸出一控制訊號以控制開關924之導通進而控制電容器922的儲能電壓值。
轉換器93耦接至PFC電路92而取得一直流電，轉換器93包括分別位於一次側與二次側之二繞組931,932以及一開關933。後級控制器95耦接至開關933的控制端，藉由輸出一控制訊號以控制開關933之導通。
由上述可知習知電路架構是利用前級之PFC電路92達到升壓以及功率因數修正目的，而後級之轉換器93利用前級電路92輸出電壓進行電壓調節以提供負載使用。因為整體電路需使用到兩組電晶體開關924,933及控制器94,95使得導通損失較大，而且前級電路92的輸出電容器922之電壓應力是隨著升壓電壓而提升，故在選用電容器922時為安全目的就必須選擇較高電壓規格之電容器，造成成本提升。此外，又因為會產生較高的輸出漣波，而使得輸 出電壓的變化較大，輸出電壓較不穩定，如此則可能影響到後端負載。
本發明之一目的在於提供一種整合性轉換器，其僅使用單一控制器於後級電路(升降壓轉換電路)，免除前級電路(電壓調節器)控制器之需求。
本發明之另一目的在於提供一種效率更高、輸出電壓的穩定度更高、成本更低的整合性轉換器。
本發明之又一目的在於提供一種降低前級電路之儲能電容器電壓規格需求之整合性轉換器。
為了達到上述及其他目的，本發明提供一種整合性轉換器，包括一輸入單元、一升壓電感器、一電壓調節器、一儲能電容器、一升降壓轉換器、一單端開關以及一控制單元。上述輸入單元接收一電源傳輸之電力訊號，升壓電感器電性耦接輸入單元。
上述電壓調節器包含有一第一二極體、一第二二極體以及一第一變壓器，其中電壓調節器透過該等二極體電性耦接升壓電感器、且透過第一變壓器電性耦接升降壓轉換器，第一變壓器包括有一一次側繞組與一二次側繞組，二次側繞組電性耦接該等二極體，一次側繞組電性耦接升降壓轉換器。儲能電容器電性耦接升壓電感器與壓調節器。
上述控制單元電性耦接單端開關，而單端開關電性耦接升降壓轉換器，用以選擇地改變第一變壓器之感應電動勢進而交錯變換第一二極體與第二二極體之導通及關閉。
在一較佳實施範例中，升降壓轉換器包括有一一次側繞組與一二次側繞組，升降壓轉換器之一次側繞組電性耦接電壓調節器之一次側繞組，整合性轉換器並滿足以下關係式：V+ =Vp1 +Vc2 ，其中V+ 表示升降壓轉換器之輸入電壓，Vp1 表示電壓調節器之一次側繞組之感應電壓，Vc2 表示儲能電容器之分壓。
藉由本發明之設計，藉由單端開關即可改變電壓調節器之變壓器之感應電動勢，使二極體開關元件交錯切換，而升壓電感器與儲能電容器之間藉由上述開關切換而達到能量轉換目的。由於儲能電容器的電壓應力是隨輸入電壓而變，可選擇較低電壓規格之電容器元件，因此可節省成本。
上述升降壓轉換器可更包括有一整流二極體係耦接升降壓轉換器之二次側繞組。單端開關一端耦接升降壓轉換器之一次側繞組，另一端耦接控制單元。控制單元例如為一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation；PWM)控制器，單端開關例如為一電晶體開關，且單端開關之汲極耦接升降壓轉換器之一次側繞組，單端開關之閘極耦接控制單元，單端開關之源極接地。
在一較佳實施範例中，輸入單元可包含一橋式整流器，可更包含一濾波電容器，且濾波電容器並聯升壓電感器。輸入單元可更包含一電磁干擾濾波器，耦接於電源與橋式整流器之間。
在其他較佳實施範例中，升壓電感器及電壓調節器之第一變壓器係共用鐵心之一整合結構。
90‧‧‧電源
91‧‧‧整流電路
92‧‧‧PFC電路
921‧‧‧升壓電感器
922‧‧‧電容器
923‧‧‧二極體
924,933‧‧‧開關
93‧‧‧轉換器
931,932‧‧‧繞組
94,95‧‧‧控制器
10‧‧‧電源
11‧‧‧輸入單元
111‧‧‧電磁干擾濾波器
112‧‧‧橋式整流器
113‧‧‧濾波電容器
12‧‧‧升壓電感器
13‧‧‧電壓調節器
131,132‧‧‧二極體
133,151‧‧‧一次側繞組
134,152‧‧‧二次側繞組
14‧‧‧儲能電容器
15‧‧‧升降壓轉換器
153‧‧‧整流二極體
154‧‧‧電容器
161‧‧‧控制單元
162‧‧‧單端開關
163‧‧‧電阻器
T1,T2‧‧‧變壓器
圖1係習知功率轉換電路示意圖。
圖2係本發明具功因修正之單端控制整合性轉換器架構示意圖。
圖3係本發明第一較佳實施例之具功因修正之單端控制整合性轉換器電路示意圖。
圖4係將本發明之升壓電感器與電壓調節器之變壓器在結構上整合之示意圖。
參考圖2，為本發明具功因修正之單端控制整合性轉換器主要架構圖。圖中顯示本發明之具功因修正之單端控制整合性轉換器主要包括一輸入單元11、一升壓電感器12、一電壓調節器13、一儲能電容器14、一升降壓轉換器15以及一控制單元161與一單端開關162。輸入單元11用於接收一電源10例如一交流供電傳輸之電力訊號。
輸入單元11耦接在電源10與升壓電感器12之間，電壓調節器13一方面耦接升壓電感器12，另一方面也耦接儲能電容器14。升降壓轉換器15耦接電壓調節器13之輸出以接收調節後之電訊號，而控制單元161透過單端開關162耦接升降壓轉換器15用以控制升壓電感器12與儲能電容器14之間能量轉換。
較詳細而言，電壓調節器13包含有一第一二極體131、一第二二極體132以及一第一變壓器T1，電壓調節器13利用這些二極體131,132電性耦接於升壓電感器12、且利用第一變壓器T1電性耦接於升降壓轉換器15。第一變壓器T1包括有一一次側繞組133與一二次側繞組134，二次側繞組134電性耦接上述二極體131,132，一次側繞組133電性耦接升降壓轉換器15，其中兩二極體131,132是並聯耦接。
藉由控制單元16之操作可切換電壓調節器13之狀態，亦即讓第一變壓器T1之感應電動勢產生變化進而選擇地造成下述兩種狀況之一：第一二極體131呈導通而同時第二二極體132呈不導通，或者第一二極體131呈不導通而同時第二二極體132呈導通。
請參考圖3，為本發明第一實施例之電路圖。為了使本發明更加清楚詳細，具功因修正之單端控制整合性轉換器電路搭配圖2的架構方塊圖來例示說明。
在本實施例中，輸入單元11包括有一電磁干擾濾波器111、一橋式整流器112及一濾波電容器113。電磁干擾濾波器111一方面耦接到橋式整流器112的輸入端，另一方面耦接電源10以將電訊號能量傳遞到橋式整流器112。
濾波電容器113與升壓電感器12皆串聯於橋式整流器112，而濾波電容器113與升壓電感器12相並聯。濾波電容器113一端接地。濾波電容器113可過濾升壓電感器12上電流交流成份及消除高頻雜訊。
升壓電感器12一端耦接橋式整流器112之輸出，另一端同時耦接第一二極體131與第二二極體132。儲能電容器14一端接地，另一端則耦接第一變壓器T1。
升降壓轉換器15包括有一第二變壓器T2、一整流二極體153與一電容器154，第二變壓器T2之一次側設有一一次側繞組151、二次側設有一二次側繞組152。升降壓轉換器15之一次側繞組151電性耦接電壓調節器13之一次側繞組133，整流二極體153一端耦接升降壓轉換器15之二次側繞組152、另一端串聯耦接電容器154。
單端開關162一端耦接升降壓轉換器15之一次側繞組151，另 一端則耦接控制單元161。控制單元161例如為一脈波寬度調變控制器。單端開關162例如為一電晶體開關，單端開關162之汲極耦接升降壓轉換器15之一次側繞組151，單端開關162之閘極耦接控制單元161，單端開關162之源極透過一電阻器163而接地。
脈波寬度調變控制器會發出控制訊號以控制單端開關162，亦即當單端開關162為導通時，電訊號依序經過升壓電感器12、第一二極體131、第一變壓器T1、第二變壓器T2，能量最終由升壓轉換器T2輸出。當單端開關162為不導通時，電訊號不會從第一變壓器T1傳遞到第二變壓器T2，而是經由升壓電感器12、第二二極體132、儲能電容器14傳遞。上述兩種運作模式相當於讓升壓電感器12配合儲能電容器14進行儲能與釋能。
在基礎實施例當中電路具有一關係式如下：V+ =Vp1 +VC2 ，其中V+ 表示升降壓轉換器15之輸入電壓V+ ，Vp1 表示電壓調節器13之一次側繞組133之輸出電壓，VC2 表示儲能電容器14之分壓。藉由調整電壓調節器13之第一變壓器T1兩側之匝數比即可控制其一次側之輸出電壓Vp1 ，進而控制了升降壓轉換器15之輸入電壓V+ 。
由以上可知，本發明之電路架構特色在於前、後級電路(電壓調節器與升降壓轉換器)共用單一控制單元而同樣可發揮PFC功能，而且也必然簡化了電路複雜度及減少所需元件數量。特別是因此省掉前級(電壓調節器)開關的切換與導通損失，提高了電路整體效率。
此外，藉由適當調整電壓調節器之輸出電壓，所使用之唯一單端開關可選用較普及化的開關元件。更值得一提的是，在前述特殊對應關係之下，儲能電容器的電壓應力是隨著輸入電壓增加而改變，不會因電壓調節器轉換電壓之差異(即Vp1 與Vs1 依據匝數比之轉換)而相應改變，所以儲能電容器的電壓規格選擇相較於習知技術者更具有彈性，亦即可選擇較低的電壓規格。此外，又能產生較低的輸出漣波，而使得輸出電壓的變化較小，從而提供較穩定的輸出電壓給後端負載。
電壓調節器與升降壓轉換器共用單一開關及控制單元達到功率因數修正、簡化電路複雜度及減少元件數之目的。
較佳地，在實作時可考慮將升壓電感器12及電壓調節器的第一 變壓器T1這兩個磁性元件合併共用一組鐵心，形成一種結構上整合，如圖4所示，藉此可增加所應用產品之空間使用率並同時減少雜訊之干擾。
10‧‧‧電源
11‧‧‧輸入單元
12‧‧‧升壓電感器
13‧‧‧電壓調節器
131,132‧‧‧二極體
133‧‧‧一次側繞組
134‧‧‧二次側繞組
14‧‧‧儲能電容器
15‧‧‧升降壓轉換器
161‧‧‧控制單元
162‧‧‧單端開關
T1‧‧‧變壓器

Claims (9)

  1. 一種整合性轉換器，包括：一輸入單元，接收一電源傳輸之電力訊號；一升壓電感器，電性耦接該輸入單元；一升降壓轉換器；一電壓調節器，包含有一第一二極體、一第二二極體以及一第一變壓器，該電壓調節器透過該等二極體電性耦接該升壓電感器、且透過該第一變壓器電性耦接該升降壓轉換器，該第一變壓器包括有一一次側繞組與一二次側繞組，該二次側繞組電性耦接該等二極體，該一次側繞組電性耦接該升降壓轉換器；一儲能電容器，電性耦接該升壓電感器與電壓調節器；一單端開關，電性耦接該升降壓轉換器；一控制單元，電性耦接該單端開關，用以選擇地改變該電壓調節器之變壓器之感應電動勢進而交錯變換該第一二極體與該第二二極體之導通及關閉；其中該升壓電感器及該電壓調節器之該第一變壓器係共用鐵心之一整合結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之整合性轉換器，其中該升降壓轉換器包括有一一次側繞組與一二次側繞組，該升降壓轉換器之該一次側繞組電性耦接該電壓調節器之該一次側繞組，該具功因修正之單端控制整合性轉換器並滿足以下關係式：V+ =Vp1 +Vc2 其中V+ 表示該升降壓轉換器之輸入電壓，Vp1 表示該電壓調節器之該一次側繞組之感應電壓，Vc2 表示該儲能電容器之分壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之整合性轉換器，其中該升降壓轉換器更包括有 一整流二極體係耦接該升降壓轉換器之該二次側繞組。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之整合性轉換器，其中該單端開關一端耦接該升降壓轉換器之該一次側繞組，另一端耦接該控制單元。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之整合性轉換器，其中該控制單元為一脈波寬度調變控制器。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之整合性轉換器，其中該單端開關為一電晶體開關，該單端開關之汲極耦接該升降壓轉換器之該一次側繞組，該單端開關之閘極耦接該控制單元，該單端開關之源極接地。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之整合性轉換器，其中該輸入單元包含一橋式整流器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之整合性轉換器，其中該輸入單元更包含一濾波電容器，該濾波電容器並聯該升壓電感器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之整合性轉換器，其中該輸入單元更包含一電磁干擾濾波器，耦接於該電源與該橋式整流器之間。
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