CN102035364A - 无桥功率因数校正变换器及其控制方法 - Google Patents

无桥功率因数校正变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无桥功率因数校正变换器,包括:第一输入端口(L)和第二输入端口(N),用以接收交流输入信号;输出端口,用以提供输出信号;第一至第n-1电感器,耦接至所述第一输入端口(L)和输出级;所述输出级,包括第一桥臂和第二至第n桥臂,其中,所述第一桥臂的输入端耦接至所述第二输入端口(N),所述第二至第n桥臂的每一个的输入端分别通过所述第一至第n-1电感器耦接至所述第一输入端口(L),所述第一桥臂和所述第二至第n桥臂都并联耦接在所述输出端口和参考地之间;以及输出电容器,耦接在所述输出端口和参考地之间,其中n是大于等于2的自然数。根据本发明的无桥PFC变换器大大降低了运行时的损耗,提高了效率。

Description

无桥功率因数校正变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及交流-直流变换器,更具体地说,本发明涉及四开关功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器及其控制方法。
背景技术
图1示出现有桥式PFC变换器。如图1所示,传统桥式PFC变换器通常包括由四个二极管组成的整流桥和直流-直流变换器。交流输入信号经过由二极管D1~D4组成的整流桥被整流为一未被调节的直流信号,该未被调节的直流信号经过由电感器L1、开关S、二极管D5和输出电容器C组成的典型升压电路(boost)后被转化为一调节后的直流信号VO
该传统的桥式PFC变换器在运行过程中,在整流桥部分,始终有两个二极管流过电流;在直流-直流变换器部分,也始终有一个半导体器件(二极管D5或者开关S)流过电流,使得半导体器件的导通损耗在系统的整体损耗中比重较大,系统转换效率降低。
发明内容
本发明的另外方面和优点部分将在后面的描述中阐述,还有部分可从描述中明显地看出,或者可以在本发明的实践中得到。
本发明的目的在于解决现有技术PFC变换器导通损耗大,无法实现软开关,以及转化效率低的问题。
根据上述目的,本发明提供一种无桥功率因数校正变换器,包括:第一输入端口(L)和第二输入端口(N),用以接收交流输入信号;输出端口,用以提供输出信号;第一至第n-1电感器,耦接至所述第一输入端口(L)和输出级;所述输出级,包括第一桥臂和第二至第n桥臂,其中,所述第一桥臂的输入端耦接至所述第二输入端口(N),所述第二至第n桥臂的每一个的输入端分别通过所述第一至第n-1电感器耦接至所述第一输入端口(L),所述第一桥臂和所述第二至第n桥臂都并联耦接在所述输出端口和参考地之间;以及输出电容器,耦接在所述输出端口和参考地之间,其中n是大于等于2的自然数。
本发明还提供一种无桥功率因数校正变换器的控制方法,所述无桥功率因数校正变换器包括:第一输入端口(L)和第二输入端口(N),用以接收交流输入信号;输出端口,用以提供输出信号;第一至第n-1电感器,耦接至所述第一输入端口(L)和输出级;所述输出级,包括第一桥臂和第二至第n桥臂,其中,所述第一桥臂的输入端耦接至所述第二输入端口(N),所述第二至第n桥臂的每一个的输入端分别通过所述第一至第n-1电感器耦接至所述第一输入端口(L),所述第一桥臂和所述第二至第n桥臂都并联耦接在所述输出端口和参考地之间,所述第一桥臂包括串联耦接的第一开关和第二开关,所述第一开关和所述第二开关的串联耦接点作为所述第一桥臂的输入端;所述第二至第n桥臂的每一个均包括串联耦接的第三开关和第四开关,所述第三开关和所述第四开关的串联耦接点作为所述第二至第n桥臂的每一个的输入端;以及输出电容器,耦接在所述输出端口和参考地之间,其中n是大于等于2的自然数,所述方法包括:在所述交流输入信号的正半周,控制第一开关持续导通,控制第二开关持续断开,并控制所述第二至第n桥臂的每个桥臂中的第三开关和第四开关互补导通;以及在所述交流输入信号的负半周,控制第一开关持续断开,控制第二开关持续导通,并控制所述第二至第n桥臂的每个桥臂中的第三开关和第四开关互补导通。
根据本发明的无桥PFC变换器大大降低了运行时的损耗,提高了效率;并且在无桥PFC变换器中的开关导通切换过程中,还实现了开关的零电压导通,降低了开关损耗,进一步提高了效率。
附图说明
通过结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述,本发明的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚,其中相同的标号指定相同结构的单元,并且在其中:
图1示出现有桥式PFC变换器;
图2示出根据本发明第一实施例的无桥PFC变换器100;
图3示出图2所示无桥PFC变换器100在交流输入信号正半周的第一电感器电流波形、各开关管的控制信号波形和第三开关漏源电压波形;
图4示出无桥PFC变换器100在时刻t0~时刻t1的工作状态;
图5示出无桥PFC变换器100在时刻t1~时刻t2的工作状态;
图6示出无桥PFC变换器100在时刻t2~时刻t3的工作状态;
图7示出无桥PFC变换器100在时刻t3~时刻t4的工作状态;
图8示出无桥PFC变换器100在时刻t4~时刻t5的工作状态;
图9示出图2所示无桥PFC变换器100在交流输入信号负半周的第一电感器电流波形、各开关管的控制信号波形和第三开关漏源电压波形;
图10示出无桥PFC变换器100在时刻T0~时刻T1的工作状态;
图11示出无桥PFC变换器100在时刻T1~时刻T2的工作状态;
图12示出无桥PFC变换器100在时刻T2~时刻T3的工作状态;
图13示出无桥PFC变换器100在时刻T3~时刻T4的工作状态;
图14示出无桥PFC变换器100在时刻T4~时刻T5的工作状态;
图15示出输入信号波形、第一电感器电流波形以及第一开关~第四开关的开关控制信号波形;
图16示出根据本发明第二实施例的无桥PFC变换器200;以及
图17示出根据本发明第三实施例的无桥PFC变换器300。
具体实施方式
下面将参照示出本发明实施例的附图充分描述本发明。然而,本发明可以以许多不同的形式实现,而不应当认为限于这里所述的实施例。相反,提供这些实施例以便使本公开透彻且完整,并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中,为了清楚起见放大了组件。
图2是根据本发明第一实施例的无桥PFC变换器100。如图2所示,无桥PFC变换器100包括:第一输入端口L、第二输入端口N,用以接收交流输入信号;输出端口,用以提供输出信号VO;第一电感器L1,耦接在第一输入端口L和输出级之间;输出级,包括第一桥臂101和第二桥臂102,该第一桥臂101的输入端耦接至第二输入端口N,该第二桥臂102的输入端通过第一电感器L1耦接至第一输入端口L,该第一桥臂101和第二桥臂102并联耦接在输出端口和参考地之间;输出电容器CO,耦接在输出端口和参考地之间。在一个示例性实施例中,无桥PFC变换器100进一步包括负载R,与输出电容器CO并联耦接。
可以看到,无桥PFC变换器100的输出级包括一全桥拓扑。
在一个实施例中,第一桥臂101和第二桥臂102均包括串联耦接的上开关管和下开关管。即第一桥臂101包括串联耦接的第一开关S1和第二开关S2,第二桥臂102包括串联耦接的第三开关S3和第四开关S4。在一个实施例中,第一开关S1~第四开关S4例如为N沟道场效应晶体管(MOSFET),第三开关S3~第四开关S4还分别包括并联连接到N沟道场效应晶体管的漏极和栅极的体二极管。虽然图2中示出了第一开关S1~第二开关S2也分别包括并联连接到N沟道场效应晶体管的漏极和栅极的体二极管,但该体二极管不是必须的,根据情况,可以删除并联连接到第一开关S1和第二开关S2的N沟道场效应晶体管的漏极和栅极的体二极管。第一开关S1和第二开关S2串联耦接在输出端口和参考地之间,其串联耦接点为第一桥臂101的输入端;第三开关S3和第四开关S4串联耦接在输出端口和参考地之间,其串联耦接点为第二桥臂102的输入端。
运行过程中,第一桥臂201的第一开关S1和第二开关S2运行于低频模式,第三开关S3和第四开关S4运行于高频模式。
在一个实施例中,当相应开关的控制信号为高时,相应开关被导通;当相应开关的控制信号为低时,相应开关被断开。
图3示出图2所示无桥PFC变换器100在交流输入信号正半周的第一电感器电流波形、各开关管的控制信号波形和第三开关漏源电压波形。如图3所示,IL是交流输入信号正半周的第一电感器L1的电流波形;GS1、GS3、和GS4分别是交流输入信号正半周的第一开关S1、第三开关S3、和第四开关S4的控制信号波形;以及VdsS3是交流输入信号正半周的第三开关S3的源漏电压。
在无桥PFC变换器100的交流输入信号的正半周,即当第一输入端口L的输入值大于第二输入端口N的输入值时,控制第一开关S1持续导通,控制第二开关S2持续断开;在第四开关S4断开后经过第二死区时间TD2的时间间隔,控制第三开关S3导通,相应地,第一电感器被正向充电,第一电感器电流正向增大;当第一电感器电流增大到正向电流限值时,控制第三开关S3断开。在第三开关S3断开后经过第一死区时间TD1的时间间隔,控制第四开关S4导通,第一电感器被正向放电,第一电感器电流减小。直至第一电感器电流负向过零(由正变负),之后经过系统设定的第一延时时间间隔TDELAY1,控制第四开关S4断开。同时由于第二死区时间TD2的作用,控制第三开关S3在第四开关S4断开后经过TD2时间后导通。无桥PFC变换器100进入另一个开关周期。
在一个实施例中,同一桥臂上开关管和下开关管互补导通,但两个开关的导通切换之间存在死区时间。如第三开关S3和第四开关S4互补导通,但从第三开关S3断开到第四开关S4的导通存在第一死区时间TD1的时间间隔,从第四开关S4断开到第三开关S3的导通存在第二死区时间TD2的时间间隔。
以下结合图4~图8具体阐述无桥PFC变换器100在交流输入信号正半周的工作过程。
图4示出无桥PFC变换器100在时刻t0~时刻t1的工作状态。
在图3所示的时刻t0~时刻t1:如图4所示,第二开关S2和第四开关S4断开,第一开关S1导通,此时由于第二死区时间TD2的作用,第三开关S3还未导通,输入信号经由第二输入端口N、第一开关S1、第三开关S3的体二极管、第一电感器L1和第一输入端口L形成电流回路。此时第一电感器L1开始被正向充电,第一电感器电流IL开始增加,第三开关S3由于被其体二极管箝位,其漏源电压VdsS3几乎为零。
图5示出无桥PFC变换器100在时刻t1~时刻t2的工作状态。
在图3所示的时刻t1~时刻t2:如图3所示,t1时刻,第二死区时间TD2结束,第三开关S3导通,第四开关S4断开,同时保持第一开关S1导通,保持第二开关S2断开,输入信号经由第一输入端口L、第一电感器L1、第三开关S3、第一开关S1和第二输入端口N形成电流回路,如图5所示。此时第一电感器L1继续被正向充电,第一电感器电流IL继续正向增大。而如前所述,由于第三开关S3的漏源电压VdsS3在时刻t1时几乎为零,因此,实现了对第三开关S3的零电压开通(Zero-Voltage Switch,ZVS)。
图6示出无桥PFC变换器100在时刻t2~时刻t3的工作状态。
在图3所示的时刻t2~时刻t3:如图3所示,第一电感器电流IL达到其正向电流限值Ilimit-p,第三开关S3断开,同时保持第一开关S1导通,保持第二开关S2断开,第四开关S4由于第一死区时间TD1的作用,还未导通。输入信号经由第一输入端口L、第一电感器L1、第四开关S4的体二极管、输出电容器(负载)、第一开关S1和第二输入端口N形成电流回路,如图6所示。此时第一电感器开始被正向放电,第一电感器电流IL开始减小。由于此时第四开关S4的体二极管已导通,故其漏源电压几乎为零(图中未示出)。
图7示出无桥PFC变换器100在时刻t3~时刻t4的工作状态。
在图3所示的时刻t3~时刻t4:如图3所示,第三开关S3继续断开,第一死区时间TD1结束,第四开关S4导通,同时保持第一开关S1导通,保持第二开关S2断开。此时输入信号经由第一输入端口L、经由第一电感器L1、第四开关S4、输出电容器(负载)、第一开关S1和第二输入端口N形成电流回路,如图7所示。此时第一电感器L1继续被放电,第一电感器电流IL减小至零。而如前所述,由于第四开关S4的漏源电压在时刻t3时几乎为零,因此,实现了对第四开关S4的零电压开通。
图8示出无桥PFC变换器100在时刻t4~时刻t5的工作状态。
在图3所示的时刻t4~时刻t5:如图3所示,时刻t4,第一电感电流IL过零,第三开关S3继续断开,由于系统延时的作用,第四开关S4继续导通TDELAY1的时间段,同时保持第一开关S1导通,保持第二开关S2断开。输入信号经由第二输入端口N、第一开关S1、输出电容器(负载)、第四开关S4、第一电感器L1和第一输入端口L形成电流回路,如图8所示。此时第一电感器L1继续被放电,第一电感器电流IL反向增大。
在图3所示的时刻t5~时刻t6:时刻t5,系统延时TDELAY1结束,第四开关S4被断开,但由于第二死区时间TD2的作用,第三开关S3未导通,同时第二开关S2断开,第一开关S1导通。第一电感器L1开始被正向充电,第一电感器电流IL负向减小。输入信号经由第二输入端口N、第一开关S1、第三开关S3的体二极管、第一电感器L1和第一输入端口L形成电流回路。无桥PFC变换器100的运行状态回到时刻t0~时刻t1,并如前所述循环,为叙述简明,这里不再详述。
尽管上述图3所示的曲线图,时刻t4~时刻t6的时间段时间较长,但本领域的技术人员应该认识到,该时间段为系统延时和死区时间,其相对于时刻t1~时刻t2的时间段和时刻t3~时刻t4的时间段来说,是非常短的时间段。图3为清晰起见放大的示意图。
图9示出图2所示无桥PFC变换器100在交流输入信号负半周的第一电感器电流波形、各开关管的控制信号波形和第三开关漏源电压波形。如图9所示,IL是交流输入信号负半周的第一电感器L1的电流波形;GS2、GS3、和GS4分别是交流输入信号负半周的第二开关S2、第三开关S3、和第四开关S4的控制信号波形;以及VdsS4是交流输入信号负半周的第四开关S4的源漏电压。
在运行过程中,在无桥PFC变换器100的交流输入信号的负半周,即当第一输入端口L的输入值小于第二输入端口N的输入值时,控制第一开关S1持续断开,控制第二开关S2持续导通;在第三开关断开后经过第四死区时间TD4的时间间隔,控制第四开关S4导通,相应地,第一电感器被反向充电,第一电感器电流负向增大;当第一电感器电流IL负向增大到负向电流限值时,控制第四开关S4断开,经过第三死区时间TD3后,控制第三开关S3导通,则第一电感器被负向放电,第一电感器电流减小。直至第一电感器电流正向过零(由负变正),之后经过系统设定的第二延时时间间隔TDELAY2,控制第三开关S2断开。同时由于第四死区时间TD4的作用,控制第四开关S4在第三开关S3断开后经过TD4时间之后导通。无桥PFC变换器100进入另一个开关周期。
在一个实施例中,在交流输入信号的负半周,同一桥臂上开关管和下开关管互补导通,但两个开关的导通切换之间存在死区时间。如第三开关S3和第四开关S4互补导通,但从第四开关S4断开到第三开关S3的导通存在第三死区时间TD3的时间间隔,从第三开关S3断开到第四开关S4的导通存在第四死区时间TD4的时间间隔。
例如,可以设置使得系统设定的第一延时时间间隔TDELAY1和第二延时时间间隔TDELAY2相等,即,TDELAY1=TDELAY2
在一个示例性实施例中,例如,可以设置使得第一死区时间TD1和第三死区时间TD3的时间长度相等,以及第二死区时间TD2和第四死区时间TD4的时间长度相等,即TD1=TD3,和TD2=TD4
然而,在另一个示例性实施例中,例如,可以设置使得第一死区时间TD1和第二死区时间TD2的时间长度相等,以及第三死区时间TD3和第四死区时间TD4的时间长度相等,即TD1=TD2,和TD3=TD4
上述对于TD1、TD2、TD3、TD4、TDELAY1、和TDELAY2的设置为示例性的,本领域技术人员应该理解,可以根据实际情况对它们进行其他设置。
以下结合图10~图14具体阐述无桥PFC变换器在交流输入信号负半周的工作过程。
图10示出无桥PFC变换器100在时刻T0~时刻T1的工作状态。
在图9所示的时刻T0~时刻T1:如图10所示,第一开关S1和第三开关S3断开,第二开关S2导通,此时由于第四死区时间TD4的作用,第四开关S4还未导通,输入信号经由第一输入端口L、第一电感器L1、第四开关S4的体二极管、第二开关S2和第二输入端口N形成电流回路。此时第一电感器L1开始被反向充电,但由于电感器电流不能突变,因此第一电感器电流IL正向减小,第四开关S4由于被其体二极管箝位,其漏源电压VdsS4几乎为零。
图11示出无桥PFC变换器100在时刻T1~时刻T2的工作状态。
在图9所示的时刻T1~时刻T2:如图9所示,时刻T1,第四死区时间TD4结束,第四开关S4导通,第三开关S3断开,同时保持第一开关S1断开,保持第二开关S2导通。输入信号经由第二输入端口N、第二开关S2、第四开关S4、第一电感器L1和第一输入端口L形成电流回路,如图11所示。此时第一电感器L1继续被反向充电,第一电感器电流IL开始反向增大。而如前所述,由于第四开关S4的漏源电压VdsS4在时刻T1时几乎为零,因此,实现了对第四开关S4的零电压开通(Zero-Voltage Switch,ZVS)。
图12示出无桥PFC变换器100在时刻T2~时刻T3的工作状态。
在图9所示的时刻T2~时刻T3:如图9所示,时刻T2,第一电感器电流IL达到其负向电流限值Ilimit-n,第四开关S4断开,同时保持第一开关S1断开,保持第二开关S2导通,第三开关S3由于第三死区时间TD3的作用,还未导通。输入信号经由第二输入端口N、第二开关S2、输出电容器(负载)、第三开关S3的体二极管、第一电感器L1、和第一输入端口L形成电流回路,如图12所示。此时第一电感器开始被负向放电,第一电感器电流IL开始负向减小。由于此时第四开关S3的体二极管已导通,故其漏源电压几乎为零(图中未示出)。
图13示出无桥PFC变换器100在时刻T3~时刻T4的工作状态。
在图9所示的时刻T3~时刻T4:如图9所示,第四开关S4继续断开,第三死区时间TD3结束,第三开关S3导通,同时保持第一开关S1断开,保持第二开关S2导通。输入信号经由第二输入端口N、第二开关S2、输出电容器(负载)、第三开关S3、第一电感器L1和第一输入端口L形成电流回路,如图13所示。此时第一电感器L1继续被负向放电,第一电感器电流IL负向减小至零。而如前所述,由于第三开关S3的漏源电压在时刻T3时几乎为零,因此,实现了对第三开关S3的零电压开通。
图14示出无桥PFC变换器100在时刻T4~时刻T5的工作状态。
在图9所示的时刻T4~时刻T5:如图9所示,T4时刻,第一电感电流IL过零,第四开关S4继续断开,由于系统延时的作用,第三开关S3继续导通TDELAY2的时间段。同时保持第一开关S1断开,保持第二开关S2导通。输入信号经由第一输入端口L、第一电感器L1、第三开关S3、输出电容器(负载)、第二开关S2和第二输入端口N形成电流回路,如图14所示。此时第一电感器L1继续被正向放电,第一电感器电流IL开始正向增大。
在图9所示的时刻T5~时刻T6:时刻T5,系统延时TDELAY2结束,第三开关S3被断开,但由于第四死区时间TD4的作用,第四开关S4未导通,同时第一开关S1断开,第二开关S2导通。第一电感器L1开始被充电,第一电感器电流IL正向减小至零。输入信号经由第一输入端口L、第一电感器L1、第四开关S4的体二极管、第二开关S2和第二输入端口N形成电流回路。无桥PFC变换器100的运行状态回到时刻T0~时刻T1,并如前所述循环,为叙述简明,这里不再详述。
尽管上述图9所示的曲线图,时刻T4~时刻T6的时间段时间较长,但本领域的技术人员应该认识到,该时间段为系统延时和死区时间,其相对于时刻T1~时刻T2的时间段和时刻T3~时刻T4的时间段来说,是非常短的时间段。图9为清晰起见放大的示意图。
可以看到,无桥PFC变换器100在运行过程中,只有2个半导体器件同时导通,因此大大降低了导通损耗,提高了效率;并且在开关导通切换过程中,还实现了开关的零电压导通,降低了开关损耗,进一步提高了效率。
图15示出输入信号VIN、第一电感器电流IL、第一开关S1~第四开关S4的开关控制信号波形。可以看到,第一电感的正向电流限值和负向电流限值跟随输入信号VIN的瞬时值变化而变化。如图15所示,其包络线呈正弦曲线。为防止输入信号VIN过零时,对角开关(如第一开关S1和第二开关S2)保持长通,致使输出电容器电压骤降,在输入信号VIN的过零点附近,第一开关S1和第二开关S2均被断开。即在输入信号VIN的负向过零点附近,从第一开关SI断开到第二开关S2导通有第五死区时间TD5;在输入信号VIN的正向过零点附近,从第二开关S2断开到第一开关S1导通有第六死区时间TD6。同时,在该第五死区时间TD5和第六死区时间TD6内,第三开关S3和第四开关S4也被断开。在一个示例性实施例中,例如,可以设置使得第五死区时间TD5和第六死区时间TD6的时间长度相等,即TD5=TD6
图16示出根据本发明第二实施例的无桥PFC变换器200。如图16所示,无桥PFC变换器200包括第一输入端口L、第二输入端口N,用以接收交流输入信号;输出端口,用以提供输出信号VO;第一电感器L1,耦接在第一输入端口L和输出级之间;第二电感器L2,耦接在第一输入端口L和输出级之间;输出级,包括并联耦接的第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203,其中第一桥臂201的输入端耦接至第二输入端口N,第二桥臂202的输入端通过第一电感器L1耦接至第一输入端口L,第三桥臂203的输入端通过第二电感器L2耦接至第一输入端口L,该第一桥臂201、第二桥臂202和第三桥臂203并联耦接在输出端口和参考地之间;输出电容器CO,耦接在输出端口和参考地之间。在一个示例性实施例中,无桥PFC变换器进一步包括负载R,与输出电容器CO并联耦接。
在一个实施例中,第一桥臂201、第二桥臂202、第三桥臂203均包括串联耦接的上开关管和下开关管。即第一桥臂201包括串联耦接的第一开关S1和第二开关S2,第二桥臂202包括串联耦接的第三开关S3和第四开关S4,第三桥臂203包括串联耦接的第五开关S5和第六开关S6。在一个实施例中,第一开关S1~第六开关S6例如为N沟道场效应晶体管(MOSFET),第五开关S5~第六开关S6还分别包括并联连接到N沟道场效应晶体管的漏极和栅极的体二极管。第一开关S1和第二开关S2串联耦接在输出端口和参考地之间,其串联耦接点为第一桥臂201的输入端;第三开关S3和第四开关S4串联耦接在输出端口和参考地之间,其串联耦接点为第二桥臂202的输入端;第五开关S5和第六开关S6串联耦接在输出端口和参考地之间,其串联耦接点为第三桥臂203的输入端。
可以看到,无桥PFC变换器200的输出级由两个全桥拓扑组成,即第由第一桥臂201和第二桥臂202组成的第一全桥拓扑,由第一桥臂201和第三桥臂203组成的第二全桥拓扑。其中第一全桥拓扑和第二全桥拓扑共用第一桥臂201。
无桥PFC变换器200在运行过程中,第一桥臂201的第一开关S1和第二开关S2运行于低频模式,第二桥臂202和第三桥臂203的开关运行于高频模式。
在一个实施例中,在交流输入信号的正半周,第一开关S1持续导通,第二开关S2持续断开。此过程中,在第四开关S4断开后经过第二死区时间TD2的时间间隔,控制第三开关S3导通,相应地,第一电感器被正向充电,第一电感器电流正向增大;当第一电感器电流增大到正向电流限值时,控制第三开关S3断开;在第三开关S3断开后经过第一死区时间TD1的时间间隔,第四开关S4导通,第一电感器被正向放电,第一电感器电流减小;直至第一电感器电流负向过零(由正变负),之后经过系统设定的第一延时时间间隔TDELAY1,第四开关S4断开;同时由于第二死区时间TD2的作用,第三开关S3在第四开关S4断开后TD2时间导通。同理,在此过程中,在第六开关S6断开后经过第八死区时间TD8的时间间隔,控制第五开关S5导通,相应地,第二电感器被正向充电,第二电感器电流正向增大;当第二电感器电流增大到第二正向电流限值时,控制第五开关S5断开;在第五开关S5断开后经过第七死区时间TD7的时间间隔,第六开关S6导通,第二电感器被正向放电,第二电感器电流减小;直至第二电感器电流负向过零(由正变负),之后经过系统设定的第三延时时间间隔TDELAY3,第六开关S6断开;同时由于第八死区时间TD8的作用,第五开关S5在第六开关S6断开后TD8时间导通。无桥PFC变换器200进入另一个开关周期。
在一个实施例中,在交流输入信号负半周,第一开关S1持续断开,第二开关S2持续导通。在此过程中,在第三开关断开后经过第四死区时间TD4的时间间隔,第四开关S4导通,相应地,第一电感器被反向充电,第一电感器电流负向增大;当第一电感器电流IL负向增大到负向电流限值时,控制第四开关S4断开,经过第三死区时间TD3后,第三开关S3导通,则第一电感器被负向放电,第一电感器电流减小。直至第一电感器电流正向过零(由负变正),之后经过系统设定的第二延时时间间隔TDELAY2,第三开关S2断开。同时由于第四死区时间TD4的作用,第四开关S4在第三开关S3断开后TD4时间导通。同理,在此过程中,在第五开关断开后经过第十死区时间TD10的时间间隔,第六开关S6导通,相应地,第二电感器被反向充电,第二电感器电流负向增大;当第二电感器电流IL负向增大到第二负向电流限值时,控制第六开关S6断开,经过第九死区时间TD9后,第五开关S5导通,则第二电感器被负向放电,第二电感器电流减小。直至第二电感器电流正向过零(由负变正),之后经过系统设定的第四延时时间间隔TDELAY4,第五开关S5断开。同时由于第十死区时间TD10的作用,第六开关S6在第五开关S5断开后TD10时间导通。
在一个示例性实施例中,例如,可以设置使得第七死区时间和第九死区时间的时间长度相等,即TD7=TD9,以及第八死区时间和第十死区时间的时间长度相等,即TD8=TD10
然而,在另一个示例性实施例中,例如,可以设置使得第七死区时间和第八死区时间的时间长度可以相等,即TD7=TD8,以及第九死区时间和第十死区时间的时间长度可以相等,即TD9=TD10
上述对于TD7、TD8、TD9、和TD10的设置为示例性的,本领域技术人员应该理解,可以根据实际情况对它们进行其他设置。
根据上述描述可知,无桥PFC变换器200的工作原理与无桥PFC变换器100的工作原理相同,为叙述简明,这里不再详述。
图17示出根据本发明第三实施例的无桥PFC变换器300。无桥PFC变换器300与无桥PFC变换器100和无桥PFC变换器200结构相似,其输出级由n个全桥拓扑组成,并且n个全桥拓扑共用第一桥臂301,其中n为任意的自然数。即无桥PFC变换器300包括第一桥臂301、第二桥臂302、第三桥臂303、......、第(n+1)桥臂30(n+1),其中第一桥臂301和第二桥臂302构成第一全桥拓扑,第一桥臂301和第三桥臂303构成第二全桥拓扑,......,第一桥臂和第(n+1)桥臂构成第n全桥拓扑。第一全桥拓扑通过第一电感器L1耦接至第一输入端口L,第二全桥拓扑通过第二电感器L2耦接至第一输入端口L,......,第n全桥拓扑通过第n电感器Ln耦接至第一输入端口L。
在一个实施例中,第二桥臂302通过第一电感器L1耦接至第一输入端口L,第三桥臂303通过第二电感器L2耦接至第一输入端口L,......,第(n+1)桥臂30(n+1)通过第n电感器Ln耦接至第一输入端口L。
第一桥臂至第(n+1)桥臂的构成与无桥PFC变换器100和无桥PFC变换器200中的桥臂的构成相同,因此,这里不再赘述。
因此,无桥PFC变换器300的工作原理与无桥PFC变换器100和无桥PFC变换器200的工作原理相同,为叙述简明,这里不再详述。
需要声明的是,上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用,不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内,当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (16)

1.一种无桥功率因数校正变换器,包括:
第一输入端口(L)和第二输入端口(N),用以接收交流输入信号;
输出端口,用以提供输出信号;
第一至第n-1电感器,耦接至所述第一输入端口(L)和输出级;
所述输出级,包括第一桥臂和第二至第n桥臂,其中,所述第一桥臂的输入端耦接至所述第二输入端口(N),所述第二至第n桥臂的每一个的输入端分别通过所述第一至第n-1电感器耦接至所述第一输入端口(L),所述第一桥臂和所述第二至第n桥臂都并联耦接在所述输出端口和参考地之间;以及
输出电容器,耦接在所述输出端口和参考地之间,
其中n是大于等于2的自然数。
2.如权利要求1所述的无桥功率因数校正变换器,其中,
所述第一桥臂包括串联耦接的第一开关和第二开关,所述第一开关和所述第二开关的串联耦接点作为所述第一桥臂的输入端;
所述第二至第n桥臂的每一个均包括串联耦接的第三开关和第四开关,所述第三开关和所述第四开关的串联耦接点作为所述第二至第n桥臂的每一个的输入端。
3.如权利要求2所述的无桥功率因数校正变换器,其中,所述第一开关和所述第二开关运行于低频模式;以及
所述第二至第n桥臂的每一个中的所述第三开关和所述第四开关运行于高频模式。
4.如权利要求3所述的无桥功率因数校正变换器,其中,在所述交流输入信号的正半周,控制第一开关持续导通,控制第二开关持续断开;以及
在所述交流输入信号的负半周,控制第一开关持续断开,控制第二开关持续导通。
5.如权利要求4所述的无桥功率因数校正变换器,其中,所述第二桥臂中的第三开关至第n桥臂的中的第三开关具有相同的工作状态,所述第二桥臂中的第四开关至第n桥臂的中的第四开关具有相同的工作状态,
控制所述第二至第n桥臂的每个桥臂中的第三开关和第四开关互补导通,在所述交流输入信号的正半周,交替导通第三开关和第四开关,在相应电感电流过零时,断开第四开关,导通第三开关,相应电感被正向充电;直至相应电感电流到达正向电流限值,断开第三开关,导通第四开关,相应电感反向放电;直至相应电感电流再次过零;以及在所述交流输入信号的负半周,在相应电感电流过零时,断开第三开关,导通第四开关,相应电感负向充电;直至相应电感电流到达负向电流限值,断开第四开关,导通第三开关,相应电感反向放电;直至相应电感电流再次过零。
6.如权利要求5所述的无桥功率因数校正变换器,其中,
在所述交流输入信号的正半周,从所述第三开关断开到所述第四开关导通存在第一死区时间,从所述第四开关断开到所述第三开关导通存在第二死区时间;
在所述交流输入信号的负半周,从所述第四开关断开到所述第三开关导通存在第三死区时间,从所述第三开关断开到所述第四开关导通存在第四死区时间;
在所述交流输入信号的负向过零点附近,从所述第一开关断开到所述第二开关导通有第五死区时间;和
在交流输入信号的正向过零点附近,从所述第二开关断开到所述第一开关导通有第六死区时间。
7.如权利要求6所述的无桥功率因数校正变换器,其中,第一死区时间等于第三死区时间,第二死区时间等于第四死区时间,以及第五死区时间等于第六死区时间。
8.如权利要求6所述的无桥功率因数校正变换器,其中,第一死区时间等于第二死区时间,第三死区时间等于第四死区时间,以及第五死区时间等于第六死区时间。
9.如权利要求2-8的任何一个所述的无桥功率因数校正变换器,其中,所述第一开关至所述第四开关为N沟道场效应晶体管。
10.如权利要求9所述的无桥功率因数校正变换器,其中,所述第三开关和所述第四开关还包括并联连接到N沟道场效应晶体管的栅极和漏极之间的体二极管。
11.一种无桥功率因数校正变换器的控制方法,所述无桥功率因数校正变换器包括:第一输入端口(L)和第二输入端口(N),用以接收交流输入信号;输出端口,用以提供输出信号;第一至第n-1电感器,耦接至所述第一输入端口(L)和输出级;所述输出级,包括第一桥臂和第二至第n桥臂,其中,所述第一桥臂的输入端耦接至所述第二输入端口(N),所述第二至第n桥臂的每一个的输入端分别通过所述第一至第n-1电感器耦接至所述第一输入端口(L),所述第一桥臂和所述第二至第n桥臂都并联耦接在所述输出端口和参考地之间,所述第一桥臂包括串联耦接的第一开关和第二开关,所述第一开关和所述第二开关的串联耦接点作为所述第一桥臂的输入端;所述第二至第n桥臂的每一个均包括串联耦接的第三开关和第四开关,所述第三开关和所述第四开关的串联耦接点作为所述第二至第n桥臂的每一个的输入端;以及输出电容器,耦接在所述输出端口和参考地之间,其中n是大于等于2的自然数,所述方法包括:
在所述交流输入信号的正半周,控制第一开关持续导通,控制第二开关持续断开,并控制所述第二至第n桥臂的每个桥臂中的第三开关和第四开关互补导通;以及
在所述交流输入信号的负半周,控制第一开关持续断开,控制第二开关持续导通,并控制所述第二至第n桥臂的每个桥臂中的第三开关和第四开关互补导通。
12.如权利要求11所述的控制方法,其中,控制所述第一开关和所述第二开关运行于低频模式;以及
控制所述第二至第n桥臂的每一个中的所述第三开关和所述第四开关运行于高频模式。
13.如权利要求12所述的控制方法,其中,控制所述第二至第n桥臂的每个桥臂中的第三开关和第四开关互补导通,在所述交流输入信号的正半周,交替导通第三开关和第四开关,在相应电感电流过零时,断开第四开关,导通第三开关,相应电感被正向充电;直至相应电感电流到达正向电流限值,断开第三开关,导通第四开关,相应电感反向放电;直至相应电感电流再次过零;以及在所述交流输入信号的负半周,在相应电感电流过零时,断开第三开关,导通第四开关,相应电感负向充电;直至相应电感电流到达负向电流限值,断开第四开关,导通第三开关,相应电感反向放电;直至相应电感电流再次过零。
14.如权利要求13所述的控制方法,其中,
在所述交流输入信号的正半周,从所述第三开关断开到所述第四开关导通存在第一死区时间,从所述第四开关断开到所述第三开关导通存在第二死区时间;
在所述交流输入信号的负半周,从所述第四开关断开到所述第三开关导通存在第三死区时间,从所述第三开关断开到所述第四开关导通存在第四死区时间;
在所述交流输入信号的负向过零点附近,从所述第一开关断开到所述第二开关导通有第五死区时间;和
在交流输入信号的正向过零点附近,从所述第二开关断开到所述第一开关导通有第六死区时间。
15.如权利要求14所述的方法,其中,第一死区时间等于第三死区时间,第二死区时间等于第四死区时间,以及第五死区时间等于第六死区时间。
16.如权利要求14所述的方法,其中,第一死区时间等于第二死区时间,第三死区时间等于第四死区时间,以及第五死区时间等于第六死区时间。
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