專利名稱：具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及關(guān)于一種交流對直流轉(zhuǎn)換器，特別是一種具泄漏感能量回送功能的單
級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)交流對直流轉(zhuǎn)換器常用的組合為，前級使用升壓式轉(zhuǎn)換器(Boostconverter)、降壓式轉(zhuǎn)換器(Buck converter)或升降壓式轉(zhuǎn)換器(Buck-boostconverter)作為功因修正電路，再搭配后級驅(qū)動電路，如前向式轉(zhuǎn)換器(Forwardconverter)或返馳式轉(zhuǎn)換器(Flyback converter)，達(dá)到電氣隔離并將輸出電壓轉(zhuǎn)換至設(shè)定準(zhǔn)位，使電壓穩(wěn)定操作來驅(qū)動負(fù)載。在傳統(tǒng)兩級式的架構(gòu)下，因需要兩組獨(dú)立控制的轉(zhuǎn)換器電路，因此電路成本較高；同時兩次的功率轉(zhuǎn)換也會造成電路效率降低。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)所揭露的含升降壓電路(Buck-Boost PFC)及返馳式轉(zhuǎn)換器(Flyback converter)的雙級式高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器，由返馳式轉(zhuǎn)換器及升降壓電路構(gòu)成。包括有一濾波電路110，用以對交流電源Vac進(jìn)行濾波，濾波電路110由濾波電感Lf及濾波電容Cf組成。濾波后的電源則由二極管Drl、 Dr2、 Dr3、 Dr4所組成的整流電路120進(jìn)行整流。升降壓電路130系由電感Lb、電容Cdc、以及二極管D組成，另還有一個開關(guān)S1。返馳式轉(zhuǎn)換器140利用開關(guān)S2高頻切換，從電容Cdc汲取能量，并通過變壓器T將能量傳送到二次側(cè)，達(dá)到改變電壓準(zhǔn)位與電氣隔離的效果。升降壓電路130則利用開關(guān)SI高頻切換，控制輸入電流，達(dá)成功因修正的效果。輸出整流器Do與輸出電容Co則用來濾波。 圖2為現(xiàn)有技術(shù)所揭露的升降壓電路(Buck-Boost PFC)及順向式轉(zhuǎn)換器(Forward converter)的雙級式高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器，由升降壓電路(Buck-Boost PFC)及順向式轉(zhuǎn)換器(Forward converter)組成。與圖l類似，所以相類似的組件使用相同的標(biāo)號。 順向式轉(zhuǎn)換器141利用開關(guān)S2高頻切換，從電容Cdc汲取能量，并通過變壓器將能量傳送到二次側(cè)，達(dá)到改變電壓準(zhǔn)位與電氣隔離的效果。降升壓式功因修正電路則利用開關(guān)S1高頻切換，控制輸入電流，達(dá)成功因修正的效果。 目前所發(fā)展出的功因修正電路，工作頻率從數(shù)十至數(shù)百kHz，允許輸入電源和負(fù)載在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，可將諧波失真抑制到幾乎不存在，功因也幾近于一。直流對直流轉(zhuǎn)換器的基本電路架構(gòu)根據(jù)儲能電感與主動開關(guān)的相對位置可分為降壓式、升壓式、升降壓式、邱克式(Wk converter) 、 SEPIC式及Zeta式等六種。其中，又以升壓式及升降壓式的電路架構(gòu)較易于達(dá)到功因修正的目的。無論將儲能電感的電流工作于連續(xù)電流模式(Conti皿ous-Current-Mode， CCM)或不連續(xù)電流模式(Disconti皿ous-Current-Mode，DCM)，均可達(dá)到高功因修正的目的。對于同樣的輸出功率而言，電感工作于不連續(xù)電流模式較連續(xù)電流模式有較大的峰值電流，功率越大，峰值電流越大，電路的切換損失亦隨之增
3加。因此，連續(xù)電流模式較適合應(yīng)用于大功率輸出。然而，當(dāng)電感工作于連續(xù)電流模式時，控制電路必須隨時偵測輸入電壓、電感電流和輸出電壓的關(guān)系，電路較為復(fù)雜，且在每個輸入電壓周期內(nèi)，其開關(guān)切換頻率與責(zé)任周期必須一直改變，若考慮將功因修正電路與后級轉(zhuǎn)換器整合成單級架構(gòu)時，兩者開關(guān)組件的切換頻率與責(zé)任周期必須一致。因此當(dāng)功因修正電路工作于連續(xù)電流模式時，較不利于與后級轉(zhuǎn)換器整合；相反地，對于升降壓式轉(zhuǎn)換器，若開關(guān)組件的切換頻率與責(zé)任周期在每一輸入電源周期內(nèi)均保持固定，則讓電感工作于不連續(xù)電流模式即可輕易達(dá)成功因修正的功能。 然而，在實(shí)際使用返馳式轉(zhuǎn)換器時，因?yàn)榉雕Y式轉(zhuǎn)換器的電路工作原理及設(shè)計(jì)方式，會使得變壓器泄漏電感(Leakage Inductor)比較大。因此，儲存在變壓器泄漏電感內(nèi)的能量也會較多。在圖1中，返馳式轉(zhuǎn)換器的主動開關(guān)S2截止，將能量送至變壓器二次側(cè)的同時，變壓器一次側(cè)泄漏電感內(nèi)儲存的能量沒有路徑宣泄。此時會產(chǎn)生很大的突波，造成較大的電路損失，使得電路效率降低。因此，近年來許多學(xué)者先進(jìn)致力于宣泄儲存于變壓器一次側(cè)泄漏電感內(nèi)能量的研究，也提出了許多方法。例如一種被稱為「主動箝位(ActiveClamp)」的技術(shù)。主動箝位技術(shù)是利用箝位電容捕獲儲存于變壓器一次側(cè)泄漏電感內(nèi)的泄漏能量，通過系統(tǒng)把它再次循環(huán)送到負(fù)載并回到輸入端，從而產(chǎn)生接近無損耗的緩沖器。這可解決返馳式轉(zhuǎn)換器泄漏電感的問題，大幅的提升電路效率。但主動箝位技術(shù)至少必須加入一個主動開關(guān)和一個電容器，會使得電路成本提高，且控制上也較為復(fù)雜。
此夕卜，圖1與圖2的設(shè)計(jì)需要兩組控制電路以及兩個主動開關(guān)，也會增加電路成本。

發(fā)明內(nèi)容
為改善目前的交流對直流轉(zhuǎn)換器，使其具備高功因、高電路效率，同時達(dá)到減少電路組件，降低成本的目的，本發(fā)明將升降壓電路與返馳式轉(zhuǎn)換器或者順向式轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整合，提出一單級高功因隔離型交流對直流(AC-to-DC， AC/DC)轉(zhuǎn)換器，并利用此電路做為負(fù)載(例如LED)的驅(qū)動電路，來達(dá)到功因修正、提升效率并降低電路成本的目的。根據(jù)本發(fā)明所揭露的實(shí)施例所提出的單級轉(zhuǎn)換器電路，可將電路中的變壓器泄漏電感上能量的回送到輸入電容上，進(jìn)而提升轉(zhuǎn)換效率。 根據(jù)本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器，包括有一升降壓電路，用對一電源進(jìn)行升壓或降壓；一變壓器，與該升降壓電路電性連接，用以轉(zhuǎn)換該升壓或降壓的電源；一開關(guān)，與該升降壓電路電性連接；一輸入電容，與該升降壓電路電性連接；以及一輸出電路，用以輸出該變壓器轉(zhuǎn)換后的電源；其中當(dāng)該開關(guān)截止時，該升降壓電路提供一能量回復(fù)路徑，以將儲存該變壓器的一泄漏電感內(nèi)的能量回送至該輸入電容。 本發(fā)明利用能量回復(fù)路徑將儲存于返馳式轉(zhuǎn)換器或順向式轉(zhuǎn)換器中的變壓器泄漏電感內(nèi)的能量回送至輸入電容。通過這種方式，不必再外加其它組件，就能解決返馳式轉(zhuǎn)換器或順向式轉(zhuǎn)換器中的變壓器的泄漏電感問題，進(jìn)而提升電路效率。 根據(jù)本發(fā)明所揭露的實(shí)施例的交流對直流轉(zhuǎn)換電路，除具備有電氣隔離的優(yōu)點(diǎn)，并可達(dá)成高功因、高效率及低成本(減少電路組件)的產(chǎn)業(yè)需求。 根據(jù)本發(fā)明所揭露的實(shí)施例，除了符合安規(guī)的功因修正(PFC)要求外，并可通過變壓器可達(dá)成電氣隔離(符合安規(guī))、多繞組輸出及調(diào)整電壓準(zhǔn)位的功能，可適用于各種不同的交流電壓，避免當(dāng)市電電壓不穩(wěn)或驟降時造成輸出不穩(wěn)定的情形。另將功因修正電路與功率轉(zhuǎn)換電路整合成單級轉(zhuǎn)換器電路，可簡化電路結(jié)構(gòu)并減少使用的組件數(shù)，進(jìn)而達(dá)到降低成本的目的。 根據(jù)本發(fā)明所揭露的實(shí)施例將功因修正電路與功率轉(zhuǎn)換電路整合成單級轉(zhuǎn)換器電路，因減少一級功率轉(zhuǎn)換，可達(dá)到提升轉(zhuǎn)換效率的目的。相較于雙級式架構(gòu)，單級式架構(gòu)的電路易于控制，且兩次LC濾波，輸出漣波電壓很小。 以上關(guān)于本發(fā)明內(nèi)容的說明及以下的實(shí)施方式的說明是用以示范與解釋本發(fā)明的精神與原理，并且提供本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍的更進(jìn)一步的解釋。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)所揭露的含升降壓電路(Buck-Boost PFC)及返馳式轉(zhuǎn)換器(Flyback converter)的雙級式高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)所揭露的升降壓電路(Buck-Boost PFC)及順向式轉(zhuǎn)換器(Forward converter)的雙級式高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器； 圖3為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的一實(shí)施例； 圖4A圖至圖4E為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的各工作模式的等效電路，其中升降壓電路及返馳式轉(zhuǎn)換器皆操作于不連續(xù)電流模式； 圖5A至圖5B為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的理論波形，其中升降壓電路及返馳式轉(zhuǎn)換器皆操作于不連續(xù)電流模式；
圖6A至圖6C為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的各工作模式的等效電路，其中當(dāng)升降壓電路與操作在不連續(xù)電流模式，返馳式轉(zhuǎn)換器操作在連續(xù)電流模式下； 圖7為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的理論波形，其中當(dāng)升降壓電路與操作在不連續(xù)電流模式，返馳式轉(zhuǎn)換器操作在連續(xù)電流模式下； 圖8A至圖8B，為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例； 圖9A至圖9B，為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例； 圖10為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例； 圖IIA至圖IIE為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例的各工作模式的等效電路，其中升降壓電路的電感工作在不連續(xù)電流模式； 圖12A至圖12B為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例的理論波形，其中升降壓電路的電感工作在不連續(xù)電流模式； 圖13A至圖13C為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例的各工作模式的等效電路，其中升降壓電路操作在不連續(xù)電流模式順向式轉(zhuǎn)換器操作在連續(xù)電流模式； 圖14為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例的理論波形，其中升降壓電路操作在不連續(xù)電流模式順向式轉(zhuǎn)換器操作在連續(xù)電流模式； 圖15A至圖15B為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例； 圖16A至圖16B為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例。主要組件符號說明110.................................濾波電路120.................................整流電路130.................................升降壓電路140.................................返馳式轉(zhuǎn)換器141.................................順向式轉(zhuǎn)換器210.................................濾波電路220.................................整流電路230.................................升降壓電路240.................................輸出電路250.................................負(fù)載310.................................濾波電路320.................................整流電路330.................................升降壓電路340.................................輸出電路350.................................負(fù)載Vac.................................交流電源Lf....................................濾波電感Cf...................................濾波電容Drl................................. 一極管Dr2................................. 一極管Dr3................................. 一極管Dr4................................. 一極管Sl...................................開關(guān)S2...................................開關(guān)Lb...................................電感Cdc.................................電容Do..................................輸出整流器
Dol................................輸出整流器 Do2................................輸出整流器 Co..................................輸出電容 Lo..................................輸出電感 LI...................................電感 CI...................................電容 Cin..................................輸入電容 Db..................................整流器 Cin..................................輸入電容 Dx..................................整流器 Dy..................................整流器 Vrec..............................輸入電壓 Irec.................................電流 Vgs.................................跨壓 T.....................................變壓器 Tb...................................變壓器 Tf....................................變壓器 iLl..................................電感電流 iLml...............................電感電流 iLm2...............................電感電流 iLlk.................................電感電流 iLo..................................電感電流 Lml................................激磁電感 Lm2................................激磁電感 Llk..................................變壓器泄漏電感
具體實(shí)施例方式
以下在實(shí)施方式中詳細(xì)敘述本發(fā)明的詳細(xì)特征以及優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)容足以使任何熟悉
相關(guān)技術(shù)的人了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，且根據(jù)本說明書所揭露的內(nèi)容、權(quán)利要
求保護(hù)范圍及附圖，任何熟悉相關(guān)技術(shù)的人可輕易地理解本發(fā)明相關(guān)的目的及優(yōu)點(diǎn)。以下
的實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的觀點(diǎn)，但非以任何觀點(diǎn)限制本發(fā)明的范疇。 請參考圖3，為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流
對直流轉(zhuǎn)換器，其應(yīng)用于返馳式變壓器，以驅(qū)動負(fù)載250。在一示例性的實(shí)施例中，其由一濾
波電路210、整流電路220、一輸入電容Cin、一升降壓電路230、一開關(guān)Sl、一變壓器Tb、以
及一輸出電路240組成。在此實(shí)施例中，開關(guān)Sl、變壓器Tb與輸出電路240組成返馳式轉(zhuǎn)換器。 其中升降壓電路230，用對一電源進(jìn)行升壓或降壓，這個電源，在此實(shí)施例是將交流電源Vac先由濾波電路210濾波后再由整流電路220整流后的電源。升降壓電路230由一電感Ll、一電容Cl與整流器Db組成，其中電感Ll與電容Cl串聯(lián)，整流器Db與串聯(lián)后的電感LI與電容CI并聯(lián)。變壓器Tb，與升降壓電路230電性連接，用以轉(zhuǎn)換該升壓或降壓的電源。開關(guān)S1，與升降壓電路230電性連接。輸入電容Cin，與升降壓電路230電性連接。輸出電路240，用以輸出該變壓器Tb轉(zhuǎn)換后的電源給負(fù)載250。其中當(dāng)開關(guān)SI截止時，升降壓電路230提供一能量回復(fù)路徑，以將儲存變壓器Tb的一泄漏電感內(nèi)的能量回送至輸入電容Cin。能量回復(fù)路徑則系由整流器Db形成。在一實(shí)施例中可使用二極管，當(dāng)然也可使用BJT、MOSFET、 SCR等經(jīng)過適當(dāng)?shù)陌才藕笠跃哂姓鞴δ艿慕M件。 濾波電路210由濾波電感Lf與濾波電容Cf組成，是用來消除轉(zhuǎn)換器的輸入電流的高頻成分，使輸入電流呈與輸入電壓相位相同的低頻正弦波。 整流電路220由至少一個以上的整流器組成。在此實(shí)施例中由二極管Drl Dr4組成一全橋整流電路，當(dāng)然也可應(yīng)用其它形式的整流電路。除了二極管外，可也使用其它例如BJT、 MOSFET、 SCR等組件來組成整流電路。 此外，Lml及Lm2分別為返馳式轉(zhuǎn)換器(Flyback)的變壓器一次側(cè)及二次側(cè)激磁電感。Llk為返馳式轉(zhuǎn)換器(Flyback)的變壓器反射至一次側(cè)的總泄漏電感(LeakageInductor)。 輸出電路240則由輸出整流器(例如二極管)Do為與輸出電容Co組成。整流器
Do也可使用BJT、MOSFET、 SCR等經(jīng)過適當(dāng)?shù)陌才藕笠跃哂姓鞴δ艿慕M件。 本發(fā)明所揭露的交流對直流轉(zhuǎn)換器將升降壓電路與返馳式轉(zhuǎn)換器結(jié)合，并利用升
降壓電路的飛輪整流器(Free-Wheeling Rectifier)最為能量回復(fù)路徑，此實(shí)施例中為一
般較常用的二極管(Free-Wheeling Diode)以將儲存于返馳式轉(zhuǎn)換器的變壓器泄漏電感內(nèi)
的能量回送至輸入電容。通過這種方式，不必再外加其它組件，并可減少開關(guān)的使用，就能
解決返馳式轉(zhuǎn)換器變壓器的泄漏電感問題，進(jìn)而提升電路效率。在實(shí)施例中以二極管作為
示例性說明，當(dāng)然以其它組件例如BJT、MOSFET、 SCR也可以作為整流器的選擇。 接下來將分析本發(fā)明所提出的單級高功因隔離型返馳式交流對直流轉(zhuǎn)換器的工
作原理。由于濾波電路210中的濾波電感Lf 、濾波電容Cf的用途僅為濾除轉(zhuǎn)換器輸入電流
的高頻成分，對轉(zhuǎn)換器的動作并不造成任何影響，故在分析時將之忽略。 為了達(dá)到功因修正的目的，使升降壓電路的電感Ll工作在不連續(xù)電流模式，而返
馳式轉(zhuǎn)換器不受此限，可操作在不連續(xù)電流模式或連續(xù)電流模式之下。當(dāng)升降壓電路及返
馳式轉(zhuǎn)換器皆操作在不連續(xù)電流模式下，于每一個高頻周期內(nèi)，根據(jù)功率開關(guān)組件及二極
管的導(dǎo)通狀態(tài)，電路可區(qū)分成四個工作模式。各工作模式的等效電路如圖4A圖至圖4E，理
論波形如圖5A至圖5B。為了簡化電路示意，在圖4A圖至圖4E中以Vrec代表經(jīng)過整流后
電源，因此省略了濾波電感Lf 、濾波電容Cf以及二極管Drl、 Dr2、 Dr3、 Dr4的繪示。此夕卜，
為了閱讀方便亦省略了其它的標(biāo)號，并且每一模式中尚未動作的組件以虛線表示。在此及
之后說明書，Vgs表示開關(guān)Sl的跨壓。Irec代表經(jīng)過整流后的電流。 (1)工作模式I (開關(guān)Sl導(dǎo)通) 當(dāng)開關(guān)Sl導(dǎo)通，整流后的輸入電壓Vrec跨在電感Ll上，電感電流iLl從零開始線性增加，電流iLl增加的速度與輸入電壓Vrec成正比。同時，升降壓電路的電容Cl上的電壓跨在變壓器Tb的一次側(cè)的激磁電感Lml上，一次側(cè)電感電流iLml亦從零開始線性增加。此時，電感電流iLl和電感電流iLml同時流經(jīng)開關(guān)S1。開關(guān)S1截止的瞬間，電感電流iLl和電感電流iLml都到達(dá)這個周期的峰值。
(2)工作模式II (開關(guān)SI截止) 當(dāng)開關(guān)S1截止，電感L1維持電流路徑，通過整流器Db將儲存在電感Ll內(nèi)的能量 釋放到電容Cl，電感電流iLl從峰值開始下降。同時，返馳式轉(zhuǎn)換器也將能量耦合至變壓器 二次側(cè)，并將能量釋放給輸出電容Co，耦合后的二次側(cè)電感電流iLm2亦從峰值開始下降。 另外，此時也會通過整流器Db將儲存于返馳式轉(zhuǎn)換器的變壓器泄漏電感Llk內(nèi)的能量回送 至輸入電容Cin。 由于此時升降壓電路及返馳式轉(zhuǎn)換器皆操作于不連續(xù)電流模式，再加上電感電流 iLl的峰值與輸入電壓成正比關(guān)系，故電感電流iLl可能比電感電流iLm2早下降至零；也 可能比電感電流iLm2晚下降至零。當(dāng)電感電流iLm2下降至零時電感電流iLl仍未下降至 零，進(jìn)入工作模式III-a ;而當(dāng)電感電流iLl下降至零時電感電流iLm2仍未下降至零，則進(jìn) 入工作模式III-b。 (3)工作模式111-a (輸入電壓較高時) 在工作模式III-a，電感電流iLm2于工作模式II時降到零，電感電流iLl持續(xù)下 降，由于電感LI工作在不連續(xù)電流模式，因此，在開關(guān)SI再次導(dǎo)通前，電感電流iLl會先遞 減到零，此時即進(jìn)入工作模式IV。
(4)工作模式III-b(輸入電壓較低時) 由于電感電流iLl已于工作模式II時降到零，且設(shè)計(jì)Lm2亦工作在不連續(xù)電流模 式，故此時只剩下電感電流iLm2持續(xù)下降，一旦電感電流iLm2也下降到零，即進(jìn)入工作模 式IV。 (5)工作模式IV: 此時電感Ll和電感Lml都已沒有電流流過，只剩下輸出電容Co提供能量給負(fù)載 250。當(dāng)開關(guān)Sl再次導(dǎo)通，電路即重復(fù)工作模式I的動作情形。 當(dāng)升降壓電路操作在不連續(xù)電流模式，返馳式轉(zhuǎn)換器操作在連續(xù)電流模式下，于 每一個高頻周期內(nèi)，根據(jù)功率開關(guān)組件及二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，電路可分成三個工作模式。各 工作模式的等效電路如圖6A至圖6C，理論波形如圖7。
(1)工作模式I (開關(guān)Sl導(dǎo)通) 當(dāng)開關(guān)Sl導(dǎo)通，整流后的輸入電壓Vrec跨在電感Ll上，電感電流iLl從零開始 線性增加，電感電流iLl增加的速度與輸入電壓成正比。同時，升降壓電路的電容C1上的 電壓跨在返馳式轉(zhuǎn)換器的變壓器Tb —次側(cè)的激磁電感Lml上，一次側(cè)電感電流iLml亦開 始線性增加。此時，電感電流iLl和電感電流iLml同時流經(jīng)開關(guān)Sl。開關(guān)Sl截止的瞬間， 電感電流iLl和電感電流iLml都到達(dá)這個周期的峰值。
(2)工作模式II (開關(guān)Sl截止) 當(dāng)開關(guān)Sl截止，電感Ll維持電流路徑，通過整流器Db將儲存在電感Ll內(nèi)的能量 釋放到電容Cl，電感電流iLl從峰值開始下降。同時，返馳式轉(zhuǎn)換器也將能量耦合至變壓器 Tb的二次側(cè)，并將能量釋放給輸出電容Co，耦合后的二次側(cè)電感電流iLm2亦開始下降。另 外，此時也會通過整流器Db將儲存于返馳式轉(zhuǎn)換器的變壓器泄漏電感內(nèi)的能量回送至輸 入電容Cin。因?yàn)榇藭r升降壓電路操作于不連續(xù)電流模式，返馳式轉(zhuǎn)換器操作于連續(xù)電流模 式，因此只有電感電流iLl會下降至零。當(dāng)電感電流iLl下降至零時，進(jìn)入工作模式III。
(3)工作模式III(電感電流iLl下降至零后)
由于電感電流iLl已于工作模式II時降到零，此時電感電流iLm2持續(xù)下降，當(dāng)開 關(guān)SI再次導(dǎo)通，電路即重復(fù)工作模式I的動作情形。 如將升降壓電路設(shè)計(jì)操作在不連續(xù)電流模式，則返馳式轉(zhuǎn)換器無論是操作在不連 續(xù)電流模式或連續(xù)電流模式，皆不影響原先所預(yù)期的電路功能(功因修正、電氣隔離、調(diào)整 電壓準(zhǔn)位...等等)。此外，變壓器的泄漏電感Llk理論上會遠(yuǎn)小于變壓器的激磁電感，因 此泄漏電感Llk上所儲存的能量會在很短的時間內(nèi)釋放到輸入電容Cin。在一具體的實(shí)施 例中，開關(guān)S1的截止時間要大于四分之一的泄漏電感Llk及輸入電容Cin諧振周期，就能 確保泄漏電感Llk上的能量可完全送回輸入電容Cin。 在本發(fā)明的實(shí)施例中，為了達(dá)成功因修正的功能，設(shè)計(jì)電感L1操作于不連續(xù)電流 模式，當(dāng)開關(guān)的責(zé)任周期(Duty Ratio)小于50%時，電容Cl上的電壓可低于輸入電壓。在 開關(guān)截止后，由于設(shè)計(jì)電感L1操作于不連續(xù)電流模式，所以電感電流iLl會在開關(guān)S1再次 導(dǎo)通前降為零。 一旦電容Cl上的電壓大于輸入電壓的峰值，則VCl-Vin會反向跨在電感Ll 上，使電感電流iLl變成負(fù)值，這樣可能會造成電路動作不正常。若有發(fā)生此情形，可于電 感Ll的任一側(cè)串接一個整流器Dx，例如二極管，圖8A至圖8B所示，以阻絕發(fā)生電感電流 iLl反向的可能性。 若設(shè)計(jì)返馳式轉(zhuǎn)換器(Flyback)操作于不連續(xù)電流模式，由于電感電流iLl的峰 值與輸入電壓成正比關(guān)系，故電感電流iLl可能比電感電流iLlk早下降至零；也可能比電 感電流iLlk晚下降至零。當(dāng)電感電流iLlk就比電感電流iLl早下降到零，此時電感電流 iLl流經(jīng)整流器Db并對電容C1充電。 一旦整流器Db導(dǎo)通，輸入電容Cin上的輸入電壓 Vrec(整流后的輸入電壓)會反向跨在變壓器Tb的一次側(cè)，使電感電流iLml變成負(fù)值，這 樣可能會造成電路動作不正常。若有發(fā)生此情形，可于變壓器Tb的一次側(cè)的兩側(cè)的任一側(cè) 串接一個整流器Dy，例如二極管，圖9A至圖9B所示，阻絕發(fā)生電感電流iLml反向的可能 性。圖8A至圖8B與圖9A至圖9B分別串接整流器Dy，在另一實(shí)施例中亦可在電感Ll的任 一側(cè)與變壓器Tb的一次側(cè)的兩側(cè)的任一側(cè)同時都串接一個整流器。 請參考圖IO，為本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流 對直流轉(zhuǎn)換器，其系應(yīng)用于順向式變壓器，以驅(qū)動負(fù)載350。在一示例性的實(shí)施例中，其系由 一濾波電路310、整流電路320、一輸入電容Cin、一升降壓電路330、一變壓器Tf 、以及一輸 出電路340組成。在此實(shí)施例中，開關(guān)Sl、變壓器Tf與輸出電路340組成順向式轉(zhuǎn)換器。
其中升降壓電路330，用對一電源進(jìn)行升壓或降壓，這個電源，在此實(shí)施例是將交 流電源Vac先由濾波電路310濾波后再由整流電路320整流后的電源。升降壓電路330系 由一電感L1與一電容C1組成。變壓器Tf，與升降壓電路電性連接，用以轉(zhuǎn)換該升壓或降壓 的電源。開關(guān)S1 ，與升降壓電路330電性連接。輸入電容Cin，與該升降壓電路電性連接。輸 出電路340，用以輸出該變壓器Tf轉(zhuǎn)換后的電源。其中當(dāng)開關(guān)Sl截止時，升降壓電路330提 供一能量回復(fù)路徑，以將儲存變壓器Tb的一泄漏電感內(nèi)的能量回送至輸入電容Cin。能量 回復(fù)路徑則系由整流器Db形成。在一實(shí)施例中可使用二極管，當(dāng)然也可使用BJT、MOSFET、 SCR等經(jīng)過適當(dāng)?shù)陌才藕笠跃哂姓鞴δ艿慕M件。 濾波電路310系由濾波電感Lf與濾波電容Cf組成，是用來消除轉(zhuǎn)換器輸入電流 的高頻成分，使輸入電流呈與輸入電壓相位相同的低頻正弦波。 整流電路320系由至少一個以上的整流器組成。在此實(shí)施例中系由二極管Dr1 Dr4組成一全橋整流電路，當(dāng)然也可應(yīng)用其它形式的整流電路。除了二極管外，可也使用其 它例如BJT、 M0SFET、 SCR等組件來組成整流電路。 此外，Lml及Lm2分別為順向式轉(zhuǎn)換器(Forward)的變壓器一次側(cè)及二次側(cè)激 磁電感。Llk為順向式轉(zhuǎn)換器(Forward)的變壓器反射至一次側(cè)的總泄漏電感(Leakage Inductor)。 輸出電路340則輸出整流器(例如二極管)Dol、 Do2、輸出電感Lo與輸出電容Co 組成。輸出整流器Do也可使用BJT、MOSFET、SCR等經(jīng)過適當(dāng)?shù)陌才藕笠跃哂姓鞴δ艿慕M 件。 接下來將分析本發(fā)明所提出的單級高功因隔離型順向式交流對直流轉(zhuǎn)換器的工 作原理。由于濾波電路310中的濾波電感Lf 、濾波電容Cf的用途僅為濾除轉(zhuǎn)換器輸入電流 的高頻成分對轉(zhuǎn)換器的動作并不造成任何影響，故在分析時將之忽略。
為了達(dá)到功因修正的目的，將升降壓電路的電感L1設(shè)計(jì)工作在不連續(xù)電流模式，
而順向式轉(zhuǎn)換器不受此限，可操作在不連續(xù)電流模式或連續(xù)電流模式之下。當(dāng)升降壓電路 及順向式轉(zhuǎn)換器皆操作在不連續(xù)電流模式時，于每一個高頻周期內(nèi)，根據(jù)功率開關(guān)組件及 二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，電路可區(qū)分成四個工作模式。各工作模式的等效電路如圖IIA至圖 IIE，理論波形如圖12A至圖12B。
(1)工作模式I(Sl導(dǎo)通) 當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通，整流后的輸入電壓跨在電感L1上，電感電流iLl從零開始線性增 力口，電感電流iLl增加的速度與Vrec輸入電壓成正比。同時，升降壓電路電容Cl上的電壓 跨在順向式轉(zhuǎn)換器的變壓器Tf一次側(cè)的激磁電感Lml上，并將能量耦合至順向式轉(zhuǎn)換器的 變壓器Tf 二次側(cè)的輸出電感Lo及電容Co。電感電流iLo亦從零開始線性增加，同時電感 電流iLml隨著變壓器感應(yīng)一個與電感電流iLo正比的電流(依變壓器匝數(shù)比例)。此時， 電感電流iLl和電感電流iLml同時流經(jīng)開關(guān)Sl。開關(guān)Sl截止的瞬間，電感電流iLl和電 感電流iLo(電感電流iLml)都到達(dá)這個周期的峰值。
(2)工作模式II(Sl截止) 當(dāng)開關(guān)Sl截止，電感Ll維持電流路徑，通過整流器Db將儲存在電感Ll內(nèi)的能量 釋放到電容Cl，電感電流iLl從峰值開始下降。同時，輸出電感Lo通過輸出整流器Do2將 能量傳送到輸出電容Co，電感電流iLo亦從峰值開始下降。另外，此時也會通過整流器Db 對順向式轉(zhuǎn)換器的變壓器Tf進(jìn)行消磁作用，并將能量回送至輸入電容Cin。由于此時升降 壓電路及順向式轉(zhuǎn)換器皆工作于不連續(xù)電流模式，再加上電感電流iLl的峰值與輸入電壓 成正比關(guān)系，故電感電流iLl可能比電感電流iLo早下降至零；也可能比電感電流iLo晚下 降至零。當(dāng)電感電流iLo下降至零時電感電流iLl仍未下降至零，進(jìn)入工作模式III-a ;而 當(dāng)電感電流iLo下降至零時電感電流iLm2仍未下降至零，則進(jìn)入工作模式III-b。
(3)工作模式III-a(輸入電壓較高時) 在工作模式III-a，電感電流iLo于工作模式II時降到零，電感電流iLl持續(xù)下 降，由于電感Ll工作在不連續(xù)電流模式，因此，在開關(guān)Sl再次導(dǎo)通前，電感電流iLl會先遞 減到零，此時即進(jìn)入工作模式IV。
(4)工作模式III-b(輸入電壓較低時) 由于電感電流iLl已于工作模式II時降到零，且設(shè)計(jì)電感Lo亦工作在不連續(xù)電流模式，故此時只剩下電感電流iLo持續(xù)下降，一旦電感電流iLo也下降到零，即進(jìn)入工作 模式IV。 (5)工作模式IV: 此時電感LI和輸出電感Lo都已沒有電流流過，只剩下輸出電容Co提供能量給負(fù) 載。當(dāng)開關(guān)SI再次導(dǎo)通，電路即重復(fù)工作模式I的動作情形。 當(dāng)升降壓電路操作在不連續(xù)電流模式，順向式轉(zhuǎn)換器操作在連續(xù)電流模式時，于 每一個高頻周期內(nèi)，根據(jù)功率開關(guān)組件及二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，電路可分成三個工作模式。各 工作模式的等效電路如圖13A至圖13C，理論波形如圖14。
(1)工作模式I(Sl導(dǎo)通) 當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通，整流后的輸入電壓跨在電感L1上，電感電流iLl從零開始線性增 力口，電感電流iLl增加的速度與輸入電壓Vrec成正比。同時，升降壓電路電容CI上的電壓 跨在順向式轉(zhuǎn)換器變壓器一次側(cè)的激磁電感Lml上，并將能量耦合至順向式轉(zhuǎn)換器二次側(cè) 的輸出電感Lo及電容Co。電感電流iLo亦開始線性增加，同時電感電流iLml隨著變壓器 感應(yīng)一個與電感電流iLo正比的電流(依變壓器匝數(shù)比例)。此時，電感電流iLl和電感電 流iLml同時流經(jīng)開關(guān)Sl。開關(guān)SI截止的瞬間，電感電流iLl和電感電流iLo(電感電流 iLml)都到達(dá)這個周期的峰值。
(2)工作模式II(S1截止): 當(dāng)開關(guān)Sl截止，電感Ll維持電流路徑，通過整流器Db將儲存在電感Ll內(nèi)的能量 釋放到電容Cl，電感電流iLl從峰值開始下降。同時，輸出電感Lo通過輸出整流器Do2將 能量傳送到輸出電容Co，電感電流iLo亦從峰值開始下降。另外，此時也會通過整流器Db 對順向式轉(zhuǎn)換器的變壓器Tf進(jìn)行消磁作用，并將能量回送至輸入電容Cin。由于此時升降 壓電路操作于不連續(xù)電流模式，且順向式轉(zhuǎn)換器操作于連續(xù)電流模式，因此只有電感電流 iLl會下降至零。當(dāng)電感電流iLl下降至零時，進(jìn)入工作模式III。
(3)工作模式III (iLl下降至零后) 由于電感電流iLl已于工作模式II時降到零，此時電感電流iLo持續(xù)下降，當(dāng)開 關(guān)SI再次導(dǎo)通，電路即重復(fù)工作模式I的動作情形。 如將升降壓電路設(shè)計(jì)操作在不連續(xù)電流模式，則順向式轉(zhuǎn)換器無論是操作在不連 續(xù)電流模式或連續(xù)電流模式，皆不影響原先所預(yù)期的電路功能(功因修正、電氣隔離、調(diào)整 電壓準(zhǔn)位...等等)。此外，變壓器的泄漏電感Llk理論上會遠(yuǎn)小于變壓器的激磁電感，因 此Llk上所儲存的能量會在很短的時間內(nèi)釋放到Cin。在一具體實(shí)施例，開關(guān)S1的截止時 間要大于四分之一的Llk及Cin諧振周期，俾使Llk上的能量可完全送回輸入電容Cin。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，為了達(dá)成功因修正的功能，設(shè)計(jì)Ll操作于不連續(xù)電流模 式，當(dāng)開關(guān)的責(zé)任周期(Duty Ratio)小于50X時，電容C1上的電壓可低于輸入電壓。在 開關(guān)截止后，由于設(shè)計(jì)電感LI操作于不連續(xù)電流模式，所以iLl會在開關(guān)再次導(dǎo)通前降為 零。 一旦電容Cl上的電壓大于輸入電壓的峰值，則VCl-Vin會反向跨在Ll上，使ILl變成 負(fù)值，這樣可能會造成電路動作不正常。若有發(fā)生此情形，可于電感L1的任一側(cè)串接一個 整流器Dx，例如二極管，圖15A至圖15B所示，以阻絕發(fā)生電感電流iLl反向的可能性。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，由于iLl的峰值與輸入電壓成正比關(guān)系，故iLl可能比iLlk 早下降至零；也可能比iLlk晚下降至零。當(dāng)iLlk就比iLl早下降到零，此時iLl流經(jīng)Db并對電容CI充電。 一旦整流器Db導(dǎo)通，輸入電容Cin上的電壓Vrec (整流后的輸入電壓) 會反向跨在變壓器一次側(cè)，使iLMl變成負(fù)值，這樣可能會造成電路動作不正常。若有發(fā)生 此情形，可于變壓器Tf的一次側(cè)的兩側(cè)的任一側(cè)串接一個整流器Dy，例如二極管，圖16A至 圖16B所示，阻絕發(fā)生電感電流iLMl反向的可能性。圖15A至圖15B與圖16A至圖16B的 實(shí)施例中分別串接整流器Dy，在另一實(shí)施例中亦可在電感Ll的任一側(cè)與變壓器Tf的一次 側(cè)的兩側(cè)的任一側(cè)同時都串接一個整流器。 在另一實(shí)施例中，如圖3中的實(shí)施例，將升降壓電路的電感L1與返馳式轉(zhuǎn)換器的 變壓器Tf共享鐵心，可再減少一磁性組件，進(jìn)一步降低成本。 在又一實(shí)施例中，如圖10中的實(shí)施例，將升降壓電路的電感L1與順向式轉(zhuǎn)換器的 輸出電感Lo共享鐵心，或?qū)⑸祲弘娐返碾姼蠰l與順向式轉(zhuǎn)換器的變壓器Tf共享鐵心， 以再減少一磁性組件，進(jìn)一步降低成本。 因此，本發(fā)明將升降壓電路與返馳式轉(zhuǎn)換器或順向式轉(zhuǎn)換器結(jié)合，并通過巧妙的 組件安排，利用升降壓電路的飛輸二極管(Free-Wheeling Diode)將儲存于返馳式轉(zhuǎn)換器 的變壓器泄漏電感內(nèi)的能量回送至輸入電容，通過這種方式，不必再外加其它組件，就能解 決返馳式轉(zhuǎn)換器變壓器的泄漏電感問題，進(jìn)而提升電路效率；利用升降壓電路的飛輸二極 管(Free-Wheeling Diode)提供順向式轉(zhuǎn)換器的變壓器消磁路徑，將能量回送至輸入電容， 通過這種方式，不必再外加其它組件及消磁繞組(或稱去磁化繞組)，就能解決順向式轉(zhuǎn)換 器變壓器需多加一個消磁繞組(或稱去磁化繞組)的問題，進(jìn)而提升節(jié)省成本、降低設(shè)計(jì)難 度及提升電路效率 本發(fā)明提出的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器，只需一組控制電路及一個 主動功率的開關(guān)S1，控制方式簡單且易于實(shí)現(xiàn)，幾乎可適用于所有的轉(zhuǎn)換器控制方式， 可通過脈波寬度調(diào)變(Pulse Width Modulation, P麗)、頻率調(diào)變(Pulse Frequency Modulation, PFM)、磁滯控制(Hysteretic Control)、固定導(dǎo)通/截止時間(Constant On/ Off Time)...等等方式來控制輸出功率，控制電路簡單且易于實(shí)現(xiàn)。將升降壓電路的電感 工作于不連續(xù)電流模式之下，可使功率因子接近一 ；將升降壓電路的電感工作于連續(xù)電流 模式之下，亦可達(dá)到功因修正的效果，但由于操作在連續(xù)電流模式之下必須加入較復(fù)雜的 控制，因此這里只提到不連續(xù)電流模式的分析。此外，并可通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆雕Y式或順向式 變壓器，可達(dá)成電氣隔離以符合安規(guī)、多繞組輸出及調(diào)整電壓準(zhǔn)位的功能。不僅簡化電路的 復(fù)雜度也提升效率，更降低成本，使此轉(zhuǎn)換器更具競爭力。 雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，在不背離本發(fā) 明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和 變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括有一升降壓電路，用對一電源進(jìn)行升壓或降壓；一輸入電容，與該升降壓電路電性連接；一變壓器，與該升降壓電路電性連接，用以轉(zhuǎn)換該升壓或降壓的電源；一開關(guān)，與該升降壓電路電性連接；以及一輸出電路，用以輸出該變壓器轉(zhuǎn)換后的電源；其中當(dāng)該開關(guān)截止時，該升降壓電路提供一能量回復(fù)路徑，以將儲存該變壓器的一泄漏電感內(nèi)的能量回送至該輸入電容。
2. 如權(quán)利要求1所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該升降壓電路包括一電感、一 電容、以及一整流器，其特征在于，該升降壓電路的該電感與該升降壓 電路的該電容串聯(lián)， 該升降壓電路的該整流器與串聯(lián)后的該電感與該電容并聯(lián)。
3. 如權(quán)利要求2所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，當(dāng)該開關(guān)截止時，該升降壓電 路的該整流器形成該能量回復(fù)路徑。
4. 如權(quán)利要求2所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括有一整流器，連接于該 升降壓電路的該電感的一側(cè)。
5. 如權(quán)利要求2所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括有一整流器，連接于該 變壓器的一次側(cè)。
6. 如權(quán)利要求2所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括有至少兩個整流器，分 別連接于該升降壓電路的該電感與該變壓器的一側(cè)。
7. 如權(quán)利要求2所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該升降壓電路的該電感的鐵 芯與該變壓器的鐵芯共享。
8. 如權(quán)利要求1所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該輸出電路由一輸出整流器 與一輸出電容組成。
9. 如權(quán)利要求1所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該輸出電路由一兩輸出整流 器、一輸出電容與一輸出電感組成。
10. 如權(quán)利要求9所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該電感的鐵芯與該輸出電感 的鐵芯共享。
11. 如權(quán)利要求1所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，更包括有一整流電路，與該 輸入電容電性連接，用以對該電源進(jìn)行整流。
12. 如權(quán)利要求11所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該整流器包括有至少一個 以上的整流器。
13. 如權(quán)利要求11所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，更包括有一濾波電路，與該 整流電路電性連接。
14. 如權(quán)利要求13所述的交流對直流轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該濾波電路由一濾波電感 與一濾波電容組成。
全文摘要
本發(fā)明所揭露的具泄漏感能量回送功能的單級高功因隔離型交流對直流轉(zhuǎn)換器，包括有一升降壓電路，用對一電源進(jìn)行升壓或降壓；一變壓器，與升降壓電路電性連接，用以轉(zhuǎn)換升壓或降壓的電源；一開關(guān)，與升降壓電路電性連接；一輸入電容，與升降壓電路電性連接；以及一輸出電路，用以輸出變壓器轉(zhuǎn)換后的電源；其中當(dāng)該開關(guān)截止時，該升降壓電路提供一能量回復(fù)路徑，以將儲存該變壓器的一泄漏電感內(nèi)的能量回送至該輸入電容。本發(fā)明利用能量回復(fù)路徑將儲存于返馳式轉(zhuǎn)換器或順向式轉(zhuǎn)換器中的變壓器泄漏電感內(nèi)的能量回送至輸入電容。通過這種方式，不必再外加其它組件，就能解決返馳式轉(zhuǎn)換器或順向式轉(zhuǎn)換器變壓器的泄漏電感問題，進(jìn)而提升電路效率。
文檔編號H02M3/335GK101771346SQ20081018778
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者李彥村 申請人:聚積科技股份有限公司