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TWI466421B - Method of Activation Method of Passive AC and DC Converter and Its Function Correction Circuit - Google Patents

Method of Activation Method of Passive AC and DC Converter and Its Function Correction Circuit Download PDF

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TWI466421B
TWI466421B TW101145614A TW101145614A TWI466421B TW I466421 B TWI466421 B TW I466421B TW 101145614 A TW101145614 A TW 101145614A TW 101145614 A TW101145614 A TW 101145614A TW I466421 B TWI466421 B TW I466421B
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Po Yen Chen
Ta Sheng Hung
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    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
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Description

被動式功因校正交直流轉換裝置及其功因校正電路之作動方法
本發明係與被動式功因校正電路有關，更詳而言之是指一種具有被動式功因校正電路之交直流轉換裝置及被動式功因校正電路之作動方法。
按，交直流轉換裝置係用以將所接收的交流電源轉換成直流電源後輸出。圖1所示者為傳統的交直流轉換裝置，包含有一整流電路10與一輸出電容C，該整流電路10將一交流電源S轉換成一直流電源，該輸出電容C跨接於該整流電路10的輸出端，且該輸出電容C供並聯一負載R。該交直流轉換裝置在作動時，該交流電源S的輸入電壓vin 與輸入電流iin 處於相位不同的情況，導致功率因數低且電流總諧波失真嚴重。此外，只有在該直流電源的電壓高於輸出電容C的電壓時，才會對該輸出電容C進行充電，因此造成該輸出電容C充電時間縮短，導致該整流電路10中二極體的導通時間亦隨之縮短，以及導通電流的峰值隨之增大，造成輸入電流iin 波形失真及功率因數降低。功率因數降低除了浪費能源外，亦增加電力公司之電力供應系充不必要的負擔。基此，具有功因校正電路的交直流轉換裝置便因應而生。
傳統用於交直流轉換裝置的功因校正電路可分為主動式 與被動式兩種。主動式功因校正電路係使用一主動開關元件控制輸入電流，其優點在於功率因數可達到0.99以上、電流諧波失真總量小於10%、輸入電壓範圍廣泛、輸出電壓穩定及且不受輸出功率變動影響。然而，主動式功因校正電路需使用額外的主動開關元件，其缺點在於製作成本高、電磁雜訊大與耐用性低。傳統的被動式功因校正電路係為一電感L，該電感L串聯於交直流轉換裝置之整流電路10的輸入端(圖2參照)，其具有構造簡單耐用、無主動開關元件造成電磁雜訊之優點。由於該電感L需採用體積大的矽鋼片電感，矽鋼片電感的體積隨著輸出功率及額定輸入電壓降低而增加，且功率因數最高約為75%，無法符合現今使用需求。若能提高具有被動式功因校正電路的交直流轉換裝置之功率因數，當可取代成本較高的具有主動式功因校正電路的交直流轉換裝置。此外，為了使該負載R上的輸出電壓之漣波減小，前述之輸出電容C必須採用高容值的電解電容，電解電容容易因長時間受熱而有電解液外漏的情形，導致電路的使用壽命減短。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種被動式功因校正交直流轉換裝置及其功因校正電路之作動方法，可有效提高交直流轉換裝置功率因數，且無需使用電解電容，可有效提高交直流轉換裝置的使用壽命。
緣以達成上述目的，本發明所提供之被動式功因校正交直流轉換裝置，包含有一整流電路以及一功因校正電路。其中，該整流電路具有一輸入埠與一輸出埠，該輸入埠供電性連接一交流電源，該整流電路將該交流電源轉換成一直流電源後自該輸出埠輸出；該功因校正電路包含有一第一電感、一第二電感、一第一電容、一第二電容、一第一二極體與一第二二極體，其中：該第一電感一端電性連接該整流電路之輸出埠的正端，另一端電性連接兩個相互並聯的串聯路徑，其中一串聯路徑包括該第一電容與該第二二極體，該第一電容一端電性連接該第一電感，該第一電容另一端電性連接該第二二極體的陰極，該第二二極體的陽極電性連接該整流電路之輸出埠的接地端；另一串聯路徑包括該第二電感與該第二電容，該第二電感一端電性連接該第一電感，該第二電感另一端電性連接該第二電容之一端，該第二電容之另一端電性連接該整流電路之輸出埠的接地端；該第二電容供並聯一負載；該第一二極體的陽極電性連接於該第一電容與該第二二極體的陰極間，該第一二極體的陰極電性連接於該第二電感與該第二電容間。
其中，該第二電容為非電解電容。
依據上述構思，本發明更提供有該功因校正電路之作動方法，包含有下列步驟： A.接收由該整流電路所輸出的直流電源；B.導通該第二二極體，由該第一電容與該直流電源輸出能量至該負載，直到該第二二極體截止；C.由該直流電源輸出能量至該負載，直到該第一二極體導通；D.由該直流電源對該第一電容充電，並輸出能量至該負載，直到該第一二極體截止；以及E.由該直流電源輸出能量至該負載，直到該第二二極體導通；以及F.重覆步驟B至步驟F，直到輸入該整流電路的交流電源停止供應。
藉此，透過該被動式功因校正交直流轉換裝置及其功因校正電路之作動方法，可以增加該整流電路中二極體的導通時間以控制該交流電源的輸入電流，有效提高功率因數。
為能更清楚地說明本發明，茲舉下列實施例並配合圖示詳細說明如后。
圖3所示為本發明一較佳實施例之被動式功因校正交直流轉換裝置，包含有一整流電路20與一功因校正電路30，其中：在本實施例的整流電路20為一全波橋式整流器，該整流 電路20具有一輸入埠202與一輸出埠204，該輸入埠202電性連接一交流電源S，該交流電源S提供一輸入電壓vin 與輸入電流iin 至該整流電路20，本實施例中該交流電源S為電力公司提供的市電，但不以此為限，亦可將市電經由變壓器降壓或昇壓後電性連接至該輸入埠202。該交流電源S經該整流電路20整流後，由該輸出埠輸出二倍頻率之一直流電源。
該功因校正電路30包含有一第一電感L1、一第二電感L2、一第一電容C1、一第二電容C2、一第一二極體D1與一第二二極體D2，其中：該第一電感L1一端電性連接該整流電路2輸出埠204的正端，另一端電性連接兩個相互並聯的串聯路徑，其中一串聯路徑包括該第一電容C1與該第二二極體D2，本實施例的第一電容C1為極性電容，其正極電性連接該第一電感L1，其負極電性連接該第二二極體D2的陰極，該第二二極體D2的陽極電性連接該整流電路20輸出埠204的接地端；另一串聯路徑包括該第二電感L2與該第二電容C2，該第二電感L2一端電性連接該第一電感L1，該第二電感L2另一端電性連接該第二電容C2之一端，該第二電容C2之另一端電性連接該整流電路20輸出埠204的接地端。該第一二極體D1跨接於兩個串聯路徑之間，該第一二極體D1的陽極電性連接於該第一電容C1的負極與該第二二極體D2的陰極間，該第一二極體D1的陰極電性連接該第二電感L2與該第二電容C2間。該第二電 容C2的兩端並聯一負載R。在實務上，該第一電容C1亦可採用無極性的電容。
在上述之電路架構下，該功因校正電路30之作動方法如下所述：在該交流電源S的每一半週期中(即該直流電源的每一週期)，該功因校正電路30接收由該整流電路20所輸出的直流電源，並依序產生四個不同的狀態，茲定義為一第一狀態、一第二狀態、一第三狀態與一第四狀態。其中：當該第一電容C1的電壓大於該第一電感L1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和時，該第二二極體D2導通，產生一導通電流iD2 ，該功因校正電路30為該第一狀態，其等效電路如圖4所示。此時該第一電容C1對該第二電容C2及該第二電感L2釋放能量，同時該直流電源經過該第一電感L1對該第二電感L2及該第二電容C2充電並輸出能量至該負載R，產生一輸出電壓Vo ，直到該第二二極體D2截止時(即該第一電容C1的電壓小於該第一電感L1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和)該第一狀態結束。在該第一狀態中，該第一電感L1與該第一電容C1構成諧振電路，用以降低該交流電源S的輸入電流iin 之諧波成分。
當該第一電容C1的電壓小於該第一電感L1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和時，該第二二極體D2截止，該功因校正電路30為該第二狀態，其等效電路如圖5所示。此時該 直流電源經過該第一電感L1對該第二電感L2及該第二電容C2充電並輸出能量至該負載R，直到該第一二極體D1導通時(即該直流電源的電壓大於該第一電感L1的電壓、該第一電容C1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和)該第二狀態結束。
當該直流電源的電壓大於該第一電感L1的電壓、該第一電容C1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和時，該第一二極體D1導通，產生一導通電流iD1 ，該功因校正電路30為該第三狀態，其等效電路如圖6所示。此時該直流電源經過該第一電感L1對該第一電容C1、該第二電感L2及該第二電容C2充電並輸出能量至該負載R，直到該第一二極體D1截止時(即該直流電源的電壓小於該第一電感L1的電壓、該第一電容C1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和)該第三狀態結束。
當該直流電源的電壓小於該第一電感L1的電壓、該第一電容C1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和時，該第一二極體D1截止，該功因校正電路30為該第四狀態，其等效電路如圖7所示。此時該直流電源經過該第一電感L1對該第二電感L2及該第二電容C2充電並輸出能量至該負載R，直到該第二二極體D2導通時(即該第一電感L1的電壓與該第二電容C2的電壓之總和小於該第一電容C1的電壓)該第四狀態結束，該功因校正電路30即進入該交流電源S下一半週期重覆第一狀態至第四狀態，直到輸入該整流電路20的交流電 源S停止供應。
圖8所示者為前述之被動式功因校正交直流轉換裝置之輸入電壓vin 、輸入電流iin 、輸出電壓Vo 、第一二極體D1的導通電流iD1 以及第二二極體D2的導通電流iD2 之波形。其中，該負載R係以100ohm之電阻為例，該第一電感L1為55mH，該第二電感L2為550mH，該第一電容C1為10uF，該第二電容C2為10uF，該交流電源S的輸入電壓vin 為110Vrms之正弦波。由圖8中可得知該輸入電流iin 已校正為趨近正弦波之波形，該被動式功因校正交直流轉換裝置的功率因數為0.959，相較於傳統的被動式功因校正電路可有效提高功率因數。此外，該第一電感L1與該第一電容C1構成的諧振電路亦可有效降低該交流電源S的輸入電流iin 之諧波成分。
在上述中，該第一電感L1與該第一電容C1構成諧振電路，可增加該整流電路20中二極體的導通時間以控制該交流電源S的輸入電流iin 。該第一電容C1與該第一二極體D1、該第二二極體D2、該第二電感L2及該第二電容C2構成的共振電路，可達到降低輸出至該負載R之輸出電壓Vo 的漣波及增加該交流電源S的功率因數之效果。較佳地，該第二電感L2之電感值為大於或等於該第一電感L1之電感值的十倍，可有效地控制充放電的時間，以調整該第一狀態、該第二狀態、該第三狀態與該第四狀態所持續的時間。此外，該第二電感L2兼具有儲能及濾波之功效，可提供能量到該負載R並抑制 該負載R之電流的漣波，藉此，該第二電容C2即可採用非電解電容(如陶瓷電容或鉭質電容)取代傳統的電解電容，藉此，可有效延長電路的使用壽命。
以上所述僅為本發明較佳可行之實施例而已，並非本發明之所有可實施態樣。舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構及方法之變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧整流電路
C‧‧‧輸出電容
L‧‧‧電感
20‧‧‧整流電路
202‧‧‧輸入埠
204‧‧‧輸出埠
30‧‧‧功因校正電路
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
iD1 ‧‧‧導通電流
iD2 ‧‧‧導通電流
L1‧‧‧第一電感
L2‧‧‧第二電感
Vo ‧‧‧輸出電壓
R‧‧‧負載
S‧‧‧交流電源
vin ‧‧‧輸入電壓
iin ‧‧‧輸入電流
圖1為傳統的交直流轉換裝置電路圖；圖2為傳統的具有被動式功因較正電路的交直流轉換裝置；圖3為本發明較佳實施例被動式功因校正交直流轉換裝置；圖4為本發明較佳實施例於第一狀態時的等效電路；圖5為本發明較佳實施例於第二狀態時的等效電路；圖6為本發明較佳實施例於第三狀態時的等效電路；圖7為本發明較佳實施例於第四狀態時的等效電路；以及圖8為本發明較佳實施例被動式功因校正交直流轉換裝置之波形圖。
20‧‧‧整流電路
202‧‧‧輸入埠
204‧‧‧輸出埠
30‧‧‧功因校正電路
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
L1‧‧‧第一電感
L2‧‧‧第二電感
R‧‧‧負載
S‧‧‧交流電源
vin ‧‧‧輸入電壓
iin ‧‧‧輸入電流

Claims (8)

  1. 一種被動式功因校正交直流轉換裝置，包含有：一整流電路，具有一輸入埠與一輸出埠，該輸入埠供電性連接一交流電源，該整流電路將該交流電源轉換成一直流電源後自該輸出埠輸出；以及一功因校正電路，包含有一第一電感、一第二電感、一第一電容、一第二電容、一第一二極體與一第二二極體，其中：該第一電感一端電性連接該整流電路之輸出埠的正端，另一端電性連接兩個相互並聯的串聯路徑，其中一串聯路徑包括該第一電容與該第二二極體，該第一電容一端電性連接該第一電感，該第一電容另一端直接電性連接該第二二極體的陰極，該第二二極體的陽極電性連接該整流電路之輸出埠的接地端；另一串聯路徑包括該第二電感與該第二電容，該第二電感一端電性連接該第一電感，該第二電感另一端電性連接該第二電容之一端，該第二電容之另一端電性連接該整流電路之輸出埠的接地端；該第二電容供並聯一負載；該第一二極體的陽極直接電性連接於該第一電容與該第二二極體的陰極間，該第一二極體的陰極電性連接於該第二電感與該第二電容間。
  2. 如請求項1所述之被動式功因校正交直流轉換裝置，其中該第二電感之電感值為大於或等於該第一電感之電感值的十倍。
  3. 如請求項1所述之被動式功因校正交直流轉換裝置，其中該第二電容為非電解電容。
  4. 一種如請求項1所述功因校正電路之作動方法，包含有下列步驟：A.接收由該整流電路所輸出的直流電源；B.導通該第二二極體，由該第一電容與該直流電源輸出能量至該負載，直到該第二二極體截止；C.由該直流電源輸出能量至該負載，直到該第一二極體導通；D.由該直流電源對該第一電容充電，並輸出能量至該負載，直到該第一二極體截止；E.由該直流電源輸出能量至該負載，直到該第二二極體導通；以及F.重覆步驟B至步驟E，直到輸入該整流電路的交流電源停止供應。
  5. 如請求項4所述功因校正電路之作動方法，其中步驟B中係於該第一電容的電壓大於該第一電感的電壓與該第二電容的電壓之總和時，導通該第二二極體，直到該第一電容的電壓小於該第一電感的電壓與該第二電容的電壓之總和時，該第二二極體截止。
  6. 如請求項4所述功因校正電路之作動方法，其中步驟C中係於該直流電源的電壓大於該第一電感的電壓、該第一電容的電壓與該第二電容的電壓之總和時，該第一二極體導通。
  7. 如請求項4所述功因校正電路之作動方法，其中步驟D 中係於該直流電源的電壓小於該第一電感的電壓、該第一電容的電壓與該第二電容的電壓之總和時，該第一二極體截止。
  8. 如請求項4所述功因校正電路之作動方法，其中步驟E中係於該第一電容的電壓大於該第一電感的電壓與該第二電容的電壓之總和時，該第二二極體導通。
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