TWI530081B - 高效率單級高功因電力轉換電路 - Google Patents

高效率單級高功因電力轉換電路 Download PDF

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Description

高效率單級高功因電力轉換電路
一種電力轉換電路，尤其是一種高效率單級高功因電力轉換電路。
電力轉換電路的目的是為負載提供符合需求及高品質的電力來源，於既有的電力轉換電路中常見的是雙級或多級的電力轉換電路，由於各級電路中的各項元件間皆會造成電力轉換時的功率損失，在各級電力轉換電路彼此的串並聯下，各級電路的功率損失彼此加乘，故多級的電力轉換電路容易導致電力轉換效率的低落。此外，目前常見的電力轉換電路中所使用的功率開關元件常以「硬切方式」進行電力的切換，然而硬切方式的電力切換容易於開關的兩端產生一電壓突波，而此一電壓突波同樣會使功率開關元件產生功率損失。在能源費用持續上升的時代，需要進一步提升電力轉換電路的轉換效率，使能有限的能源可以達到最有效率的運用。
為提升電力轉換電路的轉換效率，本發明提出一種高效率單級高功因電力轉換電路，其包含一儲能電路、一半無橋升壓型轉換電路、一整流電路、一全橋型轉換電路及一諧振電路，該儲能電路與該半無橋升壓型轉換電路 連接，該整流電路與該半無橋升壓型轉換電路串聯，該全橋型轉換電路與該整流電路連接，其中：該半無橋升壓型轉換電路包含二轉換二極體，該轉換二極體(D1)及該轉換二極體(D2)的陽極相接，該轉換二極體(D2)與該儲能電路相接，該儲能電路的該儲能電流(iPFC)為低頻內具高頻儲、釋能電流波包；該全橋型轉換電路包含四組轉換開關，而該轉換開關的電源轉換具有零電壓切換特性；及該整流電路分別與該轉換開關(S3)與該轉換開關(S2)的接點相接，及該轉換開關(S4)與該轉換開關(S1)的接點相接。
進一步的，高效率單級高功因電力轉換電路包含一濾波器，該濾波器和該儲能電路串聯，且與該半無橋升壓型轉換電路連接。
其中，該整流電路包含二整流二極體，該整流二極體(DB2)之陽極與該轉換二極體(D1)的陰極相接；該整流二極體(DB1)之陽極與該轉換二極體(D2)的陰極相接。
其中，該轉換開關(S4)與該轉換開關(S1)串聯，該轉換開關(S3)與該轉換開關(S2)串聯，而該轉換開關(S4)及該轉換開關(S1)與該轉換開關(S3)及該轉換開關(S2)並聯。
其中，該濾波器包含一濾波電感及一濾波電容，該濾波電感與該濾波電容串聯，而該濾波電感及該濾波電容未串聯的一端分別與該交流電源之兩端相接，而該濾波器未與該交流電源連接之一端和該儲能電路串聯。
其中，該儲能電路為一儲能電感。
其中，該諧振電路包含一諧振電感及一諧振電容，該諧振電感與該諧振電容彼此串聯，而該諧振電感未與該諧振電容串聯的一端與該整流二極體(DB2)之陰極相連；該諧振電容未與該諧振電感串聯的一端與該開關二極體(DS3)相連。
進一步的，高效率單級高功因電力轉換電路包含一負載，該諧振電路中串聯一負載，該負載分別串聯於該諧振電感及該諧振電容之間。
進一步的，高效率單級高功因電力轉換電路包含一交流電源，該交流電源於該濾波器並聯，該濾波器對該交流電源輸出的交流電進行濾波。
其中，該轉換開關(S1)與該轉換開關(S4)之切換波型間有一死區時間；及該轉換開關(S2)與該轉換開關(S3)之切換波型互補有該死區時間。
由上述說明可知本發明具有下列優點：
1. 本新式以半無橋升壓型轉換電路與全橋轉換器衍生出一種高 效率單級高功因電力轉換電路，相較於一般雙級電力轉換電路具有架構簡單、 低成本之特性。
2. 本新式單級電力轉換電路相較於一般單級電力轉換電路，是將儲能電感放置於交流電源側，利用後方主動切換開關切換進行高頻儲、釋能操作。
3. 由儲能電感電流可得一低頻內具高頻儲、釋能之電流，只需要加入一濾波器則可具有高功率因數修正之特性。
4. 本發明相較一般單級電力轉換電路減少兩顆輸入整流二極體，可降低成本、提升效率與簡化電路。
5. 本發明採用諧振技術，使電路操作在電感性負載使得所使用的四顆主動切換開關具零電壓切換之特性，可有效降低切換損失，提升整體電路效率。
10‧‧‧半無橋升壓型轉換電路
11‧‧‧轉換二極體(D1、D2)
20‧‧‧全橋型轉換電路
21‧‧‧轉換開關(S1~S4)
211‧‧‧金屬氧化物場效應電晶體
212‧‧‧開關二極體(DS1~DS4)
30‧‧‧濾波器
31‧‧‧濾波電感
32‧‧‧濾波電容
40‧‧‧儲能電路
41‧‧‧儲能電感
(iPFC)‧‧‧儲能電流
42‧‧‧既有儲能電路
50‧‧‧整流電路
(iDB1、iDB2)‧‧‧整流電流
51‧‧‧整流二極體(DB1、DB2)
52‧‧‧既有整流電路
60‧‧‧諧振電路
61‧‧‧諧振電感
62‧‧‧諧振電容
70‧‧‧負載
80‧‧‧交流電源
(Cs)‧‧‧儲存電容
圖1為本發明較佳實施例之電路示意圖。
圖2為本發明較佳實施例之電路電流波型示意圖。
圖3為本發明較佳實施例之先前技術電路示意圖。
圖4為本發明較佳實施例之轉換開關工作時序圖。
請參考圖1及2，一種高效率單級高功因電力轉換電路，其包含一交流電源80、一濾波器30、一儲能電路40、一整流電路50、一半無橋升壓型轉換電路10、一全橋型轉換電路20、一諧振電路60及一負載70。
該交流電源80與該儲能電路40連接，或者，進一步的，該交流電源80於該濾波器30並聯，該濾波器30對該交流電源80輸出的交流電進行濾波，其中，該濾波器30包含一濾波電感31及一濾波電容32，該濾波電感31與該濾波電容32串聯，而該濾波電感31及該濾波電容32未串聯的一端分別與該交流電源80之兩端相接。
該濾波器30未與該交流電源連接之一端和該儲能電路40串聯，使該儲能電路40設置於該交流電源80側。進一步的，該儲能電路40為一儲能電感41，該濾波電感31及該濾波電容32相連的一端與該儲能電感41連接。全橋型轉換電路透過該儲能電路40形成低頻內具有高頻儲、釋能的一儲能電流(iPFC)，並透過該濾波器30使本發明具有高功率因數修正之特性，其中，該儲能電感41形成高頻之儲、釋能電流，而此該高頻儲、釋能電流形成之包波會與該交流電源或市電之頻率相同或近似，使該儲能電感41形成高頻之儲、釋能電流經由該濾波器30濾波後之電流波型近似於正弦波。
該儲能電路40及該濾波器30分別與該半無橋升壓型轉換電路10連接，其中，該半無橋升壓型轉換電路10包含二轉換二極體11，該轉換二極體(D1)11及該轉換二極體(D2)11的陽極相接，而該轉換二極體(D1)11的陰 極與該濾波電容32未與該濾波電感31相接的一端連接，該轉換二極體(D2)11與該儲能電感41未與該濾波電路連接的一端相接，透過該半無橋升壓轉換器10對該儲能電路40輸出之電壓進行升壓，並輸出給該全橋型轉換電路20。
該整流電路50與該半無橋升壓型轉換電路10串聯，其中該整流電路50包含二整流二極體51，該整流二極體51(DB1)之陽極與該轉換二極體11(D2)的陰極相接；該整流二極體51(DB2)之陽極與該轉換二極體11(D1)的陰極相接。藉由該整流電路50將該儲能電流(iPFC)依據不同的導通方向整流為二整流電流，二該整流電流分別為通過該整流二極體(DB1)51的該整流電流(iDB1)及通過該整流二極體(DB2)51的該整流電流(iDB2)。其中，於該儲能電流(iPFC)正半週時，該整流二極體(DB1)51導通，產生該整流電流(iDB1)；於該儲能電流(iPFC)負半週時，該整流二極體(DB2)51導通，產生該整流電流(iDB2)。
請參考圖3，圖3為先前技術所使用的電力轉換電路，其中包含一既有整流電路52及一既有儲能電路42，對比本發明之該整流電路50可知，該整流電路50僅包含二該整流二極體51，而該既有整流電路52卻包含四該整流二極體51；該儲能電路40僅包含一該儲能電感41，而該既有儲能電路42卻包含二該儲能電感41。由上述說明可知本發明之該整流電路50及該儲能電路40相較先前技術具有降低所需元件的優點，使本發明具有低成本、電路簡單化的特性。
該全橋型轉換電路20包含四組轉換開關21，其中該轉換開關(S4)21與該轉換開關(S1)21串聯成為一第一轉換開關組；該轉換開關(S3)21與該轉換開關(S2)21串聯成為一第二組轉換開關，該轉換開關(S4)21及該轉換開關(S1)21與該轉換開關(S3)21及該轉換開關(S2)21並聯。每一該轉換開關21由一金屬氧化物場效應電晶體211及一開關二極體212並聯而成，其中該開關二極體212之陰極與該金屬氧化物場效應電晶體211之汲極相連，而該開 關二極體212之陽極與該金屬氧化物場效應電晶體211之源極相連。進一步的，該開關二極體(DS4)212之陰極與該開關二極體(DS3)212之陰極相接；該開關二極體(DS1)212之陽極與該開關二極體(DS2)212之陽極相接。
該全橋型轉換電路20與該整流電路50連接，該整流二極體(DB1)51之陰極與該開關二極體(DS3)212之陽極相接，而該整流二極體(DB2)51與一諧振電路60連接後，該諧振電路60與該開關二極體(DS3)212之陽極相接。
該半無橋升壓型轉換電路10透過該整流電路50與該全橋型轉換電路20的連結，使本發明創作為一單級電力轉換電路。
進一步的，該全橋型轉換電路20與一儲存電容(Cs)並聯，該儲存電容(Cs)之兩端分別與該開關二極體(DS3)212之陰極及該開關二極體(DS2)212之陽極相接，其中，透過該半無橋升壓轉換器10對該儲能電路40輸出之電壓進行升壓，升壓後之電壓儲存於該儲存電容(CS)並輸出給該全橋型轉換電路20。
該諧振電路60包含一諧振電感61及一諧振電容62，該諧振電感61與該諧振電容62彼此串聯，而該諧振電感61未與該諧振電容62串聯的一端與該整流二極體(DB2)51之陰極相連；該諧振電容62未與該諧振電感61串聯的一端與該開關二極體(DS3)212相連。透過該全橋型轉換電路20中該轉換開關21的持續的導通與截止切換，使該全橋型轉換電路20輸出一方波或類方波電壓，該方波或該類方波電壓使該諧振電路60形成諧振後，該諧振電路60輸出正弦波電流源。
其中，該全橋型轉換電路20之該轉換開關21持續導通及截止，形成該轉換開關(S1)21兩端的電壓(vGS1)及該轉換開關(S2)21兩端的電壓(vGS2)的方波。請參考圖4，其為四個該轉換開關21之工作時序圖，其中該第 一轉換開關組中的該轉換開關(S1)21與該轉換開關(S4)21之切換波型互補，且兩臂波型相差180度；該第二轉換開關組中的該轉換開關(S2)21與該轉換開關(S3)21之切換波型互補，且兩臂波型相差180度。進一步的，本實施例中，該轉換開關(S1)21與該轉換開關(S4)21之切換波型間有一死區時間(dead time)，而該轉換開關(S2)21與該轉換開關(S3)21之切換波型互補有該死區時間(dead time)。而藉由該死區時間，使四個該轉換開關21具有零電壓切換之特性，有效降低切換損失，提升整體電路效率。進一步的，該諧振電路60中串聯一負載70，該負載70分別串聯於該諧振電感61及該諧振電容62之間，該諧振電路60輸出一高頻交流電流源並與一變壓裝置串聯可輸出一直流電源。
由上述說明可知本發明具有下列優點：
1. 本新式以半無橋升壓型轉換電路與全橋轉換器衍生出一種高效率單級高功因電力轉換電路，相較於一般雙級電力轉換電路具有架構簡單、低成本之特性。
2. 本新式單級電力轉換電路相較於一般單級電力轉換電路，是將儲能電感放置於交流電源側，利用後方主動切換開關切換進行高頻儲、釋能操作。
3. 由儲能電感電流可得一低頻內具高頻儲、釋能之電流，只需要加入一濾波器則可具有高功率因數修正之特性。
4. 本發明相較一般單級電力轉換電路減少兩顆輸入整流二極體，可降低成本、提升效率與簡化電路。
5. 本發明採用諧振技術，使電路操作在電感性負載使得所使用的四顆主動切換開關具零電壓切換之特性，可有效降低切換損失，提升整體電路效率。
半無橋升壓型轉換電路10 轉換二極體（D1、D2）11 全橋型轉換電路20 轉換開關21（S1～S4） 金屬氧化物場效應電晶體211 開關二極體（DS1～DS4）212 濾波器30 濾波電感31 濾波電容32 儲能電路40 儲能電感41 儲能電流（iPFC） 整流電路50 整流電流（iDB1、iDB2） 整流二極體51（DB1、DB2） 諧振電路60 諧振電感61 諧振電容62 負載70 交流電源80 儲存電容（Cs）

Claims (10)

  1. 一種高效率單級高功因電力轉換電路，其包含一儲能電路、一半無橋升壓型轉換電路、一整流電路、一全橋型轉換電路及一諧振電路，該儲能電路與該半無橋升壓型轉換電路連接，該整流電路與該半無橋升壓型轉換電路串聯，該全橋型轉換電路與該整流電路連接，其中：該半無橋升壓型轉換電路包含二轉換二極體，該轉換二極體(D1)及該轉換二極體(D2)的陽極相接，該轉換二極體(D2)與該儲能電路相接，該儲能電路的該儲能電流(iPFC)為低頻內具高頻儲、釋能電流波包；該全橋型轉換電路包含四組轉換開關，而該轉換開關的電源轉換具有零電壓切換特性；及該整流電路分別與該轉換開關(S3)與該轉換開關(S2)的接點相接，及該轉換開關(S4)與該轉換開關(S1)的接點相接。
  2. 依申請專利範圍第1項的高效率單級高功因電力轉換電路，其包含一濾波器，該濾波器和該儲能電路串聯，且與該半無橋升壓型轉換電路連接。
  3. 依申請專利範圍第2項的高效率單級高功因電力轉換電路，其中該整流電路包含二整流二極體，該整流二極體(DB2)之陽極與該轉換二極體(D1)的陰極相接；該整流二極體(DB1)之陽極與該轉換二極體(D2)的陰極相接。
  4. 依申請專利範圍第3項的高效率單級高功因電力轉換電路，該轉換開關(S4)與該轉換開關(S1)串聯，該轉換開關(S3)與該轉換開關(S2)串聯，而該轉換開關(S4)及該轉換開關(S1)與該轉換開關(S3)及該轉換開關(S2)並聯。
  5. 依申請專利範圍第4項的高效率單級高功因電力轉換電路，該濾波器包含一濾波電感及一濾波電容，該濾波電感與該濾波電容串聯，而該濾波 電感及該濾波電容未串聯的一端分別與該交流電源之兩端相接，而該濾波器未與該交流電源連接之一端和該儲能電路串聯。
  6. 依申請專利範圍第5項的高效率單級高功因電力轉換電路，該儲能電路為一儲能電感。
  7. 依申請專利範圍第1至6項之任一項的高效率單級高功因電力轉換電路，該諧振電路包含一諧振電感及一諧振電容，該諧振電感與該諧振電容彼此串聯，而該諧振電感未與該諧振電容串聯的一端與該整流二極體(DB2)之陰極相連；該諧振電容未與該諧振電感串聯的一端與該開關二極體(DS3)相連。
  8. 依申請專利範圍第7項的高效率單級高功因電力轉換電路，其包含一負載，該諧振電路中串聯一負載，該負載分別串聯於該諧振電感及該諧振電容之間。
  9. 依申請專利範圍第8項的高效率單級高功因電力轉換電路，其包含一交流電源，該交流電源於該濾波器並聯，該濾波器對該交流電源輸出的交流電進行濾波。
  10. 依申請專利範圍第9項的高效率單級高功因電力轉換電路，該轉換開關(S1)與該轉換開關(S4)之切換波型間有一死區時間；及該轉換開關(S2)與該轉換開關(S3)之切換波型互補有該死區時間。
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