專利名稱：具能量回收的零電流切換功因校正器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具能量回收的零電流切換功因校正器，尤指一種可回收轉(zhuǎn)態(tài)時所產(chǎn)生逆向能量，經(jīng)儲能、放電等步驟予以再利用的零電流切換功因校正器。
背景技術(shù)：
目前既有的交換式電源轉(zhuǎn)換器大致包括有一功因校正器、一受前述功因校正器的升壓轉(zhuǎn)換電路、一連接受控于功因校正器的順向式輸出電路及一具備獨立波寬調(diào)變功能的輔助電源電路。其中該功因校正控制器用以控制前述的升壓轉(zhuǎn)換電路及順向式輸出電路，配合輸出電路以穩(wěn)定電源輸出。
傳統(tǒng)的功因校正器通過其開關(guān)的切換來將能量由輸入端轉(zhuǎn)換至輸出端，而在理想上的開關(guān)切換瞬間其跨于開關(guān)兩側(cè)的電壓為零(ZVS)或流經(jīng)開關(guān)兩側(cè)的電流為零(零電流切換)，以達(dá)到無切換損并降低電磁干擾問題。傳統(tǒng)的零電流切換轉(zhuǎn)換器雖能將開關(guān)切換損降至最低，但還是存在能量損耗的問題。
如同一申請獲準(zhǔn)的臺灣公告第二七九五一四號“功率調(diào)整器的零電流切換電路”新型專利案，其創(chuàng)作背景對于傳統(tǒng)功率調(diào)整器(功因校正器)提出檢討，所揭示的一種交換式電源供應(yīng)器，其優(yōu)點在于使用元件數(shù)量少，生產(chǎn)成本較低，然而其改善效率約只在85％左右，且因二極管(73)的恢復(fù)電流相當(dāng)大，將提高切換損失，所造成的電磁干擾(EMI)亦十分可觀，又因其切換時有尖銳的逆向恢復(fù)電流通過動態(tài)元件，容易破壞元件，故其元件的可靠性最差。
其還提供另種交換式電源供應(yīng)器，其以若干串接的蕭基二極管(74)(Shockley Diode)及電阻、電容取代前述的二極管(73)，此一構(gòu)造仍具有前一電路利用元件較少的優(yōu)點，除此之外，因蕭基二極管(74)的逆向恢復(fù)電流較小，故其可能引起的電磁干擾亦小，但其效率依然較低，僅約87％，又因多個二極管串接使順向壓降提高，造成切換損失大，其耐壓不容易平衡，而易造成損壞，故其元件可靠性差，制造成本高。至于其零電壓切換式電源供應(yīng)器，效率可達(dá)92％，且因其逆向恢復(fù)電流經(jīng)由零電壓切換電路回收，故電磁干擾較小，然其零電壓切換電路將產(chǎn)生較大于輸入電流的尖銳切換動作，故無法將電磁干擾減至最低，除此，此種零電壓切換式電源供應(yīng)器所使用的零件數(shù)最多，且因控制復(fù)雜，亦有尖銳電流經(jīng)過主動元件，故元件的可靠性較差。
由上述可知，有關(guān)交換式電源供應(yīng)器在效率改善方面，已有不少研究在討論此問題，而前述專利案進(jìn)一步提出的解決方案，是利用耗能方式消除逆向恢復(fù)電流以改善電力功率因素及提高用電效率，具體作法是于切換電路上設(shè)一由電容、電感、飽和電感及電阻等組成的耗能回路，用以吸收消耗觸發(fā)時產(chǎn)生的逆向恢復(fù)電流，進(jìn)而避免電磁干擾及尖銳電流通過動態(tài)元件。
前述專利案盡管大幅提升了功因校正器的工作效率，并解決了逆向恢復(fù)電流所造成的電磁干擾及其對于動態(tài)元件造成的損害，但所謂的逆向恢復(fù)電流事實上亦是一種能量，如能回收予以再利用，將有助于功因校正器工作效率的進(jìn)一步提升。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的主要目的在于提供一種可進(jìn)一步將欲消耗的能量回收予以再利用的零電流切換功因校正器，使其具有能源回收功能，以進(jìn)一步改善其效率及減少能量損耗。
為達(dá)成前述目的，本發(fā)明采取的主要技術(shù)手段是令前述功因校正器于一橋式整流器與一電源輸出端間分設(shè)有一濾波電容、一儲能電感及一能量轉(zhuǎn)換電路；又有一功因校正控制器的輸出端通過一金氧半場效晶體管連接于儲能電感與能量轉(zhuǎn)換電路之間；其中該能量轉(zhuǎn)換電路以一飽和電抗、一功率二極管串接于前述儲能電感與電源輸出端間，又以一電感、一儲能電容及數(shù)個二極管與前述飽和電抗、功率二極管及金氧半場效晶體管連接，以構(gòu)成數(shù)個電流回路，而在不同時間工作以便回收觸發(fā)時產(chǎn)生的逆向恢復(fù)電流，再經(jīng)儲能、放電等步驟使其送至電源輸出端予以再利用，由此以有效提升功因校正器的工作效率。
前述能量轉(zhuǎn)換電路包括有一飽和電抗，與一功率二極管串接于前述儲能電感與電源輸出端間；一能量回收電容，通過一電感、一二極管在飽和電抗與功率二極管之間構(gòu)成回路；該二極管并通過又一二極管連接至電源輸出端；一消耗電阻，其一端連接前述電感，并通過一電容與前述飽和電抗、電感構(gòu)成回路；該電容又經(jīng)由一二極管連接至電源輸出端；一終端儲能電容，連接于電源輸出端與接地之間。
前述功因校正控制器由一脈波寬度調(diào)變電路構(gòu)成。


圖1為本發(fā)明的電路圖；圖2為本發(fā)明在不同時序下的工作波形圖；圖3為本發(fā)明在不同時序下的電路特性示意圖；圖4為本發(fā)明飽和電抗在不同時序下的理論磁滯曲線圖；圖5為本發(fā)明功率二極管在不同時序下的電流波形圖；圖6為本發(fā)明輸入電壓電流波形圖；圖7為本發(fā)明金氧半場效晶體管的零電壓切換波形圖；圖8為本發(fā)明飽和電抗的電壓電流波形圖；
圖9為本發(fā)明金氧半場效晶體管Vds對電感L3、電容C3的電流波形圖；圖10為本發(fā)明金氧半場效晶體管Vds對功率二極管D1、二極管D4的電流波形圖；圖11為本發(fā)明金氧半場效晶體管Vds對功率二極管D1、電容C2的電流波形圖；圖12為本發(fā)明的整體效率曲線比較圖；圖13為本發(fā)明一可行實施例的交換式電源供應(yīng)器電路圖。
附件一本發(fā)明的主要電路元件規(guī)格表；附件二傳統(tǒng)切換方式與零電流切換方式與使用蕭特基二極管切換方式的實測整體效率比較表。
圖中符號說明10橋式整流器20能量轉(zhuǎn)換電路30功因校正控制器具體實施方式
有關(guān)本發(fā)明一較佳實施例的具體電路構(gòu)造，請參閱圖1所示，其令一功因校正器于一橋式整流器10與一電源輸出端Vout間分設(shè)有一濾波電容C1、一儲能電感L1及一能量轉(zhuǎn)換電路20；又以一功因校正控制器30的輸出端通過一金氧半場效晶體管Q1連接于儲能電感L1與能量轉(zhuǎn)換電路20之間；其中該功因校正控制器30由一脈波寬度調(diào)變電路構(gòu)成。又，能量轉(zhuǎn)換電路20包括一飽和電抗L2，與一功率二極管D1串接于前述儲能電感L1與電源輸出端Vout間；一能量回收電容C2，通過一電感L3、一二極管D2在飽和電抗L2與功率二極管D1之間構(gòu)成回路；該二極管D2并通過又一二極管D3連接至電源輸出端Vout；一消耗電阻R1，其一端連接前述電感L3，并通過一電容C3與前述飽和電抗L2、電感L3構(gòu)成回路；該電容C3又經(jīng)由一二極管D4連接至電源輸出端Vout；一終端儲能電容C4，連接于電源輸出端Vout與接地之間。
又如圖2所示，為本發(fā)明工作電壓電流在不同時序下的波形。其具體電路工作原理將配合圖3加以說明，在圖3中將全部時序由T0～T6分成七段來逐一說明。圖4為飽和電抗L2在不同時序下的理論磁滯曲線，通過飽和電抗L2在不同時序的特性來達(dá)到零電流切換(ZCS)及能源回收的目的。首先，請參閱圖3所示各時序下的電路特性T0T0是接續(xù)T6而來，由于此動作已處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以此時電容C3維持原來的放電狀態(tài)，且飽和感抗L2進(jìn)入飽和狀態(tài)呈現(xiàn)短路的特性，金氧半場效晶體管Q1尚未開啟，所以輸入能量通過橋式整流器10的電流I1經(jīng)由儲能電感L1、飽和感抗L2、二極管D1對輸出提供所需的能量。而在T6時，流經(jīng)電容C3的電流I9將因為飽和感抗L2的飽和而消失。電容C3消耗電流I2經(jīng)由飽和感抗L2、電感L3持續(xù)將能量消耗在電阻R1上，為下一次充電做準(zhǔn)備。
T1在此狀態(tài)下，金氧半場效晶體管Q1正準(zhǔn)備要開啟，在此瞬間因為電流I2仍維持原方向流動，且飽和感抗L2處于放電狀態(tài)，所以電流I2、I4與電流I3的電流方向相抵消，金氧半場效晶體管Q1達(dá)到零電流切換工作的目的，用以減少切換損。在此時飽和感抗L2產(chǎn)生電流I4經(jīng)二極管D1流至輸出端，所以飽和感抗L2將由飽和狀態(tài)趨向主動狀態(tài)。而電容C3仍保持原來放電狀態(tài)。
T2在此狀態(tài)下，金氧半場效晶體管Q1已開啟，此時飽和感抗L2已放電完畢并進(jìn)入主動區(qū)呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，而二極管D1正處于逆向恢復(fù)狀態(tài)所以會有電流I5、I6等二個逆向電流產(chǎn)生，且大部分逆向流經(jīng)I6電流路徑到地，僅微量電流經(jīng)過I5電流路徑。而流經(jīng)電感L3、電阻R1、電容C3、到地的電流會將二極管D1逆向能量儲存于電感L3上，以為能量回收做準(zhǔn)備。
T3在此狀態(tài)下，二極管D1的逆向能量已釋放完畢，所以此時電感L3極性會反轉(zhuǎn)過來而產(chǎn)生I7和I8兩路電流，一路為電流I7，其流經(jīng)二極管D2對電容C2充電，而將二極管D1逆向能量儲存于電容C2上達(dá)到能量回收的目的；另一路為電流I8，其流經(jīng)電感L3、電阻R1、電容C3對飽和感抗L2充電，將飽和感抗L2從主動區(qū)再推至飽和區(qū)而呈現(xiàn)低阻抗?fàn)顟B(tài)。如圖4的T3箭頭所示，是從第三象限推向第一象限。
T4在此時電感L3已將能量完全釋放給電容C2，而能量將轉(zhuǎn)換成電壓形式保存于電容C2等待再利用。而電容C3保持放電以產(chǎn)生電流I8，以持續(xù)將飽和感抗L2推向飽和狀態(tài)。
T5在此狀態(tài)下，金氧半場效晶體管Q1正準(zhǔn)備要關(guān)閉，所以儲能電感L1開始釋放其保存的能量。因為電容C2本身帶有負(fù)電壓差使得二極管D1兩端呈逆向電壓而不會導(dǎo)通，二極管D3呈順向電壓導(dǎo)通，故電流I10由儲能電感L1流經(jīng)已飽和的飽和感抗L2、電容C2、二極管D3到電壓輸出端Vout隨的將電容C2上的能量回收至輸出端。此動作達(dá)成再利用電容C2回收能量的目的。此時電容C3仍維持放電，其放電路徑上的電流I8持續(xù)將飽和感抗L2推向飽和狀態(tài)，但此時能量已非常微小。
T6在此狀態(tài)下，電容C2能量已完全釋放，所以原本帶有的電壓差已歸為零，所以此時二極管D3不導(dǎo)通，而二極管D1因達(dá)順向偏壓而導(dǎo)通，故電流I10將經(jīng)由飽和感抗L2、二極管D1到Vout。同時電容C3左測升高于電壓輸出端Vout，則電流I9因二極管D4順向偏壓而形成。電流I9經(jīng)儲能電感L1、電容C3、二極管D4至電源輸出端Vout且對電容C3充電。最后回到T0時序反復(fù)動作。
通過上述說明可了解本發(fā)明功因校正器的電路構(gòu)造與工作原理，至于一具能量回收的零電流功因校正器較佳的具體規(guī)格可如以下所列，而主要元件額定值選取方法程序?qū)⑷缦滤据斎胼敵鲭妷弘娏饕?guī)格輸入電壓Vin90V/60Hz輸出電壓Vout400V最大輸出功率Pout1000W工作頻率fs100kHz飽和電抗L2由工作波形中看到飽和感抗L2需符合以下條件1.為了達(dá)到零電流切換的目的飽和感抗L2漏感的能量釋放時間要大于晶體管Q1的爬升時間T1，波形如圖5所示其上20ns時間即為其零電流切換時間；2.在T2中看到飽和感抗L2必須容納二極管D1的逆向恢復(fù)電荷Qrr而不產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。經(jīng)由元件廠商提供的規(guī)格表已知金氧半場效晶體管Q1的爬升時間約20ns，二極管D1的逆向恢復(fù)電荷為45A/n電容C(L3＝100uH；T＝100℃)；所以經(jīng)由峰值電流IP公式(1)與伏秒平衡公式(2)可求得IP＝16.76A，飽和感抗L2＝0.48uH。
Ip=2PinVin---(1)]]>L2=Vout×T1Ip---(2)]]>在此需再驗證飽和感抗L2是否飽和，公式(3)為L3電流斜率，代入得到值4A/us再將此結(jié)果代入(4)移項求得時間為150ns，所以求得伏秒乘積為400V×150ns＝60n伏秒。最后代入磁通變量公式(5)求得ΔB＝5.97K高斯，因飽和感抗L2規(guī)格表Bs＝5K高斯，ΔB＜2Bs所以Qrr不會使產(chǎn)生飽和感抗L2產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。
didt=VoutL3---(3)]]>
Qrr=12(didt)t2---(4)]]>ΔB=V×SN×Ae×10---(5)]]>能量回收用電容C2由于電容C2跨壓VC2必須低于二極管D1的額定值減去輸出電壓避免二極管D1誤動作，所以VC2應(yīng)低于600V-400V＝200V，在此選用跨壓為120V計算使用。而由于能量回收時L3的能量會完全釋放到電容C2上，所以經(jīng)由公式(6)移項求得電容C2＝2500pF。
JL3=12L3×IL32=12C2×Vc22---(6)]]>提升飽和電抗用電容C3由于電容C2能量回收后電容C2上瞬間最大能量會等于飽和感抗L2上飽和狀態(tài)能量，圖5上T6時間為此時電流波形，所以經(jīng)由公式(7)可求出I飽和感抗L2上最大漏電電流ILK為8.7A，在此假設(shè)VC3工作電壓為9V代入公式(8)可求出電流建立時間T6為0.43us，再將此值代入公式(9)求得電容C3的值為0.19uF。
ILK=2×JC2L2---(7)]]>T6=(Ip-ILK)×L2VC3---(8)]]>C3=QVC3=12(Ip-ILK)×T6VC3---(9)]]>消耗電阻R1由于電阻R1是用來消耗電容C3將飽和感抗L2推向飽和區(qū)用的電阻，所以必須能夠承受電容C3所流經(jīng)消耗的能量。且也要估算其可承受瓦特數(shù)，所以經(jīng)由式(10)求出電阻值為51Ω，由式(11)可估算其最大消耗瓦特數(shù)P電阻R1為0.78W。
R1=VC3IC3=2Tperiod×VC3(Ip-ILK)×T6---(10)]]>PR1=VC3(rms)2R1---(11)]]>為了驗證所提出具能量回收改良式功因校正器的預(yù)期工作原理與分析，如圖13所示為運用前述功因校正器的交換式電源供應(yīng)器，其電路參照預(yù)定的規(guī)格測試。由于在電路實作時元件的選擇會對整體電路效率產(chǎn)生一定的影響，有別于以往實驗只單對同一元件做效率比較，由于本發(fā)明的能源回收電路主要是回收主功率二極管的逆向飽和能量，所以在本發(fā)明將各別對三種常用的不同材料系數(shù)二極管對整體效率的影響來比較出元件的差異所照成的影響，附件二為此實驗的主要電路元件與用于比較的三種不同功率二極管規(guī)格表。
又在附件三的表列資料中比較了傳統(tǒng)切換方式與加入本發(fā)明后的能量損失差異，在附件三中明顯看出加入具能量回收的零電流切換電路可提高整體效率約1％的效果，如果選用材料系數(shù)較差的功率二極管，此電路對效率提升的效果會更明顯。
圖6為輸入電壓與電流在1000瓦的波形在此量測到功率因子幾乎為1(0.99)。圖7為主切換開關(guān)的零電流切換波形，在此量測到切換電壓電流交越時間幾乎為零，已大大的減少傳統(tǒng)的切換損失。圖8至圖11為單一周期下各主要元件切換電壓電流波形用來與理論波形相互比較，已具體證明本發(fā)明電路的可行性。圖12為不同負(fù)載下的效率曲線圖，在此可明顯看出輸出功率二極管的選擇對整體效率的差異與加入本發(fā)明電路所能提升的效率差別。
綜上所述，本發(fā)明提出一具能量回收的零電流切換功因校正器可對傳統(tǒng)功因校正器效率達(dá)到改善的效果。其中零電流切換電路對金氧半場效晶體管產(chǎn)生幾乎無能量損耗的效果，功因校正器對其功率因子產(chǎn)生幾乎為1的效果，而傳統(tǒng)的功因校正器輸出二極管逆向飽和能量的問題皆可通過本發(fā)明提出的電路予以改善解決。且經(jīng)由此具能量回收的零電流切換功因校正器的電路實驗中發(fā)現(xiàn)加入此電路可減少10多瓦的損失，甚至比材料系數(shù)最好的功率二極管可以節(jié)省更多能量，由此可證明本發(fā)明具有相當(dāng)良好的工作效能。
附件一

附件二

權(quán)利要求
1.一種具能量回收的零電流切換功因校正器，其特征在于，主要是于一橋式整流器與一電源輸出端間分設(shè)有一濾波電容、一儲能電感及一能量轉(zhuǎn)換電路；又以一功因校正控制器的輸出端通過一金氧半場效晶體管連接于儲能電感與能量轉(zhuǎn)換電路之間；其中該能量轉(zhuǎn)換電路以一飽和電抗、一功率二極管串接于前述儲能電感與電源輸出端間，又以一電感、一儲能電容及數(shù)個二極管與前述飽和電抗、功率二極管及金氧半場效晶體管連接，以構(gòu)成數(shù)個電流回路；由此，前述電路可在不同時間工作回收觸發(fā)時產(chǎn)生的逆向恢復(fù)電流，再經(jīng)儲能、放電等步驟使其送至電源輸出端予以再利用。
2.如權(quán)利要求1所述的具能量回收的零電流切換功因校正器，其中，該能量轉(zhuǎn)換電路包括有一飽和電抗L2，與一功率二極管D1串接于前述儲能電感L1與電源輸出端間；一能量回收電容C2，通過一電感L3、一二極管D2在飽和電抗L2與功率二極管D1之間構(gòu)成回路；該二極管D2并通過又一二極管D3連接至電源輸出端；一消耗電阻R1，其一端連接前述電感L3，并通過一電容C3與前述飽和電抗L2、電感L3構(gòu)成回路；該電容C3又經(jīng)由一二極管D4連接至電源輸出端；一終端儲能電容C4，連接于電源輸出端與接地之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的具能量回收的零電流切換功因校正器，其中，該功因校正控制器由一脈波寬度調(diào)變電路構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具能量回收的零電流切換功因校正器，主要是于一橋式整流器與一電源輸出端間分設(shè)有一濾波電容、一儲能電感及一能量轉(zhuǎn)換電路；又有一功因校正控制器的輸出端通過一金氧半場效晶體管連接于儲能電感與能量轉(zhuǎn)換電路之間；其中，能量轉(zhuǎn)換電路由一飽和電抗、儲能電容、電感配合數(shù)個二極管在不同工作時間分別構(gòu)成不同的電流回路，以便回收轉(zhuǎn)態(tài)時產(chǎn)生的逆向能量，再經(jīng)儲能、放電等步驟予以再利用，藉以提升功因校正器的工作效率。
文檔編號H02M1/14GK1581653SQ0312781
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月11日
發(fā)明者林國藩, 李鴻欽 申請人:康舒科技股份有限公司