TWI261961B - Active power factor correction circuit - Google Patents

Description

1261961 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種功因修 —種主動式功因修正電路。 包路特別有關於 f先前技術】 於被動一 正可分別主動式及被動式兩種，由 %被動式功因修正，苴雷 1一田 於咖且諧波大，故6==^大、功率因數小 因修正電路所取代。如第！所;’ ^皮主動式功 功因修正電路1〇，^ώ 口所不為一習知之主動式 D4谨h 由四個二極體D1、D2、Du 電源方6的上式整流電路’耦接—輸入電壓源Vs、- ==感器u，及負载方向的一二極體仍、一 # U 再加上一開關元# ς丨 過上述開關元件S1作快速地切換;原理乃透 高功率因數的目的。 刀換（ON&OFF)，以達到 | 知主動式功因修正電路nt 田上述電壓源Vs中A1為正端， 二之動作 上述開關元件S1為截止狀 ^而::：此時 二極體叫、電感器L1以及二二由上述 由上述二極體D2流回 士…、載，再經 甚l· ;十、问四- 原Vs ’如弟lb圖中所干。 右上述開關元件S1為導通狀離 :斤不 經由上述二極體D1、電感；：上，流I改為 關件元S1，再經由上、水二 後，直接通過上述開 M le® 、Utr極體 D2 流回1_ Vs，^1 所不’依此方式操作功率因數可達" '、、、，雖然使用開關元件進行高頻地切換，可將 1261961 功率因數提昇至〇 99 ^ e 1 時均合產味p生· 9以上，但疋由於開關元件於切換 η ，致使產品品質下降，如此不僅浪費 原’ |5摘4成的升溫亦對元件使用產生破壞。 故有人亦提出以一緩衝電路麵接上 路減少開關元件之切換損失，如第2a圖中所干=二 :知具有緩衝電路之功因修正電路，包括由四個二極 ‘二!二二、、D23及D24構成之-橋式整流電路，耦 接輸入甩壓源Vs、電源電感器！^2,及負載側之一二 極體D26、-電容c，再加上一開關元件82外，另外: 更包括一緩衝電路201，具有串聯連接的電感器 —極體D28及開關元件Sa2，以及二極體D25、D27及 一電容Cr2。其中上述緩衝電路2〇1係用以使開關元件 S2可以於零電壓時導通，故沒有切換損失。 以下說明，上述習知具有緩衝電路之功因修正電 路20的動作，假設此時電壓源vs中A2為正端、；^ 為負端，且開關元件S2為截止狀態，則主電流l2經由 二極體D21、電感器L2以及二極體D26流向負載，再 經由上述二極體D24流回電壓源Vs，如第2b圖中所 不 〇 接著，請參考第2c圖，在上述開關元件Sa2與上 述開關元件S2皆未導通時，主電流Is會如同第2b圖 中所示流過二極體D26，就是說電流1〇會等於主電流 ^則電流Ir為零。然而，再要導通開關元件S2前，要 先行導通緩衝電路201中之開關元件Sa2。於是，在上 述開關元件Sa2導通後，上述電感器Lr2具有一個跨壓 相當於C2上之電壓大小。因此，上述電感器Lr2上的 1261961 ==慢慢增加’當上述電流1r增加到與上述 J"：IS '專時，根據克希荷夫電流定律，則電流!。 ，為令，相^於上述二極體D26戴止。此時，上述電 谷Cs2與電感器Lr2開始譜振，直到上述 的電壓降至零時，上述關關开# ς 1 幻沒有切換損失 導通’故開關元件 - 述開關元件S2導通後，上述主電流Is經由 :極體D21、電感器L2以及開關元件s2流向負載， ^經由上述二極體D24流回電壓源、&，如第％圖中 七Ι^ί料操作之下便可使開關元件s2於導通時沒 刀換抽失，又可達到切換以增加功率因數之目的。

Sa2么中Γ上述開關元件S2導通後，另-開關元件 t止呀，此時原本儲存於上述電感器之能量 會經由二極體D25對電容Cr2充電，如第％圖 不’一直到上述電流^減少為零時上述二極體〇乃 修而，不管是有無加上緩衝電路之上述兩個功因 :個2〇 ’於主電流回路之主電流都必須經過 述功因修正電路10於上述開關元件 ，上述主電流1流經上述二極體D1、D5及 ^如第lb圖中所示，於上述關元件導通 二極體D1、開關元件S1及二極體 靜^ 所示。另外，上述具有緩衝電路之功 a >、電路20,於上述間關元件S2截止時，上述主電 抓s通過上述二極體助、D26及㈣，如第沘圖中 1261961 所示於上述開關元件S2 過上述二極體D2 、卞上述主電流Is則通 2c圖中所*。由^、甬開^7?82及二極體四，如第 f, ^ ^ 由於通過愈多的電力元件則損失兪夫 對此置的轉換來說，亦是效率愈差。]知失恐大， 【發明内容】 本發明之目的是針對上述 需流經三個雷六；从加， 兒吟 < 王兒流 爾不问Μ 件’提出一功因修正電路，透逬# 用：開關元件則使上述主電 ： 經兩個雷力分处、上， 〜主电級，只需流 電路的效率。減能量的消耗，亦增加功因修正 除了 主:1?有軟切換之功因修正電路， 開關元件於切換。：::m ’ ：時可避免 效率。 謂王6❿失，更疋再-步地提高了 根據上述目的，本發明係提供一種主動 适路’包括一輸電壓 ^ 媳·_ 电/土你具有一弟一端及一第二 一 ^ 一包感态，一端耦接上述輸入電壓源之第一端· ;::、第二二極體’上述第一二極體之陽極與上述 感„„之另一端耦接，且上述第一及第二二極體之呤 第:、連接在一起；一第一、第二開關元件，各呈有二 第二端及一致能端’其中上述第—開關元件 碥與亡述第一二極體之陽極耦接，且上述第二 二/元件之第一端耦接至上述輸入電壓源之第二端及 第述^二極體之陽極，上述第-及第二開關：：之 -瑞係耦接在一起；以及一電容器’兩端分別耦接 1261961 極體之陰極及上述第二開關元件之第 上述第 端。 再者本龟明亦提供一種軟切換 電路’、包括-輸入電愿源，具有一第二=一 —電” ’一端耦接上述輸入電壓源之第—俨弟一=， 哭之體’上述第一二極體之陽極與上述電感 Ϊ接ΐ 一起;-第-、第二開關元件，ί:;;! 糕、第一端及一致能端，其中 —媿M l·、+'错-S . ^開關70件之第 元件d一：陽極轉接，且上述第二開關 :件之弟-端耦接至上述輸入電壓源之第二端 ::一極體之陽極，上述第一及第二開關元件之第二 接在-起；-電容器，兩端分職接上述第二 一極體之陰極及上述第二開關元件之第二端·以及一 ，關輔，電路，輕接上述功因修正電路，用以使上述 第一、第二開關元件於零電壓下切換。 【實施方式】 本發明的特色及優點將於以下描述中提出，因 此，部分將出現於描述中，或透過實施本發明而學得。 ^發明的目的及其他優點，將透過其描述、專利申請 範圍及所附圖示中所仔細指之的結構及方法而了 獲得。 實施例一 首先參考第3a圖為本發明之一種主動式功因修 正電路，包括一輸入電壓源Vs ; 一電感器L3，一端 1261961 耦接上述輸入電壓源Vs之一端；一第一、第二二極體 D31、D32，其中上述第一二極體D31之陽極與上述電 感器L3之第二端耦接，且上述第一及第二二極體 D31、D32之陰極係連接在一起；一第一、第二開關元 件S3：l、S32,各具有一第一端、第二端及一致能端En卜 En2,其中上述第一開關元件S31之第一端與上述第一 二極體D31之陽極耦接，且上述第二開關元件S32之 第一端耦接至上述輸入電壓源Vs之另一端及上述第二 二極體D32之陽極，上述第一及第二開關元件S31、 S32之第二端係耦接在一起；以及一電容器C3，兩端 分別耦接上述第二二極體D32之陰極及上述第二開關 元件S32之第二端。 其中上述第一及第二開關元件S31、S32，可為 MOSFET或IGBT，且各具有一寄生二極體Dsl、Ds2 及一寄生電容Csl、Cs2 ;此外，上述第一及第二開關 元件S31、S32之致能端Enl、En2係為該開關元件S3卜 S32之閘極端，且其第一及第二端係為其汲極端與源極 端，並且上述第一及第二開關元件S31、S32之致能端 Enl、En2於收致能信號後導通第一及第二開關元件 S31 、 S32 。 以下說明本發明主動式功因修正電路之動作方 式，首先，當輸入電壓源Vs在節點A3為正、節點B3 為負時，若假設此時上述第一開關元件S31並未導通， 不論上述第二開關元件S32有無導通，則主電流13通 過上述電感器L3及上述第一二極體D31流向電容器 C3(即負載側），再經由上述開關元件S32之寄生二極體 1261961

Ds2抓回上述輸入電壓源％之另—端。若 二開關元件S32為導通，則上述主守上述弟 則上述主電、流同時流經上 述弟一開關元件S32及其寄生二極體Ds2。

接著，導通上述第一開關元件S3卜則上 ”向負載側’直接流經上述第一開 J 二開關元件㈣之寄生二極體…流回 =入電壓源Vs。若此時上述第二開關元件 心通’則上述主電流13同時流經上 S32及其寄生二極體⑽。 汗1關兀件 、同理，當輸入電壓源Vs在節點A3為負、節點B3 為正牯，若假設此時上述第二開關元件S32並未導通， 不論上，第一開關元件S31有無導通，則主電流^通 過上述第二二極體D32流向上述電容器C3(即負載 侧），再經由上述第一開關元件S31之寄生二極體Dsl 及上述電感器L3流回上述輸入電壓源Vs之另一端。 ，此時上述第一開關元件S31為導通狀態，則上述主 電流13同時流經上述第一開關元件S31及其寄生二極 體 Dsl 〇 接著，導通上述第二開關元件S32，則上述主電 流則不流向負載侧，直接流經上述第二開關元件S32 後’由上述第一開關元件S31之寄生二極體Dsl流經 上述電感器L3回到上述輸入電壓源vs。若此時上述第 一開關元件S31也為導通，則上述主電流l3同時流經 上述第一開關元件S31及其寄生二極體Dsl。 其中上述第一及第二開關元件S31、S32係可以根 據一致能信號而同時或不同時導通。 1261961 極體D31 不’ &主電流13只流經上述二 且:笛1同弟—開關兀件幻或/及其寄生二極體1^2。 ^ C圖中所示，上述主電流13只流經第—及第二 iΐ t 5 11 ^ ^^ ® 、、木冓，主电/;,L 13皆只需流經兩個電力元 個♦ !p可2〒功因修正的功效’比習知電路需流經三 了—個，因此所損失的能量也減少了， 故增加了效率。 實施例二 &正2 ϋ所示為本發明之一軟切換主動式功因 ^正電路，其中與第3a圖架構相同之部分，為方便起 見，使用相同之符號。 本發明提供一種軟切換主動式功因修正電路，包 電壓源VS; -電感器…-端輕接上述輸入 =源L之一端；一第-、第二二極體D3U2, 1、山上述第一極體D31之陽極與上述電感器L3之第 二，耦接，且上述第一及第二二極體仍卜时之陰極 係連^-起；一第一、第二開關元件s3i、M2,各 具有一第一端、第二端（即其源極、汲極）及一致能 =、Εη2,其中上述第一開關元件州之第-端與上 攻;弟-：„之陽極耦接，且上述第二開關元件 之弟一端耦接至上述輸入電壓源Vs之另一

Sf、二sS 極體二 之弟一％係輕接在一起；以及一電容器C3， 兩端分別耦接上述第二二極體D32之陰極及上述第二 開關元件S32之第二端；以及一開關辅助電路4卜耦 12 1261961 接上述功因修正電路30，用以使上述第一、第二開關 元件S31、S32於零電壓下切換。 其中上述開關輔助電路41，包括一第三、第四、 第五及第六二極體D43、D44、D45、D46，上述第三 二極體D43之陽極耦接上述第二開關元件S32之第一 端，上述第四二極體D44之陽極、陰極分別耦接至上 述第二二極體D32之陽極以及上述第三二極體D43之 陰極，第五二極體D45之陰極耦接上述第二二極體D32 之陰極，且上述第六二極體D46之陰極耦接上述第五 二極體D45之陽極，一輔助電感器Lr4 ’兩端分別輛接 至上述第三二極體D43之陰極及上述第六二極體D46 之陽極；一輔助電容器Cr4，兩端分別辆接至上述第四 二極體D44之陰極及上述第五二極體D45之陽極；以 及一輔助開關Sr4,具有一第一端及第二端，分別耦接 至上述第六二極體D46之陽極及上述第二開關元件 S32之第二端。 其中上述第一、第二開關元件S31、S32及上述輔 助開關元件Sr4，係為MOS電晶體且各具有一寄生二 極體 Dsl、Ds2、Ds4 及一寄生電容 Csl、Cs2、Cs4 ; 此外，上述第一及第二開關元件S31、S32及輔助開關 元件之致能端Enl、En2、En4係為該MOS電晶體之閘 極，且其第一及第二端係為其汲極與源極；並且上述 第一及第二開關元件S31、S32以及輔助開關元件之致 能端Enl、En2、En4於收致能信號後分別地導通第一 及第二開關元件S3卜S32以及上述輔助開關元件Sr4; 上述輔助電感器Lr4的電感值係遠小於上述電感器L3 13 1261961 的電感值。 其中上述輔助開關Sr4係於上述第一、第二開關 元件S31、S32導通前導通。 以下同時參考第4b〜4d圖以及第5圖，以說明本 發明主動式功因修正電路之動作方式。 首先，假設輸入電壓源Vs在節點A4為正、節點 B4為負日守，且於時間tl之前，上述第一及第二開關元 件以及輔助開關元件83卜S32、Sr4皆為截止狀態時， 則主電流Is經由上述電感器L3、第一二極體D31流向 上述電容器C3(負載側），再經由上述第二開關元件幻2 之寄生二/亟體Ds2流回電壓源Vs，如第仆圖中所示。 接著，係於時間tl日夺，為了要達到軟切換以避免 :=，於上述第一開關元件S31要導通前，先行 圖= 力開關兀件Sr4導通。請參考第4c圖及第5 述辅助開關元件導通後，由於上述第 一 =D31為導通的’於上述辅助電感器w上且 當於C3上之電壓大小。因此，流經上述 間t2!士 V;二上之電流1sr4將由零慢慢增加，當時 :二二=增加到與上 定律’相當沒有電流流過上述第-二 極體D31(即上述二極體D26截止）。 於時間t2時，上述第一門M 一从 csi會與辅助電感器Lr4 :;二^ 持續增加，直到上述寄生f時上述電流1sr4 止，上述雷法T 上的電壓降至零為 上述甩机Isr4就不再增加了。 勹 著方、日守間〇日守，上述第一開關元件S31導通， 1261961 由於此時上述寄生電容Csl上電壓為零，故上述第一 開關元件S31在零電壓時導通，沒有切換損失。 於上述時間t3時，上述第一開關元件S3 1導通 後，主電流Is則流經上述電感器L3後，直接流向上述 第一開關元件S3卜通過上述第二開關元件S32之寄生 二極體Ds2流回上述輸入電壓源Vs，如第4d圖中所示。 另外，如第4d圖中所示，於時間t4時，上述輔 助開關Sr4載止，原本流經上述輔助電感器Lr4之電流 Isr4在會流往上述第六二極體D46，而對上述輔助電容 器Cr4充電，一直到上述電流Ir4減少為零時，上述第 六二極體D46會截止，故上述輔助電容器Cr4可作為 上述輔助開關Sr4的關閉緩衝電容。且當上述輔助電容 器Cr4上的電壓高過上述電容器C3上之電壓時，則上 述第五二極體D45導通，將能量釋放出去。 請參考第4e、4f圖，用以說明上述輔助開關之軟 切換，其中如第4e圖中所示，為時間tl時，上述輔助 開關Sr4導通，電流Isr4會流經上述第四二極體D44、 上述輔助電感器Lr4以及上述輔助開關元件Sa2，流回 上述電源供應端。當時間t4時，上述輔助開關元件Sr4 截止，由於電感器上之電流，無法瞬間變化，所以上 述電流Isr4會繼續地流往上述第六二極體D46，而對 上述輔助電容器Cr4充電，一直到上述輔助電感器Lr4 上的能量減少至零，即Isr4減少至零。此時，上述第 六二極體截止，是故上述輔助開關元件Sr4為軟截止、 上述第六二極體D46為軟導通、軟截止。 故在前述操作之下便可使上述第一開關元件S31 15 1261961

Sit導上述辅助開關裝置Sr4軟截止，故 一貝 α達到切換以增加功率因數之目的。 同理可知輸入電壓源Vs在節點Α4為負、節點β4 為正時的電路之動作方式，在此不予累述。負即相 其中上述第一、第二開關裝置S3卜S32及 =關裝置Sr4之切換，係根據其致能端（即其二= 接收的信號而作動。不其μ ^ )上 S3卜S32要5上述弟一或第二開關元件 ,要V通守，必先導通上述輔助開關Sr4，且 ==關元件Sr4可於上述第一或第二開關元件 一 2v通時馬上關閉，或延遲一段時間再關閉。 …同時如第3b圖中所示，主電流Is係只經過上 第一極體D31及上述第一開關元件S31之寄生+ DS1兩個電力元件。以及如第4d圖中所示，上述：帝 流，，只經過上述第一及第二開關元件S3i、SU之二 生電谷Dsl、Ds2，故比習知電路少經過一個電力元件， 損失減J並且又具有軟切換避免切換損失的優點， 言之亦效率提高。 ’ 、 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非 用以限定本發明，任何熟f此技藝者，在不脫離本發 明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，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。 16 1261961 【圖式簡單說明】 ，u圖為習知主動式功因修正電路之電路圖 電路之操 弟/b lc圖為第la圖中習知主動式功因修正 作示意圖。 第2a圖為習知具有辅助電 電路圖。 路之主動式功因修正電路之 知具有辅助電路之主動式功 第2b〜2d圖為第2a圖中習 因修正電路之操作示意圖 電路 電路 ^ 固為本务明之主動式功因修正電路之電路圖 第3b、3c圖為第3a圖中本發明之主動式功因修正 的操作示意圖。 / 第4a圖為本發明之軟切換主動式功因修正 圖。 第4b〜4d圖為第4a圖中本發明之軟切換主動式功因修 正電路之操作示意圖。 ^ 第4e、4f圖表示第4a圖中之部份電路電流，用以說明 開關之軟切換。 弟囷為本毛明之軟切換主動式功因修正電路之波形 不意圖。 【主要元件符號說明】 10〜主動式功因修正電路；

Al、A2〜正端；

Bl、B2〜負端；A3、B3、A4、B4〜節點； C、Cr2〜電容； c：l ' C2 ' 〇、C3、Cr4〜電容器； 17 1261961

Csl、Cs2、Cs4〜寄生電容； D1、D2、D3、D4、D5、D21、D22、D23、D24、D25 D26、D27、D28〜二極體；

Enl 、En2 、En4〜致倉皂令黑； I、12、I3、Is〜主電流， I〇、Ir、Isr4〜電流； LI、L2、Lr2、L3、Lr4〜電感器； SI、S2、Sa2、S31、S32、Sr4〜開關元件； 20〜功因修正電路； 201〜緩衝電路； D31〜第一二極體； D32〜第二二極體； D43〜第三二極體； D44〜第四二極體； D45〜第五二極體； D46〜第六二極體；

Dsl、Ds2、Ds4〜寄生二極體；

Vs〜電壓源； 30〜功因修正電路； 41〜開關輔助電路。 18

Claims (1)

1261961 十、申請專利範圍： 1 ·種主動式功因修正電路，包括·· 壓源，具有一第一端及一第二端； 一電感裔，具有一端耦接上述輸入電壓源之 之Ξ二二極體，上述第一二極體之陽極與上述 接，且上述第-及第二二極體之陰 ::二第二開關元件，各具有-第-端、第二端及 月匕而，其中上述第一開關元件之第一端與上述 耦陽極耦接’且上述第二開關元件之第-端 ”接至上述輸入電壓源之第二端及上述第二二極體之 陽極’上述第_及第二開關元件之第二瑞係 起；以及 、、=谷為，兩端分別耦接上述第二二極體之陰極及上 1、第、開關元件之第一端；其中上述第一及第二開關 元件透過導通及截止，以轉換電源。 2·如盆申請專利範圍第1項所述之主動式功因修正電 路其中上述第一及第二開關元件，為MOS電晶體且 各具有一寄生二極體及一寄生電容。 3·—種主動式功因修正電路，包括： 二=入電壓源，具有一第一端及一第二端； 一，感器，一端耦接上述輸入電壓源之第一端； 恭第、第—二極體，上述第一二極體之陽極與上述 電感器之另一端耦接，且上述第一及第二二極體之陰 極係連接在一起； 第、第二開關元件，各具有一第一端、第二端及 19 1261961 一致能端，其中上述第_開關 -二極體之陽極祕，且上述第 t與上述第 耦桩5[_、+，认^弟一開關兀件之第一端 耦接至上述輸入電壓源之第二端及上 :極，上述第-及第二開關元件之第 ::容，兩端分別耦接上述第二二極體之陰極及上 述弟一開關元件之第二端； 二電路，輕接上述功因修正電路，用以使上 -及第- 開關兀件於零電壓下切換；其中上述第 上述件透過導通及截止’以轉換電源；及 上述開關辅助電路，包括：—第三、第四 六二極體’上述第三二極體之陽二 :件之第:端，上述第四二極體之陽極二： 钰，笛： 及上述第三二極體之陰 Lf體之陰_接上述第二二極體之陰極’ 桎=二極體之陰極相接上述第五二極體之陽 =極及上述第六二極體之陽極，·-輔助 ^刀別輕接至上述第四二極體之陰極及上述第五 之陽極；以及-輔助開關，具有-第一端及第：二 接;上^六二極體之陽極及上述第二開關； 仵之弟一鳊，其中上述辅助開關係於 開關元件導通前導通。 述弟弟— =如：：專利範圍第3項所述之主動式功因修正電 :且；2第一及第二開關元件，* M〇S電晶體且 各具有一寄生二極體及一寄生電容。 且 20 1261961 5.如申請專利範圍第3項所述之主動式功因修正電 路，其中上述輔助開關，為MOS電晶體且各具有一寄 生二極體及一寄生電容。 21