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TW201304382A - 交直流轉換裝置及其相關的控制方式 - Google Patents

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TW201304382A
TW201304382A TW101124959A TW101124959A TW201304382A TW 201304382 A TW201304382 A TW 201304382A TW 101124959 A TW101124959 A TW 101124959A TW 101124959 A TW101124959 A TW 101124959A TW 201304382 A TW201304382 A TW 201304382A
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Abstract

一種交直流轉換裝置，其包括：第一開關元件、輸出電容，以及無橋功率因數校正電路。其中，無橋功率因數校正電路耦接至交流輸入，並且包含第一電感、第二電感，以及由第二至第五開關元件所組成的橋式電路。第一開關元件連接於無橋功率因數校正電路與輸出電容之間。基於這樣的電路架構與適當的控制方式，於所提之交直流轉換裝置中的共模干擾可被降低，從而減小功耗。

Description

交直流轉換裝置及其相關的控制方式
本發明是有關於一種交直流轉換裝置，且特別是有關於一種可降低共模干擾以及可應用在功率因數校正、無功補償和諧波補償領域的交直流轉換裝置。
目前，功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)一直在朝著效率高、結構簡單、控制容易實現、減小電磁干擾(EMI)等方向發展，所以無橋升壓式功率因數校正(Boost PFC)電路作為一種提高效率的有效方式越來越受到人們的關注。在無橋升壓式功率因數校正電路中，省略了傳統升壓式功率因數校正電路的整流橋(rectifier bridge)，且在任一時刻，無橋升壓式功率因數校正電路都比傳統升壓式功率因數校正電路少導通一個二極體，所以降低了導通損耗，從而大大地提升效率。
最基本的無橋升壓式功率因數校正主電路的結構如圖1所示，其由兩個快恢復二極體(D1,D2)、兩個具有本體二極體(body diode)的開關電晶體(S1,S2)、兩個電感(L1,L2)和一個電容C所組成。無橋升壓式功率因數校正電路係用以提供直流輸出母線電壓(DC output bus voltage,Vbus)給負載R。對於工頻交流輸入(Vline)的正負半週期而言，無橋升壓式功率因數校正電路可以等效為兩個電源電壓相反的升壓式功率因數校正電路的組合。
一組為由電感L1和L2、開關電晶體S1、二極體D1，以及開關電晶體S2的本體二極體所組成，並且操作在如圖2(a)所示的導通模態下；另一組為由電感L1和L2、開關電晶體S2、二極體D2及開關電晶體S1的本體二極體所組成，並且操作在如圖2(b)所示的導通模態下。從圖2(a)與圖2(b)中可以清楚地看出，無橋功率因數校正電路在任一時刻都只有兩個半導體元件導通，比傳統帶有整流橋的升壓式功率因數校正電路少導通一個二極體，因此降低了導通損耗，從而提高了效率。
然而，圖1所示之電路的最大問題是共模干擾大。更清楚來說，對圖1中的節點A、節點B與節點0各別對於輸入零線(N)之間的電位進行分析可得出圖3所示的波形V0N、VAN、VBN，其中Vbus為直流輸出母線電壓，而Vline為暫態輸入電壓(instantaneous input voltage)。從圖3中可以清楚地看出，直流輸出母線之節點0、節點A、節點B各別對於電源輸入側之間的電位隨開關電晶體(S1,S2)的切換頻率而浮動。因此，共模干擾比較嚴重，電磁干擾(EMI)的問題較為突出，有待改進。
另外，同時配合參閱圖1與圖4，當二極體D1、D2都截止的時候，沒有低阻抗通路和寄生電容Crss並聯。因此，激勵源交流輸入(AC-excitation input source)將會形成如圖4中虛線所示的電流通路，從而使得大量的漏電流會流過寄生電容Crss。
有鑒於此，本發明係提供一種可降低共模干擾與功耗的交直流轉換裝置及其相關的控制方式，藉以解決先前技術所述及的問題。
本發明之一示範性實施例提供一種交直流轉換裝置，其包括：第一開關元件、輸出電容，以及無橋功率因數校正電路。其中，無橋功率因數校正線路包括：由第二至第五開關元件的橋式電路、第一電感，以及第二電感。第二與第三開關元件串接以形成一第一串聯支路，第四與第五開關元件串接以形成一第二串聯支路，且所述第一與第二串聯支路並接。
第一電感的第一端連接一交流輸入的第一端，而第一電感的第二端則連接至介於第二與第三開關元件之間的共節點。第二電感的第一端連接所述交流輸入的第二端，而第二電感的第二端則連接至介於第四與第五開關元件之間的共節點。
第一群組的開關元件包含第二與第四開關元件，且由可控開關元件或者二極體來實施。第二群組的開關元件包含第三與第五開關元件，且由可控開關元件或者二極體來實施。第一與第二群組的開關元件的至少其中之一由可控開關元件來實施。
第一開關元件的第一端連接介於第二與第四開關元件之間的共節點與介於第三與第五開關元件之間的共節點的其中之一者。第一開關元件的第二端連接輸出電容的第 一端。輸出電容的第二端連接介於第二與第四開關元件之間的共節點與介於第三與第五開關元件之間的共節點的其中之另一者。
於本發明一示範性實施例中，第一開關元件、第一群組的開關元件以及第二群組的開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體。在此條件下，第一開關元件為第一金氧半導體場效應電晶體，第二開關元件為第二金氧半導體場效應電晶體，第三開關元件為第三金氧半導體場效應電晶體，第四開關元件為第四金氧半導體場效應電晶體，而第五開關元件為第五金氧半導體場效應電晶體。第二金氧半導體場效應電晶體的源極連接第三金氧半導體場效應電晶體的汲極，第四金氧半導體場效應電晶體的源極連接第五金氧半導體場效應電晶體的汲極，第二金氧半導體場效應電晶體的汲極連接第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第三金氧半導體場效應電晶體的源極連接第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
於本發明一示範性實施例中，在第一至第五開關元件皆由金氧半導體場效應電晶體所實施的情況下，第一金氧半導體場效應電晶體的源極連接第二與第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第一金氧半導體場效應電晶體的汲極則透過輸出電容而連接至第三與第五金氧半導體場效應電晶體的源極。在此條件下，於所述交流輸入的正半週期，第二金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，第四金氧 半導體場效應電晶體作為主控開關，第一與第五金氧半導體場效應電晶體係同步地切換，第四金氧半導體場效應電晶體的切換與第一和第五金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而第三金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態；以及於所述交流輸入的負半週期，第四金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，第二金氧半導體場效應電晶體作為主控開關，第一與第三金氧半導體場效應電晶體係同步地切換，第二金氧半導體場效應電晶體的切換與第一和第三金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而第五金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態。
於本發明另一示範性實施例中，在第一至第五開關元件皆由金氧半導體場效應電晶體所實施的情況下，第一金氧半導體場效應電晶體的源極透過輸出電容而連接第二與第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第一金氧半導體場效應電晶體的汲極則連接至第三與第五金氧半導體場效應電晶體的源極。在此條件下，於所述交流輸入的正半週期，第三金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，第五金氧半導體場效應電晶體作為主控開關，第一與第四金氧半導體場效應電晶體係同步地切換，第五金氧半導體場效應電晶體的切換與第一和第四金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而第二金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態；以及於所述交流輸入的負半週期，第五金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，第三金氧半導體場效應電晶體作為主控開關，第一與第二金氧半導體場效應電晶體係 同步地切換，第三金氧半導體場效應電晶體的切換與第一和第二金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而第四金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態。
於本發明一示範性實施例中，第一開關元件與第一群組的開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體。另外，第二群組的開關元件由二極體來實施。在此條件下，第一開關元件為第一金氧半導體場效應電晶體，第二開關元件為第二金氧半導體場效應電晶體，第三開關元件為第三二極體，第四開關元件為第四金氧半導體場效應電晶體，而第五開關元件為第五二極體。第二金氧半導體場效應電晶體的源極連接第三二極體的陰極，第四金氧半導體場效應電晶體的源極連接第五二極體的陰極，第二金氧半導體場效應電晶體的汲極連接第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第三二極體的陽極連接第五二極體的陽極。
於本發明一示範性實施例中，在第一開關元件與第一群組的開關元件皆由金氧半導體場效應電晶體所實施，且第二群組的開關元件皆由二極體所實施的情況下，第一金氧半導體場效應電晶體的源極連接第二與第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第一金氧半導體場效應電晶體的汲極則透過輸出電容而連接至第三與第五二極體的陽極。在此條件下，於所述交流輸入的正半週期，第二金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，第四金氧半導體場效應電晶體作為主控開關，而第一金氧半導體場效應電晶體的 切換與第四金氧半導體場效應電晶體的切換互補；以及於交流輸入的負半週期，第四金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，第二金氧半導體場效應電晶體作為主控開關，而第一金氧半導體場效應電晶體的切換與第二金氧半導體場效應電晶體的切換互補。
於本發明一示範性實施例中，第一開關元件與第二群組的開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體。另外，第一群組的開關元件由二極體來實施。在此條件下，第一開關元件為第一金氧半導體場效應電晶體，第二開關元件為第二二極體，第三開關元件為第三金氧半導體場效應電晶體，第四開關元件為第四二極體，而第五開關元件為第五金氧半導體場效應電晶體。第二二極體的陽極連接第三金氧半導體場效應電晶體的汲極，第四二極體的陽極連接第五金氧半導體場效應電晶體的汲極，第二二極體的陰極連接第四二極體的陰極，而第三金氧半導體場效應電晶體的源極連接第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
於本發明一示範性實施例中，在第一開關元件與第二群組的開關元件皆由金氧半導體場效應電晶體所實施，且第一群組的開關元件皆由二極體所實施的情況下，第一金氧半導體場效應電晶體的汲極連接第三與第五金氧半導體場效應電晶體的源極，而第一金氧半導體場效應電晶體的源極則透過輸出電容而連接至第二與第四二極體的陰極。在此條件下，於所述交流輸入的正半週期，第三金氧半導 體場效應電晶體保持在導通狀態，第五金氧半導體場效應電晶體作為主控開關，而第一金氧半導體場效應電晶體的切換與第五金氧半導體場效應電晶體的切換互補；以及於所述交流輸入的負半週期，第五金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，第三金氧半導體場效應電晶體作為主控開關，而第一金氧半導體場效應電晶體的切換與第三金氧半導體場效應電晶體的切換互補。
於本發明一示範性實施例中，第一開關元件由二極體來實施。另外，第一與第二群組的開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體。在此條件下，第一開關元件為第一二極體，第二開關元件為第二金氧半導體場效應電晶體，第三開關元件為第三金氧半導體場效應電晶體，第四開關元件為第四金氧半導體場效應電晶體，而第五開關元件為第五金氧半導體場效應電晶體。第二金氧半導體場效應電晶體的源極連接第三金氧半導體場效應電晶體的汲極，第四金氧半導體場效應電晶體的源極連接第五金氧半導體場效應電晶體的汲極，第二金氧半導體場效應電晶體的汲極連接第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第三金氧半導體場效應電晶體的源極連接第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
於本發明一示範性實施例中，在第一開關元件由二極體所實施，且第一與第二群組的開關元件皆由金氧半導體場效應電晶體所實施的情況下，第一二極體的陽極連接第二與第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第一二極體 的陰極則透過輸出電容而連接至第三與第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
於本發明另一示範性實施例中，在第一開關元件由二極體所實施，且第一與第二群組的開關元件皆由金氧半導體場效應電晶體所實施的情況下，第一二極體的陽極透過輸出電容而連接第二與第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而第一二極體的陰極則連接至第三與第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
基於上述，於本發明中，第一開關元件係經配置以連接於無橋功率因數校正電路與輸出電容之間，以至於在所提關聯於開關元件(特別是，金氧半導體場效應電晶體)的控制方式下，於所提之交直流轉換裝置中的共模干擾可以被有效地降低，從而減小功耗。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
以下將結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細說明。
如圖5和圖16所示，本發明提供一種交直流轉換裝 置(AC-to-DC conversion apparatus)，其包括：第一開關元件Q1、輸出電容C，以及無橋功率因數校正(PFC)電路501。其中，無橋功率因數校正(PFC)電路501包含第一電感L1、第二電感L2和由第二至第五開關元件Q2~Q5所組成的橋式電路(bridge circuit)。第二與三開關元件Q2、Q3依次串接以形成第一串聯支路，而第四與五開關元件Q4、Q5依次串接以形成第二串聯支路。其中，第一串聯支路與第二串聯支路並接。
第一電感L1的第一端連接交流(AC)輸入的第一端(亦即，火線，亦可稱為L線)，而第一電感L1的第二端則連接至介於第二與三開關元件Q2、Q3之間的節點A。第二電感L2的第一端連接交流(AC)輸入的第二端(亦即，零線，亦可稱為N線)，而第二電感L2的第二端則連接至介於第四與五開關元件Q4、Q5之間的節點B。
於本示範性實施例中，第二至第五開關元件Q2~Q5可以被劃分成包含第二與第四開關元件(Q2,Q4)的第一群組的開關元件與包含第三與第五開關元件(Q3,Q5)的第二群組的開關元件。第一群組的開關元件(Q2,Q4)所採用的元器件類型相同，例如：可控開關元件或者二極體。相似地，第二群組的開關元件(Q3,Q5)所採用的元器件類型相同，例如：可控開關元件(controllable switch-element)或者二極體(diode)。第一群組的開關元件(Q2,Q4)與第二群組的開關元件(Q3,Q5)的至少其中之一係可採用相同或者相異的可控開關元件來實施。
第一開關元件Q1必須經配置以連接在無橋功率因數校正電路501與輸出電容C之間。第一開關元件Q1的第一端連接介於第二與第四開關元件(Q2,Q4)之間的共節點ND1與介於第三與第五開關元件(Q3,Q5)之間的共節點ND2的其中之一。第一開關元件Q1的第二端連接輸出電容C的第一端。輸出電容C的第二端連接介於第二與第四開關元件(Q2,Q4)之間的共節點與介於第三與第五開關元件(Q3,Q5)之間的共節點的其中之另一者。
舉例來說，如圖5所示，第一開關元件Q1的第一端連接介於第二與第四開關元件(Q2,Q4)之間的共節點ND1，而第一開關元件Q1的第二端則透過輸出電容C以連接至介於第三與第五開關元件(Q3,Q5)之間的共節點ND2。另一方面，如圖16所示，第一開關元件Q1的第一端連接介於第三與第五開關元件(Q3,Q5)之間的共節點ND2，而第一開關元件Q1的第二端則透過輸出電容C以連接至介於第二與第四開關元件(Q2,Q4)之間的共節點ND1。
於此，以下將結合具體的示範性實施例以對本發明的多種相異實施形式進行說明。
首先需要指出的是，在以下的示範性實施例中，第一開關元件Q1係採用可控開關元件來實施，例如：金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)。而且，為了達成更佳的工作性能，所實施的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)帶有本體二極體(body diode)。但是，所實施的可控開關 元件並不限於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)，如繼電器、JFET等可控開關元件均可依實際設計/應用需求而使用。
如圖6所示，是本發明所提供之第一示範性實施例的實施示意圖。請參閱圖5與圖6，第一開關元件Q1係採用帶有本體二極體的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S1來實施。無橋功率因數校正(PFC)電路501包含兩個電感(L1,L2)和四個開關元件(Q2~Q5)，其中開關元件(Q2~Q5)分別以帶有本體二極體的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2~S5來實施。但是，在無關乎效能的情況下，所實施的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)亦可以不帶有本體二極體。
金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2的源極連接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3的汲極，且藉由串接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2與S3即可形成第一串聯支路。金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4的源極連接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5的汲極，且藉由串接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4與S5即可形成與第一串聯支路並接的第二串聯支路。更清楚來說，就是將金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2、S4的汲極相連接，並且將金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3、S5的源極相連接。
電感L1的第一端連接交流(AC)輸入的第一端(即，L線)，而電感L1的第二端則連接至介於金氧半導體場效 應電晶體(MOSFET)S2與S3之間的共節點A。電感L2的第一端連接交流(AC)輸入的第二端(即，N線)，而電感L2的第二端則連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4與S5之間的共節點B。金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S1的源極連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2與S4之間的共節點ND1(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2與S4的汲極)，而金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S1的汲極則透過輸出電容C以連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3的與S5之間的共節點B(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3與S5的源極)。
基於圖6所示的電路結構，一種相應且適當的控制方式將在以下被提出。更清楚來說，如圖7所示，於交流(AC)輸入VAC的正半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2保持在導通狀態；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4作為主控開關(master switch)；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S5)係同步地切換，亦即：同一時間導通(turned-on)或者關閉(turned-off)；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S5)的切換互補；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3保持在截止狀態。另外，於交流(AC)輸入VAC的負半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4保持在導通狀態；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2作為 主控開關；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S3)係同步地切換，亦即：同一時間導通或者關閉；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S3)的切換互補；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5保持在截止狀態。
參閱圖6所示的電路拓撲與圖7所示的波形，並根據克希荷夫電壓定律(Krichhoff’s voltage law)，以下方程式(1)與(2)可以被獲得：U L1+U AC +U NO +U OA =0 (1)
U L2+U NO +U OB =0 (2)
流經電感L1和L2中的電流方向相反，但參數卻相同，於是U L1=-U L2。在此條件下，若將方程式(1)與(2)進行加法運算的話，以下方程式(3)與(4)可以被獲得：2U NO =U AO +U BO -U AC (3)
其中，U AC 為交流工頻輸入電壓(AC power-frequency input voltage)，於是只要使(U AO +U BO )中不含高頻成分，則U NO 不含高頻成分。
下面將偵圖6所示之電路拓撲的各個工作模態分別作出說明。
1、在交流(AC)輸入VAC的正半週期內，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2保持導通狀態，而金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3保持截止狀態。假設此 時金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4為導通狀態，則金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S5)均為截止狀態。由於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S5)的特性相同，故結合圖8，以下方程式(5)可以被獲得：U AO +U BO =-U S1+U Bus +U S5=U Bus (5)
2、在交流(AC)輸入VAC的正半週期內，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2保持導通狀態，而金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3保持截止狀態。假設此時金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4為截止狀態，則金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S5)均為導通狀態，故配合圖9，由於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5為導通狀態，故可以得到U BO =0(忽略導通壓降)。另外，由於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2為導通狀態，且金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S1為導通狀態，故而U AO =U Bus ，以至於以下方程式(6)可以被獲得：U AO +U BO =U Bus +0=U Bus (6)
3、在交流(AC)輸入VAC的負半週期內，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4保持導通狀態，而金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5保持截止狀態。假設此時金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2為導通狀態，則金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S3)均為截止狀態。由於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1, S5)的特性相同，故結合圖10所示(其與圖8工作模態相同)，則以下方程式(7)可以被獲得：U AO +U BO =-U S1+U Bus +U S5=U Bus (7)
4、在交流(AC)輸入VAC的負半週期內，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4保持導通狀態，而金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5保持截止狀態。假設此時金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2為截止狀態，則金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S3)均為導通狀態，可同時配合圖11所示，由於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3為導通狀態，故U AO =0(忽略導通壓降)。另外，由於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4為導通狀態，且金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S1為導通狀態，故U BO =U Bus ，以至於以下方程式(8)可以被獲得：U AO +U BO =0+U Bus =U Bus (8)
綜上，在圖6所示的電路拓撲圖中，可以獲得U AO +U BO =U Bus 的結果。
相較於前述示範性實施例，圖17是本發明第一示範性實施例的另一種實現方式電路圖。請參閱圖17，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S1的汲極連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S3,S5)的共節點ND2，而金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S1的源極則透過輸出電容C以連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S2,S4)之間的共節點ND1。在此條件下， 如圖17所示的電路結構，一種相應且適當的控制方式將在以下被提出。
更清楚來說，於交流(AC)輸入VAC的正半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3保持在導通狀態；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5作為主控開關；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S4)係同步地切換；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S4)的切換互補；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S2保持在截止狀態。另外，於交流(AC)輸入VAC的負半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S5保持在導通狀態；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3作為主控開關；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S2)係同步地切換；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S3的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S1,S2)的切換互補；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S4保持在截止狀態。
圖12是本發明第二示範性實施例之電路結構的示意圖。請參閱圖5與圖12，第一開關元件Q1係採用帶有本體二極體的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S10來實施。無橋功率因數校正(PFC)電路501包含兩個電感(L10,L20)、兩個第一類型的開關元件(Q2,Q4)，以及兩個第二類型的開關元件(Q3,Q5)。其中，兩個第一類型的開關元件(Q2,Q4)係分別由對應且帶有本體二極 體的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S20,S40)來實施，而兩個第二類型的開關元件(Q3,Q5)係分別由對應的二極體(S30,S50)來實施。相似地，在無關乎效能的情況下，所實施的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)亦可以不帶有本體二極體。
金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20的源極連接二極體S30的陰極，且藉由串接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20與二極體S30即可形成第一串聯支路。金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40的源極連接二極體S50的陰極，且藉由串接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40與二極體S50即可形成與第一串聯支路並接的第二串聯支路。更清楚來說，就是將金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S20,S40)的汲極相連接，並且將二極體(S30,S50)的陽極相連接。
電感L10的第一端連接交流(AC)輸入的第一端(即，L線)，而電感L10的第二端則連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20與二極體S30之間的共節點A。電感L20的第一端連接交流(AC)輸入的第二端(即，N線)，而電感L20的第二端則連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40與二極體S50之間的共節點B。金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S10的源極連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S20,S40)之間的共節點ND1(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S20,S40)的汲極)，而金氧半導體場效 應電晶體(MOSFET)S10的汲極則透過輸出電容C以連接至介於二極體(S30,S50)之間的共節點ND2(即，二極體(S30,S50)的陽極)。
基於圖12所示的電路結構，一種相應且適當的控制方式將在以下被提出。更清楚來說，於交流(AC)輸入(VAC)的正半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20保持在導通狀態；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40作為主控開關；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S10的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40的切換互補。另外，於交流(AC)輸入(VAC)的負半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40保持在導通狀態，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20作為主控開關；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S10的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20的切換互補。
配合圖13所示，在交流(AC)輸入(VAC)的正半週期內，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20保持導通狀態。假設此時金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40為截止狀態，則金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S10為導通狀態，由此通過作為續流二極體(freewheel diode)的二極體S50以進行續流。另一方面，如圖14所示，在交流(AC)輸入(VAC)的負半週期內，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S40保持導通狀態。假設此時金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S20為截止狀態， 則金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S10為導通狀態，由此通過作為續流二極體的二極體S30以進行續流。另外，關聯於圖12之電路拓撲的其他兩種工作模態可以藉由參照前述示範性實施例的解釋而類推/推演出，故而在此並不再加以贅述之。
圖15是本發明第三示範性實施例之電路結構的示意圖。請參閱圖15與圖16，第一開關元件Q1係採用帶有本體二極體的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S100來實施。無橋功率因數校正(PFC)電路501包含兩個電感(L100,L200)、兩個第一類型的開關元件(Q2,Q4)，以及兩個第二類型的開關元件(Q3,Q5)。其中，兩個第一類型的開關元件(Q2,Q4)係分別由對應的二極體(S200,S400)來實施，而兩個第二類型的開關元件(Q3,Q5)係分別由對應且帶有本體二極體的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S300,S500)來實施。相似地，在無關乎效能的情況下，所實施的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)亦可以不帶有本體二極體。
二極體S200的陽極連接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S300的汲極，且藉由串接二極體S200與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S300即可形成第一串聯支路。二極體S400的陽極連接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S500的汲極，且藉由二極體S400與串接金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S500即可形成與第一串聯支路並接的第二串聯支路。更清楚來說，就是將二 極體(S200,S400)的陰極相連接，並且將金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S300,S500)的源極相連接。
電感L100的第一端連接交流(AC)輸入的第一端(即，L線)，而電感L100的第二端則連接至介於二極體S20與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S30之間的共節點A。電感L200的第一端連接交流(AC)輸入的第二端(即，N線)，而電感L200的第二端則連接至介於二極體S400與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S500之間的共節點B。金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S100的源極透過輸出電容C以連接至介於二極體(S200,S400)之間的共節點ND1(即，二極體(S200,S400)的陰極)，而金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S100的汲極則連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S300,S500)之間的共節點ND2(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S300,S500)的源極)。
基於圖15所示的電路結構，一種相應且適當的控制方式將在以下被提出。更清楚來說，於交流(AC)輸入(VAC)的正半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S300保持在導通狀態；金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S500作為主控開關；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S100的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S500的切換互補。另外，於交流(AC)輸入(VAC)的負半週期，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S500保持在導通狀態，金氧半導體場效應電 晶體(MOSFET)S300作為主控開關；以及金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S100的切換與金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)S300的切換互補。
圖18是本發明第一示範性實施例的又一種實現方式電路圖。請參閱圖5與圖18，第一開關元件Q1係採用二極體S1’來實施。圖18所示的無橋功率因數校正(PFC)電路501係類似於圖6所示的無橋功率因數校正(PFC)電路501，故其元件間的連接關係就不再贅述之。如圖18所示，二極體S1’的陽極連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S2,S4)之間的共節點ND1(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S2,S4)的汲極)，而二極體S1’的陰極則透過輸出電容C以連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S3,S5)之間的共節點ND2(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S3,S5)的源極)。
圖19是本發明第一示範性實施例的再一種實現方式電路圖。請參閱圖16與圖19，第一開關元件Q1係採用二極體S1’來實施。圖19所示的無橋功率因數校正(PFC)電路501係類似於圖6所示的無橋功率因數校正(PFC)電路501，故其元件間的連接關係就不再贅述之。如圖19所示，二極體S1’的陽極透過輸出電容C以連接至介於金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S2,S4)之間的共節點ND1(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S2,S4)的汲極)，而二極體S1’的陰極則連接至介於金氧半 導體場效應電晶體(MOSFET)(S3,S5)之間的共節點ND2(即，金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)(S3,S5)的源極)。
於此，如圖18與圖19所各別示出之電路拓撲的運作方式係類似於前述第一至第三示範性實施例的具體說明，故而在此並不再加以贅述之。
於此值得一提的是，在本發明前述的所有示範性實施例中，雖然所有開關元件係以帶有本體二極體的金氧半導體場效應電晶體(MOSFET)為例來進行說明，但本發明的實際應用並不以此為限制。舉例來說，依據實際設計/需球，如三極管、JFET等可控開關元件亦可被拿來實施於本發明中。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
L‧‧‧火線(L線)
N‧‧‧零線(N線)
AC‧‧‧交流
Vbus‧‧‧直流輸出母線電壓
Vline‧‧‧暫態輸入電壓(工頻交流輸入)
L1、L2、L10、L20、L100、L200‧‧‧電感
A、B、0、ND1、ND2‧‧‧節點
D1、D2、S30、S50、S200、S400、S1’‧‧‧二極體
S1、S2‧‧‧開關電晶體/金氧半導體場效應電晶體
S3~S5、S20、S40、S300、S500‧‧‧金氧半導體場效應電晶體
C‧‧‧(輸出)電容
Crss‧‧‧寄生電容
R‧‧‧負載
V0N、VAN、VBN‧‧‧電壓波形
Q1~Q5‧‧‧開關元件
501‧‧‧無橋功率因數校正(PFC)電路
VAC‧‧‧交流輸入
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明 本發明的原理。
圖1是一種常見無橋功率因數校正的電路圖。
圖2(a)是圖1所示電路在輸入電壓為正半週期時的工作模態示意圖。
圖2(b)是圖1所示電路在輸入電壓為負半週期時的工作模態示意圖。
圖3是圖1所示電路中多個節點與輸入地(輸入零線)之間的電壓波形圖。
圖4是圖1所示電路的等效寄生電容圖。
圖5是本發明一示範性實施例之電路結構的示意圖。
圖6是本發明第一示範性實施例之實施結構的示意圖。
圖7是圖6所示電路對應的波形圖。
圖8是圖6所示電路在輸入電壓為正半週期時的一種工作模態示意圖。
圖9是圖6所示電路在輸入電壓為正半週期時的另一種工作模態示意圖。
圖10是圖6所示電路在輸入電壓為負半週期時的一種工作模態示意圖。
圖11是圖6所示電路在輸入電壓為負半週期時的另一種工作模態示意圖。
圖12是本發明第二示範性實施例之電路結構的示意圖。
圖13是圖12所示電路在輸入電壓為正半週期時的一 種工作模態示意圖。
圖14是圖12所示電路在輸入電壓為負半週期時的一種工作模態示意圖。
圖15是本發明第三示範性實施例之電路結構的示意圖。
圖16是本發明的另一示範性實施例之電路結構的示意圖。
圖17是本發明第一示範性實施例的另一種實現方式電路圖。
圖18是本發明第一示範性實施例的又一種實現方式電路圖。
圖19是本發明第一示範性實施例的再一種實現方式電路圖。
L‧‧‧火線(L線)
N‧‧‧零線(N線)
AC‧‧‧交流
L1、L2‧‧‧電感
A、B、0、ND1、ND2‧‧‧節點
C‧‧‧(輸出)電容
Q1~Q5‧‧‧開關元件
501‧‧‧無橋功率因數校正(PFC)電路

Claims (15)

  1. 一種交直流轉換裝置，包括：一第一開關元件；一輸出電容；以及一無橋功率因數校正電路，其中該無橋功率因數校正線路包括：一橋式電路，包含第二至第五開關元件，其中該第二與該第三開關元件串接以形成一第一串聯支路，該第四與第五開關元件串接以形成一第二串聯支路，且該第一與該第二串聯支路並接；一第一電感，其第一端連接一交流輸入的第一端，而其第二端則連接至介於該第二與該第三開關元件之間的共節點；以及一第二電感，其第一端連接該交流輸入的第二端，而其第二端則連接至介於該第四與該第五開關元件之間的共節點，其中，一第一群組的開關元件包含該第二與該第四開關元件，且由可控開關元件或者二極體來實施，其中，一第二群組的開關元件包含該第三與該第五開關元件，且由可控開關元件或者二極體來實施，其中，該第一與該第二群組的開關元件的至少其中之一由可控開關元件來實施，其中，該第一開關元件的第一端連接介於該第二與該第四開關元件之間的共節點與介於該第三與該第五開關元件之間的共節點的其中之一者，其中，該第一開關元件的第二端連接該輸出電容的第 一端，其中，該輸出電容的第二端連接介於該第二與該第四開關元件之間的共節點與介於該第三與該第五開關元件之間的共節點的其中之另一者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之交直流轉換裝置，其中該第一開關元件、該第一群組的開關元件以及該第二群組的開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體，其中，該第一開關元件為一第一金氧半導體場效應電晶體，該第二開關元件為一第二金氧半導體場效應電晶體，該第三開關元件為一第三金氧半導體場效應電晶體，該第四開關元件為一第四金氧半導體場效應電晶體，而該第五開關元件為一第五金氧半導體場效應電晶體，其中，該第二金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第三金氧半導體場效應電晶體的汲極，該第四金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第五金氧半導體場效應電晶體的汲極，該第二金氧半導體場效應電晶體的汲極連接該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而該第三金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之交直流轉換裝置，其中該第一金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第二與該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而該第一金氧半導體場效應電晶體的汲極則透過該輸出電容而連接至該第三 與該第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之交直流轉換裝置，其中：於該交流輸入的一正半週期，該第二金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第四金氧半導體場效應電晶體作為一主控開關，該第一與該第五金氧半導體場效應電晶體係同步地切換，該第四金氧半導體場效應電晶體的切換與該第一和該第五金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而該第三金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態，於該交流輸入的一負半週期，該第四金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第二金氧半導體場效應電晶體作為該主控開關，該第一與該第三金氧半導體場效應電晶體係同步地切換，該第二金氧半導體場效應電晶體的切換與該第一和該第三金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而該第五金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之交直流轉換裝置，其中該第一金氧半導體場效應電晶體的源極透過該輸出電容而連接該第二與該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而該第一金氧半導體場效應電晶體的汲極則連接至該第三與該第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之交直流轉換裝置，其中：於該交流輸入的一正半週期，該第三金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第五金氧半導體場效應電晶 體作為一主控開關，該第一與該第四金氧半導體場效應電晶體係同步地切換，該第五金氧半導體場效應電晶體的切換與該第一和該第四金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而該第二金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態，於該交流輸入的一負半週期，該第五金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第三金氧半導體場效應電晶體作為該主控開關，該第一與該第二金氧半導體場效應電晶體係同步地切換，該第三金氧半導體場效應電晶體的切換與該第一和該第二金氧半導體場效應電晶體的切換互補，而該第四金氧半導體場效應電晶體保持在截止狀態。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之交直流轉換裝置，其中該第一開關元件與該第一群組的開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體，其中，該第二群組的開關元件由二極體來實施，其中，該第一開關元件為一第一金氧半導體場效應電晶體，該第二開關元件為一第二金氧半導體場效應電晶體，該第三開關元件為一第三二極體，該第四開關元件為一第四金氧半導體場效應電晶體，而該第五開關元件為一第五二極體，其中，該第二金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第三二極體的陰極，該第四金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第五二極體的陰極，該第二金氧半導體場效應電晶體的汲極連接該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極， 而該第三二極體的陽極連接該第五二極體的陽極。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之交直流轉換裝置，其中該第一金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第二與該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而該第一金氧半導體場效應電晶體的汲極則透過該輸出電容而連接至該第三與該第五二極體的陽極。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之交直流轉換裝置，其中：於該交流輸入的一正半週期，該第二金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第四金氧半導體場效應電晶體作為一主控開關，而該第一金氧半導體場效應電晶體的切換與該第四金氧半導體場效應電晶體的切換互補，於該交流輸入的一負半週期，該第四金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第二金氧半導體場效應電晶體作為該主控開關，而該第一金氧半導體場效應電晶體的切換與該第二金氧半導體場效應電晶體的切換互補。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之交直流轉換裝置，其中該第一開關元件與該第二群組的開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體，其中，該第一群組的開關元件由二極體來實施，其中，該第一開關元件為一第一金氧半導體場效應電晶體，該第二開關元件為一第二二極體，該第三開關元件為一第三金氧半導體場效應電晶體，該第四開關元件為一 第四二極體，而該第五開關元件為一第五金氧半導體場效應電晶體，其中，該第二二極體的陽極連接該第三金氧半導體場效應電晶體的汲極，該第四二極體的陽極連接該第五金氧半導體場效應電晶體的汲極，該第二二極體的陰極連接該第四二極體的陰極，而該第三金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之交直流轉換裝置，其中該第一金氧半導體場效應電晶體的汲極連接該第三與該第五金氧半導體場效應電晶體的源極，而該第一金氧半導體場效應電晶體的源極則透過該輸出電容而連接至該第二與該第四二極體的陰極。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之交直流轉換裝置，其中：於該交流輸入的一正半週期，該第三金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第五金氧半導體場效應電晶體作為一主控開關，而該第一金氧半導體場效應電晶體的切換與該第五金氧半導體場效應電晶體的切換互補，於該交流輸入的一負半週期，該第五金氧半導體場效應電晶體保持在導通狀態，該第三金氧半導體場效應電晶體作為該主控開關，而該第一金氧半導體場效應電晶體的切換與該第三金氧半導體場效應電晶體的切換互補。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之交直流轉換裝置，其中該第一開關元件由二極體實施，該第一與該第二群組的 開關元件皆由可控開關元件來實施，且所實施的可控開關元件為金氧半導體場效應電晶體，其中，該第一開關元件為一第一二極體，該第二開關元件為一第二金氧半導體場效應電晶體，該第三開關元件為一第三金氧半導體場效應電晶體，該第四開關元件為一第四金氧半導體場效應電晶體，而該第五開關元件為一第五金氧半導體場效應電晶體，其中，該第二金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第三金氧半導體場效應電晶體的汲極，該第四金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第五金氧半導體場效應電晶體的汲極，該第二金氧半導體場效應電晶體的汲極連接該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而該第三金氧半導體場效應電晶體的源極連接該第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之交直流轉換裝置，其中該第一二極體的陽極連接該第二與該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而該第一二極體的陰極則透過該輸出電容而連接至該第三與該第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之交直流轉換裝置，其中該第一二極體的陽極透過該輸出電容而連接該第二與該第四金氧半導體場效應電晶體的汲極，而該第一二極體的陰極則連接至該第三與該第五金氧半導體場效應電晶體的源極。
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