CN101501603A - 具有平衡的电源导轨电流的功率变换器 - Google Patents

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Abstract

一种功率因数校正(PFC)电路，包括具有至少两个线圈231、232的耦合分体升压电感、至少两个升压二极管D6、D7，以及至少两个电源导轨104、106。每个电源导轨包括其中一个线圈和其中一个升压二极管。该PFC电路还包括连接在电源导轨之间的电流平衡电路，以用于基本平衡这种电源导轨中的电流。

Description

具有平衡的电源导轨电流的功率变换器
技术领域
本申请涉及使用分体升压电感(split boost choke)的功率因数校正(powerfactor correction)电路以及采用这种功率因数校正电路的功率变换器。
背景技术
本章节的陈述仅提供与本申请的背景相关的信息，而不构成现有技术。
在具有高输出需求的功率变换器中，要满足当前的增加功率密度和更高效率的要求可能是很困难的。已经研发出各种技术来试图满足这两种要求。这些技术包括使用多个电路元件，诸如多个功率开关、二极管和电感，以用于更好的进行热管理和获得更高的效率。
图1示出了包括上述某些技术的升压变换器100。升压变换器100包括交流(AC)电源101，输出端子102、103，输出电容器C2，功率开关Q1和Q2，升压二极管D6和D7，以及升压电感L1、L2和L3。升压电感L3是具有线圈L31和L32的耦合分体升压电感。线圈L31和升压二极管D6形成了第一电源导轨(power rail)104，且线圈L32和升压二极管D7形成了第二电源导轨106。图1中还示出了与输出端子102、103相连的负载R3。负载R3例如可以是需要PFC前置电路的功率变换器。
一般而言，在升压变换器100的操作期间，当功率开关Q1和Q2闭合时，能量存储在升压电感L1、L2和L3中。当功率开关Q1和Q2断开时，升压二极管D6和D7变得正向偏置，且存储在升压电感L1、L2和L3中的能量通过电源导轨104和106流向输出端子102。
使用诸如耦合分体升压电感L3这样的耦合分体升压电感，是已知的用于平衡流经电源导轨104和106的电流的技术。然而，如本发明人所意识到的，即使线圈L31和L32被耦合，流经电源导轨104和106的电流也可能依然不平衡。这种不平衡电流可能由各种因素造成，这些因素包括升压二极管D6和D7的正向压降之间的差异、分体电感线圈L31和L32之间的漏电感、升压二极管D6的阳极和线圈L31之间的走线电感(trace inductance)、升压二极管D7的阳极和线圈L32之间的走线电感、线圈L31和L32与功率开关Q1和Q2之间的分支电感(branch inductance)，和/或功率开关Q1和Q2之间的在输出电容、栅极电压、阈值电压和/或栅极驱动器方面的不匹配，以及可能的其他因素。
电流不平衡的结果是，升压二极管D6和D7以及功率开关Q1和Q2一般超过额定值约130％至150％。然而，即使升压二极管D6和D7以及功率开关Q1和Q2超过额定值，仍可预期在升压变换器100的操作期间会出现故障。例如，升压变换器100将在阶跃荷载(step load)期间或输入线过渡条件(transient condition)中失效。而且，在缺少超出额定值和/或昂贵的散热器(heat sink)的情况下，电源导轨104和106的热性能可能会不稳定。
发明内容
根据本发明的一个方面，用于功率变换器的功率因数校正(PFC)电路包括具有至少两个线圈的分体升压电感、至少两个升压二极管以及至少两个电源导轨。每个电源导轨包括其中一个线圈和其中一个升压二极管。PFC电路还包括连接在电源导轨之间的电流平衡电路。
根据本发明的另一方面，功率变压器包括具有至少三个线圈的耦合分体升压电感、至少三个升压二极管和至少三个电源导轨。每个电源导轨包括其中一个线圈和其中一个升压二极管。该功率变压器还包括至少两个电流平衡电路。每个电流平衡电路连接在两个电源导轨之间，用于在功率变换器向输出端输送电能时基本上平衡电源导轨中的电流。
根据本文提供的描述，可以显见其他的应用领域。应当理解，描述和特定示例仅出于说明的目的，而不限制本发明的范围。
附图说明
此处描述的附图仅用于说明目的且不以任意方式限制本发明的范围。
图1是根据现有技术的具有耦合分体升压电感的升压变换器的电路图。
图2是根据本发明的一个实施例的具有电流平衡电路的升压变换器的电路图。
图3是用于图2的升压变换器的等效电路图。
图4是根据本发明的另一实施例的具有电流平衡电路的升压变换器的电路图。
图5和6是根据本发明的附加实施例的具有多个电流平衡电路的升压变换器的电路图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，而不限制本发明的范围或其潜在应用。
根据本发明的一个方面，用于功率变换器的功率因数校正(PFC)电路包括具有至少两个线圈的分体升压电感、至少两个升压二极管，以及至少两个电源导轨。每个电源导轨包括其中一个线圈和其中一个升压二极管。该PFC电路还包括连接在电源导轨之间的电流平衡电路。
现在参考图2对结合了本发明这一方面的升压变换器200的一个实施例进行描述。与图1的升压变换器100类似，图2中所示的升压变换器200包括功率开关Q1和Q2、升压二极管D6和D7以及升压电感L1、L2和L3。升压二极管D6和D7与线圈L31和L32相连，以形成电源导轨104和106。另外，升压变换器200包括用于平衡流经电源导轨104和106的电流的电流平衡电路108。
在图2的实施例中，电流平衡电路108包括电容器C3。在下面描述的另一实施例中，电流平衡电路包括与电阻器串联的电容器。然而，应当理解，在电流平衡电路中可以采用附加的和/或其他电路部件，而不会偏离本发明的范围。
现在参考图3，它是图2的升压变换器200的等效电路。功率开关Q1和Q2分别包括输出电容器C7和C8。当功率开关Q1和Q2断开时，功率开关Q1的漏源电压V1和功率开关Q2的漏源电压V2开始增大。然而，由于电容器C7和C8之间的可能失配以及用于每个功率开关Q1和Q2的栅极驱动器(未示出)之间的可能失配，电压V1和V2可能不在相同的时间或者不以相同的速度增大(或减小)。因此，如果不采用电流平衡电路108，就会在电压V1和V2之间的形成电压差且该电压差会导致电源导轨104和106之间的电流不平衡。电流平衡电路108通过将电压V1和V2维持成基本相同，而基本上防止了这种电流不平衡。例如，如果电压V1变得大于V2，电容器C3将开始充电且基本上平衡了电压V1和V2。
再次参考图2，电流平衡电路108还可以基本上平衡线圈L31和L32两端的电压。例如，在线圈L31两端的电压大于线圈L32两端的电压的情况下，电容器C3开始充电，且基本上平衡了线圈L31和L32的电压。
另外，电流平衡电路108还基本上平衡线圈L31和L32的漏电感两端的电压。在图3中，线圈L5和L6分别代表线圈L31和L32的漏电感。如果在线圈L5两端的电压和线圈L6两端的电压间存在差异，电容器C3可以充电以基本上平衡线圈L5和L6两端的电压。应当注意，基本上平衡线圈L5和L6两端的电压，允许在电源导轨104和106正输送电能到输出端子102时线圈L31和L32上的磁通量被基本平衡。
基本上平衡电压V1和V2、线圈L31和L32两端的电压以及漏电感L5和L6两端的电压，使得升压二极管D6和D7在基本相同的时间变得正向偏置。在相同的时间正向偏置升压二极管D6和D7，可以促使线圈L31和L32之间、升压二极管D6和D7之间以及相应的电源导轨104和106之间的相等的电流分配。而且，应当注意，促使电源导轨104和106中的电流相等还可以促使功率开关Q1和Q2之间的相等的电流分配(且因此有相等的功耗)。
电流平衡电路108还在启动、稳定状态、有序阶跃变化和故障条件以及遗漏的AC循环条件期间基本上平衡电源导轨104和106中流经的电流。另外，电流平衡电路108可以降低升压二极管D6和D7中的反向恢复电流。而且，因为流经电源导轨104和106的电流被基本平衡，可以使用低成本和低速的功率开关和升压二极管。
电容器C3的电容可以由功率开关Q1和Q2的开关频率而定。例如，如果开关频率分布在从75kHz至100khz的范围内，则电容器C3的电容可分布在从0.1μF到0.22μF的范围内。然而，应当理解，可以使用其他合适的电容和开关频率，而不会偏离本发明的范围。
如图4-6所示，在某些实施例中，电流平衡电路108可以包括与电容器C3串联的电阻器R4。电阻器R4的电阻可以很低，其可分布在几毫欧姆到几个欧姆的范围内。在某些实施例中，图4-6中示出的电阻器可以代表电容器C3的等效串联电阻(由此可仅利用电容器C3)。
尽管图2的升压变换器200仅包括两个电源导轨104和106，应当理解本发明并不限于此。例如，如上所述的电流平衡电路可以被应用于具有多于两个电源导轨的功率变换器。例如，图5和6分别示出了升压变换器300和400，它们包括第三功率开关Q3、第三升压二极管D8以及包括三个(或更多个)耦合线圈L71、L72和L73的分体升压电感L7。除了电源导轨104和106之外，升压二极管D8和线圈L73形成第三电源导轨112。图5和6中的升压变换器300、400均包括两个电流平衡电路108。一个电流平衡电路108连接在电源导轨104和106之间，且另一电流平衡电流108连接在电源导轨104和112之间。
另外，尽管图2-5除了示出分体升压电感L3(或L7)之外，还示出了升压电感L1和L2，应理解可以采用更多或更少的升压电感。例如，在图6的升压变换器400中，分体升压电感L7是唯一被采用的升压电感。
尽管图5-6示出了具有三个电源导轨104、106和112的升压变换器，应当理解，可以采用多于三个的电源导轨而不偏离本发明的范围。
本文描述的电流平衡电路可以在各种功率因数校正(PFC)电路中使用，包括具有高功率输出需求(例如，大于1.5kW)的电路。除了升压变换器，这种PFC电路还可以在包括例如降压变换器的其他变换器类型中采用。
而且，尽管图2-6示出功率开关Q1和Q2，图5-6示出功率开关Q3，为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，但还可以在不偏离本发明的范围的情况下采用其他合适的开关，包括但不限于双极结型晶体管(BJT)和/或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

Claims (14)

1.一种用于功率变换器的功率因数校正(PFC)电路，该PFC电路包括：
具有至少两个线圈的分体升压电感；
至少两个升压二极管；
至少两个电源导轨，每个电源导轨包括其中一个所述线圈和其中一个所述升压二极管；以及
连接在所述电源导轨之间的电流平衡电路。
2.根据权利要求1所述的PFC电路，其中所述电流平衡电路包括电容器。
3.根据权利要求2所述的PFC电路，其中所述电流平衡电路还包括与所述电容器串联的电阻器。
4.根据权利要求2所述的PFC电路，还包括至少两个功率开关，每个开关连接到其中一个所述电源导轨以用于所述升压二极管的受控偏置。
5.根据权利要求4所述的PFC电路，其中所述开关包括MOSFET。
6.根据权利要求2所述的PFC电路，其中所述电流平衡电路连接在所述升压二极管的阳极之间。
7.根据权利要求2所述的PFC电路，其中所述分体升压电感是耦合分体升压电感。
8.一种功率变换器，包括如权利要求1所述的PFC电路。
9.根据权利要求8所述的功率变换器，其中所述功率变换器是升压变换器。
10.根据权利要求8所述的功率变换器，其中所述功率变换器是交流到直流功率变换器。
11.一种功率变换器，包括：
具有至少三个线圈的耦合分体升压电感；
至少三个升压二极管；
至少三个电源导轨，每个电源导轨包括其中一个所述线圈和其中一个所述升压二极管；以及
至少两个电流平衡电路，每个电流平衡电路连接在其中两个所述电源导轨之间，以用于在所述功率变换器向输出端输送电能时基本上平衡流经所述电源导轨中的电流。
12.根据权利要求11所述的功率变换器，其中所述至少三个电源导轨包括第一、第二和第三电源导轨，其中一个电流平衡电路连接在所述第一和第二电源导轨之间，且另一电流平衡电路连接在所述第一和第三电源导轨之间。
13.根据权利要求11所述的功率变换器，其中每个电流平衡电路包括电容器。
14.根据权利要求11所述的功率变换器，其中每个电流平衡电路包括与电阻器串联的电容器。
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