TWI528702B - 具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器 - Google Patents

具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器 Download PDF

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林家慶
劉貴華
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Description

具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器
本發明係有關於一種具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,尤指一種藉由一前半級交流-直流電源轉換單元以作功率因數之修正,並且經一電性連接該前半級交流-直流電源轉換單元之後半級直流-直流電源轉換單元而具有高降壓比之交流-直流轉換器。
功率因數指的是有效功率與視在功率之間的關係,也就是有效功率除以視在功率的比值。基本上,功率因數可以衡量電力被有效利用的程度。功率因數值越大,代表電力利用率越高。一般狀況下,電子設備沒有功率因數修正時,其功率因數偏低。為了節約能源,愈來愈多與電子產品相關的檢驗規範針對功率因數制定標準。功率因數修正因此漸漸成為許多電子產品的必要功能。
目前,交流-直流轉換器有如中華民國發明專利公告第I398088號「單相功率因數修正交流-直流電源轉換器」,包括:一濾波器、一整流器、一耦合電感器包含有一次側繞組及二次側繞組、二組切換裝置、三個二極體、及一輸出電容器。其中,二切換裝置係同步切換為導通或截止,以使耦合電感器操作於不連續導通模式。由此,當兩組切換裝置同時導通時,一次側繞組及二次側繞組係為串聯儲能;當兩組切換裝置同時截止時,一次側繞組及二次側繞組係為並聯釋能。
然,上述習知具有下列仍需改進之缺點:
1.習知「單相功率因數修正交流-直流電源轉換器」其電路圖揭示之技術特徵僅作為功率因數之修正,無法提供高降壓比之功能。
爰此,本發明人不斷創新研發,進而提出一種具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,包含有:一前半級交流-直流電源轉換單元;一後半級直流-直流電源轉換單元,係電性連接所述前半級交流-直流電源轉換單元;藉由所述前半級交流-直流電源轉換單元以作功率因數之修正,而經所述後半級直流-直流電源轉換單元之轉換達到高降壓比。
其中,所述前半級交流-直流電源轉換單元包含有一交流輸入電壓端、一濾波電路、一整流器、一第一切換開關、一第一二極體、一第一電感、一第二切換開關及一第一電容,其中,所述交流輸入電壓端二端係分別電性連接所述濾波電路,所述濾波電路係電性連接所述整流器,所述整流器一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一二極體之陰極端與所述第一電感一端,所述第一電感另一端係電性連接所述第二切換開關一端與所述第一電容一端;所述後半級直流-直流電源轉換單元包含有一第二二極體、一耦合電感、一第三二極體、一輸出電容及一負載,其中,所述耦合電感包含有一一次側繞組及一二次側繞組,前述第一電容另一端係電性連接所述第二二極體之陽極端與所述二次側繞組一端,所述第二二極體之陰極端係電性連接所述一次側繞組一端與所述輸出電容一端、所述負載一端,所述整流器另一端電性連接所述第一二極體之陽極端與所述第二切換開關之另一端、所述一次側繞組另一端,並進一步電性連接所述第三二極體之陰極端,所 述二次側繞組另一端係電性連接所述第三二極體之陽極端與所述輸出電容另一端、所述負載另一端。
其中,所述濾波電路係為一LC濾波器。
其中,所述整流器係為一全波橋式整流器。
進一步,所述前半級交流-直流電源轉換單元為一前半級具修正之交流-直流降/升壓之電源轉換單元。
其中,所述前半級交流-直流電源轉換單元係操作於不連續導通模式。
其中,所述後半級直流-直流電源轉換單元係操作於連續導通模式。
其中,所述後半級直流-直流電源轉換單元之耦合電感器之一次側繞組及二次側繞組為相同匝數。
其中,所述後半級直流-直流電源轉換單元之電壓增益為D/(2-D)。
其中,在所述前半級交流-直流電源轉換單元之第一切換開關及第二切換開關導通時,所述後半級直流-直流電源轉換單元之耦合電感器之一次側繞組及二次側繞組係為串聯儲能。
其中,在所述前半級交流-直流電源轉換單元之第一切換開關及第二切換開關截止時,所述後半級直流-直流電源轉換單元之耦合電感器之一次側繞組及二次側繞組係為並聯釋能。
本發明之功效在於:
1.本發明主要係採用脈波寬度調變技術以控制電路中之第一切換開關及第二切換開關同步導通或截止。
2.本發明之前半級交流-直流電源轉換單元係為一前半級具修正之交流-直流降/升壓之電源轉換單元,並操作在不連續導通模式,以作為功率因數之修正。
3.本發明揭示之電路中,其第一切換開關與第二切換開關具有電壓應力較低之特性,因此可選擇低額定之電子元件以降低其導通損失。
4.本發明之後半級直流-直流電源轉換單元其電壓增益為D/(2-D),其中D為責任週期,因此本發明具有高降壓比之功效。
5.本發明揭示之電路中,其輸入電壓範圍可應用於90Vrms~264Vrms,而其直流鏈結電壓係低於輸入電壓之峰值,且遠小於450VDC
6.本發明揭示之電路具有低輸入電流總諧波失真(THD)。
(1)‧‧‧交流-直流轉換器
(11)‧‧‧前半級交流-直流電源轉換單元
(111)‧‧‧交流輸入電壓端
(112)‧‧‧LC濾波器
(1121)‧‧‧濾波電感
(1122)‧‧‧濾波電容
(113)‧‧‧全波橋式整流器
(1131)‧‧‧一般二極體
(114)‧‧‧第一切換開關
(115)‧‧‧第一二極體
(116)‧‧‧第一電感
(117)‧‧‧第二切換開關
(118)‧‧‧第一電容
(12)‧‧‧後半級直流-直流電源轉換單元
(121)‧‧‧第二二極體
(122)‧‧‧耦合電感
(1221)‧‧‧一次側繞組
(1222)‧‧‧二次側繞組
(123)‧‧‧第三二極體
(124)‧‧‧輸出電容
(125)‧‧‧負載
[第一圖]係為本發明之電路圖。
[第二圖]係為本發明輸入電壓為正半波時之主要波形圖。
[第三圖]係為本發明操作在正半波時,模式1之電流路徑圖。
[第四圖]係為本發明操作在正半波時,模式2之電流路徑圖。
[第五圖]係為本發明操作在正半波時,模式3之電流路徑圖。
[第六圖]係為本發明操作在輸入電壓90Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之輸入電壓及輸入電流模擬波形圖。
[第七圖]係為本發明操作在輸入電壓90Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之直流鏈結電壓及輸出電壓模擬波形圖。
[第八圖]係為本發明操作在輸入電壓264Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之輸入電壓及輸入電流模擬波形圖。
[第九圖]係為本發明操作在輸入電壓264Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之直流鏈結電壓及輸出電壓模擬波形圖。
有關本發明之技術特徵及增進功效,配合下列圖式之較佳實施例即可清楚呈現,其中,本發明係為一種具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器(1),首先,請參閱第一圖所示,係為本發明之電路圖,所述交流-直流轉換器(1)係包含有:一前半級交流-直流電源轉換單元(11),所述前半級交流-直流電源轉換單元(11)包含有一交流輸入電壓端(111)、一濾波電路、一整流器、一第一切換開關(114)、一第一二極體(115)、一第一電感(116)、一第二切換開關(117)及一第一電容(118),其中,在本實施例中,所述濾波電路係為一LC濾波器(112),所述LC濾波器(112)係包含有一濾波電感(1121)及一濾波電容(1122),而所述整流器係為一全波橋式整流器(113),並包含有四個具順偏之一般二極體(1131),其排列係呈一橋式,主要將該交流輸入電壓端(111)所輸入之交流電壓整流為直流電壓,其係為交流-直流之轉換。進一步,所述前半級交流-直流電源轉換單元(11)為一前半級具修正之交流-直流降/升壓之電源轉換單元,並操作於不連續導通模式,而所述前半級交流-直流電源轉換單元(11)之交流輸入電壓端(111)二端係分別電性連接所述LC濾波器(112),即該交流輸入電壓端(111)一端電性連接該濾波電感(1121),而該交流輸入電壓端(111)另一端電性連接該濾波電容(1122),而所述LC濾波器(112)再進一步電性連接所述全波橋式整流器(113),所述全波橋式整流器(113)一端係電性連接所述第一切換開關(114)之一端,所述第一切換開關(114)另一端係電性連接所述第一二極體(115)之陰極端與所述第一電感(116)一端,所述第一電感(116)另一端係電性連接所述第二切換開關(117)一端與所述第一電容(118)一端。
一後半級直流-直流電源轉換單元(12),係電性連接所述前半級交流-直流電源轉換單元(11),其中,所述後半級直流-直流電源轉換單元(12)包含有一第二二極體(121)、一耦合電感(122)、一第三二極體(123)、一輸出電容(124)及一負載(125),其中,所述耦合電感(122)包含有一一次側繞組(1221)及一二次側繞組(1222),而前述第一電容(118)另一端係電性連接所述第二二極體(121)之陽極端與所述二次側繞組(1222)一端,所述第二二極體(121)之陰極端係電性連接所述一次側繞組(1221)一端與所述輸出電容(124)一端、所述負載(125)一端,所述全波橋式整流器(113)另一端電性連接所述第一二極體(115)之陽極端與所述第二切換開關(117)之另一端、所述一次側繞組(1221)另一端,並進一步電性連接所述第三二極體(123)之陰極端,所述二次側繞組(1222)另一端係電性連接所述第三二極體(123)之陽極端與所述輸出電容(124)另一端、所述負載(125)另一端,其中,在本實施例中,所述後半級直流-直流電源轉換單元(12)之耦合電感(122)之一次側繞組(1221)及二次側繞組(1222)係為相同匝數,且係操作於連續導通模式。
進一步要說明的是,本發明主要係採用脈波寬度調變技術以控制電路中之第一切換開關(114)及第二切換開關(117)同步導通或截止。
而操作前,請先參閱第二圖所示,第二圖係為本發明交流輸入電壓端(111)之輸入電壓為正半波時之主要波形圖,而因其輸入電壓具有正、負半波之對稱關係,因此在本發明以下之操作原理僅討論輸入電壓為正半波之情況。
操作時,請參閱第二圖至第五圖所示,其中,第三圖至第五圖係為第一圖之等效電路圖,即由交流輸入電壓端(111)輸入交流電壓es至所述 LC濾波器(112),並以一Vs電壓輸入至所述全波橋式整流器(113),在輸入至該全波橋式整流器(113)前皆為交流電,而本發明在交流輸入電壓端(111)之輸入電壓為正半波時,主要分為三種模式:
模式1:請參閱第三圖並配合第二圖所示,其操作區間為[kTs,tk1],當所述第一切換開關(114)及所述第二切換開關(117)係為導通狀態時,其電流路徑如第三圖之箭頭指向所示。此時,所輸入之電源係對第一電感(116)作儲存能量。而儲存於第一電容(118)的能量將釋放至所述耦合電感(122)、輸出電容器(124)、及負載(125)。在此操作區間,所述耦合電感(122)的一次側繞組(1221)及二次側繞組(1222)主要係作串聯之儲存能量。此操作模式1在t=tk1時結束,而此時之第一切換開關(114)及第二切換開關(117)係為截止狀態。
模式2:請參閱第四圖並配合第二圖所示,其操作區間為[tk1,tk2],當所述第一切換開關(114)及第二切換開關(117)係為截止狀態,其電流路徑如第四圖之箭頭指向所示。而儲存於第一電感(116)的能量將釋放至第一電容(118)、輸出電容(124)、及負載(125)。同時,該耦合電感(122)的一次側繞組(1221)及二次側繞組(1222)作並聯而將釋放能量至輸出電容(124)、及負載(125)。此操作模式2在t=tk2時結束,此時儲存於該第一電感(116)之能量即釋放完畢。
模式3:請參閱第五圖並配合第二圖所示,其操作區間為[tk2,(k+1)Ts],當所述第一切換開關(114)及第二切換開關(117)係為仍然截止之狀態,其電流路徑如第五圖之箭頭指向所示。該耦合電感(122)的一次側繞組(1221)及二次側繞組(1222)係為並聯,並持續釋放能量至輸出電容(124)、及負載(125)。此操作模式結束在下一切換週期開始,而當所述第一切換開關(114)及第二切換開關(117)導通。
進一步要說明的是,由第三圖及第四圖可清楚得知,所述第一二極體(115)之電壓應力:VD1=Vm,而所述第二二極體(121)與所述第三二極體(123)之電壓應力:VD2=VD3=(Vc1+Vo)/2。所述第一切換開關(114)之電壓應力:Vs1=Vm,所述第二切換開關(117):Vs2=Vc1+Vo,由上述可知,本發明電路揭示之功率元件皆具有低電壓應力之特性,因此可選擇較低額定之元件以降低其導通損失。此外,本發明電路中之後半級直流-直流電源轉換單元(12)的電壓增益為D/(2-D),其中,D為責任週期,因此本發明之後半級直流-直流電源轉換單元(12)可提供高降壓比之功效。
再者,請參閱第六圖及第七圖所示,第六圖係為本發明操作在輸入電壓90Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之輸入電壓及輸入電流模擬波形圖;而第七圖係為本發明操作在輸入電壓90Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之直流鏈結電壓及輸出電壓模擬波形圖。
再者,請參閱第八圖及第九圖所示,第八圖係為本發明操作在輸入電壓264Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之輸入電壓及輸入電流模擬波形圖;而第九圖係為本發明操作在輸入電壓264Vrms、輸出電壓24VDC及輸出功率115瓦特時之直流鏈結電壓及輸出電壓模擬波形圖。
進一步要說明的是,由第六圖與第八圖可知,在輸入電壓90Vrms及264Vrms,本轉換器皆可達到高功率因數、低輸入電流總諧波失真;而由第七圖與第九圖可知,其直流鏈結電壓Vc1小於輸入電壓最大值Vm,且遠小於450VDC
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。
(1)‧‧‧交流-直流轉換器
(11)‧‧‧前半級交流-直流電源轉換單元
(111)‧‧‧交流輸入電壓端
(112)‧‧‧LC濾波電路
(113)‧‧‧全波橋式整流器
(1131)‧‧‧一般二極體
(114)‧‧‧第一切換開關
(115)‧‧‧第一二極體
(116)‧‧‧第一電感
(117)‧‧‧第二切換開關
(118)‧‧‧第一電容
(12)‧‧‧後半級直流-直流電源轉換單元
(121)‧‧‧第二二極體
(122)‧‧‧耦合電感
(1221)‧‧‧一次側繞組
(1222)‧‧‧二次側繞組
(123)‧‧‧第三二極體
(124)‧‧‧輸出電容
(125)‧‧‧負載

Claims (10)

  1. 一種具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,包含有:一前半級交流-直流電源轉換單元,包含有一交流輸入電壓端、一濾波電路、一整流器、一第一切換開關、一第一二極體、一第一電感、一第二切換開關及一第一電容,其中,所述交流輸入電壓端二端係分別電性連接所述濾波電路,所述濾波電路係電性連接所述整流器,所述整流器一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一二極體之陰極端與所述第一電感一端,所述第一電感另一端係電性連接所述第二切換開關一端與所述第一電容一端;一後半級直流-直流電源轉換單元,係電性連接所述前半級交流-直流電源轉換單元,所述後半級直流-直流電源轉換單元包含有一第二二極體、一耦合電感、一第三二極體、一輸出電容及一負載,其中,所述耦合電感包含有一一次側繞組及一二次側繞組,前述第一電容另一端係電性連接所述第二二極體之陽極端與所述二次側繞組一端,所述第二二極體之陰極端係電性連接所述一次側繞組一端與所述輸出電容一端、所述負載一端,所述整流器另一端電性連接所述第一二極體之陽極端與所述第二切換開關之另一端、所述一次側繞組另一端,並進一步電性連接所述第三二極體之陰極端,所述二次側繞組另一端係電性連接所述第三二極體之陽極端與所述輸出電容另一端、所述負載另一端;藉由所述前半級交流-直流電源轉換單元以作功率因數之修正,而經所述後半級直流-直流電源轉換單元之轉換達到高降壓比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,所述濾波電路係為一LC濾波器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,所述整流器係為一全波橋式整流器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,進一步,所述前半級交流-直流電源轉換單元為一前半級具修正之交流-直流降/升壓之電源轉換單元。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,所述前半級交流-直流電源轉換單元係操作於不連續導通模式。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,所述後半級直流-直流電源轉換單元係操作於連續導通模式。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,所述後半級直流-直流電源轉換單元之耦合電感器之一次側繞組及二次側繞組為相同匝數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,所述後半級直流-直流電源轉換單元之電壓增益為D/(2-D)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,在所述前半級交流-直流電源轉換單元之第一切換開關及第二切換開關導通時,所述後半級直流-直流電源轉換單元之耦合電感器之一次側繞組及二次側繞組係為串聯儲能。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之具高功率因數及高降壓比之交流-直流轉換器,其中,在所述前半級交流-直流電源轉換單元之第一切換開關及第二切換開關截止時,所述後半級直流-直流電源轉換單元之耦合電感器之一次側繞組及二次側繞組係為並聯釋能。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI594560B (zh) * 2016-08-31 2017-08-01 Univ Far East 交流-直流電源轉換器
TWI614981B (zh) * 2016-08-30 2018-02-11 Univ Far East 隔離型高降壓比直流-直流轉換器

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TWI614981B (zh) * 2016-08-30 2018-02-11 Univ Far East 隔離型高降壓比直流-直流轉換器
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