TWI746125B - 可改善零交越失真之電源轉換器和相關功率因數校正電路 - Google Patents

可改善零交越失真之電源轉換器和相關功率因數校正電路 Download PDF

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Abstract

功率因數校正電路包含乘法器、升壓電感、輔助繞組、偵測電阻、補償電容、比較器，以及輔助開關。比較器用來偵測流經升壓電感之電感電流，以在電感電流之值過低時讓補償電容內存能量傳送到輔助繞組，進而產生補償電流以拉高電感電流之值。

Description

可改善零交越失真之電源轉換器和相關功率因數校正電路
本發明相關於一種電源轉換器和相關功率因數校正電路，尤指一種可改善零交越失真之電源轉換器和相關功率因數校正電路。
電腦系統中不同組件所需的操作電壓不同，因此普遍採用電源供應器(power supply)以通過變壓、整流與濾波的方式，將交流電(AC)室內電源轉換為直流電(DC)以驅動不同零組件。隨著環保意識的抬頭，各國針對消費性電子產品、辦公設備、家電製品和外接電源供應器的節能規格都有所規範。舉例來說，美國能源之星是由美國能源部(Department of Energy)和環境保護署(EPA)共同贊助的認證計畫，其針對不同額定輸出功率之電源供應器會規範相關節能規格。
第1圖為先前技術中一種電源轉換器100之示意圖。電源轉換器100包含一整流電路10、一升壓電感L0、一功率開關Q1、一輸出二極體D OUT，以及一輸出電容C OUT。整流電路10可將市電供應之交流電源V AC轉換成直流輸出電壓V OUT以驅動負載。透過適當地控制功率開關Q1可調整輸出電壓V OUT之值，並使流經升壓電感L0之電感電流I L追隨輸出電壓V OUT之相位，進而達到高功率因數(power factor, PF)的要求。功率因數是衡量電器是否有效使用電力的重要指標，PF值越大代表其對電力的利用率越高，也就是說電力在整流與轉換的過程中耗損掉和沒發揮作用的部份就越少。
第2圖為先前技術電源轉換器100運作時之訊號圖。當輸出電壓V OUT之值過小時，電感電流I L之峰值無法追隨輸出電壓V OUT之相位，如時間點T0~T1和T2~T3所示。此種零交越失真(zero crossing distortion)的現象會造降低電源轉換器100之功率因數，使其無法符合相關能源規範。因此，需要一種可改善零交越失真之電源轉換器。
本發明提供一種可改善零交越失真之電源轉換器，其包含一輸入端、一輸出端，以及一功率因數校正電路。該功率因數校正電路，其包含一乘法器、一耦合電感單元、一偵測電阻、補償電容、一比較器，以及一輔助開關。該乘法器用來接收該輸入電壓和一分壓電壓，再對該輸入電壓和該分壓電壓執行一相乘運作以提供一整流命令電壓。該耦合電感單元包含一升壓電感、一第一輔助繞組和一第二輔助繞組。該升壓電感包含一第一端和一第二端，用來依據該整流命令電壓來導通一電感電流。該第一輔助繞組包含一第一打點端，耦接於該升壓電感之該第一端；以及一第一非打點端，耦接於該輸入電壓。該第二輔助繞組包含一第二打點端和一第二非打點端。該偵測電阻之第一端耦接於該升壓電感之該第二端，而第二端耦接於該第二打點端。該補償電容之第一端用來接收相關該輸入電壓之能量，而第二端耦接於一接地電位。該比較器之正向輸入端用來接收相關該輸出電壓之一分壓電壓，反向輸入端耦接於該升壓電感和該偵測電阻之間以接收一偵測電壓，而輸出端用來依據該分壓電壓和該偵測電壓之值輸出一控制訊號。該輔助開關之第一端耦接至該第二輔助電感之該第二非打點端，第二端耦接至該補償電容之該第一端，而控制端耦接至該比較器之該輸出端以接收該控制訊號。
本發明另提供一種可改善零交越失真之功率因數校正電路，其包含一乘法器、一耦合電感單元、一偵測電阻、補償電容、一比較器，以及一輔助開關。該乘法器用來接收一輸入電壓和一分壓電壓，再對該輸入電壓和該分壓電壓執行一相乘運作以提供一整流命令電壓。該耦合電感單元包含一升壓電感、一第一輔助繞組和一第二輔助繞組。該升壓電感包含一第一端和一第二端，用來依據該整流命令電壓來導通一電感電流。該第一輔助繞組包含一第一打點端，耦接於該升壓電感之該第一端；以及一第一非打點端，耦接於該輸入電壓。該第二輔助繞組包含一第二打點端和一第二非打點端。該偵測電阻之第一端耦接於該升壓電感之該第二端，而第二端耦接於該第二打點端。該補償電容之第一端用來接收相關該輸入電壓之能量，而第二端耦接於一接地電位。該比較器之正向輸入端用來接收相關該輸出電壓之一分壓電壓，反向輸入端耦接於該升壓電感和該偵測電阻之間以接收一偵測電壓，而輸出端用來依據該分壓電壓和該偵測電壓之值輸出一控制訊號。該輔助開關之第一端耦接至該第二輔助電感之該第二非打點端，第二端耦接至該補償電容之該第一端，而控制端耦接至該比較器之該輸出端以接收該控制訊號。
第3圖為本發明實施例中一種可改善零交越失真之電源轉換器200的示意圖。電源轉換器200包含一整流電路10、一輸入電路20、一切換電路30、一輸出電路40，以及一功率因數校正電路50。電源轉換器200可將由市電供應之交流電源V AC轉換成一輸出電壓V OUT，進而驅動一負載(未顯示)。N1代表電源轉換器200之直流輸入端，而N2代表電源轉換器200之直流輸出端。
在一實施例中，整流電路10可為一橋式整流器，其包含二極體D3~D6，用來將市電供應之交流電源V AC轉換成輸入端N1上的直流輸入電壓V IN。然而，整流電路10之實施方式並不限定本發明之範疇。
輸入電路20包含一輸入電阻R IN和一輸入電容C IN，串聯於輸入端N1和一接地電位GND之間。輸入電壓V IN可透過輸入電阻R IN來對輸入電容C IN充電，同時亦作為功率因數校正電路50之第一輸入電壓。
切換電路30包含一功率開關Q1和一控制電路32，而輸出電路40包含一輸出電容C OUT、一輸出二極體D OUT，以及輸出電阻R O1和R O12。功率開關Q1之第一端透過輸出二極體D OUT耦接至輸出端N2，第二端耦接至接地電位GND，而控制端耦接至控制電路32以接收一控制訊號V G1。輸出二極體D OUT之陽極耦接至功率因數校正電路50，而陰極耦接至輸出端N2。輸出電容C OUT耦接於輸出端N2和接地電位GND之間，且輸入電阻R O1和R O2串聯於輸出端N2和接地電位GND之間。
在一實施例中，控制電路32可為一脈衝寬度調變(pulse width modulation, PWM)電路，用來依據一回授電壓V FB來提供控制訊號V G1並調整控制訊號V G1之工作週期(duty cycle)，進而選擇性地導通或截止功率開關Q1，其中回授電壓V FB之值相關於輸出電壓V OUT值。
功率因數校正電路50包含一乘法器52、一耦合電感單元54、一比較器CP、一偵測電阻R L、一輔助開關Q2、一補償電容C X、限流電阻RM1和RM2、一放電電阻R D，以及二極體D1和D2。耦合電感單元54包含一升壓電感L0和輔助繞組L1-L2。在功率開關Q1為導通的狀態下，輸出二極體D OUT之陽極會被拉至接地電位GND使其因反向偏壓而截止，此時輸入電壓V IN會對升壓電感L0充電，而輸出電壓V OUT由輸出電容C OUT內存能量來提供。在功率開關Q1為截止的狀態下，當功率因數校正電路30輸出之電感電流I L大於0時，輸出二極體D OUT會因順向偏壓而導通，此時輸入電壓V IN和升壓電感L0內存能量會對輸出電容C OUT充電，並供應輸出電壓V OUT之能量。此外，輸出電阻R O1和R O2形成一分壓電路，可提供相關輸出電壓V OUT之一分壓電壓V CO。
在耦合電感單元54中，升壓電感L0包含一第一端和一第二端，用來依據整流命令電壓V COM來導通電感電流I L。第一輔助繞組L1之第一打點端耦接於升壓電感L0之第一端，而第一非打點端透過輸入電阻R IN耦接於輸入電壓V IN。第二輔助繞組L2之第二打點端透過輸出二極體C OUT耦接於輸出端N2且透過放電電阻R D耦接至接地電位GND，而第二非打點端耦接於二極體D1-D2之陰極。乘法器52之第一輸入端耦接至輸入端N1以接收輸入電壓V IN，第二輸入端耦接至輸出電阻R O1和R O2之間以接收分壓電壓V CO，可對輸入電壓V IN和分壓電壓V CO執行相乘運作，進而提供相對應之整流命令電壓V COM。整流命令電壓V COM會施加在升壓電感L0之兩端，使得流經升壓電感L0之電感電流I L能追隨輸出電壓V OUT之波形。偵測電阻R L之第一端耦接於升壓電感L0，而第二端耦接於輸出二極體D OUT之陽極，用來提供相關電感電流I L之值的一偵測電壓V L。
輔助開關Q2之第一端依據透過二極體D2、二極體D1、限流電阻RM2和輸入電阻R IN耦接至輸入端N1，第二端透過補償電容C X耦接至接地電位GND，而控制端用來接收一控制訊號V G2。限流電阻RM1之第一端耦接於輸入電阻R IN和補償電容C X之間，而第二端耦接至輔助開關Q2之第二端和補償電容C X之間。輸入電壓V IN可透過輸入電阻R IN來對輸入電容C IN充電，而輸入電容C IN內存能量可透過限流電阻RM1來對補償電容C X充電。
比較器CP之正向輸入端耦接至輸出電阻R O1和R O2之間以接收分壓電壓V CO，反向輸入端耦接至升壓電感L0和偵測電阻R L之間以接收偵測電壓V L，而輸出端用來提供控制訊號V G2。如先前所述，當整流命令電壓V COM之值較小時，電感電流I L可能無法追隨電壓V COM之波形變化，因此會造成零交越失真。因此，本發明功率因數校正電路50會使用比較器CP來判斷電感電流I L之值是否過小，再依此進行相對應之電流補償。第4圖為本發明實施例中電源轉換器200運作時之訊號圖。為了說明目的，假設在時間點T0-T1和T2-T3之間偵測電壓V L之值大於分壓電壓V CO之值，而在時間點T1-T2之間偵測電壓V L之值不大於分壓電壓V CO之值。
當偵測電壓V L之值(相關電感電流I L)大於分壓電壓V CO之值(相關輸出電壓D OUT)時，代表相對應電感電流I L之值足以追隨整流命令電壓V COM之波形變化，此時比較器CP會輸出具除能電位之控制訊號V G2以截止輔助開關Q2。在這種情況下，補償電容C X內存的能量不會傳送至輔助繞組L2 2，而輔助繞組L2先前儲存的能量會透過放電電阻R D釋放至接地電位GND，此時流經升壓電感L0之電感電流I L之峰值由I PK(t)來表示。在T1≦t≦T2的期間，電感電流I L峰值I PK(t)為追隨整流命令電壓V COM之封包，使得電源轉換器200能以高功率因數來運作。
當偵測電壓V L之值不大於分壓電壓V CO之值時，代表相對應電感電流I L之值可能因過低而無法追隨整流命令電壓V COM之波形變化，此時比較器CP會輸出具致能電位之控制訊號V G2以導通輔助開關Q2，進而使輸入電容C IN2內存能量能透過導通之輔助開關Q2和正向偏壓之二極體D2來對輔助繞組L2充電。在這種情況下，輔助繞組L2因應補償電容C X傳來的能量會產生電感電流I L2，再將電感電流I L2感應至輔助繞組L1以提供電感電流I L1，進而拉高流經升壓電感L0之電感電流I L。如此一來，在T0≦t≦T1和T2≦t≦T3的期間，電感電流I L之峰值I PK(t)和電感電流I L1之加總為追隨整流命令電壓V COM之封包，使得電源轉換器200能以高功率因數來運作。
在功率因數校正電路50中，二極體D1是用來避免補償電容C X內存能量回灌至輸入端N1，二極體D2是用來避免補償電容C X內存能量回灌至輔助繞組L2。
在本發明中，電感電流I L1之值可由輔助繞組L1之匝數N1和輔助繞組L2之匝數N2來決定。在一實施例中，N1和N2之值的比例可為5：5，然而輔助繞組L1之匝數N1和輔助繞組L2之匝數N2並不限定本發明之範疇。
在本發明中，輸入電容C IN之值可為120μF(誤差±1%)，輸出電容C OUT之值可為680μF*2(誤差±20%)，補償電容C X之值可為47(誤差±1%)，輸入電阻R IN之值可為6KΩ(誤差±10%)，輸出電阻R O1之值可為7KΩ(誤差±5%)，輸出電阻R O2之值可為3KΩ(誤差±5%)，限流電阻RM1之值可為150KΩ(誤差±10%)，限流電阻RM2之值可為100KΩ(誤差±10%)，偵測電阻R L之值可為8Ω(誤差±5%)，放電電阻R D之值可為1KΩ(誤差±10%)，升壓電感L0之值可為380μH(誤差±10%)，輔助繞組L1之電感值可為40μH(誤差±10%)，而輔助繞組L2之電感值可為40μH (誤差±10%)。然而，上述元件之實施方式並不限定本發明之範疇。
在本發明實施例中，功率開關Q1和輔助開關Q2可為金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)、雙極性接面型電晶體(bipolar junction transistor,  BJT)，或其它具類似功能的元件。對N型電晶體來說，致能電位為高電位，而除能電位為低電位；對P型電晶體來說，致能電位為低電位，而除能電位為高電位。然而，功率開關Q1和輔助開關Q2之種類並不限定本發明之範疇。
綜上所述，本發明之電源供應器可依據電感電流I L之值來進行相對應之電流補償，使得電感電流I L能追隨輸出電壓V OUT之相位而變化，進而避免零交越失真的現象以改善電源轉換器100之功率因數。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:整流電路 20:輸入電路 30:切換電路 32:控制電路 40:輸出電路 50:功率因數校正電路 52:乘法器 54:耦合電感單元 100、200:電源轉換器 CP:比較器 N1:輸入端 N2:輸出端 L0:升壓電感 L1-L2:輔助繞組 C OUT:輸出電容 C IN:輸入電容 C X:補償電容 D1~D6:二極體 D OUT:輸出二極體 R IN:輸入電阻 R O1、R O2:輸出電阻 R L:偵測電阻 R D:放電電阻 RM1、RM2:限流電阻 Q1:功率開關 Q2:輔助開關 V IN:輸入電壓 V OUT:輸出電壓 V AC:交流電壓 V FB:回授電壓 V G1、V G2:控制訊號 V CO:分壓電壓 V COM:整流命令電壓 V L:偵測電壓 I L:電感電流 GND:接地電位
第1圖為先前技術中一種電源轉換器之示意圖。 第2圖為先前技術電源轉換器運作時之訊號圖。 第3圖為本發明實施例中一種可改善零交越失真之電源轉換器的示意圖。 第4圖為本發明實施例中電源轉換器運作時之訊號圖。
10:整流電路
20:輸入電路
30:切換電路
32:控制電路
40:輸出電路
50:功率因數校正電路
52:乘法器
54:耦合電感單元
200:電源轉換器
CP:比較器
N1:輸入端
N2:輸出端
L0:升壓電感
L1-L2:輔助繞組
COUT:輸出電容
CIN:輸入電容
CX:補償電容
D1~D6:二極體
DOUT:輸出二極體
RIN:輸入電阻
RO1、RO2:輸出電阻
RL:偵測電阻
RD:放電電阻
RM1、RM2:限流電阻
Q1:功率開關
Q2:輔助開關
VIN:輸入電壓
VOUT:輸出電壓
VAC:交流電壓
VFB:回授電壓
VG1、VG2:控制訊號
VCO:分壓電壓
VCOM:整流命令電壓
VL:偵測電壓
IL:電感電流
GND:接地電位

Claims (10)

  1. 一種可改善零交越失真之電源轉換器，其包含： 一輸入端，用來接收一輸入電壓； 一輸出端，用來輸出一輸出電壓；以及 一功率因數校正電路，其包含： 一乘法器，用來接收該輸入電壓和一分壓電壓，再對該輸入電壓和該分壓電壓執行一相乘運作以提供一整流命令電壓； 一耦合電感單元，其包含： 一升壓電感，其包含一第一端和一第二端，用來依據該整流命令電壓來導通一電感電流； 一第一輔助繞組，其包含： 一第一打點端，耦接於該升壓電感之該第一端；以及 一第一非打點端，耦接於該輸入電壓； 一第二輔助繞組，其包含： 一第二打點端；以及 一第二非打點端； 一偵測電阻，其包含： 一第一端，耦接於該升壓電感之該第二端；以及 一第二端，耦接於該第二打點端； 一補償電容，其包含： 一第一端，用來接收相關該輸入電壓之能量；以及 一第二端，耦接於一接地電位； 一比較器，其包含： 一正向輸入端，用來接收相關該輸出電壓之一分壓電壓； 一反向輸入端，耦接於該升壓電感和該偵測電阻之間以接收一偵測電壓；以及 一輸出端，用來依據該分壓電壓和該偵測電壓之值輸出一第一控制訊號；以及 一輔助開關，其包含： 一第一端，耦接至該第二非打點端； 一第二端，耦接至該補償電容之該第一端；以及 一控制端，耦接至該比較器之該輸出端以接收該第一控制訊號。
  2. 如請求項1所述之電源轉換器，其另包含： 一輸入電阻，其包含： 一第一端，耦接至該輸入端；以及 一第二端，耦接於該第一非打點端，以及耦接於該輔助開關之該第二端和該耦合電容之間；以及 一輸入電容，其包含： 一第一端，耦接至該輸入電阻之該第二端；以及 一第二端，耦接於該接地電位。
  3. 如請求項2所述之電源轉換器，其中該功率因數校正電路另包含： 一第一限流電阻，其包含： 一第一端，耦接於該輸入電阻之該第二端和該輸入電容之該第一端之間；以及 一第二端，耦接於該輔助開關之該第二端和該耦合電容之間；以及 一第二限流電阻，其包含： 一第一端，耦接於該輸入電阻之該第二端；以及 一第二端，耦接於該第二非打點端。
  4. 如請求項3所述之電源轉換器，其中該功率因數校正電路另包含： 一第一二極體，其包含： 一陽極，耦接至該第二限流電阻之該第二端；以及 一陰極，耦接於該第二非打點端；以及 一第二二極體，其包含： 一第一端，耦接於該輔助開關之該第一端；以及 一第二端，耦接於該第二非打點端。
  5. 如請求項1所述之電源轉換器，其中該功率因數校正電路另包含一放電電阻，耦接於該第二打點端和該接地電位之間。
  6. 如請求項1所述之電源轉換器，其另包含： 一功率開關，其包含： 一第一端，耦接至該偵測電阻和該輸出端之間； 一第二端，耦接至該接地電位；以及 一控制端，用來接收一第二控制訊號；以及 一控制電路，用來依據一回授訊號來提供該第二控制訊號，其中該回授訊號之值相關於該輸出電壓之值。
  7. 如請求項1所述之電源轉換器，其另包含： 一輸出電容，耦接於該輸出端和該接地電位之間；以及 一第一輸出電阻和一第二輸出電阻，串聯於該輸出端和該接地電位之間，其中該比較器之該正向輸入端耦接至該第一輸出電阻和該第二輸出電阻之間以接收該分壓電壓。
  8. 一種可改善零交越失真之功率因數校正電路，其包含： 一乘法器，用來接收一輸入電壓和一分壓電壓，再對該輸入電壓和該分壓電壓執行一相乘運作以提供一整流命令電壓； 一耦合電感單元，其包含： 一升壓電感，其包含一第一端和一第二端，用來依據該整流命令電壓來導通一電感電流； 一第一輔助繞組，其包含： 一第一打點端，耦接於該升壓電感之該第一端；以及 一第一非打點端，耦接於該輸入電壓； 一第二輔助繞組，其包含： 一第二打點端；以及 一第二非打點端； 一偵測電阻，其包含： 一第一端，耦接於該升壓電感之該第二端；以及 一第二端； 一補償電容，其包含： 一第一端，用來接收相關該輸入電壓之能量；以及 一第二端，耦接於一接地電位； 一比較器，其包含： 一正向輸入端，用來接收一分壓電壓； 一反向輸入端，耦接於該升壓電感和該偵測電阻之間以接收一偵測電壓；以及 一輸出端，用來依據該分壓電壓和該偵測電壓之值輸出一控制訊號；以及 一輔助開關，其包含： 一第一端，耦接至該第二非打點端； 一第二端，耦接至該補償電容之該第一端；以及 一控制端，耦接至該比較器之該輸出端以接收該控制訊號。
  9. 如請求項8所述之功率因數校正電路，其另包含： 一第一限流電阻，其包含： 一第一端，耦接於該輸入電阻之該第二端和該輸入電容之該第一端之間；以及 一第二端，耦接於該輔助開關之該第二端和該耦合電容之間；以及 一第二限流電阻，其包含： 一第一端，耦接於該輸入電壓；以及 一第二端，耦接於該第二非打點端。
  10. 如請求項9所述之功率因數校正電路，其另包含： 一第一二極體，其包含： 一陽極，耦接至該第二限流電阻之該第二端；以及 一陰極，耦接於該第二非打點端；以及 一第二二極體，其包含： 一第一端，耦接於該輔助開關之該第一端；以及 一第二端，耦接於該第二非打點端。
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