CN101931319A - 无桥式功率因子校正电路 - Google Patents

无桥式功率因子校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明为无桥式功率因子校正电路，包含有两电感、两输入开关、两串联电路及一负载电路；前述两电感分别连接一交流电源的两输出端，且各电感另一端连接一对应的串联电路，该两串联电路又与负载电路并联在一直流输出端与一直流接地端之间，前述两输入开关则连接于该交流电源的两输出端与直流接地端之间；以前述架构，无论在交流电源的正、负半周，均有一对应的输入开关维持导通状态，令交流接地与直流接地端相连接，以降低电磁干扰(EMI)与导通损耗(conduction loss)。

Description

无桥式功率因子校正电路
技术领域
本发明涉及一种无桥式功率因子校正电路，尤指一种将交流接地和直流接地端相连，且适当选择电流路径，从而有效地降低电磁干扰(EMI)与导通损耗的无桥式功率因子校正电路。
背景技术
传统升压式功率因子校正电路(Boost PFC)具有一输入桥式整流电路，因此具有显著的导通损失(conduction loss)，为克服此缺点，遂提出无桥式功率因子校正电路(Bridgeless PFC)。
如图6所示，为美国第7215560号专利案所揭示的无桥式功率因子校正电路其中一实施例，其包含有：
一第一电感(LPFC1)，其一端连接一交流电源(Vac)的第一输出端，另一端连接一第一串联电路(61)的串联中点，该第一串联电路(61)由第一二极管(D1)与第一开关(S1)串联组成，其串联中点指第一二极管(D1)的阳极与第一开关(S1)的连接节点；
一第二电感(LPFC2)，其一端连接该交流电源(Vac)的第二输出端，另一端连接一第二串联电路(62)的串联中点，该第二串联电路(62)由第二二极管(D2)与第二开关(S2)串联组成，其串联中点指第二二极管(D2)的阳极与第二开关(S2)的连接节点；
一负载电路(63)，由一输出电容(Co)与一输出负载(RL)并联构成，该负载电路(63)的两端分别定义为一直流输出端(64)与一直流接地端(65)，其中，前述两串联电路(61)(62)亦是连接于直流输出端(64)与直流接地端(65)之间且与负载电路(63)构成并联。
前述实施例的特点在于交流电源(Vac)的第一输入端与直流接地端(65)之间设有第一输入二极管(Da)，而第二输入端与直流接地端(65)之间设有第二输入二极管(Db)。两输入二极管(Da)(Db)均是慢恢复二极管，其作用类似桥式整流器中的二极管，当交流电源(Vac)为正半周时，可通过第二输入二极管(Db)使交流接地与直流接地端(65)彼此连接，以抑制由第二电感(LPFC2)上的电压波动所带来的EMI干扰；当交流电源(Vac)为负半周时，将通过第一输入二极管(Da)使交流接地与直流接地端(65)连接，以抑制由第一电感(LPFC1)上的电压波动带来的EMI干扰；高频纹波电流(High-frequency ripple current)和部分工频电流(市频电流/低频电流)通过第一输入二极管(Da)或者第二输入二极管(Db)回到输入端，部分工频电流通过第一开关(S1)/第二开关(S2)流过第一电感(LPFC1)/第二电感(LPFC2)回到输入端。
但上述电路中的第一输入二极管(Da)与第二输入二极管(Db)必须选用具备较大导通压降的二极管，其导通损耗大，且需要额外加设散热器，整体的体积相对增加。
请参考图7所示，为美国第7215560号专利案所揭示的无桥式功率因子校正电路的另一实施例，与其第一实施例的差异在于原第一输入二极管(Da)与第二输入二极管(Db)以一第一输入电容(Ca)与一第二输入电容(Cb)加以取代。两输入电容(Ca)(Cb)均为高电容量的电容，亦具备高耐压。
其电路动作原理为：因两输入电容(Ca)(Cb)具备高容值，当高频噪声通过电容时，其阻抗较小，相当于短路。当交流电源(Vac)的输出为正半周时，可通过第二电容(Cb)而使交流接地与直流接地端(65)连接，以抑制由第二电感(LPFC2)上的电压波动所带来的EMI干扰；反之，当交流电源(Vac)为负半周时，可通过第一输入电容(Ca)而使交流接地与直流接地端(65)连接，藉此抑制由第一电感(LPFC1)上的电压波动所带来的EMI干扰。其中，高频纹波电流可通过第一输入电容(Ca)/第二输入电容(Cb)回到交流电源(Vac)，工频电流则可通过第一开关(S1)的寄生二极管(Dsd1)/第二开关(S2)的寄生二极管(Dsd2)而流过第一电感(LPFC1)/第二电感(LPFC2)回到交流电源(Vac)。
但上述电路中的两输入电容(Ca)(Cb)须采用高质量的组件，以确保低等效电阻；然而在低压重载的情况下，其导通损耗仍很大。
请参考图8所示，为中国大陆CN 200620124692.1专利案所揭示的“无桥并联的单级功率因子校正电路”，其电路结可说是同时结合前述图6、7所述电路的特征，即同时存在第一输入二极管(Da)、第二输入二极管(Db)、第一输入电容(Ca)与第二输入电容(Cb)，其中第一输入二极管(Da)与第一输入电容(Ca)并联，第二输入二极管(Db)与第二输入电容(Cb)并联。此电路的动作原理前述两实施例相同，故不另赘述，然而可明显看出此电路使用相对较多数量的电子组件，不仅制造成本提高，且低压重载时导通损耗亦大。
发明内容
由前述说明可知，通常使用的无桥式功率因子校正电路因部分工频电流从开关的寄生二极管和电感流过，导致导通损耗增加，不利于应用在低压重载的情况。有鉴于此，本发明的主要目的为提供一种低导通损耗、低电磁干扰的无桥式功率因子校正电路，为达成前述目的，本发明具有：
一第一电感，其一端连接一交流电源的第一输出端，另一端连接一第一串联电路，该第一串联电路以第一二极管与第一开关串联构成，该第一二极管的阳极与第一开关的连接节点连接该第一电感的该另一端；
一第二电感，其一端连接该交流电源的第二输出端，另一端连接一第二串联电路，该第二串联电路以第二二极管与第二开关串联构成，该第二二极管其阳极与第二开关的连接节点连接该第二电感的该另一端；
一负载电路，由一输出电容与一输出负载并联构成，该负载电路的两端分别作为一直流输出端与一直流接地端，其中，前述两串联电路与负载电路系并联连接；
一第一输入开关，连接至交流电源的第一输入端与该直流接地端之间；
一第二输入开关，连接于交流电源的第二输入端与该直流接地端之间。
当该交流输入电源输出正半周电压时，控制第二输入开关为常导通状态，第一输入开关与第二开关处于恒截止状态，第一开关控制为交替地导通/截止；由于第二开关一直维持为低电压准位(截止状态)，电流可经由第二输入开关回到交流电源，而不须经过第二开关的寄生二极管和第二电感，故损耗降低。
反之，当该交流输入电源输出负半周电压时，控制第一输入开关为常导通状态，第二输入开关与第一开关处于恒截止状态，第二开关控制为交替地导通/截止；由于第一开关在输入电压为负半周时一直维持为低电压准位，电流可经由第一输入开关回到交流电源，而没有经过第一开关的寄生二极管和第一电感，故损耗降低，从而提高效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例的详细电路。
图2为本发明的主要工作波形图
图3为本发明第一实施例在正半周的电路动作图。
图4为本发明第一实施例在负半周的电路动作图。
图5为本发明第二实施例的详细电路图。
图6为美国第7215560号专利案所揭示的无桥式功率因子校正电路之一的实施例。
图7为美国第7215560号专利案所揭示的无桥式功率因子校正电路的另一实施例。
图8为中国大陆CN200620124692.1专利案所揭示的无桥并联的单级功率因子校正电路的电路图。
【主要组件符号说明】
(11)(61)第一串联电路
(12)(62)第二串联电路
(13)(63)负载电路
(14)(64)直流输出端
(15)(65)直流接地端
(20)电磁干扰滤波器
(30a)第一电流互感器
(30b)第二电流互感器
(30c)第三电流互感器
(LPFC1)第一电感
(LPFC2)第二电感
(Vac)交流电源
(D1)第一二极管
(D2)第二二极管
(Da)第一输入二极管
(Db)第二输入二极管
(Ca)第一输入电容
(Cb)第二输入电容
(S1)第一开关
(S2)第二开关
(Sa)第一输入开关
(Sb)第二输入开关
(Co)输出电容
(RL)输出负载
(Rs)检测电阻
具体实施方式
请参阅图1所示，为本发明第一实施例的详细电路图，其包含有：
一第一电感(LPFC1)，其一端连接一交流电源(Vac)的第一输出端，另一端连接一第一串联电路(11)的串联中点，该第一串联电路(11)以第一二极管(D1)与第一开关(S1)串联组成，其串联中点指第一二极管(D1)的阳极与第一开关(S1)的连接节点；
一第二电感(LPFC2)，其一端连接该交流电源(Vac)的第二输出端，另一端连接一第二串联电路(12)的串联中点，该第二串联电路(12)以第二二极管(D2)与第二开关(S2)串联组成，其串联中点指第二二极管(D2)的阳极与第二开关(S2)相连的连接节点；
一负载电路(13)，由一输出电容(Co)与一输出负载(RL)并联构成，该负载电路(13)的两端分别定义为一直流输出端(14)与一直流接地端(15)，其中，前述两串联电路(11)(12)亦是连接于直流输出端(14)与直流接地端(15)之间且与负载电路(13)构成并联；
一第一输入开关(Sa)，其一端连接至第一电感(LPFC1)与交流电源(Vac)相连的节点，另一端连接至一检测电阻(Rs)的第一端，该检测电阻(Rs)的第二端连接该直流接地端(15)，其中该第一输入开关(Sa)可为MOS晶体管；
一第二输入开关(Sb)，其一端连接至第二电感(LPFC2)与交流电源(Vac)相连的节点，另一端连接该检测电阻(Rs)的第一端，其中该第二输入开关(Sb)可为MOS晶体管。
此外，在交流输入电源(Vac)的输出端与两电感(LPFC1)(LPFC2)之间可连接一电磁干扰滤波器(EMI filter)(20)，将欲输出的电流先行滤波再提供至两电感(LPFC1)(LPFC2)。
请同时参阅图2和3所示，当交流输入电源(Vac)为正半周时，第二输入开关(Sb)处于常导通状态，第一输入开关(Sa)与第二开关(S2)处于恒截止状态，第一开关(S1)控制为交替地导通/截止。由于第二输入开关(Sb)的导通电阻极小，故全部电流(包含工频电流和高频纹波电流)均可通过第二输入开关(Sb)经过该电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)。
另一方面，当第一开关(S1)导通时，电流通过第一电感(LPFC1)流经第一开关(S1)，并通过检测电阻(Rs)和第二输入开关(Sb)，经电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)，输入电流线性上升；反之，当第一开关(S1)关闭时，电流通过第一电感(LPFC1)流经第一二极管(D1)，对输出电容(Co)进行充电并提供输出负载(RL)电流，最后通过该检测电阻(Rs)和第二输入开关(Sb)，经电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)端，输入电流线性下降。
由于第二开关(S2)在输入电压正半周时一直维持为低电压准位，电流经由检测电阻(Rs)、第二输入开关(Sb)和电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)，而没有经过第二开关(S2)的寄生二极管(Dsd2)和第二电感(Lpfc2)，故损耗降低，从而提高效率。
请参考图2和4所示，当交流输入电源(Vac)为负半周时，第一输入开关(Sa)处于常导通状态，第二输入开关(Sb)与第一开关(S1)处于恒截止状态，第二开关(S2)控制为交替地导通/截止。由于第一输入开关(Sa)的导通电阻极小，故全部电流(包含工频电流和高频纹波电流)均可通过第一输入开关(Sa)经过该电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)。
另一方面，当第二开关(S2)导通时，电流通过第二电感(LPFC2)流经第二开关(S2)，并通过检测电阻(Rs)和第一输入开关(Sa)，经电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)，输入电流线性上升；反之，当第二开关(S2)关闭时，电流通过第二电感(LPFC2)流经第二二极管(D2)，对输出电容(Co)进行充电并提供输出负载(RL)电流，最后通过该检测电阻(Rs)和第一输入开关(Sa)，经电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)端，输入电流线性下降。
由于第一开关(S1)在输入电压为负半周时一直维持为低电压准位，电流经由检测电阻(Rs)、第一输入开关(Sa)和电磁干扰滤波器(20)回到交流电源(Vac)，而没有经过第一开关(S1)的寄生二极管(Dsd1)和第一电感(LPFC1)，故损耗降低，从而提高效率。
本发明以两输入开关(Sa)(Sb)提供电流回路，使输入正/负半周时能将交流接地和直流接地端(15)直接相连，从而有效地降低EMI干扰。同时，由于工频电流基本上皆经由两输入开关(Sa)(Sb)回流到交流电源(Vac)，可避免流经第一开关(S1)的寄生二极管(Dsd1)和第一电感(LPFC1)或第二开关(S2)的寄生二极管(Dsd2)和第二电感(LPFC2)，故亦可降低导通损耗。此外，本发明亦具有以下数点特征：
1.采用单一检测电阻(Rs)，可简化无桥式功率因子校正电路的电流检测线路。
2.对于低压大电流场合应用，效率提升明显。
3.两电感(LPFC1)(LPFC2)交替工作，可降低电感的发热程度。
4.通过两输入开关(Sa)(Sb)组成的续流支路，将交流接地与直流接地端(15)直接连接起来，有效降低因无桥拓扑自身缺陷导致的EMI干扰和损耗问题。
请参考图5所示，为本发明的第二实施例，其中将原检测电阻(Rs)以三个电流互感器(30a)～(30c)取代，第一电流互感器(30a)系与第一串联电路(11)串联以侦测流过第一串联电路(11)上的电流，第二电流互感器(30b)与第二串联电路(12)串联，以侦测流过第二串联电路(12)上的电流，第三电流互感器(30c)连接在第二二极管(D2)的阴极与输出电容(Co)之间，侦测二者之间的电流。该三个电流互感器(30a)～(30c)共同输出一电流感测信号(CS)。

Claims (6)

1.一种无桥式功率因子校正电路，包含有：
一第一电感，其一端连接一交流电源的第一输出端，另端连接一第一串联电路，该第一串联电路以第一二极管与第一开关串联构成，该第一二极管的阳极与第一开关的连接节点连接该第一电感的该另一端；
一第二电感，其一端连接该交流电源的第二输出端，另一端连接一第二串联电路，该第二串联电路以第二二极管与第二开关串联构成，该第二二极管的阳极与第二开关的连接节点连接该第二电感的该另一端；
一负载电路，由一输出电容与一输出负载并联构成，该负载电路的两端分别作为一直流输出端与一直流接地端，其中，前述两串联电路与负载电路并联连接；
一第一输入开关，连接至交流电源的第一输入端与该直流接地端之间；
一第二输入开关，连接于交流电源的第二输入端与该直流接地端之间。
2.如权利要求1所述的无桥式功率因子校正电路，该第一输入开关与第二输入开关共同连接到一检测电阻的一端，该检测电阻的另一端连接该直流接地端。
3.如权利要求1或2所述的无桥式功率因子校正电路，该第一输入开关与第二输入开关皆为金属氧化物半导体(MOS)晶体管。
4.如权利要求1或2所述的无桥式功率因子校正电路，其中：
该交流输入电源输出正半周电压时，控制第二输入开关为常导通状态，第一输入开关与第二开关处于恒截止状态，第一开关控制为交替地导通/截止；
该交流输入电源输出负半周电压时，控制第一输入开关为常导通状态，第二输入开关与第一开关处于恒截止状态，第二开关控制为交替地导通/截止。
5.如权利要求1或2所述的无桥式功率因子校正电路，该交流电源的两输出端与第一电感和第二电感之间连接有一电磁干扰滤波器。
6.如权利要求1所述的无桥式功率因子校正电路，进一步包含：
一第一电流互感器，与第一串联电路串联；
一第二电流互感器，与第二串联电路串联；
一第三电流互感器，连接在第二二极管的阴极与输出电容之间。
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