TWI279971B - Bridge-less boost (BLB) power factor correction topology controlled with one cycle control - Google Patents

Description

1279971 九、發明說明：

【發明所屬之技術領域;I 發明領域 本揭示係根據2003年10月1日建檔之美國專利臨時申 請案第60/507,901號的聲請優先權，並納入作為參考。 本發明係有關於無橋升壓(BLB)電力因素校正拓樸結 構，且特別是有關於以單一循環控制與/或包含雙向切換器 之此種電路。 C先前技術3 10發明背景 電力因數校正係由國際標準(EN61000-3-2)所要求以減 少AC供電系統中之譜振放射。 第1圖顯示之最普遍的解決之道典型地使用一輸入整 流器橋，由四個適當的額定電壓之二極體、隨後有一升壓 15交換變換器、用一升壓迴路與一電流迴路被控制。經由二 極體DV之外層電壓迴路將傾向於維持該輸出電壓大約為 常數。經由二極體DL之内層電流迴路（以箭頭表示）將輪入 電流造形以追縱瞬間的輸入電壓。 典型上，該輸入電壓被控制器PFCPWM感應為該電流 2〇產生一基準信號。該電流亦被控制電路感應。因而該輪入 電壓與電流在所有時間將成比例，在系統之輸入產生所欲 的電阻行為。 此習知的電路具有數個缺點。電流通過三個成串聯之 一極體（二個在輸入橋加上該輸出輸入二極體DL)致使高的 1279971 導通損失’特別是在高電流位準尤然。該峰值電流控制 (NTC裝置與繼電器）亦影響效能。pFC pWM控制器經常必 須感應被整流之輸入線電壓以及輸出電壓與瞬間電感器電 流，以能達成電力因素校正與負載調節。此外，該電路一 5方面在輸入橋、另一方面在升壓電感器L具有冗餘的整流。 第7圖顯示被納為參考之美國專利第4,412,277號所揭 示之習知技藝的PFC拓樸結構，其使用類比乘法器之傳統的 控制技術。此拓樸結構為不想要的，原因至少在於受控制 之切換器無法同時被驅動，但須具有分離的閘驅動器，適 10 當地為相位外。 第8圖顯示另一習知的單相位雙升壓拓樸結構。此電路 之缺點為高側切換器之逆向恢復，其會使該施作不實際。 此問題在現行的無橋解決中被克服，其中一超快速二極體 可被使用。習知的方法為一 “被動PFC”且需要共振或緩衝 15 網路(snubbing network)以達成此結果。現行的無橋PFC為一 主動方法且運用硬或軟交換。 亦為有關者為美國專利第5,335，163號、美國專利第 4,899,271 號、EP1 198 058 A1、以及2003年PCIM研討會論 文中 Manfred Reddig教授（博士）與Manfred Schlenk博士之 20 “High Efficient PFC-stage Without Input Rectification” ， 其全部被納為參考。 t發明内容;3 發明概要 依據本發明之一層面，該無橋升壓藉由消除輸入整流 1279971 器橋之本質損失而戲劇性地降低習知PFc系統中之電力消 耗。同時其允許系統規模及因而其總成本的降低。 施作類似拓樸結構之先前的解法需求控制器之輸入線 電壓的感應以能正確地操作。依據本發明之另一層面，單 5 -循環控制之使用允許電力因素校正功能被實施，而不需 額外複雜的整流網路以獲得Ac線電壓基準以簡化該電路 之施作。 依據一第三層面，藉由使用雙向切換器§1與§2，藉由 為輸入升壓添加適當的重置網路完全地控制峰值電流（因 10輸出體電容器之充電所致的起動過度電流)亦為可能的。此 允許消除過度電流限制裝置（如第丨圖之NTC，繼電器與旁 通二極體)及減少對升壓二極體之突波能力要求，再允許較 小且更有效率之零件的使用。 依據一苐四層面，將升壓電感器移至系統輸入可添加 15額外的渡波功能，降低輸入EMI渡波之成本。 圖式簡單說明 本發明之其他特色與優點將由參照附圖之下列本發明 的描述而變得明白的。 第1圖顯示一慣常的PFC電路，具有一輸入整流器橋' 20隨後有一升壓交換變換器、被一電壓迴路與一電流迴路控 制。 弟2圖顯示依據本發明一實施例之一無橋升壓電 路的簡化電路圖。 弟3圖顯示依據本發明一實施例之一無橋升壓pfc電 1279971 I * 路的多相位施作。 第4圖示意地顯示使用如雙向MOSFET或GaN裝置之雙 向切換器的依據本發明一實施例之無橋PFC升壓變換器的 施作。 5 第5圖顯示依據本發明一實施例之一無橋升壓PFC電 路的實務施作。 第6圖顯示第5圖所使用之OCC控制面板。 第7圖顯示為P F C功能使用類比乘法器之習知技藝的 PFC拓樸結構。 1〇 第8圖顯示另一習知技藝的單相位雙升壓拓樸結構。 第9圖顯示依據本發明一實施例具有單一循環控制之 另一無橋升壓PFC電路。 第10圖顯示依據本發明一實施例之一簡化無橋PFC電 路無橋。 第^圖顯示對應於第1〇圖用於正線電壓循環之一等值 電路圖。 •第12圖顯示一慣常PFC與一無橋PFC在90V輪入與變化 輪出電力所產生之導通損失。 第13圖顯示M〇SFET本體二極體之導通損失與同步整 2〇流器之導通損失間的比較。 第Η圖顯示在慣常pFC中使用電壓分割器之輪入電流 感應。 a 第15圖顯示用於電壓感應之60Hz的變壓器。 第16圖顯示用於電壓感應之光學耦合器。 1279971 第17圖顯示在慣常PFC中使用分流 電阻器之電感器電 流感應。 第18圖顯示使用差別模式放大器之 第19圖顯示其中電感器電流由切換 重建之電流感應。 之電流感應。 換器與二極體電流被 第2〇圖顯林慣常巾為共同模式雜訊之歸因的一寄生 電容器。 第21圖㈣在無橋PFC中為共同模式雜訊之歸因的 寄生電容器。 10 第22圖顯示共同模式雜訊之模擬結果。 第23圖顯不無橋PFC中之輸入電壓與電流波形。 第24圖顯不慣常PFC與無橋PFC間之效率比較。 第25圖顯示在全輸出電力與變化輸入線電壓之無橋 PFC的電力因數。

15 第26圖與第27圖顯示無橋PFC與慣常PFC電路之EMI 雜訊。 第28圖為一方塊圖，顯示所提議之ic用於PFC電路的 應用。 第29圖為第28圖之1C的方塊圖。 20 第30圖顯示在1C中導線指派與定義之圖。 第31圖為一流程圖，顯示1C作業與其間之過渡。 第32圖為1C之VccUVLO模式的時間圖。 第 33 圖為 1C之OLP，SoftStart，Normd，OVP，Standby 與OUP模式的時間圖。 1279971 C實施方式3 較佳實施例之詳細說明 I·所提議之電路 該所提議之電路完全移除輸入橋，而以二升壓二極體 與二升壓切換器取代。該等二升壓切換器以使用單一循環 控制（OCC或SCC)技術之封閉迴路被控制。 習知電路之升壓電感器被移至整流器功能前之位置， 且可為單一電感器，或被分為二電感器（如顯示者），在該等 一輸入線之每一條上。 10 15 簡化之電路圖在第2圖被顯示。該電路由並聯工作之二 升壓電感HU，L2組成。其可能有二共同的心（未畫出）。 -次僅有-财效絲動(升壓卜錢人正_正值部分 (以實線魏表示），MQSFET S1之閘極被驅動為高，且通 過升塵電感器U，其將因而被充電。該電流路徑將透過 MOSFET S2本體二極體(或也藉由接通切被關閉。然後當 閉時，L1中之能量被釋放且其輪出電流透過以排出至 輸出電容器c與負載内（且該迴路再次透過s2被關閉）。 在AC輸入循環之負值部分，電流將如第2圖之每一虛 線箭頭般地雜。S_L2充電。切關，⑴將使L2放 電，而S1之本體二極體將顏迴路，报可能也以㈣接通。 結果為此時僅有一切換器被要求極 呆作。然而，其可能同步 驅動該等二切換器（只要一本體二 從體被呈現以在如上述 須要時使電流再循環）。 相同的解法可藉由增加相位數目被制至从輸入系 20 1279971 統。多相位施作被顯示於第3圖。該等升壓二極體必須為快 速的以減少交換損失。 第4圖示意地顯示使用如雙向MOSFET或GaN裝置之雙 向切換器。當雙向切換器取代MOSFET S1與S2被使用（能在 5二方向阻斷或傳導)之切換器時，其亦可能控制系統之峰值 電流並允許受控制之起動(軟起動)與有效率的待機模式。 第9圖顯示依據本發明一實施例之具有單一循環控制 的另一無橋升壓PFC電路。經過切換器Q1與Q2之電流經由 感應電阻器Rsl與Rs2被感應、用加法器U3被相加、並被供 10 應至一電流感應放大器CSA。通過LOAD之輸出電壓被電壓 分割器Rl，R2感應，並被供應至一誤差放大器EA且與一基 準電壓VREF被比較。CSA與EA之各別輸出被供應至該單一 循環控制控制電路，其控制Q1與Q2而為電力因數校正控制 其各別的電流。 15 與習知技藝比較下，BLB之此OCC施作至少導入二重 要的簡化： (1)不需要感應輸入電壓（第7圖中點3與5間之VI)。在 BLB情形中，輸入電壓比照接地為完全浮動的。電路29與 31因而為不需要的。 20 本發明不需要感應電感器電流（元件編號23)。該切換器 之電流就電路之作業為充分的。所以，參照接地之簡單分 流可被用以感應電流且達成電力因數校正。電感器電流之 感應的缺點在於節點（元件編號43)為浮動的且該電流包含 AC主線(50或60Hz)之基本頻率。此意即該電流變壓器必須 11 1279971 被設計以忍党低頻率而不致飽和（大且昂貴元件）。該〇cc 施作克服此限制。其他適合的電流感應做法亦可就〇cc被 使用。 II·使用單一循環控制技術之無橋PFC施作 5 A·簡介 單一切換器CCM(連續導通模式)PFC(電力因數校正） 為PFC應用之最廣泛被使用之拓樸結構，原因在於其簡單與 較小的EMI濾波器大小。由於其高的導通損失與切換損 失’此電路在低輸入線電壓具有低效率。在超接合]V40SFET 10與SiC肖特基二極體之發展下，^[^電路之交換損失戲劇地 被改善。 然而，該電路仍遭到整流器橋之前進電壓下降，致使 而的$通彳貝失，尤其疋在低輸入線電壓。為減少整流器橋 之導通損失，不同的拓樸結構已被發展，包括無橋升壓 15 PFC ’其不需要範圍交換，且顯示簡單與高效能。在不需輸 入整流器橋下，無橋PFC比起慣常PFC產生較少的導通損 失。 、 雖然其電路結構簡單，在AC侧置以升壓電感器使該電 路難以感應AC線電壓與電感器電流。進而言之，Ac側電感 2〇器結構使輸出針對輸入線難以浮動，該電壓遭到高的共同 模式雜訊。 ^ 比起平均電流控制模式，單—循環控制模式就無橋 PFC電路展示报多利益，如不需要乘法器、輸人電壓感應與 電感器電流感應。所以’單—循環控制給予吸引人之解法。 12 1279971 依據本發明之一層面，該單一循環控制於無橋PFC中 被施作。藉由使用單一循環控制，無橋PFC電路之電壓感應 與電流感應二者之課題可被解決。該等實驗結果展示效率 改良與良好的電力因數校正。而且，該等EMI結果顯示該 5 電路雜訊為可控制的。 B·無橋PFC電路 無橋PFC電路被顯示於第1〇圖。升壓電感器被分割且 位於AC側以構建升壓結構。正值半線路（電壓線路)循環被 顯示於第11圖。在此半線路循環中，MOSFET S1與升壓二 10極體D1及升壓電感器L1 一起構建為一升壓DC/DC變換 器。同時，MOSFET S2利用其本體二極體操作。半線路循 環中’該輸入電流被升壓變換器控制以遵循其輸入電壓。 在負值半線路循環之際，電路作業為類似的。因而，在每 一半線路循環中，MOSFET之一操作成切換器而另一個操 15 作成至少為一個二極體。所以，二MOSFET可用同一信號 被驅動。 無橋PFC與慣常PFC間之差異彙整於表1。在每一時刻 比較這些二電路之導通路徑，無橋PFC電感器電流僅通過二 個半導體裝置，而慣常PFC電路之電感器電流通過三個半導 20 體裝置。如表1顯示者，無橋PFC使用一MOSFET本體二極 體取代慣常PFC之二個慢的二極體。由於此二電路均操作成 一升壓DC/DC變換器，其切換損失應該相同。因而，其效 率改善有賴於該等二慢的二極體與MOSFET之本體二極體 間之導通損失差異。此外，無橋PFC比起慣常PFC不僅減少 13 1279971 導通損失，亦減少總元件數。 表1慣常PFC與無橋pfc間之差異 慢二 極體 快二 極體 MOSFET 導通路徑 慣常PFC 4 1 1 2 慢二極體，1 MOSFET(2 慢二 極體，1快二極體） 無橋PFC 0 2 2 1 MOSFET本體二極體，1 MOSFET/ (1 MOSFET本體二 極體,1 -極體） 5 為估計使用無橋PFC電路之效率改善，其損失比較根 據理論分析被實施。MOSFET被選擇為於22A，600V額定之 超接合MOSFET，及二極體橋被選擇為於25A，6〇〇V額定之 GBPC2506W。曲線配適被用以產生這些裝置之導通損失模 型。根據該電感器目前的瞬間電流，於90V輸入與變化輸出 1〇電力被此二裝置產生之導通損失如第12圖顯示地被計算。 就完整電力位準範圍而言，無橋PFC可在任一電力位準改善 總效率約1%。考慮小MOSFET之接通狀態電阻，接通 MOSFET可進一步減少同步整流器中之導通損失。M〇SFET 之導通損失根據MOSFET本體二極體所致之降低電壓與接 15通狀態電阻被重新評估。其計算結果被顯示於第13圖。此 二情形之電力損失非常類似。雖然同步整流器在低電力具 有輕微的改良，由於接通狀態電阻在溫度較高時為較高， 该改良在MOSFET溫度上升時會不見。考慮到同步整流器 之複雜性，其不應被施作。 20 匕無橋PFC電路之優點 如第10圖顯示者，無橋PFC電路不具有輸入二極體 14 1279971 橋，且升壓電感器位於Ac側。由於該電路之輸出與輸入沒 有直接連接，該升壓電路可被提出數個課題，如輸入電路 感應、電流感應與EMI雜訊。 该電壓感應與電流感應課題與無橋pFC電路之控制相 5關就丨貝常？1^而έ，數種控制方法曾被發展，如平均電流 模式控制、尖峰電流模式控制與單一循環控制。 该平均電流模式控制因其高效能與容易了解而為最普 遍的控制方法。其控制器將輸入電壓信號乘以電壓迴路輸 出電漫以產生-電流基準；且該電流迴路控制該電感器平 10均電流以遵循該電流基準。 至於該單一循環控制，其控制器使用電壓迴路輸出電 壓與電感為大峰電流以計算每一切換週期之工作週期。由 於違工作週期符合升壓電路輸人與輸出電壓關係，該電感 器目前的尖峰電流自動地遵循輸入輸出形狀。因而，其電 15力因數校正功能被達成。 1.輸入電壓感應 就慣常PFC而言，輸入電壓感應為簡單的。由於整流器 橋之存在，被整流之輸入電壓可如第14圖顯示地藉由使用 一電壓分割器直接被感應。就無橋PFC而言，其沒有整流器 20橋，且沒地方要使用電壓分割器來感應該輸入電壓。一60Hz 變壓Is如第15圖顯示地為用於電壓感應之簡單解法。由於 低頻率變壓器之較大尺寸與其成本問題，千瓦範圍之電力 供應是不可接受的。光學輕合器也是電壓感應之好的候選 者，原因在於其如第16圖顯示地能容易地達成絕緣。為達 15 1279971 應:較低失真需要使用具有寬操作範圍之較高線 予耦合為，此比起慣常的電壓分割器感應為 更複雜很乡。 、就平均電流模式控制而言，該電感器電流基準根據所 5感應之輸入電壓被產生。該輸入電壓感應為必要的且將致 使抑為較高成本或為較大的變換器尺寸。但就單一循環控 制而口，其大峰電感|§電流與電壓迴路輸出一起工作，故 不需要輸入電壓感應。就慣常PFC電路而言，該電 簡單的，其使單一循環控制之益處較不明顯。 〜^ 1〇 ㈣肌之輸人電壓感應的複雜性使單-循環控制成 為更吸引人的控制方法。 2.電流感應 就慣常PFC而言，電感器電輯應為十分簡單。僅藉由 將-分流電阻器置於電感器電流之返回路徑中，該電絲 15電流可被感應且如第17圖顯示地具有該控制之共同接地： 其就該電流感應不需要絕緣。 就無橋PFC而言，電感器電流之返回路徑不共用與輸出 相同之接地。所以-絕緣的感應方法被使用。如電壓感應 者’ 60Hz之電流變換器將給予直接了當的解法。然而，由 20於該低頻率變換器對信號產生大的相位延遲，該控制輸入 電流與該輸入電壓將有相位差，因而其電力因數以該電流 感應被減小。 另-種絕緣方法為使用如第18圖顯示之一差別模式放 大器。由於PFC電路在高切換頻率與高輸出電壓切換，該高 16 1279971 共同模式電壓將致使電流信號中額外的雜訊。由於該電流 感應為低的以使電力損失為最小，其電力因數可能被該電 流感應雜訊傷害。此外，該差別放大器成本比起分流電陴 器解法高很多。 5 或者，該電感器可由該等切換器與二極體電流被重建 (見第19圖）。由於该電感器電流不同的導通路徑，該電流感 應需要三個電流變換器。 就平均電流模式控制而言，電感器平均電流就該電流 迴路被需要。但就單一循環控制而言，該控制僅需要電感 10器尖峰電流。所以，其電流感應可被簡化。藉由使用具有 MOSFET之該系列的電流變換器，該電感器尖峰電流可容 易地被感應。此外，電流變換器之使用可進一步減少分流 電阻器所致的電力損失。如電壓感應者，慣常pFC電路之簡 單的電流感應方法使該單一循環控制較不吸引人。然而， 15就無橋PFC而a，電流感應之複雜性使單一循環控制成為最 吸引人之控制方法。 3. ΕΜΙ雜訊 ΕΜΙ雜訊課題有賴於電力級結構。就慣常pFc而今，# 輸出電壓接地永遠透過整流器橋與輸入線路被連接。所以 20只要有該共同模式雜訊之歸因的寄生電容器為第20圖顯示 之MOSFET汲極至接地間的寄生電容器。就無橋pFc而言， 該整流器橋不存在。有關輸入AC線路之輸出電壓為浮動 的。所以不僅MOSFET汲極至接地Cdl與Cd2間的寄生電容 器，而且輸出接頭至接地Cn與Cp間的所有寄生電容器如第 17 1279971 1圖顯不地亦為共同模式雜訊之歸因。其模擬結果於第 圖被顯不。對MOSFET沒極至接地間的寄生電容器之dWdt 為相逆的極性。藉由小心地設計該寄生電容，雜訊消除可 $破達成。至於輸出接頭至接地間Vp#Vn之寄生電容器的 dWdt為相同’其沒有辦法達成雜訊消除。考慮這些電容器 不僅包括PFC級寄生之電容，也考慮負載之輸入，其共同模 式雜訊比起慣常PFC電路為差了很多。 D.實驗施作 根據上面的分析，無橋PFC電路可簡化電路拓樸結構 1〇也可改善效率。此外，單一循環控制就無橋PFC：電路為最吸 引人的控制方法。一個500W、100kHz之切換頻率的統一線 路輸入無橋PFC電路以單一循環控制被設計及施作。一個 600V 22A之超接合MOSFET與600V 4A之SiC二極體在原型 機中被使用。此外，使用相同裝置之一慣常PFC電路被建立 15 以作為該基準。 該輸入電壓與電流波形於第23圖中被顯示。該輸人電 流較佳地遵循該輸入電壓。因而，該電力因數校正使用單 一循環控制器被達成。此二電路在90V輸入線路電路間之效 率比較在第24圖中被顯示。就整個電力範圍而言，效率改 20 善約為1%，其十分吻合理論分析。在全輸出電力之電力因 數與變化輸入線路電路在第25圖被顯示。該高電力因數就 全輸入線路範圍係以使用單一循環控制被達成。無橋PFC 與慣常PFC之EMI績效被比較，且其結果在第26圖與第27 圖被顯示。由該等實驗結果，在低頻率範圍中無橋PFC雜訊 18 1279971 T似於慣常PFC雜訊。在高頻率範圍中雖然其雜訊稍微較 局’無橋PFC電路之EMI雜訊為可控制的。 E.小結 無橋PFC電路去除輸入整流器且能達成較高效率。根 5據理論分析，丨％之效率改善可由該電路被期待。該電路符 a電壓感應與電流感應課題，且單一循環控制給予簡單且 咼效能之解法。實驗結果證明單一循環控制之簡易與高的 電力因數’且進一步驗證無橋PFC比起慣常pFc可改善1% 之效率。雖然無橋PFC電路仍有EMI雜訊，該雜訊為可控制 10的且類似於慣常PFC電路EMI。 111.所提議之單一循環控制I c 下列為用於本發明前述實施例之被提議的OCC晶片 的描述。 A.特點：

15 *具有「單一循環控制」之PFC φ連續導通模式升壓型式之PFC *不需要線電壓感測 春可程式之切換頻率（50kHz-200kHz) 鲁可程式之過電壓保護 20 *低電壓保護 *逐一週期之尖峰電流限度 *軟起動 _使用者啟動之微電力「睡眠模式」 *開迴路保護 19 1279971 _98%之最大工作週期限度 _使用可程式之固定頻率作業 •頻率範圍上150_350nS之最小關機時間 鲁VCC電壓不足鎖定 籲輸出電壓不足關機 • 1.5A尖峰之18V閘驅動 •微電力開機（<200/zA) 鲁閂安全性與ESD保護 B.描述： 10 該所提議之電力因數校正(PFC)控制1C被設計於連續 導通模式(CCM)在廣大範圍之輸入線路電壓上作業。該1C 係根據“單一循環控制，，（OCC)技術而提供電力因數校正 之具有成本有效性的解法。該控制方法允許元件計數、PCB 面積與設計時間之主要減少而比傳統解法產生較佳的系統 15績效。該1c受到完全的保護並消除現存解法之經常的雜訊 敏感線路電壓感應要求。 其特點包括可程式之切換頻率、可程式之專用的過度 電壓保護、軟起動、逐一週期之尖峰電流限度、低電壓保 護、開迴路、UVLO與微電力開機電流。此外，就低待機電 20 力要求(Energy Star，Green Power，Blue Angel等），該1C可藉 由將0VP接腳拉到低於IV而以總電流耗用低於200 v A被 驅動為睡眠模式。 第28圖為一方塊圖，顯示該被提議之IC的應用。在此 例中’其在第1圖顯示之整流器式PFC電路中被使用。 20 1279971 第29圖為該1C之方塊圖。 第30圖為導線指派與定義圖。 該封裝有利地為一個8導線s〇iC。 c·接腳定義 5 L COM接腳(接地） 此為積體控制電路之接地電位接腳。所有的内部裝置 被參照至此點。 2· VFB接腳(輸出電整迴饋） 、升壓變換H之輸出錢經由-電崎分㈣被感應 W且被饋人此接腳，其為該輸出電壓誤差放大器之反相感 應。該分割器串之阻抗必須夠低而不致引入該放大器之輸 入偏壓電流所致的實質錯誤，而又夠低以使電力消耗最小 化。外部分割器阻抗之典型值為1ΜΩ。該誤差放大器為互 導型式，其得到高輸出阻抗，因而除了消除輸入分割器串 I5與補償電容器之相互作用且因該放大器之低阻抗輸出所致 降低分割器串之負載外，增加該誤差放大器輸出之雜訊免 疫力。 3· COMP接腳（電壓放大器輪出） 由此接腳至接地之外部電路補償該系統電壓迴路。此 2 0補償將被系統設計者設計且用系統規格被偵測 。此為該電 壓誤差放大之輸出且該補償網路將偵測該軟起動時間。 此接腳亦可被運用以藉由將接腳經由外部電路拉至接地而 提供變換器之關機特點。 4. GATE接腳 21 1279971 、此為ic之閘驅動輪出。此驅動電壓在内部被限制最大 :、、、8V並以配合的上升與下降時間提供士ϋ之尖峰驅動電 流。 5 · FREQ接腳 此為使用者可程式之頻率接腳。由此接腳至COM接腳 ^外#電阻程式簡該頻率。該裝置之作業切換頻率 範圍為 50kHz-200 kHz。 6· ISNS接腳（電流感應輸入） 1〇 此接腳為相反電流感應輸入與尖峰電流限度。在此接 腳之電壓為負電壓下降、通過系統電流感應電阻器被感 應、代表平均電感器電流，其被電流感應放大器放大。此 ^亥電壓到達該基準電壓，該驅動脈衝被終止，因而提供 ^周期」之保護。驅動脈衝假設在該比較器輸入之電 壓已衰退到低於門襤值，該等驅動脈衝將在下一個時鐘週 翊被重置。此保護電路於該比較器後納入一前導邊緣空白 電路以改善該保護過程之雜訊免疫力。該電流感應放大器 之輪出亦被饋入該加總放大器之反相感應，其將該輸出電 壓誤差放大器以此電壓輸出加總，然後其輸出代表公式 Vm_k · Is · Rs之電壓。 20 此處Vm=誤差放大器輸出電壓 L =平均電感器電流 Rs =系統電流感應電阻器 7. VCC接腳 此為1C之供應電壓接腳。此接腳為用於過低電壓鎖定 22 1279971 斷電之被感應的節點。其可能藉由將此接腳拉到低於最小 切斷門檻電壓來關閉該1C而不致毀損該1C。此接腳未在内 部被夾住。 8. OVP接腳 5 此接腳為對該過度電壓保護比較器之輸入，其門檻以 内部程式被規劃為VREF的106%，此對應於正常輸出電壓 之106%的門檻。一電阻性分割器由該輸出電壓饋送此接腳 至COM，並在每當該門檻被超過時禁止閘驅動。正常作業 在此接腳之電壓位準降到低於該接腳門檻（以磁滯）之時間 10恢復。此接腳亦被使用藉由將電壓拉到低於〇.5V(typ)而啟 動1C「睡眠」模式。 D.作業狀態 第31圖為一流程圖顯示作業狀態與其間之轉移。詳細 地說： 15 1· UVLO模式 隨著AC線路電壓由〇伏特增加，IC維持於UVL〇態至如 vcc接腳上之電壓超過vcc接通門檻電壓（vcc 〇N)之時 間為止。在1C維持於UVLO狀態的時間之際，該閘驅動電路 為無源的，且該1C引出一iCC STNDBY之靜態電流。每當 20 VCC < vcc UVLO之供應電壓狀況被滿足時，該UVL〇模式 可由作業之任何其他狀態達到。第32圖為vcc UVL〇模式 之時間圖。 2·待機模式

若供應電壓已超過vcc 0N且VFB接腳電壓小於VREF 23 1279971 之20%時，該1C為處於此狀態。該振盪器為運轉中且所有 内部電路在此狀態中被偏壓，但其閘極為沒電的且該1C引 出ICC STNDBY。此狀態可由作業之任何其他狀態中除了 OVP外達到。此1C在正常模式作業時或在尖峰電流限度故 5 障狀況之際，每當VFB接腳電壓降低至50%之VREF時，或 在軟啟動模式為20%VREF時進入此狀態。此亦為在過度溫 度故障狀況被進入之作業狀態。 3_軟起動模式 一旦VCC電壓已超過VCC ON且VFB接腳電壓已超過 10 20%之VREF，此狀態被啟動。被定義為工作週期線性地由 0增加到最大值所需之時間的此軟起動時間依電壓迴路 COMP接腳至C0M之補償所選擇的值而定。在整個軟起動 週期’電壓誤差放大器之輸出（c〇Mp接腳)透過該補償網路 而充電。此迫使在此節點之電壓的線性上升，其再依次迫 15使該閘驅動工作週期由〇之線性上升。此受控制之工作週期 增加因該輸入電流振幅正在線性的增加而於開機之際降低 系統元件應力。 - 4.正常模式 一旦軟起動轉移已完成，該1C應被視為處於正常作業 20杈j在此點该閘驅動正在切換且該ic將由供應電壓源弓| 出最大之ICC AG。該裝置將在因故障啟動保護電路所致的 關機或該供應電壓降到於VCC UVLO之UVLO關閉門# 事件中啟動另-軟起動程序。 的 5·故障保護模式 24 1279971 …當任i護電路被啟㈣該故障保護模式將被啟動。 D亥等ic保4電括供應電壓過低鎖定斷電(而⑺）、輪出 過度電壓㈣(OVP)、開迴路保_LP)、輸出電壓過低保 護(OUV)、與尖峰電流限度保護(ipklimit)。 5 帛33圖為0LP、軟起動、正常、晴、待機與0UP模式 之時間圖。 6·睡眠模式 4睡眠換式係藉由將ovp接腳拉到低於0.7v(typ)而被 起動。在此模式中，IC基本上關機且引動非常低之靜態電 10 流。 E· —般描述 忒控制1C意圖用於在連續導通模式以固定頻率作業之 電力因數校正的升壓變換器。該IC基本上以迴路作業，一 内層電流迴路與一外層電壓迴路。該内層電流迴路為快速 15及可靠的且不需感應輸入電壓以創立一電流基準。此内層 電流迴路根據脈衝寬度調變器對輸入線路電壓的相依性來 維持平均輪入電流的正弦剖面以決定類比輸入線路電流。 因而，該電流迴路展開被埋入之輸入電壓信號以命令該平 均輸入電流遵循該輸入電壓。只要在連續導通模式中之作 2〇業被維持，此便為真的。隨著線路週期向零穿越移動及假 設該電感器具有有限電感下該變換器以非常高之負載作 業’其可能有某些數量之電流波形失真。在這些作業狀況 下的諧振電流結果將在EN6丨000_3_2規格的類別〇内且因而 不是問題。該外層電壓迴路控制該升壓接腳之輸出電壓且 25 1279971 該電壓誤差放大器在其輪出產生—電壓，其直接控制該積 分器斜坡之斜率及因而控制平均輪人電流之振幅 。該等二 控制元件之組合控制該輸入電流之振幅與形狀以致於與該 輸入電壓成比例及同相位。該IC運用保護電路在所欲的應 5用中提供強健的作業及免於過度電流、過度電壓、過低電 壓與缺電狀況之系統位準的保護。 1. 1C電源 UVLO電路監測VCC接腳並維持閘驅動信號為沒電的 至如VCC接腳電壓到達vcc ON^UVL〇接通門植的時間 · 10為止。假設VFB接腳電壓大於20%VREF，當VCC電壓超過 此門檻，該閘驅動在軟起動功能之控制下將開始切換，其 將逐漸允許該脈衝寬度如輸出電壓誤差放大器要求地朝向 其最大值增加。在VCC接腳之電壓假設下降至低於VCC UVLO之UVLO切斷Π檻者的事件中，該IC便被關閉、閘驅 15動被終止、且該接通門檻必須再次被超過以重新開始該過 程及進入軟起動模式。 2_軟起動 # 該軟起動處理控制該輪出電壓誤差放大器之上升率以 獲知漸增工作週期為時間之函數的線性控制。該軟起動時 20間基本上被所選擇之輸出電壓誤差放大器的補償元件加以 控制，且因而根據所欲的迴路交越頻率在某種程度為使用 可以程式化的。 3·頻率選擇 該振盪器被設計使得該1C之切換頻率可在1711£(^接腳 26 1279971 用一外部電阻器加以程式化。該設計納入最小/最大限制， 使得最小與最大作業頻率根據所選擇的電阻器值落在 50-200kHz之範圍内。 4.閘驅動 5 該閘驅動輸出可為具有充分驅動能力之「圖騰柱」放 大器驅動器以有效率地驅動典型的應用電力切換器（即 IRFB22N60C3 或同級品）。 雖然本發明已以其相關的特別實施例被描述，很多其 他變化與修改及其他使用對热習本技藝者將變得明白的。 10 所以，本發明不受限於此處之特定揭示。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示一慣常的PFC電路，具有一輸入整流器橋、 後有一升壓父換變換恭、被一電壓迴路與一電流迴路控 制。 15 第2圖顯示依據本發明一實施例之一無橋升壓PFC電 路的簡化電路圖。 第3圖顯示依據本發明一實施例之一無橋升壓pFc電 路的多相位施作。 第4圖示意地顯示使用如雙向MOSFET或GaN裝置之雙 20 向切換器的依據本發明一實施例之無橋PFC升壓變換器的 施作。 第5圖顯示依據本發明一實施例之一無橋升壓PFC電 路的實務施作。 第6圖顯示第5圖所使用之OCC控制面板。 27 1279971 第7圖顯示為PFC功能使用類比乘法器之習知技藝的 PFC拓樸結構。 第8圖顯示另一習知技藝的單相位雙升壓拓樸結構。 第9圖顯示依據本發明一實施例具有單一循環控制之 5 另一無橋升壓PFC電路。 第10圖顯示依據本發明一實施例之一簡化無橋PFC電 路無橋。 第11圖顯示對應於第10圖用於正線電壓循環之一等值 電路圖。 10 第12圖顯示一慣常PFC與一無橋PFC在90V輸入與變化 輸出電力所產生之導通損失。 第13圖顯示MOSFET本體二極體之導通損失與同步整 流器之導通損失間的比較。 第14圖顯示在慣常PFC中使用電壓分割器之輸入電流 15 感應。 第15圖顯示用於電壓感應之60Hz的變壓器。 第16圖顯示用於電壓感應之光學耦合器。 第17圖顯示在慣常PFC中使用分流電阻器之電感器電 流感應。 20 第18圖顯示使用差別模式放大器之電流感應。 第19圖顯示其中電感器電流由切換器與二極體電流被 重建之電流感應。 第20圖顯示在慣常中為共同模式雜訊之歸因的一寄生 電容器。 28 1279971 第21圖顯示在無橋PFC中為共同模式雜訊之歸因的一 寄生電容器。 第22圖顯示共同模式雜訊之模擬結果。 第23圖顯示無橋PFC中之輸入電壓與電流波形。 5 第24圖顯示慣常PFC與無橋PFC間之效率比較。 第25圖顯示在全輸出電力與變化輸入線電壓之無橋 PFC的電力因數。

第26圖與第27圖顯示無橋PFC與慣常PFC電路之EMI 雜訊。 10 第28圖為一方塊圖，顯示所提議之1C用於PFC電路的 應用。 第29圖為第28圖之1C的方塊圖。 第30圖顯示在1C中導線指派與定義之圖。 第31圖為一流程圖，顯示1C作業與其間之過渡。 15 第32圖為1C之VccUVLO模式的時間圖。 第 33 圖為 1C之OLP，SoftStart，Normal，OVP，Standby 與OUP模式的時間圖。 【主要元件符號說明】 3…點 5…點 23…電感器電流 29…電路 31…電路 35…高頻率濾波器 36…誤差放大器 43…節點 45…電路 47…電路 49…高頻率濾波器 51···誤差放大器 29 1279971 53…比較器 57…驅動器 55…鋸齒產生器 59···驅動器

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Claims (1)

1279971 十、申請專利範圍： 1. 一種無橋電力因數校正(PFC)升壓變換器，包含： 一升壓電感器，其具有被連接至一第一交流(AC) 輸入接頭之一第一端部與被連接至在一第一二極體之 5 陽極與一第一切換器之一第一接頭間被定義的一第一 接合之一第二端部； 該第一切換器之一第二接頭，其被連接至一共同線 路； 一電容與一負載之一並聯電路，其被連接至該第一 10 二極體之陰極與該共同線路間； 一第二二極體與一第二切換器之一串聯電路，其被 連接至該第一二極體之陰極與該共同線路間； 一第二AC輸入接頭，其被連接至該第二二極體之 陽極與該第二切換器間被定義的一第二接合；以及 15 一控制電路，被連接用於控制該等第一與第二切換 器而針對被施用至該負載之電力提供電力因數校正。 2. 如申請專利範圍第1項所述之無橋PFC升壓變換器，其中 該等第一與第二切換器為雙向切換器。 3. 如申請專利範圍第2項所述之無橋PFC升壓變換器，其中 20 該雙向切換器為雙向MOSFET。 4. 如申請專利範圍第2項所述之無橋PFC升壓變換器，其中 該等雙向切換器為GaN裝置。 5. 如申請專利範圍第1項所述之無橋PFC升壓變換器，進一 步包含連接於該第二AC輸入接頭與該第二接合間之另 31 1279971 一升壓電感器。 6.如申請專利範圍第5項所述之無橋pFC升壓變換器，進一 步包含與該等第一及第二二極體與切換器並聯連接之 一第三二極體與一第三切換器之串聯電路，及連接於一 5 第二AC輸入接頭與在該第三切換器及該第三二極體之 陽極間被定義的一第三接合間之一第三升壓電感器。 7·如申請專利範圍第1項所述之無橋pFC升壓變換器，其中 該等第一與第二切換器為MOSFET，每一個具有各別的 本體二極體，其陰極被連接至該等第一與第二接合點的 10 對應之一。 8·如申請專利範圍第7項所述之無橋PFC升壓變換器，其中 該等MOSFET每一個均具有分別被連接至該共同線路 與該等第一及第二接合的對應之一之一對主要接頭；以 及被連接至該控制電路之一閘極接頭。 15 9·如申請專利範圍第7項所述之無橋PFC升壓變換器，其中 該控制電路施作單一循環控制，其中該等第一與第二切 換器在回應於該等第一與第二切換器及該等第一與第 二二極體之電流下被控制。 10_如申请專利範圍第7項所述之無橋pfc升壓變換器，其中 20 該控制電路施作單一循環控制，其中該等第一與第二切 換器在回應於該等第一與第二切換器及跨於該負載之 輸出電壓下被控制。 11·如申請專利範圍第7項所述之無橋PFC升壓變換器，其中 該控制電路施作單一循環控制，其中該等第一與第二切 32 1279971 換ι§在回應於跨於該負載之輸出電壓與該等升壓電感 器中之尖峰電流下被控制。 12_如申請專利範圍第1項所述之無橋pFC升壓變換器，其中 該控制電路施作單一循環控制，其中該等第一與第二切 5 換器在回應於該等第一與第二切換器及該等第一與第 二二極體之電流下被控制。 η·如申請專利範圍第1項所述之無橋PFC升壓變換器，其中 該控制電路施作單一循環控制，其中該等第一與第二切 換裔在回應於該等第一與第二切換器及跨於該負載之 10 輸出電壓下被控制。 14.如申請專利範圍第丨項所述之無橋pFC升壓變換器，其中 該控制電路施作單一循環控制，其中該等第一與第二切 換器在回應於跨於該負載之輸出電壓與該等升壓電感 器中之尖峰電流下被控制。 15 15·如申請專利範圍第12項所述之無橋PFC升壓變換器，其 中該等第一及第二切換器為GaN裝置。 16·如申請專利範圍第13項所述之無橋PFC升壓變換器，其 中該等第一及第二切換器為GaN裝置。 17·如申請專利範圍第14項所述之無橋PFC升壓變換器，其 20 中該等第一及第二切換器為GaN裝置。 33 1279971 * I 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： SI，S2...雙向切換器 LI，L2…升壓電感器 Dl，D2…升壓二極體 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：