TWI411206B

TWI411206B - Power factor correction circuit of power converter

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Publication number: TWI411206B
Application number: TW099132684A
Authority: TW
Original assignee: Sitronix Technology Corp
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2013-10-01
Also published as: TW201214938A

Description

功率轉換器之功率因數修正電路

本發明係有關於一種功率因數修正電路，其係尤指一種功率轉換器之功率因數修正電路。

按，現今電源供應器之業者追求高品質的電力供需一直是全球各國所想要達成的目標，然而大量的興建電廠並非解決問題的唯一途徑，一方面提高電力供給的能量，一方面提高電器產品的功率因數(Power Factor)或效率才能有效解決問題。而功率因數修正器(power factor corrector)其主要作用是讓電器產品的輸入電壓與輸入電流的相位相同，且使電器產品的負載近似於電阻性負載，以達到供電的高功率因數。

功率因數修正器主要分有三種，第一種為臨界傳導模式功率因數修正器(Critical conduction mode，CRM PFC)，第二種為非連續型功率因數修正器(Discontinuous current Conduction Mode，DCM PFC)與第三種為連續型功率因數修正器(Continuous current Conduction Mode CCM PFC)。

請參閱第一圖，係為習知技術之功率因數修正電路的電路圖。如圖所示，習知技術之功率因數修正電路為連續型功率因數修正器(CCM PFC)，其常用的控制方式是所謂的平均電流(average current)控制模式，如第一圖中，當交流電源AC經一橋式整流器10’整流成為波形類似m形的輸入電壓Vin，一運算電路20’透過電壓迴路補償電路30’取得電壓誤差訊號A或稱為電壓命令，輸出電壓Vout*Kf與期待(參考)電壓Vref的差值經由一補償電路而產生一電壓誤差訊號A，同時透過一前置電路40’由輸入電壓Vin取出一輸入訊號B與輸入電壓Vin的平均值C的平方訊號(即C^2訊號)。運算電路20’之一乘法器22’進行處理電壓誤差訊號A與輸入訊號B的相乘，然後再以運算電路20’之一除法器24’除以平方訊號C^2，用以輸出一波形類似m形的電流命令訊號Iref。運算電路20’中之所以要除以平方訊號C^2，是因為不希望功率因數修正器的功因值隨著輸入電壓Vin大小而改變，而電壓誤差訊號A是考慮若在輸出電壓變動情況下，仍能藉由控制電路50’改變電晶體Q的切換而達到穩壓效果。

請一併參閱第二圖，係為第一圖之功率因數修正電路的波形示意圖。如圖所示，閘極驅動脈波VG是三角波Ipwm和電流命令訊號Ic作比較運算後所得的結果。閘極驅動脈波VG在電流命令訊號Ic波谷附近的工作週期最寬而在波峰附近最窄，在第二圖中，可看出經由閘極驅動脈波VG控制電晶體Q而得到電感L的電流波形iL，此電流波形iL經過輸入端的電容Cin濾波後即可在輸入端得到一個近似弦波的電流波形iL(avg)。此近似弦波的電流波形會與輸入電壓Vin同相位，而達到功因的修正。上述說明中所提到利用運算電路20’的方式，產生近似弦波的輸入電流波形與輸入電壓Vin同相位的結果，而達到功率因數的修正。

惟查，由於運算電路20’中使用除法器24’，其個別元件數目多、設計複雜。

因此，如何針對上述問題而提出一種新穎功率轉換器之功率因數修正電路，其可避免使用除法器，使功率因數修正電路設計簡單，進而減少成本，使可解決上述之問題。

本發明之主要之一，在於提供一種功率轉換器之功率因數修正電路，其藉由一乘法器而避免使用除法器，使功率因數修正電路結構簡單，進而達到縮小功率因數修正電路的體積，並且使功率因數修正電路結構簡單，進而減少成本的目的。

本發明之功率轉換器之功率因數修正電路耦接一功率轉換器，用以調整功率轉換器之一功率因數，功率因數修正電路包含一回授電路、一運算電路與一切換電路。回授電路係耦接該功率轉換器之一輸出端，並依據該功率轉換器之一輸出訊號，產生一回授訊號，運算電路係耦接該功率轉換器之一輸入端與該回授電路，並接收該功率轉換器之一輸入訊號與一感測訊號和該回授訊號，該運算電路依據該輸入訊號與該回授訊號產生一乘法訊號，並依據該輸入訊號與一感測訊號產生一第一參考訊號，該運算電路再依據該乘法訊號與該第一參考訊號而產生一控制訊號，切換電路耦接該運算電路，並依據該控制訊號與一第二參考訊號，而產生一切換訊號，用以切換該功率轉換器之一開關。如此，本發明係藉由一乘法器而避免使用除法器，使功率因數修正電路結構簡單，進而達到縮小功率因數修正電路的體積，並且可達到減少成本的目的。

習知技術：

10’‧‧‧橋式整流器

20’‧‧‧運算電路

22’‧‧‧乘法器

24’‧‧‧除法器

30’‧‧‧電壓放大器

40’‧‧‧前置電路

50’‧‧‧控制電路

本發明：

1‧‧‧功率因數修正電路

10‧‧‧電壓回授電路

100‧‧‧電壓迴路補償器

102‧‧‧第三調整器

12‧‧‧運算電路

120‧‧‧第一參考訊號產生電路

1200‧‧‧第二乘法器

1202‧‧‧第三乘法器

1203‧‧‧運算單元

1204‧‧‧第一調整器

1206‧‧‧第二調整器

1208‧‧‧低通濾波器

122‧‧‧第一乘法器

124‧‧‧電流迴路補償器

14‧‧‧切換電路

2‧‧‧功率轉換器

20‧‧‧整流電路

第一圖係為習知技術之功率因數修正電路的電路圖；第二圖係為第一圖之功率因數修正電路的波形示意圖；第三圖係為本發明之一較佳實施例之電路圖；以及第四圖係為本發明之另一較佳實施例之電路圖。

茲為使貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第三圖，係為本發明之一較佳實施例之電路圖。如圖所示，本發明之功率轉換器之功率因數修正電路1係耦接一功率轉換器2，用以調整功率轉換器2之一功率因數，該功率因數修正電路1包含一電壓回授電路10、一運算電路12與一切換電路14。電壓回授電路10係耦接功率轉換器2之一輸出端，電壓回授電路10依據功率轉換器2之一輸出訊號Vout而產生一電壓命令訊號Vea，即電壓回授電路10係依據功率轉換器2之輸出訊號Vout與參考電壓Vref之電壓差經由一補償電路(即電壓迴路補償器100)而產生電壓命令訊號Vea，常見的補償電路實現方式為一比例(Proportional，P)控制器，一比例積分(Proportional-Integral，PI)控制器或一比例積分微分(Proportional-Integral-Differental，PID)控制器，運算電路12係耦接功率轉換器2之一電壓輸入端，電流輸入端與電壓回授電路10，運算電路12接收功率轉換器2之一電壓輸入訊號Vin與一電流感測訊號I和電壓命令訊號Vea，其中電壓輸入訊號Vin係為交流電源訊號Vac經功率轉換器2之整流電路20整流後產生之輸入訊號，電壓輸入訊號Vin經由一第一調整器1204產生信號B與電壓命令訊號Vea相乘而產生一乘法訊號Iref，並運算電路12依據輸入電壓訊號Vin與感測電流訊號I而產生一第一參考訊號Isen，之後，運算電路12再依據乘法訊號Iref與第一參考訊號Isen經由一電流迴路補償器124而產生一控制訊號Ic，切換電路14係耦接於運算電路12，切換電路14依據控制訊號與一第二參考訊號Ipwm，而產生一切換訊號，用以切換功率轉換器2之一開關Q，其中，開關Q為一功率開關，並且為一場效電晶體(MOS FET)。如此，本發明係藉由運算電路12而避免使用除法器，使功率因數修正電路1結構更為簡單，進而達到縮小功率因數修正電路1的體積，並且可達到減少成本的目的。其中，第二參考訊號Ipwm為一鋸齒波訊號。

承上所述，本發明之運算電路12包含一第一參考訊號產生電路120、一第一乘法器122與一電流迴路補償124。第一參考訊號產生電路120係耦接功率轉換器2之輸入端，並第一參考訊號產生電路120依據電壓輸入訊號Vin與電流感測訊號I而產生乘法訊號Iref，第一乘法器122係耦接功率轉換器2之輸入端與電壓回授電路10，並第一乘法器122相乘電壓命令訊號Vea與電壓輸入訊號Vin，其中，電壓輸入訊號Vin亦可經過第一放大器1204，而使第一乘法器122可相乘電壓命令訊號Vea與輸入訊號(Vin*Kv)，而產生乘法訊號Iref電流迴路補償器124耦接第一參考訊號產生電路120與第一乘法器122，電流迴路補償器124係比較第一參考訊號Isen與乘法訊號Iref，而產生控制訊號Ic，以傳送至切換電路14。如此，本發明之運算電路12僅使用第一乘法器122，而未使用除法器，使功率因數修正電路結構簡單，進而達到縮小功率因數修正電路的體積，並減少其成本。

上述之第一參考訊號產生電路120包含一第二乘法器1200、一第三乘法器1202、第一調整器1204、一第二調整器1206與一低通濾波器1208。第一調整器1204係用以調整電壓輸入訊號Vin之強度，於此實施例中，第一調整器1204係用以放大/縮小電壓輸入訊號Vin，並將調整後之電壓輸入訊號Vin傳送至濾波器1208與第一乘法器122。此外，第一調整器1204係更產生一訊號B，並將訊號B傳送至第一乘法器122。第二調整器1206係用以調整電流感測訊號I之強度，即放大/縮小該電流感測訊號I，並將調整後之電流感測訊號I傳送至第二乘法器1200。第二乘法器1200係耦接功率轉換器2之輸入端，並相乘電壓輸入訊號Vin之平均值C的平方訊號(即C^2訊號)與電流感測訊號I，而產生第一參考訊號Isen，第三乘法器1202係耦接於低通濾波器1208之輸出端，而產生電壓輸入訊號Vin之平均值C的平方訊號(即C^2訊號)，且傳送電壓輸入訊號Vin之平均值C的平方訊號至第二乘法器1200。低通濾波器1208係耦接功率轉換器2之輸入端，並過濾電壓輸入訊號Vin，而算出電壓輸入訊號Vin的平均值。

此外，本發明可使用一運算單元1203取代第三乘法器1202(如第四圖所示)，運算單元1203係耦接功率轉換器2之輸入端，並依據一對應表而平方電壓輸入訊號Vin，且傳送平方後之電壓輸入訊號Vin至第二乘法器1200，於此實施例中，運算單元1203係耦接於低通濾波器1208之輸出端，而產生電壓輸入訊號Vin之平均值C的平方訊號(即C^2訊號)，且傳送電壓輸入訊號Vin之平均值C的平方訊號至第二乘法器1200。

請復參閱第三圖，電壓回授電路10包含一電壓迴路補償器100與一第三調整器102。電壓迴路補償器100係耦接功率轉換器2之輸出端與運算電路12，並電壓迴路補償器100比較輸出訊號Vout與一門檻訊號Vref，而產生電壓命令訊號Vea。第三調整器102係耦接於功率轉換器2之輸出端與電壓迴路補償器100，第三調整器102係用以調整功率轉換器2之輸出訊號Vout之強度，於此實施例中，第三調整器102係放大/縮小功率轉換器2之輸出訊號Vout，並將調整後之輸出訊號Vout傳送至電壓迴路補償器100。

本發明之切換電路14可為第二比較器，其耦接運算電路12與功率轉換器2，並比較運算電路12輸出之控制訊號Ic與第二參考訊號Ipwm，而產生切換訊號，以切換開關Q，而達到功率轉換器2之功率因數的修正。

由上述可知，由於乘法訊號Iref等於電壓命令訊號Vea乘上訊號B，第一參考訊號Isen等於調整後後之電流感測訊號I乘上訊號C²，而電流感測訊號I等於功率轉換器2之輸入電流Iin，當系統穩定時第一參考訊號Isen等於乘法訊號Iref，所以，功率轉換器2之輸入功率Pin等於電壓輸入電壓Vin乘上輸入電流Iin，即等於電壓輸入電壓Vin乘上第一參考訊號Isen除以訊號C²，也就是電壓輸入電壓Vin乘上訊號B與電壓命令訊號Vea再除以訊號C²，又，因為訊號B為調整後之電壓輸入電壓Vin，所以，功率轉換器2之輸入功率Pin等於電壓輸入電壓Vin的平方乘上電壓命令訊號Vea，再除以訊號C²，並且平方訊號C²相當於電壓輸入電壓Vin，或是數倍之電壓輸入電壓Vin，因此，輸入功率Pin即等於數倍之訊號Vea。如此，本發明藉由一乘法器而避免使用除法器，使功率因數修正電路結構簡單較易實現，進而達到縮小功率因數修正電路的體積，並可減少成本。

綜上所述，本發明之功率轉換器之功率因數修正電路係由一回授電路依據功率轉換器之一輸出訊號，產生一電壓命令訊號，運算電路接收功率轉換器之一電壓輸入訊號與一電流感測訊號和電壓命令授訊號，並運算電路依據電壓輸入訊號與電壓命令訊號產生一乘法訊號，且依據電壓輸入訊號與電流感測訊號產生一第一參考訊號，之後，運算電路再依據乘法訊號與第一參考訊號而產生一控制訊號，切換電路依據控制訊號與一第二參考訊號，而產生一切換訊號，用以切換功率轉換器之一開關。如此，本發明係藉由乘法器而避免使用除法器，使功率因數修正電路結構簡單，進而達到縮小功率因數修正電路的體積，並且可達到減少成本的目的。

本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。