专利名称：具有功率因数校正功能的交流-直流转换器的制作方法
技术领域：
本实用新型关于一种交流-直流转换器(AC-to-DC converter),特别是 关于一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(Ha 1 f-bridge) 转换器、顺向型(Forward)转换器或回扫式(Flyback)转换器。
请参阅图IB,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V^及电流L的波形。明显地，电压Vae的波形为 一正弦波信号，电 流L的波形则近似于脉冲。理论上，电流Iae的波形与电压Va。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Iae的波 形，使电流Ia。的波形较接近电压L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，本实用新型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。
实用新型内容
本实用新型的 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。，根据本实用新型的交流-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(Primary winding)以及一开关。该一次侧线圏耦接至该整流器的该第一输出端。该开 关与该一次侧线图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。
本实用新型的另 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。 一个一次侧线圏 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。4妄着，该方法才全测流过该一次侧线圈的一电流。之后，该方法才艮据该 电流，为该开关的该栅极产生一控制电压。
根据本实用新型的交流-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，本实用新型的交流-直流转换器 不需要包含升压电路。
关于本实用新型的优点与精神可以通过以下的实用新型详述及附图得到
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Va。及电流Iac
的波形。
图2A表示根据本实用新型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Iae的波形。
主要元件符号说明
10:整流器 14:能量充放装置 2 0: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表示根据本实用新型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26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 M0S)。该一次側线圈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4空制器24可以包含一电阻240以及一比伞支器242。如图2B所示，
12: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串联在该开关222及该整流器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(V丄该第二输出端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、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VK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使一次侧线圏220 与返回节点32之间保持通路(ON)状态。当一次侧线圈220与返回节点32之 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。 根据本实用新型，上述机构不断被重复执行。在该实施例中，参考电压VR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觀M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Ia。的波形。对应于经修正后的电流I，电流L。的波形亦趋近于近似参考电压、的波形的弧线。如图4所示，电流Ia。的波形的峰值与输出电压Va。的波形十分相似。由此可见，根据本实用新型的交流-直流转换器2 能通过控制开关222及i殳定适当的参考电压VR,使电流Iae的波形近似于电压 Vac的波形，以实现功率因数校正。根据本实用新型的控制器亦可被视为一波形调制器(Waveform modulator)。根据本实用新型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。根据本实用新型的交流-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，本实用新型的交流-直流转换器 不需要包含升压电路。相较于先前技术，本实用新型的交流-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实用新型的特 征与精神，而并非以上述所公开的较佳具体实施例来对本实用新型的范畴加 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实 用新型所欲申请的权利要求范围的范畴内。因此，本实用新型所申请的权利 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，该二次侧线圏对应于该一次侧线圈并且供电至一负载。
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，串联在该一次侧线圏及该开关之间；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圈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、'云突
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。
专利摘要本实用新型公开一种用于功率因数校正的交流-直流转换器。根据本实用新型的交流-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H02M3/24GK201015183SQ200720001838
公开日2008年1月30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