檢測零電位區間的裝置及其方法
2023-09-19 23:31:10 2
專利名稱：檢測零電位區間的裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種交流轉直流(AC to DC)轉換器架構，尤其涉及一種 具有功率因素修正(power factor correction, PFC )的交流轉直流轉換器架構。
背景技術：
在大多數的交流轉直流轉換器中，最好是能夠讓整個電路，對於AC 輸入電壓而言，呈現出單純電阻行為。為了這個原因，當今已經發展出了 許多主動式的(active) PFC架構，而這些PFC架構架構，當接收到AC輸 入電壓時，可以產生對應的AC輸入電流。
對於PFC而言，產生具有4艮低的總諧波扭曲(total harmonic distortion, THD )的一正弦波電流是非常重要的。THD與功率因素(p0wer factor)代 表了 PFC電路的操作表現。功率因素的最高值是l,而一般實務上，THD 只要低於15%以下便是可以被接受。
舉例來說，美國專利編號7， 375, 995、 7, 397， 678、 re40016、以及 7， 295, 452等等，都有公開部分PFC電路以及其操作。圖l為美國專利 編號re40016中所揭示的一 PFC電路20。 PFC電路20具有一升壓形態(boost type )轉換器架構(topology),接收一輸入電壓VIN,而輸入電壓Vin可以 是一經過整流後的AC電壓。電阻38與40組成一分壓器，用以檢測負載 電容76的DC輸出電壓V0,提供一反饋信號Vwv至集成電路(integrated circuit, IC ) 32的INV端。電容42提供一低通濾波器，反饋信號VINV中 的高頻部分會被濾除，在IC 32的CMP端產生一比較信號VCMP。升壓電感 34對應的一輔助繞組(secondary winding ) 39 4企測升壓電感34的零電流交 叉點(zero-crossing of the inductor current), 由IC 32的ZCD ( zero current detection)端所檢測。
PFC電路中， 一般所已知的IC中是在內部產生一鋸齒波信號Vsaw,用 來跟在CMP端的比較信號VCMP比較，以調製開關的開啟時間(on-time )。基本想法就是當DC輸出電壓V。的電平較高時，開關36的開啟時間 (on-time)就應該降低，以減少傳輸到輸出電容的能量。比較信號VCMP 會隨著輸出電壓Vo的增高而降低。開關開啟時，鋸齒信號V，開始上升。
鋸齒信號V咖的上升部分到達或是高過比較信號VcMp的電壓電平時，會使
開關關閉，同時鋸齒信號V，直接瞬間降到最低電壓電平，且維持於最低 電壓電平，所以鋸齒信號V，沒有下降部分。開關再度開啟的時間，是單 純由檢測升壓電感的零電流交叉點是否出現而觸發，並同時開始鋸齒信號 Vsaw的上升部分。在AC輸入電壓Vtn的少數個周期內，比較信號Vcmp可 以視為一個定值，所以開關的開啟時間(on-time)也大約是一定值。
在美國專利編號re40016中，有教導了開關36的開啟時間(on-time), 可以隨著關閉時間(off-time )縮短而些許地增長，而非單單由比較信號VCMp 所決定，藉以降低於零交越(cross-over)扭曲(distortion )。所謂零交越扭 曲是指輸入電壓V!N的電壓值在接近最低點時，因升壓電感34的跨壓不足 而近乎無法提供功率的情形。如果是減少了零交越扭曲，則THD也可以降 低。
但是，就算是開啟時間(on-time )隨著關閉時間(off-time )縮短而些 微地增長， 一旦關閉時間過短也會導致不必要高頻開關能量損失(switching loss)。而且，開啟時間(on-time)隨著關閉時間(off-time)變化而改變， 也可能反而增高了 THD。
發明內容
本發明的一實施例提供了 一種檢測零電位區間的裝置，應用於一功率 因數校正(PFC)電源轉換器。該轉換器包含一主繞組、 一輔助繞組以及一 功率開關。該主繞組耦接至一輸入電壓。該裝置包含一驅動電路、以及一 才企測電3各。該驅動電^各用以開啟或是關閉該功率開關，以〗吏該主繞組耦的 儲能相對的增加或是釋放。該檢測電路耦接至該輔助繞組。當該主繞組增 加儲能時，通過該輔助繞組，該檢測電路檢測該輸入電壓是否接近零電位； 且當該主繞組釋放儲能時，通過該輔助繞組，該檢測電路檢測該主繞組是 否近乎完全釋放儲能。
本發明的 一 實施例提供了 一種檢測零電位區間的方法，應用於 一 功率 因數校正(PFC)電源轉換器。該轉換器包含一主繞組、 一輔助繞組以及一功率開關。該主繞組耦接至一輸入電壓，並受控於該功率開關，來增加或 釋放儲能。在該主繞組增加儲能時，通過該輔助繞組，檢測該輸入電壓是 否4妻近零電位。在該主繞組釋放卩諸能時，通過該輔助繞組，糹企測該主繞組 是否近乎完全釋放儲能。
圖1為先前技術，美國專利編號re40016，中所揭示的一PFC電路； 圖2為依據本發明的一實施例所實現的一交流轉直流轉換器示意圖； 圖3為圖2中的IC內部部分電路與部分周邊元件的連接示意圖；以及 圖4顯示第2與3圖中的部分節點的電壓信號示意圖。主要元件符號說明
20:功率因數校正電源轉換器電路 32、 52:集成電路(IC)34:升壓電感36:開關
38、40:電阻35、 42、 76:電容
39:輔助繞組50:交流轉直流轉換器
54:整流器78: 二極體
412、,413、 416:電阻
51:電壓信號產生電路53:調整電路
55:4企測電^各57:驅動電聘_
414:電流源415:開關
417,.450:比較器421:電路
具體實施例方式
以下將通過實施例來解釋本發明內容。然而，本發明的實施例並非用 以限制本發明需在如實施例所述的任何特定的環境、應用或特殊方式方能
實施。因此，關於實施例的說明僅為闡釋本發明的目的，而非用以限制本 發明。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關的元件已省 略而未繪示。為了了解技術上的方便，相同或是類似，或是具有相類似的 功能的元件，在解說時，將會採用相同的元件符號。但須強調的，不同實 施例中相同的標示的元件，可以用不同的元件實施。
請參考圖2,其為依據本發明的一實施例所實現的一交流轉直流轉換器50。整流器(rectifier) 54用以將交流電整流，產生輸入電壓V脅升壓電 感34、開關36、電容42、 76與35、電阻38與40、以及二極體78，其工 作原理或於電路中扮演的角色，類似圖1所示，都為本領域技術人員所熟 知；為簡潔之故，其連接與功能不再多述。
圖2與先前技術圖1的主要差異，在於IC 52與輔助繞組39的連接方 式，以及IC 52內部的操作或結構。輔助繞組39連接到由電阻412與413 所構成的分壓電路，其分壓點，可以直接連接，或是通過一選擇性的 (optional)電阻416,連接至IC 52的ZCD端。依據此電路連接，圖2中 的IC 52的ZCD端可以成為一多功能引腳(multi-flmction pin),其不再只 是用來4全測升壓電感34的零電流交叉點(zero-crossing of the inductor current )，而且也用來檢測輸入電壓的電壓值是否接近最低點。舉例來 說，通過ZCD端以及輔助繞組39,當開關36關閉時，IC 52可以檢測升壓 電感34中的儲能是否近乎完全釋放，而產生零電流交叉；當開關36開啟 時， 一樣通過ZCD端以及輔助繞組39， IC 52可以檢測VIN的電壓值，藉 以判定輸入電壓Vw是否接近零電位，據以進行部分措施。
圖3為圖2中的IC52內部部分電路與部分周邊元件的連接示意圖。IC 52內部有驅動電路57、衝企測電路55、以及調整電i 各53。
驅動電路57，通過Gate端以及IC 52的Out端，開啟或是關閉開關36， 以使升壓電感34 (—主繞組)相對的增加或是釋放儲能。
在開關36關閉時，檢測電路55中的比較器450，檢測在ZCD節點的 電壓值，來判別升壓電感34是否近乎完全釋放儲能。在開關36關閉時， 一旦升壓電感34的電流近乎零電流時，輔助繞組39的電壓會突然的下降， 通過電壓信號產生電路51,將導致ZCD節點的電壓值突然的下降。所以，
比較器450可以檢測此電壓下降來判定升壓電感34是否近乎完全釋放儲
臺匕 叱。
在開關36開啟時，檢測電路55中的比較器417以及接續其後的電路， 將判定輸入電壓ViN是否接近零電位。開關36開啟時，升壓電感34的跨 壓大致就是輸入電壓Vw的值。依照電感的圈數比，輔助繞組39的跨壓跟 升壓電感34的跨壓成正比。而ZCD節點的電壓值也大約是跟輔助繞組39 的跨壓成一定比例關係。所以，在開關36開啟時，ZCD節點的電壓值便可 以代表輸入電壓VIN的電壓值。比較器417便可以檢測ZCD節點的電壓值，來判斷輸入電壓ViN是否接近零電位。調整電路53可以在開關36開啟時， 同時開啟開關415，以電流源414，來平移或是調整ZCD節點的電壓值， 使得ZCD節點的電壓值比較容易被檢測的到。細節將稍後說明。
圖4顯示第2與3圖中的部分節點的電壓信號圖。由上而下，圖4中 的曲線分別表示VrN、 Gate、 ZCD1、 ZCD、 ZCDDTO以及ZCDDT節點的 電壓信號。圖4可見VjN的電壓信號逐漸降至最低點，然後上升；Gate的 電壓信號VGATE則具有大約固定的開啟時間(on-time),而關閉時間 (off-time)則大約與VIN的電壓信號同時增加或降低。當電壓信號VGATE 在低電平，也就是開關36關閉時，ZCDl以及ZCD節點上的電壓VZCD1以 及Vzcd可以下列公式(1 )表示。
formula see original document page 8 (i)
其中，Rx表示電阻x的阻值，V39表示輔助繞組39的跨壓，N39與N34
分別表示輔助繞組39以及升壓電感34的線圏圈數。
當電壓信號VGATE在高電平，也就是開關36開啟時，ZCD節點上的電 壓VzcD可以下列公式(2)表示。
formula see original document page 8 ................. (2)
其中，I414表示電流源4 14的電流值。
當電壓信號VcATE在高電平，也就是開關36開啟時，ZCDl節點上的 電壓Vzcim可以下列公式(3)表示。
formula see original document page 8
因此，圖4中的電壓信號Vzcd與VzoM便依據公式(2)與(3)所繪 示。電壓信號VzcD的下方虛線曲線，表示同時間的相對應電壓信號VZCD1;
可以發現，在開關36開啟時，ZCD節點的電壓信號VZCD,因為電阻416 的存在，較ZCD1節點的電壓信號VZCD1，高出了一定值。換句話說，萬一 ZCDl節點的電壓信號VZCD1不夠高到讓比較器417判定輸入電壓Vjn是否阻416，來產生具有較高電壓的ZCD節 點的電壓信號VZCD。
當開關36關閉時， 一旦電壓信號VzcD低於參考電壓值Vref2時，比較
器450判斷升壓電感34已經近乎完全釋放儲能。然後，便通過ZCO節點， 比較器450使驅動電路57開啟開關36。
當開關36開啟時， 一旦ZCD節點的電壓信號高於參考電壓值Vrefl時， 比較器417判斷輸入電壓已經接近零電位。圖4顯示了 ZCDDTO節點 的電壓信號VZCDDT0，其高電位的部分便表示輸入電壓Vin已經低到一定程
度，接近零電位了。圖3中電路421則將電壓信號VzcDDTO的高電位部分維 持一個開關周期，以去除電壓信號Vzcddto中兩個高電位部分之間的低電位
部分，所以產生了圖4中的ZCDDT節點的電壓信號VZCDDT,其具有單一 脈沖。
因此，依據圖3中的實施例，電壓信號Vzcddt中的脈沖，就可以當成
零電位交越區間(zero voltage crossing zone )指示信號，指示IC 52中的其 他部分電路，進行想要的動作。譬如說，IC52—旦判定進入零電位交越區 間後，l更些i午地增加開關36的開啟時間(on-time )。
本發明雖以優選實施例公開如上，然其並非用以限定本發明的範圍， 本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許的更動與 潤飾，因此本發明的保護範圍當視所附權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種檢測零電位區間的裝置，應用於一功率因數校正電源轉換器，該轉換器包含一主繞組、一輔助繞組以及一功率開關，其中該主繞組耦接至一輸入電壓，該裝置包含一驅動電路，用以開啟或是關閉該功率開關，以使該主繞組耦的儲能相對的增加或是釋放；以及一檢測電路，耦接至該輔助繞組，當該主繞組增加儲能時，通過該輔助繞組，檢測該輸入電壓是否接近零電位，且當該主繞組釋放儲能時，通過該輔助繞組，檢測該主繞組是否近乎完全釋放儲能。
2. 如權利要求l所述的電路，其中，該轉換器包含一電壓信號產生電 路，以產生一比例於該輔助繞組電壓的一第一電壓信號；當該主繞組釋 放儲能時，該4全測電遊"險測該第一電壓信號，以糹全測該主繞組是否近乎 完全釋放儲能。
3. 如權利要求2所述的電路，其中該裝置還包含一調整電路，當該主 繞組增加儲能時，調整該第一電壓信號的電平，以產生一第二電壓信號， 該檢測電路並檢測該第二電壓信號，以決定該輸入電壓是否接近零電位。
4. 如權利要求3所述的電路，其中該檢測電路還包含一比較電路，用 以比較該第二電壓信號與一參考值，以檢測該輸入電壓是否接近零電位。
5. —種檢測零電位區間的方法，應用於 一功率因數校正電源轉換器， 該轉換器包含一主繞組、 一輔助繞組以及一功率開關，其中該主繞組耦 接至一輸入電壓，並受控於該功率開關，來增加或釋放儲能，該方法包 含增加該主繞組的儲能；在該主繞組增加儲能時，通過該輔助繞組，檢測該輸入電壓是否接近 零電位；釋放該主繞組的儲能；以及在該主繞組釋放儲能時，通過該輔助繞組，檢測該主繞組是否近乎完 全釋放儲能。
6. 如權利要求5所述的方法，包含有在該主繞組釋放儲能時，產生比例於該輔助繞組電壓的一第一電壓信2號；以及檢測該第一電壓信號，判斷該主繞組是否近乎完全釋放儲能。
7.如權利要求6所述的方法，包含有在該主繞組增加儲能時，調整該第一電壓信號的電平，以產生一第二 電壓信號；以及一企測該第二電壓信號，以決定該輸入電壓是否4妻近零電位。
全文摘要
檢測零電位區間的裝置及其方法。該檢測零電位區間的裝置，可通過一輔助繞組檢測一輸入電壓是否接近零電位，並通過該輔助繞組檢測一主繞組是否近乎完全釋放儲能。
文檔編號H02M7/04GK101674003SQ20081021201
公開日2010年3月17日 申請日期2008年9月11日 優先權日2008年9月11日
發明者吳宗修 申請人:通嘉科技股份有限公司