专利名称：功率因素改善转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率因素改善转换器，特别是涉及一种具低传导损失与低切换损失的零电压零电流切换的功率因素改善转换器(zero-voltage，zero-current switching power factor correction converter)。
请参见
图1，其为现有的用以实现功率因素改善的单相式升压转换器的电路结构示意图。在图1的电路结构中，在主开关Sm导通时，其电流流动的路径是流经两输入整流二极管D3与D2、升压电感(boost choke)L1与主开关Sm；而当主开关Sm关闭时，其电流流动的路径是流经另外两个输入整流二极管D4与D1、升压电感L1及输出二极管Dm。因此，图1的功率转换器会具有较大的传导损失。
请参见图2，其为另一种现有的用以实现功率因素改善的单相式升压转换器的电路结构示意图。与图1的升压转换器相比较，图2的升压转换器虽然具有较小的传导损失，但因整流二极管本身存在着逆回复时间(trr)的问题，必须要采用超快速逆回复二极管(hyper fast recovery diode)来降低主开关S1与S2的切换损失。然而，图2中的超快速逆回复二极管本身的顺向电压VF远比图1中的输入整流二极管的顺向电压来得高。因此，图2的功率转换器设计并未能达到预期的效果。换句话说，图2的功率转换器设计并未获得降低传导损失的优点，且其中所产生的电磁干扰(EMI)与射频干扰(RFI)的问题依然无法得到解决。
本发明的第一目的在于提供一种用以实现功率因素改善的升压转换器，其具有较低的传导损失与切换损失、较低的电磁干扰与射频干扰、较小的磁性元件尺寸与较佳的整体效率。
本发明的另一目的在于提供一功率因素改善转换器，其状态设定为在零电压或零电流时切换功率因素改变转换器中的升压功率转换器的开关的状态，并且减少电流在升压功率转换器中的传导损失，以优化功率因素改善转换器的整体效率。
本发明的目的是以下述方式实现的根据本发明的一第一典型实施例，一升压功率转换器(boost powerconverter)，包含一共振单元(resonant unit)，其包含一第一开关元件、一第二开关元件与一共振电路包含至少两能量储存元件，该共振单元是被设定以交替地自共振电路的一能量储存元件释放能量至一负载；以及一升压单元(boost unit)，包含一升压电感(boost choke)用以接受一交流电压，一整流电路耦合于该升压电感与该共振单元之间，一第三开关元件、一第四开关元件分别跨接该共振电路的一能量储存元件。
为了减少开关在状态切换的瞬间所产生的切换损失，共振单元的状态是被设定为在零电流时切换该第一开关元件与该第二开关元件的状态，且升压单元的状态是被设定为在零电压时切换该第三开关元件与该第四开关元件的状态。
根据本发明构想，该负载是包含一第一输出电容与一第二输出电容，且该升压单元还可选择性地包含一电感器，耦合于该交流电压的一侧与该第四开关元件的一节点，用以消除该升压功率转换器的共模噪声。上述的共振电路是包含一电感器与一第一电容与一第二电容，而该第一电容与该第二电容是可合并为一等效电容。
根据本发明的一第一实施例，该第一开关元件与该第二开关元件是均由一单向开关装置所组成。该单向开关装置是可由一可控硅整流器(SCR)或具有相当高的集极-射极逆向偏压的一绝缘闸双极性晶体管(IGBT)所组成。另一种选择是，第一开关元件与第二开关元件均是以一般的绝缘闸双极性晶体管(IGBT)或一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所组成。如此一来，便需要一整流元件如一整流二极管与该第二开关元件串接。
升压单元中的整流电路是由一第一整流元件、一第二整流元件与一第三整流元件所组成。在本发明的一较佳实施例中，整流元件均是由一极快速逆回复二极管(ultra fast recovery diode)所组成。在本发明的其它较佳实施例中，整流元件是为一双向的整流元件如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所组成。
在本发明的升压功率转换器中还包含一第一辅助整流元件与一第二辅助整流元件，其也为一极快速逆回复二极管(ultra fast recovery diode)或一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所组成。
可选择的是，本发明的升压功率转换器还包含一饱和式电感，耦合于该共振电路的电感器与该负载之间，用以降低该共振电路的高频振荡(ringing)。
根据本发明的一典型较佳实施例另一方面的构想，一功率因素改善转换器，包含一共振单元(resonant unit)，其包含一第一开关元件、一第二开关元件与一共振电路包含至少两能量储存元件，该共振单元是被设定以交替地自共振电路的一能量储存装置释放能量至一负载；一升压单元(boost unit)，包含一升压电感(boost choke)用以接受一交流电压，一整流电路耦合于该升压电感与该共振单元之间，一第三开关元件、一第四开关元件分别跨接于该共振电路的一能量储存元件；以及一功率因素改善控制器(power factor correction controller)，其是顺应跨接该第三开关元件的电压为零时发出一控制讯号驱动该第三开关元件改变其状态，以及顺应跨接该第四开关元件的电压为零时发出一控制讯号驱动该第四开关元件改变其状态。
本发明的功率因素改善转换器还包含一零电压检测器(zero voltagedetector)，其接收跨接该第三开关元件的电压与跨接该第四开关元件的电压，并且于第三开关元件的电压或该第四开关元件的电压为零时，发出一控制讯号至该功率因素改善控制器以驱动该功率因素改善控制器改变第三开关元件或第四开关元件的状态。
为实现减少开关在切换时所造成的切换损失的目的，共振单元的状态是被设定为在零电流时切换该第一开关元件与该第二开关元件的状态。该负载是包含一第一输出电容与一第二输出电容。
可选择的是，升压单元还可包含一电感器，耦合于该交流电压的一侧与该第四开关元件的一节点，用以消除该升压功率转换器的共模噪声。而该共振电路是包含一电感器与一第一电容与一第二电容。该第一电容与该第一电容是可合并为一等效电容。
较为理想的是，该第一开关元件与该第二开关元件是均由一单向开关装置所组成。该单向开关装置是可由一可控硅整流器(SCR)或具有相当高的集极-射极逆向偏压的一绝缘闸双极性晶体管(IGBT)所组成。另一种选择是，第一开关元件与第二开关元件均是以一绝缘闸双极性晶体管(IGBT)或一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所组成。如此一来，便需要一整流元件如一整流二极管与该第二开关元件串接。
上述的整流电路是由一第一整流元件、一第二整流元件与一第三整流元件所组成。该整流元件均是由一极快速逆回复二极管(ultra fastrecovery diode)或一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所组成。较为理想的是，该升压单元还包含一第一辅助整流元件与一第二辅助整流元件，其也由一极快速逆回复二极管(ultra fast recovery diode)或一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所组成。
可选择的是，该共振单元还包含一饱和式电感，耦合于该共振电路的电感器与该负载之间，用以降低该共振电路的高频振荡(ringing)。
下面结合实施例及其附图对本发明的上述内容以及本发明的优点与技术特征，作进一步详细说明。
图1为现有的用以实现功率因数改善的单相式升压转换器的电路结构示意图；图2为现有的另一种用以实现功率因数改善的单相式升压转换器的电路结构示意图；图3(A)为根据本发明的一较佳实施例的应用于功率因素改善转换器中的升压功率转换器的电路拓朴图；图3(B)为根据本发明的升压功率转换器的共振电路中，第一共振电容Cr1与第二共振电容Cr2合并为一等效的共振电容Cr的电路符号示意图；图4为本发明的一较佳实施例的功率因素改善转换器中各个驱动讯号的时钟图；图5以图例显示了根据本发明的一第一较佳实施例的功率因素改善转换器的电路方块示意图；图6(a)至图6(l)以图例解说本发明的升压功率转换器在正半周的电路运作模式；图7至图13为根据本发明的其它实施例的升压功率转换器的拓朴图，其是为基于图3的拓朴图修改而得。
请参见图3(A)、图3(B)、图4与图5。图3(A)为根据本发明的一较佳实施例应用于功率因素改善转换器中的升压功率转换器的电路拓朴图。图4为本发明的一较佳实施例的功率因素改善转换器中各个驱动讯号的时钟图。图5为根据本发明的一较佳实施例的功率因素改善转换器中的电路结构图。在图3(A)中，本发明的升压功率转换器包含了一共振单元(resonantunit)，其包含一第一开关元件Sa1、一第二开关元件Sa2与一共振电路所组成。共振电路是包含共振电感Lr、一第一共振电容Cr1与一第二共振电容Cr2，然而第一共振电容Cr1与第二共振电容Cr2是可合并为一等效的共振电容Cr，如图3(B)的电路符号示意图所示。共振电路中的共振电感与共振电容是作为能量储存装置，而共振单元的状态设定是为交替地自共振电路的共振电感或共振电容释放能量至由第一输出电容C1与第二输出电容C2所组成的负载。图3(A)的升压功率转换器还包含了一升压单元(boostunit)，包含一升压电感(boost choke)L1用以接受一交流输入电压Vin，一整流电路耦合于升压电感与该共振单元之间，以及一第三开关元件S1、一第四开关元件S2分别跨接该共振电路的共振电容Cr1与Cr2。整流电路是包含第一整流二极管D3、第二整流二极管D4及第三整流二极管D8。除此之外，图3(A)的升压功率转换器还包含两辅助整流二极管D5与D6。为了降低升压功率转换器的传导损失，整流二极管是利用具有较低顺向电压VF的极快速逆回复二极管(ultra fast recovery diode)所完成。且为了减少开关元件在开关切换的瞬间产生的切换损失，共振单元的状态设定是为在零电流时切换开关元件Sa1与开关元件Sa2的状态，而升压单元的状态设定是为在零电压时切换该开关元件S1与开关元件S2的状态。
在此较佳实施例中，开关元件S1与S2是为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)所完成。开关元件Sa1与Sa2均为一单向开关装置，其可由一可控硅整流器(SCR)或具有相当高的集极-射极逆向偏压的绝缘闸双极性晶体管(IGBT)来完成。这样一来，图3(A)中的二极管D7便可移除。另外一种选择是由一般的绝缘闸双极性晶体管(IGBT)或MOSFET来完成开关元件Sa1与Sa2，则单向开关Sa2必须要串接二极管D7。图3(A)的升压功率转换器还可选择性地包含一电感器L2，用来消除升压功率转换器的共模噪声。图3(A)的升压功率转换器还可包含一饱和式电感Ls，其也为可选择性的磁性元件，用以降低共振电路的高频振荡(ringing)。
在图5中，图3(A)的升压功率转换器是由一功率因素改善控制器(PFCcontroller)1控制，以实现改善功率因数的目的。PFC控制器1是由一PFC集成电路(PFC IC)、一切换讯号波形产生器与一驱动讯号产生电路等分立元件所组成。关于PFC控制器1的电路设计，其并未与本发明有直接的关联，故在此不加以讨论。本发明的功率因素改善转换器还包含一零电压检测器2，其是接受开关元件S1与S2的集极-源极电压(也即跨接共振电容Cr1的电压与跨接共振电容Cr2的电压)并检测开关元件S1与S2的集极-源极电压值是否为零。PFC控制器1是用以顺应升压功率转换器的输出电压与零电压检测器2的检测产生用以控制开关元件S1、S2、Sa1、Sa2的控制讯号，以便驱动开关元件切换其状态。图4为本发明的功率因素改善转换器的各个驱动讯号的时钟图。在其中开关元件Sa1与Sa2的驱动讯号是通过PFC控制器1中PFCIC所发出的驱动讯号与其除频讯号N％做逻辑和运算(logic And operation)而得，其中N≥2。
图6(a)至图6(l)以图例解说本发明的升压功率转换器在正半周的电路运作模式。本发明的升压功率转换器在正半周的电路运作共分为十二个操作模式，而升压功率转换器在正半周的运作是按照图6(a)至图6(l)所示的十二个操作模式循序地进行。现对本发明的升压功率转换器在正半周的操作模式以下述的说明辅以图示详加解说。
请参见图6(a)，其与图2的现有升压转换器于放电模式(dischargemode)的操作原理相同。储存在升压电感(boost choke)L1中的能量会经由D3、D8及S2释放至输出电容C1与C2上。
请参见图6(b)。此时，单向开关Sa1于零电流时切换而导通，流经共振电感Lr的电流将以线性的方式增加。当Lr的电流iLr增加至与流经升压电感L1的电流iL大小相同时，此操作模式即告终止。
请参见图6(c)。此时，共振电容Cr1与共振电感L1产生共振，使得共振电容Cr1所储存的能量释放至接近于零。此种操作模式结束于主开关S1导通时。
请参见图6(d)。当共振电容Cr1的电压趋近于零时，借由检测共振电容Cr1的电压(也为开关S1的集极-源极电压)趋近于零以驱动主开关S1导通。而此操作模式即开始于主开关S1导通，共振电感Lr所储存的能量借由主开关S1释放至输出电容C2。此操作模式终止于共振电感Lr所储存的能量释放完毕时。由于开关Sa1是单向开关，即使开关Sa1的驱动讯号仍然为高电平，开关Sa1依然是处于关闭的状态，且是在零电流时关闭。
请参见图6(e)。此操作模式启始于共振电感Lr所储存的能量释放至零时。此操作模式与现有升压转换器操作于充电模式的动作原理是相同的。此操作模式终止于PFC驱动讯号关闭时。
请参见图6(f)。此操作模式启始于主开关S1导通时，此时输入电感L1向共振电容Cr1充电。当共振电容Cr1的电压等于输出电压VO时，此操作模式即终止。
请参见图6(g)。当共振电容Cr1的电压等于输出电压VO时，其电压将不会再往上升，而会被输出电压VO止住。此种操作模式同于图6(a)的操作模式。
请参见图6(h)。此种操作模式类似于图6(b)的操作模式，只是在此操作模式中导通的是开关Sa2而非开关Sa1。与图6(b)的操作模式一样，开关Sa2于零电流时导通且其电流是以线性的方式增加。此操作模式终止于共振电感Lr的电流iLr等于iL时。
请参见图6(i)。此种操作模式类似于图6(c)的操作模式，共振电容Cr1经由D3、C1、Sa2与D7与共振电感Lr产生共振，使得共振电容Cr1所储存的能量被释放趋近于零。此操作模式终止于主开关S1导通时。
请参见图6(j)。此种操作模式类于于图6(d)的操作模式，借由检测共振电容Cr1的电压(也为S1的集极-源极电压)趋近于零来驱动主开关S1导通而启始此操作模式。在此操作模式中，共振电感Lr所储存的能量经由S1、S2、D3、D4、D7、Sa2线性释放至输出电容C1。此操作模式结束于共振电感Lr能量释放完毕时。由于开关Sa2为单向开关，即使开关Sa2的驱动讯号依然高电平，开关Sa2将会自然地关闭，且是在零电流时关闭。
请参见图6(k)。此操作模式启始于共振电感Lr所储存的能量释放至零时。此操作模式与现有升压转换器操作于充电模式的动作原理及图6(e)是相同的。此操作模式终止于PFC驱动讯号关闭时，也就是开关S1关闭时。图6(l)的操作模式与图6(f)的操作模式完全相同，故在此不另加赘述。
本发明的升压转换器的负半周的操作模式类似于前述正半周的操作模式，所不同的是，在正半周时利用开关元件S1于零电压导通使共振电感释放能量至输出电容，而负半周利用开关元件S2于零电压导通使共振电感释放能量至输出电容。因此，负半周的操作模式可依前述正半周的操作模式类推，我们在此不想对其做更深入的探讨。
图7至图13以图例显示本发明的升压转换器的其它实施例。图7至图13所示的升压转换器的拓朴图是基于图3(A)的拓朴图稍加改良而成。在其中升压转换器的部份整流元件是改用双向整流元件如MOSFET以取代前述实施例中的单向整流元件如二极管。根据图7至图13的升压转换器结构，可发现升压转换器中的传导损失变得更低。MOSFET的作用为一同步整流器，其动作的时机是落入二极管导通后及关闭前的时区。由上述说明可知，本发明的功率因素改善转换器利用开关处于零电流与零电压的状态时被驱动而改变开关的状态，同时采用顺向电压较低的整流元件组成整流电路。因此，本发明的功率因素改善转换器可获得一较低的传导损失与切换损失、较小的磁性元件尺寸、较低的电磁干扰与射频干扰以及最佳化的整体效率。
虽然本发明已由上述实施例详细叙述，但仍可由熟悉本技术的人员任施匠思而进行诸般修饰，但均属于权利要求所保护的范围。
权利要求
1.一升压功率转换器，其包含一共振单元，包含一第一开关元件、一第二开关元件与一共振电路包含至少两能量储存元件，该共振单元是被设定以交替地自共振电路的一能量储存元件释放能量至一负载；以及一升压单元，包含一升压电感用以接受一交流电压，一整流电路耦合于该升压电感与该共振单元之间，一第三开关元件、一第四开关元件分别跨接该共振电路的一能量储存元件。
2.如权利要求1所述的升压功率转换器，其中该共振单元是被设定为在零电流时切换该第一开关元件与该第二开关元件的状态，而该升压单元是被设定为在零电压时切换该第三开关元件与该第四开关元件的状态。
3.如权利要求1所述的升压功率转换器，其中该负载是包含一第一输出电容与一第二输出电容，而该升压单元还包含一电感器，耦合于该交流电压的一侧与该第四开关元件的一节点，用以消除该升压功率转换器的一共模噪声。
4.如权利要求1所述的升压功率转换器，其中该共振电路是包含一电感器与一电容，而该共振电路是包含一电感器与一第一电容与一第二电容。
5.如权利要求1所述的升压功率转换器，其中该第一开关元件与该第二开关元件均由一单向开关装置所组成。
6.如权利要求5所述的升压功率转换器，其中该单向开关装置是包含一可控硅整流器或具有一相当高的集极-射极逆向偏压的一绝缘闸双极性晶体管。
7.如权利要求5所述的升压功率转换器，其中该单向开关装置是包含一绝缘闸双极性晶体管或一金属氧化物半导体场效应晶体管，且还包含一二极管与该第二开关元件串接。
8.如权利要求5所述的升压功率转换器，还包含一饱和式电感，耦合于该共振电路的电感器与该负载之间，用以降低该共振电路的一高频振荡。
9.如权利要求1所述的升压功率转换器，其中该整流电路是包含一第一整流元件、一第二整流元件与一第三整流元件，而各该整流元件均是由一极快速逆回复二极管或一金属氧化物半导体场效应晶体管所组成。
10.如权利要求1所述的升压功率转换器，还包含一第一辅助整流元件与一第二辅助整流元件，而该第一辅助整流元件与该第二辅助整流元件均是由一极快速逆回复二极管或一金属氧化物半导体场效应晶体管所组成。
11.一功率因素改善转换器，其包含一共振单元，包含一第一开关元件、一第二开关元件与一共振电路包含至少两能量储存元件，该共振单元是被设定以交替地自共振电路的一能量储存元件释放能量至一负载；一升压单元，包含一升压电感用以接受一交流电压，一整流电路耦合于该升压电感与该共振单元之间，一第三开关元件、一第四开关元件分别跨接于该共振电路的一能量储存元件；以及一功率因素改善控制器，其是顺应跨接该第三开关元件的一电压为零时发出一控制讯号驱动该第三开关元件改变其状态，以及顺应跨接该第四开关元件的一电压为零时发出一控制讯号驱动该第四开关元件改变其状态。
12.如权利要求11所述的功率因素改善转换器，还包含一零电压检测器，其接收跨接该第三开关元件的一电压与跨接该第四开关元件的一电压，并且于第三开关元件的一电压或该第四开关元件的一电压为零时，发出一控制讯号至该功率因素改善控制器以驱动该功率因素改善控制器改变该第三开关元件或该第四开关元件的状态。
13.如权利要求11所述的功率因素改善转换器，其中该共振单元是被设定为在零电流时切换该第一开关元件与该第二开关元件的状态，而该负载是包含一第一输出电容与一第二输出电容。
14.如权利要求11所述的功率因素改善转换器，其中该升压单元还包含一电感器，耦合于该交流电压的一侧与该第四开关元件的一节点，用以消除该升压功率转换器的一共模噪声，而该共振电路是包含一电感器与一电容。
15.如权利要求11所述的功率因素改善转换器，其中该共振电路是包含一电感器与一第一电容与一第二电容，而该第一开关元件与该第二开关元件均由一单向开关装置所组成。
16.如权利要求15所述的功率因素改善转换器，其中该单向开关装置是包含一绝缘闸双极性晶体管或一金属氧化物半导体场效应晶体管，而该共振单元还包含一二极管与该第二开关元件串接。
17.如权利要求11所述的功率因素改善转换器，其中该整流电路是包含一第一整流元件、一第二整流元件与一第三整流元件，而各该整流元件均是由一极快速逆回复二极管或一金属氧化物半导体场效应晶体管所组成。
18.如权利要求11所述的功率因素改善转换器，其中该升压单元还包含一第一辅助整流元件与一第二辅助整流元件，而各该第一辅助整流元件与该第二辅助整流元件均是由一极快速逆回复二极管或一金属氧化物半导体场效应晶体管所组成。
全文摘要
一种零电压零电流切换的功率因素改善转换器,包含:由第一、第二开关元件与共振电路组成的共振单元,该共振单元被设定以交替地自共振电路的能量储存装置释放能量至负载;由升压电感、整流电路、第三、第四开关元件组成的升压单元;以及功率因素改善控制器,其在跨接第三开关元件的电压为零时发出控制讯号驱动该第三开关元件切换其状态,以及在跨接第四开关元件的电压为零时发出控制讯号驱动该第四开关元件切换其状态。
文档编号H02M3/338GK1388633SQ0111845
公开日2003年1月1日 申请日期2001年5月30日 优先权日2001年5月30日
发明者张育铭 申请人:台达电子工业股份有限公司