TW201434255A - 提升功率因子改善電路效能的裝置 - Google Patents

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Abstract

一種提升功率因子改善電路效能的裝置，其包括一主要負載、一電源模組、一功率因子改善模組、一電流源模組及一輔助負載。該電源模組用於將一交流電壓整流至一脈衝直流電壓。該功率因子改善模組用於調整該脈衝直流電壓至一驅動電壓。該電流源模組連接於該電源模組、該主要負載與該功率因子改善模組之一側，以該驅動電壓驅動該主要負載。該輔助負載連接於該功率因子改善模組之另一側，並由該功率因子改善模組所驅動。

Description

提升功率因子改善電路效能的裝置
本發明關於一種提高用電效能的裝置，特別是一種用於改良並提升功率因子改善電路效能的電路。
為了提高電子產品功率因子(Power factor)，特別在於照明應用的電路上，目前有許多功率因子改善電路於設計上被歸類為耗能、增加成本、增加複雜度與占據空間。
請參考第1A及1B圖所示，其揭露一種定電流源的一主要負載14(發光二極體)的基本電路架構，其搭配一電源模組10(橋式整流器)與一濾波電容C。第1B圖顯示出此電路架構具有高諧波雜訊與低功率因子，主要原因在於濾波電容C放電速度慢，但充電速度極快，導致於輸入電壓101的每一個周期間具有一個電流突波140。一般來說，這電路架構的功率因子為0.5。
請參考第2A及2B圖所示，一個限流裝置16與濾波電容C串聯設置，此作法可以增加電路的功率因子。第2B圖為第2A圖的波型模擬圖，由此圖可以發現在增設限流裝置16的輸入電流100與輸入電壓101，可讓濾波電容C的電流量於每個半周期受到限制。
然而，為了要能夠有效限制電流量，如第2B圖所 示，限流裝置16就必須要被施予一定的電壓161，而限流裝置16在擁有足夠電壓161與電流，才能有效限制電流量的情況下，這些額外施加的電能大多在之後轉換為熱能。因此，就電能效率來說，具有限流裝置16的功率因子改善電路有電能浪費的缺點。
依據上述之需求，本發明之一目的在於提供一種用於改良功率因子改善電路的用電效率。
根據一實施例，一種提升功率因子改善電路效能的裝置，其包括一主要負載、一電源模組、一功率因子改善模組、一電流源模組及一輔助負載。該電源模組用於將一交流電壓(Alternating Current(AC)voltage)整流至一脈衝直流電壓(Pulsating Direct Current(DC)voltage)。該功率因子改善模組用於調整該脈衝直流電壓至一驅動電壓。該電流源模組連接於該電源模組、該主要負載與該功率因子改善模組之一側，以該驅動電壓驅動該主要負載。該輔助負載連接於該功率因子改善模組之另一側，並由該功率因子改善模組所驅動。
3‧‧‧功率因子改善模組
4‧‧‧輔助負載
10‧‧‧電源模組
12‧‧‧電流源模組
14‧‧‧主要負載
16,30‧‧‧限流裝置
100‧‧‧輸入電流
101‧‧‧輸入電壓
140‧‧‧電流突波
141‧‧‧功率
161,301‧‧‧電壓
40‧‧‧發光二極體
41‧‧‧開關
42‧‧‧控制器
43‧‧‧比較器
44‧‧‧電流調整信號
45‧‧‧LED陣列
46‧‧‧LED燈串
C‧‧‧濾波電容
D‧‧‧限制二極體
R‧‧‧限流電阻
第1A圖為習知定電流源驅動發光二極體的電路架構示意圖。
第1B圖為第1A圖的輸入電壓與電流的波型式意圖。
第2A圖為習知利用限流裝置的功率因子改善電路的示意圖。
第2B圖為第2A圖電流與電壓關係的波型示意圖。
第3圖為本發明提升功率因子改善電路效能的裝置示意圖。
第4A圖為本發明一實施例的裝置電路圖。
第4B圖為第4A圖電流與電壓關係的波型示意圖。
第5圖為本發明另一實施例的裝置電路圖。
請參考第3圖所示，一種提升功率因子改善電路效能的裝置，其包括一主要負載14、一電源模組10、一功率因子改善模組3、一電流源模組12及一輔助負載4。該電源模組10用於將一交流電壓(Alternating Current(AC)voltage)整流至一脈衝直流電壓(Pulsating Direct Current(DC)voltage)。該功率因子改善模組3用於調整該脈衝直流電壓至一驅動電壓。該電流源模組12連接於該電源模組10、該主要負載14與該功率因子改善模組3之一側，以該驅動電壓驅動該主要負載14。該輔助負載4連接於該功率因子改善模組3之另一側，並由該功率因子改善模組3所驅動。值得注意的是，本案特徵在於，利用傳統功率因子改善模組3所浪費的能量，驅動輔助負載4工作，以提升功率(power)效能的利用。
請參考第4A與4B圖所示，第4A圖為本發明一實施例的電路架構示意圖，其應用限流裝置(Current limiting Device,CLD)式功率因子改善模組，來達到功率因子改善的效果。於本實施例，該電源模組10為一橋式整流電路，該功率因子改善模 組3由一濾波電容C與一限流裝置30所構成。該主要負載14為一連接於該電流源模組12的發光二極體(light emitting diode,LED)燈串。值得注意的是，本實施例利用燈具或發光裝置來輔助說明本發明之技術特徵，具有本案通常技藝人士可知悉，相關應用可以套用至其它需要功率因子改善的電子裝置中，故本案之應用包括但不限於燈具的應用。
該濾波電容C之第一端連接於該電源模組10、該電流源模組12與該輔助負載4。該輔助負載4連結於該限流裝置30與該濾波電容C之間，並包括多個發光二極體(light emitting diode,LED)40、多個開關41與一控制器42。各開關41具有一第一端、一第二端與一第三端，各該開關41的第一端與第二端分別連接對應的LED40。如第4A圖所示，該些LED 40為串聯並設於該濾波電容C的第二端與該限流裝置30之間。該控制器42連接該限流裝置30來偵測該限流裝置30的電壓，並連接各該開關41的第三端，依序禁能對應的開關41，來對應驅動該輔助負載4的該些LED 40。
於本實施例，該些串聯的LED 40可為二位元形式(binary)設計，各該由二位元化分的區塊分別由對應的開關41來控制。限流裝置30上方為一顆LED 40，接著各區塊LED的數量則依序呈倍數增加(例如2,4,6,8...)。開關41可為一NMOS電晶體。值得注意的是，第4A圖於各區塊僅繪製1顆LED作為示意，且各區塊的LED數量並沒有所謂的限制，此外，本發明 中該些串聯的LED 40數量也不一定要以二位元形式設計，其它的形式也可以。
由於限流裝置30的電壓由控制器42所監控著，所以可以讓串聯於該濾波電容C的LED 40可以保持在適當的串接數量，該限流裝置30的電壓得以保持順偏壓(forward bias)。控制器42更包括一連結於該限流裝置30的比較器43，以供該控制器42得以根據該比較器43預設的一高門檻值與一低門檻值，依序禁能(disable)或致能(enable)該對應的開關41。當該限流裝置30的電壓高於該高門檻值，該控制器42致能該對應的開關41；當該限流裝置30的電壓低於該低門檻值，該控制器42禁能該對應的開關41。
於脈衝直流電壓於週期剛開始的時候，該濾波電容C的電流值為零，該限流裝置30的電壓亦為零。該些開關41全由該控制器42所致能。
脈衝直流電壓的週期持續，濾波電容C開始流經電流，而限流裝置30也因為要去限制電流而開始電壓增加。當限流裝置30的電壓到達比較器43的高門檻值時，控制器42則會禁能最下方的開關41，讓該開關41對應區塊的LED 40有電流並開始發光。一當有開關41被禁能，而使LED 40產生壓降並讓限流裝置30的電壓降下來。
脈衝直流電壓的週期繼續持續(尚未達到脈衝直流電壓此週期的峰值前)，限流裝置30的電壓則同步增加，直到再 次達到比較器43的另一高門檻值，而控制器42則禁能次一開關41而致能前次被致能的開關41。隨著時間持續，位於該濾波電容C第二端的電壓，驅使電流至每一個位於輔助負載4中的LED 40。
當脈衝直流電壓到達峰值開始下降時，位於該濾波電容C第二端的電壓同步下降，相對地，該限流裝置30的電壓也開始下降。當限流裝置30的電壓降至比較器43的低門檻值時，控制器42致能開關41令對應的LED 40短路。此時，限流裝置30的電壓值便會上升對應LED的壓降。此程序不斷繼續直到該濾波電容C的電流為零或所有輔助負載4的LED 40皆被短路。
第4B圖與第3B圖相較，限流裝置30的電壓301被維持於5伏特值以下(除了一些脈衝突波)，也就是代表之前被浪費的電能都不再被浪費了，改被輔助負載4的LED 40所利用(LED 40的功率(power)141)。此外，第4B圖所看到的突波，可透過改變開關41開啟與關閉的時間，來減少或消除該些突波。
當輔助負載4的該些LED 40被開啟或關閉的動作，可能會讓裝置發光產生一些閃爍，其閃爍的頻率為輸入交流電壓頻率的兩倍(例如：50Hz的輸入交流電壓會產生100Hz的閃爍)。為了讓裝置得以持續維持穩定的光源輸出，該控制器42另連接於該電流源模組12，並傳送一電流調整信號44至該電流源模組12，以控制流至該主要負載14的電流量。然而，此舉電流 補償的方法於本案並非絕對必須，因為，這些額外的閃爍大多很微小，且於大部分的應用上可以被忽略。
請參考第5圖所示，第5圖為本發明另一實施例的電路架構示意圖。本實施例與上述第4A圖所述的實施例類似且同樣的也是一種功率因子改善電路的架構，但差別在於本實施例不利用限流裝置、開關與比較器。於本實施例，提升功率因子改善電路效能的裝置中的輔助負載4另包括一限制二極體D與一LED陣列45。該限制二極體D連接該濾波電容C的第二端，用以避免濾波電容C與LED陣列45的電壓產生逆偏壓的狀況。該LED陣列45與該限制二極體D並聯，並包括多個並聯LED燈串46，各該LED燈串46由多LED串聯所構成，並與一限流電阻R串接。各該限流電阻R的電阻值不需要相同，事實上，當LED燈串46中的LED越多，則所需的電阻值越低。
本實施例利用電阻與LED陣列45的架構，限制了濾波電容C的電流且同時增加電路的功率因子。雖然少數的電能會被電阻所消耗，但大部分原本要被浪費的電能則會被用來發光。根據發明人的模擬，第2A圖所示的標準限流型功率因子改善電路的功率因子值為0.715，電能效率為94.1%；而本實施例的功率因子值為0.715，電能效率為95.5%，增加了1.4%的電能使用效率。
於本實施例，LED陣列45中，各該LED燈串46的LED數量依序增加，對應於各該LED燈串46的限流電阻R 的電阻值大小則與LED數量呈反比。值得注意的是，第5圖中所繪製的10顆LED僅為教示之用，並非用於限制本發明。
當濾波電容C第二端的電壓升高時，最左邊的LED燈串46會先被驅動(如第5圖所示)，當電壓持續升高，旁邊的LED燈串46將會被依序驅動，直到所有的LED燈串46的LED都被點亮。因此，LED燈串46與LED的最佳數量，取決點在於整體LED陣列45的壓降盡量小於但接近濾波電容C第二端電壓的峰值。也就是說，電壓大部分都會被LED所利用並點亮，盡量降低電能被限流電阻R給消耗的機會。
另外，當濾波電容C第二端的電壓下降時，上述的方式將會倒轉，直到所有被點亮的LED熄滅。
相同地，本實施例與上述第4A圖所述的實施例也會遇到相同閃爍的問題，因此，該電流源模組12另連接於該LED陣列45，接收一電流調整信號44，以對應該LED陣列45調整流至該主要負載14的電流量，如此一來，整體的發光將能維持穩定。然而，此舉電流補償的方法於本案並非絕對必須，因為，這些額外的閃爍大多很微小，且於大部分的應用上可以被忽略。
3‧‧‧功率因子改善模組
4‧‧‧輔助負載
10‧‧‧電源模組
12‧‧‧電流源模組
14‧‧‧主要負載

Claims (9)

  1. 一種提升功率因子改善電路效能的裝置，包括：一主要負載；一電源模組，用於將一交流電壓整流至一脈衝直流電壓；一功率因子改善模組，用於調整該脈衝直流電壓至一驅動電壓：一電流源模組，連接於該電源模組、該主要負載與該功率因子改善模組之一側，以該驅動電壓驅動該主要負載；及一輔助負載，連接於該功率因子改善模組之另一側，並由該功率因子改善模組所驅動。
  2. 如請求項1所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，其中該功率因子改善模組包括一濾波電容，該濾波電容具有一第一端及一第二端，其中該第一端連接於該電源模組，該第二端連接於該輔助負載。
  3. 如請求項2所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，其中該功率因子改善模組另包括一限流裝置，該輔助負載連接於該限流裝置與該濾波電容之間。
  4. 如請求項3所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，其中該主要負載為一發光二極體燈串，該輔助負載包括：多個發光二極體，各發光二極體是串聯的，並連接於該濾波電容之該第二端與該限流裝置之間； 多個開關，各該開關具有一第一端、一第二端及一第三端，其中各該開關之該第一端與該第二端分別連接該對應之該發光二極體的兩端；及一控制器，連接該限流裝置來偵測該限流裝置之一電壓，並連接各該開關之該第三端，依序禁能對應之該開關，來對應驅動該輔助負載中的該些發光二極體。
  5. 如請求項4所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，其中該控制器包括一連接於該限流裝置的比較器，以供該控制器得以根據該比較器預設之一高門檻值與一低門檻值，依序禁能或致能對應之該開關，其中，當該限流裝置之該電壓高於該高門檻值，該控制器致能該對應的開關；及當該限流裝置之該電壓低於該低門檻值，該控制器禁能該對應的開關。
  6. 如請求項5所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，該控制器另連接於該電流源模組，並傳送一電流調整信號至該電流源模組，以控制流至該主要負載的電流量。
  7. 如請求項2所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，其中該主要負載為一發光二極體燈串，該輔助負載包括：一限制二極體，連接於該濾波電容的該第二端；及 一發光二極體陣列，與該限制二極體並聯，並包括多個並聯的發光二極體燈串，各該發光二極體燈串由多個發光二極體串聯所構成，並與一限流電阻串接。
  8. 如請求項7所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，於該發光二極體陣列中，各該發光二極體燈串的該發光二極體的數量係依序漸增。
  9. 如請求項7所述之提升功率因子改善電路效能的裝置，該電流源模組另連接於該發光二極體陣列，並對應該發光二極體陣列調整流至該主要負載的電流量。
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