TWI364641B - Bridgeless pfc system for critical conduction mode and controlling method thereof - Google Patents

Description

1364641 4 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明揭露一種用於臨界導通模式（Critical Conduction Mode)之無橋功率因數校正電路（Bridgeless PFC)及其控制方法，可用以解決無橋PFc的臨界導通模式 之控制問題。 【先前技術】 ❿ 傳統的升壓型功率因數校正電路(Boost PFC)電路中整 流橋彳貝耗成為整個開關電源的主要損耗之一。隨著對轉換 效率的要求提高’由傳統Boost PFC拓撲衍生而來的無橋 Boost拓撲逐漸成為研究的焦點。它省略掉了 Boost PFc前 端的整流橋，減少了一個二極體的通態損耗，提高了效率。 而雙重升壓型功率因數校正電路(DualB〇〇stpFC，DBpFC) 是一種適用於中、大功率的無橋PFC拓撲（參見第一圖）。在 φ 第一圖中，該無橋PFC接收輸入電壓Vin與產生一輸出電壓 V〇 ’且包括二極體D1-D4，開關S1_S2，電感U_L2與輸出 電容Co。 在中、小功率應用中，工作於臨界連續電流模式下的 傳統Boost PFC拓撲，因其結構簡單，穩定性好，開關應力 小，得到了廣泛的應用。在臨界導通模式中，電感電流必 須在下一個週期開始之前下降到零。因為金氧半場效電晶 體(MOSFET)在電感電流達到零之前無法導通，而且沒有升 5 1364641 壓整流二極體的反向恢復損耗，這一模式下的工作效率較 . 高。其次，因為週期之間沒有死區時間（dead time)，交流線 . 路電流是連續的，流過線圈的是一個三角波電流。PFC將 - 調整這些三角波的幅度以使得線圈電流平均為（整流後的） -正弦波（參見第二圖，其中之三角波區域之意義及波形與橫 座標等之名稱均如該圖所示，在此不再贅述）。 在傳統的Boost PFC中，通常運用檢測Boost電感輔 助繞組電壓的方法來判斷電感電流歸零的時間，從而實現 φ 臨界連續電流模式控制。電感辅助繞組的極性與電感相 反，MOSFET導通時，輔助繞組電壓為負值，且與整流後 的交流電壓幅值成比例；MOSFET關斷時，輔助繞組之電 壓感應為正值，與輸出電壓和整流後交流電壓的差值成比 例，當電感電流歸零時，MOSFET輸出端之雜散電容和升 壓電感諧振，輔助繞組的電壓諧振下降，當其低於1C所設 定的門檻電壓(threshold voltage)時，即送出導通MOSFET 的信號，這樣就可以實現臨界導通模式的控制。這種方法 φ 已經為許多1C採用，例如L6561、FAN7528、NCP1606、 UCC38050等（參見第三圖）。第三圖是習知之BoostPFC電 路中通過檢測Boost電感輔助繞組電壓實現臨界連續電流 模式控制的電路示意圖。在第三圖中，該PFC接收輸入電 壓Vin與產生一輸出電壓Vo，且包括二極體D1-D6，電阻 R1-R6及Rzcc>，開關S1，積體電路(IC : FAN7529，具端 點：MOT、COMP、CS、INV與ZCD)、電感L1及輔助繞 組NAUX ’以及電容C；l-C2與Co，其中GND為接地端。 6 1364641 第四圖（a)-(b)係分別顯示習知之Dual Boost PFC電路 在一個工作頻率週期之正、負半週的工作狀態之電路示意 圖。第四圖所包含之元件與第一圖中者相同’其中開關S1 和S2的驅動信號同相。輸入電壓vin正半周時，匕卜D3、 Dl、S1與Cl組成一個BOOST電路。S1開通時，電流流 過LI、S1，而其返回路徑有兩條，·一是經D1返回’一是 經S2和L2返回；S1關斷時’電流流過LI、與C1，其 返回路徑同上，一是經D1返回’ 一是經S2的體二極體和 L2返回。輸入電屋負半周時，L2、D4、S2、D2與C1組 成另外一個BOOST電路。S2開通時’電流流過L2、S2 ’ 返回路徑有兩條，一是經D2返回，一是經S1和L1返回； S2關斷時，電流流過L2、D4與C1，返回路徑一是經D2 返回，一是經S1的體二極體和L1返回。由於D1與D2甜 制交流到BOOST的輸出負端’可以獲得與傳統B〇〇st PFC 電，路相同的共模雜訊。由於在一個開關週期内電流只經過 兩個元件，減小了導通損耗。 第五圖是利用電流互感器實現臨界導通模式控制的習 知之Dual Boost PFC的電路示意圖。除與第一圖相同的部 分外，其上包括一 RS正反器，一比較器、一誤差放大器 EA與三個電流互感器CT1-CT3。由於Dual Boost PFC電 路在輸入電壓正負半周時共對應了三個電流支路，所以必 須以對應的三個電流互感器CT1-CT3採樣電感電流’在電 感電流歸零時導通MOSFET以實現臨界導通模式控制。 MOSFET的關斷時刻由斜波信號(ramp signal)和電壓誤差 7

Claims (1)

1364641 月叫曰修正f換頁: 十、申請專利範圍： 1.一種無橋功率因數校正電路(bridgeless PFC)系統，包含： 一無橋功率因數校正電路，具有一第一與一第二輸入端 及一第一與一第二輸出端，且包括： 一第一切換開關，具一第一端與一第二端，其中該 第二端耦合於該第二輸出端； 一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一 端耦合於該第一輸入端，且該第二端耦合於該第一切換開 關之該第一端； 一第二電感，具一第一端耦合於該第二輸入端； 一第一二極體，具一陽極與一陰極，其中該陰極耦 合於該第二電感之該第一端，且該陽極耦合於該第一切換 開關之該第二端；以及 一第二二極體，具一陽極與一陰極，其中該陰極耦 合於該第一電感之該第一端，且該陽極耦合於該第一切換 開關之該第二端；以及 一電感電流感測電路，包括： 一第一輔助繞組，磁性耦合於該第一電感，且具一 第一端用於產生一第一感測信號； 一第二輔助繞組，磁性耦合於該第二電感，且具一 第一端用於產生一第二感測信號， 其中該第一感測信號與第二感測信號用於產生一電感 電流檢測信號，且當該電感電流檢測信號之一值為零時， 導通該第一切換開關。 20 1364641 Wi年1月18日修訂 2·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該第 :且與該第二輔助繞組更分別包括一第二 組之該第二端與該第二辅助繞組之該第二端均:::繞 :定電㈣或接地，該第-輔助繞組之-極性㈣匕 極性相反’該第二輔助繞組之—極性賴 之極性相反，該電感電流感測電路更包括： 之 一筮一Φ α 輔助繞 苐電阻’具一第一端盘一當 耦合於該第二辅助繞組之該第一 第二電阻，具一第一端與一第 端 其中該第 端 耦合於該第一輔助繞組之該第一端 第一電阻之第二端；以及 一電容，具一第一端與第二端 端，其中該第 且該第二端耦合於該 其中該第一端耦合於 端 該第二電阻之竽第-护/、Τ琢弟一端耦合於 第二端與輸出該電感電流檢測信號，且該i如:二專:Γ=述之系統，其中該無橋功率因 PFC) m立厂率板正電路（dual boost C)该雙重升塵型功率校正電路更包括 關’當該電感電流檢測信號之—值 —換開 換開關，且該第—電阻的第為零”導通該第二切 “由w 與電阻具有相同之電阻值。 4·如申凊專利範圍第2項所述之系 值 其中該第二電感更包括一第二控制電路， 路為一雔香4二 而，5亥無橋功率因數校正電 格马雙重升壓型功率校正雷拉 電路更^ ι〜 錢重型功率校正 夂且二t 弟一端與—第二端之第二切換開關，及 …㈣與一陰極之一第三與—第四二極體，該第三二 21 1364641

極體之該陽極搞合於該第一電感之該第 該第-輸出端，該第四二極體之該陽極 第-電感之該第二端與該第二切換開關之 四二極體之該陰極轉合於該第一輸出端一 =第二端與該第二切換開關之該第二端輕合於 该弟一輸出编，且該控制電路包括： 雙重升壓型功率校 且用以產生一第一

一錯誤放大器，接收一參考電壓與該 正電路所產生之一輪出電壓回饋信號， 輪出信號； 二器一’第接：號輪：與-外加之斜姆 踹，：正由反器’具一第一輸入端、一第二輸入端與-輸出 八該第-輸人端接收該電感電流檢測信號，該第二 輸入端接收該第二輸出信號’該輸出端產生—驅動信號， 且該驅動信號用於轉該第-與該第二切換開關。 5.如申請專利範圍第4項所述之系統，其中該正反器係為 一 RS正反器。 6.一種無橋功率因數校正電路(bridgeless PFC)系統，包含： 一無橋功率因數校正電路，具有一第一與一第二輸入 端，且包括： 一第一切換開關，具一第一端與—第二端； 山一第一電感，具一第一端與一第二端，其中該第一 端輕合於該第-輸人端’ ^該第二钟合於該第—切換開 關之該第一端； 22 1364641 « « 一第二電感，第 一 ^第—端耦合於該第二 第極體具一陽極與一陰極，其中該陰極耦 合於該第二電感之該第-端，且該陽極耦合於該第一切換 開關之該第二端；以及 、 一第二二極體，具— 合於該第一電感之該第一端 開關之該第二端； 陽極與一陰極’其中該陰極耦 ’且該陽極搞合於該第一切換

一第一輔助繞組 測信號； 耦合於該第一電感，且產生一第一感 以及 一第二輔助繞組，耦合於該第二電感，且產生一第二感 測信號； ~ 其中該第-感測信號與第二感測信號用於產生一電感 電流檢測信號’且當該電感電流檢測信號之—值為零時， 導通該第一切換開關。

7.如申请專利範圍第6項所述之系統，其中該第—輔助繞 組之-極性與該第—電感之—極性相反，該第三輔助繞組 ^-極性與該第二電感之—極性相反，該第—輔助繞組具 一f一端與一第二端，該第一輔助繞組之該第一端輸出該 第一感測信號，該第二輔助繞組具一第一端與一第二端， =第，輔助繞組之該第一端輸出該第二感測信號，且該第 一與該第二輔助繞組之該第二端用於接收一預定電壓或接 地，而該系統更包括： 一第一電阻，具一第一端與一第二端，其中該第一端 23 ^04641 呀止錢頁 耦合於該第二輔助繞組之該第一端； 一~—- 一第二電阻，具一第一端與一第二端，其中該第一端 1該第-輔助繞組之該第一端，且該第二端輕合 第一電阻之第二端；以及 ㈣Γ電容，具一第一端與第二端’其中該第一端輕合於 二一電阻之該第二端與輸出該電感電流檢測信號，且兮 第二端接地。 t申請專利範圍第7項所述之系統，其中該第一電阻與 U第一電阻具有相同之電阻值。 ^如:請專·圍第7項所述之純更包括—控制電路， 技冑感更包括一第二端’該無橋功率因數校正電 電料型功率校正電路，該雙重升壓型功率校正 二端之U一與一第二輸出端、一具一第一端與-第 帛一切換開關’及各具一陽極與一陰極之一第三與 之體’該第三二極體之該陽極麵合於該第一電感 端二广：第三二極體之該陰極耦合於該第-輸出 第四二極體之該陽_合於該第二電感之 合於該第-輪出端，該ί 一:換=四二;體，該陰軸 切換開關之該第二端耦合於第第-為與該第-包括： ％这第一輸出端，且該控制電路 •Ρ雪致錯誤放大益’接收—參考電顯該雙重升屋型功率校 輸出信號；輸出電屋回饋信號，且用以產生一第一 24 1364641 101年1月18日修訂 -比較器’接收該第一輸出信號與 且用以產生一第二輸出信號；以及 针皮彳°唬， 一正反态，具一第一輸入一 ^ , ^ ^ ^ 弟一輸入知與一輪出 ”中*"弟一輸入端接收該電感電流檢測信號，該第一 輸入端接收該第二輸出信號，該輸出端產生-驅動作號Γ 且該驅動信號用於驅動該第_與該第二切換開關。〜 切換開關，一第一與一第 10.-種用於-無橋功率因數校正電路系統的控制方法，其 中該系統包括一無橋功率因數校正電路，該.電—第 電感，一耦合於該第一電感 一 +77払日日L ^ ^ 助繞 之第一輔助繞組，及一耦合於該第二 第 組，且該方法包含下列之步驟：電狀第 使該第一辅助繞組產生一第一感測信號； 使該第二辅助繞組產生一第二感測信號； 一運用該第-與該第二感側信號以產生—電感電流檢測 k 5虎，以及

申5青專利範圍¥ 1 0項所述之方法，其中該第一輔助 二’’且之—極性與該第—電感之一極性相反，且該第二辅助 A、且之極性與該第二電感之一極性相反。 12·如申請專利範圍第1〇項所述之方法，其中該無橋功率 因數校正電路係為一如申請專利範圍第3項所述之雙重升 【型功率因數校正電路。 13·如申請專利範圍第12項所述之方法，更包括下列之一 25 丄 步驟：當該電感電流檢測信號之一值為 切換開關。 等逋孩弟— ’其中該無橋功率 壓型功率因數校正電路/專利犯圍弟4項所述之雙重升 如申，—專利範圍第14項所述之方法更包括下列之—步 16 —錄紅—驅動信號以驅動該第-與該第二切換開關。 .…、橋功率因數校正電路(bridgeless pFc)系統 —無橋功率因數校正電路，具 3· 和-第-與-第二電源輸入端，且包括，一第二輸出端 —第一電感，· 一第二電感； 兩開關橋和一輸出電容，今 連接在該第一與該第二輸出端之關出電容 聯開關’該兩串聯開關其中嶋包括兩串 的可控開關，該兩開關橋各該第二輸出端 二電源輸入端；…亥第-電感連接到該第-和該第 端之間兩鉗位開關，連接在該第二輸出端與該兩電源輪入 第 弟辅助繞組，叙合於兮穿 感測信號；以及 、忒第—電感，且產生 一第二輔助繞組，耦合於該 感測信號；以及 苐一電感，且產生 第 26 1364641 丨修正替換頁 一個信號處理電路，處理該第一與該第二感 且產生—㈣信號以控制各該可控開關。K 17.如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該兩甜位開 關是兩二極體。 18如申請專利範圍第16項所述之系統，其中該信號處理 電路通過累加該第一與該第二感測信號產生該控制信號， 其為一電流過零點信號，並據以控制各該可控開關。 27