TWI514736B - 具有功率因素校正電路的電源供應器 - Google Patents

Description

具有功率因素校正電路的電源供應器

本發明是有關於一種單相升降壓功率因數校正電路(buck-boost PFC circuit)，尤其是指一種利用升降壓功率因數校正電路，可改善升降壓並提高其效率。

功率因素(power factor)指的是有效功率與總耗電量之間的關係，也就是有效功率除以總耗電量的比值，一般來說，功率因素可以用來衡量電力被利用的程度，當功率因素值越大，代表電力利用率越高。應用在電源供應器上的功率因素校正器大多用於控制調整交流電電流輸入的時間和波型，使其與直流電電壓波型盡可能地一致，讓功率因素值接近1，避免電力設備系統消耗的電力超出其規格，產生不必要的干擾。

由上述可知，低功率因素代表電力效能低，電力效能越低代表電力在配送網路中的耗損越高；假如較低的功率因素沒有被校正提升，電力公司除了有效功率外，還要 提供與工作非相關的虛功，相對的，就要增加發電機、轉換機、輸送工具、甚至纜線等電力輸送設備的消耗，才能彌補較低的功率因素；因此，大多電子設備都會具有功率因素校正器(power factor calibration)，來幫助改善自身能源使用率。

功率因素校正器內的電路可分為單相功率因素電路以及三相功率因素電路。請參考第1圖，係示範習用三個單相功率因素校正電路組成的三相PFC電路。如第1圖所示，單相功率因素電路主要是利用LC濾波器來增大整流橋導通角，從而降低電流諧波，提高功率因素。然而，當三個單相電路組成在一起時，容易互相影響，即使加入隔離電感也無法完全消除，造成電路的效率和輸入電流總諧波畸變等指示也有所下降，因此，單相功率因素電路相當不適合大功率應用場合。

請參考第2圖，係示範習用三相六開關功率因素校正電路圖。如第2圖所示，六開關三相功率因素校正是由6個功率開關器所組成，每個橋臂上下2個開關與其並聯的開關組成，每相電流可通過橋臂上的這2個開關進行控制。由於三相的電流之和為零，所以只要對其中的兩相電流進行控制就足夠，因而在實際應用中，對電壓絕對值最大的這一相不進行控制，而只選另外兩相進行控制。這樣做的好處是減小了開關動作的次數，因而可以減小總的開 關損耗。不過，六開關三相功率因素校正電路使用開關數目太多，控制複雜，成本又高，且每個橋臂上兩隻串聯開關存在直通短路的危險，對功率驅動控制的可靠度要求就很高。

接續上述，三相功率因素電路的輸入功率高，且為一個衡定值，如此，可以使用容量較小的輸出電容，實現更快的輸出電壓動態響應調節。不過，三相功率因素電路難以掌控三相之間的耦合。在單相功率因素電路中，如果負載等效為一個電阻，則輸入功率因素為1，而在三相功率因素電路中，即使負載等效為一個電阻，功率因素時常難以是滿意的值，原因就在於三相功率因素電路無法同時兼顧三相輸入電流，不能獨立控制任一相輸入電流都為正弦波形。習知技術針對這個問題進行改善，推行出許多典型的三相功率因素電路，然而，這些典型電路所需要的電子元件太多，且控制複雜，對於元件耐壓的需求較高，增加了成本的負擔。

單相功率因素電路以及三相功率因素電路都有其優點，但如何在價格和性能之間取得平衡，仍是電源供應器領域的研究發展的重點。

有鑑於此，為了平衡價格與性能、降低結構複雜度、保持響應速度快，本案之發明人係極力研究，嘗試不同的電子元件及搭配不同的電路，並進行一連串測試，終於研 究出本發明一種具有功率因素校正電路的電源供應器。

本發明的主要目的，在於提供一種具有功率因素校正電路的電源供應器，整流模組不互相干擾，所使用的元件數量比傳統三相並聯功率因素校正電路，能夠節省成本，卻又不會影響效果，顧及品質。

為了達到本發明的目的，本發明人係發明了一種具有功率因素校正電路的電源供應器，可接收一三相電壓之電壓，並包括：三整流模組，分別接收該三相電壓之第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓，且每一個整流模組更包括：一濾波器，接收該三相電壓之第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓其中一電壓，並輸出一濾波電壓；一單相功率因素校正電路，耦接於該濾波器，接收該濾波電壓，再輸出一校正電壓；並更包括一主電晶體；以及一轉換器，耦接於該單相功率因素校正電路的輸出端，並連接一電壓輸出端，接收該校正電壓，再輸出一輸出電壓；其中一整流模組之轉換器分別與另外二整流模組之轉換器連接在一起；至少一功率因素校正控制器，連接該主電晶體，以類比訊號控制該主電晶體作動；以及一類比控制器，連接該轉換器，控制該轉換器作動。

〔本發明〕

11‧‧‧單相功率因素校正電路

111‧‧‧主電晶體

12‧‧‧濾波器

13‧‧‧轉換器

131‧‧‧變壓器

2‧‧‧功率因素校正控制器

3‧‧‧類比控制器

4‧‧‧微處理器

41‧‧‧電流感測器

S‧‧‧第一相電壓

R‧‧‧第二相電壓

T‧‧‧第三相電壓

V1‧‧‧濾波電壓

V2‧‧‧校正電壓

V3‧‧‧輸出電壓

第1圖係示範習用三個單相功率因素校正電路組成的三相PFC電路；第2圖係示範習用三相六開關功率因素校正電路圖；第3圖係本發明一種具有功率因素校正電路的電源供應器之架構圖；第4圖係示範了本發明之單相功率因素校正電路以及相移式全橋轉換器的元件；第5圖係示範了本發明之單相功率因素校正電路以及相移式半橋轉換器的元件；第6圖係示範了本發明之單相功率因素校正電路以及串聯諧振轉換器的元件；以及第7圖係示範了本發明之單相功率因素校正電路以及順向電力轉換器的元件。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種具有功率因素校正電路的電源供應器，以下將配合圖示，詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參考第3圖，係本發明一種具有功率因素校正電 路的電源供應器之架構圖。如第3圖所示，本發明為一種具有功率因素校正電路的電源供應器，可接收一三相電壓之電壓，並包括：三整流模組，分別接收該三相電壓之第一相電壓S、第二相電壓R以及第三相電壓T，且每一個整流模組更包括：一濾波器12，接收該三相電壓之第一相電壓S、第二相電壓R以及第三相電壓T其中一電壓，並輸出一濾波電壓V1；一單相功率因素校正電路11，耦接於該濾波器12，接收該濾波電壓V1，再輸出一校正電壓V2；並更包括一主電晶體111；以及一轉換器13，耦接於該單相功率因素校正電路11的輸出端，並連接一電壓輸出端14，接收該校正電壓V2，再輸出一輸出電壓V3；其中一整流模組之轉換器13分別與另外二整流模組之轉換器13連接在一起；至少一功率因素校正控制器2，連接該主電晶體111，以類比訊號控制該主電晶體111作動；以及一類比控制器3，連接該轉換器13，控制該轉換器13作動。該電壓輸出端14的電流為直流電。

請參考第4圖，示範了本發明之單相功率因素校正電路以及相移式全橋轉換器的元件。請同時參閱第3圖以及第4圖，該轉換器13為相移式全橋轉換器，而每一個轉換器13包含一變壓器131以及四顆電晶體；其中一轉換器13的變壓器131的二次側分別與另二轉換器13的變壓器131的二次側相連；該類比控制器3連接並控制該四顆電晶 體作動，其中，二顆電晶體串連在一起後與另外兩顆串連在一起的電晶體並聯。

接續上述，該單相功率因素校正電路11包含一橋式整流器，該橋式整流器的輸出端連接一電感；相對於該橋式整流器，該主電晶體111以及一二極體分別連接於該電感之一端；而該主電晶體111與該轉換器13並聯，該二極體連接該轉換器13。

本發明之轉換器13由一組類比訊號來控制作動，因此，在本發明中，一類比控制器3即可控制三組轉換器13作動，而習用三相功率因素校正電路，採用單相轉換器的控制方式，須藉由三組控制器才能完成控制，相較之下，本發明可用較低的成本的控制方式，但能達到與三相功率因素校正電路相同的功效。

請繼續參考第3圖，本發明更包括一微處理器4，連接並用於控制該類比控制器3，其中，該類比控制器3為脈寬調變控制器；其中，該電壓輸出端14設置有一電流感測器41，連接於該微處理器4，並用於感測該電壓輸出端14的電流，且將感測結果傳送至該微處理器4，該微處理器4依照感測結果決定是否藉由該類比控制器3來控制該轉換器13。

接續上述，本發明所使用的微處理器4是所謂的微控制器(microcontroller unit)，能夠比較該電流感測器41的 感測結果是否超出預期，並在超出預期時，輸出控制訊號，藉由該類比控制器3來控制該相移式全橋轉換器13。

本發明之該轉換器13還可以為相移式半橋轉換器、串聯諧振轉換器或是順向電力轉換器。請參考第5圖，係示範了本發明之單相功率因素校正電路以及相移式半橋轉換器的元件；如第5圖所示，相移式半橋轉換器具有兩個相連的電容，兩個電晶體串聯，該兩個電容之間連接變壓器131的一次側，該兩個電晶體中間連接一電容，再連接到變壓器131的一次側。

請參考第6圖，係示範了本發明之單相功率因素校正電路以及串聯諧振轉換器的元件，其中，串聯諧振轉換器具有兩個電晶體，兩個電晶體之間串聯兩個電感，接著，一電感與變壓器131之一次側連接。請參考第7圖，係示範了本發明之單相功率因素校正電路以及順向電力轉換器的元件，其中，順向電力轉換器具有一電晶體，連接於變壓器131的一次側。在上述中，本發明所提供的所有轉換器13內的電晶體，都由類比控制器3來控制作動。本發明將三個電壓分為三個單相來處理，避免耐壓性不足的問題。

經由上述詳細說明後，已清楚了解本發明的架構，總結上述，本發明具有以下優點：

(1)整流模組不互相干擾：傳統單相功率因素校正電路因 並聯，互相干擾而難以控制，此外，傳統單相功率因素校正電路容易增加損耗，相較之下，本發明的整流模組不會互相干擾，元件耐壓需求降低，同時又可以應用於大功率場合。

(2)降低元件需求：相較於傳統三相單並聯功率因素校正電路，本發明所利用的電子元件數量比較少；本發明是功率因素校正電路以及轉換器的組合，用類比訊號即可控制作動，降低製程複雜度，能夠節省成本，同時，並不因為電子元件的數量而影響效果，顧及品質。

上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

11‧‧‧單相功率因素校正電路

111‧‧‧主電晶體

12‧‧‧濾波器

13‧‧‧相移式全橋轉換器

2‧‧‧功率因素校正控制器

3‧‧‧脈寬調變控制器

4‧‧‧微處理器

41‧‧‧電流感測器

S‧‧‧第一相電壓

R‧‧‧第二相電壓

T‧‧‧第三相電壓

V1‧‧‧濾波電壓

V2‧‧‧校正電壓

V3‧‧‧輸出電壓

Claims (4)

1. 一種具有功率因素校正電路的電源供應器，可接收一三相電壓之電壓，並包括：三組整流模組，分別接收該三相電壓之第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓，且每一組整流模組更包括：一濾波器，接收該三相電壓之第一相電壓、第二相電壓以及第三相電壓其中一電壓，並輸出一濾波電壓；一單相功率因素校正電路，耦接於該濾波器，接收該濾波電壓，再輸出一校正電壓；及一轉換器，耦接於該單相功率因素校正電路的輸出端，並連接一電壓輸出端，接收該校正電壓，再輸出一輸出電壓；其中一組整流模組之該轉換器係分別與另外二組整流模組之該轉換器連接在一起；至少一功率因素校正控制器，連接該單相功率因素校正電路，以控制該單相功率因素校正電路作動；以及一類比控制器，連接該轉換器，控制該轉換器作動；其中，該單相功率因素校正電路係包括：一橋式整流器，係耦接於該濾波器與該整流模組的該轉換器之間；一電感，其一端係耦接至該橋式整流器； 一二極體，其正極端係耦接至該電感的另一端；一電容，其一端係耦接至該二極體的負極端，且其另一端係耦接於該濾波器與該整流模組的該轉換器之間，並同時耦接至地端；及一主電晶體，其汲極端係耦接至該電感與該二極體的正極端之間，其源極端係耦接至所述具有功率因素校正電路的電源供應器的地端，且其閘極端係耦接至該功率因素校正控制器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種具有功率因素校正電路的電源供應器，其中，該轉換器為相移式全橋轉換器，並包含一變壓器以及四顆電晶體；其中一轉換器的變壓器的二次側分別與另二轉換器的變壓器的二次側相連；該類比控制器連接並控制該四顆電晶體作動，其中，二顆電晶體串連在一起後與另外兩顆串連在一起的電晶體並聯。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種具有功率因素校正電路的電源供應器，更包括一微處理器，連接並用於控制該類比控制器，其中，該類比控制器為脈寬調變控制 器。
4. 如申請專利範圍第4項所述之一種具有功率因素校正電路的電源供應器，其中，該電壓輸出端設置有一電流感測器，連接於該微處理器，並用於感測該電壓輸出端的電流，且將感測結果傳送至該微處理器，該微處理器依照感測結果決定是否藉由該類比控制器來控制該轉換器。