功率因子校正裝置的製作方法
2023-12-11 19:56:32
專利名稱：功率因子校正裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種功率因子校正裝置，尤其涉及一種通過切換SR鎖存器的「置位」 觸發模式，提升功率因子並降低導通損失的功率因數校正裝置。
背景技術：
功率因子(Power Factor)是有效功率除以總耗功率的比值，用來衡量電力被有效利用的程度。功率因子值越大代表電力運用效率越佳。因此，電源供應器通常包含功率因子校正(Power Factor Correction,PFC)裝置，以確保交流電流與電壓保持一致，並消除非理想的諧波，進而提升功率因子。一般來說，功率因子校正裝置大致上可分為被動式及主動式兩種。被動式功率因子校正裝置主要由電感、電容等被動組件組合而成，大部分用來處理 50 60Hz的低頻交流輸入，通常僅可達到75% 80%的功率因子。相反地，主動式功率因子校正裝置由主動組件、功率開關等組成，用來調整輸入電流的波形，使其儘可能趨近輸入電壓的波形。理想上，主動式功率因子校正裝置的功率因子可接近100%。因此，在高階電源應用中，電源供應器主要仍使用主動式功率因子校正裝置。請參考圖1A，圖IA為公知的一個主動式功率因子校正裝置10的示意圖。功率因子校正裝置10主要包含有二極體橋式(diode bridge)整流器100、中繼電感110、功率電晶體112、SR鎖存器114、感應電感116、乘法器118、誤差放大器120、比較器122及分壓電路 130、140。二極體橋式整流器100用來將交流輸入電壓VINAC轉換為直流輸入電壓VINDC。 中繼電感110及感應電感116形成變壓器，用來在中繼電感110的電感電流IL降至0時， 置位(set)SR鎖存器114的閂鎖結果LAT為「1」，以導通功率電晶體112。一旦功率電晶體 112導通，電感電流IL增加，造成功率電晶體112的源極電壓VS上升。另外，分壓電路130、 140分別用來產生直流輸入電壓VINDC及直流輸出電壓VOUTDC的分壓電壓Vdivl、Vdiv2。 誤差放大器120將分壓電壓Vdiv2與參考電壓VREF比較，以產生比較結果C0MP。接著，乘法器118對分壓電壓Vdivl及比較結果COMP執行乘法運算，產生乘法結果MUL。最後，比較器122比較源極電壓VS及乘法結果MUL，以決定是否復位(reset) SR鎖存器114的閂鎖結果LAT為「0」。當源極電壓VS大於乘法結果MUL時，閂鎖結果LAT為「0」，功率電晶體112 被關閉，以降低電感電流IL。這樣的控制模式，稱為邊界控制模式(Boundary Mode，BM)。簡單來說，功率因子校正裝置10通過周期性地置位及復位閂鎖結果LAT，使得電感電流IL的平均電流IL_avg的波形與輸入電壓一致，如圖IB所示。由圖IB可知，功率因子校正裝置10具有極佳的功率因子值，但由於電感電流IL的均方根(root mean square) 值極高，不利於應用在導通損失嚴重的應用中。請繼續參考圖2A，圖2A為公知另一個主動式功率因子校正裝置20的示意圖。功率因子校正裝置20是功率因子校正裝置10的進一步改良版本，差異僅在於將圖IA中的感應電感116取代為定時器200。定時器200用來在閂鎖結果LAT被復位時(LAT:1 —0)，開始計時，並在一預設時間後，觸發SR鎖存器114置位閂鎖結果LAT為「1」。如此一來，電感電流IL的平均電流IL_avg的波形亦可與輸入電壓一致，如圖2B所示。這樣的控制方式，稱為定關閉時間控制模式(Fixed Off-Time control, FOT) 相較於功率因子校正裝置10，功率因子校正裝置20具有電感電流IL的均方根值 (導通損失)較低的優點。然而，由於在功率因子校正裝置20中，功率電晶體112關閉的 時間長短固定等於預設時間，當電感電流IL的平均電流接近0時，功率因子校正裝置20由 連續導通模式(Omtinuous ConductionMode, CCM)進入非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode, 0〔10，造成電感電流IL的平均電流1し_3 8波形失真，使得功率因子下 降。也就是說，無論是功率因子校正裝置10及功率因子校正裝置20都無法同時具有高功 率因子及低導通損失的優點。因此，如何改善功率因子校正裝置，使其同時包含高功率因子及低導通損失的優 點，已成為工業界的努力目標。
發明內容
因此，本發明的主要目的即在於提供一種功率因子校正裝置。本發明揭露一種功率因子校正裝置，包含有整流器，用來將交流輸入電壓轉換為 直流輸入電壓；輸出模塊，用來產生並輸出直流輸出電壓；中繼電感，稱接在該整流器及該 輸出模塊之間；功率開關，包含有第一端稱接在該中繼電感與該輸出模塊之間，第二端稱接 於電阻，及第三端，用來根據該第三端所接收的信息，控制該第一端至該第二端的電連接； 復位模塊，包含第一輸入端稱接在該整流器及該中繼電感之間，第二輸入端稱接於該輸出 模塊，以及第三輸入端稱接於該功率開關的該第二端，用來根據該直流輸入電壓、該直流輸 出電壓及該功率開關的該第二端的電壓，產生復位指令；38鎖存器，包含有置位端，復位端 華禹接於該復位模塊，以及輸出端稱接於該功率開關的該第三端，用來根據該置位端及該復 位端的信息，由該輸出端輸出円鎖結果；以及置位模塊，用來根據該電感電流或該円鎖結果 的變化，產生置位指令至該38鎖存器的該置位端。在此配合下列圖示、實施例的詳細說明及權利要求書，將上述及本發明的其它目 的與優點詳述於後。
圖1ム為公知的ー個主動式功率因子校正裝置的示意圖。圖IB為圖IA的功率因子校正裝置的電感電流及円鎖結果的時變示意圖。圖2A為公知另一個主動式功率因子校正裝置的示意圖。圖2B為圖2A的功率因子校正裝置的電感電流及円鎖結果的時變示意圖。圖3A為本發明實施例ー個功率因子校正裝置的示意圖。圖;3B為圖3A的功率因子校正裝置的電感電流及円鎖結果的時變示意圖。圖3C為補償後的電感電流及円鎖結果的時變示意圖。圖4為圖3A的功率因子校正裝置的ー個變化實施例的示意圖。圖5ム為圖3A的功率因子校正裝置的另ー個變化實施例的示意圖。圖5B為圖5A的功率因子校正裝置調整操作模式比重的示意圖。其中，附圖標記說明如下COMP比較結果DET檢測結果
MUL乘法結果IL電感電流
IL_avg平均電流ILD負載電流
TRl第一觸發指令TR2第二觸發指令
ST置位指令RST復位指令
LAT閂鎖結果RS源極電阻
R1、R2、R3、R4 電阻Vdivl第一分壓電壓
Vdiv2第二分壓電壓VINAC交流輸入電壓
VINAC交流輸入電壓VINDC直流輸入電壓
VOUTDC直流輸出電壓VREF參考電壓
VS源極電壓SEN感測結果
10、20、30功率因子校正裝置
100 二極體橋式整流器110,320中繼電感
112功率電晶體114、340SR鎖存器
116,352感應電感118、338乘法器
120,336誤差放大器122,339比較器
130、332第一分壓電路140、3；34第二分壓電路
200、3M定時器
300整流器310輸出模塊
312 二極體314輸出電容
322功率開關330復位模塊
337補償電容350置位模塊
356選擇單元
400檢測單元
500負載感測單元
具體實施例方式請參考圖3A，圖3A為本發明實施例一種功率因子校(Power FactorCorrection) 裝置30的示意圖。功率因子校正裝置30包含有整流器300、輸出模塊310、中繼電感320、 功率開關322、復位模塊330、SR鎖存器340及置位模塊350。整流器300用來將交流輸入電壓轉VINac換為直流輸入電壓VINdc。輸出模塊310用來產生並輸出直流輸出電壓V0UTDC。 功率開關322較佳地是金屬氧化物半導體(metal oxide semiconductor, M0S)電晶體，其源極耦接於源極電阻RS，用來根據柵極所接收的閂鎖結果LAT，控制其漏極至源極的電連接，並產生源極電壓VS。復位模塊330用來根據直流輸入電壓VINDC、直流輸出電壓VOUTdc 及源極電壓VS，產生復位指令RST。SR鎖存器340用來根據置位指令ST及復位模塊330產生的復位指令RST，輸出閂鎖結果LAT。置位模塊350用來根據中繼電感320的電感電流込或閂鎖結果LAT的變化，產生置位指令ST至SR鎖存器340。簡單來說，功率因子校正裝置30整合功率因子校正裝置10、20，以同時使用功率因子校正裝置10、20的SR鎖存器的「置位」觸發機制。如此一來，功率因子校正裝置30輪流操作在定關閉時間控制模式(Fixed Off-Timecontrol,F0T)或邊界控制模式(BoundaryMode, BM)。換句話說，功率因子校正裝置30主要操作在定關閉時間控制模式，以降低導通損失，並在電感電流IL接近零時，切換至邊界導通模式，以避免功率因子校正裝置30由連續導通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)進入非連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)而造成波形失真。具體來說，置位模塊350包含有感應電感352、定時器邪4及選擇單元356。與功率因子校正裝置10的感應電感116相似，感應電感352用來感應中繼電感320的電感電流 Il的變化，以產生第一觸發指令TRl。與功率因子校正裝置20的定時器200相似，定時器 352用來根據閂鎖結果LAT的變化，產生第二觸發指令TR2。最後，選擇單元356根據第一觸發指令TRl或第二觸發指令TR2，產生置位指令ST至SR鎖存器，以置位閂鎖結果LAT至 「1」。通過選擇單元356，功率因子校正裝置30可同時應用功率因子校正裝置10、20的 SR鎖存器「置位」觸發機制。也就是說，感應電感352在電感電流L降至零時，通過去磁化 (demagnetization)，產生第一觸發指令TRl ；同時，定時器3M在電感電流Il由上升轉換為下降時，開始計時，並在經過一預設時間後，產生第二觸發指令TR2。 由於功率因子校正裝置30同時應用功率因子校正裝置10、20的SR鎖存器「置位」 觸發機制，選擇單元356可較佳地是或(OR)門，用來對第一觸發指令TRl及第二觸發指令 TR2執行邏輯或運算，以產生置位指令ST。另外，復位模塊330包含有第一分壓電路332、第二分壓電路334、誤差放大器336、 乘法器338及比較器339。第一分壓電路332對直流輸入電壓VINdc執行分壓運算，以產生第一分壓電壓Vdivl。相似地，第二分壓電路334對直流輸出電壓VOUTdc執行分壓運算，以產生第二分壓電壓Vdiv2。誤差放大器336用來比較第二分壓電壓Vdiv2及參考電壓VREF， 以產生比較結果C0MP。接著，乘法器338對第一分壓電壓Vdivl及比較結果COMP執行乘法運算，以產生乘法結果MUL。最後，比較器339比較乘法結果MUL及源極電壓VS，以決定是否產生復位指令RST。須注意的是，功率因子校正裝置10的電感電流L的平均值僅達到功率因子校正裝置20的電感電流L的一半，如圖IB及圖2B所示。換句話說，對整合功率因子校正裝置 10,20的功率因子校正裝置30而言，當操作在邊界控制模式時，電感電流L的平均值僅為操作在定關閉時間控制模式時的一半，如圖3B所示。為補償這一平均電流Iyvg失真的問題，選擇單元356還可較佳地耦接於復位模塊330，並根據第一觸發指令TRl或第二觸發指令TR2，判斷功率因子校正裝置30操作在定關閉時間控制模式或邊界控制模式，以產生檢測結果DET至復位模塊330，如圖3A所示。對應地，乘法器338還用來根據檢測結果DET， 補償增益，進而確保電感電流l·的平均電流Iyvg在功率因子校正裝置30切換操作模式時， 維持全波整流後的正弦波波形(full-wave rectified sine wave)。舉例來說，乘法器338可在檢測結果DET顯示置位指令ST是由第一觸發指令TRl 觸發時，切換增益至雙倍增益；以及在檢測結果DET顯示置位指令ST是由第二觸發指令 TR2觸發時，切換增益至單倍增益。如此一來，電感電流L的平均值可維持全波整流後的正弦波波形，如圖3C所示。當然，本領域普通技術人員可根據不同的需求，使用其它方式產生檢測結果DET。 例如，功率因子校正裝置30還可整合檢測單元400在置位模塊350中，如圖4所示。檢測單元400用來根據第一觸發指令TRl及第二觸發指令TR2，判斷功率因子校正裝置30的運作模式，以產生檢測結果DET至乘法器338。除此之外，由於切換損失為功率因子校正裝置30操作在輕載(低負載電流)時的主要能量損失，導通損失為功率因子校正裝置30操作在重載(高負載電流)時的主要能量損失，本發明還根據負載狀態，調整功率因子校正裝置30操作在連續導通模式及非連續導通模式的比重。具體來說，功率因子校正裝置30可較佳地另包含負載感測單元500，如圖 5A所示，用來感測功率因子校正裝置30的負載電流Iui，以產生感測結果SEN至定時器354。 對應地，定時器354在感測結果SEN顯示負載電流Iui是重載時，縮短預設時間，以降低功率因子校正裝置30的導通損失。相反地，定時器3M在感測結果SEN顯示負載電流Iui是輕載時，延長預設時間，以降低功率因子校正裝置30的切換損失。換句話說，功率因子校正裝置30在負載電流I111是重載時，降低操作在邊界控制模式的比重，以降低導通損失，並在負載電流I111是輕載時，降低操作在定關閉時間控制模式的比重，以降低切換損失，如圖5B所
7J\ ο另外，復位模塊330還包含有補償電容337，用來補償閉迴路的穩定度並對比較結果COMP進行濾波。輸出模塊310包含有二極體312及輸出電容314，用來產生直流輸出電壓V0UTDe。較佳地，整流器300是二極體橋式(diode bridge)整流器，但不限於此。在公知技術中，功率因子校正裝置10具有高功率因子的優點及高導通損失的缺點。功率因子校正裝置20具有低導通損失的優點及電流波形失真(低功率因子)的缺點。 換句話說，無論是功率因子校正裝置10或功率因子校正裝置20，皆無法同時具有高功率因子及低導通損失的優點。相較之下，本發明通過同時使用功率因子校正裝置10、20的SR鎖存器「置位」觸發機制，整合功率因子校正裝置10、20，使得功率因子校正裝置30同時具有高功率因子及低導通損失的優點。換句話說，功率因子校正裝置30主要操作在定關閉時間控制模式，以降低導通損失，並在電感電流l·接近零時，切換至邊界控制模式，以避免波形失真。除此之外，本發明還根據負載電流Iui的變化，調整連續導通模式及非連續導通模式的比重，進而調整導通損失及切換損失的比重以達到效率最佳化。綜上所述，本發明通過同時使用定關閉時間控制模式及邊界控制模式對應的SR 鎖存器「置位」觸發機制，使得功率因子校正裝置同時具有高功率因子及低導通損失的優
點ο以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種功率因子校正裝置，其特徵在於，該功率因子校正裝置包含有整流器，用來將交流輸入電壓轉換為直流輸入電壓；輸出模塊，用來產生並輸出直流輸出電壓；中繼電感，耦接在該整流器及該輸出模塊之間；功率開關，包含有第一端耦接在該中繼電感與該輸出模塊之間，第二端耦接於電阻，以及第三端，用來根據該第三端所接收的信號，控制該第一端至該第二端的電連接；復位模塊，包含第一輸入端耦接在該整流器及該中繼電感之間，第二輸入端耦接於該輸出模塊，及第三輸入端耦接於該功率開關的該第二端，用來根據該直流輸入電壓、該直流輸出電壓及該功率開關的該第二端的電壓，產生復位指令；SR鎖存器，包含有置位端，復位端耦接於該復位模塊，以及輸出端耦接在該功率開關的該第三端，用來根據該置位端及該復位端的信號，在該輸出端輸出閂鎖結果；以及置位模塊，用來根據該中繼電感的電感電流或該閂鎖結果的變化，產生置位指令至該 SR鎖存器的該置位端。
2.如權利要求1所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該置位模塊包含有感應電感，耦接於地端，用來感應該中繼電感的電感電流的變化，以產生第一觸發指令；定時器，耦接在該功率開關的該第三端與該SR鎖存器的該輸出端之間，用來根據該閂鎖結果的變化，產生第二觸發指令；以及選擇單元，耦接於該感應電感、該定時器及該SR鎖存器的該置位端，用來根據該第一觸發指令或該第二觸發指令，產生該置位指令至該SR鎖存器的該置位端。
3.如權利要求2所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該感應電感在該中繼電感的該電感電流降低至零時，通過去磁化，產生該第一觸發指令。
4.如權利要求2所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該定時器在該中繼電感的該電感電流由上升轉換為下降時，開始計時，並在經過一預設時間後，產生該第二觸發指令。
5.如權利要求4所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該功率因子校正裝置還包含有負載感測單元，耦接於該輸出模塊、該置位模塊及該復位模塊，用來感測該功率因子校正裝置的負載電流，以產生感測結果至該定時器。
6.如權利要求5所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該定時器在感測結果顯示該負載電流是重載時，縮短該預設時間，以降低該功率因子校正裝置的導通損失。
7.如權利要求5所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該定時器在感測結果顯示該負載電流是輕載時，延長該預設時間，以降低該功率因子校正裝置的切換損失。
8.如權利要求2所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該選擇單元是或門，用來對該第一觸發指令及該第二觸發指令執行邏輯或運算，以產生該置位指令。
9.如權利要求2所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該選擇單元還耦接於該復位模塊，該選擇單元還用來根據該第一觸發指令或該第二觸發指令，判斷該功率因子校正裝置的運作模式，以產生檢測結果至該復位模塊。
10.如權利要求1所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該復位模塊包含有第一分壓電路，耦接於該整流器及該中繼電感，用來對該直流輸入電壓執行分壓運算， 以產生第一分壓電壓；第二分壓電路，耦接於該輸出模塊，用來對該直流輸出電壓執行分壓運算，以產生第二分壓電壓；誤差放大器，耦接於該第二分壓電路，用來比較該第二分壓電壓及參考電壓，以產生比較結果；乘法器，耦接於該第一分壓電路及該誤差放大器，用來對該第一分壓電壓及該比較結果執行乘法運算，以產生乘法結果；以及比較器，耦接於該功率開關、該乘法器及該SR鎖存器，用來比較該乘法結果及該功率開關的該第二端的電壓，產生該復位指令。
11.如權利要求10所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該功率因子校正裝置還包含有檢測單元，用來根據該第一觸發指令及該第二觸發指令，判斷該功率因子校正裝置的運作模式，以產生檢測結果至該復位模塊的該乘法器；其中，該乘法器還用來根據該檢測結果，補償增益，進而確保該電感電流的平均值在該功率因子校正裝置切換操作模式時，維持全波整流後的正弦波波形。
12.如權利要求11所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該乘法器在該檢測結果顯示該置位指令是由該第一觸發指令觸發時，切換該增益至雙倍增益。
13.如權利要求11所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該乘法器在該檢測結果顯示該置位指令是由該第二觸發指令觸發時，切換該增益至單倍增益。
14.如權利要求11所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該檢測單元是被整合在該置位模塊中。
15.如權利要求10所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該復位模塊還包含有補償電容，其一端耦接在該誤差放大器及該乘法器之間，另一端耦接於該地端，用來補償閉迴路穩定度並對該比較結果進行濾波。
16.如權利要求1所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該輸出模塊包含有二極體，其正偏端耦接於該中繼電感及該功率開關，負偏端耦接於該復位模塊；以及輸出電容，其一端耦接於該二極體的負偏端及該復位模塊，另一端耦接於地端，用來產生該直流輸出電壓。
17.如權利要求1所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該整流器是二極體橋式整流器。
18.如權利要求1所述的功率因子校正裝置，其特徵在於，該功率開關是金屬氧化物半導體電晶體，該第一端是漏極，該第二端是源極，以及該第三端是柵極。
全文摘要
一種功率因子校正裝置，包含有整流器，用來將交流輸入電壓轉換為直流輸入電壓；輸出模塊，用來產生並輸出直流輸出電壓；中繼電感，耦接在該整流器及該輸出模塊之間；功率開關，用來控制該中繼電感的電感電流及產生源極電壓；復位模塊，用來根據該直流輸入電壓、該直流輸出電壓及該源極電壓，產生復位指令；SR鎖存器，用來根據置位指令及該復位指令，輸出閂鎖結果；以及置位模塊，用來根據該電感電流或該閂鎖結果的變化，產生該置位指令。
文檔編號H02J3/18GK102195292SQ20101013319
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者謝致遠, 邱珦益 申請人:聯詠科技股份有限公司