TWM445300U - 具單一電感元件之無橋式功率因數校正器 - Google Patents

Description

具單一電感元件之無橋式功率因數校正器

本創作係有關一種無橋式功率因數校正器，尤指一種具單一電感元件之無橋式功率因數校正器。

功率因數校正(power factor correction,PFC)電路是目前廣泛運用於電子裝置中的一種電源轉換電路，其可以改善交流電源，使得電壓與電流能盡量成為同相位的狀態。功率因數校正(PFC)可以表示電子產品對電能的利用效率：功率因數越高，說明電能的利用效率越高，反之亦然。因此，電子產品中通常導入功率因數校正器，如此可大大地提高對電能的利用效率。

請參見第一圖，係為先前技術全橋式功率因數校正器之電路圖。由於升壓型功率因數校正器(boost PFC)可以用單級電路達成高功因與低諧波的效果，因此最常做為功因校正使用。該升壓型功率因數校正器係由一橋式整流器12A、一電感13A、一開關14A、一二極體15A、一電阻16A以及一電容17A所組成。該升壓型功率因數校正器係電性連接一外部交流電源10A，並通常利用一功率因數校正控制器(未圖示)，取得該外部交流電源10A的輸入電流與輸入電壓，以控制該開關14A，並藉由高頻切換該開關14A，使得輸入電流之相位追隨輸入電壓，而達到高功率因數的目的。此外，該外部交流電源10A與該升壓型功率因數校正器之間，亦可電性連接一電磁干擾濾波器11A，以消除該外部交流電源10A之雜訊。

惟，傳統的升壓型功率因數校正器中，該橋式整流器12A之橋式二極體(bridge diode)所產生的功率消耗通常佔整體轉換損失較高比例，因此導致降低轉換效率。

請參見第二圖，係為先前技術無橋式功率因數校正器之電路圖。該無橋式功率因數校正器之電路圖係包含一第一電感23_1A、一第二電感23_2A、一第一開關24_1A、一第二開關24_2A、一第一二極體25_1A、一第二二極體25_2A、一電阻26A、一電容27A、一第一整流二極體28_1A、一第二整流二極體28_2A、一第一旁路二極體29_1A以及一第二旁路二極體29_2A。該無橋式功率因數校正器係電性連接一外部交流電源20A，並通常利用一功率因數校正控制器(未圖示)，取得該外部交流電源20A的輸入電流與輸入電壓，以控制該第一開關24_1A與該第二開關24_2A，並藉由高頻切換該第一開關24_1A與該第二開關24_2A，使得輸入電流之相位追隨輸入電壓，而達到高功率因數的目的。此外，該外部交流電源20A與該無橋式功率因數校正器之間，亦可電性連接一電磁干擾濾波器21A，以消除該外部交流電源20A之雜訊。

惟，由於傳統無橋式功率因數校正器採用兩個電感元件(亦即該第一電感23_1A與該第二電感23_2A)做為當外部交流電源20A為正、負半週時能量轉換(儲能與釋能)之用，並且一電感負責正半週之操作，另一電感則負責負半週之操作，亦即，無論在正半週或負半週供電時，其中一電感則為閒置(idle)狀況，如此將使得電感元件的利用率低。再者，由於電感(choke)本身之特性(鐵心、繞線…等)，通常所佔空間需要較大。

因此，如何設計出一種具單一電感元件之無橋式功率因數校正器及其操作方法，利用單一電感元件提供儲能與釋能之操作，以提供輸入電源之功率因數校正，並達到降低損失提高轉換效率、節省電感元件所佔體積空間，並且提高電感元件利用率之功效，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。

本創作之一目的在於提供一種具單一電感元件之無橋式功率因數校正器，以克服習知技術的問題。因此該具單一電感元件之無橋式功率因數校正器係電性連接於一交流電源。該無橋式功率因數校正器係包含一電感元件、一第一開關、一第二開關、一第一二極體、一第二二極體、一電容、一第一整流二極體以及一第二整流二極體。該電感元件具有一第一端與一第二端。該第一開關具有一第一端與一第二端，該第一端係連接該交流電源之一第一端，該第二端係連接該電感元件之該第一端。該第二開關具有一第一端與一第二端，該第一端係連接該交流電源之一第二端，該第二端係連接該電感元件之該第二端。該第一二極體具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電感元件之該第一端。該第二二極體具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電感元件之該第二端，該陰極係連接該第一二極體之該陰極。該電容具有一第一端與一第二端，該第一端係連接該第一二極體之該陰極，該第二端係連接一接地點。該第一整流二極體具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電容之該第二端，該陰極係連接該第一開關之該第一端。該第二整流二極體具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電容之該第二端，該陰極係連接該第二開關之該第一端。其中，當該交流電源為正半週或負半週時，該第一開關與該第二開關係分別由一第一控制信號與一第二控制信號控制為導通或截止，以對該交流電源提供功率因數校正。

為了能更進一步瞭解本創作為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，相信本創作之目的、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，並非用來對本創作加以限制者。

茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：

請參見第三圖，係為本創作具單一電感元件之無橋式功率因數校正器之電路圖。該無橋式功率因數校正器係電性連接於一交流電源Vac。該無橋式功率因數校正器係包含一電感元件Lp、一第一開關Sw1、一第二開關Sw2、一第一二極體Dp1、一第二二極體Dp2、一電容Cp、一第一整流二極體Dr1以及一第二整流二極體Dr2。此外，該無橋式功率因數校正器與該交流電源Vac之間係電性連接一電磁干擾濾波器(EMI filter)F_emi，該電磁干擾濾波器F_emi係接收該交流電源Vac，以消除該交流電源Vac之雜訊。如第三圖所示，該電感元件Lp具有一第一端Lp_1與一第二端Lp_2。該第一開關Sw1具有一第一端Sw1_1與一第二端Sw1_2，該第一端Sw1_1係連接該交流電源Vac之一第一端Vac_1，該第二端Sw1_2係連接該電感元件Lp之該第一端Lp_1。該第二開關Sw2具有一第一端Sw2_1與一第二端Sw2_2，該第一端Sw2_1係連接該交流電源Vac之一第二端Vac_2，該第二端Sw2_2係連接該電感元件Lp之該第二端Lp_2。其中，該第一開關Sw1與該第二開關Sw2係為一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、一雙載子接面電晶體(BJT)或一絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，但不以此為限。該第一二極體Dp1具有一陽極Dp1_1與一陰極Dp1_2，該陽極Dp1_1係連接該電感元件Lp之該第一端Lp_1。該第二二極體Dp2具有一陽極Dp2_1與一陰極Dp2_2，該陽極Dp2_1係連接該電感元件Lp之該第二端Lp_2，該陰極Dp2_2係連接該第一二極體Dp1之該陰極Dp1_2。該電容Cp具有一第一端Cp_1與一第二端Cp_2，該第一端Cp_1係連接該第一二極體Dp1之該陰極Dp1_2，該第二端Cp_2係連接一接地點(未標示)。該第一整流二極體Dr1具有一陽極Dr1_1與一陰極Dr1_2，該陽極Dr1_1係連接該電容Cp之該第二端Cp_2，該陰極Dr1_2係連接該第一開關Sw1之該第一端Sw1_1。該第二整流二極體Dr2具有一陽極Dr2_1與一陰極Dr2_2，該陽極Dr2_1係連接該電容Cp之該第二端Cp_2，該陰極Dr2_2係連接該第二開關Sw2之該第一端Sw2_1。其中，當該交流電源Vac為正半週或負半週時，該第一開關Sw1與該第二開關Sw2係分別由一第一控制信號Sc1與一第二控制信號Sc2控制為導通或截止，以對該交流電源Vac提供功率因數校正。值得一提，該無橋式功率因數校正器係更包含一第一旁路二極體Db1與一第二旁路二極體Db2。該第一旁路二極體Db1具有一陽極Db1_1與一陰極Db1_2，該陽極Db1_1係連接該第一開關Sw1之該第一端Sw1_1，該陰極Db1_2係連接該電容Cp之該第一端Cp_1，以提供該第一開關Sw1、該第一二極體Dp1、該第一整流二極體Dr1以及該電感元件Lp之過電壓保護。該第二旁路二極體Db2具有一陽極Db2_1與一陰極Db2_2，該陽極Db2_1係連接該第二開關Sw2之該第一端Sw2_1，該陰極Db2_2係連接該電容Cp之該第一端Cp_1，以提供該第二開關Sw2、該第二二極體Dp2、該第二整流二極體Dr2以及該電感元件Lp之過電壓保護。

至於該無橋式功率因數校正器於該交流電源Vac為正半週或負半週時之操作，將配合圖示在後文中加以詳細說明。

請參見第四A圖，係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為正半週並且電感元件為儲能操作時之電路圖。值得一提，該無橋式功率因數校正器係更包含一控制單元Uc，以產生該第一控制信號Sc1與該第二控制信號Sc2，分別控制該第一開關Sw1與該第二開關Sw2，進而對該交流電源Vac提供功率因數校正。當該交流電源Vac為正半週，並且該電感元件Lp為儲能操作(energy-storing operation)時，該控制單元Uc係切換該第一開關Sw1與該第二開關Sw2，使得該交流電源Vac係透過一正半週儲能迴路Lpes對該電感元件Lp儲能。其中，該正半週儲能迴路Lpes係依序由該交流電源Vac、該第一開關Sw1、該電感元件Lp、該第二開關Sw2、再回到該交流電源Vac所構成。

請參見第四B圖，係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為正半週並且電感元件為釋能操作時之電路圖。當該交流電源Vac為正半週，並且該電感元件Lp為釋能操作(energy-releasing operation)時，該控制單元Uc係切換該第一開關Sw1並且截止(turned off)該第二開關Sw2，使得該電感元件Lp係透過一正半週釋能迴路Lper將所儲存之能量提供至後端輸出。其中，該正半週釋能迴路Lper係依序由該電感元件Lp、該第二二極體Dp2、該電容Cp、該第二整流二極體Dr2、該交流電源Vac、該第一開關Sw1、再回到該電感元件Lp所構成。

請參見第五A圖，係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為負半週並且電感元件為儲能操作時之電路圖。當該交流電源Vac為負半週，並且該電感元件Lp為儲能操作(energy-storing operation)時，該控制單元Uc係切換該第一開關Sw1與該第二開關Sw2，使得該交流電源Vac係透過一負半週儲能迴路Lnes對該電感元件Lp儲能。其中，該負半週儲能迴路Lnes係依序由該交流電源Vac、該第二開關Sw2、該電感元件Lp、該第一開關Sw1、再回到該交流電源Vac所構成。

請參見第五B圖，係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為負半週並且電感元件為釋能操作時之電路圖。當該交流電源Vac為負半週，並且該電感元件Lp為釋能操作(energy-releasing operation)時，該控制單元Uc係切換該第二開關Sw2並且截止(turned off)該第一開關Sw1，使得該電感元件Lp係透過一負半週釋能迴路Lner將所儲存之能量提供至後端輸出。其中，該負半週釋能迴路Lner係依序由該電感元件Lp、該第一二極體Dp1、該電容Cp、該第一整流二極體Dr1、該交流電源Vac、該第二開關Sw2、再回到該電感元件Lp所構成。

綜上所述，本創作係具有下列特徵與優點：

1、利用無橋式電路架構，可無須使用橋式二極體，因此大大地降低損失，進而提高轉換效率；

2、利用單一該電感元件Lp，節省所佔體積空間；及

3、利用單一該電感元件Lp，做為該交流電源Vac為正、負半週時能量轉換之用，以提高該電感元件Lp之利用率。

惟，以上所述，僅為本創作較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本創作之特徵並不侷限於此，並非用以限制本創作，本創作之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本創作申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本創作之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本創作之領域內，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。

﹝先前技術﹞

10A‧‧‧外部交流電源

11A‧‧‧電磁干擾濾波器

12A‧‧‧橋式整流器

13A‧‧‧電感

14A‧‧‧開關

15A‧‧‧二極體

16A‧‧‧電阻

17A‧‧‧電容

20A‧‧‧外部交流電源

21A‧‧‧電磁干擾濾波器

23_1A‧‧‧第一電感

23_2A‧‧‧第二電感

24_1A‧‧‧第一開關

24_2A‧‧‧第二開關

25_1A‧‧‧第一二極體

25_2A‧‧‧第二二極體

26A‧‧‧電阻

27A‧‧‧電容

28_1A‧‧‧第一整流二極體

28_2A‧‧‧第二整流二極體

29_1A‧‧‧第一旁路二極體

29_2A‧‧‧第二旁路二極體

﹝本創作﹞

Vac‧‧‧交流電源

Lp‧‧‧電感元件

Sw1‧‧‧第一開關

Sw2‧‧‧第二開關

Dp1‧‧‧第一二極體

Dp2‧‧‧第二二極體

Cp‧‧‧電容

Dr1‧‧‧第一整流二極體

Dr2‧‧‧第二整流二極體

Db1‧‧‧第一旁路二極體

Db2‧‧‧第二旁路二極體

F_emi‧‧‧電磁干擾濾波器

Vac_1‧‧‧交流電源第一端

Vac_2‧‧‧交流電源第二端

Lp_1‧‧‧電感元件第一端

Lp_2‧‧‧電感元件第二端

Sw1_1‧‧‧第一開關第一端

Sw1_2‧‧‧第一開關第二端

Sw2_1‧‧‧第二開關第一端

Sw2_2‧‧‧第二開關第二端

Dp1_1‧‧‧第一二極體陽極

Dp1_2‧‧‧第一二極體陰極

Dp2_1‧‧‧第二二極體陽極

Dp2_2‧‧‧第二二極體陰極

Cp_1‧‧‧電容第一端

Cp_2‧‧‧電容第二端

Dr1_1‧‧‧第一整流二極體第一端

Dr1_2‧‧‧第一整流二極體第二端

Dr2_1‧‧‧第二整流二極體第一端

Dr2_2‧‧‧第二整流二極體第二端

Db1_1‧‧‧第一旁路二極體第一端

Db1_2‧‧‧第一旁路二極體第二端

Db2_1‧‧‧第二旁路二極體第一端

Db2_2‧‧‧第二旁路二極體第二端

Lpes‧‧‧正半週儲能迴路

Lper‧‧‧正半週釋能迴路

Lnes‧‧‧負半週儲能迴路

Lner‧‧‧負半週釋能迴路

Uc‧‧‧控制單元

Sc1‧‧‧第一控制信號

Sc2‧‧‧第二控制信號

第一圖係為先前技術全橋式功率因數校正電路之電路圖；

第二圖係為先前技術無橋式功率因數校正電路之電路圖；

第三圖係為本創作具單一電感元件之無橋式功率因數校正器之電路圖；

第四A圖係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為正半週並且電感元件為儲能操作時之電路圖；

第四B圖係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為正半週並且電感元件為釋能操作時之電路圖；

第五A圖係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為負半週並且電感元件為儲能操作時之電路圖；及

第五B圖係為本創作該無橋式功率因數校正器操作於交流電源為負半週並且電感元件為釋能操作時之電路圖。

Vac‧‧‧交流電源

Lp‧‧‧電感元件

Sw1‧‧‧第一開關

Sw2‧‧‧第二開關

Dp1‧‧‧第一二極體

Dp2‧‧‧第二二極體

Cp‧‧‧電容

Dr1‧‧‧第一整流二極體

Dr2‧‧‧第二整流二極體

Db1‧‧‧第一旁路二極體

Db2‧‧‧第二旁路二極體

F_emi‧‧‧電磁干擾濾波器

Vac_1‧‧‧交流電源第一端

Vac_2‧‧‧交流電源第二端

Lp_1‧‧‧電感元件第一端

Lp_2‧‧‧電感元件第二端

Sw1_1‧‧‧第一開關第一端

Sw1_2‧‧‧第一開關第二端

Sw2_1‧‧‧第二開關第一端

Sw2_2‧‧‧第二開關第二端

Dp1_1‧‧‧第一二極體陽極

Dp1_2‧‧‧第一二極體陰極

Dp2_1‧‧‧第二二極體陽極

Dp2_2‧‧‧第二二極體陰極

Cp_1‧‧‧電容第一端

Cp_2‧‧‧電容第二端

Dr1_1‧‧‧第一整流二極體第一端

Dr1_2‧‧‧第一整流二極體第二端

Dr2_1‧‧‧第二整流二極體第一端

Dr2_2‧‧‧第二整流二極體第二端

Db1_1‧‧‧第一旁路二極體第一端

Db1_2‧‧‧第一旁路二極體第二端

Db2_1‧‧‧第二旁路二極體第一端

Db2_2‧‧‧第二旁路二極體第二端

Claims (9)

1. 一種具單一電感元件之無橋式功率因數校正器，係電性連接於一交流電源，該無橋式功率因數校正器係包含：
   一電感元件，具有一第一端與一第二端；
   一第一開關，具有一第一端與一第二端，該第一端係連接該交流電源之一第一端，該第二端係連接該電感元件之該第一端；
   一第二開關，具有一第一端與一第二端，該第一端係連接該交流電源之一第二端，該第二端係連接該電感元件之該第二端；
   一第一二極體，具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電感元件之該第一端；
   一第二二極體，具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電感元件之該第二端，該陰極係連接該第一二極體之該陰極；
   一電容，具有一第一端與一第二端，該第一端係連接該第一二極體之該陰極，該第二端係連接一接地點；
   一第一整流二極體，具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電容之該第二端，該陰極係連接該第一開關之該第一端；及
   一第二整流二極體，具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該電容之該第二端，該陰極係連接該第二開關之該第一端；
   其中，當該交流電源為正半週或負半週時，該第一開關與該第二開關係分別由一第一控制信號與一第二控制信號控制為導通或截止，以對該交流電源提供功率因數校正。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正器，其中該無橋式功率因數校正器係更包含一控制單元，以產生該第一控制信號與該第二控制信號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之無橋式功率因數校正器，其中當該交流電源為正半週，並且該電感元件為儲能操作時，該控制單元係切換該第一開關與該第二開關，使得該交流電源係透過一正半週儲能迴路對該電感元件儲能，其中該正半週儲能迴路係依序由該交流電源、該第一開關、該電感元件、該第二開關、再回到該交流電源所構成。
4. 如申請專利範圍第2項所述之無橋式功率因數校正器，其中當該交流電源為正半週，並且該電感元件為釋能操作時，該控制單元係切換該第一開關並且截止該第二開關，使得該電感元件係透過一正半週釋能迴路將所儲存之能量提供至後端輸出，其中該正半週釋能迴路係依序由該電感元件、該第二二極體、該電容、該第二整流二極體、該交流電源、該第一開關、再回到該電感元件所構成。
5. 如申請專利範圍第2項所述之無橋式功率因數校正器，其中當該交流電源為負半週，並且該電感元件為儲能操作時，該控制單元係切換該第一開關與該第二開關，使得該交流電源係透過一負半週儲能迴路對該電感元件儲能，其中，該負半週儲能迴路係依序由該交流電源、該第二開關、該電感元件、該第一開關、再回到該交流電源所構成。
6. 如申請專利範圍第2項所述之無橋式功率因數校正器，其中當該交流電源為負半週，並且該電感元件為釋能操作時，該控制單元係切換該第二開關並且截止該第一開關，使得該電感元件係透過一負半週釋能迴路將所儲存之能量提供至後端輸出，其中，該負半週釋能迴路係依序由該電感元件、該第一二極體、該電容、該第一整流二極體、該交流電源、該第二開關、再回到該電感元件所構成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正器，其中該無橋式功率因數校正器係更包含：
   一第一旁路二極體，具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該第一開關之該第一端，該陰極係連接該電容之該第一端，以提供該第一開關、該第一二極體、該第一整流二極體以及該電感元件之過電壓保護；及
   一第二旁路二極體，具有一陽極與一陰極，該陽極係連接該第二開關之該第一端，該陰極係連接該電容之該第一端，以提供該第二開關、該第二二極體、該第二整流二極體以及該電感元件之過電壓保護。
8. 如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正器，其中該無橋式功率因數校正器與該交流電源之間係電性連接一電磁干擾濾波器(EMI filter)，以消除該交流電源之雜訊。
9. 如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正器，其中該第一開關與該第二開關係為一金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、一雙載子接面電晶體(BJT)或一絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。