TWI521849B

TWI521849B - High Power Factor Isolated Power Supply

Info

Publication number: TWI521849B
Application number: TW102130592A
Authority: TW
Inventors: Lung Sheng Yang; Chia Ching Lin; Shun Jih Wang
Original assignee: Univ Far East
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2016-02-11
Also published as: TW201509104A

Description

高功率因數隔離型電源供應裝置

本發明係有關於一種高功率因數隔離型電源供應裝置，尤指一種具有電氣隔離功能且可達到近單位功率因數、低輸入電流總諧波失真，以及變壓器無需加第三繞組，即可將變壓器之磁化電感能量送至輸出電容器，因此在每一切換週期皆可達到無剩磁殘留之電源供應裝置。

隨著科技的發展，積體電路的半導體技術發展迅速，而目前一般電子產品以輕薄短小為目標吸引大眾，而一般電子產品仰賴之動力來源係為一電源供應器，而目前一般電源供應裝置有如中華民國新型專利公告第224188號「高功率因數之電源供應器」，主要係關於一種離線轉換電源供應器包括有交流整流器及雙輸出轉換變換器，其一輸出耦合於交流整流器與雙輸出變換器輸入之間以產生高功率因數，雙輸出轉換變換器，雙輸出轉換變換器之另一輸出提供一直流電壓作為電源輸出，但，還是有一些不良之缺點如功率因數較低等缺點。

爰此，本發明人不斷創新研發，進而提出一種高功率因數隔離型電源供應裝置，包括有：一前半級電路，包含有一輸入端、一輸入濾波器、一整流器、一切換單元，其中，所述輸入端電性連接所述輸入濾波器，所述輸入濾波器電性連接所述整流器，所述整流器電性連接所述切換單元，藉以提供功率因數之修正，以達到高功率因數，其中，所述輸入濾波器包含有一濾波電感及一濾波電容，所述整流器包含有一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體及一第四二極體，所述切換單元包含有一第一切換開關、一第五二極體、一第一電感、一第二切換開關及一第一電容，所述濾波電感一端係電性連接所述輸入端之一正端，所述濾波電感另一端係電性連接所述濾波電容一端、所述第一二極體之陽極端及所述第二二極體之陰極端，所述濾波電容另一端係電性連接所述輸入端之一負端、所述第三二極體之陽極端及所述第四二極體之陰極端，所述第一二極體之陰極端及所述第三二極體之陰極端係電性連接所述第一切換開關之一端，所述第一切換開關另一端係電性連接所述第五二極體之陰極端及所述第一電感一端，所述第五二極體之陽極端電性連接所述第二二極體之陽極端及所述第四二極體之陽極端，所述第一電感另一端電性連接所述第二切換開關一端及所述第一電容一端，所述第一電容另一端電性連接所述一次側繞組一端，所述一次側繞組另一端電性連接所述第二切換開關另一端及所述第五二極體之陽極端；一後半級電路，包含有一變壓器及一輸出單元，所述變壓器包含有一一次側繞組及一二次側繞組，所述一次側繞組係電性連接前述切換單元，所述二次側繞組係電性連接所述輸出單元，藉以提供電氣隔離及降壓。

其中，所述前半級電路係操作在不連續導通模式。

其中，所述後半級電路係操作在不連續導通模式。

其中，所述輸出單元包含有一第二電感、一輸出二極體、一輸出電容及一負載，所述二次側繞組一端電性連接所述第二電感一端及所述輸出二極體之陽極端，所述輸出二極體之陰極端電性連接所述輸出電容一端及所述負載一端，所述第二電感另一端、所述輸出電容另一端及所述負載另一端電性連接所述二次側繞組另一端。

其中，所述第一切換開關及所述第二切換開關係採同步控制。

其中，所述輸入端輸入有一正半波或一負半波，其操作依序有下列四種模式：所述第一切換開關導通及所述第二切換開關導通、所述第一切換開關截止及所述第二切換開關截止、所述第一切換開關截止及所述第二切換開關截止、所述第一切換開關截止及所述第二切換開關截止。

本發明之功效在於：

1.本發明之前半級電路可提供功率因數修正，並且達到近單位功率因數，而後半級電路可提供輸入及輸出具有電氣隔離及降壓，故可有效改善容易因輸入端及輸出端所相差之電壓太大進而使該電源供應器無法工作之缺點。

2.本發明具有低輸入電流總諧波失真。

3.本發明具有穩定的直流輸出電壓。

4.本發明在泛用輸入電壓90Vrms~264Vrms時，直流鏈結電壓低於輸入電壓之峰值，且遠小於450VDC，符合實用原則。

5.本發明電路中之第一切換開關、第二切換開關、第五二極體及輸出二極體具有低電壓應力。

6.本發明後半級電路之變壓器無需額外增加繞組，即可將變壓器之磁化電感能量傳送至輸出電容，因此本發明在每一切換週期皆可達到無剩磁殘留。

(1)‧‧‧高功率因數隔離型電源供應裝置

(10)‧‧‧前半級電路

(101)‧‧‧輸入端

(102)‧‧‧輸入濾波器

(1021)‧‧‧濾波電感

(1022)‧‧‧濾波電容

(103)‧‧‧整流器

(1031)‧‧‧第一二極體

(1032)‧‧‧第二二極體

(1033)‧‧‧第三二極體

(1034)‧‧‧第四二極體

(104)‧‧‧切換單元

(1041)‧‧‧第一切換開關

(1042)‧‧‧第五二極體

(1043)‧‧‧第一電感

(1044)‧‧‧第二切換開關

(1045)‧‧‧第一電容

(11)‧‧‧後半級電路

(111)‧‧‧變壓器

(1111)‧‧‧一次側繞組

(1112)‧‧‧二次側繞組

(112)‧‧‧輸出單元

(113)‧‧‧磁化電感

(1121)‧‧‧第二電感

(1122)‧‧‧輸出二極體

(1123)‧‧‧輸出電容

(1124)‧‧‧負載

[第一圖]係為本發明之電路圖。

[第二圖]係為本發明之等效電路圖，說明有一磁化電感與二次側繞組及第二電感並聯。

[第三圖]係為本發明於單一切換週期之波形圖，說明輸入電壓為正半波之主要波形圖。

[第四圖]係為本發明操作之第一模式電流路徑示意圖。

[第五圖]係為本發明操作之第二模式電流路徑示意圖。

[第六圖]係為本發明操作之第三模式電流路徑示意圖。

[第七圖]係為本發明操作之第四模式電流路徑示意圖。

[第八圖]係為本發明其中之一實驗波形圖。

[第九圖]係為本發明其中之一實驗波形圖。

[第十圖]係為本發明其中之一實驗波形圖。

[第十一圖]係為本發明其中之一實驗波形圖。

[第十二圖]係為本發明輸入電壓90Vrms~264Vrms、輸出電壓24VDC之功率因數曲線圖。

[第十三圖]係為本發明輸入電壓90Vrms~264Vrms、輸出電壓24VDC之輸入電流總諧波失真曲線圖。

[第十四圖]係為本發明輸入電壓90Vrms~264Vrms、輸出電壓24VDC之直流鏈結電壓曲線圖。

綜合上述技術特徵，本發明主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

請先參閱第一圖所示，係為本發明之電路圖，本發明係為一種高功率因數隔離型電源供應裝置(1)，其係包含有一前半級電路(10)及一後半級電路(11)，所述後半級電路(11)係電性連接所述前半級電路(10)，其中，在本實施例中，所述前半級電路(10)係操作在不連續導通模式，而所述後半級電路(11)係操作在不連續導通模式，且所述前半級電路(10)主要藉以提供功率因數之修正，以達到高功率因數，而所述後半級電路(11)主要可藉以提供電氣之隔離及降壓。

其中，所述前半級電路(10)包含有一輸入端(101)、一輸入濾波器(102)、一整流器(103)及一切換單元(104)，其中，所述輸入濾波器(102)包含有一濾波電感(1021)及一濾波電容(1022)，所述整流器(103)包含有一第一二極體(1031)、一第二二極體(1032)、一第三二極體(1033)及一第四二極體(1034)，所述切換單元(104)包含有一第一切換開關(1041)、一第五二極體(1042)、一第一電感(1043)、一第二切換開關(1044)及一第一電容(1045)，而所述後半級電路(11)包含有一變壓器(111)及一輸出單元(112)，其中，所述變壓器(111)包含有一一次側繞組(1111)及一二次側繞組(1112)，所述輸出單元(112)包含有一第二電感(1121)、一輸出二極體(1122)、一輸出電容(1123)及一負載(1124)，其電路電性連接之方式如下：所述濾波電感(1021)一端係電性連接所述輸入端(101)之一正端，所述濾波電感(1 021)另一端係電性連接所述濾波電容(1022)一端、所述第一二極體(1031)之陽極端及所述第二二極體(1032)之陰極端，所述濾波電容(1022)另一端係電性連接所述輸入端(101)之一負端、所述第三二極體(1033)之陽極端及所述第四二極體(1034)之陰極端，所述第一二極體(1031)之陰極端及所述第三二極體(1033)之陰極端係電性連接所述第一切換開關(1041)之一端，所述第一切換開關(1041)另一端係電性連接所述第五二極體(1042)之陰極端及所述第一電感(1043)一端，所述第五二極體(1042)之陽極端電性連接所述第二二極體(1032)之陽極端及所述第四二極體(1034)之陽極端，所述第一電感(1043)另一端電性連接所述第二切換開關(1044)一端及所述第一電容(1045)一端，所述第一電容(1045)另一端電性連接所述一次側繞組(1111)一端，所述一次側繞組(1111)另一端電性連接所述第二切換開關(1044)另一端及所述第五二極體(1042)之陽極端，而所述二次側繞組(1112)一端電性連接所述第二電感(1121)一端及所述輸出二極體(1122)之陽極端，所述輸出二極體(1122)之陰極端電性連接所述輸出電容(1123)一端及所述負載(1124)一端，所述第二電感(1121)另一端、所述輸出電容(1123)另一端及所述負載(1124)另一端電性連接所述二次側繞組(1112)另一端，其中，在本實施例中，本發明係採用脈波寬度調變技術，而所述第一切換開關(1041)與所述第二切換開關(1044)係採同步控制，且所述第一切換開關(1041)、第二切換開關(1044)、第五二極體(1042)及輸出二極體(1122)具有低電壓應力。

再者，請參閱第二圖所示，其係為本發明第一圖之等效電路圖，將變壓器(111)視為一個理想變壓器(111)及一磁化電感(113)，而所述磁化電感(113)係與所述二次側繞組(1112)及所述第二電感(1121)並聯。

再者，請參閱第三圖至第七圖所示，一個完整之波包含有一正半波及一負半波，又因輸入電壓之正半波與負半波為對稱關係，故本發明之操作原理僅探討正半波，其中，在本實施例中，輸入端(101)係輸入有一正半波，而第三圖係為本發明於輸入電壓為正半波時之主要波形圖，並且其操作依序有下列四種模式：

模式1：在區間[kTs,tk1]，所述第一切換開關(1041)導通及所述第二切換開關(1044)導通，其電流路徑如第四圖所示，此區間，輸入端(101)所輸入之電源對第一電感(1043)作能量之儲存，而儲存於第一電容(1045)之能量釋放至第二電感(1121)及變壓器(111)之磁化電感(113)，而儲存於輸出電容(1123)之能量則釋放至負載(1124)，直到當第一切換開關(1041)及第二切換開關(1044)截止時，此操作模式結束。

模式2：在區間[tk1,tk2]，所述第一切換開關(1041)截止及所述第二切換開關(1044)截止，其電流路徑如第五圖所示，在此區間，儲存於第一電感(1043)之能量釋放至第一電容(1045)及經由變壓器(111)至輸出電容(1123)及負載(1124)，而儲存於第二電感(1121)及磁化電感(113)之能量亦釋放至輸出電容(1123) 及負載(1124)，當儲存於第一電感(1043)之能量釋放完畢時，此操作模式結束。

模式3：在區間[tk2,tk3]，所述第一切換開關(1041)及所述第二切換開關(1044)仍然截止，其電流路徑如第六圖所示，在此區間，儲存於第二電感(1121)及磁化電感(113)之能量持續釋放至輸出電容(1123)及負載(1124)，當儲存於第二電感(1121)及磁化電感(113)之能量釋放完畢時，此操作模式結束，因此可知變壓器(111)在每一切換週期結束時，無剩磁殘留。

模式4：在區間[tk3,(k+1)Ts]，所述第一切換開關(1041)及所述第二切換開關(1044)仍然截止，其電流路徑如第七圖所示，在此區間，儲存於輸出電容(1123)之能量則釋放至負載(1124)，此操作模式結束在下一切換週期開始，所述第一切換開關(1041)及所述第二切換開關(1044)再度導通時。

再者，另請參閱第三圖至第五圖所示，進一步要說明的是：第一切換開關(1041)、第二切換開關(1044)及第五二極體(1042)、輸出二極體(1122)具有低電壓應力，即可由第五圖清楚得知第一切換開關(1041)上之電壓Vs1=Vm、第二切換開關(1044)上之電壓Vs2=nVo+Vcl，其中Vm為輸入電壓之峰值、n為變壓器(111)之匝數比：N1/N2，並可由第四圖清楚得知在第五二極體(1042)上之電壓VD1=Vm、輸出二極體(1122)上之電壓VDo=Vo+Vcl/n。

再者，請參閱第八圖至第十一圖所示，其中，第八圖之波形數值為：es：100V/div，is：2A/div，Time：5ms/div；第九圖之波形數值為：iL1： 5A/div，Time：5ms/div；第十圖之波形數值為：iL2：5A/div，Time：20μs/div；第十一圖之波形數值為：Vcl：50V/div，Vo：10V/div，Time：20μs/div，並可由第八圖看出輸入電壓及輸入電流幾近同相位，而第九圖及第十圖為第一電感(1043)及第二電感(1121)之電流[iL1及iL2]之波形，可看出兩半級皆操作在不連續導通模式，而第十一圖係為直流鏈結電壓[第一電容(1045)[如第一圖所示]上之電壓vcl]及輸出電壓[輸出電容(1123)[如第一圖所示]上之電壓vo]之波形，可看出直流鏈結電壓[第一電容(1045)[如第一圖所示]上之電壓vcl]約81VDC，較輸入電壓115Vrms之峰值為小，及輸出電壓[輸出電容(1123)[如第一圖所示]上之電壓vo]穩定控制在24VDC。

再者，請參閱第十二圖至第十四圖所示，係為泛用輸入電壓90Vrms~264Vrms、輸出電壓24VDC及不同輸出功率下量測數據，可清楚得知其功率因數高於0.95[如第十二圖所示]、輸入電流總諧波失真低於9%，及直流鏈結電壓[第一電容(1045)[如第一圖所示]上之電壓vcl]低於215VDC，而要進一步說明的是：直流鏈結電壓[第一電容(1045)[如第一圖所示]上之電壓vcl]只要低於輸入電壓之峰值，且遠小於450VDC，則符合實用原則。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。