TWI424668B - 具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器 - Google Patents

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Description

具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器
本發明關於一種電源轉換器，詳言之，係關於一種具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器。
參考圖1，其顯示習知昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖。習知昇壓型功率因數修正電源轉換器10包括：一全橋整流器11、一電感12、一開關13、一個二極體14及一電容15。習知昇壓型功率因數修正電源轉換器10操作於連續電流導通模式，具有架構簡單及高功率因數等優點，但其輸出電壓僅能高於輸入電壓，應用範圍受限制。
參考圖2，其顯示習知SEPIC功率因數修正電源轉換器之電路示意圖。習知SEPIC功率因數修正電源轉換器20包括：一全橋整流器21、一第一電感22、一開關23、一第一電容24、一第二電感25、一個二極體26及一第二電容27。該習知SEPIC功率因數修正電源轉換器20可應用於寬輸入電壓範圍，但因習知SEPIC功率因數修正電源轉換器20操作於連續電流導通模式，電路中的功率開關23造成的切換損失亦隨切換頻率提高而增加，電路效率降低，且無法有效縮小產品體積。
因此，有必要提供一種創新且具進步性的降昇壓型功率因數修正電源轉換器，以解決上述問題。
本發明提供一種具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器，包括：一整流器、一第一開關、一第一個二極體、一電感、一第二開關及一第二個二極體。該整流器用以將一交流電源整流。該第一開關連接該整流器，該第一開關於零電流時導通，且固定導通時間。該第一個二極體連接該第一開關。該電感連接該第一開關及該第一個二極體，該電感上之電流操作於臨界電流模式。該第二開關連接該電感，該第二開關於零電流時導通，且固定導通時間。該第二個二極體連接該第二開關及該電感。
本發明之降昇壓型功率因數修正電源轉換器可達到寬輸入電壓範圍及可昇壓或降壓的正輸出電壓，且開關元件具有零電流導通特性，可提高電路切換頻率，縮小儲能元件體積，且應用於高頻率場合時，仍具有高效率；並且可降低輸入電流諧波及簡化驅動電路之複雜度。
參考圖3，其顯示本發明第一實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖。本發明第一實施例具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器30包括：一整流器31、一第一開關32、一第一個二極體33、一電感34、一第二開關35及一第二個二極體36。該整流器31用以將一交流電源Vac (t)整流。在本實施例中，該整流器31係為一全橋整流器。
該第一開關32連接該整流器31，該第一開關32於零電流時導通，且固定導通時間。該第一個二極體33連接該第一開關32。該電感34連接該第一開關32及該第一個二極體33，該電感34上之電流操作於臨界電流模式。該第二開關35連接該電感34，該第二開關35於零電流時導通，且固定導通時間。該第二個二極體36連接該第二開關35及該電感34。本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器30另包括一電容37，連接該第二個二極體36。
參考圖4，其顯示本發明第二實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖。除上述第一實施例之降昇壓型功率因數修正電源轉換器30之元件外，本發明第二實施例具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器40另包括一濾波電路41，用以將整流器31輸入端的高頻電流波形整流成一正弦電流波形。
參考圖5，其顯示本發明第三實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖。除上述第一實施例之降昇壓型功率因數修正電源轉換器30之元件外，本發明第三實施例具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器50另包括：一零電流偵測電路51、一邏輯判斷及驅動電路52、一第一比例電路53、一第二比例電路54、一電壓誤差放大器55、一乘法器電路56、一偵測電阻57及一電流比較器58。
參考圖6，其顯示本發明第三實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之元件訊號波形示意圖。配合參考圖5及圖6，說明本發明第三實施例具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路動作。該零電流偵測電路51連接該電感34，用以偵測該電感34之電流值是否為零，並輸出一零電流訊號至該邏輯判斷及驅動電路52。在本實施例中，該零電流偵測電路51係偵測電感34之二次測之電壓VZCD 是否為零。
該邏輯判斷及驅動電路52連接零電流偵測電路51，依據該零電流訊號同步控制該第一開關32及該第二開關35導通。亦即當該零電流偵測電路51偵測電感34之二次測之電壓VZCD 降低為零時，同步控制該第一開關32及該第二開關35導通。因此，該第一開關32及該第二開關35導通時，流經該電感34及該第一開關32與該第二開關35的電流均為零，故具有零電流導通特性。
該第一比例電路53連接該整流器31，用以將一整流訊號乘以一第一設定比例Kin 。該第二比例電路54連接一直流輸出端，用以將一直流輸出訊號Vo 乘以一第二設定比例Ko 。該電壓誤差放大器55連接該第二比例電路54之該第二設定比例直流輸出訊號及一設定電壓(例如2.5V)，並輸出一電壓誤差放大訊號B。該乘法器電路56用以將第一設定比例整流訊號A與該電壓誤差放大訊號B相乘，並輸出一參考電壓Vref 。該偵測電阻57連接該第二開關35，並取得一偵測電阻電壓VCS 。電流比較器58用以比較該參考電壓Vref 及該偵測電阻電壓VCS ，並輸出一比較訊號至該邏輯判斷及驅動電路52。
當該第一開關32及該第二開關35導通時，輸入電源(整流後之整流訊號Vin (t))向電感34充電，使電感電流值iL1 (t)上升，偵測電阻電壓VCS 亦上升。當偵測電阻電壓VCS 上升至與該參考電壓Vref 相同時，電流比較器58輸出一比較訊號至該邏輯判斷及驅動電路52，該邏輯判斷及驅動電路52依據該比較訊號同步控制該第一開關32及該第二開關35截止。在該第一開關32及該第二開關35截止時，電感34向負載放電，使電感電流值iL1 (t)降低，電感34之二次測之電壓VZCD 亦降低。當電感34之二次測之電壓VZCD 降低為零時，該邏輯判斷及驅動電路52再次同步控制該第一開關32及該第二開關35導通。
乘法器電路56具有兩個功能，一為偵測輸入電壓的峰值，使電感電流能追隨電壓峰值，進而達到功率因數修正功能。二為偵測輸出電壓水平準位，進而調節輸出電壓準位，達到輸出電壓穩壓功能。另外，該第一開關32及該第二開關35之導通時間，係受到零電流偵測電路51與乘法器電路56控制，故具有固定導通時間(Constant-on time)的特性。
參考圖7，其顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器之第一開關及第二開關驅動訊號及電感電流之實驗量測波形示意圖。觀察波形可知，第一開關及第二開關驅動訊號Vgs,1 (t)、Vgs,2 (t)在導通瞬間，電感電流iL1 (t)皆為負值，故可使第一開關及第二開關元件具有零電流導通特性，進而可提高電路切換頻率，縮小儲能元件體積。
參考圖8，其顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器整流器端之輸入電壓、輸入電流及輸出電壓實驗量測之波形示意圖。由波形可知，當整流器端之輸入電壓Vin 為170V時，輸出電壓Vo 為120V，且輸入電流iin 為460mA；當整流器端之輸入電壓Vin 為80V時，輸出電壓Vo 為120V，且輸入電流iin 為980mA。參考圖9，其顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器之輸入交流電源電壓、輸入交流電源電流及輸出直流電壓實驗量測之波形示意圖。由波形可知，當輸入交流電源電壓Vac 為90V時，輸出直流電壓Vo 為220V；當輸入交流電源電壓Vac 為264V時，輸出直流電壓Vo 為220V。因此，本發明實施例之降昇壓型功率因數修正電源轉換器應用於較高或較低輸入電壓時(80V~170V)或(90V~264V)，皆具有高功率因數。亦即本發明之降昇壓型功率因數修正電源轉換器可達到寬輸入電壓範圍及可昇壓或降壓的正輸出電壓。
參考圖10，其顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器之奇次項輸入電流諧波數值與IEC 61000-3-2 Class-D國際標準規範之比較示意圖，由圖10可知，本發明之降昇壓型功率因數修正電源轉換器可有效地降低輸入電流諧波，並符合國際標準規範。
因此，本發明之降昇壓型功率因數修正電源轉換器可達到寬輸入電壓範圍及輸出電壓可昇壓或降壓，且開關元件具有零電流導通特性，可提高電路切換頻率，縮小儲能元件體積，且應用於高頻率場合時，仍具有高效率；並且可降低輸入電流諧波及簡化驅動電路之複雜度。
惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
10．．．習知昇壓型功率因數修正電源轉換器
11．．．全橋整流器
12．．．電感
13．．．開關
14．．．二極體
15．．．電容
20．．．習知SEPIC功率因數修正電源轉換器
21．．．全橋整流器
22．．．第一電感
23．．．開關
24．．．第一電容
25．．．第二電感
26．．．二極體
27．．．第二電容
30．．．第一實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器
31．．．整流器
32．．．第一開關
33．．．第一個二極體
34．．．電感
35．．．第二開關
36．．．第二個二極體
37．．．電容
40．．．第二實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器
41．．．濾波電路
50．．．第三實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器
51．．．零電流偵測電路
52．．．邏輯判斷及驅動電路
53．．．第一比例電路
54．．．第二比例電路
55．．．電壓誤差放大器
56．．．乘法器電路
57．．．偵測電阻
58．．．電流比較器
圖1顯示習知昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖；
圖2顯示習知SEPIC功率因數修正電源轉換器之電路示意圖；
圖3顯示本發明第一實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖；
圖4顯示本發明第二實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖；
圖5顯示本發明第三實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之電路示意圖；
圖6顯示本發明第三實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器之元件訊號波形示意圖；
圖7顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器之第一開關及第二開關驅動訊號及電感電流之實驗量測波形示意圖；
圖8顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器整流器端之輸入電壓、輸入電流及輸出電壓實驗量測之波形示意圖；
圖9顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器之輸入交流電源電壓、輸入交流電源電流及輸出直流電壓實驗量測之波形示意圖；及
圖10顯示本發明降昇壓型功率因數修正電源轉換器之奇次項輸入電流諧波數值與IEC 61000-3-2 Class-D國際標準規範之比較示意圖。
30．．．第一實施例降昇壓型功率因數修正電源轉換器
31．．．整流器
32．．．第一開關
33．．．第一個二極體
34．．．電感
35．．．第二開關
36．．．第二個二極體
37．．．電容

Claims (6)

  1. 一種具有正輸出電壓之降昇壓型功率因數修正電源轉換器，包括：一整流器，用以將一交流電源整流；一第一開關，連接該整流器，該第一開關於零電流時導通，且固定導通時間；一第一個二極體，連接該第一開關；一電感，連接該第一開關及該第一個二極體，該電感上之電流操作於臨界電流模式；一第二開關，連接該電感，該第二開關於零電流時導通，且固定導通時間；及一第二個二極體，連接該第二開關及該電感。
  2. 如請求項1之降昇壓型功率因數修正電源轉換器，其中該整流器係為一全橋整流器。
  3. 如請求項1之降昇壓型功率因數修正電源轉換器，另包括一濾波電路，用以將整流器輸入端的高頻電流波形整流成一正弦電流波形。
  4. 如請求項1之降昇壓型功率因數修正電源轉換器，另包括一電容，連接該第二個二極體。
  5. 如請求項1之降昇壓型功率因數修正電源轉換器，另包括：一零電流偵測電路，連接該電感，用以偵測該電感之電流值是否為零，並輸出一零電流訊號；一邏輯判斷及驅動電路，連接零電流偵測電路，依據該零電流訊號同步控制該第一開關及該第二開關導通。
  6. 如請求項5之降昇壓型功率因數修正電源轉換器，另包括：一第一比例電路，連接該整流器，用以將一整流訊號乘以一第一設定比例；一第二比例電路，連接一直流輸出端，用以將一直流輸出訊號乘以一第二設定比例；一電壓誤差放大器，連接該第二比例電路之該第二設定比例直流輸出訊號及一設定電壓，並輸出一電壓誤差放大訊號；一乘法器電路，用以將第一設定比例整流訊號與該電壓誤差放大訊號相乘，並輸出一參考電壓；一偵測電阻，連接該第二開關，並取得一偵測電阻電壓；一電流比較器，用以比較該參考電壓及該偵測電阻電壓，並輸出一比較訊號至該邏輯判斷及驅動電路；其中該邏輯判斷及驅動電路依據該比較訊號同步控制該第一開關及該第二開關截止。
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