TWI761945B - 功率因數修正器 - Google Patents
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Abstract
一種功率因數修正器包含一整流單元、一單端初級電感轉換器、一電流感測器、一諧振單元、及一控制單元。該控制單元電連接該整流單元以偵測該整流單元將一交流輸出電壓所轉換出的一直流輸入電壓，並電連接該電流感測器以獲得流經該單端初級電感轉換器的一第一電感的一第一電感電流的大小，且還電連接一負載以偵測一直流輸出電壓，並還電連接該單端初級電感轉換器及該諧振單元，以控制對應的一主開關及一輔助開關達成零電壓切換，進而實現一種整體效率高且高功率因數的功率因數修正器。
Description
本發明是有關於一種功率因數修正器，特別是指一種利用單端初級電感轉換器(Single ended primary inductor converter，SEPIC)架構的功率因數修正器。
功率因數是負載所消耗的有效功率與視在功率的比值，在一定程度上反映出電力系統的發電機量被利用的比例，是合理用電的指標。而有的負載(如電氣產品)因為其內部阻抗的特性，使得其功率因數非常低。因此，為提高負載的功率因數，必須在電源輸入端加裝功率修正器。現有的功率因數修正器分為主動式及被動式，被動式功率因數修正器例如是LC型或π型低通濾波器，但其功率因數值大約只能達到70%，且體積較大。因此，在較嚴格的功率因數要求規範時，通常都採用主動式功率因數修正器。而各種主動式功率因數修正器的設計便存有改善效率及功率因數的空間。
因此，本發明的目的，即在提供一種利用單端初級電感轉換器(SEPIC)架構的功率因數修正器。
於是，本發明提供一種功率因數修正器，適用於接收一交流輸入電壓及一負載，並包含一整流單元、一單端初級電感轉換器、一電流感測器、一諧振單元、及一控制單元。
該整流單元接收該交流輸入電壓，並轉換而輸出一直流輸入電壓。該單端初級電感轉換器(Single ended primary inductor converter，SEPIC)電連接整流單元及該負載，以接收該直流輸入電壓並轉換而輸出一直流輸出電壓至該負載，且包括一第一電感及一主開關。
該電流感測器偵測流經該單端初級電感轉換器的該第一電感的一第一電感電流的大小。該諧振單元電連接該單端初級電感轉換器，並包括一輔助開關、一諧振電感、及一箝位電容，以組合成一諧振路徑。
該控制單元電連接該整流單元以偵測該直流輸入電壓，並電連接該電流感測器以獲得該第一電感電流的大小，且還電連接該負載以偵測該直流輸出電壓，並還電連接該單端初級電感轉換器及該諧振單元，以控制該主開關及該輔助開關達成零電壓切換。
在一些實施態樣中，其中，該控制單元根據該直流輸入電壓、該第一電感電流、及該直流輸出電壓，產生一主控制信號及一輔助控制信號以分別控制該主開關及該輔助開關操作在導通或不導通。
在一些實施態樣中，其中，該整流單元是包括四個二極體的二極體電橋(Diode bridge)。
在另一些實施態樣中，其中，該單端初級電感轉換器的該主開關及該諧振單元的該輔助開關都包含並聯的一背接二極體及一寄生電容。
在另一些實施態樣中，其中，該整流單元包括輸出該直流輸入電壓的一正輸出端及一負輸出端，該單端初級電感轉換器還包括一第一電容、一第二電感、一第一二極體、及一輸出電容，該第一電感包含電連接該整流單元的該正輸出端的一第一端及一第二端，該主開關包含電連接該第一電感的該第二端的一第一端、接收該主控制信號的一控制端、及電連接該整流單元的該負輸出端的一第二端，該第一電容包含電連接該第一電感的該第二端的一第一端及一第二端，該第二電感包含電連接該第一電容的該第二端的一第一端，及電連接該整流單元的該負輸出端的一第二端，該第一二極體包含電連接該第二電感的該第一端的一陽極端及一陰極端，該輸出電容包含電連接該第一二極體的該陰極端的一第一端，及電連接該整流單元的該負輸出端的一第二端，該負載與該輸出電容並聯。
在一些實施態樣中，其中，該諧振單元的該箝位電容與該輔助開關串聯，再與該單端初級電感轉換器的該主開關形成並聯，該諧振電感電連接於該單端初級電感轉換器的該第一電容的該第二端與該第二電感的該第一端之間。
本發明的功效在於：藉由該諧振單元的該諧振路徑，使得該控制單元根據該第一電感電流、該直流輸入電壓、及該直流輸出電壓，控制該主開關及該輔助開關達成零電壓切換，進而實現一種整體效率高且高功率因數的SEPIC架構的功率因數修正器。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明功率因數修正器之一實施例，適用於一交流電壓源9及一負載R
PFC，並包含一整流單元1、一單端初級電感轉換器2、一電流感測器3、一諧振單元4、及一控制單元。
該整流單元1電連接該交流電壓源9以接收一交流輸入電壓V
AC，並轉換而輸出一直流輸入電壓V
in。在本實施例中，該整流單元1是包括一第一整流二極體D1、一第二整流二極體D2、一第三整流二極體D3、及一第四整流二極體D4，即共四個二極體的二極體電橋(Diode bridge)。該整流單元1還包括輸出該直流輸入電壓V
in的一正輸出端及一負輸出端，也就是說，該正輸出端及該負輸出端的跨壓等於該直流輸入電壓V
in。
該單端初級電感轉換器(Single ended primary inductor converter，SEPIC)2，電連接整流單元1及該負載R
PFC，以接收該直流輸入電壓V
in並轉換而輸出一直流輸出電壓V
Cbus至該負載R
PFC。
更詳細地說，該單端初級電感轉換器2包括一第一電感L
1,PFC、一主開關Q
main、一第一電容C
1,PFC、一第二電感L
2,PFC、一第一二極體D
PFC、及一輸出電容C
bus。該第一電感L
1,PFC包含電連接該整流單元1的該正輸出端的一第一端及一第二端。該主開關Q
main包含一背接二極體D
b,main、一寄生電容C
oss,main、電連接該第一電感L
1,PFC的該第二端的一第一端、接收一主控制信號S1的一控制端、及電連接該整流單元1的該負輸出端的一第二端，並受到該主控制信號S1的控制，以決定該第一端及該第二端之間導通或不導通。該第一電容C
1,PFC包含電連接該第一電感L
1,PFC的該第二端的一第一端及一第二端。該第二電感L
2,PFC包含電連接該第一電容C
1,PFC的該第二端的一第一端，及電連接該整流單元1的該負輸出端的一第二端。該第一二極體D
PFC包含電連接該第二電感L
2,PFC的該第一端的一陽極端及一陰極端。該輸出電容C
bus包含電連接該第一二極體D
PFC的該陰極端的一第一端，及電連接該整流單元1的該負輸出端的一第二端。該負載R
PFC與該輸出電容C
bus並聯。
該電流感測器3用於偵測流經該單端初級電感轉換器2的該第一電感L
1,PFC的一第一電感電流i
L1,PFC的大小，並例如是設置在該整流單元1的該正輸出端及該第一電感L
1,PFC的該第一端之間。
該諧振單元4電連接該單端初級電感轉換器2，並包括一輔助開關Q
aux、一諧振電感L
r,PFC、及一箝位電容C
c,PFC，以組合成一諧振路徑。更詳細地說，該箝位電容C
c,PFC與該輔助開關Q
aux串聯，再與該單端初級電感轉換器2的該主開關Q
main形成並聯。該諧振電感L
r,PFC電連接於該單端初級電感轉換器2的該第一電容C
1,PFC的該第二端與該第二電感L
2,PFC的該第一端之間。該輔助開關Q
aux包含並聯的一背接二極體D
b,aux及一寄生電容C
oss,aux，並受到一輔助控制信號S2的控制，以決定導通或不導通。
該控制單元例如是一微控制器(MCU)，且電連接該整流單元1以偵測該直流輸入電壓V
in，並電連接該電流感測器3以獲得該第一電感電流i
L1,PFC的大小，且還電連接該負載R
PFC以偵測該直流輸出電壓V
Cbus，並還電連接該單端初級電感轉換器2及該諧振單元4。該控制單元根據該直流輸入電壓V
in、該第一電感電流i
L1,PFC、及該直流輸出電壓V
Cbus，產生該主控制信號S1及該輔助控制信號S2以分別控制該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux的導通或不導通，進而達成零電壓切換。
更詳細地說，該控制單元藉由所產生的該主控制信號S1及該輔助控制信號S2，使得該單端初級電感轉換器2操作在一連續導通模式(CCM)，且在一個完整的切換週期可以分為六個區間，即一第一區間至一第六區間。因此，圖2示例性地說明該主控制信號S1、該輔助控制信號S2、該主開關Q
main的該第一端及該第二端的跨壓v
DS,main、該輔助開關Q
aux的兩端的跨壓v
DS,aux、流經該主開關Q
main的一主開關電流i
DS,main、流經該輔助開關Q
aux的一輔助開關電流i
DS,aux、流經該第一電感L
1,PFC的該第一電感電流i
L1,PFC、流經該第二電感L
2,PFC的一第二電感電流i
L2,PFC、流經該諧振電感L
r,PFC的一諧振電感電流i
Lr,PFC、及流經該第一二極體D
PFC的一個二極體電流i
D,PFC在該第一區間至該第六區間的態樣。
另外要特別補充說明的是：為簡化分析，假設以下三個條件：該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux的導通電阻可以被忽略；該第一二極體D
PFC視為理想，而無順向導通電壓與損失；該輸出電容C
bus夠大，而可以視為一個定電壓源。
參閱圖1、圖2與圖3，於該第一區間(即t0≤t≤t1)，該主開關Q
main導通，該輔助開關Q
aux與該第一二極體D
PFC截止(即不導通)，該第一電感電流i
L1,PFC呈直線上升，該第一電感L
1,PFC儲能，同時因該第一電容C
1,PFC的跨壓V
C1,PFC等於該直流輸入電壓V
in，該第一電容C
1,PFC釋能，該第二電感電流i
L2,PFC也呈直線上升，該第二電感L
2,PFC儲能，該負載R
PFC所需之能量由該輸出電容C
bus提供。當t=t1時，該主開關Q
main截止，此時間區間結束。此時間區間內之該第一電感電流i
L1,PFC及該第二電感電流i
L2,PFC可表示為公式(1)、(2)。
參閱圖1、圖2與圖4，於該第二區間(即t1≤t≤t2)，該主開關Q
main、該輔助開關Q
aux、及該第一二極體D
PFC都截止，由於電感電流連續的特性，能量經過該主開關Q
main的該寄生電容C
oss,main並充電，此時間區間相當短暫，該第一電感電流i
L1,PFC及該第二電感電流i
L2,PFC可視為定值。當t=t2時，該主開關Q
main的該寄生電容C
oss,main的跨壓逐漸上升而使該第一二極體D
PFC導通，此時間區間結束。此時間區間的該主開關Q
main的跨壓v
DS,main可表示為公式(3)。
參閱圖1、圖2與圖5，於該第三區間(即t2≤t≤t3)，該第一二極體D
PFC導通，該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux截止，該第二電感L
2,PFC的跨壓v
L2,PFC箝制在該直流輸出電壓V
Cbus，該諧振電感L
r,PFC及該主開關Q
main的該寄生電容C
oss,main產生諧振，能量經由該第一二極體D
PFC傳遞至該負載R
PFC並對該輸出電容C
bus充電。當t=t3時，該主開關Q
main的該寄生電容C
oss,main充電至跨壓v
Cc,PFC而使該輔助開關Q
aux的該背接二極體D
b,aux導通，該主開關Q
main的跨壓v
DS,main箝制在該箝位電容C
c,PFC的跨壓v
Cc,PFC，該第一電感電流i
L1,PFC及該第二電感電流i
L2,PFC呈直線下降並通過該輔助開關Q
aux的該背接二極體D
b,aux，同時對該箝位電容C
c,PFC充電，由於此時間區間相當短暫，該第一電感電流i
L1,PFC及該第二電感電流i
L2,PFC仍可視為定值。
參閱圖1、圖2與圖6，於該第四區間(即t3≤t≤t4)，該第一二極體D
PFC及該輔助開關Q
aux的該背接二極體D
b,aux導通，該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux截止，該諧振電感L
r,PFC、該第一電容C
1,PFC、及該箝位電容C
c,PFC產生諧振，該諧振電感電流i
Lr,PFC換相，使該輔助開關Q
aux達到零電壓導通，該第一電感電流i
L1,PFC及該第二電感電流i
L2,PFC仍呈直線下降，並將能量傳遞至該負載R
PFC並對該輸出電容C
bus充電。當t=t4時，該輔助開關Q
aux截止，此時間區間結束。此時間區間內的該箝位電容C
c,PFC的跨壓v
Cc,PFC及該諧振電感電流i
Lr,PFC可表示為公式(4)、(5)。
其中，
，
參閱圖1、圖2與圖7，於該第五區間(即t4≤t≤t5)，該第一二極體D
PFC導通，該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux截止，該諧振電感L
r,PFC及該主開關Q
main的該寄生電容C
oss,main再次諧振並開始放電，該第一電感電流i
L1,PFC及該第二電感電流i
L2,PFC仍呈直線下降，並將能量傳遞至該負載R
PFC並對該輸出電容C
bus充電。當t=t5時，該主開關Q
main的該寄生電容C
oss,main放電至零，該主開關Q
main的該背接二極體D
b,main導通，此時間區間結束。
參閱圖1、圖2與圖8，於該第六區間(即t5≤t≤t6)，該第一二極體D
PFC及該主開關Q
main的該背接二極體D
b,main導通，該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux截止，通過該背接二極體D
b,main的該主開關電流i
DS,main由負值逐漸為零，該第一電感電流i
L1,PFC及該第二電感電流i
L2,PFC仍呈直線下降，同時該第一二極體電流i
D,PFC也呈直線下降。當t=t6時，該主開關電流i
DS,main將為正值前，該主開關Q
main可達到零電壓導通，該諧振電感電流i
Lr,PFC等於該第二電感電流i
L2,PFC時，該第一二極體電流i
D,PFC為零，該第一二極體D
PFC截止，此時間區間結束。時序回到該第一區間的等效電路狀態，並以週期性循環。
從圖2可知，當該主控制信號S1控制該主開關Q
main導通時，該輔助控制信號S2控制該輔助開關Q
aux不導通。而當該主控制信號S1控制該主開關Q
main不導通時，該輔助控制信號S2控制該輔助開關Q
aux導通。且該主控制信號S1及該輔助控制信號S2在每一個切換週期內包含兩個死區(Dead zone)時間(又稱空白時間)，即分別是t3-t1及t4與該主控制信號S1由邏輯0變為邏輯1的時刻。每一該死區時間通常小於該切換週期的1%。再者，由於該單端初級電感轉換器2具有輸出電壓(即該直流輸出電壓V
Cbus)與輸入電壓(即該直流輸入電壓V
in)相同的特性，且利用該輔助開關Q
aux及該諧振電感L
r,PFC及該諧振電容組合成該諧振路徑，使得該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux在導通瞬間能夠達成零電壓切換，因此能兼顧整體效率及功率因數。舉例來說，該交流輸入電壓V
AC是110V~220V/60Hz，該直流輸出電壓V
Cbus是24V且最大輸出功率是300W，則該功率因數修正器的最高效率為95.4%，且最高的功率因數為0.99以上。
綜上所述，藉由該控制單元根據該第一電感電流i
L1,PFC、該直流輸入電壓V
in、及該直流輸出電壓V
Cbus，控制該主開關Q
main及該輔助開關Q
aux達成零電壓切換，進而實現一種整體效率高且高功率因數的SEPIC架構的功率因數修正器，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1:整流單元
D1~D4:第一整流二極體~第四整流二極體
2: 單端初級電感轉換器
L
1,PFC:第一電感
i
L1,PFC:第一電感電流
v
L1,PFC:跨壓
L
2,PFC:第二電感
i
L2,PFC:第二電感電流
v
L2,PFC:跨壓
C
1,PFC:第一電容
v
C1,PFC:跨壓
Q
main:主開關
S1:主控制信號
v
DS,main:跨壓
i
DS,main:主開關電流
D
b,main:背接二極體
C
oss,main:寄生電容
D
PFC:第一二極體
i
D,PFC:二極體電流
C
bus:輸出電容
3:電流感測器
4:諧振單元
Q
aux:輔助開關
S2:輔助控制信號
v
DS,aux:跨壓
i
DS,aux:輔助開關電流
D
b,aux:背接二極體
C
oss,aux:寄生電容
L
r,PFC:諧振電感
i
Lr,PFC:諧振電感電流
C
c,PFC:箝位電容
v
Cc,PFC:跨壓
9:交流電壓源
R
PFC:負載
V
AC:交流輸入電壓
V
in:直流輸入電壓
V
Cbus:直流輸出電壓
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：
圖1是一方塊圖，說明本發明功率因數修正器的一實施例；
圖2是一時序圖，說明本發明該實施例的多個信號之間的關係；
圖3是一電路圖，說明該實施例操作在一第一區間的等效電路；
圖4是一電路圖，說明該實施例操作在一第二區間的等效電路；
圖5是一電路圖，說明該實施例操作在一第三區間的等效電路；
圖6是一電路圖，說明該實施例操作在一第四區間的等效電路；
圖7是一電路圖，說明該實施例操作在一第五區間的等效電路；
圖8是一電路圖，說明該實施例操作在一第六區間的等效電路。
1:整流單元
D1~D4:第一整流二極體~第四整流二極體
2: 單端初級電感轉換器
L
1,PFC:第一電感
i
L1,PFC:第一電感電流
v
L1,PFC:跨壓
L
2,PFC:第二電感
i
L2,PFC:第二電感電流
v
L2,PFC:跨壓
C
1,PFC:第一電容
v
C1,PFC:跨壓
Q
main:主開關
S1:主控制信號
v
DS,main:跨壓
i
DS,main:主開關電流
D
b,main:背接二極體
C
oss,main:寄生電容
D
PFC:第一二極體
i
D,PFC:二極體電流
C
bus:輸出電容
3:電流感測器
4:諧振單元
Q
aux:輔助開關
S2:輔助控制信號
v
DS,aux:跨壓
i
DS,aux:輔助開關電流
D
b,aux:背接二極體
C
oss,aux:寄生電容
L
r,PFC:諧振電感
i
Lr,PFC:諧振電感電流
C
c,PFC:箝位電容
v
Cc,PFC:跨壓
9:交流電壓源
R
PFC:負載
V
AC:交流輸入電壓
V
in:直流輸入電壓
V
Cbus:直流輸出電壓
Claims (6)
- 一種功率因數修正器，適用於接收一交流輸入電壓及一負載，並包含：一整流單元，接收該交流輸入電壓，並轉換而輸出一直流輸入電壓；一單端初級電感轉換器(Single ended primary inductor converter，SEPIC)，電連接整流單元及該負載，以接收該直流輸入電壓並轉換而輸出一直流輸出電壓至該負載，且包括一第一電感及一主開關；一電流感測器，偵測流經該單端初級電感轉換器的該第一電感的一第一電感電流的大小；一諧振單元，電連接該單端初級電感轉換器，並包括一輔助開關、一諧振電感、及一箝位電容，以組合成一諧振路徑；及一控制單元，電連接該整流單元以偵測該直流輸入電壓，並電連接該電流感測器以獲得該第一電感電流的大小，且還電連接該負載以偵測該直流輸出電壓，並還電連接該單端初級電感轉換器及該諧振單元，以控制該主開關及該輔助開關達成零電壓切換。
- 如請求項1所述的功率因數修正器，其中，該控制單元根據該直流輸入電壓、該第一電感電流、及該直流輸出電壓，產生一主控制信號及一輔助控制信號以分別控制該主開關及該輔助開關操作在導通或不導通。
- 如請求項2所述的功率因數修正器，其中，該整流單元是 包括四個二極體的二極體電橋(Diode bridge)。
- 如請求項2所述的功率因數修正器，其中，該單端初級電感轉換器的該主開關及該諧振單元的該輔助開關都包含並聯的一背接二極體及一寄生電容。
- 如請求項2所述的功率因數修正器，其中，該整流單元包括輸出該直流輸入電壓的一正輸出端及一負輸出端，該單端初級電感轉換器還包括一第一電容、一第二電感、一第一二極體、及一輸出電容，該第一電感包含電連接該整流單元的該正輸出端的一第一端及一第二端，該主開關包含電連接該第一電感的該第二端的一第一端、接收該主控制信號的一控制端、及電連接該整流單元的該負輸出端的一第二端，該第一電容包含電連接該第一電感的該第二端的一第一端及一第二端，該第二電感包含直接或間接電連接該第一電容的該第二端的一第一端，及電連接該整流單元的該負輸出端的一第二端，該第一二極體包含電連接該第二電感的該第一端的一陽極端及一陰極端，該輸出電容包含電連接該第一二極體的該陰極端的一第一端，及電連接該整流單元的該負輸出端的一第二端，該負載與該輸出電容並聯。
- 如請求項5所述的功率因數修正器，其中，該諧振單元的該箝位電容與該輔助開關串聯，再與該單端初級電感轉換器的該主開關形成並聯，該諧振電感電連接於該單端初級電感轉換器的該第一電容的該第二端與該第二電感的該第一端之間。
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