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TW214021B - - Google Patents

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TW214021B TW081104771A TW81104771A TW214021B TW 214021 B TW214021 B TW 214021B TW 081104771 A TW081104771 A TW 081104771A TW 81104771 A TW81104771 A TW 81104771A TW 214021 B TW214021 B TW 214021B
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Description

A6 B6 214021 五、發明説明（i ) 發^明領域 本發明係相關於開關功率換流機，特別是，開關功率 換流機其具有一個輸入整流器，連接到能量源的一個A C 線’並且配®成可限制在AC输入諧波的產生。 發明背暑 離線一個AC電源線之開關功率換流器，通常被設計 成爲離線開關器（OLS)。此換流器整流線之AC電壓 ’並且將其儲存在一個電壓儲存電容上當成一個單極電壓 。儲存在電壓儲存電容上之此單極電壓，被施加至隨後的 功率開關電路，使用於DC對DC之功率處理。 一個0 L S的輸入阻抗特性，大部份依它的輸入整流 器和電壓儲存電容所定義。電壓儲存電容的電壓保持和電 流收集（sink)特性結合，使得整流器的線電流傳導時間 成爲高尖峰且持續時間較短，其短於輸入A C電壓波形的 半週期持續時間。因爲電流波形由所期望正弦波形所變形 ，實際電流波形在輸入電流中導出一個高諧波內容。這些 諧波信號返回到輸入線，並且對於供給網路引起EM I問 題。在輸入的功率因素大幅地降低，因爲眞寅功率只從輸 入電流的波形部份抽取出來，其與所施加的電壓波形同相 位。 濾波器經常使用於功率換流器的輸入，以阻塞加到A C線的諧波。正常地諧調濾波器，以消除第三和第五諧波 。然而產生許多其它諧波，因此被動濾波器受限於完成很 (請先閲讀背面之注意事頊再填寫本頁) •裝· ‘1T. 經濟部中爽標箏局3工消費合作社印5我 本纸張又度適用中國國家標準（CNS)甲4蜆格（210 X2S7公釐） -3 - 82. 5. 20,000
經濟部中央S準局Μ工消費合作.社印*|衣 314081 五、發明説明（2 ) 髙功率因素。升壓換流機亦使用當成一個主動濾波器輸入 級，以減低在AC输入線上的諧波，假如需改進效能者。 調變升壓起動換流機開關，使得線電流波形主要維持在所 施加的AC輸入電壓的基本頻率。一個功率換流級通常跟 隨著升壓換流機，並且需提供線隔離和D C輸出信號的調 整。因此，經常需二個串聯換流機，以完成在输入的低諧 波，並在AC输入和DC输出之間完成輸入输出隔離。 一個離AC功率線之特別功率換流機，以完成高功率 因素並提供在輸入與輸出間之隔離，其揭露於美國專利 5 1 2 1 5 1 8 5名稱爲 '使用SEPIC換流機之單換 流功率因素校正# 。此換流機完成高功率因素，因此它的 能量儲存電感器的電流電慣特性，在換流機功率開關上產 生大的電壓應力。 發明概沭 一個功率換流機（〇L S )可操作來減低在它的AC 線輸入的諧波，藉由利用控制它的功率開關，使得在一個 開關電感器中一個電流波形，實質地維持在相同於輸入 A C電壓波形的一個整流部份的波形。在本發明的一個較 佳實施例中，利用電感器的開開引導電壓尖峰（spike) 進入一個功率線路電路，其包括利用電路壓制功率變壓器 的漏洩電感，此電路暫時地吸收此起始電壓尖峰，並且然 後將這能量送到功率換流器的輸出負載。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) .裝. 訂. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) 規烙（2丨0 X 297公釐） 82. 5. 20,000 214021
五、發明説明（3 ) 圇式的簡短說B巧 圖1係實施本發明原理之一個〇 L S的功率線路之示 〇D · ~rr 思圚，及 圖2係圖1之〇LS的示意圖，包括控制電路控制電 路的操作。 圖3和4係使用於圚2和3功率電路之功率輸入電路 的另一種配S。 詳細說明 經濟部中央標準局员工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨裝- 根據本發明之原理在圇1中揭露，一個功率換流機（ OLS )的功率線路示意圖，其離線於一個AC線電壓源 ，且具有功率因素校正能力。輸入端1 〇 1和1 〇 2連接 到一個A C功率線，例如利用一個商用能量器具所提供。 端1 0 1和1 0 2連接到一個全波整流器1 〇 3，其包含 整流二極體1 04、1 05、1 06和1 07。全波整流 器1 0 8和1 0 9的輸出導線，連接到一個高通濾波器電 容1 1 0的相對端。選擇高通濾波器電容1 1 〇，以對高 頻信號表現出一個低阻抗，由於換流機功率開關的切換， 並且出現一個高阻抗對於在A C功率線頻率之信號。 高通濾波器電容1 1 0 ，利用一個導向二極體1 1 1 連接到一個功率開關電路，其包括FET功率開關115 和1 1 7，並且連接到一個電壓變換收集電容器1 1 2， 亀容1 1 2有足夠電荷接收能力，以收集預測變換尖峰能 量，由於換流機功率開關動作。此尖峰能量感應利用換流 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)規恪（210 X 297公釐） -5 - 82. 5. 20,000 經濟部中央標準局員工消费合作社印" 214021 A6 B6 五、發明説明（4 ) 機的分散電路迴路電感，並利用功率鑠壓器漏洩電感。 二極體111和電容器112共同於一個電路節點 1 1 3，其連接到FET開關1 1 5的一個電路節點 1 1 4和功率變壓器1 2 0的第一初級捲組1 1 8。導線 1 0 9當成一個接地，從功率變壓器1 2 0的一個第二初 級捲組1 1 9返回。 一個能量儲存電感器1 3 0，連接在電路節點1 3 1 和1 3 2之間。FET開關1 1 5和DC阻塞氰容1 3 3 共同於電路節點131，耦合節點131到第1初級捲組 1 1 8。FET開關1 1 7和DC阻塞電容1 3 4共同於 電路節點1 3 2，耦合節點1 3 2到第二初級捲組1 1 9 Ο 變壓器1 2 0的次級捲組1 2 1經由二極體1 3 5被 耦合到一個電容1 3 6，此電容提供能置儲存以平穩輸出 端1 4 1和1 4 2所供給的輸出電壓。 在操作時利用全波整流器1 0 3整流在端1 0 1和 1 0 2之輸入AC電壓。這整流電壓是一單極性半週期正 弦波形電壓，並且被加在電容110上。橫跨於電容 1 1 0之電壓波形是一個半正弦波形，具有半週期波形實 質地相同於輸入電壓波形的半週期波形。 在電容1 1 0上之電壓藉由一個二極體1 1 1被耦合 到FET功率開關1 1 5和1 1 7 ，其同時開和關以週期 性地連接一個能量儲存電感器1 3 0 ，串聯連接二個開關 1 1 5和1 1 7，到此電壓儲存電容器1 1 〇。一個電壓 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝， *1T_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉肀4規格（210 X 297公釐） 82. 5. 20,000 經濟部中央標準局8工消费合作社印製 2140¾1 B6 五、發明説明（5 ) 暫態收集電容器1 1 2，並聯於二個開關1 1 5和1 1 7 與電感器1 3 0的串聯連接，並且如下說明可操作來減低 在開關1 1 5和1 1 7的開關應力。 FET開關1 1 5和1 1 7二者同時地開和關，其頻 率（1 0 0 KHz )實質地高於AC線電源電壓的頻率（ 6 OHz )。當二個開關導通，電容器1 1 〇的電壓施加 到《感器1 3 0，且竃能儲存於其中。充電之電流流經電 感器1 3 0，產生一個電壓降使節點1 3 1相對於節點 1 3 2是正的。在後績二個開關1 1 5和1 1 7之不導通 期間，儲存在電感器1 3 0中的電能，被施加到功率變壓 器1 2 0的二個初級捲組1 1 8和1 1 9。節點1 3 1經 由DC阻塞電容器1 3 3耦合到初級捲組1 1 8，且節點 1 3 2經由d c阻塞電容器1 3 4耦合至初級捲組1 1 9 。由於電感器1 3 0的電流慣性特性，在節點1 3 1的電 壓現在相對於節點1 3 2是負的。因此，在捲組1 1 8和 1 1 9中的電流被導向，使得在每個捲組1 1 8和1 1 9 的極性點之電壓是正的。次級捲組121的電壓在它的極 性點亦是正的，因此這電壓向前偏壓二極體1 3 5，且捲 組1 2 1的電壓被施加至輸出端1 4 1和1 4 2。 變壓器1 2 0包括一個實質量的漏洩電感，並且當電 感器1 3 0連接到捲組1 1 8和1 1 9以傳送能量時，此 漏洩電感的電流憤性特性避免電流從電感器1 3 0立即流 到捲組1 1 8和1 1 9。一般此漏洩電感慣性特性將引起 大的®壓尖峰，在開到關變傳輸時1择發生於二個FET功 本紙張又度適用中國國家標準（CNS>甲4規格（210 X 297公發） 82. 5. 20,000 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨裝- ，-°· 2140St A6 B6 五、發明説明（6 ) (請先閲讀背面之注意事磺再填寫本頁) 率開關1 1 5和1 1 7。此《壓應力發生在一個很高頻率 速率’則需使用昂貴高電壓功率開關。 二個電路路徑，每個包括一個導向二極體（分別爲二 極Hi 4 4和1 4 5 )，用於耦合產生電壓尖峰之這些漏 拽> 驾:感’到變暫態電壓收集髦容器1 1 2。包括二極體 1 4 4之第一路徑連接此節點1 3 2到節點1 1 4。第二 路徑的二極體1 4 5連接節點1 1 6到節點1 3 1。節點 -裝_ 1 1 6依序地連接到導線i 〇 9，其連接到收集電容器 1 1 2的接地極。當此二FET開關1 1 5和1 1 7被偏 壓成爲一個非導通狀態，電感器立即地相反它的電壓極性 ’它企圚維持它的電流流動。節點1 3 2在此瞬間相對於 節點1 3 1是正的。由於變壓器1 2 0的初級捲組的漏洩 電感，電感器1 3 0的電流不能立即流入包括初級捲組 1 1 8和1 1 9之路徑。利用節點1 3 2的正電壓向前偏 壓二極體1 4 4。在節點1 3 2之電感器1 3 0的正電流 輸出，藉由二極體1 4 4被傳輸到暫態電壓收集電容器 1 1 2。節點1 3 1的電壓現在相對於節點1 1 6的接地 垤濟部中央楝準局8工消費合作钍印製 電壓是負的，藉以向前偏壓二極體1 4 5，因此一個電流 可從節點116流到節點131。於是，經由二極體 1 4 4和1 4 5吸收電感器1 3 0的立即慣性電流輸出， 此二極體1 4 4和1 4 5被施加到暫態電壓收集電容器 1 1 2。因此，横跨於FET開關1 1 5和1 1 7的電壓 應力大幅地降低。此電流流動是瞬時持續的，直到電流開 始流經初級捲組1 1 8和1 1 9 ，一旦漏洩電感的起始阻 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 8 82. 5. 20,000 S140S1 A6 B6 五、發明説明（7 ) (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 塞效應消散。 丨裝 在圖2中指出功率換流器的示意圖包括調整和控制電 路。AC線功率施加到輸入端2 0 1和2 0 2，利用全波 整流器2 0 3整流。整流後電壓被傭存在電壓傭存電容器 2 1 0上，並且藉由導通FET功率開關2 1 5和 2 1 7被耦合到能量儲存電感器2 3 0，如前面圖1電路 所述。儲存在能量儲存電感器2 3 0中的能量，被傳送到 變壓器2 2 0的第一和第二初級捲組2 1 8和2 1 9，而 FET功率開關215和217是不導通。從次級捲組 2 2 1所導出之輸出功率藉由輸出端2 4 1和2 4 2被耦 合到一個負載。 經濟部中央挖準局員工消費合作社印*'《 迴饋電路監督此輸出電壓，且功率因素控制電路監督 全波整流器2 0 3的單極性電壓輸出之電壓和電流波形。 監督儲存在電壓儲存電容器210上的電壓波形，經由一 個感測導線2 5 1其被連接到整流器2 0 3的輸出。連接 二個感測導線2 5 8和2 5 9以感測一個電壓，由於在電 阻2 6 2在返回導線之電流流動連接到全波整流器2 0 3 。這些感測導線全部連接到一個功率因素控制電路2 5 5 ，其響應於上述感測信號，及從換流機提供的一個錯誤信 號，以產生使用於功率開關之一個脈衝寬調樊驅動信號， 利用控制在電感器2 3 0的電流波形，在輸入使功率因素 最佳化，附帶地調整此輸出電壓。一個合適的功率因素控 制器2 5 5，是商用地可用稹體電路，例如優您（unitr-ode)公司的 UC 1 8 5 4 〇 82. 5. 20,000 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 經濟部中央標準局員工消费合作社印*'衣 21402* B6 五、發明説明（8 ) 經由感測導線2 6 1和2 6 2，來感測功率換流機的 输出電壓。此感測输出電壓連接到第二控制《路2 6 3。 在這裡，比較一個參考電壓和一個誤差電壓，則產生比例 於從一個所期望調整値之輸出電壓的偏差。這誤差電壓經 由導線2 6 6被耦合到初級至次級隔離器2 6 7，並耦合 它到功率因素控制電路2 5 5。隔離器·2 6 7可包含一個 單變壓器、一個光隔離器，或其它合適的等效裝置。 功率因索控制器2 5 5，乘上從输入線電壓所導出在 導線2 5 1上之感測後整流器輸入電壓，和從輸出電壓所 導出誤差電壓，並且將其與經電阻2 6 2跨於線電流的導 線2 5 8和2 5 9之電壓比較。功率因素控制器的結果輸 出是一個調變驅動脈衝的形式，其頻率大於AC線頻率。 這驅動脈衝，決定二個FET功率開關215和217的 開關頻率和工作週期。 由功率因素控制電路2 5 5所提供的調變脈衝，經由 導線2 7 1 ，被施加到一個驅動電路2 7 2。此驅動電路 2 7 2的輸出是一個雙極調變驅動脈衝，它的脈衡持績時 間響應於功率因素控制電路2 5 2被調變。它連接到驅動 變壓器2 7 5的初級捲組2 7 3。變壓器2 7 5包括二個 次級捲組2 7 6和2 7 7，各連接到一個偏壓亀路其被耦 合以驅動此FET開關裝置2 1 5和2 7 1的其中之一。 對於FET開關215和217的偏壓電路是相同的 ，因此只討論使用於開關215的偏壓電路，利用全波整 流器2 7 8整流次級捲組2 7 6的雙極脈衝输出，產生具 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) —裝· '-°. 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)甲4規烙（210 X 297公;^ ) 10 - 82. 5. 20,000 經濟部中央楞準局3工消费合作社印*-'狀 21402^ 五、發明説明（9 ) 有一個脈衝電壓之單極顆動脈衝，使得節點2 9 1相對於 節點2 9 2是正的。此整流後脈衝信號，經由二極體 2 7 9和電阻2 8 0，被耦合到節點2 9 3，此節點是與 FET開關2 1 5的閘極，和電晶體2 8 3的射極與電晶 體2 8 4的集極共通的。只要節點2 9 1相對於節點 2 9 2是正的，二個電晶體2 8 3、2 8 4被偏壓成非導 通。在脈衝的末端，當FET開關是關，則節點2 9 1電 壓相對於節點2 9 2電壓會下降，並且電晶體2 8 3和 2 8 4被偏壓成導通的。導通的電晶體2 8 3和2 8 4汲 取FET2 1 5的閘電容性之電壓，强迫它關閉。 圖3和4指出，換流機的輸入電路之不同修改，在圖 3的變化中，髙通濾波器電容器3 1 0被連接橫於輸入導 線3 0 1和3 0 2。不需增加二極體以分離電容器3 1 0 和3 1 2。在另一個變化中，一個RC電路包含串聯連接 的電阻4 9 1和電容器4 9 2，其被連接橫跨於能量儲存 電感器4 3 0。這特殊變化，允許刪除如圖1所示變換收 集電容器1 1 2和兩個二極體1 4 4和1 4 5。 當在此揭露本發明的特定說明實施例，熟悉該行業之 專業人士也許有許多變化，其均不脫離本發明的精神和範 圍0 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 丨裝_
*1T 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 11 82. 5. 20,000

Claims (1)

  1. 214021 A7 B7 C7 D7 經濟邾中央標準局8工消費合作社印^ 六、申請專利範圍 1 _ 一種功率換流機，可由一九C線電壓源所激勵， 其包括： 裝置用於接收AC線電壓，並供給由AC線電懕所導 出的單極性電壓； 一電壓儲存電容器； —電壓暫態收集電容器： —輸出電路，用於耦合能量至一負載，並包括一變壓 器具有第一及第二初級捲組，各含有一感應阻抗作爲其能 量接收輸入； —能量儲存電感器； 第一及第二功率開關，被連接至電感的相對端，且各 分別與第一及第二初級捲組實質地並聯，當一導通的模態 下可操作來完成一連績的電流路徑，其包括電壓儲存電容 器及能量儲存電感器 第一及第二功率開關，在一非導通的模態下可操作來 連接能旺儲存電感器至電壓暫態收集電容器。 2. 如申請專利範圍第1項之功率換流機，其中電壓 暫態收集電容器是藉由一絕綠二極體而與電壓儲存電容器 絕緣。 3. 如申請專利範圍第1項之功率換流機，進一步包 括開關控制電路，用於控制連接以致能功率換流機之另一 模式的操作。 4. 如申請專利範圍第1項之功率換流機，包括開關 驅動電路其被週期地操作以交替地偏壓；第一及第二功率 (請先閱讀背面之注意事項再堉寫本頁) 丨裝. 本紙張尺度適用中國國家標芈（CNS)甲!規格（210乂 297公釐） 12 21403^ 六、申請專利範園 開關，其導通以連接單極性電壓至能量儲存亀感器，以致 使能量施加至電感器，而使能量儲存電感器與输出電路分 離，接著偏壓第一及第二功率開關成非導通以交替地連接 能量儲存電感器至输出電路的變壓器。 5.如申請專利範圍第4項之功率換流機，包括裝置 用於監測該單極性電壓：及脈衝產生裝置藉由產生脈衝調 變信號具有超過A) C線電壓之頻率以響應該監測裝置，用 於控制開關驅動電路以控制能量儲存電感器中的電流波形 ------------,--.---ί------裝------訂 * (請先閱讀背面之注意事項再項寫本頁) 經濟部中央標準局8工消費合作社印製 祕 9 2
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