TWI823088B - 可維持保持電流之單線式控制裝置與單線控制方法 - Google Patents

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陳裕愷
張進雄
吳永駿
邱顯智
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國立虎尾科技大學
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Abstract

本發明關於一種單線式控制裝置與單線控制方法。此單線控制方法包括：根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號；針對截波輸出訊號透過一功率因數修正電路，進行一功率因數修正，使流過一負載的負載電流之大小與該截波輸出訊號相位維持一致；以及當截波輸出訊號之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，控制功率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持負載電流大於一保持電流。

Description

可維持保持電流之單線式控制裝置與單線控制方法
本發明係關於一種單線式控制的技術，更進一步來說，本發明係關於一種可維持保持電流之單線式控制裝置與單線控制方法。
控制對於電路系統來說，一直是很重要的存在。一般系統採用的控制電路，主要是用以調節整個系統，以達到系統所設定的標準。又，一般對使用者最直觀的控制，不外乎是開關按鈕控制、滑動控制(sliding control)以及旋鈕控制(knob control)。開關控制不外乎是為了兩個狀態的切換，而滑動控制或旋鈕控制則是為了讓使用者能夠控制裝置運作的程度，例如電燈的亮度、水流的速度或馬達的轉速等等。
一般旋鈕控制在電路上會採用三端雙向交流開 關(Triode AC semiconductor switch，TRIAC)。然而類似矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)或三端雙向交流開關，皆具有保持電流的特性，當電流低於保持電流，則會造成其截止。
本發明的一目的在於提供一種在市電截波電壓差較小的情況下，能夠維持保持電流的單線式控制裝置與單線控制方法。
本發明提出一種單線控制裝置，適用於控制一負載，此單線控制裝置包括一控制界面、一電源電壓截波電路以及一功率因數修正電路。電源電壓截波電路包括一輸入端以及一輸出端，其中，電源電壓截波電路的輸入端耦接一第一電源線，根據控制界面的控制，決定從第一電源線上的電壓輸出至電源電壓截波電路之輸出端的截波輸出訊號被截波的相位即為導通的時間長度。功率因數修正電路包括一輸入端以及一輸出端，其中，功率因數修正電路的輸入端耦接電源電壓截波電路的輸出端，功率因數修正電路的輸出端耦接該負載，其中，該功率因數修正電路根據該截波輸出訊號的電壓大小控制流過負載的負載電流之大小與截波輸出訊號相位維持一致，其中，當電源電壓截波電路的輸出端之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，功 率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持電源電壓截波電路的電流大於一保持電流。
依照本發明一較佳實施例所述之單線控制裝置，上述電源電壓截波電路包括一可變電阻、一第一電阻、一第二電阻、一開關元件、一第三電阻、一第一單向性導通元件、一第二單向性導通元件、一雙向觸發二極體、一電容以及一三端雙向交流開關。可變電阻的第一端耦接第一電源線。第一電阻的第一端耦接可變電阻的第二端。第二電阻的第一端耦接可變電阻的第二端。開關元件的第一端耦接可變電阻的第二端。第三電阻的第一端耦接開關元件的第二端，第三電阻的第二端耦接第二電阻的第二端。
第一單向性導通元件的第一端耦接第一電阻的第二端，其中，第一單向性導通元件的電流限定由第一單向性導通元件的第一端流向第一單向性導通元件的第二端。第二單向性導通元件的第二端耦接第二電阻的第二端，其中，第二單向性導通元件的電流限定由第二單向性導通元件的第一端流向第二單向性導通元件的第二端。雙向觸發二極體的第一端耦接第一單向性導通元件的第二端以及第二單向性導通元件的第一端。電容的第一端耦接第一單向性導通元件的第二端以及第二單向性導通元件的第一端，電容的第二端耦接電源電壓截波電路的輸出端。三端雙向交流開關的第一端耦接第一電源線，三端雙向交流開關的第二端耦接電源電壓 截波電路的輸出端，三端雙向交流開關的控制端耦接雙向觸發二極體的第二端。
本發明另外提出一種單線控制方法，適用於控制一負載，此單線控制方法包括下列步驟：根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號；針對截波輸出訊號透過一功率因數修正電路，進行一功率因數修正，使流過一負載的負載電流之大小與截波輸出訊號相位維持一致；以及當截波輸出訊號之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，控制功率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持負載電流大於一保持電流。
依照本發明一較佳實施例所述之單線控制方法，上述負載為一馬達與馬達控制器，其中，根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號包括：當截波輸出訊號的正半導通週期等於截波輸出訊號的負半導通週期時，透過馬達控制器，控制馬達正轉；以及當截波輸出訊號的正半導通週期不等於截波輸出訊號的負半導通週期時，透過馬達控制器，控制馬達反轉。
依照本發明一較佳實施例所述之單線控制方法，根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號更包括：根據電源電壓截波電路的輸出端所輸出的截波輸出訊號之導通部份的正負半週平 均時間長度，透過馬達控制器，控制馬達之轉速。
本發明的精神在於藉由在電源電壓截波電路的後級耦接一主動式功率因數修正電路，藉由功率因數修正電路之特性，在截波輸出訊號之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，控制功率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持負載電流大於一保持電流，避免因流過電流低於三端雙向交流開關之保持電流而斷路。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100:使用者界面
101:單線式電源電壓截波電路
102:功率因數修正(Power Factor Correct)電路
103:馬達控制器
104:馬達
VR:可變電阻
R1:第一電阻
R2:第二電阻
SW:開關元件
R3:第三電阻
D1:第一單向性導通元件
D2:第二單向性導通元件
DIAC1:雙向觸發二極體
C1:電容
TR1:三端雙向交流開關
301:負載
CS:截波輸出訊號
402:升壓轉換器(boost converter)
401:橋式整流器
S900~S903:本發明一較佳實施例的單線式控制方法之各個步驟
S1001~S1003:本發明一較佳實施例的單線式控制方法的步驟S901的子步驟
第1圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之示意圖。
第2A圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之控制波形圖。
第2B圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之控制波形圖。
第3圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之電源電壓截波電路101的電路圖。
第4圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之 功率因數修正電路102的電路圖。
第5圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102的責任週期對市電之相位角關係圖。
第6圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102的實際責任週期對市電之相位角關係圖。
第7圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102在截波輸出訊號CS切除相位等於45度時，其責任週期對之實際相位角關係圖。
第8圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102在截波輸出訊號CS切除相位等於135度時，其責任週期對之實際相位角關係圖。
第9圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制方法的流程圖。
第10圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制方法的步驟S901的子步驟流程圖。
第1圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制系統之方塊圖。請參考第1圖，在此實施例中，是以馬達作為舉例。此單線式控制系統包括一使用者界面100、單線 式電源電壓截波電路101、功率因數修正(Power Factor Correct)電路102、馬達控制器103以及馬達104。一般而言，馬達控制器103係轉換器，轉換器的輸入為整流電路，故負載電流為整流性負載，加入功率因數修正之後可以讓負載變成電阻性，亦即電流整流為弦波，也就是說，電流導通時間於整個市電週期中(line cycle)變長。使用者界面100可以例如是旋鈕或按鈕，甚至是滑動機構。
第2A圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之控制波形圖。第2B圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之控制波形圖。請參考第2A圖以及第2B圖，一般來說，電源電壓截波電路101在此實施例具有兩種控制方法，前切模式，如第2A圖所示，後切模式，如第2B圖所示的波形。
第3圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之電源電壓截波電路101的電路圖。請參考第3圖，在此實施例中，電源電壓截波電路101包括一可變電阻VR、一第一電阻R1、一第二電阻R2、一開關元件SW、一第三電阻R3、一第一單向性導通元件D1、一第二單向性導通元件D2、一雙向觸發二極體DIAC1、一電容C1以及一三端雙向交流開關(TRIAC)TR1。
可變電阻VR的第一端耦接第一電源線L。第一電阻R1的第一端耦接可變電阻VR的第二端。第二電阻R2 的第一端耦接可變電阻VR的第二端。開關元件SW的第一端耦接可變電阻VR的第二端。第三電阻R3的第一端耦接開關元件SW的第二端，第三電阻SW的第二端耦接第二電阻R2的第二端。
第一單向性導通元件D1的第一端耦接第一電阻R1的第二端。第二單向性導通元件D2的第二端耦接第二電阻R2的第二端。雙向觸發二極體DIAC1的第一端耦接第一單向性導通元件D1的第二端以及第二單向性導通元件D2的第一端。電容C1的第一端耦接第一單向性導通元件D1的第二端以及第二單向性導通元件D2的第一端，電容C2的第二端耦接電源電壓截波電路101的輸出端。三端雙向交流開關TR1的第一端耦接第一電源線L，三端雙向交流開關TR1的第二端耦接電源電壓截波電路的輸出端，三端雙向交流開關TR1的控制端(觸發端)耦接雙向觸發二極體DIAC1的第二端。另外，在此實施例中，還繪示了一負載301，其代表了上述功率因數修正(Power Factor Correct)電路102、馬達控制器103以及馬達104的結合體。
在上述實施例中，根據可變電阻VR的電阻值，決定對電容C1的充放電，以決定交流電被截波的相位。由於第一電阻R1和第二電阻R2的電阻值相同，故當開關元件SW截止時，正半週期被截波的相位角和負半週期被截波的相位角會對稱。而當開關元件SW導通時，由於第二 電阻R2相當於並聯第三電阻R3，故正半週期被截波的相位角和負半週期被截波的相位角不對稱。藉此，馬達控制器103可以根據三端雙向交流開關TR1所輸出的截波輸出訊號CS的對稱與不對稱，決定控制馬達104的正轉或反轉。另外，馬達控制器103可以根據三端雙向交流開關TR1所輸出的截波輸出訊號CS之導通部份的正負半週平均時間長度，控制馬達104之轉速。
第4圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102的電路圖。請參考第4圖，在此實施例中，功率因數修正電路102是以升壓轉換器(boost converter)402實施。其中，橋式整流器401的一端輸入截波輸出訊號CS，另一端耦接第二電源線N。在此實施例以升壓轉換器402工作於連續導通模式下(CCM)為例，升壓轉換器402的轉移函數為1/1-D，亦即當輸入為弦波時未得到穩定的輸出電壓Vo，則開關的導通週期D可表示為D=1-(A/V0)｜sin θ｜
其中D為開關的導通週期，A為市電之振幅，若以市電110V/60Hz為例，其相位θ與週期函數D之關係如第5圖所示。第5圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102的責任週期對市電之相位角關係圖。由此第5圖可以看出，其導通週期隨著角度增加，導通週期(Duty Cycle)為遞減的。另外，加入功率因數修 正電路對於輸入為交流弦波時，對系統的功率因數有幫助。
第6圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102的實際責任週期對市電之相位角關係圖。請參考第6圖，實際在應用時，由於功率積體電路以及其他元件的限制，責任週期無法為1。以此實施例來說，責任週期最大值為0.9，故責任週期大於0.9的部份，在電路運作上會以0.9責任週期值控制升壓轉換器402的開關。
第7圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102在截波輸出訊號CS切除相位等於45度時，其責任週期對之實際相位角關係圖。請參考第7圖，同樣的道理，由於功率積體電路以及其他元件的限制，責任週期無法為1。以此實施例來說，責任週期最大值為0.9，故0~45度時，責任週期大於0.9，在電路運作上會以0.9責任週期值控制升壓轉換器402的開關。
第8圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制裝置之功率因數修正電路102在截波輸出訊號CS切除相位等於135度時，其責任週期對之實際相位角關係圖。請參考第8圖，同樣的道理，由於功率積體電路以及其他元件的限制，責任週期無法為1。以此實施例來說，責任週期最大值為0.9，故135~180度時，責任週期大於0.9，在電路運作上會以0.9責任週期值控制升壓轉換器402的開關。
在上述實施例中，加入功率因數修正，對於輸入為弦波時，對系統的功率因數有幫助，若相位控制器如同上述第7圖的前切電路，其輸入電壓為0V時(θ<45°)，導通週期會開電路的上限值90%，以達到增加上述三端雙向交流開關TR1之保持電流(holding current)的效果。若相位控制器如同上述第8圖的後切電路，其輸入電壓為0V時(θ>135°)，導通週期會開電路的上限值90%，以達到增加上述三端雙向交流開關TR1之保持電流的效果。避免上述三端雙向交流開關TR導通截止。
第9圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制方法的流程圖。請參考第9圖，此單線式控制方法包括：
步驟S900：開始。
步驟S901：根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號。例如，使用者轉動可變電阻VR或使用者切換開關元件SW。
步驟S902：針對該截波輸出訊號透過一功率因數修正電路，進行一功率因數修正，使流過一負載的負載電流之大小與該截波輸出訊號相位維持一致。
步驟S903：當截波輸出訊號之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，控制功率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持該負載電流大於一保持電流。例如當截波輸出訊號CS被控制而截波成為0V時， 責任週期則開最大值0.9，以達到增加上述三端雙向交流開關TR1之保持電流的效果。避免上述三端雙向交流開關TR導通截止。
第10圖繪示為本發明一較佳實施例的單線式控制方法的步驟S901的子步驟流程圖。請參考第10圖，此單線式控制方法的步驟S901包括：
步驟S1001：判斷截波輸出訊號的正半導通週期T1是否等於截波輸出訊號的負半導通週期T2。若判斷為是，執行步驟S1002。若判斷為否，執行步驟S1003。
步驟S1002：當截波輸出訊號的正半導通週期等於截波輸出訊號的負半導通週期時，透過馬達控制器，控制馬達正轉。如上述實施例所述，當開關元件SW截止時，截波輸出訊號的正半導通週期等於截波輸出訊號的負半導通週期，控制馬達正轉。
步驟S1003：當截波輸出訊號的負正半導通週期不等於該截波輸出訊號的負半導通週期時，透過馬達控制器，控制馬達反轉。
上述實施例中，雖然是以馬達作為舉例，然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，受控制的負載不只可以是馬達，也可以是例如燈光或其他設備。燈光也可以進行調光控制。故本發明不以此為限。
綜上所述，本發明的精神在於藉由在電源電壓 截波電路的後級耦接一主動式功率因數修正電路，藉由功率因數修正電路之特性，在截波輸出訊號之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，控制功率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持負載電流大於一保持電流，避免因流過電流低於三端雙向交流開關之保持電流而斷路。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S900~S903:本發明一較佳實施例的單線式控制方法之各個步驟

Claims (8)

  1. 一種單線控制裝置，適用於控制一負載，此單線控制裝置包括：一控制界面；一電源電壓截波電路，包括一輸入端以及一輸出端，其中，該電源電壓截波電路的輸入端耦接一第一電源線，根據控制界面的控制，決定從該第一電源線上的電壓輸出至該電源電壓截波電路之輸出端的截波輸出訊號被截波的相位；一功率因數修正電路，包括一輸入端以及一輸出端，其中，該功率因數修正電路的輸入端耦接該電源電壓截波電路的輸出端，該功率因數修正電路的輸出端耦接該負載，其中，該功率因數修正電路根據該截波輸出訊號的電壓大小控制流過負載的負載電流之大小與該截波輸出訊號相位維持一致，其中，當該電源電壓截波電路的輸出端之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，該功率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持該電源電壓截波電路的電流大於一保持電流。
  2. 如請求項第1項所記載之單線控制裝置，其中，該電源電壓截波電路包括：一可變電阻，包括一第一端以及一第二端，其中，該可變電阻的第一端耦接該第一電源線；一第一電阻，包括一第一端以及一第二端，其中，該第一電阻的第一端耦接該可變電阻的第二端；一第二電阻，包括一第一端以及一第二端，其中，該第二電阻的第一端耦接該可變電阻的第二端；一開關元件，包括一第一端以及一第二端，其中，該開關元件的第一端耦接該可變電阻的第二端；一第三電阻，包括一第一端以及一第二端，其中，該第三電阻的第一端耦接該開關元件的第二端，該第三電阻的第二端耦接該第二電阻的第二端；一第一單向性導通元件，包括一第一端以及一第二端，其中，該第一單向性導通元件的第一端耦接該第一電阻的第二端，其中，該第一單向性導通元件的電流限定由該第一單向性導通元件的第一端流向該第一單向性導通元件的第二端；一第二單向性導通元件，包括一第一端以及一第二端，其中，該第二單向性導通元件的第二端耦接該第二電阻的第二端，其中，該第二單向性導通元件的電流限定由該 第二單向性導通元件的第一端流向該第二單向性導通元件的第二端；一雙向觸發二極體，包括一第一端以及一第二端，其中，該雙向觸發二極體的第一端耦接該第一單向性導通元件的第二端以及該第二單向性導通元件的第一端；一電容，包括一第一端以及一第二端，其中，該電容的第一端耦接該第一單向性導通元件的第二端以及該第二單向性導通元件的第一端，該電容的第二端耦接該電源電壓截波電路的輸出端；以及一三端雙向交流開關，包括一第一端、一第二端以及一控制端，其中，該三端雙向交流開關的第一端耦接該第一電源線，該三端雙向交流開關的第二端耦接該電源電壓截波電路的輸出端，該三端雙向交流開關的控制端耦接該雙向觸發二極體的第二端。
  3. 如請求項第2項所記載之單線控制裝置，其中，該負載為一馬達與馬達控制器，其中，當該開關元件截止時，該馬達控制器控制該馬達正轉，當該開關元件導通時，該馬達控制器控制該馬達反轉， 其中，該馬達控制器根據該電源電壓截波電路的輸出端所輸出的截波輸出訊號之導通部份的時間長度，控制該馬達之轉速。
  4. 如請求項第1項所記載之單線控制裝置，其中，該功率因數修正電路為一升壓轉換器(boost converter)，其中，當該電源電壓截波電路的輸出端之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於該門檻電壓時，該升壓轉換器的責任週期會開至上限值，以維持該電源電壓截波電路的電流大於該保持電流。
  5. 一種單線控制方法，適用於控制一負載，此單線控制方法包括：根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號；針對該截波輸出訊號透過一功率因數修正電路，進行一功率因數修正，使流過一負載的負載電流之大小與該截波輸出訊號相位維持一致；以及 當該截波輸出訊號之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於一門檻電壓時，控制功率因數修正電路的責任週期開至最大值以維持該負載電流大於一保持電流。
  6. 如請求項第5項所記載之單線控制方法，其中，該負載為一馬達與馬達控制器，其中，根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號包括：當該截波輸出訊號的正半導通週期等於該截波輸出訊號的負半導通週期時，透過該馬達控制器，控制該馬達正轉；以及當該截波輸出訊號的正半導通週期不等於該截波輸出訊號的負半導通週期時，透過該馬達控制器，控制該馬達反轉。
  7. 如請求項第6項所記載之單線控制方法，其中，根據使用者之控制，對一第一電源線上的一電源電壓進行截波並輸出一截波輸出訊號更包括： 根據該電源電壓截波電路的輸出端所輸出的截波輸出訊號之導通部份的正負半週平均時間長度，透過該馬達控制器，控制該馬達之轉速。
  8. 如請求項第5項所記載之單線控制方法，其中，該功率因數修正電路為一升壓轉換器(boost converter)，其中，當該電源電壓截波電路的輸出端之電壓差與一第二電源線之電壓差之絕對值小於該門檻電壓時，該升壓轉換器的責任週期會開至上限值，以維持該電源電壓截波電路的電流大於該保持電流。
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