專利名稱：功率因素修正電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率因素修正電路，尤指一種完全無(wú)需改變傳統(tǒng)以交流電源為輸入電源的交換式電源供應(yīng)器(off-lineswitchlng power supply)的原線路設(shè)計(jì)，僅需增加設(shè)置一簡(jiǎn)單電路，即可有效修正及改善該交換式電源供應(yīng)器的輸入電源的功率因數(shù)(power factor)，以符合電流諧波法規(guī)IEC-1000-3-2中A類或D類的規(guī)定。
傳統(tǒng)的以交流電源為輸入電源的交換式電源供應(yīng)器，參閱

圖1所示，主要是由一交流對(duì)直流(AC/DC)整流電路(rectifier circuit)1及一直流對(duì)直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器(converter)2所組成。由于，在該整流電路1中，一電解電容C1是連接在一橋式整流器DB1后，以作為一濾波器。因此，輸入該整流電路1的交流電源VS1，僅在其輸入電壓高于該電解電容C1的電壓時(shí)，該橋式整流器DB1開(kāi)始導(dǎo)通，對(duì)該電解電容C1進(jìn)行充電，因此其輸入電流IPC為一脈沖式電流(pulsating current)，參閱圖2所示，通過(guò)該整流電路1使得該傳統(tǒng)交換式電源供應(yīng)器的輸入電源的功率因數(shù)大幅降低，僅為50％左右，其輸入電流總諧波失真(total harmonics distortion，簡(jiǎn)稱THD)值則高達(dá)100％以上，造成電流諧波的嚴(yán)重失真，用電品質(zhì)惡化。如此，電廠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所提供的交流電源，自然無(wú)法被正常且有效地利用，形成能源上極大的浪費(fèi)。
對(duì)此，先進(jìn)國(guó)家著手制定各種電流諧波法規(guī)(如IEC1000-3-2)，期望能藉此迫使電源供應(yīng)器的制造廠商，有效改善其產(chǎn)品特性，使其所制造的電源供應(yīng)器的電流波形能符合各個(gè)電流諧波法硯的要求，進(jìn)而提高電源供應(yīng)器的用電效能及品質(zhì)。
為適應(yīng)各國(guó)電流諧波法規(guī)的要求，各電源供應(yīng)器的制造廠商及研究開(kāi)發(fā)人員，均已對(duì)傳統(tǒng)以交流電源為輸入電源的交換式電源供應(yīng)器的電路，進(jìn)行若干研究，并藉下列設(shè)計(jì)方式，改善其功率因數(shù)(1)電感式功率因素修正電路參閱圖3所示，主要是在傳統(tǒng)電源供應(yīng)器的橋式整流器DB1與電解電容C1之間，串接一類似于修正目光燈功率因素的鎮(zhèn)流器所使用的低頻大型繞線組L1，使該繞線組L1與該電容C1形成一低通濾波器，以對(duì)輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器2的電流波形進(jìn)行整形；但是，該繞線組L1具有體積大、功率因數(shù)改善效果有限及容易產(chǎn)生高溫的缺點(diǎn)。
(2)主動(dòng)式功率因素修正電路參閱圖4所示，該電路除需重新設(shè)計(jì)傳統(tǒng)電源供應(yīng)器的AC/DC整流電路，將其與DC/DC轉(zhuǎn)換器形成一雙級(jí)電路外，還需加設(shè)一組復(fù)雜的控制電路(control circuit)11及一大功率的開(kāi)關(guān)元件Q1。這種設(shè)計(jì)方式雖可改善功率因數(shù)的效果，但是，其電路設(shè)計(jì)頗為復(fù)雜，且制造成本較高。
(3)高頻振蕩式(Dither type)單級(jí)單開(kāi)關(guān)的功率因素修正電路參閱圖5所示，該電路的結(jié)構(gòu)雖較為簡(jiǎn)單，但是，仍需重新設(shè)計(jì)傳統(tǒng)電源供應(yīng)器的電路，且其在使用上有下列缺點(diǎn)(a)需配置高耐壓的電解電容當(dāng)其DC/DC轉(zhuǎn)換器2在連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous current mode)運(yùn)作下，若負(fù)載由重載瞬間降至輕載時(shí)，其電解電容C1上的直流鏈電壓Vdc將立即升高1～2倍，因此，必需改用更高耐壓的電解電容C1。
(b)電壓漣波升高由于開(kāi)關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)，交流電源VS1端電流的交流成份將被導(dǎo)入，故其DC/DC轉(zhuǎn)換器2的輸出端，將受120Hz交流作用的影響，而使其電壓漣波值升高。
(c)連續(xù)導(dǎo)通摸式下功率因素改善效果不佳該電路中所設(shè)置的大型繞線組L1，在連續(xù)導(dǎo)通摸式運(yùn)作下，并不能使其獲得良好的功率因素改善效果。
(4)S·Teramoto在1994年申請(qǐng)的第5,301,095號(hào)美國(guó)專利參閱圖6所示，該專利的電路結(jié)構(gòu)主要是將前述高頻振蕩式單級(jí)單開(kāi)關(guān)的功率因素修正電路中的二極管D2去除，而以一極小值的電容C3取代，以改善其功率因數(shù)；但是，其余兩個(gè)缺點(diǎn)仍未有效解決。
(5)Fu-Sheng Tsai在1997年申請(qǐng)的第5,600,546號(hào)美國(guó)專利參閱圖7所示，該專利的電路結(jié)構(gòu)主要是在前述高頻振蕩式單級(jí)單開(kāi)關(guān)的功率因素修正電路中，再加入一繞線組L3與二極管D2串聯(lián)，藉由調(diào)低其DC/DC轉(zhuǎn)換器2的初級(jí)繞線組LP與繞線組L1之間的電感比LP/L1或升高該繞線組L3與初級(jí)繞線組LP之間的電感比L3/LP，以解決其DC/DC轉(zhuǎn)換器2在連續(xù)導(dǎo)通摸式運(yùn)作下，電解電容C1上直流鏈電壓Vdc升高的問(wèn)題，但是，其余兩個(gè)缺點(diǎn)則仍然存在。
本發(fā)明的目的是提供一種可以克服上述各種現(xiàn)有技術(shù)缺陷的功率因素修正電路，本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的其主要是在一電源供應(yīng)器的一AC/DC整流電路中的一橋式整流器與一電解電容的正極端之間，依序串接一繞線組及一二極管，并在該電解電容的正極端與該電源供應(yīng)器的一DC/DC轉(zhuǎn)換器之間，串接另一繞線組，且使該二繞線組共用同一磁芯，藉該DC/DC轉(zhuǎn)換器控制該兩個(gè)繞線組的極性，使該二極管在逆向及順向偏壓狀態(tài)之間切換，進(jìn)而使交流電源在其交流正弦電壓的每一個(gè)相位內(nèi)，均可將其輸入電流導(dǎo)入該電解電容。
其中該DC/DC轉(zhuǎn)換器包括一變壓器，該變壓器的初級(jí)繞線組是分別藉一電力開(kāi)關(guān)元件及該另一繞線組跨接在該電解電容的兩端，形成一串聯(lián)回路，該變壓器的次級(jí)線圈則與一次級(jí)側(cè)整流二極管分別跨接在一次級(jí)側(cè)輸出平滑濾波電容的兩端，形成另一串聯(lián)回路；一控制電路，該控制電路是連接在該電力開(kāi)關(guān)元件與該DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端之間，以監(jiān)測(cè)該輸出端的電壓，并產(chǎn)生一控制信號(hào)，調(diào)整該電力開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間，使該輸出端的電壓值保持在一穩(wěn)態(tài)固定值。
其中該橋式整流器的兩個(gè)直流電壓輸出端上，可跨接一高頻濾波電容，以濾除電路中所產(chǎn)生的高頻雜訊，使該橋式整流器的輸出端電流更為平滑。
其中該橋式整流器的交流輸入端上，可跨接一高頻濾波電容，以濾除電路中所產(chǎn)生的高頻雜訊，使交流電源輸入端所輸入的電流更為平滑。
本發(fā)明的特點(diǎn)是通過(guò)在傳統(tǒng)交換式電源供應(yīng)器的AC/DC整流電路中的橋式整流器與電解電容的正極端之間串接一繞線組及一阻斷二極管，并在該電解電容的正極端與其DC/DC轉(zhuǎn)換器之間，串接另一繞線組，使該兩個(gè)繞線組共用同一磁芯，通過(guò)控制該兩個(gè)繞線組的極性作用，使該二極管在逆向及順向偏壓狀態(tài)之間切換，進(jìn)而使交流電源在其交流正弦電壓的每一個(gè)相位內(nèi)，均可將其輸入電流導(dǎo)入該電解電容，并可藉適當(dāng)調(diào)整該兩個(gè)繞線組的電感比，有效改善該交換電源供應(yīng)器的功率因素值達(dá)0.9以上，以符合電流諧波法規(guī)IEC-1000-3-的中A類或D類的規(guī)定，且其DC/DC轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)作下，負(fù)載由重載瞬間降至輕載時(shí)，其電解電容上不致發(fā)生直流鏈電壓升高的問(wèn)題，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓也不再受120Hz電壓漣波的影響。
下面配合附圖及若干實(shí)施例，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容如下圖1是傳統(tǒng)交換式電源供應(yīng)器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傳統(tǒng)交換式電源供應(yīng)器中通過(guò)該整流電路的輸入電流的波形示意圖；圖3是電感式功率因素修正電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是主動(dòng)式功率因素修正電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是高頻振蕩式單級(jí)單開(kāi)關(guān)的功率因素修正電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是第5,301,095號(hào)美國(guó)專利的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是第5,600,546號(hào)美國(guó)專利的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明的一實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的一實(shí)施例中，DC/DC轉(zhuǎn)換器為一馳返式轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是圖9的本發(fā)明實(shí)施例中，該控制開(kāi)關(guān)元件端的電壓Vds及流經(jīng)該兩個(gè)繞線組La、Lb上的電流ILa、ILb的波形示意圖；圖11是圖9的本發(fā)明實(shí)施例中，輸入電流Iin的波形示意圖；圖12是圖9的本發(fā)明實(shí)施例在各種負(fù)載狀況下，其電解電容C1的電壓Vdc波形示意圖13是圖9的本發(fā)明實(shí)施例與圖7的傳統(tǒng)電源供應(yīng)器之間在次級(jí)電解電容上的電壓連波的比較示意圖；圖14是圖9的本發(fā)明實(shí)施例的直流鏈電壓Vdc在負(fù)載電流瞬間變化時(shí)的波形示意圖；圖15是本發(fā)明的另一實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是本發(fā)明的又一實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；表1是本發(fā)明電路的輸入電流Iin的各諧波成份值與電流諧波法規(guī)IEC-1000-3-2中A類管制標(biāo)準(zhǔn)的比較數(shù)據(jù)；表2是本發(fā)明電路的輸入電流Iin的各諧波成份值與電流諧波法規(guī)IEC-1000-3-2中D類管制標(biāo)準(zhǔn)的比較數(shù)據(jù)。
本發(fā)明是一種功率因素修正電路，參閱圖8所示，該電路是在傳統(tǒng)交換式電源供應(yīng)器的AC/DC整流電路1(參閱圖1所示)中的橋式整流器DB1與電解電容C1的正極端之間，串接一繞線組La及一個(gè)二極管D1，并在該電解電容C1的正極端與其DC/DC轉(zhuǎn)換器2之間，串接另一繞線組Lb，且使該兩個(gè)繞線組共用同一磁芯Tr1。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，參閱圖9所示，該DC/DC轉(zhuǎn)換器2可為一馳返式(Fly-back)轉(zhuǎn)換器，該馳返式轉(zhuǎn)換器是由一變壓器Tr2、一電力開(kāi)關(guān)元件Q1、一控制電路21(control circuit)、一次級(jí)側(cè)整流二極管D2及一次級(jí)側(cè)輸出平滑濾波電容C3等元件所組成。其中該變壓器Tr2的初級(jí)繞線組LP與次級(jí)繞線組LS的匝數(shù)比為NP∶NS，電感值則分別為L(zhǎng)P及LS，該變壓器Tr2的該初級(jí)繞線組LP是分別藉該電力開(kāi)關(guān)元件Q1及該繞線組L跨接在該電解電容C1的兩端，形成一串聯(lián)回路，該次級(jí)線圈LS則與該整流二極管D2分別跨接于該平滑濾波電容C3的兩端，形成另一串聯(lián)回路，該DC/DC轉(zhuǎn)換器2藉該控制電路21(control circuit)監(jiān)測(cè)其輸出端X3、X4的電壓，以產(chǎn)生一控制信號(hào)，調(diào)整該電力開(kāi)關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間，使該輸出端X3、X4的電壓值Vo保持在一穩(wěn)態(tài)固定值。
再參閱圖9所示，其中VS1是代表輸入該電源供應(yīng)器的交流電源，X1、X2代表跨接在該橋式整流器DB1的兩個(gè)輸入端，Iin、Vin則分別代表該兩個(gè)輸入端的電流值及電壓值，Vin(rec)是代表該橋式整流器DB1輸出端的電壓值，ILa、ILb分別代表流經(jīng)該兩個(gè)繞線組La及Lb上的電流，Vy代表該繞線組La與該二極管D1連接端的電壓值，Vdc代表該電解電容C1的一直流電壓值。
在本發(fā)明的該實(shí)施例中，當(dāng)該電力開(kāi)關(guān)元件Q1導(dǎo)通時(shí)，該初級(jí)繞線組LP上將產(chǎn)生一斜率為Vdc/(Lb+LP)的電流ILb，該電流ILb將經(jīng)該電解電容C1的正極端，流過(guò)該兩個(gè)繞線組Lb、LP及該電力開(kāi)關(guān)元件Q1，而回到該電解電容C1的負(fù)極端。由于該兩個(gè)繞線組Lb及LP是繞設(shè)在同一磁芯Tr1上，故在極性安排下，將使該二極管D1變成逆向偏壓，使該繞線組La上的電流ILa為零，此時(shí)，由于該繞線組Lb上仍有電流ILb流過(guò)，故該磁芯Tr1內(nèi)的磁力線將呈擴(kuò)張狀。
在該實(shí)施例中，當(dāng)該電力開(kāi)關(guān)元件Q1被切斷時(shí)，該磁芯Tr1內(nèi)的磁力線開(kāi)始縮減，而在該兩個(gè)繞線組La及Lb的極性安排下，將使該二極管D1變成順向偏壓，在該繞線組La上產(chǎn)生一斜率為(Vin(rec)-Vdc)/La的電流ILa，而從交流電源VS1輸入端X1、X2將電流導(dǎo)入該電解電容C1。
由圖10所示，該控制開(kāi)關(guān)元件Q1端的電壓Vds及流經(jīng)該兩個(gè)繞線組La、Lb上的電流ILa、ILb波形可知，本發(fā)明的該實(shí)施例所產(chǎn)生的輸入電流Iin波形，將如圖11所示，完全符合IEC-1000-3-2法規(guī)中D類或A類的管制標(biāo)準(zhǔn)，此可藉參照表1及表2所示的各諧波成份值與管制標(biāo)準(zhǔn)的比較數(shù)據(jù)，得以證明。
由以上所述可知，在傳統(tǒng)交換式電源供應(yīng)器中，加入本發(fā)明的功率因素修正電路，即可使該交流電源VS1在其交流正弦電壓Vin的每一個(gè)相位內(nèi)(即該控制開(kāi)關(guān)元件Q1的每一次切換周期)，均可將其輸入電流Iin導(dǎo)人該電解電容C1。因此，本發(fā)明只需通過(guò)適當(dāng)調(diào)整該兩個(gè)繞線組La、Lb的電感值及該DC/DC轉(zhuǎn)換器的變壓器Tr2上初級(jí)繞線組LP的電感值，就可輕易地將其功率因數(shù)提升至0.9以上，同時(shí)，其電流總和失真THD值也可降至15％以下。所以，本發(fā)明的功率因素修正電路，不僅可大幅提高傳統(tǒng)電源供應(yīng)器的輸入電流的功率因數(shù)，且可有效降低輸入電流的諧波失真，使其滿足IEC-1000-3-2法規(guī)中D類或A類的管制標(biāo)準(zhǔn)。
另外，本發(fā)明的該實(shí)施例在各種負(fù)載狀況下，其電解電容C1的電壓變化，由圖12所示可知，是保持在一穩(wěn)態(tài)的直流電壓值。該實(shí)施例與圖7所示的傳統(tǒng)電源供應(yīng)器之間在電解電容上的電壓波形變化比較，也可由圖13得知，在該實(shí)施例中，其DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓漣波將不受120Hz電壓漣波的影響。又，由圖14所示可知，在連續(xù)導(dǎo)通模式運(yùn)作下，負(fù)載由重載降至輕載時(shí)，本發(fā)明的該實(shí)施例將不會(huì)發(fā)生直流鏈電壓Vdc升高的問(wèn)題。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，參閱圖15所示，可通過(guò)在圖8所示的實(shí)施例中該橋式整流器DB1的兩個(gè)直流電壓輸出端上，跨接一高頻濾波電容C2，濾除電路中所產(chǎn)生的高頻雜訊，使該橋式整流器DB1輸出端的電流更為平滑。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，參閱圖16所示，也可通過(guò)在圖8所示的實(shí)施例中該橋式整流器DB1的交流輸入端X1、X2上，跨接一高頻濾波電容C2，濾除電路中所產(chǎn)生的高頻雜訊，使交流電源VS1輸入端X1、X2所輸入的電流Iin更為平滑。
以上所述，僅是本發(fā)明的一較佳的實(shí)施例，但是，本發(fā)明所主張的權(quán)利要求范圍，并不局限于此，凡熟悉該項(xiàng)技術(shù)人士，依據(jù)本發(fā)明所揭露的技術(shù)內(nèi)容，可輕易考慮到的等效變化，如將本發(fā)明實(shí)施例中的馳返式(Fly-back)轉(zhuǎn)換器以順向式(Forward)轉(zhuǎn)換器、半橋式(Half-bridge)轉(zhuǎn)換器、全橋式(Full-bridge)轉(zhuǎn)換器、推挽式(Push-pull)轉(zhuǎn)換器或降壓式(Boost)轉(zhuǎn)換器等其它傳統(tǒng)DC/DC轉(zhuǎn)換器，予以取代，均應(yīng)屬于不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。輸入電壓AC230V/50HZ輸入功率160W功率因素0.977 (A類)<
表1輸入電壓AC230V/50HZ輸入功率160W功率因素0.977 (D類)
表權(quán)利要求
1.一種功率因素修正電路，其特征在于主要是在一電源供應(yīng)器的一AC/DC整流電路中的一橋式整流器與一電解電容的正極端之間，依序串接一繞線組及一二極管，并在該電解電容的正極端與該電源供應(yīng)器的一DC/DC轉(zhuǎn)換器之間，串接另一繞線組，且使該兩個(gè)繞線組共用同一磁芯，藉該DC/DC轉(zhuǎn)換器控制該兩個(gè)繞線組的極性，使該二極管在逆向及順向偏壓狀態(tài)之間切換，進(jìn)而使交流電源在其交流正弦電壓的每一個(gè)相位內(nèi)，均可將其輸入電流導(dǎo)入該電解電容。
2.如權(quán)利要求1所述的一種功率因素修正電路，其特征在于其中該DC/DC轉(zhuǎn)換器包括一變壓器，該變壓器的初級(jí)繞線組是分別藉一電力開(kāi)關(guān)元件及該另一繞線組跨接在該電解電容的兩端，形成一串聯(lián)回路，該變壓器的次級(jí)線圈則與一次級(jí)側(cè)整流二極管分別跨接在一次級(jí)側(cè)輸出平滑濾波電容的兩端，形成另一串聯(lián)回路；一控制電路，該控制電路是連接在該電力開(kāi)關(guān)元件與該DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端之間，以監(jiān)測(cè)該輸出端的電壓，并產(chǎn)生一控制信號(hào)，調(diào)整該電力開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間，使該輸出端的電壓值保持在一穩(wěn)態(tài)固定值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種功率因素修正電路，其特征在于其中該橋式整流器的兩個(gè)直流電壓輸出端上，可跨接一高頻濾波電容。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種功率因素修正電路，其特征在于其中該橋式整流器的交流輸入端上，可跨接一高頻濾波電容。
全文摘要
一種功率因素修正電路,是在傳統(tǒng)交換式電源供應(yīng)器的AC/DC整流電路中的橋式整流器與電解電容的正極端之間串接一繞線組及一二極管,并在該電解電容的正極端與該電源供應(yīng)器的DC/DC轉(zhuǎn)換器之間,串接另一繞線組,使該兩個(gè)繞線組共用同一磁芯,藉由控制該兩個(gè)繞線組的極性作用,使該二極管在逆向及順向偏壓狀態(tài)之間切換,使交流電源在其交流正弦電壓的每一個(gè)相位內(nèi),均可將其輸入電流導(dǎo)入該電解電容,可有效改善該交換電源供應(yīng)器的輸入電源的功率因數(shù),提高其用電效能及品質(zhì)。
文檔編號(hào)H02M7/06GK1273453SQ99107209
公開(kāi)日2000年11月15日 申請(qǐng)日期1999年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月7日
發(fā)明者梁錦宏 申請(qǐng)人:天網(wǎng)電子股份有限公司