具有功率因子校正和直流－直流转换功能的转换装置的制作方法

专利名称：具有功率因子校正和直流－直流转换功能的转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，尤指一种适用于在线式不断电供电系统的转换装置。
背景技术：
对于在线式不断电供电系统来说，一般有三种工作模式在线模式、备用电力模式和旁路模式。当处于在线模式时，市电经由一换流器(inverter)和一功率因子校正(PFC)转换器向负载提供一交流输出电压；而市电发生异常、系统处于备用电力模式时，便改由一电池经由一换流器和一直流-直流转换器向负载提供该交流输出电压。
出于安规上的考虑，在线式不断电供电系统的输出电压必须与输入的市电共中线。对于具有一输出变压器的在线式不断电供电系统来说，是通过输出隔离变压器来实现此点；然而，对于不具有该输出变压器的在线式不断电供电系统来说，则必须使得功率因子校正转换器及直流-直流转换器皆能输出与市电中线相连的正、负二种直流电压，该二种直流电压再经由换流器的转换而输出与市电共中线的交流输出电压。详细动作原理可参照美国专利U.S.Patent Number 6,661,678以及5,654,591等案件的说明。
请参阅图1，其为一种传统的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置(以10表示)，其由一功率因子校正转换器和一直流-直流转换器所构成。其中，交流输入电压Vac、继电器J1、滤波电感L3、整流二极管D9和D10、功率开关S3和S4、二极管D11和D12、以及滤波电容C1和C2共同构成了该功率因子校正转换器。而电池VBat、功率开关S1和S2、变压器Tr、二极管D1～D8、滤波电感L1和L2、滤波电容C1和C2则共同构成了该直流-直流转换器。
图1所绘的转换装置10，当交流输入电压Vac供应正常时，继电器J1会与滤波电感L3连接，以实现功率因子校正的转换功能；而在交流输入电压Vac供应异常时，继电器J1则会断开与滤波电感L3的连接，使得该直流-直流转换器实现直流-直流转换功能。
转换装置10的输出端的正总线电压BUS+和负总线电压BUS-经换流器换流之后再输出一低频正弦波电压给负载；在该低频正弦波电压的正半周期中，正总线电压BUS+具有输出功率，负总线电压BUS-不具有输出功率；而在该低频正弦波电压的负半周期中，则是负总线电压BUS-具有输出功率，而正总线电压BUS+不具有输出功率。
在图1所绘的转换装置10中，直流-直流转换器和功率因子转换器是分别独立的两套电路。就直流-直流转换器来看，为了实现双电压输出，其在变压器Tr的二次侧采用了两套电路；包括两个二次侧绕组、两个整流桥(由D1～D8构成)、以及两个滤波电感L1、L2。利用这两套电路，便能够在进行直流-直流转换时，使其分别在低频输出电压的正半周期和负半周期内交替工作。
然而，这种传统的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置10由于所采用的电子组件的数量过多，造成使用率低，提高了整体系统的制作成本，因此亟待改善。

发明内容
本发明的目的是为解决现有技术存在的问题而提供一种适用于在线式不断电供电系统的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，其利用功率因子校正转换器参与实现双电压输出的直流-直流转换功能的方法构成在线式不断电供电系统的备用电力模式，可大幅减少在线式不断电供电系统的电子组件的使用数量，提升系统的功率密度，降低制造成本。
为实现上述目的，本发明提供一种具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，包括一电能储存供应装置，用以提供一直流电压；一换流器(inverter)，其输入端电连接至该电能储存供应装置；一变压器，其一次侧电连接至该换流器的输出端；一整流滤波器，其输入端电连接至该变压器的二次侧；以及一功率因子校正(PFC)转换器，其输入端电连接至一交流输入电压，该功率因子校正转换器并耦接至该整流滤波器的输出端；当该交流输入电压正常时，该转换装置通过该功率因子校正转换器转换该交流输入电压而输出一交流输出电压，而当该交流输入电压异常时，该转换装置通过该换流器、该变压器、该整流滤波器和该功率因子校正转换器共同转换该直流电压而输出该交流输出电压。
根据上述构想，其中该电能储存供应装置为一电池。
根据上述构想，其中该换流器为由二个栅极控制切换开关构成的一推挽(push-pull)电路，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管。
根据上述构想，其中该换流器为由二个栅极控制切换开关构成的一半桥(half-bridge)电路，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管和一寄生电容。
根据上述构想，其中该换流器为由四个栅极控制切换开关构成的一全桥(full-bridge)电路，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管。
根据上述构想，其中该栅极控制切换开关为一功率MOSFET，且该反向并联二极管为该功率MOSFET的寄生反向并联二极管。
根据上述构想，其中该整流滤波器至少包括一桥接电路。
根据上述构想，其中该整流滤波器还包括与该桥接电路耦接的一第一滤波电感。
根据上述构想，其中该桥接电路为由二个二极管构成的一全波(full-wave)电路。
根据上述构想，其中该桥接电路为由二个二极管构成的一倍流(currentdouble)电路。
根据上述构想，其中该桥接电路为由四个二极管构成的一全桥(full-bridge)电路。
根据上述构想，其中该功率因子校正转换器由与该交流输入电压电连接的一继电器、一第二滤波电感、四个二极管、二个栅极控制切换开关和二个电容共同耦接构成，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管。
根据上述构想，当该交流输入电压正常时，该继电器导通，该功率因子校正转换器分别通过该第二滤波电感、二个二极管、一个栅极控制切换开关和所属反向并联二极管以及一个电容共同转换该交流输入电压以轮流输出一正总线电压和一负总线电压，构成该交流输出电压。
根据上述构想，当该交流输入电压异常时，该继电器断开，该功率因子校正转换器分别借由一个二极管、一个栅极控制切换开关和所属反向并联二极管以及一个电容共同转换该直流电压以轮流输出一正总线电压和一负总线电压。
根据上述构想，其中该栅极控制切换开关为一功率MOSFET，且该反向并联二极管为该功率MOSFET的寄生反向并联二极管。
本发明的另一构想为提出一种在线式不断电供电系统，至少包括前段所述的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置本发明的再一构想为提出一种在线式不断电供电系统的运作方法，该在线式不断电供电系统至少包括用以提供一直流电压的一电能储存供应装置、一换流器(inverter)、一变压器、一整流滤波器以及电连接至一交流输入电压的一功率因子校正(PFC)转换器，该在线式不断电供电系统的运作方法包括步骤如下(a)当该交流输入电压正常时，通过该功率因子校正转换器转换该交流输入电压而输出一交流输出电压；以及(b)当该交流输入电压异常时，通过该换流器、该变压器、该整流滤波器和该功率因子校正转换器共同转换该直流电压而输出该交流输出电压。
根据上述构想，其中该步骤(a)还包括步骤如下根据该交流输入电压相对于时序的变化轮流输出一正总线电压和一负总线电压，以构成该交流输出电压。
根据上述构想，其中该步骤(b)还包括步骤如下将该直流电压转换成一正弦波电压，并根据该正弦波电压相对于时序的变化轮流输出一正总线电压和一负总线电压，以构成该交流输出电压根据上述构想，其中该步骤(b)还包括步骤如下脉宽调变该功率因子校正转换器，并轮流输出一正总线电压和一负总线电压，以构成该交流输出电压。
本发明相比于现有技术的效果是减少了所使用电路组件的数目、简化了电路结构，同时利用原来的功率因子校正转换器以实现双电压输出的直流一直流转换功能，不但可提升系统的功率密度，亦可降低制造成本。


图1一种传统的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置；
图2本发明所提具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置的电路图；图3图2的转换装置处于在线模式下的等效电路图；图4图2的转换装置处于备用电力模式下的等效电路图；图5图4的转换装置处于低频输出电压的正半周期下的等效电路图；图6图4的转换装置处于低频输出电压的负半周期下的等效电路图；图7图2的转换装置的电路方块示意图；图8图7的换流器使用另一种推挽(push-pull)拓扑的电路图；图9图7的换流器使用半桥(half-bridge)拓扑的电路图；图10图7的换流器使用一种全桥(full-bridge)拓扑的电路图；图11图7的换流器使用另一种全桥拓扑的电路图；图12图7的整流滤波器使用一种全波(full-wave)拓扑的电路图；图13图7的整流滤波器使用另一种全波拓扑的电路图；图14图7的整流滤波器使用倍流(current double)拓扑的电路图；以及图15图7的整流滤波器使用一种全桥拓扑的电路图。
其中，附图标记说明如下10、20、70转换装置；30、73功率因子校正转换器；40直流-直流转换器；71换流器；72整流滤波器；80推挽电路；90半桥电路；100、110、150全桥电路；120、130全波电路；140倍流电路；Vac交流输入电压；J1继电器；L、L1～L3滤波电感；C1、C2滤波电容；
Cin1、Cin2寄生电容；D1～D12V二极管；S1、S2、S3、S4功率MOSFET；VBat电池；Tr变压器；BUS+正总线电压；BUS-负总线电压。
具体实施例方式
本发明代表电路请参阅图2，其为本发明所提具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置的代表图。图中，转换装置20由电能储存供应装置VBat、由二个栅极控制切换开关S1、S2及其所属的反向并联二极管所构成的换流器(inverter)、变压器Tr、二极管D1～D4及滤波电感L1所构成的整流滤波器、以及一功率因子校正转换器所共同构成。其中，该功率因子校正转换器由电连接至交流输入电压Vac的继电器J1、滤波电感L2、二极管D5～D8、二个栅极控制切换开关S3、S4及其所属的反向并联二极管、以及二个电容C1和C2所共同构成。
此外，电能储存供应装置VBat是用以提供一直流电压。该换流器的输入端电连接至电能储存供应装置VBat，输出端则电连接至变压器Tr的一次侧，变压器Tr的二次侧耦接至二极管D1～D4所构成的一桥接电路。值得一提的是，电能储存供应装置VBat在实施例中以电池表示，当然其亦可为电瓶等具相似功能的电能储存供应装置；而实施例中所提到的所有栅极控制切换开关皆以一功率MOSFET来举例说明，每个反向并联二极管亦可以是功率MOSFET的寄生反向并联二极管。
以下就图2的转换装置20分别以在线模式和备用电力模式分别作说明。
(1)在线模式当图2中的交流输入电压Vac正常时，继电器J1导通，转换装置20处于在线模式。此时，功率MOSFET S1和S2截止，因此转换装置20的等效电路相当于图3所示的功率因子校正转换器30。
请参阅图3，其为图2的转换装置20处于在线模式下的等效电路图。如前所述，图中的功率因子校正转换器30是由滤波电感L2、整流二极管D5和D6、功率MOSFET S3和S4、快速恢复二极管D7和D8以及电容C1和C2所构成。
当交流输入电压Vac为正时，交流输入电压Vac通过由滤波电感L2、整流二极管D5、功率MOSFET S3、快速恢复二极管D7以及电容C1所构成的升压型功率因子校正转换器输出一正总线电压BUS+；而当交流输入电压Vac为负时，交流输入电压Vac通过由滤波电感L2、整流二极管D6、功率MOSFET S4、快速恢复二极管D8以及电容C2所构成的升压型功率因子校正转换器输出一负总线电压BUS-。这种依照时序轮流产生的正、负总线电压则在转换装置20的输出端形成一交流输出电压。
(2)备用电力模式当图2中的交流输入电压Vac异常时，继电器J1断开，转换装置20处于备用电力模式。此时，功率MOSFET S1和S2导通，因此转换装置20的等效电路相当于图4所示的直流一直流转换器40。
请参阅图4，其为图2的转换装置20处于备用电力模式下的等效电路图。如前所述，图中的直流一直流转换器40由功率MOSFET S1和S2、变压器Tr、快速恢复二极管D1～D4、滤波电感L1、功率MOSFET S3和S4、快速恢复二极管D7和D8以及电容C1和C2所构成。
就整体来看，电池VBat的直流电压经过变压器Tr以及D1～D4和滤波电感L1所构成的该整流滤波器的转换，所输出的正总线电压BUS+和负总线电压BUS-电压经换流器换流而输出一低频正弦波电压给负载。微观来看，在该低频正弦波电压的正半周期，正总线电压BUS+具有输出功率，负总线电压BUS-不具有输出功率；相反地，在该低频正弦波电压的负半周期，负总线电压BUS-具有输出功率，正总线电压BUS+不具有输出功率。
直流-直流转换器40的具体工作过程如下(a)在低频输出电压的正半周期，功率MOSFET S1和S2以脉宽调变方式工作，S4开启但S3关闭，因此直流-直流转换器40输出一正总线电压BUS+，此时直流一直流转换器40的等效电路如图5所示。
(b)在低频输出电压的负半周期，功率MOSFET S1、S2以脉宽调变方式工作，S3开启但S4关闭，因此直流-直流转换器40输出一负总线电压BUS-，此时直流-直流转换器40的等效电路如图6所示。
前段所述为直流-直流转换器40的一种工作方法；在同样的电路结构下，直流-直流转换器40也可以采取另一种方式进行工作功率MOSFET S1和S2以固定脉宽的方式工作，通过针对MOSFET S3和S4进行脉宽调变，以实现正总线电压BUS+和负总线电压BUS-的输出。
与图1的传统的转换装置10相比，转换装置10为了实现双电压输出的直流-直流转换功能，因此在高频变压器Tr的二次侧采用两套电路，包括两个二次侧绕组、两个整流桥(由D1～D8构成)以及两个滤波电感L1和L2。然而，本发明为了实现双电压输出的直流一直流转换功能，其技术特征深股在高频变压器Tr的二次侧仅采用单一个二次侧绕组、一个整流桥(由D1～D4构成)以及一个滤波电感，以产生一直流电压，然后再通过原来功率因子校正转换器中的功率MOSFET S3和S4以及快速恢复二极管D7和D8，共同将该直流电压转换为双直流电压。
本发明代表电路的其它实施例变化前面对本发明具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置皆系以图2的电路为例来作说明，事实上，图2的转换装置20亦可通过上位化的方式将其视为如图7。
请参阅图7，其为图2的转换装置20的电路方块示意图。其中，整个转换装置70可以看成由换流器71、整流滤波器72以及功率因子校正转换器73所构成；值得一提的是，整流滤波器72是否包含第一滤波电感需视换流器的种类而定。
以下针对换流器71和整流滤波器72的其它变化作说明(i)图7的换流器71采用一种推挽(push-pull)拓扑结构，图8则为换流器71可以采用的另一种推挽电路80，与图7的推挽电路不同之处在于，电池VBat和变压器Tr的一次侧之间电连接了一电感L。
(ii)图7的换流器71采用推挽拓扑结构，如果采用图9的半桥(half-bridge)拓扑结构代替亦可，其中，半桥电路90是由二个功率MOSFET S1和S2、其分别所属的反向并联二极管以及二个寄生电容Cin1和Cin2所耦接而成。
(iii)图7的换流器71采用推挽(push-pull)拓扑结构，如果采用图10的全桥(full-bridge)拓扑结构代替亦可，其中，全桥电路100是由四个功率MOSFETS1～S4、其分别所属的反向并联二极管所耦接而成。
(iv)图7的换流器71采用推挽(push-pull)拓扑结构，图11则为换流器71可以采用的另一种全桥电路110，与图10的全桥电路100不同之处在于增加了电感L的电连接。
(v)图7的整流滤波器72采用全桥拓扑结构，如果采用图12的全波(full-wave)拓扑结构代替亦可，其中，全波电路120由二个二极管D1和D2所构成。
(vi)图7的整流滤波器72采用全桥拓扑结构，图13则为整流滤波器72可以采用的另一种全波电路130，与图12的全波电路120不同之处在于增加了第一滤波电感L的电连接。
(vii)图7的整流滤波器72采用全桥拓扑结构，如果采用图14的倍流(current double)拓扑结构代替亦可，其中，倍流电路140由二个二极管D1和D2以及二个滤波电感L1和L2所耦接而成。
(viii)图7的整流滤波器72采用一种全桥拓扑结构，图15则为整流滤波器72可以采用的另一种全桥电路150，与图7的全桥电路不同之处在于拿掉了第一滤波电感L1。
本发明特点综上所述，本发明除了已提供了一种具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，亦可以看成提供了一种在线式不断电功电系统及运作方法，同时具有功率因子校正和直流-直流转换功能；与传统的转换装置比较起来，最大特点在于减少了所使用电路组件的数目、简化了电路结构，同时利用原来的功率因子校正转换器以实现双电压输出的直流-直流转换功能，不但可提升系统的功率密度，亦可降低制造成本。
本发明得由熟悉本技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱离权利要求书所欲保护的范围。
权利要求
1.一种具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，包括一电能储存供应装置，用以提供一直流电压；一换流器，其输入端电连接至该电能储存供应装置；一变压器，其一次侧电连接至该换流器的输出端；一整流滤波器，其输入端电连接至该变压器的二次侧；以及一功率因子校正转换器，其输入端电连接至一交流输入电压，该功率因子校正转换器并耦接至该整流滤波器的输出端；当该交流输入电压正常时，该转换装置通过该功率因子校正转换器转换该交流输入电压而输出一交流输出电压，而当该交流输入电压异常时，该转换装置通过该换流器、该变压器、该整流滤波器和该功率因子校正转换器共同转换该直流电压而输出该交流输出电压。
2.如权利要求1所述的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，其特征在于该电能储存供应装置为一电池。
3.如权利要求1所述的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，其特征在于该换流器为由二个栅极控制切换开关构成的一推挽电路，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管；该换流器为由二个栅极控制切换开关构成的一半桥电路，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管和一寄生电容；或该换流器为由四个栅极控制切换开关构成的一全桥电路，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管；及/或该栅极控制切换开关为一功率MOSFET，且该反向并联二极管为该功率MOSFET的寄生反向并联二极管。
4.如权利要求1所述的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，其特征在于该整流滤波器至少包括一桥接电路，其中该整流滤波器还包括与该桥接电路耦接的一第一滤波电感；及/或该桥接电路为由二个二极管构成的一全波电路；由二个二极管构成的一倍流电路；或由四个二极管构成的一全桥电路。
5.如权利要求1所述的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置，其特征在于该功率因子校正转换器由与该交流输入电压电连接的一继电器、一第二滤波电感、四个二极管、二个栅极控制切换开关和二个电容共同耦接构成，且所述栅极控制切换开关分别具有一反向并联二极管，其中当该交流输入电压正常时，该继电器导通，该功率因子校正转换器分别通过该第二滤波电感、二个二极管、一个栅极控制切换开关和所属反向并联二极管以及一个电容共同转换该交流输入电压，以轮流输出一正总线电压和一负总线电压，构成该交流输出电压；当该交流输入电压异常时，该继电器断开，该功率因子校正转换器系分别借由一个二极管、一个栅极控制切换开关和所属反向并联二极管以及一个电容共同转换该直流电压，以轮流输出一正总线电压和一负总线电压；及/或该栅极控制切换开关为一功率MOSFET，且该反向并联二极管为该功率MOSFET的寄生反向并联二极管。
6.一种在线式不断电供电系统，至少包括权利要求1所述的具有功率因子校正和直流-直流转换功能的转换装置。
7.一种在线式不断电供电系统的运作方法，该在线式不断电供电系统至少包括用以提供一直流电压的一电能储存供应装置、一换流器、一变压器、一整流滤波器以及电连接至一交流输入电压的一功率因子校正转换器，该在线式不断电供电系统的运作方法包括步骤如下(a)当该交流输入电压正常时，通过该功率因子校正转换器转换该交流输入电压而输出一交流输出电压；以及(b)当该交流输入电压异常时，通过该换流器、该变压器、该整流滤波器和该功率因子校正转换器共同转换该直流电压而输出该交流输出电压。
8.如权利要求7所述的在线式不断电供电系统的运作方法，其特征在于该步骤(a)还包括步骤如下根据该交流输入电压相对于时序的变化轮流输出一正总线电压和一负总线电压，以构成该交流输出电压。
9.如权利要求7所述的在线式不断电供电系统的运作方法，其特征在于该步骤(b)还包括步骤如下将该直流电压转换成一正弦波电压，并根据该正弦波电压相对于时序的变化轮流输出一正总线电压和一负总线电压，以构成该交流输出电压。
10.如权利要求7所述的在线式不断电供电系统的运作方法，其特征在于该步骤(b)还包括步骤如下脉宽调变该功率因子校正转换器，并轮流输出一正总线电压和一负总线电压，以构成该交流输出电压。
全文摘要
本发明提供一种具有功率因子校正和直流－直流转换功能的转换装置，包括一电能储存供应装置，用以提供一直流电压；一换流器，其输入端电连接至该电能储存供应装置；一变压器，其一次侧电连接至该换流器之输出端；一整流滤波器，其输入端电连接至该变压器的二次侧；以及一功率因子校正转换器，其输入端电连接至一交流输入电压，该功率因子校正转换器并耦接至该整流滤波器的输出端；当该交流输入电压正常时，该转换装置通过该功率因子校正转换器转换该交流输入电压而输出一交流输出电压，而当该交流输入电压异常时，该转换装置借由该换流器、该变压器、该整流滤波器和该功率因子校正转换器共同转换该直流电压而输出该交流输出电压。
文档编号H02M3/135GK1848599SQ20051006570
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月13日 优先权日2005年4月13日
发明者谭警涛, 姜志强, 朱秋花, 应建平 申请人:台达电子工业股份有限公司