专利名称：具有功率因数校正功能的交流-直流转换器及其操作方法
技术领域：
本发明关于一种交流-直流转换器(AC-to-DC converter),特别是关于 —种具有功率因数校正(Power factor correction, PFC)功能的交流-直流转 换器。
背景技术：
功率因数指的是有效功率与总耗电量之间的关系，也就是有效功率除以 总耗电量的比值。基本上，功率因数可以衡量电力被有效利用的程度。功率 因数值越大，代表电力利用率越高。 一般状况下，电子设备没有功率因数校 正时，其功率因数约只有0.5。为了节约能源，愈来愈多与电子产品相关的 检验规范针对功率因数制定标准。功率因数校正因此渐渐成为许多电子产品 的变压器的必要功能。在公知技术中，如图1A所示，具有功率因数校正功能的变压器由整流器 (Rectifier) 10、直流-直流转换器12以及能量充放装置14所组成。整流器 10通常由多个二极管依特定排列方式组成，用以将一交流电流转换成一直流 电流。直流-直流转换器12则用以将一较高的直流电压转换成适用于一般电 子产品规格的直流电压(例如，额定电压5V或12V)。在实际应用中，整流器 10可以为一全波整流器，直流-直流转换器12则可为一半桥式(Half-bridge) 转换器、顺向型(Forward)转换器或回扫式(Flyback)转换器。请参阅图1B，图IB表示在没有功率因数校正的情况下， 一交流电源输出的电压Va。及电流Ia。的波形。明显地，电压Vae的波形为一正弦波信号，电 流匸的波形则近似于脉沖。理论上，电流U的波形与电压Vac的波形愈相似， 该变压器的功率因数愈高。因此，功率因数校正的目标即为调整电流L的波形，使电流I 的波形较接近电压Va。的波形。能量充放装置14为功率因数校正结构的关键部份。最常见的能量充放装 置为升压(Boost)电路。第6， 952， 354号美国专利即公开一种用于功率因数校 正的升压电路。然而，公知技术中的升压电路皆相当复杂且成本颇高。因此，本发明在于提供一种具有功率因数校正功能的交流-直流转换器， 以解决上述问题。发明内容本发明的 一 范畴在于提供一种具有功率因数校正功能的交流-直流转换 器。根据本发明的交流-直流转换器包含一整流器、 一直流-直流电压转换模 块以及一控制器。该整流器具有耦接至一 交流电源的 一输入端以及一 第 一输出端。该直流-直流电压转换才莫块包含一个-一次侧线圈(Primary winding)以 及一开关。该一次侧线圈耦接至该整流器的该第一输出端。该开关与该一次 侧线圈串联并且具有一栅极(Gate)。该控制器用以检测流过该一次侧线圈的 一电流，并根据该电流为该开关的该栅极产生一控制电压。本发明的另 一范畴在于提供一种操作一交流-直流转换器的方法。该方法 首先提供一交流信号至具有一第 一输出端的一整流器。 一个一次侧线圈耦接 至该整流器的该第一输出端，而一开关与该一次侧线圈串联并且具有一栅极。 接着，该方法检测流过该一次侧线圈的一电流。之后，该方法根据该电流， 为该开关的该栅极产生 一 控制电压。根据本发明的交流-直流转换器通过控制直流-直流电压转换模块中的开 关来实现调整电流的波形的效果。因此，本发明的交流-直流转换器不需要包 含升压电路。关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一 步的 了解。
图1A表示公知技术中具有功率因数校正功能的变压器的结构。 图1B表示在没有功率因数校正的情况下整流器输出的电压V^及电流Iac 的波形。图2A表示根据本发明的一较佳具体实施例的一交流-直流转换器。 图2B表示图2A中的控制器可能的一种实施方式。 图2C表示图2A中的控制器可能的另一种实施方式。图3表示电压Vs、参考电压以及控制电压的相对关系。图4表示在功率因数校正后，交流电源输出电压V^及电流U的波形。主要元件符号说明 10:整流器14:能量充放装置 20: 整流器 220: —次侧线圈 224: 二次侧线圈 240:电阻 242A:第一输入端 242C:第二输出端 28:负载 32:返回节点具体实施方式
请参阅图2A,图2A表示根据本发明的一较佳具体实施例的一交流-直流 转换器2。如图2A所示，该交流-直流转换器2包含一整流器20、 一直流-直流电压转换模块22以及一控制器24。该整流器20具有耦接至一交流电源 2 6的 一输入端以及一 第 一输出端。在实际应用中，该整流器20可以是一全波整流器，由多个二极管依特定 排列方式所组成，用以将交流电源26提供的交流电流转换成一直流电流。为 方便解说，图2A所示的实施例以一回扫式转换器作为直流-直流电压转换模 块22的范例。在实际应用中，直流-直流电压转换模块22亦可为一半桥式或 顺向型的转换器。该直流-直流电压转换模块22包含一个一次侧线圈220、 一个二次侧线 圈(Secondary winding) 224以及一开关222。在实际应用中，开关222可以 是一功率金属氧化物半导体(Power MOS)。该一次侧线圈220耦接至该整流器 20的该第一输出端。该开关222与该一次侧线圈220串联并且具有一栅极(未 显示在图中)。二次侧线圈224对应于一次侧线圈220并且供电至一负载28。 控制器24则用以检测流过一次侧线圈220的电流I,并根据电流I为开关222 的栅极产生一控制电压30。请参阅图2B,图2B进一步表示控制器24可能的一种实施方式。在该实 施例中，该控制器24可以包含一电阻24()以及一比较器242。如图2B所示，612:直流-直流转换器2:交流-直流转换器22:直流-直流电压转换才莫块222:开关24:控制器242:比较器242B:第二输入端26:交流电源30:控制电压该电阻240串耳关在该开关222及该整;充器20的一返回节点(Return node) 32 之间。该比较器242具有一第一输入端242A、 一第二输入端242B以及一第 二输出端242C。该第一输入端242A耦接至介于该开关222与该电阻240之 间的一第一节点，该第二输入端242B耦接至一参考电压源。该参考电压源提 供一参考电压VR。如图2B所示，当电流I流过该电阻240时会在电阻240两端产生一电压 降，并在该第一节点上形成一电压Vs。电压Vs输入至该比较器242的该第 一输入端242A,该比较器242接着根据电压Vs及参考电压Va产生该控制电 压30。该第二输出端242C用以提供该控制电压30至该开关222的该栅极。请参阅图2C。在另一具体实施例中，该电阻240可被串联在该一次侧线 圈220及该开关222之间。该比较器242的第一输入端242A耦接至介于该一 次侧线圈220与该电阻240之间的一第一节点，该第二输入端242B耦接至一 参考电压源(VJ，该第二输出端242C用以提供该控制电压30至该开关222 的该栅极。图2B与图2C的不同的处主要在于电阻240的位置不同，但基本 上，两者的交流-直流转换器2皆具备功率因数校正的功能。请参阅图3,图3表示电压Vs、参考电压Va以及控制电压30的相对关系。 如图3所示，在电压Vs未达到参考电压V,(以前，比较器242的该第二输出端 242C输出的控制电压30维持在高电平，以控制开关222使一次侧线图220 与返回节点32之间保持通^各(ON)状态。当一次侧线圈220与返回节点32 -t 间保持通路状态，电流I的电流量会不断上升，电压Vs也因此会持续增加。 一旦电压Vs达到参考电压VR,第二输出端242C的控制电压30立即被调整为 低电平，以控制开关222使一次侧线圈220与返回节点32之间为断路(OFF) 状态。当一次侧线圈220与返回节点32之间保持断路状态，电流I的电流量 会不断减少，电压Vs也因此会持续降低。直到电压Vs等于零，比较器242 会再度调整开关222,使一次侧线圈220与返回节点32之间恢复到通路状态。 根据本发明，上述机构不断被重复执行。在该实施例中，参考电压VK为一经 全波整流的正弦波(Sinusoidal)信号，控制电压30则近似于一脉冲调制 (pulse width modulation, P窗H言号。如图3所示，电压Vs的波形为一连 串三角波的组合，并且该等三角波的峰值可组成一近似参考电压Vr的波形的 弧线。若电阻240为一线性电阻，电流I与电压Vs的波形会大致相同。请参阅图4，图4表示采用上述功率因数校正机构后，交流电源26输出电压Va。及电流L。的波形。对应于经j务正后的电流I，电流L的波形亦趋近于近似参考电压l的波形的弧线。如图4所示，电流L的波形的峰值与输出电压L的波形十分相似。由此可见，根据本发明的交流-直流转换器2能通过控制开关222及设定适当的参考电压VR,使电流Ia。的波形近似于电压V,c的波形，以实现功率因数校正。根据本发明的控制器亦可被视为一波形调制器(Waveform modulator)。根据本发明的另一较佳具体实施例为对应于图2A的交流-直流转换器2 的操作方法。该方法首先提供一交流信号至整流器20。接着，该方法检测流 过该一次侧线圈220的一电流I。之后，该方法根据该电流I,为该开关222 的该栅极产生一控制电压30。根据本发明的交流-直流转换器通过控制直流-直流电压转换模块中的开 关来实现调整电流的波形的效果。因此，本发明的交流-直流转换器不需要包 含升压电路。相较于先前技术，本发明的交流-直流转换器能够以较简易的电 路及较少的成本实现功率因数校正。通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与 精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。 相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具有等效性的安排在本发明所欲申 请的权利要求范围的范畴内。因此，本发明所申请的权利要求范围的范畴应 该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具有 等效性的安排。
权利要求
1. 一种交流-直流转换器，包含一整流器，具有耦接至一交流电源的一输入端以及一第一输出端；一直流-直流电压转换模块，包含一个一次侧线圈，耦接至该整流器的该第一输出端；以及一开关，与该一次侧线圈串联并且具有一栅极；以及一控制器，用以检测流过该一次侧线圈的一电流，并根据该电流为该开关的该栅极产生一控制电压。
2、 如权利要求1所述的交流-直流转换器，其中该直流-直流电压转换 模块进一步包含一个二次侧线圈，该二次侧线圈对应于该一次侧线圏并且供电至一负载。
3 、如权利要求1所述的交流-直流转换器，其中该控制器包含 一电阻，串联在该开关及该整流器的一返回节点之间；以及 一比较器，具有一第一输入端、 一第二输入端以及一第二输出端，该第 一输入端耦接至介于该开关与该电阻之间的一第一节点，该第二输入端耦接 至一参考电压源，该第二输出端用以提供该控制电压至该开关的该栅极。
4、 如权利要求3所述的交流-直流转换器，其中该参考电压源提供一 经全波整流的正弦波信号。
5 、 如权利要求1所述的交流-直流转换器，其中该控制器包含 一电阻，串联在该一次侧线圈及该开关之间；以及 一比较器，具有一第一输入端、 一第二输入端以及一第二输出端，该第 一输入端耦接至介于该一次侧线圏与该电阻之间的一第一节点，该第二输入 端耦接至一参考电压源，该第二输出端用以提供该控制电压至该开关的该栅 极。
6、 如权利要求5所述的交流-直流转换器，其中该参考电压源提供一 经全波整流的正弦波信号。
7、 如权利要求1所述的交流-直流转换器，其中该控制电压为一脉冲 调制信号。
8、 如权利要求1所述的交流-直流转换器，其中该整流器为一全波整<formula>formula see original document page 2</formula>
9、 如权利要求1所述的交流-直流转换器，其中该开关为一功率金属 氧化物半导体。
10、 一种搡作一交流-直流转换器的方法，包含提供一交流信号至具有一第 一输出端的一整流器， 一个一次侧线圈耦接 至该整流器的该第一输出端， 一开关与该一次侧线圈串联并且具有一栅极； ;险测流过该一次侧线圈的一 电流；以及 根据该电流，为该开关的该栅极产生一控制电压。
11、 如权利要求10所述的方法，进一步包含 通过对应于该一次侧线圈的一个二次侧线圈供电至一负载。
12、 如权利要求10所述的方法，其中检测该电流的该步骤包含下列子步骤将该电流转换为 一检测电压。
13、 如权利要求12所述的方法，其中该控制电压根据比较该检测电压 及一参考电压的一比较结果而产生。
14、 如权利要求13所述的方法，其中该参考电压为一经全波整流的正 弦波信号。
15、 如权利要求IO所述的方法，其中该控制电压为一脉沖调制信号。
16、 如权利要求IO所述的方法，其中该整流器为一全波整流器。
17、 如权利要求10所述的方法，其中该开关为一功率金属氧化物半导体。
全文摘要
本发明公开一种用于功率因数校正的交流-直流转换器。根据本发明的交流-直流转换器包含一整流器、一直流-直流电压转换模块以及一控制器。该整流器具有耦接至一交流电源的一输入端以及一第一输出端。该直流-直流电压转换模块包含一个一次侧线圈以及一开关。该一次侧线圈耦接至该整流器的该第一输出端。该开关与该一次侧线圈串联并且具有一栅极。该控制器用以检测流过该一次侧线圈的一电流，并根据该电流为该开关的该栅极产生一控制电压。
文档编号H02M3/24GK101222182SQ20071000218
公开日2008年7月16日 申请日期2007年1月12日 优先权日2007年1月12日
发明者康昌隆, 林忠兴 申请人:达方电子股份有限公司