TWI776690B - 升壓整流器 - Google Patents

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Abstract

本案提供一種升壓整流器，接收單相輸入電壓，且包含輸入級、切換式轉換級、輸出級、解耦級以及控制電路。輸入級接收單相輸入電壓且包含第一及第二輸入濾波電容。切換式轉換級耦接於輸入級且包含整流電路、電感電路、串接的第一及第二開關和相輸出電容。第一及第二開關之間具有公共點。輸出級架構於將相輸出電容中所存儲的能量傳遞至輸出負載。解耦級架構於在切換式轉換級與輸出級間進行高阻抗解耦。控制電路架構於依據非線性補償訊號控制第一及第二開關的運作，其中非線性補償訊號係由單相輸入電壓的大小及輸出負載上的電壓或電流所推得。

Description

升壓整流器
本案係關於一種具功率因數校正(power factor correction,PFC)功能的前端整流器，尤指一種軟開關切換的單相PFC整流器。
在航空工業中，電力負載及電源特性由DO-160標準(https：//www.rtca.org/content/publications)所規範，該標準具體規範了對於機載電力設備的嚴格諧波限制。此外，現代機載配電系統使用高達800Hz的線頻率來提高機載發電機的性能並減小機載被動元件(例如變壓器及濾波器)的尺寸。以下文獻可供參考：(i)“Technology for the more and all electric aircraft of the future,”by P.Wheeler,published in 2016 IEEE International Conference on Automatica(ICA-ACCA),Curico,2016,pp.1-5；(ii)“Advances in AC-DC power conversion topologies for More Electric Aircraft,”by B.Sarlioglu,published in 2012 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo(ITEC),Dearborn,MI,2012,pp.1-6；and(iii)“Recent Advances of Power Electronics Applications in More Electric Aircrafts,”by J.He et al.,published in AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium(EATS),Cincinnati,OH,2018,pp.1-8。
第1圖示出了現有的CCM(continuous-conduction-mode，連續導通模式)PFC升壓整流器，其通過主動輸入電流塑形控制方式而被優化為具有50或60Hz的線頻率，其中該主動輸入電流塑形方式具有約3-5kHz的帶寬和較低的總諧波失真(total harmonic distortion，THD)。若要在800Hz的線頻率下實現類似的電流塑形效果，相應的電流塑形控制的帶寬約為50kHz。然而實際上，由於採用硬開關切換的CCM PFC升壓整流器多被設計為以100kHz或更低的開關頻率運作，以滿足所需的效率和熱性能，因此，恐難以在以硬開關切換的CCM PFC升壓整流器中實現如此大帶寬的電流塑形控制方式。以下文獻可供參考：(i)“A Simple Digital DCM Control Scheme for Boost PFC Operating in Both CCM and DCM,”by S.F.Lim et alius,published in IEEE Transactions on Industry Applications,vol.47,no.4,pp.1802-1812,July-Aug.2011；(ii)“Digital control for improved efficiency and reduced harmonic distortion over wide load range in boost PFC rectifiers,”by F.Chen et alius,published in IEEE Trans.Power Electron.,vol.25,no.10,pp.2683-2692,Oct.2010；and(iii)“Dynamic Strategy for Efficiency Estimation in a CCM-Operated Front-End PFC Converter for Electric Vehicle Onboard Charger,”by J.Lu et al.,published in IEEE Transactions on Transportation Electrification,vol.3,no.3,pp.545-553,Sept.2017；and(iv)“Performance Evaluation of Bridgeless PFC Boost Rectifiers,”by L.Huber,et al.,in IEEE Transactions on Power Electronics,vol.23,no.3,pp.1381-1390,May 2008。
第2圖示出了現有的圖騰柱無橋PFC整流器，其中圖騰柱無橋PFC整流器具有寬能隙(wide-bandgap，WBG)元件且運作在臨界導通模式(critical conduction mode)。關於此種PFC整流器的實例可參考下列文獻：(i)“Review of GaN totem-pole bridgeless PFC,”by Q.Huang et alius,published in CPSS Transactions on Power Electronics and Applications,vol.2,no.3,pp.187-196,Sept.2017；(ii)“Design of GaN-Based MHz Totem-Pole PFC Rectifier,”by Z.Liu et al.,published in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.4,no.3,pp.799-807,Sept.2016；(iii)“Application of GaN devices for 1kW server power supply with integrated magnetics,”by F.C.Lee et al.,published in CPSS Transactions on Power Electronics and Applications,vol.1,no.1,pp.3-12,Dec.2016。
為使PFC升壓整流器實現較低的總諧波失真，需在不具明顯延遲的條件下準確檢測升壓電感電流及線路輸入電壓的過零點。然而，當應用於具傳播延遲的市售閘極驅動器和處理速度有限的市售數位控制器時，現有的電流檢測技術無法在800Hz的線頻率下實現低於5%的總諧波失真。以下文獻可供參考：“GaN-based high frequency totem-pole bridgeless PFC design with digital implementation,”by L.Xue et al.,published in 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),Charlotte,NC,2015,pp.759-766。
於美國公告號8,687,389之專利(發明名稱為「Three-phase soft-switched PFC rectifier」)中，揭露了工作於三相輸入電壓應用中 的PFC整流器。該專利中的整流器在接收三相輸入電壓的情況下，即便工作於較高的線頻率，仍可實現良好的功率因數及較低的總諧波失真，且無需額外的大帶寬或主動電流塑形控制。在此PFC整流器中，當三相輸入電源的中性線與PFC整流器相隔離時，即便通過三相輸入連接來傳輸功率，但輸入電流中的三次諧波(即第三諧波及其奇數倍諧波)並不會流過三相輸入連接處。因此，PFC整流器中的三次諧波電流可流經輸入濾波電容，且不會被反映在輸入埠，藉此可使PFC整流器具有良好的功率因數。然而，當在單相系統中工作時，若無中性線連接，則無法供電。因此，由於PFC整流器中的三次諧波電流在單相輸入埠處流經中性線，故將導致單相系統中的功率因數較差。
本案之目的在於提供一種升壓整流器，其係接收單相輸入電壓且受一控制電路控制，其中控制電路根據非線性補償訊號運作。本案之升壓整流器可實現零電壓切換(zero-voltage switching,ZVS)，且通過引入前饋訊號來調節開關頻率，據此獲得較低的輸入電流總諧波失真。
根據本案的一實施例，提供一種包含非線性補償電路的功率因數校正(PFC)非連續導通模式(discontinuous-conduction-mode,DCM)升壓整流器，其中非線性補償電路可使功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器同時實現零電壓切換以及5%甚至更低的輸入電流總諧波失真。非線性補償電路將前饋訊號與輸出電壓反饋控制訊號相結合，其中前饋訊號係由功率因數校正 (PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器的輸入及輸出電壓所推得。由於可無需額外的大帶寬或主動電流塑形控制即可實現低總諧波失真，故本案的PFC升壓整流器可適用於高頻線電壓應用中(例如航空工業)，且可據此達成高功率因數之功效。此外，本案之功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器可降低共模雜訊。
根據本案的一實施例，提供一種升壓整流器，其係以單相輸入電壓運作，且包含輸入級、切換式轉換級、輸出級、解耦級以及控制電路。輸入級包含第一及第二端和第一及第二輸入濾波電容，其中第一及第二端適於接收單相輸入電壓。切換式轉換級具有複數個輸入端和第一及第二相位端，其中複數個輸入端耦接於輸入級的第一及第二端。切換式轉換級包含整流電路、電感電路、串聯連接的第一及第二開關以及相輸出電容。整流電路耦接於複數個輸入端與複數個相位端之間。電感電路包含第一及第二升壓電感，且耦接於複數個輸入端與複數個相位端之間。第一及第二開關之間具有公共點，該公共點通過輸入級的第一及第二輸入濾波電容而分別耦接於輸入級的第一及第二端。相輸出電容連接於第一及第二相位端之間。輸出級架構於將相輸出電容中所存儲的能量傳遞至輸出負載。解耦級架構於在切換式轉換級與輸出級之間進行高阻抗解耦。控制電路架構於依據非線性補償訊號控制第一及第二開關的運作，其中非線性補償訊號係由單相輸入電壓的大小及輸出負載上的電壓或電流所推得。
300:升壓整流器
305:輸入級
310:切換式轉換級
315:解耦級
350:控制電路
320:輸出級
VAC:輸入電壓源
C1、C2:輸入濾波電容
L1、L2:升壓電感
D1、D2、D3、D4:二極體
CR:飛跨電容
S1、S2:開關
N:公共點
LC:耦合電感
CO1、CO2:輸出濾波電容
VO:輸出電壓
R:電阻
VAN、VBN、VCR、VO1、VO2:電壓
355:非線性補償電路
360:放大及補償器
361:縮放及整流電路
362:縮放電路
363:加法器
364:乘法器
G:補償訊號
VCO:壓控振盪器
TS:開關週期
400:電路示意圖
VS1、VS2、VLC:電壓
iS1、iS2:電流
LM:勵磁電感
LLK1、LLK2:漏電感
iO1、iO2:輸出電流
iM:勵磁電流
COSS1、COSS2:輸出電容
iL1、iL2:電感電流
T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9:時刻
701:峰值輸入電流
702:平均輸入電流
fS:開關頻率
703:峰值輸入電流
704:平均輸入電流
900:升壓整流器
CB:阻隔電容
1000:升壓整流器
1100:升壓整流器
TR:變壓器
CB1、CB2:阻隔電容
DO1、DO2:整流器
LO:輸出電感
CO:輸出電容
1200:升壓整流器
S3、S4:開關
1300:升壓整流器
LR:諧振電感
CR1、CR2:諧振電容
1400:升壓整流器
Cr:諧振電容
第1圖示出了現有的CCM PFC升壓整流器，其通過主動輸入電流塑形控制方式而被優化為具有50Hz或60Hz的線頻率，其中主動輸入電流塑形方式具有約3-5kHz的帶寬和較低的總諧波失真。
第2圖示出了現有的圖騰柱無橋PFC整流器，其中圖騰柱無橋PFC整流器具有寬能隙元件且運作在臨界導通模式。
第3圖示出了本案之一實施例中以零電壓切換進行運作的升壓整流器300。
第4圖為本案之一實施例的升壓整流器300的運作的電路示意圖400。
第5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H及5I圖分別示出了本案之一實施例的電路示意圖400在開關S1及S2的開關週期中的不同時間段的拓撲。
第6圖示出了在第5A至5I圖所處的開關週期中的各個功率級主要波形。
第7圖示出了在未施加非線性補償訊號時(即在乘法器364中將非線性補償項2V CR -V AC,RMS sin ωt設為1)，處於輸入線電壓VAC的正半周期間的升壓整流器300的峰值輸入電流701及平均輸入電流702和對應的開關頻率f S 。
第8圖示出了在施加非線性補償訊號時(即在乘法器364中將非線性補償項2V CR -V AC,RMS sin ωt與訊號G相乘)，處於輸入電壓源VAC的正半周期間的升壓整流器300的峰值輸入電流703及平均輸入電流704和對應的開關頻率f S 。
第9圖示出了本案之一實施例的升壓整流器900，其中與第3圖所示的升壓整流器300不同的是，升壓整流器900具有位於串接的開關S1及S2間的公共點N與串接的輸出濾波電容CO1及CO2間的公共點之間的阻隔電容CB。
第10圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1000，其中與第3圖所示的升壓整流器300不同的是，升壓整流器1000具有位於整流電路的下游側的升壓電感L1及L2，該整流電路包含形成全橋結構的二極體D1至D4。
第11圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1100，其在隔離輸出級中具有變壓器TR。
第12圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1200，其具有形成全橋結構的開關S1至S4。
第13圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1300，其具有開關S1及S2，且開關S1及S2與諧振電感LR及諧振電容CR1及CR2形成半橋諧振型電路。
第14圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1400，其具有開關S1至S4，且開關S1至S4與諧振電感LR及諧振電容Cr形成全橋諧振型電路。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
第3圖示出了本案之一實施例中以零電壓切換進行運作的升壓整流器300。如第3圖所示，升壓整流器300包含輸入級305、切換式轉換級310、解耦級315、控制電路350及輸出級320。輸入級305包含單相輸入電壓源VAC及輸入濾波電容C1及C2。切換式轉換級310包含升壓電感L1及L2，且每一升壓電感均耦接於輸入電壓源VAC的其中一個端點與整流電路的其中一個輸入端之間。於此實施例中，整流電路包含二極體D1、D2、D3及D4，其中二極體D1、D2、D3及D4以全橋架構相連接而形成全橋整流器。此外，切換式轉換級310還包含飛跨電容CR(亦可稱作相輸出電容)及串聯連接的開關S1及S2，其中開關S1及S2之間電連接有一公共點N。飛跨電容CR和串聯連接的開關S1及S2均跨接於切換式轉換級310的所有相位端上(於此示例中為整流電路的輸出端)。輸入濾波電容C1及C2分別連接於輸入電壓源VAC的其中一個端點與開關S1及S2的公共點N之間。解耦級315包含耦合電感LC，其中耦合電感LC將切換式轉換級310的輸出端間(即飛跨電容CR上)的共模雜訊與輸出級320相隔離。輸出級320包含串聯連接的輸出濾波電容CO1及CO2，其中輸出濾波電容CO1及CO2之間電連接有一公共點(等同於公共點N)。再者，串接的輸出濾波電容CO1及CO2之間的公共點耦接於輸入濾波電容C1及C2之間的公共點。於第3圖中，升壓整流器300的輸出電壓VO被施加在電阻性輸出負載上(以電阻R表示)。於此實施例中，升壓整流器300為PFC DCM升壓整流器。
輸入濾波電容C1及C2在公共點N處提供介於輸入電壓源VAC的峰值和谷值之間的中間電壓(例如為輸入電壓源VAC之幅值的一 半)。在此架構中，公共點N上的電壓可使流經升壓電感L1及L2的兩電流相解耦，亦即，流經升壓電感L1的電流僅取決於輸入濾波電容C1上的相電壓VAN，流經升壓電感L2的電流僅取決於輸入濾波電容C2上的相電壓VBN。於此實施例中，相電壓VAN及VBN具有實質上相等的幅值，但兩者之極性相反。具體而言，當開關S1在輸入電壓源VAC的正半周期間導通時，輸入濾波電容C1通過串聯連接的升壓電感L1和開關S1傳遞電流。類似地，當開關S2在輸入電壓源VAC的負半周期間導通時，輸入濾波電容C2通過串聯連接的升壓電感L2和開關S2傳遞電流。當開關S1關斷時，升壓電感L1中所儲存的能量被傳遞至飛跨電容CR。同樣地，當開關S2關斷時，升壓電感L2中所儲存的能量被傳遞至飛跨電容CR。
在每一開關週期的特定部分中，公共點N與飛跨電容CR的各端子之間具有快速電壓變化(即較大的電壓變化率dV/dt)，而通過耦合電感LC將飛跨電容CR與輸出級320相隔離，可減少由該快速電壓變化所導致之超出可接收程度的共模電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)雜訊。於此架構中，由於輸出共模雜訊位於相對小電路或由開關S1和S2及飛跨電容CR所形成的迴路中，故輸出共模雜訊極低。再者，利用耦合電感LC在輸出級320與開關S1和S2之間提供阻抗，使得多個並聯整流器之間的平行或交錯運作成為可能(即多個切換式轉換級可通過多個解耦級而並聯耦接於同一輸出級)。
第3圖還示出了控制電路350的方框示意圖，其中控制電路350將前饋訊號與輸出電壓反饋控制訊號相結合。前饋訊號是依據升 壓整流器300的輸入及輸出電壓所得出的。前饋訊號響應以預定方式操縱控制系統，而與輸出負載無關。反之，反饋控制訊號使控制系統響應輸出負載。於一些實施例中，控制電路350包含控制器及閘極驅動電路，閘極驅動電路根據非線性補償訊號來控制開關S1及S2的運作，其中非線性補償訊號係由單相輸入電壓的大小及輸出負載上的電壓或電流所推得。其中，在本實施例中，升壓整流器300可以是功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。
如第3圖所示，控制電路350包含非線性補償電路355，其中非線性補償電路355的縮放及整流電路361自輸入電壓源VAC接收輸入電壓，並對所接收的輸入電壓進行整流及以特定比例縮放，從而提供比例調整及整流後的電壓k∥V AC ∥。而後，加法器363將比例調整及整流後的電壓k∥V AC ∥減去比例調整後的輸出電壓2kV O ，其中比例調整後的輸出電壓2kV O 係由縮放電路362基於輸出電壓VO所輸出。加法器363輸出代表電壓差的非線性補償項k(2V O -∥V AC ∥)。接著，乘法器364將非線性補償項與補償訊號G相乘，其中補償訊號G由放大及補償器360所提供。補償訊號G係基於輸出電壓VO而自反饋控制訊號推得。補償訊號G與非線性補償項的乘積(即為非線性控制訊號)用以驅動壓控振盪器VCO，其中壓控振盪器VCO產生用以控制開關S1及S2的閘極訊號。開關S1及S2的閘極訊號為交錯而互不重疊的脈衝訊號，並具有近似50%的占空比，且其開關週期TS和非線性控制訊號與壓控振盪器VCO的實質固定增益的乘積成正比。藉由上述之控制方式，控制電路350可使升壓整流器300具有低總諧波失真及理 想的高功率因數，且可無需採用主動電流塑形控制方式。於此實施例中，非線性補償電路355被集成於控制器中，而控制器為控制電路350的一部分。於一些實施例中，非線性補償電路355被用以將自升壓整流器300的輸入及輸出電壓推得的前饋訊號與輸出電壓反饋訊號相結合，並產生一輸出訊號，而控制電路350根據非線性補償電路355所產生的輸出訊號來控制開關S1及S2的運作。於一些實施例中，非線性補償電路355可被集成在控制器中或作為控制電路350的一部分。於另一些實施例中，非線性補償電路355及控制電路350亦可相獨立。
第4圖為本案之一實施例的升壓整流器300的運作的電路示意圖400。在開關S1及S2的共同開關頻率明顯高於線頻率時，輸入濾波電容C1和C2、飛跨電容CR及輸出濾波電容CO1和CO2上的紋波電壓可忽略不計，故其上的電壓可分別以固定電壓VAN、VBN、VCR、VO1及VO2表示。於第4圖中，即使未忽略開關S1和S2的輸出電容，半導體開關S1和S2在導通時仍被視為具有實質為零的電阻(即被視為短路)。此外，耦合電感LC在第4圖中等效為包含勵磁電感LM及漏電感LLK1和LLK2的雙繞組理想變壓器。由於飛跨電容CR上的平均電壓實質上等於輸出電壓VO(輸出電壓VO等於電壓VO1和VO2之和)，故飛跨電容CR可等效為固定電壓VCR。於第4圖中，電流及電壓的參考方向係對應於滿足VAC>0、VAN>0及VBN<0的半周期時間段。
第5A至5I圖分別示出了本案之一實施例的電路示意圖400在開關S1及S2的共同開關週期中的不同時間段的拓撲。第6圖示出了在第5A至5I圖所處的開關週期中的各個功率級主要波形。於 第6圖中，開關S1和S2的閘極訊號分別以符號“S1”和“S2”標示。類似地，常數“L1”和“L2”分別表示升壓電感L1和L2的電感值。VS1、VS2及VLC分別為第一開關S1、第二開關S2及耦合電感LC上的電壓，iS1及iS2分別為流經第一開關S1及第二開關S2的電流。
如第6圖所示，開關S1及S2的閘極訊號互不重疊，並以實質為180°的角度相互錯相，且在任一開關的關斷時刻與另一開關的導通時刻之間具有一短暫的死區時間(例如時刻T1至T3之期間)，藉此，開關S1及S2均可實現零電壓切換。為在輸入及輸出電壓的變化範圍內皆可維持零電壓切換，本案之一實施例的升壓整流器係採用一可變開關頻率控制方法。在採用此可變開關頻率控制方法時，低開關頻率係對應於重載或低輸入電壓，而高開關頻率則對應於輕載貨高輸入電壓，在一實施例中，升壓整流器為功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。本案之一實施例的升壓整流器可在極輕載或零負載條件下工作於受控突發模式(controlled burst mode)或脈衝跳躍模式(pulse-skip mode)，從而避免任何非必要的高頻率操作，在一實施例中，升壓整流器為功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。
如第5A及6圖所示，在時刻T0至T1期間，當在開關S2處於關斷狀態，且處於導通狀態的開關S1尚未被關斷時，升壓電感L1上的電感電流iL1以實質為VAN/L1的速率流經開關S1，並在時刻T1達到峰值
Figure 110135756-A0305-02-0015-1
。峰值
Figure 110135756-A0305-02-0015-2
可近似為：
Figure 110135756-A0305-02-0015-3
其中VAN為輸入濾波電容C1上的相電壓，TS為共同開關週期。由於開關S1關斷的時刻T1與開關S2導通的時刻T2之間的死區時間相較於開關週期TS而言較短，故等式(1)並未考慮到時刻T1至T2之時間段。在時間T0至T1期間，源自漏電感LLK1的輸出 電流iO1以
Figure 110135756-A0305-02-0016-4
之速率降低，而源自漏電感LLK2的輸出電流 iO2以
Figure 110135756-A0305-02-0016-5
之速率增加，其中VCR是飛跨電容CR上的電壓。源自勵磁電感LM的勵磁電流iM可由輸出電流iO1和iO2之間的差值得出。於此實施例中，勵磁電感LM足夠大，故可使耦合電感LC中的紋波電流不至於顯著影響功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器的運作。
如第4圖所示，耦合電感LC中的兩個繞組分別在輸出電流iO1和iO2中有對應的差分電流，且源自該差分電流的磁通量可相互抵消，進而使勵磁電感LM可由磁芯中的微小氣隙所提供，且不會造成飽和。
第5B圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T1至T2期間的拓撲。當開關S1在時刻T1關斷時，升壓電感L1中的電感電流iL1開始為開關S1的輸出電容COSS1充電。由於開關S1和S2上的電壓之和受飛跨電容CR上的電壓VCR所限制，故開關S1和S2的輸出電容COSS1和COSS2分別以大致相同的速率進行充電和放電。在時刻T2，開關S2的輸出電容COSS2完全放電，使得開關S2的反並聯體二極體開始導通。
第5C圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T2至T3期間的拓撲。如第6圖所示，當開 關S2的體二極體在時刻T2順偏時，電感電流iL2開始線性增加。在時刻T3，開關S2在零電壓條件下導通，電感電流iL2開始流過開關S2。
第5D圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T3至T4期間的拓撲。電感電流iL2持續流經開關S2，流經升壓電感L1的電流iL1在時刻T4降為零。
為維持DCM運作，時刻T3至T4之時長需維持在小於開關週期TS的一半，使得電感電流iL1的上升速率小於下降速率。於此開關方式中，飛跨電容CR上的電壓為最小電壓
Figure 110135756-A0305-02-0017-6
，進而產生最 小輸出電壓值
Figure 110135756-A0305-02-0017-7
，其中最小電壓
Figure 110135756-A0305-02-0017-8
可由等式(2)得出。
Figure 110135756-A0305-02-0017-9
其中，
Figure 110135756-A0305-02-0017-10
代表輸入濾波電容C1上的峰值相電壓，V AC,RMS 代表輸入電壓VAC的均方根(root-mean-square，RMS)值。由於電感電流iL1和iL2在時刻T2至T4期間的流動方向相反，故流經開關S2的平均電流小於個別電流，導值功耗降低。
第5E圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T4至T5期間的拓撲。在時刻T4至T5期間，電感電流iL2持續流經開關S2，並以VBN/L2之速率增加，且在時 刻T5達到峰值
Figure 110135756-A0305-02-0017-11
，其中峰值
Figure 110135756-A0305-02-0017-12
近似為：
Figure 110135756-A0305-02-0017-13
其中，VBN為輸入濾波電容C2上的相電壓。等式(1)及(3)分別示出了電感電流iL1及iL2的峰值，且由於電感L1及L2的電感 值實質上相等，故電感電流iL1及iL2的峰值分別與其對應的相電壓成正比。
第5F圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T5至T6期間的拓撲。於時刻T5，開關S2關斷，使得電感電流iL2開始對開關S2的輸出電容COSS2進行充電，並對開關S1的輸出電容COSS1進行放電。
第5G圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T6至T7期間的拓撲。在時刻T6，開關S1的輸出電容COSS1完全放電，且開關S1的反並聯體二極體開始導通。同時，開關S1在零電壓條件下導通。如第6圖所示，開關S1在時刻T7導通。
第5H圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T7至T8期間的拓撲。一旦開關S1導通，上升中的電感電流iL1和電感電流iL2以相反的方向流經開關S1，使得流經開關S1的電流實質上等於電感電流iL1與iL2之間的差值。
第5I圖示出了本案之一實施例之電路示意圖400在開關S1及S2的一開關週期的時刻T8至T9期間的拓撲。於時刻T8，電感電流iL2降至零。於時刻T9，新的開關週期開始，同時開關S1關斷。
如第6圖所示，當開關S1或S2導通時，其對應的相電壓經由全橋整流器中的導電二極體而被施加在與其連接的升壓電感L1或L2上。反之，當開關S1或S2關斷時，其對應的相電壓與飛跨電容CR上的電壓VCR的電壓差被施加在與其相連的升壓電感L1或L2上，直至升壓電感中的電流iL1或iL2達到零。開關週期TS上的平均電感電流
Figure 110135756-A0305-02-0018-14
可由等式(4)得出。
Figure 110135756-A0305-02-0019-15
其中L為升壓電感L1及L2的實質等效電感值，ω為線電壓的角頻率。為實現功率因數校正，在一實施例中，開關週期TS較佳為與2V CR -V AC,RMS sin ω t成正比，抑或是如等式(5)所示。
T S =K(2V CR -V AC,RMS sin ω t) (5)
其中K為常數。據此開關頻率，可進一步推得等式(6)。
Figure 110135756-A0305-02-0019-16
由於電感L及飛跨電容CR上的電壓VCR在開關週期TS期間實質上為固定的，故平均電感電流
Figure 110135756-A0305-02-0019-17
與輸入電壓
Figure 110135756-A0305-02-0019-18
成正比。
請再參閱第3圖。加法器363的輸出訊號實質上為等式(5)中的非線性補償項2V CR -V AC,RMS sin ω t。因此，開關S1和S2的閘極訊號的開關週期TS正比於等式(5)中的非線性補償項2V CR -V AC,RMS sin ω t。據此，升壓整流器300可無需通過主動電流塑形控制方式即可自動實現功率因數校正。在本實施例中，升壓整流器300係為功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。
第7圖示出了在未施加非線性補償訊號時(即在乘法器364中將非線性補償項2V CR -V AC,RMS sin ωt設為1)，處於輸入電壓源VAC的正半周期間的升壓整流器300的峰值輸入電流701及平均輸入電流702和對應的開關頻率f S 。開關頻率f S 等於1/TS。
第8圖示出了在施加非線性補償訊號時(即在乘法器364中將非線性補償項2V CR -V AC,RMS sin ωt與訊號G相乘)，處於輸入電壓源VAC的正半周期間的升壓整流器300的峰值輸入電流703及平均輸入電流704和對應的開關頻率f S 。如第8圖所示，根據等式(5)中的非線性補償項，開關頻率f S 隨輸入電壓源VAC及輸出電壓VO變化而變化。
本案發明內容可視實際需求而有各種可能的變化及調整。舉例而言，第9圖示出了本案之一實施例的升壓整流器900，其中與第3圖所示的升壓整流器300不同的是，升壓整流器900具有位於串接的開關S1及S2間的公共點N與串接的輸出濾波電容CO1及CO2間的公共點之間的阻隔電容CB。於此實施例中，輸出級320中的串接輸出濾波電容CO1和CO2之間的公共點和切換式轉換級310中的串接開關S1和S2之間的公共點經由阻隔電容CB而相互連接。阻隔電容CB將顯著削減任何流經公共點N及輸出濾波電容CO1和CO2之間的公共點的低頻電流。阻隔電容CB之容值可遠小於輸出濾波電容CO1和CO2的容值。
第10圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1000，其中與第3圖所示的升壓整流器300不同的是，升壓整流器1000具有位於整流電路的下游側的升壓電感L1及L2，整流電路包含形成全橋結構的二極體D1至D4。
第11圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1100，其在隔離輸出級中具有變壓器TR。如第11圖所示，變壓器TR包含初級側繞組，初級側繞組的中心分接頭連接於切換式轉換級的第一及第二開關S1和S2之間的公共點。升壓整流器1100以變壓器TR取 代第3圖所示之升壓整流器300中的耦合電感LC，其中變壓器TR為中心抽頭，以為初級側繞組及次級側繞組提供虛接地端。阻隔電容CB1和CB2將初級側繞組的對應端點與切換式轉換級的相位端相連接。整流器DO1和DO2串聯連接於變壓器TR的次級側繞組，其中變壓器TR為中心抽頭以提供虛接地端。於此實施例中，輸出級還包含一輸出LC濾波器，如第11圖所示，輸出LC濾波器可包含耦接於整流器DO1和DO2與輸出電阻性負載(即電阻R)之間的輸出電感LO及輸出電容CO。在一實施例中，升壓整流器1100為功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。
第12圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1200，其具有形成全橋結構的開關S1至S4。於升壓整流器1200中，包含隔離變壓器TR的初級側繞組及阻隔電容CB的串聯電路連接於開關S1和S2之間的公共點及開關S3和S4之間的公共點。相較於第3圖所示的升壓整流器300，升壓整流器1200額外包含了開關S3和S4，開關S3和S4可與開關S1和S2形成全橋架構以實現大功率轉換。在本實施例中，升壓整流器1200可為功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。
第13圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1300，其具有開關S1及S2，且開關S1及S2與諧振電感LR及諧振電容CR1及CR2形成半橋諧振型電路。於升壓整流器1300中，隔離變壓器TR的初級側繞組串聯連接於電感LR，其中電感LR位於公共點N與串聯連接的諧振電容CR1和CR2間的公共點之間。藉此，隔離變壓器TR的初級側繞組與電感LR形成多個LC電路，多個LC電路位 於公共點N與切換式轉換級的每一相位端之間。於此實施例中，變壓器TR形成一解耦級，且其初級側繞組通過諧振型電路而連接於切換式轉換級的每一相位端。一般而言，諧振型電路可包含一或多個諧振電感及一或多個諧振電容。如第13圖所示，諧振型電路包含位於切換式轉換級的各相位端之間的串接諧振電容CR1和CR2、串接諧振電容CR1和CR2之間的公共點及變壓器TR的初級側繞組。因此，於第13圖之示例中，變壓器TR的初級側繞組經由諧振型電路連接於切換式轉換級的各相位端，其中諧振型電路可包含一或多個諧振電感及一或多個諧振電容。在本實施例中，升壓整流器1300可為功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。
第14圖示出了本案之一實施例的升壓整流器1400，其具有開關S1至S4，且開關S1至S4與諧振電感LR及諧振電容Cr形成全橋諧振型電路。於升壓整流器1400中，隔離變壓器TR的初級側繞組串聯連接於電感LR及諧振電容Cr，其中電感LR及諧振電容Cr位於公共點N與串聯連接的開關S1和S2間的公共點之間。藉此，隔離變壓器TR的初級側繞組與電感LR及諧振電容Cr形成一LC電路，其中LC電路位於公共點N與切換式轉換級的各相位端之間。在本實施例中，升壓整流器1400可為功率因數校正(PFC)非連續導通模式(DCM)升壓整流器。
本案的升壓整流器可採用任何形式的諧振腔電路，其可為串聯或並聯連接的LLC諧振電路、LCC諧振電路及LLCC諧振電路中的一種或多種之組合。
綜上所述，通過結合包含非線性補償項之前饋訊號與輸出電壓反饋控制訊號，本案之升壓整流器可實現零電壓切換、5%甚至更低的輸入電流總諧波失真及可調開關頻率。由於可以無需額外的寬帶寬及主動電流塑形控制方式即可獲得低總諧波失真，故可實現高功率因數之功效。於至少一實施例中，非線性補償項同時依據輸入及輸出電壓而推得。再者，本案之升壓整流器可降低共模雜訊。
須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附申請專利範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
300:升壓整流器
305:輸入級
310:切換式轉換級
315:解耦級
350:控制電路
320:輸出級
VAC:輸入電壓源
C1、C2:輸入濾波電容
L1、L2:升壓電感
D1、D2、D3、D4:二極體
CR:飛跨電容
S1、S2:開關
N:公共點
LC:耦合電感
CO1、CO2:輸出濾波電容
VO:輸出電壓
R:電阻
355:非線性補償電路
360:放大及補償器
361:縮放及整流電路
362:縮放電路
363:加法器
364:乘法器
G:補償訊號
VCO:壓控振盪器
TS:開關週期
fS:開關頻率

Claims (20)

  1. 一種升壓整流器，架構於以一單相輸入電壓運作，且包含： 一輸入級，包含第一及第二端和第一及第二輸入濾波電容，其中該第一及第二端適於接收該單相輸入電壓； 一切換式轉換級，具有複數個輸入端和第一及第二相位端，其中該複數個輸入端耦接於該輸入級的該第一及第二端，該切換式轉換級包含： 一整流電路，耦接於該複數個輸入端與複數個該相位端之間； 一電感電路，包含第一及第二升壓電感，且耦接於該複數個輸入端與該複數個相位端之間； 串聯連接的第一及第二開關，其中該第一及第二開關之間具有一公共點，該公共點通過該輸入級的該第一及第二輸入濾波電容而分別耦接於該輸入級的該第一及第二端；以及 一相輸出電容，連接於該第一及第二相位端之間； 一輸出級，架構於將該相輸出電容中所存儲的能量傳遞至一輸出負載； 一解耦級，架構於在該切換式轉換級與該輸出級之間進行高阻抗解耦；以及 一控制電路，架構於依據一非線性補償訊號控制該第一及第二開關的運作，其中該非線性補償訊號係由該單相輸入電壓的大小及該輸出負載上的電壓或電流所推得。
  2. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該整流電路包含以全橋架構相連接的第一、第二、第三及第四二極體。
  3. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該第一及第二升壓電感分別將該輸入級的該第一及第二端連接於該整流電路。
  4. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該整流電路將該輸入級的該第一及第二端分別連接於該第一及第二升壓電感。
  5. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該輸出級包含串聯連接的第一及第二輸出電容，且該輸出級的該第一及第二輸出電容之間具有一公共點，該輸出級的該第一及第二輸出電容之間的該公共點連接於該切換式轉換級的該第一及第二開關之間的該公共點。
  6. 如請求項5所述之升壓整流器，還包含一阻隔電容，其中該輸出級的該第一及第二輸出電容之間的該公共點和該切換式轉換級的該第一及第二開關之間的該公共點通過該阻隔電容而相互連接。
  7. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該解耦級包含一耦合電感。
  8. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該解耦級包含一變壓器，該變壓器包含一初級側繞組，該初級側繞組的一中心分接頭連接於該切換式轉換級的該第一及第二開關之間的該公共點。
  9. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該解耦級包含一變壓器，該變壓器的一初級側繞組經由一諧振型電路而連接於該切換式轉換級的該複數個相位端。
  10. 如請求項9所述之升壓整流器，其中該諧振型電路包含一或多個諧振電感及一或多個諧振電容。
  11. 如請求項10所述之升壓整流器，其中該諧振型電路包含連接於該切換式轉換級的該第一及第二相位端之間的複數個串接的諧振電容，該複數個串接的諧振電容具有耦接於該變壓器的初級側繞組的一公共點。
  12. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該切換式轉換級還包含串聯連接的第三及第四開關，該第三及第四開關之間具有一公共點，該解耦級包含一變壓器，該變壓器具有一初級側繞組，該初級側繞組連接於該切換式轉換級的該第一及第二開關間的該公共點與該切換式轉換級的該第三及第四開關間的該公共點之間。
  13. 如請求項12所述之升壓整流器，還包含一諧振型電路，其中該諧振型電路耦接於該變壓器的該初級側繞組，且位於該切換式轉換級的該第一及第二開關間的該公共點與該切換式轉換級的該第三及第四開關間的該公共點之間。
  14. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該解耦級包含一變壓器，該變壓器具有一次級側繞組，該次級側繞組的一中心分接頭為該輸出級提供一虛接地端。
  15. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該單相輸入電壓的大小包含該單相輸入電壓的均方根值。
  16. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該控制電路根據該非線性補償訊號決定該第一及第二開關的一共同開關週期。
  17. 如請求項16所述之升壓整流器，其中可經由一控制訊號驅動一壓控振盪器而對該開關週期進行調節，該控制訊號係基於該非線性補償訊號所產生。
  18. 如請求項17所述之升壓整流器，其中該控制訊號為該非線性補償訊號與一反饋訊號的乘積，該反饋訊號係基於該輸出負載上的電壓或電流而產生。
  19. 如請求項1所述之升壓整流器，其中該控制電路將一前饋訊號與一輸出電壓反饋控制訊號相結合，該前饋訊號係自該升壓整流器的輸入及輸出電壓推得。
  20. 如請求項1所述之升壓整流器，還包含一非線性補償電路，其中該非線性補償電路將一前饋訊號與一輸出電壓反饋控制訊號相結合，以產生用以控制該第一及第二開關的一輸出訊號，其中該前饋訊號係自該升壓整流器的輸入及輸出電壓推得。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113452271B (zh) * 2020-03-25 2022-09-06 台达电子企业管理（上海）有限公司 一种电源控制方法
US11575314B2 (en) * 2021-05-28 2023-02-07 Texas Instruments Incorporated Autonomous mode transition for multimode operation in boost PFC converters
US20230134793A1 (en) * 2021-10-28 2023-05-04 Carrier Corporation Boost converter state control
TWI806548B (zh) * 2022-04-13 2023-06-21 宏碁股份有限公司 升壓轉換器
EP4322384A1 (en) * 2022-08-12 2024-02-14 Infineon Technologies Austria AG Power conversion method and power converter

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5499178A (en) * 1991-12-16 1996-03-12 Regents Of The University Of Minnesota System for reducing harmonics by harmonic current injection
US20010035731A1 (en) * 2000-03-21 2001-11-01 Peter Luerkens Single-phase powered drive system
TW200421696A (en) * 2002-11-01 2004-10-16 Int Rectifier Corp One cycle control PFC boost converter integrated circuit with inrush current limiting, fan motor speed control and housekeeping power supply controller
US20110019452A1 (en) * 2007-08-29 2011-01-27 Mitsucishi Electric Corporation Ac-dc converter and compressor driving apparatus and air conditioning apparatus using the same
US8687388B2 (en) * 2012-01-31 2014-04-01 Delta Electronics, Inc. Three-phase soft-switched PFC rectifiers
TW201509087A (zh) * 2013-04-19 2015-03-01 Zentr Mikroelekt Dresden Gmbh 具功率因數校正之以多階層升壓為基礎之整流器之調整系統及方法
US9444327B2 (en) * 2013-12-20 2016-09-13 Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. Boost PFC converter, method and control circuit used for boost PFC converter
US9502961B2 (en) * 2014-07-15 2016-11-22 Stmicroelectonics S.R.L. Control circuit implementing a related method for controlling a switching power factor corrector, a PFC and an AC/DC converter
US9929636B2 (en) * 2014-02-19 2018-03-27 Mitsubishi Electric Corporation DC power-supply device, motor drive device including the same, and refrigeration-cycle application device including the motor drive device
US10090757B2 (en) * 2016-08-19 2018-10-02 Fairchild Semiconductor Corporation Power factor correction circuit and method
TW202007059A (zh) * 2018-07-04 2020-02-01 群光電能科技股份有限公司 混模式升壓型功因校正轉換器
TW202027389A (zh) * 2018-10-08 2020-07-16 奧地利商奧地利英飛凌科技股份有限公司 具pfc叢發模式控制之開關模式電源供應

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5640312Y2 (zh) * 1977-12-19 1981-09-21
JPH08196077A (ja) * 1994-11-18 1996-07-30 Toshiba Corp 電力変換装置及びこれを利用した空気調和装置
DE10040411A1 (de) * 2000-08-18 2002-03-07 Infineon Technologies Ag Schaltungsanordnung mit geregelter Stromaufnahme zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung
JP2003325080A (ja) * 2002-05-11 2003-11-18 Rika Hirakawa いか釣り用疑餌胴体
EP2338214B1 (de) 2008-09-05 2014-11-26 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung mit einem umrichter
US8891261B2 (en) * 2012-01-31 2014-11-18 Delta Electronics, Inc. Three-phase three-level soft-switched PFC rectifiers
US9787175B2 (en) * 2014-08-07 2017-10-10 Astec International Limited High voltage power converter with a configurable input
US9812951B2 (en) * 2015-05-21 2017-11-07 Pacific Power Source, Inc. Advanced PFC voltage controller
RU2633966C1 (ru) * 2016-11-30 2017-10-20 Юрий Борисович Соколов Источник питания от многофазной сети переменного тока с коррекцией гармонических колебаний
KR102186262B1 (ko) * 2020-02-24 2020-12-03 김교식 무늬가변형 루어 유닛

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5499178A (en) * 1991-12-16 1996-03-12 Regents Of The University Of Minnesota System for reducing harmonics by harmonic current injection
US20010035731A1 (en) * 2000-03-21 2001-11-01 Peter Luerkens Single-phase powered drive system
TW200421696A (en) * 2002-11-01 2004-10-16 Int Rectifier Corp One cycle control PFC boost converter integrated circuit with inrush current limiting, fan motor speed control and housekeeping power supply controller
TWI232628B (en) * 2002-11-01 2005-05-11 Int Rectifier Corp One cycle control PFC boost converter integrated circuit with inrush current limiting, fan motor speed control and housekeeping power supply controller
US20110019452A1 (en) * 2007-08-29 2011-01-27 Mitsucishi Electric Corporation Ac-dc converter and compressor driving apparatus and air conditioning apparatus using the same
US8687388B2 (en) * 2012-01-31 2014-04-01 Delta Electronics, Inc. Three-phase soft-switched PFC rectifiers
TW201509087A (zh) * 2013-04-19 2015-03-01 Zentr Mikroelekt Dresden Gmbh 具功率因數校正之以多階層升壓為基礎之整流器之調整系統及方法
TWI551017B (zh) * 2013-04-19 2016-09-21 中心微電子德累斯頓股份公司 用於調整具有功率因數校正之整流器的非對稱升壓為基礎之前端階操作的系統與方法、及用於降低在pfc整流器中升壓電感器的體積與損失之系統與方法
US9444327B2 (en) * 2013-12-20 2016-09-13 Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. Boost PFC converter, method and control circuit used for boost PFC converter
US9929636B2 (en) * 2014-02-19 2018-03-27 Mitsubishi Electric Corporation DC power-supply device, motor drive device including the same, and refrigeration-cycle application device including the motor drive device
US9502961B2 (en) * 2014-07-15 2016-11-22 Stmicroelectonics S.R.L. Control circuit implementing a related method for controlling a switching power factor corrector, a PFC and an AC/DC converter
US10090757B2 (en) * 2016-08-19 2018-10-02 Fairchild Semiconductor Corporation Power factor correction circuit and method
TW202007059A (zh) * 2018-07-04 2020-02-01 群光電能科技股份有限公司 混模式升壓型功因校正轉換器
TWI685183B (zh) * 2018-07-04 2020-02-11 群光電能科技股份有限公司 混模式升壓型功因校正轉換器
TW202027389A (zh) * 2018-10-08 2020-07-16 奧地利商奧地利英飛凌科技股份有限公司 具pfc叢發模式控制之開關模式電源供應

Also Published As

Publication number Publication date
EP3975403A1 (en) 2022-03-30
US11211872B1 (en) 2021-12-28
TW202213919A (zh) 2022-04-01
JP7389090B2 (ja) 2023-11-29
CN114362565A (zh) 2022-04-15
JP2023036968A (ja) 2023-03-14
JP2022055358A (ja) 2022-04-07

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