TWI608690B - 操作於邊界導通模式之無橋式升壓功因修正轉換器所用之升壓電感器去磁化偵測 - Google Patents

Description

操作於邊界導通模式之無橋式升壓功因修正轉換器所用之升壓電感器去磁化偵測

本發明係關於用於功率轉換之電路。更具體而言，本發明係關於用於具有功因修正(PFC)之無橋式升壓功率轉換器之控制電路。

一習知PFC轉換器包含二極體電橋，其提供一交流輸入電壓之全波整流，使得該習知PFC轉換器之功率轉換電路始終接收一正極性輸入電壓。該功率轉換電路通常包含具有用於去磁化感測之一輔助繞組之一升壓電感器。該輔助繞組耦合至包含一類比比較器或一積體電路(IC)裝置之一偵測電路。

一習知升壓轉換器之常用操作模式包含一連續導通模式及一邊界導通模式。在該連續導通模式中，通過該升壓轉換器之一升壓電感器之電流係連續的。在該邊界導通模式中，當通過該升壓電感器之電流達到零(其係該連續導通模式與一不連續導通模式之間之一邊界)時，包含於該升壓轉換器中之一開關接通。在該不連續導通模式中，通過該升壓電感器之電流達到零且在一繞組重設時間段內保持為零，其導致一「靜滯區」。相應地，在通過該升壓電感器之電流達到零時之臨界點處，操作於該邊界導通模式中之一升壓轉換器接通該開關以 避免該「靜滯區」。操作於該邊界導通模式中之一升壓轉換器無需操作於該連續導通模式中之一升壓轉換器所需之一快速回復二極體。此外，該升壓轉換器之該開關能夠在該邊界導通模式中藉由零電流或實質上為零之電流而接通，其減少該升壓轉換器之切換損耗。

一無橋式PFC轉換器依靠包含於該無橋式PFC轉換器之切換電路內之二極體及開關來整流一交流輸入電壓。因為無橋式PFC轉換器引起至該PFC轉換器之功率轉換電路的該輸入電壓在該交流輸入電壓之每半週期交替於正極性與負極性之間，所以習知去磁化感測電路一般無法與無橋式PFC轉換器一起使用。更具體而言，習知去磁化感測電路使用二極體來將升壓電感器之輔助繞組耦合至感測電路，使得去磁化脈衝被發送至感測電路，且此二極體耦合僅允許由感測電路偵測一單一極性。

相應地，用於一無橋式PFC轉換器之一去磁化感測需要特殊設計考量，使得能夠偵測正極性及負極性兩者之去磁化脈衝。圖1展示具有一去磁化感測電路之一習知無橋式PFC轉換器10。

如圖1中所展示，無橋式PFC轉換器10包含與一升壓電感器L1串聯連接之一交流電源供應器AC。無橋式PFC轉換器10亦包含依一圖騰柱組態彼此串聯連接之一第一電晶體Q1及一第二電晶體Q2、以及彼此串聯連接之一第一二極體D1及一第二二極體D2。第一電晶體Q1及第二電晶體Q2與一電容器C1並聯連接。電容器C1係一儲能大容量電容器，且電容器C1處之電壓提供無橋式PFC轉換器10之直流輸出DC。無橋式PFC轉換器10亦可包含電流感測變壓器CS1及CS2，其等與第一電晶體Q1及第二電晶體Q2串聯以偵測流動通過第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之電流。

升壓電感器L1及交流電源供應器AC分別連接至第一電晶體Q1與第二電晶體Q2之間之一點及第一二極體D1與第二二極體D2之間之一 點。此配置容許PFC轉換器10用作為一無橋式PFC轉換器，此係因為交流電源供應器AC由第一電晶體Q1及第二電晶體Q2及第一二極體D1及第二二極體D2整流，使得始終將一正電壓施加至電容器C1之直流輸出端DC處。特定言之，當交流電源供應器AC輸出一正電壓時，第二電晶體Q2及第二二極體D2導通以將一充電電流提供至升壓電感器L1，且第一電晶體Q1及第二二極體D2導通以提供自升壓電感器L1至電容器C1之一放電電流。然而，當交流電源供應器AC輸出一負電壓時，第一電晶體Q1及第一二極體D1導通以將一充電電流提供至升壓電感器L1，且第二電晶體Q2及第一二極體D1導通以提供自升壓電感器L1至電容器C1之一放電電流。在交流電源供應器AC輸出一負電壓時之半週期期間，將交流電源供應器AC之該負電壓變換成一正電壓且將其供應至直流輸出端DC。

為執行PFC轉換器10中之升壓轉換，需要適當控制第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之接通-切斷操作，使得PFC轉換器10操作於一邊界導通模式中。特定言之，基於由一控制裝置11判定之接通時間及升壓電感器L1之磁化狀態而控制第一電晶體Q1及第二電晶體Q2以獲得所要邊界導通模式操作且獲得所要輸出電壓及輸入電流特性。

如圖1中所展示，無橋式PFC轉換器10之去磁化感測電路包含一感測電阻器R1、一差動放大器12、一隔離裝置ISO及控制裝置11。感測電阻器R1串聯配置於交流電源供應器AC與升壓電感器L1之間。橫跨感測電阻器R1之一電壓降由差動放大器12偵測，且自差動放大器12輸出之一信號由控制裝置11經由隔離裝置ISO而接收。如圖1中所展示，隔離裝置ISO可為一變壓器。根據橫跨感測電阻器R1之電壓，控制裝置11能夠藉由判定升壓電感器L1中之電流之一零交叉而偵測升壓電感器L1何時變為去磁化。更具體而言，控制裝置11能夠偵測流動通過感測電阻器R1之電流何時自一正電流改變至一負電流或流動通過 感測電阻器R1之電流何時自一負電流改變至一正電流。

升壓電感器L1之一磁化狀態根據流動通過升壓電感器L1之電流而改變。當接通PFC轉換器10之一升壓開關時，電流自交流電源供應器AC流動通過升壓電感器L1以產生一磁場且使升壓電感器L1磁化。在使升壓電感器L1磁化之後，切斷升壓開關且接通飛輪開關以將升壓電感器L1連接至直流輸出端DC。接著，切斷飛輪開關，且升壓電感器L1去磁化。基於升壓電感器L1之磁化狀態，控制裝置11輸出控制第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之接通-切斷操作之信號以維持PFC轉換器10之邊界導通模式操作。更具體而言，控制裝置11判定一時間延遲，在該時間延遲之後接通一升壓開關以起始一切換半週期。該時間延遲可由控制裝置11計算，或控制裝置11可基於包含(例如)輸入電壓、輸出電壓及負載條件之資訊而自一查找表判定該延遲時間。

升壓開關在交流電源供應器AC之每半週期改變於第一電晶體Q1與第二電晶體Q2之間。即，在交流電源供應器AC輸出一正電壓之半週期期間，根據由控制裝置11輸出之接通-切斷控制信號，第二電晶體Q2用作為升壓開關且第一電晶體Q1用作為一飛輪開關。相反地，在交流電源供應器AC輸出一負電壓之半週期期間，根據由控制裝置11輸出之接通-切斷控制信號，第一電晶體Q1用作為升壓開關且第二電晶體Q2用作為飛輪開關。

然而，由於根據橫跨感測電阻器R1之電壓而偵測升壓電感器L1之磁化狀態，所以與圖1中所展示之無橋式PFC轉換器10一起使用之去磁化感測電路降低無橋式PFC轉換器10之效率。具體而言，感測電阻器R1係一耗散元件，其使去磁化感測電路無法用於高效率應用中或無法用於依高電壓操作之無橋式PFC轉換器中。

本發明之較佳實施例提供具有去磁化感測之一無橋式PFC轉換 器，其不包含與一升壓電感器串聯之一感測電阻器。

根據本發明之一較佳實施例，一種無橋式轉換器包含：一升壓電感器，其與一交流電源串聯連接；一第一串聯電路，其包含彼此串聯連接之一第一切換裝置及一第二切換裝置；一第二串聯電路，其包含彼此串聯連接之一第三切換裝置及一第四切換裝置；一電容器，其與該第一串聯電路及該第二串聯電路並聯連接；及一磁化感測電路，其包含電感耦合至該升壓電感器之至少一輔助繞組。

該至少一輔助繞組較佳地包含一第一輔助繞組及一第二輔助繞組，且該第一輔助繞組及該第二輔助繞組較佳地彼此串聯連接。較佳地，一第一電阻器及一第二電阻器彼此串聯連接且配置於該第一輔助繞組與該第二輔助繞組之間。較佳地，一電壓比較器包含連接至該第一電阻器與該第二電阻器之間之一點的一第一輸入端及連接至一參考電壓之一第二輸入端，且該參考電壓較佳地係接地的。一控制裝置較佳地連接至該電壓比較器之一輸出端，且該控制裝置根據該電壓比較器之輸出而較佳地控制該第一切換裝置及該第二切換裝置。

該升壓電感器較佳地連接至該第一串聯電路之該第一切換裝置與該第二切換裝置之間之一點處。該交流電源較佳地連接至該第二串聯電路之該第三切換裝置與該第四切換裝置之間之一點處。該第一切換裝置及該第二切換裝置之各者較佳地為一場效電晶體。該第三切換裝置及該第四切換裝置之各者較佳地為二極體或一場效電晶體。

較佳地，一第一電流感測變壓器經配置以感測該第一切換裝置中之電流，且一第二電流感測變壓器經配置以感測該第二切換裝置中之電流。較佳地，一比較器電路包含：一第一輸入端，其選擇性地連接至該第一電流感測變壓器及該第二電流感測變壓器；及一第二輸入端，其連接至一參考電壓。當該第一切換裝置處於一接通狀態中時，該第一電流感測變壓器較佳地連接至該比較器電路，且當該第二切換 裝置處於一接通狀態中時，該第二電流感測變壓器較佳地連接至該比較器電路。一控制裝置較佳地連接至該比較器電路之一輸出端。該控制裝置根據該第一電流感測變壓器及該第二電流感測變壓器之一輸出而較佳地控制該第一切換裝置及該第二切換裝置。較佳地，一感測電阻器連接於該比較器電路之該第一輸入端與接地之間。

根據本發明之一較佳實施例，一種用於一電壓轉換器之一電感器的磁化感測電路包含：至少一繞組，其電感耦合至該電壓轉換器之該電感器；及一電壓比較器，其包含連接至該至少一繞組之一第一輸入端及連接至一參考電壓之一第二輸入端。該電壓比較器之一輸出係指示該電壓轉換器之該電感器之一磁化狀態的一信號。

較佳地，一控制裝置連接至該電壓比較器之一輸出端。該至少一繞組較佳地包含一第一繞組及一第二繞組，其中一第一開關較佳地連接至該第一繞組且一第二開關較佳地連接至該第二繞組。較佳地，該電壓轉換器之一輸入係一交流電源供應，且根據該交流電源供應之零交叉，該第一開關及該第二開關依一交替且互補之方式接通及切斷。該參考電壓較佳地係接地的。

根據本發明之一較佳實施例，一種用於控制一無橋式轉換器之方法包含：偵測通過該無橋式轉換器之一升壓開關及一飛輪開關之一電流；當該偵測電流達到零時，切斷該飛輪開關；根據該無橋式轉換器之至少一操作條件而判定一時間延遲；及在該時間延遲已逝去之後，接通該升壓開關。

較佳地，即時判定該時間延遲。較佳地，自一查找表判定該時間延遲。該操作條件較佳地包含以下之至少一者：該無橋式轉換器之一輸入端處之一輸入電壓；該無橋式轉換器之一輸出端處之一輸出電壓；該無橋式轉換器之該輸出端處之一負載之一條件；連接至該無橋式轉換器之該輸入端的一輸入線之一條件；連接至該無橋式轉換器之 該輸入端或該輸出端的一線之一條件；及該無橋式轉換器之一輸入或輸出之一預定理想時序。

參考附圖，將自本發明之較佳實施例之以下詳細描述明白本發明之上述及其他特徵、元件、步驟、組態、特性及優點。

10‧‧‧無橋式功因修改(PFC)轉換器

11‧‧‧控制裝置

12‧‧‧差動放大器

100‧‧‧無橋式功因修改(PFC)轉換器

100'‧‧‧經修改之無橋式功因修改(PFC)轉換器

110‧‧‧去磁化感測電路

111‧‧‧控制裝置

112‧‧‧比較器電路

113‧‧‧「反」閘

120‧‧‧電流感測電路

121‧‧‧控制裝置

122‧‧‧比較器

AC‧‧‧交流電源供應器

C1‧‧‧電容器

CS1‧‧‧電流感測變壓器

CS2‧‧‧電流感測變壓器

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

DC‧‧‧直流輸出端

DRV1‧‧‧驅動信號

DRV2‧‧‧驅動信號

ISO‧‧‧隔離裝置

L1‧‧‧升壓電感器

L11‧‧‧第一輔助繞組

L12‧‧‧第二輔助繞組

Q1‧‧‧第一電晶體

Q2‧‧‧第二電晶體

Q3‧‧‧第三電晶體

Q4‧‧‧第四電晶體

Q5‧‧‧電晶體

Q6‧‧‧電晶體

Q11‧‧‧第一電晶體

Q12‧‧‧第一電晶體

Q21‧‧‧第二電晶體

Q22‧‧‧第二電晶體

R1‧‧‧感測電阻器

R2‧‧‧電阻器

R3‧‧‧電阻器

R4‧‧‧電阻器

VIN‧‧‧輸入電壓

VOUT‧‧‧輸出電壓

VREF1‧‧‧參考電壓

VREF2‧‧‧參考電壓

ZCD‧‧‧零交叉參考信號

圖1係包含一去磁化感測電路之一習知無橋式PFC轉換器之一電路圖。

圖2A係根據本發明之一第一較佳實施例之一無橋式PFC轉換器之一電路圖。

圖2B係圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器之一修改方案之一電路圖。

圖3係圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器之一去磁化感測電路之一電路圖。

圖4係圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器之一電流感測電路之一電路圖。

圖5展示根據本發明之第一較佳實施例之與圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器、圖3中所展示之去磁化感測電路及圖4中所展示之電流感測電路相關聯之波形。

圖6展示根據本發明之一第二較佳實施例之與圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器及圖4中所展示之電流感測電路相關聯之波形。

圖7A及圖7B係使用一交錯拓撲配置來實施之本發明之第一較佳實施例之電路圖，藉此額外功率級經新增以增加可用輸出功率。

現將參考圖2A至圖7B來詳細描述本發明之較佳實施例。應注意：以下所有態樣中之描述具繪示性而非限制性，且不應被解釋為依任何方式限制本發明之應用或使用。

圖2A展示根據本發明之一第一較佳實施例之一無橋式PFC轉換器100。

如圖2A中所展示，無橋式PFC轉換器100包含與一升壓電感器L1串聯連接之一交流電源供應器AC。無橋式PFC轉換器100亦包含依一圖騰柱組態彼此串聯連接之一第一電晶體Q1及一第二電晶體Q2、以及彼此串聯連接之一第一二極體D1及一第二二極體D2。第一電晶體Q1及第二電晶體Q2與一電容器C1並聯連接。電容器C1係一儲能大容量電容器，且電容器C1處之電壓提供無橋式PFC轉換器100之直流輸出DC。較佳地，根據直流輸出DC之所要漣波電流及所要電壓而極化及額定電容器C1。較佳地，根據所要輸出滯留需要而選擇電容器C1之電容。無橋式PFC轉換器100較佳地包含具有與第一電晶體Q1及第二電晶體Q2串聯之初級繞組之電流感測變壓器CS1及CS2。如下文所描述，電流感測變壓器CS1及CS2較佳地將無橋式轉換器100耦合至圖4中所展示之一電流感測電路120，電流感測電路120偵測流動通過第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之電流。

升壓電感器L1及交流電源供應器AC分別連接至第一電晶體Q1與第二電晶體Q2之間之一點及第一二極體D1與第二二極體D2之間之一點。

為提供PFC轉換器100中之升壓轉換，第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之接通-切斷操作經控制使得PFC轉換器100操作於邊界導通模式中。特定言之，基於由一控制器或控制裝置判定之接通時間及升壓電感器L1之磁化狀態而切換第一電晶體Q1及第二電晶體Q2以以獲得所要邊界導通模式操作及直流輸出端DC處之所要電壓。相對於圖5而進一步描述第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之接通-切斷操作及控制。

升壓開關在交流電源供應器AC之每半週期改變於第一電晶體Q1與第二電晶體Q2之間。即，在交流電源供應器AC輸出一正電壓時之 半週期期間，第二電晶體Q2用作為升壓開關且第一電晶體Q1用作為飛輪開關。相反地，在交流電源供應器AC輸出一負電壓時之半週期期間，第一電晶體Q1用作為升壓開關且第二電晶體Q2用作為飛輪開關。在任何給定時間，升壓開關及飛輪開關之僅一者係接通的。再者，飛輪開關切斷與升壓開關接通之間較佳地存在一短延遲，如相對於圖5所進一步描述。

根據本發明之一較佳實施例，第一電晶體Q1及第二電晶體Q2各包含在相同於第一二極體D1及第二二極體D2之方向上偏壓之本體二極體。第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之本體二極體載送電流，直至接通第一電晶體Q1及第二電晶體Q2。較佳地，第一電晶體Q1及第二電晶體Q2係MOSFET。根據本發明之其他較佳實施例，第一電晶體Q1及第二電晶體Q2較佳地係GaN(氮化鎵)電晶體、IGBT(絕緣閘極雙極性電晶體)、碳化矽電晶體、雙極性電晶體及其類似者，其取決於特定應用、功率位準、輸出電壓、輸入電壓、操作頻率等等。較佳地，根據第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之動態特性而選擇第一電晶體Q1及第二電晶體Q2以提供一低導通損耗。

根據本發明之另一較佳實施例，若不包含一本體二極體之一電晶體用於第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之一或兩者，則二極體配置成與該電晶體並聯。

圖2B係一經修改之無橋式PFC轉換器100'之一電路圖。根據本發明之一較佳實施例，圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器100可經修改使得第一二極體D1及第二二極體D2分別由一第三電晶體Q3及一第四電晶體Q4替換，如圖2B中所展示。因為第三電晶體Q3及第四電晶體Q4具有比第一二極體D1及第二二極體D2低之一導通電壓降，所以效率被增加。然而，需要額外控制電路來控制第三電晶體Q3及第四電晶體Q4之接通及切斷操作。

較佳地，第三電晶體Q3及第四電晶體Q4係具有低RDSon值之MOSFET。即，當第三電晶體Q3及第四電晶體Q4操作於飽和狀態中時，第三電晶體Q3及第四電晶體Q4較佳地具有一低電阻，其提供比第一二極體D1及第二二極體D2之之導通損耗低之導通損耗，藉此增加經修改之無橋式PFC轉換器100'之效率。此外，因為依交流電源供應器AC之頻率接通及切斷第三電晶體Q3及第四電晶體Q4，所以第三電晶體Q3及第四電晶體Q4中之動態損耗實質上不影響經修改之無橋式PFC轉換器100'之操作。根據本發明之另一較佳實施例，第三電晶體Q3及第四電晶體Q4允許經修改之無橋式PFC轉換器100'在反向方向上操作以將一直流輸入電壓轉換成一交流輸出電壓，藉此提供一雙向轉換器。

圖3係圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器100之一去磁化感測電路110之一電路圖。

如圖3中所展示，去磁化感測電路110包含電阻器R2及R3、一比較器電路112、一控制裝置111及一變壓器，該變壓器包含升壓電感器L1及第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12。去磁化感測電路110亦包含一零交叉參考信號ZCD及輸入至比較器電路112之一負端子的一參考電壓VREF1。較佳地，參考電壓VREF1係接地的或根據產生於第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12處之電壓而判定參考電壓VREF1，諸如，將在比較器電路112之共模範圍內之約100mV至約200mV之間。可(例如)由連接至一穩定電壓源(例如具有變動不超過+/-5%之一輸出之一電壓源)之一電阻分壓器提供參考電壓VREF1。將零交叉參考信號ZCD提供為電晶體Q5及Q6之一控制信號，電晶體Q5及Q6歸因於連接於零交叉參考信號ZCD與電晶體Q5之一控制端子之間之一「反」閘113而形成一差動對。零交叉參考信號ZCD較佳地為與交流電源供應器AC之零交叉同步之一方波或一實質上呈方形之波。較佳 地，由感測交流電源供應器AC之零交叉的另一電路(圖中未展示)提供零交叉參考信號ZCD。

因此，當交流電源供應器AC輸出一正電壓時，零交叉參考信號ZCD將一正電壓輸入提供至去磁化感測電路110，該正電壓輸入接通電晶體Q6且將第二輔助繞組L12連接至接地。然而，當交流電源供應器AC輸出一負電壓時，零交叉參考信號ZCD將一負電壓輸入提供至去磁化感測電路110，該負電壓輸入在通過「反」閘113之後接通電晶體Q5且將第一輔助繞組L11連接至接地。

相應地，第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12依一交替方式連接至接地，使得不論交流電源供應器AC之電壓之極性如何，將一去磁化脈衝提供至比較器電路112之一正端子。

如圖3中所展示，去磁化感測電路110較佳地包含電阻器R2及R3，其等配置於第一輔助繞組L11與第二輔助繞組L12之間，使得電阻器R2與R3之間之一點提供比較器電路112之正端子之一輸入信號。 當升壓開關在升壓電感器L1之一充電間隔期間接通時，電阻器R2及R3限制輸入至比較器電路112之電流。當升壓電感器L1充電時，根據AC輸入源之極性，第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12之一端透過第五電晶體Q5及第六電晶體Q6之各自者而連接至接地。較佳地，電阻器R2及R3各具有一大阻抗以限制其等之功率耗散。較佳地，電阻器R2及R3之電阻經選擇使得形成於電阻器R2與R3之間之時間常數及第一輔助繞組L11或第二輔助繞組L12之任何寄生電容性元件不引入一額外延遲於感測電路中。根據本發明之另一較佳實施例，電阻器R2及R3代以分別與第五電晶體Q5及第六電晶體Q6串聯連接，藉此容許第一輔助繞組L11或第二輔助繞組L12直接連接或形成為具有一中心分接頭之一單一輔助繞組。

由控制裝置111接收自比較器電路112輸出之一信號，該信號基於 自第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12提供之去磁化脈衝。根據由比較器電路112輸出之該信號，控制裝置111能夠藉由測量橫跨第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12之電壓而偵測升壓電感器L1將何時變為去磁化。更具體而言，在升壓電感器L1降至零時之飛輪時期結束時，橫跨升壓電感器L1之電壓幾乎振盪至交流電源供應器AC之瞬時電壓。升壓電感器L1之電壓之此變化誘發第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12之電壓之一對應變化。根據交流電源供應器AC之極性，由一比較器電路112及控制裝置111感測第一輔助繞組L11或第二輔助繞組L12上之電壓。一旦電感器電流降至零，則升壓電感器L1上之電壓變化發生。控制裝置111根據自比較器電路112輸出之信號而控制第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之圖騰柱組態中之升壓開關之接通時序。

如上文所描述，升壓開關在交流電源供應器AC之每半週期改變於第一電晶體Q1與第二電晶體Q2之間。

圖4係耦合至圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器100之電流感測電路120之一電路圖。

如圖4中所展示，電流感測電路120包含一對第一電晶體Q11及Q12、一對第二電晶體Q21及Q22、一電阻器R4、一比較器122及一控制裝置121。與第一電晶體Q1同相地驅動第一電晶體對Q11及Q12，且與第二電晶體Q2同相地驅動第二電晶體對Q21及Q22。在第一電晶體Q1之切斷時間期間，第一電晶體對Q11及Q12使電阻器R4與電流感測變壓器CS1之次級繞組解耦合，且在第二電晶體Q2之切斷時間期間，第二電晶體對Q21及Q22使電阻器R4與電流感測變壓器CS2之次級繞組解耦合。使電阻器R4與電流感測變壓器CS1及CS2之次級繞組解耦合，使得電流感測變壓器CS1及CS2可開發待重設之一足夠電壓-時間乘積。較佳地，第一電晶體對Q11及Q12及第二電晶體對Q21及Q22係MOSFET。電流感測變壓器CS1及CS2之各者歸因於存在於MOSFET中 之固有本體二極體而需要一對電晶體(即，第一電晶體對Q11及Q12及第二電晶體對Q21及Q22)。較佳地，第一電晶體對Q11及Q12及第二電晶體對Q21及Q22經配置使得其等在被驅動於切斷狀態中時阻斷兩個方向之任一者上之電流。電流感測電路120亦包含輸入至比較器122之負端子的一參考電壓VREF2。電流感測電路120藉由電流感測變壓器CS1及CS2而耦合至無橋式PFC轉換器100。如圖2A、圖2B及圖4中所展示，電流感測變壓器CS1及CS2較佳地包含與無橋式PFC轉換器100之第一電晶體Q1及第二電晶體Q2串聯之初級繞組，且包含分別連接至電流感測電路120之第一電晶體對Q11及Q12及第二電晶體對Q21及Q22的次級繞組。相應地，電流感測電路120經由電流感測變壓器CS1及CS2而偵測流動通過第一電晶體Q1及第二電晶體Q2之電流。

如圖4中所展示，由控制無橋式PFC轉換器100之第一電晶體Q1的相同驅動信號DRV1將電流感測電路120之第一電晶體對Q11及Q12較佳地驅動成接通及切斷。此外，由控制無橋式PFC轉換器100之第二電晶體Q2的相同驅動信號DRV2將電流感測電路120之第二電晶體對Q21及Q22較佳地驅動成接通及切斷。

如圖4中所展示，電流感測電路120較佳地包含配置於比較器122之一正端子與接地之間之電阻器R4。電流感測變壓器CS1及CS2之輸出係一電流，其分別對應於第一電晶體Q1及第二電晶體Q2中之電流。電阻器R4將此電流變換成由比較器122感測之一電壓。較佳地，電阻器R4具有一相對較低電阻。

較佳地，參考電壓VREF2將一直流參考電壓提供至比較器122之負端子。較佳地，參考電壓VREF2係接地的或根據產生於電流感測變壓器CS1及CS2處之電壓而判定參考電壓VREF2，諸如，將在比較器122之共模範圍內之約100mV至約200mV之間。根據本發明之各種較佳實施例，可由(例如)一外部電路、連接至一直流電源供應器之一分 壓器、至接地之一連接等等提供參考電壓VREF2。

較佳地，第一電晶體對Q11及Q12及第二電晶體對Q21及Q22係小信號電晶體，例如小信號MOSFET。

根據本發明之一較佳實施例，圖3中所展示之控制裝置111及圖4中所展示之控制裝置121係相同控制裝置或係相同控制裝置之子裝置。例如，控制裝置111及121兩者可為包含於一處理器(諸如一數位信號處理器(DSP))內或包含於一控制器(諸如一類比控制器)內之模組、子電路、元件或程序。

圖4中所展示之電流感測電路120亦可耦合至圖2B中所展示之經修改之無橋式PFC轉換器100'。如圖2B及圖4中所展示，經修改之無橋式PFC轉換器100'經由第一電流感測變壓器CS1及第二電流感測變壓器CS2而耦合至電流感測電路120，如上文所描述。

圖5展示根據本發明之第一較佳實施例之與圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器100、圖3中所展示之去磁化感測電路110、及圖4中所展示之電流感測電路120相關聯之波形。

圖5之第一行展示與由交流電源供應器AC提供之輸入電壓之一正半週期相關聯之波形，且圖5之第二行展示與由交流電源供應器AC提供之輸入電壓之一負半週期相關聯之波形。如圖5之第一行中所展示，當交流電源供應器AC提供一正電壓時，第一電晶體Q1用作為飛輪開關且第二電晶體Q2用作為升壓開關。然而，如圖5中之第二行中所展示，當交流電源供應器AC提供一負電壓時，第二電晶體Q2用作為飛輪開關且第一電晶體Q1用作為升壓開關。

如圖5之第一行中所展示，當飛輪開關接通時(即，當第一電晶體接通時)，升壓電感器L1之電流下降，同時升壓電感器L1之電壓實質上恆定地保持為等於直流輸出端DC之輸出電壓VOUT與交流電源供應器AC之輸入電壓VIN之幅值之間之差值的一電壓。升壓電感器L1之 電壓在第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12之一者中誘發具有一相反極性之一對應電壓。第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12中所誘發之電壓係去磁化脈衝(其幅值等於或實質上等於直流輸出端DC之輸出電壓VOUT與交流電源供應器AC之輸入電壓VIN之幅值之間之差值)除以升壓電感器L1與第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12之一者之間之匝數比Nboost。

當升壓電感器L1之電流達到零時，由電流感測電路120經由電流感測變壓器CS1及CS2而偵測之電流感測信號亦達到零。當控制裝置121偵測到電流感測信號達到零時，控制裝置121切斷飛輪開關(即，第一電晶體Q1)。在升壓開關(即，第二電晶體Q2)接通之前，升壓電感器電壓振盪至接近於交流電源供應器AC之輸入電壓VIN的一位準，且去磁化脈衝(即，第二輔助繞組L12中之電壓)振盪至零或幾乎為零。較佳地，再次接通第二電晶體Q2以前之時間延遲經判定使得少量振盪發生於接通升壓開關(即，第二電晶體Q2)時。當去磁化脈衝達到一臨限電壓時，控制裝置121接通升壓開關(即，第二電晶體Q2)。該臨限電壓較佳地係零伏特；然而，亦可使用一非零電壓之臨限電壓。

根據本發明之一較佳實施例，由控制裝置111及121計算飛輪開關切斷與升壓開關接通之間之時間延遲。根據本發明之另一較佳實施例，回應於控制裝置111偵測到升壓電感器L1被去磁化而僅接通升壓開關，使得時間延遲僅起因於電路組件之固有延遲，諸如傳播延遲、切換延遲等等。

根據本發明之另一較佳實施例，控制裝置111及121代以基於包含(例如)輸入電壓、輸出電壓及負載條件之資訊而自一查找表判定時間延遲。

在時間延遲之後，接通升壓開關(即，第二電晶體Q2)。此引起升 壓電感器L1之電流增大，引起升壓電感器L1之電壓恆定或實質上恆定地保持為等於或實質上等於交流電源供應器AC之輸入電壓VIN的一電壓，且引起去磁化脈衝之電壓(即，第二輔助繞組L12中之電壓)恆定或實質上恆定地近似保持為交流電源供應器AC之瞬時電壓除以升壓電感器L1之主繞組與第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12之間之匝數比。升壓開關之接通時間由控制裝置111及121(其提供調節直流輸出DC及來自交流電源供應器AC之輸入電流的一閉合迴路)判定，且取決於無橋式PFC轉換器100之輸出功率及交流電源供應器AC之電壓之幅值。

接著，切斷升壓開關(即，第二電晶體Q2)，接通飛輪開關(即，第一電晶體Q1)，且重複上述循環。

如圖5之第二行中所展示，類似波形生成於無橋式PFC轉換器100操作於由交流電源供應器AC提供之輸入電壓之負半週期期間時。如上文所描述，在由交流電源供應器AC提供之輸入電壓之負半週期期間，第二電晶體Q2用作為飛輪開關且第一電晶體Q1用作為升壓開關。然而，不論由交流電源供應器AC提供之輸入電壓之極性如何，電流感測信號及去磁化脈衝具有相同極性。

圖5中所展示之波形僅用於描述之目的，且未按比例繪製。特定言之，圖5中所展示之時間延遲(飛輪開關切斷與升壓開關接通之間)已被擴大以繪示升壓電感器L1之電壓及去磁化脈衝之電壓(即，第一輔助繞組L11及第二輔助繞組L12中之電壓)之波形。此外，圖5中所展示之去磁化脈衝係一理想化脈衝，且可代以在接通升壓開關時漸近地接近零或圍繞零振盪。

圖6展示根據本發明之一第二較佳實施例之與圖2A中所展示之無橋式PFC轉換器100及圖4中所展示之電流感測電路120相關聯之波形。

如圖2A、圖4及圖6中所展示，根據本發明之一第二較佳實施例，可省略圖3之去磁化感測電路110。根據本發明之上述第一較佳實施例，由去磁化脈衝(即，第一輔助繞組L11或第二輔助繞組L12中之電壓)偵測升壓電感器L1之去磁化。然而，根據本發明之第二較佳實施例，由電流感測電路120經由電流感測變壓器CS1及CS2而偵測之電流感測信號可代以用於判定升壓電感器L1何時被去磁化。

例如，如圖6中所展示，本發明之第二較佳實施例依靠來自由電流感測電路120偵測之電流感測信號之電流資訊來控制升壓開關及飛輪開關兩者之時序。更具體而言，當電流感測電路120之控制裝置121判定升壓電感器L1之電流已達到零時，控制裝置121切斷飛輪開關。接著，控制裝置121判定一時間延遲且在該時間延遲之後，控制升壓開關接通。較佳地，由控制裝置121根據因數而判定該時間延遲，該等因數包含(例如)用於線條件、負載條件及輸出條件之一理想時序。

控制裝置即時計算時間延遲或使用一查找表來基於包含(例如)輸入電壓、輸出電壓及負載條件之資訊而判定時間延遲。

根據本發明之各種較佳實施例，在無需配置成與一無橋式PFC轉換器中之一升壓電感器串聯之一電阻器或其他耗散元件之情況下執行該升壓電感器之去磁化。因此，根據本發明之各種較佳實施例之無橋式PFC轉換器能夠依具有用於感測及控制之最小功率損耗之一有效率方式操作，特定言之，依高位準之輸入電壓操作。另外，因為未藉由至無橋式PFC轉換器之一直接電及實體連接而執行去磁化感測(即，僅使用基於一感測電路之一電感耦合或一計算)，所以無需在控制裝置之一輸入端處包含一隔離裝置。

雖然本文相對於一交流輸入電壓而描述本發明之較佳實施例，但本發明之較佳實施例不限於此，而是亦可應用於包含一直流輸入電壓、一半波交流輸入電壓等等之轉換器。此外，本發明之較佳實施例 可應用於兩個極性之任一者之輸入電壓。

本發明之較佳實施例可應用於包含無橋式PFC轉換器之兩個或兩個以上級之一交錯拓撲以提供(例如)輸出功率之一增大。較佳地，無橋式PFC轉換器之兩個或兩個以上級並聯連接，且用於切換無橋式PFC轉換器之該兩個或兩個以上級之相位係交錯的。較佳地，一單一控制器用於控制無橋式PFC轉換器之所有級。圖7A中所展示之N級交錯拓撲對應於其中使用第一二極體D1及第二二極體D2之圖2A，同時圖7B中所展示之N級交錯拓撲對應於其中使用第三電晶體Q3及第四電晶體Q4之圖2B。圖7A及圖7B中使用相同於圖2A及圖2B中所使用之元件符號的元件符號，此係因為圖7A及圖7B之N級拓撲類似於圖2A及圖2B之單級拓撲。

雖然上文已描述本發明之較佳實施例，但應瞭解，熟習技術者將明白不背離本發明之範疇及精神之變動及修改。因此，本發明之範疇將僅由以下申請專利範圍判定。

100‧‧‧無橋式功因修改(PFC)轉換器

AC‧‧‧交流電源供應器

C1‧‧‧電容器

CS1‧‧‧電流感測變壓器

CS2‧‧‧電流感測變壓器

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

DC‧‧‧直流輸出端

L1‧‧‧升壓電感器

L11‧‧‧第一輔助繞組

L12‧‧‧第二輔助繞組

Q1‧‧‧第一電晶體

Q2‧‧‧第二電晶體

Claims (17)

1. 一種無橋式轉換器，其包括：一單一升壓電感器，其與一交流電源串聯連接；一第一串聯電路，其包含彼此串聯連接之一第一切換裝置及一第二切換裝置；一第二串聯電路，其包含彼此串聯連接之一第三切換裝置及一第四切換裝置；一電容器，其與該第一串聯電路及該第二串聯電路並聯連接；及一磁化感測電路，其包含：第一輔助繞組及第二輔助繞組，其等電感耦合至該單一升壓電感器並彼此串聯連接；第一電阻器及第二電阻器，其等彼此串聯連接且連接於該第一輔助繞組與該第二輔助繞組之間；一第五切換裝置，其連接至該第一輔助繞組；一第六切換裝置，其連接至該第二輔助繞組；及一電壓比較器，其包含連接至該第一電阻器與該第二電阻器之間之一點的一第一輸入端及連接至一參考電壓的一第二輸入端。
2. 如請求項1之無橋式轉換器，其中參考電壓係接地的。
3. 如請求項1之無橋式轉換器，其進一步包括連接至該電壓比較器之一輸出端的一控制裝置。
4. 如請求項3之無橋式轉換器，其中該控制裝置根據該電壓比較器之輸出而控制該第一切換裝置及該第二切換裝置。
5. 如請求項1之無橋式轉換器，其中該升壓電感器連接至該第一串 聯電路之該第一切換裝置與該第二切換裝置之間之一點處。
6. 如請求項1之無橋式轉換器，其中該交流電源連接至該第二串聯電路之該第三切換裝置與該第四切換裝置之間之一點處。
7. 如請求項1之無橋式轉換器，其中該第一切換裝置及該第二切換裝置之各者係一場效電晶體。
8. 如請求項1之無橋式轉換器，其中該第三切換裝置及該第四切換裝置之各者係一二極體。
9. 如請求項1之無橋式轉換器，其中該第三切換裝置及該第四切換裝置之各者係一場效電晶體。
10. 如請求項1之無橋式轉換器，其進一步包括：一第一電流感測變壓器，其經配置以感測該第一切換裝置中之電流；及一第二電流感測變壓器，其經配置以感測該第二切換裝置中之電流。
11. 如請求項10之無橋式轉換器，其進一步包括一比較器電路，該比較器電路包含選擇性地連接至該第一電流感測變壓器及該第二電流感測變壓器之一第一輸入端及連接至一參考電壓之一第二輸入端。
12. 如請求項11之無橋式轉換器，其中：當該第一切換裝置處於一接通狀態中時，該第一電流感測變壓器連接至該比較器電路；及當該第二切換裝置處於一接通狀態中時，該第二電流感測變壓器連接至該比較器電路。
13. 如請求項11之無橋式轉換器，其進一步包括連接至該比較器電路之一輸出端的一控制裝置。
14. 如請求項13之無橋式轉換器，其中該控制裝置經組態以根據該第一電流感測變壓器及該第二電流感測變壓器之一輸出而控制該第一切換裝置及該第二切換裝置。
15. 如請求項11之無橋式轉換器，其進一步包括連接於該比較器電路之該第一輸入端與接地之間之一感測電阻器。
16. 如請求項1之無橋式轉換器，其中根據該交流電源之零交叉，該第五切換裝置及該第六切換裝置依一交替且互補之方式接通及切斷。
17. 如請求項1之無橋式轉換器，其中該磁化感測電路提供一信號，該信號指示在該單一升壓電感器中之電流變為零之後該單一升壓電感器之一磁化狀態。