TWI885499B - 順向式轉換器及順向式功因修正器 - Google Patents

Abstract

一種順向式轉換器，包含一電壓轉換裝置、一開關及一輔助裝置。電壓轉換裝置包含一次側繞組及二次側繞組，且用於將輸入電壓轉換為輸出電壓。開關連接於電壓轉換裝置，且切換以使電壓轉換裝置接收或不接收輸入電壓。輔助裝置連接於電壓轉換裝置，在開關截止時，儲存電壓轉換裝置釋放的電能且產生補償電壓，並在開關導通時，提供補償電壓，其中補償電壓與輸入電壓具有相同極性。本發明更提出一種包含上述順向式轉換器以及整流裝置的順向式功因修正器。

Description

順向式轉換器及順向式功因修正器

本發明係關於一種順向式轉換器及順向式功因修正器。

目前許多電氣用品皆是使用低壓直流電，但由於市電為交流電，所以需要作交-直流轉換；而為了降低電力系統的虛功率，並減少電流諧波造成系統干擾，許多電氣用品被要求具有高功率因數與低電流諧波，因此功率因數修正器被廣泛地使用著。

基於安全與性能的考量，功率因數修正器被要求需兼具高功率因數、高轉換效率及電氣隔離。習知電路架構如馳返式(Fly-back)，其轉換效率較差；而傳統順向式電路則當輸入的交流電處於低電壓狀態時，若二次側的感應電壓小於功因修正器輸出端的輸出電壓，則無法引進輸入電流，進而造成電流盲區(dead zone)，故其功因修正效果不佳，且需額外處理變壓器之去磁需求。其他習知技術與電路架構，也各自面臨不同的技術瓶頸，無法滿足日益嚴格的規範要求。

鑒於上述，本發明提供一種順向式轉換器及順向式功因修正器。

依據本發明一實施例的順向式轉換器，包含電壓轉換裝置、開關及輔助裝置。電壓轉換裝置包含一次側繞組及二次側繞組，且用於將輸入電壓轉換為輸出電壓。開關連接於電壓轉換裝置，且切換以使電壓轉換裝置接收或不接收輸入電壓。輔助裝置連接於電壓轉換裝置，在開關截止時，儲存電壓轉換裝置釋放的電能且產生補償電壓，並在開關導通時，提供補償電壓，其中補償電壓與輸入電壓具有相同極性。

依據本發明一實施例的順向式功因修正器，包含如上所述的順向式轉換器以及整流裝置。整流裝置連接於順向式轉換器，用於接收並整流電源以產生輸入電壓。

藉由上述結構，本案所揭示的順向式轉換器透過輔助裝置的設置，可以兼具轉換效率高、滿足變壓器繞組去磁需求、能夠提供補償電壓、體積小及重量輕之優勢，且可以不額外增加複雜且高成本的機構。本案所揭示的包含上述之順向式轉換器的順向式功因修正器，除了上述優勢外，更可以透過輔助裝置的補償電壓減少電流盲區，並可以達到高功因及低諧波率之效果。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

1,1_1,1_2,1_3,1_4,1_5,1_6:順向式轉換器

2:整流裝置

3:濾波裝置

10,10_1,10_2,10_3,10_4,10_5,10_6:開關

20,20_1,20_2,20_3,20_4,20_5,20_6:電壓轉換裝置

30,30_1,30_2,30_3,30_4,30_5,30_6:輔助裝置

100,100’:順向式功因修正器

V_s:電源

V_i:輸入電壓

V_o:輸出電壓

V_ca:補償電壓

D₂₁,D₂₂,D₂₃,D₂₄:二極體

Q1:主動式功率開關元件

201,N1:一次側繞組

202,N2:二次側繞組

La1,La2,La3,La4,La5:輔助繞組

Da1,Da2,Da3,Da4,Da5:輔助二極體

D1,D2:飛輪二極體

L1:儲能電感

L_f:電感

C1:輸出電容

Ca:輔助電容

D_f:電容

Vgs,Vds:電壓

Ids,Is,I2:電流

d1:去磁區間

圖1為依據本發明一實施例所繪示的順向式轉換器的方塊圖。

圖2為依據本發明一實施例所繪示的順向式功因修正器的方塊圖。

圖3為依據本發明另一實施例所繪示的順向式功因修正器的方塊圖。

圖4示例性地繪示圖3的順向式功因修正器所包含的整流裝置及濾波裝置的電路圖。

圖5為依據本發明第一實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。

圖6A到圖6C分別繪示圖5的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式及第三運作模式。

圖7為依據本發明第二實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。

圖8A到圖8D分別繪示圖7的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式、第三運作模式及第四運作模式。

圖9為依據本發明第三實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。

圖10A到圖10C分別繪示圖9的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式及第三運作模式。

圖11為依據本發明第四實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。

圖12A到圖12D分別繪示圖11的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式、第三運作模式及第四運作模式。

圖13為依據本發明第五實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。

圖14A到圖14C分別繪示圖13的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式及第三運作模式。

圖15為依據本發明第六實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。

圖16A到圖16D分別繪示圖15的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式、第三運作模式及第四運作模式。

圖17示例性地呈現本發明一實施例的順向式轉換器的開關的閘極-源極電壓、流經電流及汲極-源極電壓的波形圖。

圖18示例性地呈現本發明一實施例的順向式功因修正器的輸出電壓與開關責任週期(duty cycle)的關係圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參考圖1，圖1為依據本發明一實施例所繪示的順向式轉換器的方塊圖。如圖1所示，順向式轉換器1包含開關10、電壓轉換裝置20及輔助裝置30。開關10連接於電壓轉換裝置20，電壓轉換裝置20連接於輔助裝置30。

開關10用於切換以使電壓轉換裝置20接收或不接收輸入電壓。舉例來說，開關10可以為主動式功率開關元件，用於受觸發而截止或導通，以使電壓轉換裝置20接收或不接收輸入電壓。

電壓轉換裝置20包含一次側繞組201及二次側繞組202，且用於將輸入電壓轉換為輸出電壓。一次側繞組201及二次側繞組202各自包括一或多個線圈。於一實施態樣中，電壓轉換裝置20可更包括飛輪二極體、儲能電感以及輸出電容。儲能電感的第一端用於輸出所述的輸出電壓。飛輪二極體的陰極端與儲能電感的第二端可共同連接於第一節點，且第一節點可連接於輔助裝置30。輸出電容的一端可連接於儲能電感的另一端，輸出電容的另一端可連接於飛輪二極體的陽極端。

輔助裝置30可包括一或多個被動元件。輔助裝置30的一端連接於二次側繞組202，且輔助裝置30的另一端連接於電壓轉換裝置20的儲能電感的第二端。可替代地，輔助裝置30的一端用於接收所述輸入電壓，且輔助裝置30的另一端連接於一次側繞組N1。在開關10截止時，輔助裝置30儲存電壓轉換裝置20釋放的電能且產生補償電壓；在開關10導通時，輔助裝置30提供補償電壓，其中補償電壓與輸入電壓具有相同極性。

透過在開關截止時儲存電壓轉換裝置釋放的電能且產生補償電壓，順向式轉換器可以具有去磁功能且可以在開關導通時提供補償電壓。特別來說，在交流輸入的應用中，所述補償電壓可以減少電流盲區(dead zone)的狀況。

請參考圖2，圖2為依據本發明一實施例所繪示的順向式功因修正器的方塊圖。如圖2所示，順向式功因修正器100包含順向式轉換器1以及整流裝置2。順向式轉換器1可以是如圖1所示的順向式轉換器1。整流裝置2連接於電源V_s及順向式轉換器1，整流裝置2用於接收並整流電源V_s以產生前述的輸入電壓。具體來說，所述電源V_s可以提供交流電，經整流裝置2轉換為直流電並提供至順向式轉換器1。順向式轉換器1將輸入電壓轉換為輸出電壓V_o，其中輸出電壓V_o可被輸出至連接於順向式轉換器1的負載(load)。

請參考圖3，圖3為依據本發明另一實施例所繪示的順向式功因修正器的方塊圖。如圖3所示，順向式功因修正器100’包含順向式轉換器1、整流裝置2以及濾波裝置3。整流裝置2連接於順向式轉換器1及濾波裝置3，其中順向式轉換器1與整流裝置2的連接關係及運作同於上述實施例，於此不予贅述。於此實施例中，濾波裝置3連接於整流裝置2與電源V_s之間，以先對交流電進行濾波再將濾波後的交流電傳送至整流裝置2以進行交-直流轉換。

進一步來說明濾波裝置3及整流裝置2的電路，請參考圖4，圖4示例性地繪示圖3的順向式功因修正器100’所包含的整流裝置2及濾波裝置3的電路圖。如圖4所示，整流裝置2可以包括第一二極體D₂₁、第二二極體D₂₂、第三二極體D₂₃及第四二極體D₂₄。第一二極體D₂₁的陽極端連接於第三二極體D₂₃的陰極端，第一二極體D₂₁的陰極端連接於第二二極體D₂₂的陰極端，第二二極體D₂₂的陽極端連接於第四二極體D₂₄的陰極端，第三二極體D₂₃的陽極端連接於第四二極 體D₂₄的陽極端。濾波裝置3可以包括電容D_f及電感L_f。電容D_f的第一端連接於電感L_f的第一端、第一二極體D₂₁的陽極及第三二極體D₂₃的陰極端，電容D_f的第二端連接於電源V_s、第二二極體D₂₂的陽極端及第四二極體D₂₄的陰極端。電感L_f的第二端連接於電源V_s。

濾波裝置3用於接收及過濾電源V_s，以產生經過濾的電源V_s，整流裝置2用於接收並整流經過濾的電源V_s以在第二二極體D₂₂的陰極端與第四二極體D24的陽極端之間產生前述的輸入電壓V_i。順向式轉換器1將輸入電壓V_i轉換為輸出電壓V_o，其中輸出電壓V_o可被輸出至連接於順向式轉換器1的負載。於此要特別說明的是，圖4繪示可實現整流裝置2及濾波裝置3的基本電路，非意圖限制整流裝置2及濾波裝置3僅可以圖4所示之電路架構實現。另外，圖4所示之濾波裝置3為選擇性設置之電路。

以下進一步說明實現上述順向式轉換器1的多個實施例。請接著參考圖5，圖5為依據本發明第一實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。如圖5所示，順向式轉換器1_1包括開關10_1、電壓轉換裝置20_1以及輔助裝置30_1。

開關10_1包括主動式功率開關元件Q1。電壓轉換裝置20_1包括一次側繞組N1及二次側繞組N2以及如前所述的飛輪二極體D1、儲能電感L1以及輸出電容C1。輔助裝置30_1包括輔助電容Ca。

具體而言，儲能電感L1的第一端用於輸出輸出電壓V_o，儲能電感L1的第二端連接於飛輪二極體D1的陰極端，輔助裝置30_1 的輔助電容Ca的一端連接於二次側繞組N2，且輔助電容Ca的另一端連接於儲能電感L1的第二端及飛輪二極體D1的陰極端。

請一併參考圖5及圖6A到圖6C，其中圖6A到圖6C分別繪示圖5的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式及第三運作模式。

請參考圖6A，於第一運作模式中，主動式功率開關元件Q1導通，飛輪二極體D1關斷。當主動式功率開關元件Q1為導通狀態時，輸入電壓V_i對電壓轉換裝置20_1的一次側繞組N1供電，電壓轉換裝置20_1的二次側繞組N2的感應電壓及輔助電容Ca的補償電壓V_ca一起對輸出電容C1進行充電。此時，儲能電感L1儲存能量，輔助電容Ca為放電狀態，此運作模式持續至主動式功率開關元件Q1截止，並進入第二運作模式。

請參考圖6B，於第二運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，飛輪二極體D1導通。磁化的二次側繞組N2可以經由飛輪二極體D1至輔助電容Ca所形成的路徑進行去磁，並可對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。儲能電感L1可以經由輸出電容C1及飛輪二極體D1所形成的路徑釋放能量。此運作模式持續至二次側繞組N2及儲能電感L1釋放完能量為止，並進入第三運作模式。

請參考圖6C，於第三運作模式中，主動式功率開關元件Q1及飛輪二極體D1截止，順向式轉換器處於無轉換狀態。輸出電容C1儲存的能量可以繼續提供電流至負載。接著，待主動式功率開關元件Q1再度導通，輔助電容Ca儲存的能量被用於對輸出電容C1充電，即 順向式轉換器1_1回到圖6A的第一運作模式。特別來說，本實施例之順向式轉換器於電路設計操作於連續電流模式的應用中，第三運作模式可以不存在，即第二運作模式後便可直接回到第一運作模式。

請參考圖7，圖7為依據本發明第二實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。如圖7所示，順向式轉換器1_2包括開關10_2、電壓轉換裝置20_2以及輔助裝置30_2，其中開關10_2及電壓轉換裝置20_2的實現電路/裝置、功能及連接關係可皆同於圖5的順向式轉換器1_1所包含的開關10_1及電壓轉換裝置20_1。

輔助裝置30_2包括輔助電容Ca、輔助二極體Da1以及輔助繞組La1。輔助二極體Da1的陽極端連接於輔助電容Ca的第一端。輔助繞組La1耦合於電壓轉換裝置20_2的儲能電感L1，輔助繞組La1的一端連接於輔助二極體Da1的陰極端，且輔助繞組La1的另一端連接於輔助電容Ca的第二端。

請一併參考圖7及圖8A到圖8D，其中圖8A到圖8D分別繪示圖7的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式、第三運作模式及第四運作模式。

請參考圖8A，於第一運作模式中，主動式功率開關元件Q1導通，輔助二極體Da1截止，飛輪二極體D1截止。當主動式功率開關元件Q1為導通狀態時，輸入電壓V_i對電壓轉換裝置20_2的一次側繞組N1供電，電壓轉換裝置20_2的二次側繞組N2的感應電壓及輔助電容Ca的補償電壓V_ca一起對輸出電容C1進行充電。此時，儲能電 感L1儲存能量，輔助電容Ca為放電狀態，V_ca下降。此運作模式持續至主動式功率開關元件Q1截止，並進入第二運作模式。

請參考圖8B，於第二運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，輔助二極體Da1導通，飛輪二極體D1截止。磁化的二次側繞組N2可以經由輔助二極體Da1至輔助電容Ca所形成的路徑進行去磁，並可對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca，V_ca上升。儲能電感L1可以透過輔助繞組La1對輔助電容Ca釋放儲存的能量。此運作模式持續至補償電壓V_ca等於第一映射電壓為止，並進入第三運作模式。其中第一映射電壓是輸出電壓V_o依儲能電感L1與輔助繞組La1之匝數比映射至輔助繞組La1側之等效電壓。

請參考圖8C，於第三運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，輔助二極體Da1截止，飛輪二極體D1導通。磁化的二次側繞組N2經由飛輪二極體D1至輔助電容Ca所形成的路徑繼續進行去磁，並可對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。電感L1經由D1及輸出電容C1所形成的路徑釋放儲存的能量。此運作模式持續至儲能電感L1及磁化的二次側繞組N2的能量完全釋放，並進入第四運作模式。

請參考圖8D，於第四運作模式中，主動式功率開關元件Q1、飛輪二極體D1與輔助二極體Da1皆截止，順向式轉換器處於無轉換狀態。輸出電容C1儲存的能量可以繼續提供電流至負載。接著，待主動式功率開關Q1再度導通，輔助電容Ca儲存的能量被用於對輸出電容C1充電，即順向式轉換器1_2回到圖8A的第一運作模式。特別 來說，本實施例之順向式轉換器於電路設計操作於連續電流模式的應用中，第四運作模式可以不存在，即第三運作模式後便可直接回到第一運作模式。

請參考圖9，圖9為依據本發明第三實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。如圖9所示，順向式轉換器1_3包括開關10_3、電壓轉換裝置20_3以及輔助裝置30_3，其中開關10_3及電壓轉換裝置20_3的實現電路/裝置、功能及連接關係可皆同於圖5的順向式轉換器1_1所包含的開關10_1及電壓轉換裝置20_1，不於此贅述。

輔助裝置30_2包括輔助電容Ca、輔助二極體Da2以及輔助繞組La2。輔助二極體Da2的陽極端連接於輔助電容Ca的第一端。輔助繞組La2耦合於一次側繞組N1及二次側繞組N2。輔助繞組La2的一端連接於輔助二極體Da2的陰極端，且輔助繞組La2的另一端連接於輔助電容Ca的第二端。

請一併參考圖9及圖10A到圖10C，其中圖10A到圖10C分別繪示圖9的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式及第三運作模式。

請參考圖10A，於第一運作模式中，主動式功率開關元件Q1導通，輔助二極體Da2截止，飛輪二極體D1截止。當主動式功率開關元件Q1為導通狀態時，輸入電壓V_i對電壓轉換裝置20_3的一次側繞組N1供電，電壓轉換裝置20_3的二次側繞組N2的感應電壓及輔助電容Ca的補償電壓V_ca一起對輸出電容C1進行充電。此時，儲能 電感L1儲存能量，輔助電容Ca為放電狀態，此運作模式持續至主動式功率開關元件Q1截止，並進入第二運作模式。

請參考圖10B，於第二運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，輔助二極體Da2導通，飛輪二極體D1導通。由於輔助繞組La2與一次側繞組N1及二次側繞組N2互相耦合，所以一次側繞組N1及二次側繞組N2儲存的能量可從輔助繞組La2釋出以進行去磁，並可對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。儲能電感L1可以經由輸出電容C1及飛輪二極體D1所形成的路徑釋放能量。此運作模式持續至去磁完成，且儲能電感L1完成能量釋放為止。特別來說，於一些實施態樣中，輔助繞組La2透過輔助二極體Da2及輔助電容Ca所執行的去磁及儲能電感L1透過輸出電容C1及飛輪二極體D1所執行的能量釋放可以在不同時間完成。當輔助繞組La2的去磁及儲能電感L1的釋能皆完成時，輔助裝置30_2進入第三運作模式。

請參考圖10C，於第三運作模式中，由於儲能電感L1儲存的能量已完全釋放，儲能電感L1上的電流降為零，且磁化的二次側繞組N2在第二運作模式中完全釋能後，輔助電容Ca上的電流降為零，飛輪二極體D1與輔助二極體Da2皆進入截止狀態，而主動式功率開關元件Q1仍維持截止狀態。輸出電容C1儲存的能量可以繼續提供電流至負載。當主動式功率開關元件Q1再次被觸發導通時，輔助電容Ca儲存的能量被用於對輸出電容C1充電，即順向式轉換器1_3再次回到第一運作模式。特別來說，本實施例之順向式轉換器於電路設計操作於連 續電流模式的應用中，第三運作模式可以不存在，即第二運作模式後便可直接回到第一運作模式。

請參考圖11，圖11為依據本發明第四實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。如圖11所示，順向式轉換器1_4包括開關10_4、電壓轉換裝置20_4以及輔助裝置30_4，其中開關10_4的實現電路/裝置、功能及連接關係可皆同於圖5的順向式轉換器1_1所包含的開關10_1，電壓轉換裝置20_4的實現電路/裝置、功能及連接關係可皆同於圖7的順向式轉換器1_2所包含的電壓轉換裝置20_2，不於此贅述。

輔助裝置30_4包括輔助電容Ca、第一輔助二極體Da2、第一輔助繞組La2、第二輔助二極體Da3以及第二輔助繞組La3。第一輔助二極體Da2的陽極端連接於輔助電容Ca的第一端。第一輔助繞組La2耦合於一次側繞組N1及二次側繞組N2，其中第一輔助繞組La2的一端連接於第一輔助二極體Da2的陰極端，且第一輔助繞組La2的另一端連接於輔助電容Ca的第二端。第二輔助二極體Da3的陽極端連接於輔助電容Ca的第一端。第二輔助繞組La3的一端連接於第二輔助二極體Da3的陰極端，且第二輔助繞組La3的另一端連接於輔助電容Ca的第二端。第二輔助繞組La3耦合於儲能電感L1。

請一併參考圖11及圖12A到圖12D，其中圖12A到圖12D分別繪示圖11的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式、第三運作模式及第四運作模式。

請參考圖12A，於第一運作模式中，主動式功率開關元件Q1導通，第一輔助二極體Da2截止，第二輔助二極體Da3截止，飛輪二極體D1截止。當主動式功率開關元件Q1為導通狀態時，輸入電壓V_i對電壓轉換裝置20_4的一次側繞組N1供電，電壓轉換裝置20_4的二次側繞組N2的感應電壓及輔助電容Ca的補償電壓V_ca一起對輸出電容C1進行充電。此時，儲能電感L1儲存能量，輔助電容Ca為放電狀態。此運作模式持續至主動式功率開關元件Q1截止，並進入第二運作模式。

請參考圖12B，於第二運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，第一輔助二極體Da2導通，第二輔助二極體Da3導通，飛輪二極體D1截止。由於第一輔助繞組La2與一次側繞組N1及二次側繞組N2互相耦合，磁化的二次側繞組N2透過與第一輔助繞組La2的耦合電感，可以經由第一輔助二極體Da2至輔助電容Ca所形成的路徑進行釋出能量以進行去磁，並可對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。由於第二輔助繞組La3與儲能電感L1互相耦合，儲能電感L1儲存的能量可從第二輔助繞組La3釋出以對輔助電容Ca進行充電。因此，補償電壓V_ca上升。此運作模式持續至補償電壓V_ca等於第二映射電壓為止，並進入第三運作模式。其中第二映射電壓是輸出電壓V_o依儲能電感L1與第二輔助繞組La3之匝數比映射至第二輔助繞組La3側之等效電壓。

請參考圖12C，於第三運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，第一輔助二極體Da2導通，第二輔助二極體Da3截止，飛 輪二極體D1導通。磁化的二次側繞組N2繼續經由第一輔助二極體Da2至輔助電容Ca所形成的路徑進行去磁，並繼續對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。儲能電感L1持續釋能以對輸出電容C1充電。此運作模式持續至磁化的二次側繞組N2及儲能電感L1的能量完全釋放，並進入第四運作模式。

請參考圖12D，當磁化的二次側繞組N2及儲能電感L1在第三運作模式中完全釋能後，輔助電容Ca及儲能電感L1上的電流降為零，第一輔助二極體Da2、第二輔助二極體Da3及飛輪二極體D1皆處於截止狀態。輸出電容C1儲存的能量可以繼續提供電流至負載。當主動式功率開關元件Q1再次被觸發導通時，輔助電容Ca儲存的能量被用於對輸出電容C1充電，即順向式轉換器1_4再次回到第一運作模式。特別來說，本實施例之順向式轉換器於電路設計操作於連續電流模式的應用中，第四運作模式可以不存在，即第三運作模式後便可直接回到第一運作模式。

請參考圖13，圖13為依據本發明第五實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。如圖13所示，順向式轉換器1_5包括開關10_5、電壓轉換裝置20_5以及輔助裝置30_5，其中開關10_5的實現電路/裝置及功能可皆同於圖5的順向式轉換器1_1所包含的開關10_1，不於此贅述。

除了圖5所示的電壓轉換裝置20_1的元件外，順向式轉換器1_5的電壓轉換裝置20_5更包含另一飛輪二極體D2，飛輪二極 體D2的陽極端連接於二次側繞組N2，飛輪二極體D2的陰極端連接於儲能電感L1的第二端。

輔助裝置30_5設置在順向式轉換器1_5的一次側。進一步而言，輔助裝置30_5的一端用於接收輸入電壓V_i，輔助裝置30_5的另一端連接於一次側繞組N1。輔助裝置30_5包括輔助電容Ca、輔助二極體Da4以及輔助繞組La4。輔助電容Ca的第一端用於接收輸入電壓V_i，且輔助電容Ca的第二端連接於一次側繞組N1。輔助二極體Da4的陽極端連接於輔助電容Ca的第一端。輔助繞組La4耦合於一次側繞組N1及二次側繞組N2，其中輔助繞組La4的一端連接於輔助二極體Da4的陰極端，且輔助繞組La4的另一端連接於輔助電容Ca的第二端。

請一併參考圖13及圖14A到圖14C，其中圖14A到圖14C分別繪示圖13的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式及第三運作模式。

請參考圖14A，於第一運作模式中，主動式功率開關元件Q1導通，輔助二極體Da4截止，飛輪二極體D1截止，飛輪二極體D2導通。當主動式功率開關元件Q1為導通狀態時，輸入電壓V_i及輔助電容Ca對電壓轉換裝置20_5的一次側繞組N1供電，電壓轉換裝置20_5的二次側繞組N2的感應電壓經由飛輪二極體D2對輸出電容C1進行充電。此時，儲能電感L1儲存能量，輔助電容Ca為放電狀態。此運作模式持續至主動式功率開關元件Q1截止，並進入第二運作模式。

請參考圖14B，於第二運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，輔助二極體Da4導通，飛輪二極體D1導通，飛輪二極體D2截止。由於輔助繞組La4與一次側繞組N1及二次側繞組N2耦合，所以一次側繞組N1及二次側繞組N2儲存的能量可以從輔助繞組La4釋出以進行去磁，並可對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。儲能電感L1可以經由輸出電容C1及飛輪二極體D1所形成的路徑釋放能量。此運作模式持續至去磁完成，且儲能電感L1完成能量釋放為止。特別來說，於一些實施態樣中，輔助繞組La4透過輔助二極體Da4及輔助電容Ca所執行的去磁及儲能電感L1透過輸出電容C1及飛輪二極體D1所執行的能量釋放可以在不同時間完成。當輔助繞組La4的去磁及儲能電感L1的釋能皆完成時，輔助裝置30_5進入第三運作模式。

請參考圖14C，於第三運作模式中，一次側繞組N1及二次側繞組N2的儲存的能量已完全釋放，且儲能電感L1在第二運作模式中完全釋能後，儲能電感L1上的電流降為零，主動式功率開關元件Q1、飛輪二極體D1及D2以及輔助二極體Da4皆進入截止狀態。當主動式功率開關元件Q1再次被觸發導通時，輔助電容Ca儲存的能量被用於對輸出電容C1充電，即順向式轉換器1_5再次回到第一運作模式。輸出電容C1儲存的能量可以繼續提供電流至負載。特別來說，本實施例之順向式轉換器於電路設計操作於連續電流模式的應用中，第三運作模式可以不存在，即第二運作模式後便可直接回到第一運作模式。

請參考圖15，圖15為依據本發明第六實施例所繪示的順向式轉換器的電路圖。如圖15所示，順向式轉換器1_6包括開關 10_6、電壓轉換裝置20_6以及輔助裝置30_6，其中開關10_6以及電壓轉換裝置20_6的實現電路/裝置及功能可皆同於圖13的順向式轉換器1_5所包含的開關10_5以及電壓轉換裝置20_5，不於此贅述。

輔助裝置30_6設置在順向式轉換器1_6的一次側。輔助裝置30_6包括輔助電容Ca、第一輔助二極體Da4、第二輔助二極體Da5、第一輔助繞組La4以及第二輔助繞組La5。輔助電容Ca的第一端用於接收輸入電壓V_i，且輔助電容Ca的第二端連接於一次側繞組N1。第一輔助二極體Da4的陽極端連接於輔助電容Ca的第一端。第一輔助繞組La4耦合於一次側繞組N1及二次側繞組N2。第一輔助繞組La4的一端連接於第一輔助二極體Da4的陰極端，且第一輔助繞組La4的另一端連接於輔助電容Ca的第二端。第二輔助二極體Da5的陽極端連接於輔助電容Ca的第一端。第二輔助繞組La5耦合於儲能電感L1。第二輔助繞組La5的一端連接於第二輔助二極體Da5的陰極端，且第二輔助繞組La5的另一端連接於輔助電容Ca的第二端。

請一併參考圖15及圖16A到圖16D，其中圖16A到圖16D分別繪示圖15的順向式轉換器的第一運作模式、第二運作模式、第三運作模式及第四運作模式。

請參考圖16A，於第一運作模式中，主動式功率開關元件Q1導通，第一輔助二極體Da4截止，第二輔助二極體Da5截止，飛輪二極體D1截止，飛輪二極體D2導通。當主動式功率開關元件Q1為導通狀態時，輸入電壓V_i及輔助電容Ca對電壓轉換裝置20_6的一次側繞組N1供電，電壓轉換裝置20_6的二次側繞組N2的感應電壓對輸 出電容C1進行充電。此時，儲能電感L1儲存能量，輔助電容Ca為放電狀態。此運作模式持續至主動式功率開關元件Q1截止，並進入第二運作模式。

請參考圖16B，於第二運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，第一輔助二極體Da4導通，第二輔助二極體Da5導通，飛輪二極體D1及D2截止。主動式功率開關元件Q1截止後，由於第一輔助繞組La4與一次側繞組N1及二次側繞組N2互相耦合，一次側繞組N1及二次側繞組N2儲存的能量可以經由第一輔助二極體Da4至輔助電容Ca所形成的路徑進行去磁，並可對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。由於第二輔助繞組La5與儲能電感L1互相耦合，儲能電感L1儲存的能量可從第二輔助繞組La5經由第二輔助二極體Da5至輔助電容Ca所形成的路徑對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。因此，使補償電壓V_ca上升。此運作模式持續至補償電壓V_ca等於第三映射電壓為止，並進入第三運作模式。其中第三映射電壓是輸出電壓V_o依儲能電感L1與第二輔助繞組La5之匝數比映射至第二輔助繞組La5側之等效電壓。

請參考圖16C，於第三運作模式中，主動式功率開關元件Q1截止，第一輔助二極體Da4導通，第二輔助二極體Da5截止，飛輪二極體D1導通，飛輪二極體D2截止。第一輔助繞組La4繼續經由第一輔助二極體Da4至輔助電容Ca所形成的路徑進行去磁，並繼續對輔助電容Ca進行充電以建立補償電壓V_ca。儲能電感L1儲存的能量經 由飛輪二極體D1釋放，以對輸出電容C1充電。此運作模式持續至第一輔助繞組La4及儲能電感L1的能量完全釋放，並進入第四運作模式。

請參考圖16D，當第一輔助繞組La4及儲能電感L1在第三運作模式中完全釋能後，輔助電容Ca及儲能電感L1的電流降為零，第一輔助二極體Da4、第二輔助二極體Da5及飛輪二極體D1及D2皆進入截止狀態，而主動式功率開關元件Q1仍維持為截止狀態。輸出電容C1儲存的能量可以繼續提供電流至負載。當主動式功率開關元件Q1再次被觸發導通時，輔助電容Ca儲存的能量被用於對輸出電容C1充電，即順向式轉換器1_6再次回到第一運作模式。特別來說，本實施例之順向式轉換器於電路設計操作於連續電流模式的應用中，第四運作模式可以不存在，即第三運作模式後便可直接回到第一運作模式。

由上述多個實施例的描述可知，本案順向式轉換器的輔助裝置可以歸納為下述多種實施態樣。於第一實施態樣中，順向式轉換器的輔助裝置包含輔助電容。於第二實施態樣中，輔助裝置包含輔助電容、輔助二極體及輔助繞組，其中輔助二極體的陽極端連接於輔助電容的第一端，輔助繞組耦合於一次側繞組及二次側繞組，且輔助繞組的一端連接於輔助二極體的陰極端，且輔助繞組的另一端連接於輔助電容的第二端。於第三實施態樣中，電壓轉換裝置更包含用於輸出所述輸出電壓的儲能電感，輔助裝置包含輔助電容、輔助二極體及輔助繞組，其中輔助二極體的陽極端連接於輔助電容的第一端，輔助繞組耦合於儲能電感，且輔助繞組的一端連接於輔助二極體的陰極端，且輔助繞組的另一端連接於輔助電容的第二端。於第四實施態樣中，電壓轉換裝置更包含 用於輸出所述輸出電壓的儲能電感，輔助裝置包含輔助電容、第一輔助二極體、第二輔助二極體、第一輔助繞組以及第二輔助繞組，第一輔助二極體的陽極端連接於輔助電容的第一端，第一輔助繞組耦合於一次側繞組及二次側繞組，第一輔助繞組的一端連接於第一輔助二極體的陰極端，且第一輔助繞組的另一端連接於輔助電容的第二端，第二輔助二極體的陽極端連接於輔助電容的第一端，第二輔助繞組耦合於儲能電感，第二輔助繞組的一端連接於第二輔助二極體的陰極端，且第二輔助繞組的另一端連接於輔助電容的第二端。

上述實施態樣的輔助裝置可以連接於一次側繞組或二次側繞組，其中一次側繞組特別適用於第二實施態樣至第四實施態樣。另要特別說明的是，藉由輔助裝置連接於二次側繞組的設置，順向式轉換器的電壓轉換裝置的二次側繞組與儲能電感之間可以不設置一二極體，相較於輔助裝置連接於一次側繞組的設置，可以具有更簡單的電路架構。

請參考圖17，圖17示例性地呈現本發明一實施例的順向式轉換器的順向式功因修正器的交流輸入端的電壓、交流輸入端的電流及二次側電流的波形圖。如圖17所示，交流輸入端的電壓V_s與交流輸入端的電流Is的波形相匹配，具有低諧波率。此外，根據二次側電流I2的去磁區間d1，可以知道順向式功因修正器可有效去磁。

請參考圖18，圖18示例性地呈現本發明一實施例的順向式功因修正器的輸出電壓與開關責任週期的關係圖。輸出電壓與開關責任週期之間的關係可透過以下公式一呈現：

其中V_o為輸出電壓，V_s為交流輸入的電壓，如圖2所示，D為開關責任週期。

綜上所述，依據本發明一或多個實施例的順向式轉換器透過輔助裝置的設置，可以兼具轉換效率高、滿足變壓器繞組去磁需求、能夠提供補償電壓、體積小及重量輕之優勢，且可以不額外增加複雜且高成本的機構。本案所揭示的包含上述之順向式轉換器的順向式功因修正器，除了上述優勢外，更可以透過輔助裝置的補償電壓減少電流盲區，並可以達到高功因及低諧波率之效果。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1:順向式轉換器

10:開關

201:一次側繞組

202:二次側繞組

20:電壓轉換裝置

30:輔助裝置

Claims (14)

1. 一種順向式轉換器，包含： 一電壓轉換裝置，包含一變壓器，該變壓器具有一次側繞組及二次側繞組，且用於將一輸入電壓轉換為一輸出電壓； 一開關，連接於該電壓轉換裝置，且切換以使該電壓轉換裝置接收或不接收該輸入電壓；以及 一輔助裝置，連接於該電壓轉換裝置，在該開關截止時，儲存該電壓轉換裝置釋放的電能且產生一補償電壓，並在該開關導通時，提供該補償電壓，其中該補償電壓與該輸入電壓具有相同極性。
2. 如請求項1所述的順向式轉換器，其中該輔助裝置包含一輔助電容。
3. 如請求項2所述的順向式轉換器，其中該輔助裝置更包含： 一輔助二極體，該輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的第一端；以及 一輔助繞組，耦合於該一次側繞組及該二次側繞組，其中該輔助繞組的一端連接於該輔助二極體的陰極端，且該輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的第二端。
4. 如請求項3所述的順向式轉換器，其中該電壓轉換裝置更包含用於輸出該輸出電壓的一儲能電感，該輔助二極體係一第一輔助二極體，該輔助繞組係一第一輔助繞組，且該輔助裝置更包含： 一第二輔助二極體，該第二輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的該第一端；以及 一第二輔助繞組，耦合於該儲能電感，其中該第二輔助繞組的一端連接於該第二輔助二極體的陰極端，且該第二輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的該第二端。
5. 如請求項2所述的順向式轉換器，其中該電壓轉換裝置更包含用於輸出該輸出電壓的一儲能電感，且該輔助裝置更包含： 一輔助二極體，該輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的第一端；以及 一輔助繞組，耦合於該儲能電感，其中該輔助繞組的一端連接於該輔助二極體的陰極端，且該輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的第二端。
6. 如請求項1所述的順向式轉換器，其中該電壓轉換裝置更包含一儲能電感，該儲能電感的第一端用於輸出該輸出電壓，該輔助裝置的一端連接於該二次側繞組，且該輔助裝置的另一端連接於該儲能電感的第二端。
7. 如請求項6所述的順向式轉換器，其中該輔助裝置包含： 一輔助電容，該輔助電容的第一端連接於該二次側繞組，且該輔助電容的第二端連接於該儲能電感的該第二端。
8. 如請求項7所述的順向式轉換器，其中該輔助裝置更包含： 一輔助二極體，該輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的該第一端；以及 一輔助繞組，耦合於該儲能電感，其中該輔助繞組的一端連接於該輔助二極體的陰極端，且該輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的該第二端。
9. 如請求項7所述的順向式轉換器，其中該輔助裝置更包含： 一輔助二極體，該輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的該第一端；以及 一輔助繞組，耦合於該一次側繞組及該二次側繞組，其中該輔助繞組的一端連接於該輔助二極體的陰極端，且該輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的該第二端。
10. 如請求項9所述的順向式轉換器，其中該輔助二極體係一第一輔助二極體，該輔助繞組係一第一輔助繞組，且該輔助裝置更包含： 一第二輔助二極體，該第二輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的該第一端；以及 一第二輔助繞組，耦合於該儲能電感，其中該第二輔助繞組的一端連接於該第二輔助二極體的陰極端，且該第二輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的該第二端。
11. 如請求項1所述的順向式轉換器，其中該輔助裝置的一端用於接收該輸入電壓，且該輔助裝置的另一端連接於該一次側繞組。
12. 如請求項11所述的順向式轉換器，其中該輔助裝置包含： 一輔助電容，該輔助電容的第一端用於接收該輸入電壓，且該輔助電容的第二端連接於該一次側繞組； 一輔助二極體，該輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的該第一端；以及 一輔助繞組，耦合於該一次側繞組及該二次側繞組，其中該輔助繞組的一端連接於該輔助二極體的陰極端，且該輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的該第二端。
13. 如請求項12所述的順向式轉換器，其中該電壓轉換裝置更包含用於輸出該輸出電壓的一儲能電感，該輔助二極體係一第一輔助二極體，該輔助繞組係一第一輔助繞組，且該輔助裝置更包含： 一第二輔助二極體，該第二輔助二極體的陽極端連接於該輔助電容的該第一端；以及 一第二輔助繞組，耦合於該儲能電感，其中該第二輔助繞組的一端連接於該第二輔助二極體的陰極端，且該第二輔助繞組的另一端連接於該輔助電容的該第二端。
14. 一種順向式功因修正器，包含： 如請求項1～13中任一者所述的順向式轉換器；以及 一整流裝置，連接於該順向式轉換器，用於接收並整流一電源以產生該輸入電壓。

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