具切換功能的功率因數校正裝置及其方法
2023-10-10 16:50:24 1
專利名稱：具切換功能的功率因數校正裝置及其方法
技術領域：
本發明是有關於一種具切換功能的功率因數校正裝置及其方法，尤指一種可依不同輸入電壓值而自動切換選擇兩電感間的連接組態，以獲得相對應電感總值的功率因數校正方法。
由於現代電氣化產業的快速發展，外加上環保安全潮流的意識抬頭，電氣化產品的環保規範便顯得如此不可缺少，為此各種環保或安全規章協定也一一出爐，對於電源供應器的需求及設計也是須符合國際電氣協會所設定的規範，例如從公元2001年元月1日起，在歐洲地區，抑制交流電流高頻諧波的EN61000-3-2規章便會生效，換言之所有功率消耗從數十瓦至數百瓦的電氣產品，如電視、個人電腦、監視器等專業電源供應器都會在EN61000-3-2的限制規範內。因此，為了要符合EN61000-3-2規章的限制規定，一般業界是使用一種主動式功率因數校正裝置設置於電源迴路之中，請參閱
圖1A，是為現有電源供應器的主動式功率因數校正迴路(PFC)示意圖；如圖所示，該主動式功率因數校正裝置10』是由控制IC、變壓器、切換電路及二極體等元件所組成，而串接於橋式整流器(由二極體D1、D2、D3及D4所組成)20』與濾波電容間，用以抑制該電源供應器內濾波電容C在交流電源充電程序時所產生的高頻諧波。雖然運用該校正裝置10』可得到最佳抑制高頻諧波效果，然而，由於該校正裝置10』是在高頻下進行切換操作，故容易引起嚴重的電磁波幹擾(EMI)，相對引起其他視訊產品的熒幕幹擾問題，且由於PFC內是使用IC晶片來控制其高頻載波，其製作成本居高不下，不具市場競爭力及產品利用性亦為具有待解決的問題。
為解決上述問題，業界則設計出另外一種被動式功率因數校正迴路；如圖1B所示，交流電源在輸入端L，(N)與橋式整流器(由二極體D1、D2、D3及D4所組成)間串接一電感器Lm，用以抑制該電源供應器內濾波電容C在交流電源充電時所產生的高頻諧波。此種被動式校正迴路雖可解決上述現有主動式校正迴路的問題。然而，由於國際上不同國家或地區所提供的電壓值並不一致，例如在日本為100伏特，而歐洲則為230伏特，故當產品銷售至日本時便需使用符合當地電壓值的電感器Lm1；反之，若銷售至歐洲地區時亦需要符合當地不同電壓值的電感器Lm2。根據實驗數據顯示，若當地提供電壓值為100伏特時，如日本，則因為其高頻諧波限制量可以用EN61000-3-2安規的限制量乘以2.3倍來換算，所以其限制相對較為寬鬆，故僅需使用約10mH的電感器即能符合當地環保安全規章的限制；反之，若當地提供電壓值為230伏特時，如歐洲地區，則約需使用40mH的電感器方能符合當地EN61000-3-2規章的限制。
為此，若欲在同一裝置內設計同時符合不同國家地區的電壓值環保規範協定，不僅可使用於日本等提供電壓值較小的國家，亦可使用於歐洲等提供電壓值較大的地區，則其電感器的選擇與使用便面臨兩難的困境。因為，提供電壓值為100伏特時，必須有較大的電流，故其電感器將需要較粗截面的繞線；而在230伏特使用地區時，則需較大的電感值，故其電感器必須有較多的繞線圈數，但因為如此則繞線總電阻值過大，若使用於100伏特供給電壓值的地區時，將使得濾波電容C產生嚴重的電壓降問題，因此其電感並不適用於100伏特供給電壓值的日本地區來使用。困此，上述現有產品必須在同一裝置內存在有兩種不同規格的電感器，再依照地區的不同而選擇使用哪一組電感器，而未被選擇的電感器則閒置不用，如此不僅將形成資源的浪費，更直接造成裝置體積的佔據空間過大，不利產品設計。
故，如何針對上述現有功率因數校正迴路所發生的問題提出一種新穎的解決方法及裝置，不僅不需因為不同國家或地區的電壓輸入值而更換不同的電感器，以作為限制其高頻諧波值之用，且同時可抑制電磁波幹擾的產生及降低製作成本的目的，長久以來一直是使用者殷切盼望及本發明人慾行解決的困難點所在。
本發明的主要目的，在於提供一種具切換功能的功率因數校正裝置及其方法，充分利用電感對稱排列組態的不同變化，換言之，即在電源供應器的交流迴路內設計兩個相對稱電感器，可因應輸入電壓值的不同而切換其串聯或並聯連接狀態，以達到所需求的電感值，藉此調節產品高頻諧波以符合歐洲地區的EN61000-3-2規格或其它地區的環保安全規定。
本發明的次要目的，在於提供一種具切換功能的功率因數校正裝置及其方法，其是在於輸入端設置一偵測電源電壓裝置，用以自動偵測其輸入電壓值，致使該功率因數校正迴路正確切換其兩電感器的連接狀態，達到可依當地所提供的電壓值而自動切換功率因教校正迴路電感值的目的。
本發明的又一目的，在於提供一種具切換功能的功率因數校正裝置及其方法，一裝置內僅需一內含二相對應電感的電感器即可，以適用於各地區的輸入電壓值，而裝置內的二電感皆需同時塔配使用，而無需如現有裝置一般必須有2組不同規格的電感器組，故不僅可縮小裝置的佔用體積、降低資源的浪費、及節省成本支出。
本發明的目的可以通過以下措施來達到一種具切換功能的功率因數校正裝置，其主要構造是包括有一電感器，內部至少包含有兩相等對稱擺置連接的電感，而該電感器的輸出端可連接一全波整流器；及一切換裝置，其輸入端連接一電源輸入源，而輸出端則連接該電感器，利用該切換裝置的切換動作可致使電感器內的二電感選擇串聯連接狀態及並聯連接狀態其中之一。
其中該電感器內二電感在電源輸入源的電壓值高過一預設值時是成串聯連接狀態，而低於該預設值時則切換成並聯連接狀態。
尚可包括有一電源電壓偵測裝置，設置於該切換裝置與電源輸入源之間，藉此自動偵測電源輸入源的電壓值而提供切換裝置一電氣訊號。
其中該電源電壓偵測裝置是至少包含有二串聯的電阻，並依序連接有一齊納二極體及一電晶體，當電源輸入源的電壓值高過一預設值時，可致使該齊納二極體及電晶體動作而產生該電氣訊號。
其中該切換裝置是為一雙刀雙投的繼電器。
其中該切換裝置是為一手動式開關器。
其中該電感器亦可直接以兩個獨立的電感器來構成取代。
一種具切換功能的功率因數校正方法，其主要實施步驟是包括有a.偵測所輸入的交流電源電壓值；b.一切換裝置依據該電源電壓值動作；及c.受控於該切換裝置動作，致使一電感器內的至少兩電感選擇切換成並聯連接狀態及串聯連接狀態的其中之一。
其中該步驟a中，是以一電源電壓偵測裝置自動偵測該輸入的電源電壓值。
其中該步驟a中，是以手動設定該輸入的電壓值。
其中該步驟b中是以手動方式選擇切換該切換裝置動作。
其中該步驟b及步驟C可為下列步驟比較電源電壓值是否高於一預設值；若是，則切換開關致使該電感器內的兩電感成串聯連接狀態；及若否，則切換開關致使該電感器內的兩感成並聯連接狀態。
茲為使了更清楚地對本發明的結構特徵及所達成的功效有更進一步的了解與認識，僅佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後圖示說明圖1A為一現有電源供應器的主動式功率因數校正迴路示意圖；圖1B為一現有電源供應器的被動式功率因數校正迴路示意圖；圖2為本發明一較佳實施例具切換功能的功率因數校正裝置的方塊示意圖；圖3為本發明一較佳實施例的功率因數校正方法實施流程圖；圖4為本發明一較佳實施例的電路圖；圖5為本發明又一實施例的電路圖；圖6A至圖6B為在未裝設本發明功率因數校正裝置時的交流電流(100伏特)高頻諧波長條示意圖及交流電壓/電流波形圖；圖6C至圖6D為在未裝設本發明功率因數校正裝置時的交流電流(230伏特)高頻諧波長條示意圖及交流電壓/電流波形圖；圖7A至第7B為在裝設本發明功率因數校正裝置後的交流電流(100伏特)高頻諧波長條示意圖及交流電壓/電流波形圖；及圖7C至第7D為在裝設本發明功率因數校正裝置後的交流電流(230伏特)高頻諧波長條示意圖及交流電壓/電流波形圖。
首先，請參閱圖2，是為本發明一較佳實施例具切換功能的功率因數校正裝置的方塊示意圖；如圖所示，功率因數校正裝置10包含有一電源電壓偵測裝置12，用以偵測該地區所提供輸入的交流電源電壓值，其輸出端則連接一切換裝置14，依據所偵測而得的一電壓值產生電氣變化，並切換選擇一連接電感器16內的至少二個電感的連接組態；其中該電感器16內的兩個電感是為由同面徑大小及纏線圈數相同的線圈纏繞而成，分別設置於一鐵芯的相對兩邊對稱擺置(當然其電感器亦可直接以兩個獨立的電感器取代)，故當輸入的交流電源經過該功率因數校正裝置10及全波整流器20而轉換成直流電源輸出時，該裝置10所產生的電感值將依其輸入的交流電源電壓值作適當的改變，因此可用以抑制該電源供應器內交流電源充電時高頻諧波的產生。
接著，請參閱圖3，為本發明一較佳實施例的功率因數校正方法實施流程圖；如圖所示，當輸入一交流電源至該功率因數校正裝置10時，電源電壓偵測裝置12將偵測所輸入的電源電壓值，如步驟310；判斷該電壓值為100伏特或為230伏特，如步驟320；若輸入的電壓值為100伏特時，則至步驟330，表示切換裝置14將該電感器16內的兩電感切換為並聯連接狀態，因此如果單一電感的電感值為20mH時，則其兩電感並聯後的電感值即為10mH，故可適用於如日本地區；反之若步驟320中是判斷所輸入的電壓為230伏特時，則進行步驟340，該電感器16內的兩電感將切換為串聯連接狀態，因此，同樣為20mH的兩電感串聯後，其電感值即為40mH，故可適用於如歐洲地區；最後，再經過全波整流器20的全波整流濾波作用，以輸出直流電源，如步驟350。
另外，請參閱圖4，是為本發明一較佳實施例的功率因數校正裝置電路圖；如圖所示，當一交流電源經由輸入端L(N)輸入後，將經過一電源電壓偵測裝置12，經由其內兩串聯電阻R1及R2的分壓作用後，再由一齊納二極體Dz控制並偵測該輸入電壓值，若當該輸入電源電壓值(如230伏特)高於齊納二極體Dz的一預設電壓值(如150伏特)時，則予以導通，接著促使電晶體Q導通，並電氣觸發一切換裝置14，而該切換裝置14是為一雙刀雙投式繼電器或其它切換開關，在平時狀態是設定為A點與B點相接及D點與E點相接的線路(如逆時針箭頭)，換言之即是將電感器16內的兩電感Lm設定為相互並聯線路。故當電感Lr電氣觸發後，該繼電器14內的B點將改為與C點相接，而E點則改與F點相接(如順時針箭頭)，此時該電感器16內的兩電感Lm將立即變為串聯連接狀態，如此，其總和電感量為2Lm，以適用於高電壓電源供給地區，如230伏特輸出的歐洲地區；最後再連接至一全波橋式整流器20(由二極體D1、D2、D3及D4所組成)及濾波電容CF的全波電流濾波作用後接至負載以輸出直流電源。
又，因為電感器16的兩電感Lm是預先設定為並聯狀態，故其總和電感量為1/2Lm，也就是說預先設定的輸入電壓值為100伏特，因此當使用地區如日本為100伏特低電壓供給國家時，其齊納二極體Dz及電晶體Q均不予導通，因此電感Lr亦不會產生一電氣訊號來切換裝置14及更改電感器16的內部兩電感連接狀態。再者，在輸入電壓值為100伏特時，由於兩個並聯電感可平均分攤原本輸入的較大電流，故可利用較細的線圈纏繞，致使其所需的鐵芯體積亦可選擇較小，因此裝置整體體積亦相對較小。
又，本發明電感器16內所設置的兩電感不管是在230伏特或100伏特狀態下皆予以同時搭配使用，不像現有裝置一般利用兩不相干的電感器來選擇其一而用，另一電感器則廢置不用，故不管是從體積大小或製作成本來考量，本發明技術皆較具市場競爭優勢。
當然，本發明的電源電壓偵測裝置12功能亦可改為使用者自行判斷，並利用一手動切換開關54來取代上述實施例的切換開關14，使用者因應該地區的實際供給電壓值來扳動手動切換開關54以切換選擇線路連接狀態(B點及E點是與A點及D點或C點及F點連接)，藉此同樣可達到上述實施例的功效及目的，如圖5所示。
最後，請參閱圖6A至圖7D，是分別為本發明功率因數校正裝置的裝設於迴路前、後時所產生的高頻諧波長條示意圖及交流電壓/電波波形圖。其中圖6A是為在供給電壓值為100伏特而未裝設功率因數校正裝置時的圖示，該圖號*所示即為日本地區電源供應器高頻諧波的限制規定量，而其長條圖即為實際測試所得的高頻諧波量，如圖可看出其皆超過安全規定量值，完全不符合其環保安全規定；在圖6B中，其上圖是為所輸入的交流電壓波形，可視為完美的正弦波，而下圖則為所輸入的交流電流波形，其尖端值較突出且集中，與輸入電壓波形較不符合，因此所產生的高頻諧波量較大。同理，在圖6C及圖6D中，是為在供給電壓值為230伏特(如歐洲地區)而未裝設功率因數校正裝置時的圖示，同樣可獲得其不符合EN61000-3-2規章高頻諧波限制規定量的結果。
反之，在圖7A及圖7B中，是為在裝設本發明功率因數校正裝置後而使用於如日本地區供給電壓值為100伏特時的圖示，由實驗圖示可明顯看出即使是測驗至第39階諧波時，本發明還是低於當地環保安全規章所規定的高頻諧波限制規定量；且其所輸入的交流電流波形亦相對較為平緩及契合所輸入的交流電壓波形圖，故其抑制高頻諧波產生量的效果亦十分顯著。同理，在圖7C及圖7D中，在本發明功率因數校正裝置裝設於迴路後，而使用於供給電壓值為230伏特(如歐洲地區)的實驗值圖示，亦可同樣得到其完全符合EN61000-3-2規章高頻諧波限制規定量的完美結果，因此兩相比較可證明本發明功率因數校正裝置的明顯功效。
綜上所述，本發明是有關於一種具切換功能的功率因數校正裝置及其方法，尤指一種可依輸入電源電壓值而自動切換的功率因數校正方法，不需因不同的電壓輸入值而更換不同的電感器以限制其高頻諧波值，且同時可降低電磁波的幹擾及節省製作成本。故本發明實為一富有新穎性、創造性、及可供產業利用功效，應符合專利申請要件無疑，故依法提出發明專利申請。
惟以上所述，僅為本發明的一較佳實例而已，並非用來限定本發明實施的範圍。故即凡依本發明申請專利範圍所述的形狀、構造、特徵及精神所為的均等變化與修飾，均應包括於本發明的申請專利範圍內。
權利要求
1·一種具切換功能的功率因數校正裝置，其特徵是其主要構造是包括有一電感器，內部至少包含有兩相等對稱擺置連接的電感，而該電感器的輸出端可連接一全波整流器；及一切換裝置，其輸入端連接一電源輸入源，而輸出端則連接該電感器，利用該切換裝置的切換動作可致使電感器內的二電感選擇串聯連接狀態及並聯連接狀態其中之一。
2·如權利要求1所述的具切換功能的功率因數校正裝置，其特徵是其中該電感器內二電感在電源輸入源的電壓值高過一預設值時是成串聯連接狀態，而低於該預設值時則切換成並聯連接狀態。
3·如權利要求1所述的具切換功能的功率因數校正裝置，其特徵是尚包括有一電源電壓偵測裝置，設置於該切換裝置與電源輸入源之間，藉此自動偵測電源輸入源的電壓值而提供切換裝置一電氣訊號。
4·如權利要求3所述的具切換功能的功率因數校正裝置，其特徵是其中該電源電壓偵測裝置是至少包含有二串聯的電阻，並依序連接有一齊納二極體及一電晶體，當電源輸入源的電壓值高過一預設值時，可致使該齊納二極體及電晶體動作而產生該電氣訊號。
5·如權利要求1所述的具切換功能的功率因數校正裝置，其特徵是其中該切換裝置是為一雙刀雙投的繼電器。
6·如權利要求1所述的具切換功能的功率因數校正裝置，其特徵是其中該切換裝置是為一手動式開關器。
7·如權利要求1所述的具切換功能的功率因數校正裝置，其特徵是其中該電感器亦直接以兩個獨立的電感器來構成取代。
8·一種具切換功能的功率因數校正方法，其特徵是其主要實施步驟是包括有a.偵測所輸入的交流電源電壓值；b.一切換裝置依據該電源電壓值動作；及c.受控於該切換裝置動作，致使一電感器內的至少兩電感選擇切換成並聯連接狀態及串聯連接狀態的其中之一。
9，如權利要求8所述的具切換功能的功率因數校正方法，其特徵是其中該步驟a中，是以一電源電壓偵測裝置自動偵測該輸入的電源電壓值。
10·如權利要求8所述的具切換功能的功率因數校正方法，其特徵是其中該步驟a中，是以手動設定該輸入的電壓值。
11·如權利要求10所述的具切換功能的功率因數校正方法，其特徵是其中該步驟b中是以手動方式選擇切換該切換裝置動作。
12·如權利要求8項所述的具切換功能的功率因數校正方法，其特徵是其中該步驟b及步驟C為下列步驟比較電源電壓值是否高於一預設值；若是，則切換開關致使該電感器內的兩電感成串聯連接狀態；及若否，則切換開關致使該電感器內的兩感成並聯連接狀態。
全文摘要
本發明是提供一種具切換功能的功率因數校正裝置及其方法,其主要構造,是包含有一電感器、一切換裝置及一電源電壓偵測裝置,其中電源電壓偵測裝置可連接一輸入電源,而輸出端則連接切換裝置,並依該電壓值而輸出不同的電氣訊號至該切換裝置,致使該電感器內的兩電感可由串聯連接狀態切換成並聯連接狀態或由並聯連接狀態切換成串聯連接狀態,以抑制其交流電流的高頻諧波值,且可同時降低電磁波的幹擾產生、縮減裝置體積及節省製作成本。
文檔編號H02J3/18GK1338800SQ0012158
公開日2002年3月6日 申請日期2000年8月14日 優先權日2000年8月14日
發明者何秉皇 申請人:誠洲股份有限公司