共铁心式功率因数校正谐振转换器的制造方法
【专利摘要】一种共铁心式功率因数校正谐振转换器，包括能量转换电路。能量转换电路接收输入电压，并产生输出功率，且能量转换电路包括耦合电感组件与储荷电容元件。其中，依据控制信号，使耦合电感元件与储荷电容元件通过输入电压充电，以产生储荷电容电压，接着当储荷电容电压的电压准位到达一预设电压准位，再依据控制信号使耦合电感元件与储荷电容元件进行放电，以耦合电感元件与储荷电容元件的能量转换成输出功率，并提供输出电压或电流调节的使用。
【专利说明】共铁心式功率因数校正谐振转换器
【技术领域】
[0001]一种功率因数校正转换器，特别有关于一种共铁心式功率因数校正谐振转换器。【背景技术】
[0002]一般来说,传统功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)的电路结构,大都利用电感作为储能元件并搭配升压(Boost)拓朴控制架构，以达到功率因数校正效果，并将能量传递至负载。此种转换器的输出电压必须比电源电压高，这电路不适用于低电压的输出。这时需要改电路为降压的电路型，例如顺向式转换器(Forward Converter)。然而，这种电路无法提供高功率因数的功能。
[0003]一般要升压式转换器能产生高的功率因数以及调节的输出，这转换器就需要复杂的控制电路，例如模拟乘法器(Analog Multiplier)等电路元件，以达到高功率因数校正的效果。另外，前述架构上还需额外在控制频率信号中，新增具有频率抖动(FrequencyJitter)、准谐振(Quasi Resonant)或波谷切换(Valley Switching)功能的电路元件，以压低电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)。
[0004]此外，由于功率因数校正使用升压拓朴控制的架构，其输出电压会被拉升至较高的电压准位上，例如600V，因此在进行此架构内部的开关元件的选择上，必须考虑耐压相对较高元件(例如600V功率以上的元件)。
[0005]有鉴于此，已有技术提供一种功率因数校正谐振式转换器，如图1所示，以解决前述问题。此功率因数校正谐振式转换器100可藉由元件110做软切换操作，以使输入电压对电容充电以进行取电动作，进而产生电容电压VC，再通过元件120做软切换操作以进行能量传递动作，进而将电容电压VC转换成输出功率输出。
[0006]并且，由于此功率因数校正谐振式转换器100中的电容电压VC最多充电至与输入电压相同的电压准位，故可使用耐压较低的电路元件。然而，此功率因数校正谐振式转换器100使用两个独立的电感(分别于元件110及120中)，并使用5个二极管来实施，如此会增加电路的使用成本与体积，并增加元件导通损失。由此可知,功率因数校正的电路仍有需要改善的地方。
【发明内容】
[0007]鉴于以上的问题，本发明在于提供一种共铁心式功率因数校正谐振转换器，借以减少电路元件的使用成本与体积，且可选用较低耐压的开关元件与电容元件，这电路架构能有减低电磁干扰的效果并具有很好的功率因数。
[0008]本发明所揭露的一种共铁心式功率因数校正谐振转换器，包括能量转换电路。能量转换电路具有第一端、第二端与第三端，能量转换电路的第一端接收输入电压，能量转换电路的第二端耦接接地端，能量转换电路的第三端产生输出功率。并且，能量转换电路包括耦合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管。
[0009]其中，依据控制信号，能量转换电路借由能量转换电路的耦合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管做切换操作，将输入电压充电至耦合电感元件与储荷电容元件，以产生储荷电容电压并进行取电。接着再依据控制信号，能量转换电路借由能量转换电路的耦合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管做切换操作，使耦合电感元件与储荷电容元件放电并进行能量传递，以将耦合电感元件与储荷电容元件所储存能量转换至输出负载端，并提供输出电压或电流调节的使用。
[0010]本发明所揭露的一种共铁心式功率因数校正谐振转换器，其借由切换操作启动不同的谐振电路，以进行取电动作和进行能量传递操作来产生输出功率。如此一来，减少电压转换的损耗以及电路元件的使用成本和体积，且可选用较低耐压的开关元件与电容元件，同时保有较佳抑制电磁干扰效果并获得很好的功率因数。
[0011]以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为功率因数校正谐振式转换器的示意图。
[0013]图2为本发明的共铁心式功率因数校正谐振转换器的外部接线示意图。
[0014]图3为图2的共铁心式功率因数校正谐振转换器之详细电路图的一种实施范例。
[0015]图4为本发明的共铁心式功率因数校正谐振转换器的操作波形图。
[0016]其中，附图标记:
[0017]100:功率因数校正谐振转换器
[0018]200,300:共铁心式功率因数校正谐振转换器
[0019]210、310:能量转换电路
[0020]211,311:能量转换电路的第一端
[0021]212、312:能量转换电路的第二端
[0022]213、313:能量转换电路的第三端
[0023]320:耦合电感元件
[0024]330:储荷电容元件
[0025]340:控制单元
[0026]350:电压转换单元
[0027]360:负载单元
[0028]CP、C1:电容
[0029]D1、D2:二极管
[0030]L1:第一线圈
[0031]L2:第二线圈
[0032]Rl:电阻
[0033]CSl:控制信号
[0034]VAC:交流电压
[0035]VIN:输入电压
[0036]VCP:储荷电容电压
[0037]V0:输出功率
[0038]SI ?S4:曲线[0039]t0N:开关SWl的导通时间
[0040]Sffl:开关
[0041]GND:接地端
【具体实施方式】
[0042]图2为本发明的共铁心式功率因数校正谐振转换器的外部接线示意图。图3为图2的共铁心式功率因数校正谐振转换器之详细电路图的一种实施范例。请先参考图2所示，本实施例的共铁心式功率因数校正谐振转换器200可称为电感耦合式功率因数校正谐振转换器。共铁心式功率因数校正谐振转换器200包括能量转换电路210。
[0043]能量转换电路210具有第一端211、第二端212与第三端213，能量转换电路210的第一端211接收输入电压VIN，能量转换电路210的第二端212耦接接地端GND，能量转换电路210的第三端213产生输出功率V0。
[0044]并且，能量转换电路210包括稱合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管。而能量转换电路210之耦合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管的实施态样容后详述，例如可参考图3的实施范例。另外，储荷电容元件的选用元件体积可以很小。
[0045]其中，依据控制信号CS1，能量转换电路210借由能量转换电路210的耦合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管做切换操作，也即作电源输入能量的撷取工作，使得耦合电感元件与储荷电容元件组合成一谐振电路，以将输入电压VIN充电至耦合电感元件上的激磁电感与储荷电容元件等储能元件并储能，进而产生储荷电容电压VCP。
[0046]当储荷电容电压VCP持续上升且储荷电容电压VCP到达一预设电压准位(例如适当的电压准位)时，再依据控制信号CS1，使所撷取的电源输入能量，能进行传送至输出的操作，也就是能量转换电路210借由能量转换电路210的稱合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管做切换操作，使耦合电感元件与储荷电容元件放电并进行能量传递操作，以将耦合电感元件的激磁电感所储存的能量及储荷电容电压VCP转换成输出功率V0。
[0047]在本实施例中，转换成输出功率VO的方式为除了将耦合电感元件的激磁电感所储存的能量的转移之外，并包括借由将储荷电容元件上的储荷电容电压VCP进行放电，并通过第二二极管而降低至0V，且通过能量转换以将储荷电容电压VCP转换成输出功率VO并输出。此外，输入电压VIN可以是交流电压(AC Voltage)或直流电压(DC Voltage)，而交流电压较适合应用于功率因数校正。
[0048]本实施例的共铁心式功率因数校正谐振转换器200可借由前述切换操作，即先通过能量转换电路210中的稱合电感元件及储荷电容元件等储能元件取电并撷取能量,再通过能量转换以转换成输出功率V0，并提供稳定的输出电压或输出电流，进而获得较好的功率因数。
[0049]前述仅简略说明了共铁心式功率因数校正谐振转换器200的元件耦接关系与其相关操作，且未详述能量转换电路210之耦合电感元件、储荷电容元件、开关、第一二极管与第二二极管的耦接方式，以下将举其它实施范例来进行说明。[0050]请参考图3所示,共铁心式功率因数校正谐振转换器300包括能量转换电路310、控制单元340、电压转换单元350与负载单元360。在本实施例中，能量转换电路310的操作可参考第图2的能量转换电路210的实施方式，故在此不再赘述。
[0051]能量转换电路310具有第一端311、第二端312与第三端313，且能量转换电路310包括稱合电感元件320(对应图2的能量转换电路210的稱合电感元件)、储荷电容元件330 (对应图2的能量转换电路210的储荷电容元件)、开关SWl (对应图2的能量转换电路210的开关)、二极管Dl (对应图2的能量转换电路210的第一二极管)与二极管D2(对应图2之能量转换电路210的第二二极管)。
[0052]耦合电感元件320例如为共铁心式变压器，耦合电感元件320具有一次侧与二次侦牝耦合电感元件320的一次侧的第一端耦接能量转换电路310的第一端311，用以接收输入电压VIN。其中，耦合电感元件320的一次侧的第二端与二次侧的第一端的极相同，如图3中所绘示的标示点，也即稱合电感元件320的一次侧与二次侧的极性相反。
[0053]而耦合电感元件320进一步包括第一线圈LI与第二线圈L2。第一线圈LI的第一端为稱合电感兀件320的一次侧的第一端,第一线圈LI的第二端为稱合电感兀件320的一次侧的第二端。第二线圈L2的第一端为耦合电感元件320的二次侧的第一端，第二线圈L2之第二端耦接耦合电感元件320的二次侧的第二端。
[0054]开关SWl的第一端耦接耦合电感元件320的一次侧的第二端，开关的SWl的第二端耦接耦合电感元件320的二次侧的第二端与储荷电容元件330的第一端。并且，开关SWl的控制端接收控制信号CS1，且受控于控制信号CS1，以决定其是否导通。
[0055]进一步来说，开关SWl可以N型晶体管来实施。N型晶体管的汲极端例如耦接耦合电感元件320的一次侧的第二端，N型晶体管的源极端例如耦接耦合电感元件320的二次侧的第二端，N型晶体管的栅极端例如接收控制信号CS1。然而，本实施例的开关SWl不限定以N型晶体管来实施，也可使用P型晶体管或是绝缘栅双极性晶体管(Insulated GateBipolar Transistor, IGBT)来实施。另外，储荷电容元件330可以包括电容CP，即例如以电容CP来实施储荷电容元件330。
[0056]二极管Dl的阳极端耦接耦合电感元件320的二次侧的第一端，二极管Dl的阴极端耦接能量转换310的第三端313，用以产生输出功率V0。储荷电容元件330的第一端耦接开关SWl的第二端，且储荷电容元件330的第一端产生储荷电容电压VCP，储荷电容元件330的第二端耦接接地端GND。
[0057]二极管D2的阳极端耦接储荷电容元件330的第二端，二极管的D2的阴极端耦接储荷电容元件330的第一端。控制单元340用以接收输入电压VIN或储荷电容电压VCP或输出功率W，并依据输入电压VIN与储荷电容电压VCP的电压准位或输出功率VO的准位，以产生控制信号CSl。
[0058]举例来说，一种控制法是，当控制单元340侦测到储荷电容电压VCP的电压准位为OV时，则允许提供例如高逻辑准位的控制信号CSl给开关SWl，使开关SWl导通。当控制单元340侦测到储荷电容电压VCP的电压准位等于输入电压VIN的1/2(也即(1/2)*VIN)时，则提供例如低逻辑准位的控制信号CSl给开关SW1，使开关SWl断开。
[0059]电压转换单元350耦接能量转换电路310的第一端311，用以接收交流电压VAC，并将交流电压VAC转换成输入电压VIN。进一步来说，电压转换单元350例如包括桥式整流器与滤波器，用以将交流电压VAC经由桥式整流器与滤波器整流并滤波后，使交流电压VAC转换成输入电压VIN并输出。
[0060]负载单元360的第一端耦接能量转换电路310的第三端313，负载单元360的第二端耦接接地端GND。在本实施例中，负载单元360包括电容Cl与电阻R1。电容Cl的第一端耦接能量转换单元310的第三端313，电容Cl的第二端耦接接地端GND。电阻Rl的第一端耦接电容Cl的第一端，电阻Rl的第二端耦接电容Cl的第二端。
[0061]以上，大略说明了共铁心式功率因数校正谐振转换器300的内部元件及其耦接关系。以下，将对共铁心式功率因数校正谐振转换器300的操作进行说明。
[0062]首先，电压转换单元350将交流电压VAC转换并整流，以提供输入电压VIN。此时，控制单元340侦测到储荷电容电压VCP为0V，则控制单元340提供例如高逻辑准位的控制信号CS1，使开关SWl导通。由于开关SWl导通，使得能量转换电路310之耦合电感元件320的第一线圈LI的与储荷电容元件330的电容CP组合成一谐振电路，以将输入电压VIN充电至第一线圈LI的激磁电感和储荷电容元件330的电容CP并进行取电，使得储荷电容电压VCP的电压持续上升。也就是说，当开关SWl导通时，输入电压VIN经由耦合电感元件320的一次侧的激磁电感以及对储荷电容元件320的电容CP进行充电。
[0063]当控制单元340侦测到储荷电容电压VCP的电压准位上升到等于一特定电压，例如是输入电压VIN的1/2 (也即(1/2)*VIN)时，控制单元340提供例如低逻辑准位的控制信号CSl，使开关SWl断开。由于开关SWl断开，则储荷电容元件330的电容CP与耦合电感元件320的第二线圈L2组合成另一谐振电路，使第二线圈L2的激磁电感和储荷电容元件330的电容CP进行放电，以将储存在第二线圈L2之激磁电感的磁能和储荷电容元件330的电容CP上的电荷进行能量转移，并转换成电能以作为输出功率VO输出。
[0064]也即，借由第二线圈L2的激磁电感的释能以及储荷电容元件330之电容CP放电并进行能量传递操作，以转换成输出功率V0，并将输出功率VO的能量传至负载单元360。也就是说，当开关SWl断开时，耦合电感元件320的极性反转，使得耦合电感元件320的一次侧的电流会截止，而耦合电感元件320的二次侧的电流会产生，使得耦合电感元件320的第二线圈L2的激磁电感磁能开始释放以及储荷电容元件330之电容CP上的电压放电，并经由耦合电感元件320的二次侧转换成输出功率VO并输出。
[0065]当能量释放完毕之后，等待下一个切换周期的控制开关SWl导通(此时储荷电容电压VCP的电压准位为0V)，并重复前述的动作。借由前述谐振电路的切换操作，分别进行取电及能量传递操作，可以提供输出电压或电流及输出功率调节的使用，并获得较好的功率因数。
[0066]值得一提的是，前述储荷电容电压VCP以等于输入电压VIN的1/2(也即(1/2)*VIN)为例，但本发明不限于此。储荷电容电压VCP的电压准位可以设计在任一适当电压准位(即预设电压准位)。
[0067]以下，将举一例来说明共铁心式功率因数校正谐振转换器300如何得到较好的功
率因数。
[0068]首先，流经耦合电感元件320的一次侧的电流Iu，储荷电容电压VCP的初始电压值以及充电至输入电压VIN的1/2之储荷电容电压VCP的电压值，分别如下式(I)、式(2)与式⑶所示:[0069]
【权利要求】
1.一种共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，包括: 一能量转换电路，具有一第一端、一第二端与一第三端，该能量转换电路的该第一端接收一输入电压，该能量转换电路的该第二端耦接接地端，该能量转换电路的该第三端产生一输出功率，该能量转换电路包括一稱合电感兀件、一储荷电容兀件、一开关、一第一二极管与一第二二极管； 其中，依据一控制信号，该能量转换电路借由该能量转换电路的该耦合电感元件、该储荷电容兀件、该开关、该第一二极管与该第二二极管做一切换操作，将该输入电压充电至该率禹合电感元件与该储荷电容元件，以产生一储荷电容电压，接着再依据该控制信号，该能量转换电路借由该能量转换电路的该耦合电感元件、该储荷电容元件、该开关、该第一二极管与该第二二极管做该切换操作，使该耦合电感元件与该储荷电容元件放电并进行能量传递，以将该I禹合电感元件与该储荷电容元件所储存的能量转换成该输出功率。
2.根据权利要求1所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，该耦合电感元件为一共铁心式变压器，该耦合电感元件具有一一次侧与一二次侧，该一次侧的第一端耦接该能量转换电路的该第一端，其中该一次侧的第二端与该二次侧的第一端的极性相同； 该开关的第一端耦接该一次侧的第二端、该开关的第二端耦接该二次侧的第二端，该开关的控制端接收该控制信号； 该第一二极管的阳极端耦接该二次侧的第一端，该第一二极管的阴极端耦接该能量转换电路的该三端； 该储荷电容元件的第一端耦接该开关的第二端，该储荷电容元件的第二端耦接接地端；以及 该第二二极管的阳极端耦`接该储荷电容元件的第二端，该第二二极管的阴极端耦接该储荷电容元件的第一端。
3.根据权利要求2所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，该耦合电感元件包括: 一第一线圈，其第一端为该一次侧的第一端，其第二端为该一次侧的第二端；以及 一第二线圈，其第一端为该二次侧的第一端，其第二端耦接该二次侧的第二端。
4.根据权利要求2所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，该储荷电容元件包括一电容。
5.根据权利要求2所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，该开关为N型晶体管、P型晶体管或是绝缘栅双极性晶体管。
6.根据权利要求1所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，更包括: 一控制单元，用以接收该输入电压或该储荷电容电压，或以一脉冲宽度调变定频控制方式控制以产生该控制信号。
7.根据权利要求1所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，更包括: 一电压转换单元，耦接该能量转换电路的该第一端，用以接收一交流电压，并将该交流电压转换成该输入电压。
8.根据权利要求1所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，更包括: 一负载单元，其第一端耦接该能量转换电路的该第三端，其第二端耦接接地端。
9.根据权利要求8所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，该负载单元包括: 一电容，其第一端耦接该能量转换电路的该第三端，其第二端耦接接地端；以及 一电阻，其第一端耦接该电容的第一端，其第二端耦接该电容的第二端。
10.根据权利要求1所述的共铁心式功率因数校正谐振转换器，其特征在于，该输入电压为交流电压或直流 电压。
【文档编号】H02M3/28GK103516220SQ201210236448
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2012年6月27日
【发明者】张隆国, 黄意文, 黄汉翔 申请人:聚积科技股份有限公司