TWI542127B - 降壓型主動式功因修正裝置 - Google Patents

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TWI542127B
TWI542127B TW101100158A TW101100158A TWI542127B TW I542127 B TWI542127 B TW I542127B TW 101100158 A TW101100158 A TW 101100158A TW 101100158 A TW101100158 A TW 101100158A TW I542127 B TWI542127 B TW I542127B
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蔡文田
李清然
陳伯彥
潘晴財
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Description

降壓型主動式功因修正裝置
本發明係為一種降壓型主動式功因修正裝置，尤其是有關於一種可運用於各種輸出電壓低於交流輸入電源之峰值電壓之降壓型主動式功率因數修正裝置。
目前電氣用品使用直流電的很多，但由於市電為交流電，所以需要作交-直流轉換；而為了降低電力系統的虛功率，並減少電流諧波造成系統干擾，許多電氣用品被要求具有高功率因數與低電流諧波，因此功率因數修正器被廣泛地使用著。常用的功率因數修正電路主要分為被動式與主動式兩大類，被動式功率因數修正電路以電感、電容等元件為主體，不使用主動開關元件；其結構簡單，功能也較簡單，尤其當電源或負載變動時缺乏應變能力。主動式功率因數修正電路係透過主動功率開關元件進行切換動作，配合電感、電容元件使輸入電流追隨電源電壓變動，達到功率因數修正的目的，配合回授控制，還可在電源或負載變動時，維持良好的電路特性。常用的主動式功率因數修正電路以升壓式為代表，但卻有直流輸出電壓需高於輸入交流電壓峰值的限制，其他降壓式或降升壓式等可輸出較低電壓之電路，則分別有特性較差、效率較低、儲能元件體積較大或控制方式複雜較難實現等缺點。
圖一A顯示傳統的主動式功率因數修正器所通常所採用的升壓式(boost)轉換電路，其主要優點是具有較高的功率因數與較易於實施的控制方式。圖一B顯示圖一A之傳統功率因數修正器的輸入端電壓Vs及電流Is波形示意圖，且ω為市電角頻率，Vm與Im分別表示電壓峰值與電流峰值。在理想的情況下，輸入電流Is的功率因數可接近1.0，在實際電路應用上，輸入電流Is的功率因數實測值也可達0.98以上。在開關元件QPFC的控制方面，因為升壓式轉換器之儲能電感LPFC的電感電流即為輸入電流Is，且在邊界電流模式(boundary current mode,BCM)下，儲能電感LPFC充電時的跨壓等於電源AC的電壓(如式子(1))。所以，濾除高頻成份後的輸入電流Is可以很容易地正比於輸入電壓(如式子(2))，達到高功因的效果，所以升壓式功率因數修正器的控制方式易於實現。
目前有兩種常用於升壓式轉換器之調高功率因數的作法：1.零電流切入(zero-current cut)+固定導通時間(constant on-time)；2.零電流切入+2倍封包電流截止(double packets current cut-off)。這兩種作法都可以實現式(2)所需要的頻率或責任週期調變，目前也都有許多現成的IC可供應用。圖一C顯示應用上述兩種作法後，升壓式轉換器與輸入電流Is以及電感電流IL關係圖。
升壓式功率因數修正器(或升壓式轉換器)的限制是輸出電壓必須高於輸入電壓(峰值電壓)，而伴隨著高輸出電壓使得其元件的電壓應力需求較高；尤其，對於電壓需求較低(低於電源峰值電壓)的負載而言，升壓式功率因數修正器無法直接提供適當的電壓電源，必須再透過降壓電路(Buck Converter)將其輸出電壓降為負載之所需之電壓，如圖二所示；如此不但增加電路體積與成本，還會增加電路的功率損耗，降低整體電路之轉換效率。
也有直接以降壓式轉換電路進行功率因數修正器設計的，如圖三A所示。降壓式功率因數修正器主要缺點是當電源的輸入電壓Vi低於直流輸出電壓Vo時，電路將無法引進輸入電流，稱為盲區(dead zone)，如圖三B所所示。因此，降壓式功率因數修正器的輸入電流Is為不連續，故功率因數較低、電流諧波含量較大，且隨著盲區越大，其功率因數越低、電流諧波失真率越大，如圖三C所示。
降壓式功率因數修正器另一個大缺點是開關元件的控制方式較複雜、難以實現，主要因為其電感電流只有在充電階段才流經電源，而電感充電時的跨壓等於電源電壓減輸出電壓，如式子(3)；而其濾除高頻成份後的輸入電流如式子(4)，並未直接正比於輸入電壓；目前尚未有簡單的控制電路或普遍的IC可供應用。
其它也有以降升壓式轉換電路(Buck-Boost Converter)或返馳式轉換電路(Fly-back Converter)作為功率因數修正器設計的，如圖四、五所示，雖然也可達到高功率因數，但其共同的缺點是電感的儲能需求較大，造成其體積較大，且磁能損失也導致其效率較差。
圖六的電路是整合了升壓式轉換電路與降壓式轉換電路所形成的功率因數修正器，當Q2截止不動作時，Q1可進行降壓式轉換的操作；而當Q1維持導通時，Q2可進行升壓式轉換的操作。理論上，該功率因數修正器可具有良好的功率因數與轉換效率，且直流輸出電壓可高於或低於電源電壓；但該電路之控制方式非常複雜，除非開發特用IC，否則將不易實現，其實用性不高。
本發明提供一種降壓型主動式功因修正裝置，包括：一交流輸入電源；一整流裝置，耦接該交流輸入電源，接收並整流該電源，進而產生一輸入電壓；一第一轉換裝置，耦接該整流裝置，用以接受、傳送、轉換與儲存能量，並產生一輸出電壓；一負載，耦接該第一轉換裝置；以及一輔助裝置，耦接該第一轉換裝置，用以產生一輔助電壓，其中該輔助電壓與該輸入電壓之電壓極性相同，與該輸出電壓之電壓極性相反，使得該第一轉換裝置可以在輸入電壓低於輸出電壓的情況下繼續工作引入輸入電流，進而縮短該輸入電流的不連續時間，達到較佳的功率因數修正效果。
為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：
圖七係顯示根據本發明之一實施例之降壓型主動式功因修正裝置1。此降壓型主動式功因修正裝置1包括：一輔助裝置11以及一第一轉換裝置T1。該輔助裝置11用以產生一輔助電壓。該第一轉換裝置T1耦接該輔助裝置11，用以傳送、儲存與轉換能量，且其中該輔助電壓與該輸出電壓Vo極性相反。該降壓型主動式功因修正裝置1更包括一整流裝置12，其耦接該輔助裝置11，接收並整流一電源AC，進而產生一輸入電壓Vi，而上述電源AC可為交流電源；以及一負載(Load)，其耦接該第一轉換裝置T1，且其中該輔助電壓與該輸入電壓Vi極性相同，進而縮短該輸入電流Is的不連續時間。此外，上述之第一轉換裝置T1可為降壓式功因修正器。
於本實施例，該輔助電壓串接於輸入電流的路徑上，該輔助電壓極性與該輸入電壓Vi相同，以縮短輸入電流不連續時間。且輔助裝置11更可利用一輔助電容作為輔助電壓元件，並設計一繞組電感與該第一轉換裝置T1之儲能電感耦合，使儲能電感釋放能量至輸出電容時，該繞組電感能同時對輔助電容充電，進而使輔助電容上之跨壓與該輸入電壓Vi同極性。此外，更可將繞組電感之線圈匝數設計為與輔助電感之線圈匝數相同，且同時輔助電容上之跨壓等於輸出電壓Vo，進而使盲區(dead zone)消失。
圖八係顯示應用圖七的一實施例。此降壓型主動式功因修正裝置2可適用於各種輸出電壓低於輸入電壓之電源供應器或降壓式功率因數修正器，且降壓型主動式功因修正裝置2，係包括：一輔助裝置21以及一第一轉換裝置T1。且此降壓型主動式功因修正裝置2更包括一整流裝置22與一負載(Load)。於本實施例，該第一輔助裝置21包括一輔助繞組L2、一輔助二極體D2以及一輔助電容Ca。該第一轉換裝置T1包括：一儲能電感L1、一主動式功率開關Q1、一二極體D1以及一輸出電容C1。而其中該輔助裝置21之該輔助繞組L2串聯該輔助二極體D2，並與該輔助電容Ca並聯，且該輔助繞組L2為一或多個線圈組成。該二極體D1一端耦接儲能電感L1，另一端耦接輸出電容C1，而該儲能電感L1一端耦接二極體D1，另一端耦接輸出電容C1，而該輸出電容C1一端耦接儲能電感L1，另一端耦接二極體D1，並且與負載(Load)並聯，而該主動式功率開關Q1一端耦接整流裝置22，另一端耦接輸出電容C1。
而關於此降壓型主動式功因修正裝置2之電路動作如下：
(1)模式一：Q1導通，D1截止，D2截止。
當主動式功率開關Q1為導通狀態時，輸入電壓Vi與輔助電容Ca上之跨壓Vca(輔助電壓)形成相加，同時對儲能電感L1及輸出電容C1充電。輔助繞組L1上之電流上升，輔助電容Ca上之跨壓Vca(輔助電壓)下降，此階段將持續至主動式功率開關Q1截止，其操作如圖九(a)所示。
(2)模式二：Q1截止，D1截止，D2導通。
主動式功率開關Q1截止後，儲能電感L1將開始釋出能量。由於儲能電感L1與輔助繞組L2為互相耦合，進而形成耦合電感，且具有共通的儲能，所以電感的儲能可分別從L1或L2釋出。在本實施例中，設計儲能電感L1與輔助繞組L2之線圈匝數相同，故兩者的跨壓相同。由於在模式一中輔助電容Ca上之跨壓Vca下降，使得輔助電壓Vca小於輸出電壓Vo(Vca<Vo)。因此輔助二極體D2將優先導通，因此輔助繞組L2透過輔助二極體D2釋出能量並對輔助電容Ca充電，故Vca上升，且儲能電感L1之電壓將被箝制為Vca，故二極體D1反偏不導通。此階段將持續至Vca=Vo為止，其動作如圖九(b)所示。
(3)模式三：Q1截止，D1導通，D2導通。
當儲能電感L1之電壓(即Vca)上升至等於輸出電壓Vo，二極體D1順偏導通，儲能電感L1透過二極體D1對輸出電容C1放電，輔助繞組L2則繼續透過輔助二極體D2對輔助電容Ca放電，直到儲能電感L1與輔助繞組L2完全釋能，電流降為零為止。電路動作如圖九(c)所示。
(4)模式四：Q1截止，D1截止，D2截止。
當儲能電感L1與輔助繞組L2完全釋能後，電流降為零，二極體D1與輔助二極體D2都進入截止狀態，其電路動作如圖九(d)所示，直到主動式功率開關Q1再次被觸發導通，電路重回模式一。在此實施例中，負載(Load)所需之能量皆由輸出電容C1提供。
圖十係顯示應用圖七的另一實施例。此降壓型主動式功因修正裝置3，其適用於各種輸出電壓低於輸入電壓之電源供應器或降壓式功率因數修正器，且降壓型主動式功因修正裝置3，係包括：一輔助裝置31以及一第一轉換裝置T1。且此降壓型主動式功因修正裝置3更包括一整流裝置32與一負載(Load)。於本實施例，該輔助裝置31包括一輔助繞組L2、一第一輔助二極體D2、一第二輔助二極體D3及一輔助電容Ca。該第一轉換裝置T1包括：一儲能電感L1、一主動式功率開關Q1、一二極體D1以及一輸出電容C1。其中該第一輔助二極體反相耦接該第二輔助二極體，且該第一輔助二極體D2之一端耦接該輔助電容Ca，而該第一輔助二極體D2之另一端耦接該輔助繞組L2，且該輔助繞組L2為一或多個線圈組成，且該輔助繞組L2一端耦接該第一輔助二極體D2與該第二輔助二極體D3，另一端耦接該輔助電容Ca與輸出電容C1。而該二極體D1之一端耦接該儲能電感L1，另一端耦接該主動功率開關Q1與該輸出電容C1，而該儲能電感L1一端耦接該二極體D1，而另一端耦接該輔助電容Ca，且該主動式功率開關Q1為一電晶體，其一端耦接該整流裝置32，而另一端耦接該二極體D1與該輸出電容C1，且該輸出電容C1一端耦接輔助電容Ca，另一端耦接二極體D1，並且與負載(Load)並聯。
而關於此降壓型主動式功因修正裝置3之電路動作如下：
(1)模式一：Q1導通，D1截止，D2截止，D3截止。
當主動式功率開關Q1為導通狀態時，輸入電壓Vi與輔助電容Ca上之跨壓Vca形成相加，同時對儲能電感L1及輸出電容C1充電。輔助繞組L1上之電流上升，輔助電容Ca上之跨壓Vca下降，此階段將持續至主動式功率開關Q1截止，其操作如圖十一(a)所示。
(2)模式二：Q1截止，D1導通，D2截止，D3截止。
主動式功率開關Q1截止後，儲能電感L1將開始釋出能量，儲能電感L1電流下降，輔助電容Ca上之跨壓Vca亦持續下降，此階段將持續至Vca=0為止，其動作如圖十一(b)所示。
(3)模式三：Q1截止，D1導通，D2導通，D3截止。
當Vca下降至0V，第一輔助二極體D2順偏導通，儲能電感L1電流同時流經輔助電容Ca與第一輔助二極體D2，繼續對輸出電容C1放電，直到儲能電感L1完全釋能，電流降為零為止。期間輔助電容Ca被反向充電，輔助電容Ca上之跨壓Vca為負電壓，而輔助繞組L2電流則增加，電路動作如圖十一(c)所示。
(4)模式四：Q1截止，D1截止，D2導通，D3截止。
當儲能電感L1完全釋能後，二極體D1截止。因輔助電容Ca上之跨壓Vca為負值，所以第一輔助二極體D2將維持導通，輔助電容Ca與輔助繞組L2形成共振回路。在此階段輔助電容Ca先將能量轉移給輔助繞組L2，輔助繞組L2電流上升，至輔助電容Ca完全放電為止即Vca=0；之後輔助繞組L2再將能量轉移給輔助電容Ca，輔助繞組L2電流下降且輔助電容Ca上之跨壓Vca上升，當Vca上升至Vca=Vo時，電路進入模式五。模式四之電路動作如圖十一(d)所示。
(4)模式五：Q1截止，D1截止，D2導通，D3導通。
當Vca=Vo時，第二輔助二極體D3開始導通，輔助繞組L2釋能之電流將分別流入輸出電容C1和輔助電容Ca，由於C1和Ca形成並聯狀態，故兩者電壓也維持相等。本模式將持續至輔助繞組L2完全釋能為止，其電路動作如圖十一(e)所示。
(5)模式六：Q1截止，D1截止，D2截止，D3截止。
當輔助繞組L2完全釋能後，第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3均截止，電路動作如圖十一(f)所示，至主動式功率開關Q1再被觸發導通，電路重回模式一。在此實施例中，負載(Load)所需之能量皆由輸出電容C1提供。
圖十二顯示應用本發明之輸入電壓電流及高頻切換控制信號之脈波寬度調變(pulse width modulation，PWM)波形圖。圖十三顯示應用本發明之高頻切換控制信號波形之展開圖。由圖十二與圖十三可知，在一個交流電源的週期中，本發明功率開關Q1之控制信號是一個固定頻率與導通率(duty-ratio)的波形，便能達到高功率因數及低諧波失真之效果，相較於傳統之升壓式與降壓式功率因數修正器，本發明之控制方式更為簡單易實施。
另一方面，當調變控制信號之頻率或導通率(duty-ratio)時，即可達到調整輸出電壓的功能，且維持良好的功率因數修正效果，圖十四顯示本發明應用於輸入電源110伏(V)，輸出功率20瓦(W)，在不同輸出電壓Vo時電路之轉換效率(η)、功率因數(power factor，PF)與電流諧波失真(ampere total harmonic distortion，ATHD)之變化情形。於圖十四(a)~(c)中可知，本發明在輸出電壓40~90V之間時，其電路轉換效率於91~94%之間(如圖十四(a)所示)、功率因數則維持在0.98以上(如圖十四(b)所示)以及電流諧波失真則在2~16%之間(如圖十四(c)所示)。因此，本發明不僅可得到高功率因數與低電流諧波失真外，亦可獲得良好之電路轉換效率。
本發明之降壓型主動式功因修正裝置利用一電容作為輔助電壓的設計，提供輸入電流額外的驅動電勢，以解決傳統降壓式功率因數修正器的盲區問題，而在控制方面，只需簡單的控制方式便能達到高功率因數、低諧波失真及高電路轉換效率等優點。此外，熟悉此技藝之人士亦可明瞭，本發明之壓型主動式功因修正裝置並不受限於直流對交流之功率因數修正電路，本發明亦可應用於直流對直流的降壓式功率因數正器等電路。
唯以上所述者，僅為本發明之範例實施態樣爾，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
1、2、3．．．降壓型主動式功因修正裝置
11、21、31．．．輔助裝置
12、22、32．．．整流裝置
T1．．．第一轉換裝置
Load．．．負載
AC．．．電源
Q、Q1、Q2、QPFC．．．主動式功率開關
L1、L2、LPFC．．．電感
D1、D2、D3、DPFC．．．二極體
C1、C2、CDC、CS．．．電容
Vs、Vi、VC1、VC2、Vo、Vm、Vca、．．．電壓
Is、Im、IL．．．電流
圖一A顯示傳統的功率因數修正器通常所採用的升壓式轉換電路；
圖一B顯示圖一A之傳統功率因數修正器的輸入端電壓Vs及電流Is波形示意圖；
圖一C顯示圖一A之傳統功率因數修正器之輸入電流與電感電流之關係圖
圖二顯示具有升壓式與降壓式兩級轉換電路之傳統的功率因數修正器；
圖三A顯示傳統的降壓式功率因數修正器；
圖三B顯示圖三A之傳統的降壓式功率因數修正器的輸入端電壓Vs及電流Is波形示意圖；
圖三C顯示圖三A之傳統的降壓式功率因數修正器的理想功因與電流諧波失真率關係圖；
圖四顯示具有降升壓式轉換電路之傳統的功率因數修正器；
圖五顯示具有返馳式轉換電路之傳統的功率因數修正器；
圖六顯示具有整合升壓式與降壓式轉換電路之功率因數修正器；
圖七顯示根據本發明之一實施例之降壓型主動式功因修正裝置1；
圖八顯示應用圖七之一實施例；
圖九(a)、(b)、(c)、(d)顯示圖八之降壓型主動式功因修正裝置的電路操作模式；
圖十顯示應用圖七之另一實施例；
圖十一(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)顯示圖十之降壓型主動式功因修正裝置的電路操作模式；。
圖十二顯示應用本發明之輸入電壓電流及切換脈波寬度調變信號之波形圖。
圖十三顯示應用本發明之低頻切換信號波形之展開圖；
圖十四(a)顯示本發明之各輸出電壓與電路轉換效率之關係曲線圖；
圖十四(b)顯示本發明之各輸出電壓與功率因數之關係曲線圖；
圖十四(c)顯示本發明之各輸出電壓與電流諧波失真之關係曲線圖。
1．．．降壓型主動式功因修正裝置
11．．．輔助裝置
12．．．整流裝置
T1．．．第一轉換裝置
Load．．．負載
Vs、Vo、Vi．．．電壓
Is．．．電流
AC．．．電源

Claims (15)

  1. 一種降壓型主動式功因修正裝置，包括：一輔助裝置，用以產生一輔助電壓；以及一第一轉換裝置，耦接該輔助裝置，用以傳送、儲存與轉換能量；其中該輔助電壓與一輸入電壓極性相同，且與一輸出電壓極性相反，使得該第一轉換裝置可以在該輸入電壓低於該輸出電壓的情況下繼續引入一輸入電流，該輸入電流由該輸入電壓直達該輸出電壓，以縮短該輸入電流的不連續時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之降壓型主動式功因修正裝置，更包括：一整流裝置，耦接該輔助裝置，接收並整流一電源，進而產生該輸入電壓；以及一負載，耦接該第一轉換裝置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中該輔助裝置包括一輔助繞組、一輔助二極體以及一輔助電容，而該第一轉換裝置包括：一儲能電感、一主動式功率開關、一二極體以及一輸出電容。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中該輔助繞組串聯該輔助二極體，並與該輔助電容並聯，且該輔助繞組為一電感線圈，且該輔助繞組與該儲能電感互相耦合。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中該二極體一端耦接該儲能電感，另一端耦接 該輸出電容，而該儲能電感一端耦接該二極體，另一端耦接該輸出電容，而該輸出電容一端耦接該儲能電感，另一端耦接該二極體，並且與該負載並聯，而該主動式功率開關一端耦接該整流裝置，另一端耦接該輸出電容。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中當該主動式功率開關導通時，該輸入電壓與該輔助電壓將會相加，且同時對該儲能電感與該輸出電容充電。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中當該主動式功率開關截止時，該輔助繞組對該輔助電容充電，產生與該輸入電壓相同極性的該輔助電壓。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中當該主動式功率開關截止時，該儲能電感與該輔助繞組對該輸出電容與該輔助電容充電，使該輔助電壓與該輸出電壓極性相反。
  9. 如申請專利範圍第3項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中當該儲能電感之線圈匝數與該輔助繞組之線圈匝數相同時，則該輔助電壓等與該輸出電壓相等。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中該輔助裝置包括一輔助繞組、一第一輔助二極體、一第二輔助二極體以及一輔助電容，而該第一轉換裝置包括：一儲能電感、一主動式功率開關、一二極體以及一輸出電容。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中該第一輔助二極體反相耦接該第二輔助二極體，且該第一輔助二極體之一端耦接該輔助電容，另一端耦接該輔助繞組，且該輔助繞組為一電感線圈，且該輔助繞組一端耦接該第一輔助二極體與該第二輔助二極體，另一端耦接該輔助電容與該輸出電容。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中該二極體之一端耦接該儲能電感，而另一端耦接該主動式功率開關與該輸出電容，而該儲能電感一端耦接該二極體，而另一端耦接該輔助電容，且該主動式功率開關為一電晶體，其一端耦接該整流裝置，而另一端耦接該二極體與該輸出電容，且該輸出電容一端耦接該輔助電容，另一端耦接該二極體，並且與該負載並聯。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中當該主動式功率開關導通時，該輸入電壓與該輔助電壓將會相加，且同時對該儲能電感與該輸出電容充電。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中當該主動式功率開關截止時，該儲能電感將釋放能量於該輔助繞組上，且該輔助繞組將對該輸出電容及該輔助電容充電，使該輔助電壓與該輸出電壓極性相反。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之降壓型主動式功因修正裝置，其中當該儲能電感之線圈匝數與該輔助繞組之線 圈匝數相同時，則該輔助電壓與該輸出電壓相等。
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