TWI662774B - 無橋交錯式功率因數修正器及其控制方法 - Google Patents

無橋交錯式功率因數修正器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一種無橋交錯式功率因數修正器，其係以轉換交流電源為直流電源。無橋交錯式功率因數修正器包含第一轉換電路、第二轉換電路、第一功率開關、第二功率開關、正半週控制開關以及負半週控制開關。第一功率開關耦接於兩正半週操作單元的一者與兩負半週操作單元的一者。第二功率開關耦接於兩正半週操作單元的另一者與兩負半週操作單元的另一者。正半週控制開關耦接於中性線端與接地端之間。負半週控制開關耦接於火線端與接地端之間。

Description

無橋交錯式功率因數修正器及其控制方法
本發明係有關一種功率因數修正器及其控制方法，尤指一種無橋交錯式功率因數修正器及其控制方法。
請參見圖1所示，其係為相關技術的無橋式功率因數修正器之電路圖。一般而言，無橋式功率因數修正器(Bridgeless PFC)與傳統具橋式整流器之功率因數修正器(PFC)相比，無橋式PFC藉由減少功率二極體導通損耗進而改善效率。
在圖1中，第一儲能電感L1連接到交流市電的火線端L，而第二儲能電感L2連接到交流市電的中性線端N。第一半導體開關S1連接到第一儲能電感L1，而第二半導體開關S2連接到第二儲能電感L2。第一升壓二極體D1之陽極連接到第一儲能電感L1，並與第一半導體開關S1串聯。第二升壓二極體D2之陽極連接到第二儲能電感L2，並與第二半導體開關S2串聯。第一升壓二極體D1的陰極與第二升壓二極體D2的陰極連接後再與輸出電容Co的正電壓端連接。第一半導體開關S1與第二半導體開關S2連接後再與輸出電容Co的負電壓端連接。
在交流市電正半週期期間，當第一半導體開關S1與第二半導體開關S2同時導通時，迴路電流流向第一儲能電感L1與第二儲能電感L2，並對第一儲能電感L1與第二儲能電感L2充電。
在交流市電正半週期期間，當第一半導體開關S1與第二半導體開關S2同時截止時，迴路電流透過第一升壓二極體D1流向輸出電容Co，並對輸出電容Co充電，此時第一儲能電感L1與第二儲能電感L2亦放電至輸出電容Co。
在交流市電負半週期期間，當第一半導體開關S1與第二半導體開關S2同時導通時，迴路電流流向第一儲能電感L1與第二儲能電感L2，並對第一儲能電感L1與第二儲能電感L2充電。
在交流市電負半週期期間，當第一半導體開關S1與第二半導體開關S2同時截止時，迴路電流透過第二升壓二極體D2流向輸出電容Co，並對輸出電容Co充電，此時第一儲能電感L1與第二儲能電感L2亦放電至輸出電容Co。
惟，無橋式PFC的輸出電壓藉由第一半導體開關S1與第二半導體開關S2導通與截止切換的期間，形成非固定式端點連接，相較於交流市電與接地端GND則屬浮動(floating)電壓。再者，第一儲能電感L1與第二儲能電感L2放電期間，未流經電流的半導體開關將會產生寄生電容，而引起的電磁干擾(EMI)問題將影響電路操作的效能。
本發明之一目的在於提供一種無橋交錯式功率因數修正器，解決無橋式功率因數修正器於開關切換時造成浮動電壓與電磁干擾的問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的無橋交錯式功率因數修正器，其係以轉換交流電源為直流電源。無橋交錯式功率因數修正器包含第一轉換電路、第二轉換電路、第二功率開關、正半週控制開關以及負半週控制開關。第一轉換電路耦接交流電源的火線端。第一轉換電路包含兩正半週操作單元，且兩正半週操作單元耦接相對於接地端的正電壓端。第二轉換電路耦接交流電源的中性線端，且並聯耦接第一轉換電路。第二轉換電路包含兩負半週操作單元，且兩負半週操作單元耦接正電壓端。第一功率開關耦接於兩正半週操作單元的一者與兩負半週操作單元的一者以及接地端之間。第二功率開關耦接於兩正半週操作單元的另一者與兩負半週操作單元的另一者以及接地端之間。正半週控制開關耦接於中性線端與接地端之間。負半週控制開關耦接於火線端與接地端之間。
於一實施例中，無橋交錯式功率因數修正器更包含輸出電容。輸出電容耦接於正電壓端與接地端之間，以提供直流電源。
於一實施例中，兩正半週操作單元包含第一正半週操作單元與第二正半週操作單元。第一正半週操作單元包含第一二極體、第二二極體以及第一電感。第二二極體耦接第一二極體，形成第一並聯支路，其中第一並聯支路耦接正電壓端與第一功率開關。第一電感串聯耦接第一並聯支路。第二正半週操作單元包含第三二極體、第四二極體以及第二電感。第四二極體耦接第三二極體，形成第二並聯支路，其中第二並聯支路耦接正電壓端與第二功率開關。第二電感串聯耦接第二並聯支路。兩負半週操作單元包含第一負半週操作單元與第二負半週操作單元。第一負半週操作單元包含第五二極體、第六二極體以及第三電感。 第六二極體耦接第五二極體，形成第三並聯支路，其中第三並聯支路耦接正電壓端與第一功率開關。第三電感串聯耦接第三並聯支路。第二負半週操作單元包含第七二極體、第八二極體以及第四電感。第八二極體耦接第七二極體，形成第四並聯支路，其中第四並聯支路耦接正電壓端與第二功率開關。第四電感串聯耦接第四並聯支路。
於一實施例中，第二二極體的陰極、第四二極體的陰極、第六二極體的陰極以及第八二極體的陰極共同耦接於正電壓端。第一二極體的陰極與第五二極體的陰極共同耦接於第一功率開關的非接地端。第三二極體的陰極與第七二極體的陰極共同耦接於第二功率開關的非接地端。
於一實施例中，當交流電源為正半週操作時，正半週控制開關導通、負半週控制開關截止，且第一功率開關與第二功率開關導通與截止切換。當交流電源為負半週操作時，負半週控制開關導通、正半週控制開關截止，且第一功率開關與第二功率開關導通與截止切換。
於一實施例中，當正半週控制開關導通且第一功率開關導通時，第一二極體導通，第一電感為儲能操作；當正半週控制開關導通且第二功率開關導通時，第三二極體導通，第二電感為儲能操作。當負半週控制開關導通且第一功率開關導通時，第五二極體導通，第三電感為儲能操作；當負半週控制開關導通且第二功率開關導通時，第七二極體導通，第四電感為儲能操作。
於一實施例中，當正半週控制開關導通且第一功率開關截止時，第二二極體導通，第一電感為釋能操作；當正半週控制開關導通且第二功率開關截止時，第四二極體導通，第二電感為釋能操作。當負半週控制開關導通且第一 功率開關截止時，第六二極體導通，第三電感為釋能操作；當負半週控制開關導通且第二功率開關截止時，第八二極體導通，第四電感為釋能操作。
於一實施例中，當第一電感為儲能操作時，火線端、第一電感、第一二極體、第一功率開關、接地端、正半週控制開關以及中性線端形成第一儲能路徑。當第二電感為儲能操作時，火線端、第二電感、第三二極體、第二功率開關、接地端、正半週控制開關以及中性線端形成第二儲能路徑。當第三電感為儲能操作時，中性線端、第三電感、第五二極體、第一功率開關、接地端、負半週控制開關以及火線端形成第三儲能路徑。當第四電感為儲能操作時，中性線端、第四電感、第七二極體、第二功率開關、接地端、負半週控制開關以及火線端形成第四儲能路徑。
於一實施例中，當第一電感為釋能操作時，第一電感、第二二極體、輸出電容、接地端、正半週控制開關、中性線端以及火線端形成第一釋能路徑。當第二電感為釋能操作時，第二電感、第四二極體、輸出電容、接地端、正半週控制開關、中性線端以及火線端形成第二釋能路徑。當第三電感為釋能操作時，第三電感、第六二極體、輸出電容、接地端、負半週控制開關、火線端以及中性線端形成第三釋能路徑。當第四電感為釋能操作時，第四電感、第八二極體、輸出電容、接地端、負半週控制開關、火線端以及中性線端形成第四釋能路徑。
於一實施例中，第一功率開關與第二功率開關為0~180度相位差的交錯方式導通與截止。
本發明之另一目的在於提供一種無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，解決無橋式功率因數修正器於開關切換時造成浮動電壓與電磁干擾的問題。
為達成前揭目的，無橋交錯式功率因數修正器之控制方法係以轉換交流電源為直流電源。無橋交錯式功率因數修正器包含耦接交流電源的火線端的第一轉換電路、耦接交流電源的中性線端的第二轉換電路、耦接於第一轉換電路與第二轉換電路以及接地端之間的第一功率開關與第二功率開關、耦接於中性線端與接地端之間的正半週控制開關以及耦接於火線端與接地端之間的負半週控制開關。無橋交錯式功率因數修正器之控制方法包含：(a)、當交流電源為正半週操作時，導通正半週控制開關且截止負半週控制開關；(b)、導通第一功率開關，使第一轉換電路的第一電感為儲能操作；導通第二功率開關，使第一轉換電路的第二電感為儲能操作；(c)、當交流電源為負半週操作時，導通負半週控制開關且截止正半週控制開關；及(d)、導通第一功率開關，使第二轉換電路的第三電感為儲能操作；導通第二功率開關，使第二轉換電路的第四電感為儲能操作。
於一實施例中，步驟(b)更包含：(b')、截止第一功率開關，使第一電感為釋能操作；截止第二功率開關，使第二電感為釋能操作。步驟(d)更包含：(d')、截止第一功率開關，使第三電感為釋能操作；截止第二功率開關，使第四電感為釋能操作。
於一實施例中，第一轉換電路包含兩正半週操作單元，且兩正半週操作單元耦接相對於接地端的正電壓端。第二轉換電路包含兩負半週操作單元，且兩負半週操作單元耦接正電壓端。第一功率開關耦接於兩正半週操作單元的一者與兩負半週操作單元的一者以及接地端之間。第二功率開關耦接於兩正半週操作單元的另一者與兩負半週操作單元的另一者以及接地端之間。
於一實施例中，無橋交錯式功率因數修正器之控制方法更包含：提供輸出電容，且耦接輸出電容相對於接地端的正電壓端與接地端之間，以提供直流電源。
於一實施例中，兩正半週操作單元包含第一正半週操作單元與第二正半週操作單元。第一正半週操作單元包含第一二極體、第二二極體以及第一電感。第二二極體耦接第一二極體，形成第一並聯支路，其中第一並聯支路耦接正電壓端與第一功率開關。第一電感串聯耦接第一並聯支路。第二正半週操作單元包含第三二極體、第四二極體以及第二電感。第四二極體耦接第三二極體，形成第二並聯支路，其中第二並聯支路耦接正電壓端與第二功率開關。第二電感串聯耦接第二並聯支路。兩負半週操作單元包含第一負半週操作單元與第二負半週操作單元。第一負半週操作單元包含第五二極體、第六二極體以及第三電感。第六二極體耦接第五二極體，形成第三並聯支路，其中第三並聯支路耦接正電壓端與第一功率開關。第三電感串聯耦接第三並聯支路。第二負半週操作單元包含第七二極體、第八二極體以及第四電感。第八二極體耦接第七二極體，形成第四並聯支路，其中第四並聯支路耦接正電壓端與第二功率開關。第四電感串聯耦接第四並聯支路。
於一實施例中，第二二極體的陰極、第四二極體的陰極、第六二極體的陰極以及第八二極體的陰極共同耦接於正電壓端。第一二極體的陰極與第五二極體的陰極共同耦接於第一功率開關的非接地端。第三二極體的陰極與第七二極體的陰極共同耦接於第二功率開關的非接地端。
於一實施例中，當交流電源為正半週操作時，正半週控制開關導通、負半週控制開關截止，且第一功率開關與第二功率開關導通與截止切換。當 交流電源為負半週操作時，負半週控制開關導通、正半週控制開關截止，且第一功率開關與第二功率開關導通與截止切換。
於一實施例中，當正半週控制開關導通且第一功率開關導通時，第一二極體導通，第一電感為儲能操作；當正半週控制開關導通且第二功率開關導通時，第三二極體導通，第二電感為儲能操作。當負半週控制開關導通且第一功率開關導通時，第五二極體導通，第三電感為儲能操作；當負半週控制開關導通且第二功率開關導通時，第七二極體導通，第四電感為儲能操作。
於一實施例中，當正半週控制開關導通且第一功率開關截止時，第二二極體導通，第一電感為釋能操作；當正半週控制開關導通且第二功率開關截止時，第四二極體導通，第二電感為釋能操作。當負半週控制開關導通且第一功率開關截止時，第六二極體導通，第三電感為釋能操作；當負半週控制開關導通且第二功率開關截止時，第八二極體導通，第四電感為釋能操作。
於一實施例中，當第一電感為儲能操作時，火線端、第一電感、第一二極體、第一功率開關、接地端、正半週控制開關以及中性線端形成第一儲能路徑。當第二電感為儲能操作時，火線端、第二電感、第三二極體、第二功率開關、接地端、正半週控制開關以及中性線端形成第二儲能路徑。當第三電感為儲能操作時，中性線端、第三電感、第五二極體、第一功率開關、接地端、負半週控制開關以及火線端形成第三儲能路徑。當第四電感為儲能操作時，中性線端、第四電感、第七二極體、第二功率開關、接地端、負半週控制開關以及火線端形成第四儲能路徑。
於一實施例中，當第一電感為釋能操作時，第一電感、第二二極體、輸出電容、接地端、正半週控制開關、中性線端以及火線端形成第一釋能路 徑。第二電感為釋能操作時，第二電感、第四二極體、輸出電容、接地端、正半週控制開關、中性線端以及火線端形成第二釋能路徑。當第三電感為釋能操作時，第三電感、第六二極體、輸出電容、接地端、負半週控制開關、火線端以及中性線端形成第三釋能路徑。當第四電感為釋能操作時，第四電感、第八二極體、輸出電容、接地端、負半週控制開關、火線端以及中性線端形成第四釋能路徑。
於一實施例中，第一功率開關與第二功率開關為0~180度相位差的交錯方式導通與截止。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
11‧‧‧第一轉換電路
12‧‧‧第二轉換電路
111‧‧‧第一正半週操作單元
112‧‧‧第二正半週操作單元
121‧‧‧第一負半週操作單元
122‧‧‧第二負半週操作單元
S31‧‧‧第一功率開關
S32‧‧‧第二功率開關
S33‧‧‧正半週控制開關
S34‧‧‧負半週控制開關
L31‧‧‧第一電感
L32‧‧‧第二電感
L33‧‧‧第三電感
L34‧‧‧第四電感
D31‧‧‧第一二極體
D32‧‧‧第二二極體
D33‧‧‧第三二極體
D34‧‧‧第四二極體
D35‧‧‧第五二極體
D36‧‧‧第六二極體
D37‧‧‧第七二極體
D38‧‧‧第八二極體
Co‧‧‧輸出電容
Vac‧‧‧交流電源
Vdc‧‧‧直流電源
L‧‧‧火線端
N‧‧‧中性線端
GND‧‧‧接地端
V+‧‧‧正電壓端
V-‧‧‧負電壓端
Lns1‧‧‧第一儲能路徑
Lns2‧‧‧第二儲能路徑
Lns3‧‧‧第三儲能路徑
Lns4‧‧‧第四儲能路徑
Lnr1‧‧‧第一釋能路徑
Lnr2‧‧‧第二釋能路徑
Lnr3‧‧‧第三釋能路徑
Lnr4‧‧‧第四釋能路徑
L1‧‧‧第一儲能電感
L2‧‧‧第二儲能電感
S1‧‧‧第一半導體開關
S2‧‧‧第二半導體開關
D1‧‧‧第一升壓二極體
D2‧‧‧第二升壓二極體
圖1：為相關技術的無橋式功率因數修正器之電路圖。
圖2：為本發明無橋交錯式功率因數修正器之電路圖。
圖3：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一儲能路徑之示意圖。
圖4：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第二電感的第二儲能路徑之示意圖。
圖5：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三儲能路徑之示意圖。
圖6：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第四電感的第四儲能路徑之示意圖。
圖7：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一釋能路徑之示意圖。
圖8：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第二電感的第二釋能路徑之示意圖。
圖9：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三釋能路徑之示意圖。
圖10：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第四電感的第四釋能路徑之示意圖。
圖11：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一釋能路徑與第二電感的第二儲能路徑之示意圖。
圖12：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一釋能路徑與第二電感的第二釋能路徑之示意圖。
圖13：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一儲能路徑與第二電感的第二釋能路徑之示意圖。
圖14：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三釋能路徑與第四電感的第四儲能路徑之示意圖。
圖15：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三釋能路徑與第四電感的第四釋能路徑之示意圖。
圖16：為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三儲能路徑與第四電感的第四釋能路徑之示意圖。
圖17：為本發明無橋交錯式功率因數修正器之控制方法的流程圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖2所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器之電路圖。無橋交錯式功率因數修正器係以轉換交流電源Vac為直流電源Vdc。無橋交錯式功率因數修正器包含第一轉換電路11、第二轉換電路12、第一功率開關S31、第二功率開關S32、正半週控制開關S33以及負半週控制開關S34。
第一轉換電路11耦接交流電源Vac的火線端L。在本實施例中，第一轉換電路11包含兩正半週操作單元，即第一正半週操作單元111與第二正半週操作單元112，且第一正半週操作單元111與第二正半週操作單元112耦接相對於接地端GND的正電壓端V+。其中正電壓端V+係為直流電源Vdc相對於接地端GND的正電壓端。具體地，無橋交錯式功率因數修正器更包含輸出電容Co，輸出電容Co耦接於正電壓端V+與接地端GND之間，即耦接於正電壓端V+與負電壓端V-之間，以提供直流電源Vdc。
第二轉換電路12耦接交流電源Vac的中性線端N，且並聯耦接第一轉換電路11。第二轉換電路12包含兩負半週操作單元，即第一負半週操作單元121與第二負半週操作單元122，且第一負半週操作單元121與第二負半週操作單元122耦接正電壓端V+。
第一功率開關S31耦接於第一正半週操作單元111與第二正半週操作單元112的其中一者、第一負半週操作單元121與第二負半週操作單元122的其中一者以及接地端GND之間。在本實施例中，第一功率開關S31係耦接於第一正半週操作單元111、第一負半週操作單元121以及接地端GND之間。
第二功率開關S32耦接於第一正半週操作單元111與第二正半週操作單元112的其中另一者、第一負半週操作單元121與第二負半週操作單元122的其中另一者以及接地端GND之間。在本實施例中，第二功率開關S32係耦接於第二正半週操作單元112、第二負半週操作單元122以及接地端GND之間。
正半週控制開關S33耦接於中性線端N與接地端GND之間。負半週控制開關S34耦接於火線端L與接地端GND之間。其中當交流電源Vac為正半週供電時，正半週控制開關S33為導通狀態，以提供正半週操作的控制；當交流電源Vac為負半週供電時，負半週控制開關S34為導通狀態，以提供負半週操作的控制，容後說明。
第一正半週操作單元111包含第一二極體D31、第二二極體D32以及第一電感L31。第二二極體D32耦接第一二極體D31，形成第一並聯支路，其中第一並聯支路耦接正電壓端V+與第一功率開關S31。第一電感L31串聯耦接第一並聯支路。第二正半週操作單元112包含第三二極體D33、第四二極體D34以及第二電感L32。第四二極體D34耦接第三二極體D33，形成第二並聯支路，其中第二並聯支路耦接正電壓端V+與第二功率開關S32。第二電感L32串聯耦接第二並聯支路。
第一負半週操作單元121包含第五二極體D35、第六二極體D36以及第三電感L33。第六二極體D36耦接第五二極體D35，形成第三並聯支路，其中第三並聯支路耦接正電壓端V+與第一功率開關S31。第三電感L33串聯耦接第三並聯支路。第二負半週操作單元122包含第七二極體D37、第八二極體D38以及第四電感L34。第八二極體D38耦接第七二極體D37，形成第四並聯支路，其中第四並聯支路耦接正電壓端V+與第二功率開關S32。第四電感L34串聯耦接第四並聯支路。
第二二極體D32的陰極、第四二極體D34的陰極、第六二極體D36的陰極以及第八二極體D38的陰極共同耦接於正電壓端V+。第一二極體D31的陰極與第五二極體D35的陰極共同耦接於第一功率開關S31的非接地端。第三二極體D33的陰極與第七二極體D37的陰極共同耦接於第二功率開關S32的非接地端。
以下，針對無橋交錯式功率因數修正器操作於交流電源Vac為正半週與負半週時，各轉換電路、功率開關以及控制開關的動作狀態說明。
當交流電源Vac為正半週操作時，正半週控制開關S33導通、負半週控制開關S34截止，且第一功率開關S31與第二功率開關S32導通與截止切換。反之，當交流電源Vac為負半週操作時，負半週控制開關S34導通、正半週控制開關S33截止，且第一功率開關S31與第二功率開關S32導通與截止切換。亦即，正半週控制開關S33與負半週控制開關S34分別對應交流電源Vac為正半週操作與負半週操作時為導通的狀態，且第一功率開關S31與第二功率開關S32則為導通與截止切換。
當正半週控制開關S33導通且第一功率開關S31導通時，第一二極體D31導通，第一電感L31為儲能操作(energy-storage operation)。當正半週控制開關S33導通且第二功率開關S32導通時，第三二極體D33導通，第二電感L32為儲能操作。當負半週控制開關S34導通且第一功率開關S31導通時，第五二極體D35導通，第三電感L33為儲能操作。當負半週控制開關S34導通且第二功率開關S32導通時，第七二極體D37導通，第四電感L34為儲能操作。
當正半週控制開關S33導通且第一功率開關S31截止時，第二二極體D32導通，第一電感L31為釋能操作(energy-release operation)。當正半週控制開關S33導通且第二功率開關S32截止時，第四二極體D34導通，第二電感L32為釋能操作。當負半週控制開關S34導通且第一功率開關S31截止時，第六 二極體D36導通，第三電感L33為釋能操作。當負半週控制開關S34導通且第二功率開關S32截止時，第八二極體D38導通，第四電感L34為釋能操作。
請參見圖3所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一儲能路徑之示意圖。當交流電源Vac為正半週操作(正半週控制開關S33導通)且第一電感L31為儲能操作時，火線端L、第一電感L31、第一二極體D31、第一功率開關S31、接地端GND、正半週控制開關S33以及中性線端N形成第一儲能路徑Lns1。其中，圖3僅為簡化之表示，實際上第一儲能路徑Lns1所經過的開關，例如正半週控制開關S33與第一功率開關S31應為導通(閉合)的狀態，此外其他不同儲能路徑與釋能路徑亦同理，合先敘明。
請參見圖4所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第二電感的第二儲能路徑之示意圖。當交流電源Vac為正半週操作(正半週控制開關S33導通)且第二電感L32為儲能操作時，火線端L、第二電感L32、第三二極體D33、第二功率開關S32、接地端GND、正半週控制開關S33以及中性線端N形成第二儲能路徑Lns2。
請參見圖5所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三儲能路徑之示意圖。當交流電源Vac為負半週操作(負半週控制開關S34導通)且第三電感L33為儲能操作時，中性線端N、第三電感L33、第五二極體D35、第一功率開關S31、接地端GND、負半週控制開關S34以及火線端L形成第三儲能路徑Lns3。
請參見圖6所示，其係本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第四電感的第四儲能路徑之示意圖。當交流電源Vac為負半週操作(負半週控制開關S34導通)且第四電感L34為儲能操作時，中性線端N、第四電感L34、第七二極體D37、第二功率開關S32、接地端GND、負半週控制開關S34以及火線端L形成第四儲能路徑Lns4。
請參見圖7所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一釋能路徑之示意圖。當交流電源Vac為正半週操作(正半週控制開關S33導通)且第一電感L31為釋能操作時，第一電感L31、第二二極體D32、輸出電容Co、接地端GND、正半週控制開關S33、中性線端N以及火線端L形成第一釋能路徑Lnr1。
請參見圖8所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第二電感的第二釋能路徑之示意圖。當交流電源Vac為正半週操作(正半週控制開關S33導通)且第二電感L32為釋能操作時，第二電感L32、第四二極體D34、輸出電容Co、接地端GND、正半週控制開關S33、中性線端N以及火線端L形成第二釋能路徑Lnr2。
請參見圖9所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三釋能路徑之示意圖。當交流電源Vac為負半週操作(負半週控制開關S34導通)且第三電感L33為釋能操作時，第三電感L33、第六二極體D36、輸出電容Co、接地端GND、負半週控制開關S34、火線端L以及中性線端N形成第三釋能路徑Lnr3。
請參見圖10所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第四電感的第四釋能路徑之示意圖。當交流電源Vac為負半週操作(負半週控制開關S34導通)且第四電感L34為釋能操作時，第四電感L34、第八二極體D38、輸出電容Co、接地端GND、負半週控制開關S34、火線端L以及中性線端N形成第四釋能路徑Lnr4。
綜上，圖3~圖6分別表示第一電感L31~第四電感L34的儲能操作，以及根據圖7~圖10分別表示第一電感L31~第四電感L34的釋能操作，以下配合表1與表2，針對本發明無橋交錯式功率因數修正器完整的操作階段加以說明。
(1)、階段1
為正半週控制開關S33導通、負半週控制開關S34截止、第一功率開關S31導通、第二功率開關S32截止、第一電感L31為儲能操作以及第一二極體D31導通的狀態，即無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感L31的第一儲能路徑Lns1，操作如圖3及其說明，在此不再贅述。
(2)、階段2
為正半週控制開關S33導通、負半週控制開關S34截止、第一功率開關S31截止、第二功率開關S32截止、第一電感L31為釋能操作以及第二二極體D32導通的狀態，即無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感L31的第一釋能路徑Lnr1，操作如圖7及其說明，在此不再贅述。
(3)、階段3
如圖11所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一釋能路徑與第二電感的第二儲能路徑之示意圖。此操作階段為正半週控制開關S33導通、負半週控制開關S34截止、第一功率開關S31截止、第二功率開關S32導通、第一電感L31為釋能操作、第二電感L32為儲能操作、第二二極體D32導通以及第三二極體D33導通的狀態。
(4)、階段4
如圖12所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一釋能路徑與第二電感的第二釋能路徑之示意圖。此操作階段為正半週控制開關S33導通、負半週控制開關S34截止、第一功率開關S31截止、第二功率開關S32截止、第一電感L31為釋能操作、第二電感L32為釋能操作、第二二極體D32導通以及第四二極體D34導通的狀態。
(5)、階段5
如圖13所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第一電感的第一儲能路徑與第二電感的第二釋能路徑之示意圖。此操作階段為正半週控制開關S33導通、負半週控制開關S34截止、第一功率開關S31導通、第二功率開關S32截止、第一電感L31為儲能操作、第二電感L32為釋能操作、第一二極體D31導通以及第四二極體D34導通的狀態。
(6)、階段6
為正半週控制開關S33截止、負半週控制開關S34導通、第一功率開關S31導通、第二功率開關S32截止、第三電感L33為儲能操作以及第五二極體D35導通的狀態，即無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感L33的第三儲能路徑Lns3，操作如圖5及其說明，在此不再贅述。
(7)、階段7
為正半週控制開關S33截止、負半週控制開關S34導通、第一功率開關S31截止、第二功率開關S32截止、第三電感L33為釋能操作以及第六二極體D36導通的狀態，即無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感L33的第三釋能路徑Lnr3，操作如圖9及其說明，在此不再贅述。
(8)、階段8
如圖14所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三釋能路徑與第四電感的第四儲能路徑之示意圖。此操作階段為正半週控制開關S33截止、負半週控制開關S34導通、第一功率開關S31截止、第二功率開關S32導通、第三電感L33為釋能操作、第四電感L34為儲能操作、第六二極體D36導通以及第七二極體D37導通的狀態。
(9)、階段9
如圖15所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三釋能路徑與第四電感的第四釋能路徑之示意圖。此操作階段為正 半週控制開關S33截止、負半週控制開關S34導通、第一功率開關S31截止、第二功率開關S32截止、第三電感L33為釋能操作、第四電感L34為釋能操作、第六二極體D36導通以及第八二極體D38導通的狀態。
(10)、階段10
如圖16所示，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器操作於第三電感的第三儲能路徑與第四電感的第四釋能路徑之示意圖。此操作階段為正半週控制開關S33截止、負半週控制開關S34導通、第一功率開關S31導通、第二功率開關S32截止、第三電感L33為儲能操作、第四電感L34為釋能操作、第五二極體D35導通以及第八二極體D38導通的狀態。
綜上，本發明之無橋交錯式功率因數修正器根據前述操作階段進行反覆操作，以提供交錯式功率因數修正之功能。
請參見圖17，其係為本發明無橋交錯式功率因數修正器之控制方法的流程圖。所述無橋交錯式功率因數修正器之控制方法係以轉換交流電源為直流電源。無橋交錯式功率因數修正器的電路架構可配合圖2及其相應的記載，在此不再贅述。無橋交錯式功率因數修正器之控制方法包含如下步驟。
當交流電源為正半週操作時，導通正半週控制開關且截止負半週控制開關(S11)。然後，導通第一功率開關，使第一轉換電路的第一電感為儲能操作；導通第二功率開關，使第一轉換電路的第二電感為儲能操作(S12)。再者，截止第一功率開關，使第一電感為釋能操作；截止第二功率開關，使第二電感為釋能操作。
然後，當交流電源為負半週操作時，導通負半週控制開關且截止正半週控制開關(S13)。然後，導通第一功率開關，使第二轉換電路的第三電感為儲能操作；導通第二功率開關，使第二轉換電路的第四電感為儲能操作(S14)。再 者，截止第一功率開關，使第三電感為釋能操作；截止第二功率開關，使第四電感為釋能操作。
藉此，當交流電源為正半週供電時，正半週控制開關為導通狀態，以提供正半週操作的控制；當交流電源為負半週供電時，負半週控制開關為導通狀態，以提供負半週操作的控制。再者，配合第一功率開關與第二功率開關的導通與截止的切換，實現交錯式功率因數修正之功能。
綜上所述，本發明係具有以下之特徵與功效：
1、無橋交錯式功率因數修正器所提供的兩組交錯式PFC並聯運作，藉以共用部分電路元件，以減少功率半導體開關，並且降低各零件之電壓、電流應力與開關損耗，而提升功率效能與操作效率。
2、以正半週控制開關S33與負半週控制開關S34作為換相開關。當交流市電為正半週期時，導通正半週控制開關S33且截止負半週控制開關S34，以確保中性線端N與電壓參考端(接地端GND)形成等電位；當交流市電為負半週期時，導通負半週控制開關S34且截止正半週控制開關S33，以確保火線端L與電壓參考端(接地端GND)形成等電位，藉此，解決浮動電壓、寄生電容所衍生的電磁干擾問題，以提高電路操作的效能。
3、本發明無橋交錯式功率因數修正器的電路拓樸可彈性地適用以操作於連續導通模式(CCM)、非連續導通模式(DCM)以及臨界導通模式(CRM)。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

Claims (22)

  1. 一種無橋交錯式功率因數修正器，係以轉換一交流電源為一直流電源，包含：一第一轉換電路，耦接該交流電源的一火線端；該第一轉換電路包含兩正半週操作單元，且該兩正半週操作單元耦接相對於一接地端的一正電壓端；一第二轉換電路，耦接該交流電源的一中性線端，且並聯耦接該第一轉換電路；該第二轉換電路包含兩負半週操作單元，且該兩負半週操作單元耦接該正電壓端；一第一功率開關，耦接於該兩正半週操作單元的一者與該兩負半週操作單元的一者以及該接地端之間；一第二功率開關，耦接於該兩正半週操作單元的另一者與該兩負半週操作單元的另一者以及該接地端之間；一正半週控制開關，耦接於該中性線端與該接地端之間；及一負半週控制開關，耦接於該火線端與該接地端之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無橋交錯式功率因數修正器，更包含：一輸出電容，耦接於該正電壓端與該接地端之間，以提供該直流電源。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中該兩正半週操作單元包含一第一正半週操作單元與一第二正半週操作單元；該第一正半週操作單元包含：一第一二極體；一第二二極體，耦接該第一二極體，形成一第一並聯支路，其中該第一並聯支路耦接該正電壓端與該第一功率開關；及一第一電感，串聯耦接該第一並聯支路；該第二正半週操作單元包含：一第三二極體；一第四二極體，耦接該第三二極體，形成一第二並聯支路，其中該第二並聯支路耦接該正電壓端與該第二功率開關；及一第二電感，串聯耦接該第二並聯支路；及該兩負半週操作單元包含一第一負半週操作單元與一第二負半週操作單元；該第一負半週操作單元包含：一第五二極體；一第六二極體，耦接該第五二極體，形成一第三並聯支路，其中該第三並聯支路耦接該正電壓端與該第一功率開關；及一第三電感，串聯耦接該第三並聯支路；該第二負半週操作單元包含：一第七二極體；一第八二極體，耦接該第七二極體，形成一第四並聯支路，其中該第四並聯支路耦接該正電壓端與該第二功率開關；及一第四電感，串聯耦接該第四並聯支路。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中該第二二極體的陰極、該第四二極體的陰極、該第六二極體的陰極以及該第八二極體的陰極共同耦接於該正電壓端；該第一二極體的陰極與該第五二極體的陰極共同耦接於該第一功率開關的非接地端；該第三二極體的陰極與該第七二極體的陰極共同耦接於該第二功率開關的非接地端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中當該交流電源為正半週操作時，該正半週控制開關導通、該負半週控制開關截止，且該第一功率開關與該第二功率開關導通與截止切換；當該交流電源為負半週操作時，該負半週控制開關導通、該正半週控制開關截止，且該第一功率開關與該第二功率開關導通與截止切換。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中當該正半週控制開關導通且該第一功率開關導通時，該第一二極體導通，該第一電感為儲能操作；當該正半週控制開關導通且該第二功率開關導通時，該第三二極體導通，該第二電感為儲能操作；及當該負半週控制開關導通且該第一功率開關導通時，該第五二極體導通，該第三電感為儲能操作；當該負半週控制開關導通且該第二功率開關導通時，該第七二極體導通，該第四電感為儲能操作。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中當該正半週控制開關導通且該第一功率開關截止時，該第二二極體導通，該第一電感為釋能操作；當該正半週控制開關導通且該第二功率開關截止時，該第四二極體導通，該第二電感為釋能操作；及當該負半週控制開關導通且該第一功率開關截止時，該第六二極體導通，該第三電感為釋能操作；當該負半週控制開關導通且該第二功率開關截止時，該第八二極體導通，該第四電感為釋能操作。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中當該第一電感為儲能操作時，該火線端、該第一電感、該第一二極體、該第一功率開關、該接地端、該正半週控制開關以及該中性線端形成一第一儲能路徑；當該第二電感為儲能操作時，該火線端、該第二電感、該第三二極體、該第二功率開關、該接地端、該正半週控制開關以及該中性線端形成一第二儲能路徑；當該第三電感為儲能操作時，該中性線端、該第三電感、該第五二極體、該第一功率開關、該接地端、該負半週控制開關以及該火線端形成一第三儲能路徑；及當該第四電感為儲能操作時，該中性線端、該第四電感、該第七二極體、該第二功率開關、該接地端、該負半週控制開關以及該火線端形成一第四儲能路徑。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中當該第一電感為釋能操作時，該第一電感、該第二二極體、該輸出電容、該接地端、該正半週控制開關、該中性線端以及該火線端形成一第一釋能路徑；當該第二電感為釋能操作時，該第二電感、該第四二極體、該輸出電容、該接地端、該正半週控制開關、該中性線端以及該火線端形成一第二釋能路徑；當該第三電感為釋能操作時，該第三電感、該第六二極體、該輸出電容、該接地端、該負半週控制開關、該火線端以及該中性線端形成一第三釋能路徑；當該第四電感為釋能操作時，該第四電感、該第八二極體、該輸出電容、該接地端、該負半週控制開關、該火線端以及該中性線端形成一第四釋能路徑。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之無橋交錯式功率因數修正器，其中該第一功率開關與該第二功率開關為0~180度相位差的交錯方式導通與截止。
  11. 一種無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，係以轉換一交流電源為一直流電源，其中該無橋交錯式功率因數修正器包含耦接該交流電源的一火線端的一第一轉換電路、耦接該交流電源的一中性線端的一第二轉換電路、耦接於該第一轉換電路與該第二轉換電路以及一接地端之間的一第一功率開關與一第二功率開關、耦接於該中性線端與該接地端之間的一正半週控制開關以及耦接於該火線端與該接地端之間的一負半週控制開關，該控制方法包含：(a)、當該交流電源為正半週操作時，導通該正半週控制開關且截止該負半週控制開關；(b)、導通該第一功率開關，使該第一轉換電路的一第一電感為儲能操作；導通該第二功率開關，使該第一轉換電路的一第二電感為儲能操作；(c)、當該交流電源為負半週操作時，導通該負半週控制開關且截止該正半週控制開關；及(d)、導通該第一功率開關，使該第二轉換電路的一第三電感為儲能操作；導通該第二功率開關，使該第二轉換電路的一第四電感為儲能操作。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中步驟(b)更包含：(b')、截止該第一功率開關，使該第一電感為釋能操作；截止該第二功率開關，使該第二電感為釋能操作；步驟(d)更包含：(d')、截止該第一功率開關，使該第三電感為釋能操作；截止該第二功率開關，使該第四電感為釋能操作。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中該第一轉換電路包含兩正半週操作單元，且該兩正半週操作單元耦接相對於一接地端的一正電壓端；該第二轉換電路包含兩負半週操作單元，且該兩負半週操作單元耦接該正電壓端；該第一功率開關，耦接於該兩正半週操作單元的一者與該兩負半週操作單元的一者以及該接地端之間；及該第二功率開關，耦接於該兩正半週操作單元的另一者與該兩負半週操作單元的另一者以及該接地端之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，更包含：提供一輸出電容，且耦接該輸出電容相對於該接地端的一正電壓端與該接地端之間，以提供該直流電源。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中該兩正半週操作單元包含一第一正半週操作單元與一第二正半週操作單元；該第一正半週操作單元包含：一第一二極體；一第二二極體，耦接該第一二極體，形成一第一並聯支路，其中該第一並聯支路耦接該正電壓端與該第一功率開關；及一第一電感，串聯耦接該第一並聯支路；該第二正半週操作單元包含：一第三二極體；一第四二極體，耦接該第三二極體，形成一第二並聯支路，其中該第二並聯支路耦接該正電壓端與該第二功率開關；及一第二電感，串聯耦接該第二並聯支路；及該兩負半週操作單元包含一第一負半週操作單元與一第二負半週操作單元；該第一負半週操作單元包含：一第五二極體；一第六二極體，耦接該第五二極體，形成一第三並聯支路，其中該第三並聯支路耦接該正電壓端與該第一功率開關；及一第三電感，串聯耦接該第三並聯支路；該第二負半週操作單元包含：一第七二極體；一第八二極體，耦接該第七二極體，形成一第四並聯支路，其中該第四並聯支路耦接該正電壓端與該第二功率開關；及一第四電感，串聯耦接該第四並聯支路。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中該第二二極體的陰極、該第四二極體的陰極、該第六二極體的陰極以及該第八二極體的陰極共同耦接於該正電壓端；該第一二極體的陰極與該第五二極體的陰極共同耦接於該第一功率開關的非接地端；該第三二極體的陰極與該第七二極體的陰極共同耦接於該第二功率開關的非接地端。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中當該交流電源為正半週操作時，該正半週控制開關導通、該負半週控制開關截止，且該第一功率開關與該第二功率開關導通與截止切換；當該交流電源為負半週操作時，該負半週控制開關導通、該正半週控制開關截止，且該第一功率開關與該第二功率開關導通與截止切換。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中當該正半週控制開關導通且該第一功率開關導通時，該第一二極體導通，該第一電感為儲能操作；當該正半週控制開關導通且該第二功率開關導通時，該第三二極體導通，該第二電感為儲能操作；及當該負半週控制開關導通且該第一功率開關導通時，該第五二極體導通，該第三電感為儲能操作；當該負半週控制開關導通且該第二功率開關導通時，該第七二極體導通，該第四電感為儲能操作。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中當該正半週控制開關導通且該第一功率開關截止時，該第二二極體導通，該第一電感為釋能操作；當該正半週控制開關導通且該第二功率開關截止時，該第四二極體導通，該第二電感為釋能操作；及當該負半週控制開關導通且該第一功率開關截止時，該第六二極體導通，該第三電感為釋能操作；當該負半週控制開關導通且該第二功率開關截止時，該第八二極體導通，該第四電感為釋能操作。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中當該第一電感為儲能操作時，該火線端、該第一電感、該第一二極體、該第一功率開關、該接地端、該正半週控制開關以及該中性線端形成一第一儲能路徑；當該第二電感為儲能操作時，該火線端、該第二電感、該第三二極體、該第二功率開關、該接地端、該正半週控制開關以及該中性線端形成一第二儲能路徑；當該第三電感為儲能操作時，該中性線端、該第三電感、該第五二極體、該第一功率開關、該接地端、該負半週控制開關以及該火線端形成一第三儲能路徑；及當該第四電感為儲能操作時，該中性線端、該第四電感、該第七二極體、該第二功率開關、該接地端、該負半週控制開關以及該火線端形成一第四儲能路徑。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中當該第一電感為釋能操作時，該第一電感、該第二二極體、該輸出電容、該接地端、該正半週控制開關、該中性線端以及該火線端形成一第一釋能路徑；當該第二電感為釋能操作時，該第二電感、該第四二極體、該輸出電容、該接地端、該正半週控制開關、該中性線端以及該火線端形成一第二釋能路徑；當該第三電感為釋能操作時，該第三電感、該第六二極體、該輸出電容、該接地端、該負半週控制開關、該火線端以及該中性線端形成一第三釋能路徑；當該第四電感為釋能操作時，該第四電感、該第八二極體、該輸出電容、該接地端、該負半週控制開關、該火線端以及該中性線端形成一第四釋能路徑。
  22. 如申請專利範圍第11項所述之無橋交錯式功率因數修正器之控制方法，其中該第一功率開關與該第二功率開關為0~180度相位差的交錯方式導通與截止。
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