CN101728964A - 单电感三电平无桥功率因数校正变换器 - Google Patents

单电感三电平无桥功率因数校正变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低通态损耗的无桥AC/DC功率因数变换器，旨在提供一种单电感三电平无桥功率因数校正变换器。该变换器包括输入电感、Boost臂电路、箝位电路和输出分压电容；Boost臂电路由两个开关管和两个二极管串联而成，两个二极管位于外侧，两个开关管位于内侧；其中二极管DF1的阳极连接到开关S1的漏极，开关S1的源极连接到开关S2的漏极，开关S2的源极连接到二极管DF2的阴极；Boost臂电路开关管的开关操作实现对电感的充放电和输入端的功率因数校正。本发明中的功率因数变换器只需要一个输入电感，能够获得正、负两路的直流母线，具有器件应力低、器件利用率高、导通损耗低、共模干扰低和变换效率高的优点。

Description

单电感三电平无桥功率因数校正变换器
技术领域
本发明涉及低通态损耗的无桥AC/DC功率因数变换器，特别是涉及一种单电感三电平无桥功率因数校正变换器。
背景技术
目前的单相功率因数校正技术普遍采用传统Boost型功率因数校正变换器。这种变换器包括两个部分：整流桥和Boost变换器。整流桥将交变市电整流为单方向电压源；Boost变换器通过一定控制方法实现功率因数校正。这种单相功率因数校正变换器应用于全球通用电源输入(90VAC-264VAC)，能够比较好地实现功率因数校正，但当其工作于低输入电压的应用场合时，这种变换器的损耗会增加很多，主要原因是低输入电压下，通态损耗快速地增加了。随着半导体器件的发展，Boost变换器的变换效率有了很大的提高，损耗也可以控制在一个比较低的范围。因此，整流桥的损耗占了传统Boost型功率因数变换器的损耗的大部分(约30％-60％)，尤其是在低输入电压情况下。通过减小整流桥上的损耗是进一步提高变换器效率的比较直接和有效的手段。Boost型无桥功率因数校正变换器，有双Boost无桥、图腾柱式无桥和采用双向开关的无桥等类型。但这些无桥变换器都需要两套Boost电路分别工作于交流输入电压的正、负半周，并只有一个直流母线输出，故器件利用率低、体积庞大、成本高；而且，这些无桥变换器或共模干扰大或不能工作于电流连续模式(CCM)，都需要额外的功率器件如功率二极管和电感等以改进性能，增加了电路的复杂性和成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种适用宽电源输入范围的单电感的三电平无桥功率因数校正变换器。
为解决上述技术问题，本发明单电感三电平无桥功率因数校正变换器，包括输入电感Lin、Boost臂电路110、箝位电路120和输出分压电容130；所述Boost臂电路110由两个开关管S1、S2和两个二极管DF1、DF2串联而成，两个二极管位于外侧，两个开关管位于内侧；其中二极管DF1的阳极连接到开关S1的漏极，开关S1的源极连接到开关S2的漏极，开关S2的源极连接到二极管DF2的阴极；Boost臂电路开关管110的开关操作实现对电感Lin的充放电和输入端的功率因数校正；
所述箝位电路120由两个二极管DS1、DS2组成，起到箝位和整流作用；其中二极管DS1连接于输出分压电容130的中点和二极管DF1阳极与开关管S1漏极的接点之间，二极管DS2连接于输出分压电容130的中点和开关管S2源极与DF2阴极的接点之间；
所述输出分压电容130由两个串联的电容Co1和Co2组成，并与Boost臂电路110并联，用以构成正、负直流母线或倍压的直流母线；
所述输入电感Lin的一端连接于开关管S1源极与开关管S2漏极的接点，另一端连接于输入的一端，而输入的另一端则连接于输出分压电容的中点。
本发明中，所述的两个开关管S1或S2是金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。
本发明的有益效果在于：
本发明中的功率因数变换器只需要一个输入电感，能够获得正、负两路的直流母线，具有器件应力低、器件利用率高、导通损耗低、共模干扰低和变换效率高的优点。
附图说明
图1是本发明的单电感三电平无桥功率因数校正变换器电路图；
图2是本发明变换器的控制时序和主要波形(对应于交流输入信号周期的情况)；
图3是本发明变换器的控制时序和主要波形(对应于正半周中的开关周期的情况)；
图4是本发明变换器正半周充电阶段的工作模式；
图5是本发明变换器正半周放电阶段的工作模式；
图6是本发明变换器负半周放电阶段的工作模式；
图7是本发明变换器负半周充电阶段的工作模式。
具体实施方式
参照附图详细说明技术方案的实施例：
图1所示为本发明的单电感三电平无桥功率因数校正变换器的一种具体电路图。该变换器包括输入电感Lin、Boost臂电路110、箝位电路120和输出分压电容130。
如图中所示，Boost臂电路110由两个开关管S1、S2和两个二极管DF1、DF2串联而成，两个二极管位于外侧，两个开关管位于内侧。其中二极管DF1的阳极连接到开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接到开关管S2的漏极，开关管S2的源极连接到二极管DF2的阴极。Boost臂电路110中开关管S1、S2的开关操作实现对电感Lin的充放电和功率因数校正。
输出分压电容130由两个串联的电容Co1和Co2组成，并与Boost臂电路110并联，用来输出三电平即正、负直流母线或两电平(输出分压电容的中点不引出)。箝位电路120由两个二极管DS1、DS2组成，起到箝位和整流作用；其中二极管DS1连接于输出分压电容130的中点和二极管DF1阳极与开关管S1漏极的接点之间，二极管DS2连接于输出分压电容130的中点和开关管S2源极与DF2阴极的接点之间。
输入电感Lin的一端连接于开关管S1源极与开关管S2漏极的接点，另一端连接于输入的一端，而输入的另一端则连接于输出分压电容130的中点。开关管S1、S2可以是各种电力电子开关，如MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或大功率三极管等。
以下结合图2、图3详细描述本发明的单电感三电平无桥功率因数校正变换器的工作过程。对于功率因数校正变换器，在正、负半周内，其工作过程是类似的，每个开关周期都包括两个阶段即充电阶段和放电阶段。这里仅以正半周内的一个开关周期为例进行分析。为了分析方便，做了以下的假设：
(1)所有的器件都是理想的；
(2)开关管具有反并二极管；
(3)在分析开关操作时，输入电压被认为是恒定的；
(4)当二极管与二极管串联(一个二极管阴极连接到另一个二极管阳极)使用时，其反向恢复行为和特性由二者中的快速二极管决定；当二极管与开关管串联(开关管源极连接到二极管阳极)使用时，二极管的反向恢复行为和特性由开关管决定。
充电阶段[t0，t1]，如图4所示。
在t0时刻时，开关管S2开通，二极管DF1和D1上的电流开始转移到开关管S2和二极管DS2上。二极管DF1和二极管D1串联在一起，且二极管DF1要快于二极管D1。当二极管DF1反向恢复结束的，二极管DF2仍然还处于少数载流子移除和复合阶段。因此，二极管DF1承受了加在两个二极管两端的全部电压，而二极管D1则处于正向偏置状态。当开关管S2完全开通后，二极管DF1两端通过二极管D1、开关管S2和二极管DS2被箝位到输出电容Co1两端的电压。
在t0时刻后，输入电压对输入电感充电，输入电流线性增加；在输出端，输出电容Co1和Co2串联一起给负载供电。当t1时刻，开关管S2关断时，充电阶段结束。
变换器处于充电阶段时，二极管D1正向偏置，开关管S2和二极管DS2处于通态。二极管DF1，二极管DS1，二极管DF2的端压分别为输出电容Co1两端的电压，0和输出电容Co2两端的电压。
放电阶段[t1，t2]，如图5所示。
在t1时刻时，开关管S2关断，开关管S2和二极管DS2上的电流开始转移到二极管DF1和二极管D1上。开关管S2和二极管DS2串联在一起，且开关管S2要快于二极管DS2。当开关管S2上的电流下降为0后，其两端电压开始上升，而二极管DS2仍然还处于少数载流子移除和复合阶段。因此，开关管S2承受了加在它们两端的全部电压，而二极管DS2则处于正向偏置状态。当开关管S2完全关断后，开关管S2两端通过二极管DS2、二极管D1和二极管DF1被箝位到输出电容Co1两端的电压。
在t1时刻后，输入电感向输出放电，输入电流线性减小；在输出端，输出电容Co1被充电，输入电感Lin和输出电容Co2一起给负载供电。当t2时刻，开关管S2开通时，放电阶段结束。
变换器处于放电阶段时，二极管DS2正向偏置，二极管DF1和二极管D1处于通态。二极管DS1、开关管S2和二极管DF2的端压分别为输出电容Co1两端的电压，输出电容Co1两端的电压和输出电容Co2两端的电压。
t2时刻后，重复下一个开关周期，在正半周期，充放电阶段等效电路不变。在交流输入的负半周期，等效电路如图6和图7所示，工作原理不变。
采用传统的功率因素控制技术控制其充电阶段和放电阶段，可以实现功率因素校正。目前可以采用的控制方式均可以应用到本方面所述电路中。
显然，本发明也可以应用到直流到之路的转换，作为交流应用的一个特例(直流可以看成频率为0的交流信号)。
应该理解到的是：上述实施方式只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种单电感三电平无桥功率因数校正变换器，包括输入电感(Lin)、Boost臂电路(110)、箝位电路(120)和输出分压电容(130)，其特征在于：
所述输入电感(Lin)的一端连接于开关管(S1)源极与开关管(S2)漏极的接点，另一端连接于输入的一端，而输入的另一端则连接于输出分压电容的中点；
所述Boost臂电路(110)由两个开关管(S1)、(S2)和两个二极管(DF1)、(DF2)串联而成，两个二极管位于外侧，两个开关管位于内侧；其中二极管(DF1)的阳极连接到开关(S1)的漏极，开关(S1)的源极连接到开关(S2)的漏极，开关(S2)的源极连接到二极管(DF2)的阴极；Boost臂电路(110)中开关管的开关操作实现对电感(Lin)的充放电和输入端的功率因数校正；
所述箝位电路(120)由两个二极管(DS1)、(DS2)组成，起到箝位和整流作用；其中二极管(DS1)连接于输出分压电容(130)的中点和二极管(DF1)阳极与开关管(S1)漏极的接点之间，二极管(DS2)连接于输出分压电容(130)的中点和开关管(S2)源极与(DF2)阴极的接点之间；
所述输出分压电容(130)由两个串联的电容(Co1)和(Co2)组成，并与Boost臂电路(110)并联，用以构成正、负直流母线或倍压的直流母线。
2.根据权利要求1所述的单电感三电平无桥功率因数校正变换器，其特征在于，所述的两个开关管(S1)或(S2)是金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。
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