CN103081328A - 用于无桥pfc转换器的保持时间电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种无桥功率因数校正电路的实施例保持时间电路包括：充电器件、能量存储装置以及放电器件。所述充电器件包括：第一端子，其耦合到无桥功率因数校正电路；以及第二端子，其耦合到所述能量存储装置。所述放电器件包括：第一端子，其耦合到所述能量存储装置；以及第二端子，其耦合到所述无桥功率因数校正电路。

Description

用于无桥PFC转换器的保持时间电路和方法
相关申请案的交叉参考
本发明要求2011年8月26日由付殿波(Dianbo Fu)等人递交的发明名称为“用于无桥PFC转换器的保持时间电路和方法(Holdup TimeCircuit and Method for Bridgeless PFC Converter)”的第13/219513号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以引入并以整体复制的方式并入本文本中。
技术领域
本发明大体上涉及无桥功率因数校正转换器和方法，更确切地说，涉及用于无桥功率因数校正转换器的保持时间电路和方法。
背景技术
电信网络电力系统通常包含ac-dc级，所述ac-dc级将功率从ac公用线路转换到48V dc配电总线。常规ac-dc级可以包括多种EMI滤波器、由四个二极管构成的桥式整流器、功率因数校正电路以及隔离dc/dc功率转换器。桥式整流器将ac电压转换成全波整流dc电压。此类全波整流dc电压为功率因数校正电路提供dc输入电压。功率因数校正电路可以通过使用包含升压转换器的功率转换器来实施。通过使用适当的控制电路，升压转换器能够使输入线路电流具有正弦形状，并且相位与ac输入电源的正弦输入电压相同。这样，ac-dc级的功率因数可以接近于一，正如多种国际标准(例如，EU标准EN55022)所要求。
升压转换器可以包括电感器，所述电感器耦合于输入电压与开关和二极管的接合点之间。在电力管理行业中，开关和二极管的接合点通常被称为功率转换器的开关节点(switching node)。在升压转换器中，开关耦合于开关节点与大地之间。二极管置于开关节点与升压转换器的输出端之间。正如升压转换器的名称所指示，升压转换器的输出电压大于其输入电压。当开关开通时，输入电压通过已开通的开关为电感器充电。同时，使二极管反向偏置，从而使升压转换器的输出端与升压转换器的输入端隔离。另一方面，当开关关断时，二极管正向偏置。这样，升压转换器的输出端从已充电的电感器以及输入电压接收能量。
电信网络电力系统可能需要多个大容量电容器来存储能量。所述多个大容量电容器有助于使48V配电总线电压维持大约20ms，维持方式为，在输入ac电源发生压降之后，将存储于大容量电容器中的能量释放到48V配电总线中。在典型的电力系统中，保持时间能量(holdup timeenergy)存储于大容量电容器中，所述大容量电容器连接于ac/dc功率级的输出端与大地之间。在输入ac电源的压降期间，大容量电容器上的电压得到释放，以维持下游功率转换器的操作。为了提高电信网络电力系统的效率，具有窄输入电压范围的高效下游功率转换器被用于将ac/dc功率级的输出(大约400V)转换成48V配电总线。这种窄输入电压使得下游功率转换器仅能使用存储于大容量电容器中的有限能量。
发明内容
本发明的优选实施例提供了用于获得高效无桥功率因数校正电路的装置和方法，这些优选实施例一般能解决或避开这些和其他问题，并且一般能获得技术优点。
根据一个实施例，一种电路包括：充电器件、放电器件、能量存储装置以及无桥功率因数校正电路。所述充电器件包括：第一端子，其耦合到无桥功率因数校正电路；以及第二端子，其耦合到能量存储装置。所述放电器件包括：第三端子，其耦合到所述能量存储装置；以及第四端子，其耦合到所述无桥功率因数校正电路。所述无桥功率因数校正电路包括：第一开关，其耦合于所述无桥功率因数校正电路的第一输入端与大地之间；以及第二开关，其耦合于所述无桥功率因数校正电路的第二输入端与大地之间。
根据另一个实施例，一种系统包括：无桥功率因数校正电路。所述无桥功率因数校正电路包括：第一升压转换器，其耦合于输入ac电源与输出端之间；第二升压转换器，其耦合于所述输入ac电源与所述输出端之间；第一开关，其耦合于所述第一升压转换器的输入端与大地之间；第二开关，其耦合于所述第二升压转换器的输入端与大地之间；第一浪涌保护二极管，其耦合于所述第一升压转换器的所述输入端与所述输出端之间；以及第二浪涌保护二极管，其耦合于所述第二升压转换器的所述输入端与所述输出端之间。
所述系统进一步包括：充电器件、放电器件以及能量存储装置。所述充电器件包括：第一端子；其耦合到无桥功率因数校正电路；以及第二端子，其耦合到能量存储装置。所述放电器件包括：第三端子，其耦合到所述能量存储装置；以及第四端子，其耦合到所述无桥功率因数校正电路。
根据又一个实施例，一种方法包括：通过充电器件对能量存储装置充电，其中所述充电器件耦合于无桥功率因数校正电路与所述能量存储装置之间；检测输入ac电源的压降；以及通过放电器件使所述能量存储装置放电，其中所述放电器件耦合于所述能量存储装置与所述无桥功率因数校正电路的输入端之间。
本发明的实施例的优点为，能够充分利用耦合到无桥功率因数校正电路的输入端的所述能量存储装置，从而减少大容量电容器的数量。减少大容量电容器可以提高具有所述无桥因数校正电路的电力系统的可靠性并降低所述电力系统的成本。
前述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便更好地理解下文中的本发明的具体实施方式。下文中将描述本发明的额外特征和优点，其形成本发明的权利要求书的主题。所属领域的技术人员应了解，所揭示的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计其他结构或过程的基础，以实现与本发明目的相同的目的。所属领域的技术人员还应意识到，此类等效构造不脱离所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图进行的描述，其中：
图1图示了根据一个实施例的具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的方框图；
图2图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图；
图3图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入ac电源的前半周期中，所述无桥功率因数校正电路在开关传导模式下操作；
图4图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入ac电源的前半周期中，所述无桥功率因数校正电路在二极管传导模式下操作；
图5图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入ac电源的后半周期中，所述无桥功率因数校正电路在开关传导模式下操作；
图6图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入线路的后半周期中，所述无桥功率因数校正电路在二极管传导模式下操作；
图7图示了根据一个实施例的在前半周期功率浪涌模式下操作的无桥功率因数校正电路的示意图；
图8图示了根据一个实施例的在后半周期功率浪涌模式下操作的无桥功率因数校正电路的示意图；
图9图示了根据一个实施例的具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的示意图；
图10图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，所述无桥功率因数校正电路具有在充电模式下操作的能量存储装置；
图11图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，所述无桥功率因数校正电路具有在放电模式下操作的能量存储装置；
图12图示了根据另一个实施例的具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的示意图；
图13图示了根据又一个实施例的具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的示意图；
图14图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的一个替代方案；
图15图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的另一个替代方案；
图16图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的另一个替代方案；
图17图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的又一个替代方案；
图18图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的又一个替代方案；
图19图示了两个保持时间延长机制之间的比较；以及
图20图示了隔离dc/dc转换器使用宽输入操作电压范围的电力系统与隔离dc/dc转换器使用窄输入操作电压范围的电力系统之间的效率比较。
除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是为了清楚地说明各个实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。
具体实施方式
下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供了可以在广泛多种具体上下文中体现的许多适用发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以制作和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
下文将在具体上下文中针对优选实施例来描述本发明，所述具体上下文也就是无桥功率因数校正电路的保持时间电路。然而，本发明也可以应用于多种功率因数校正电路，所述功率因数校正电路在不同模式(例如，不连续传导模式、临界传导模式或连续传导模式)下操作，使用不同调制机制(例如，前缘脉冲宽度调制、后缘脉冲宽度调制或脉冲频率调制)，并且采用不同控制方案(例如，峰值电流模式控制或平均电流模式控制)。
首先参看图1，图1根据一个实施例图示了具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的方框图。无桥功率因数校正电路100耦合于输入ac电源104与负载之间。无桥功率因数校正电路100的输出端通过充电器件124耦合到能量存储装置120。另外，能量存储装置120通过放电器件122耦合到无桥功率因数校正电路100的输入端。如图1所示，能量存储装置120、放电器件122以及充电器件124构成保持时间电路，在输入ac电源发生压降之后，无桥功率因数校正电路100在预定阶段内的输出电压可以在保持时间电路的作用下保持不变。
此外，使用控制器106来提供无桥功率因数校正电路100、充电器件124和充电器件122的多个控制信号。更具体而言，将四个信号，即SR1、SR2、S1和S2，从控制器106发送到无桥功率因数校正电路100，以控制开关SR1、SR2、S1和S2(未图示，但将在图2中示出)的操作。类似地，两个信号Sdd和Scd分别发送到放电器件122和充电器件124。前四个信号的详细操作原理在下文中将参照图2到图8来描述。Sdd和Scd的详细操作原理在下文中将参照图9到图15来描述。应注意，虽然图1所示为使用单一控制器来产生无桥功率因数校正电路100、放电器件122和充电器件124的信号，但所属领域的技术人员会认识到，控制器106的功能的实施方案可以具有多种替代方案。举例来说，可以用两个分开的控制器来替换控制器106，这两个控制器分别专用于无桥功率因数校正电路100和保持时间电路。
图2图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路100的示意图。无桥功率因数校正电路100具有耦合到ac电源的输入端、耦合到输出电容器Co的输出端，所述输出电容器Co并联连接到电阻器Ro所表示的负载。如图1所示，无桥功率因数校正电路100包括经配置以串联工作的两个升压转换器。更具体而言，第一电感器L1、第一开关S1以及第一二极管D1构成第一升压转换器，所述第一升压转换器在输入ac电源的前半周期内进行功率因数校正。类似地，第二电感器L2、第二开关S2以及第二二极管D2构成第二升压转换器，所述第二升压转换器由控制器106启动，以在输入ac电源的后半周期内进行功率因数校正。
如图2所示，第一电感器L1和第二电感器L2各自均具有耦合到输入ac电源输入端的端子。因此，如果功率因数校正电路100中不包含开关SR1和SR2，那么，功率因数校正电路100的输出电压可能因输入ac电源而发生浮动。因输入ac电源而产生的这种浮动输出电压容易使功率因数校正电路100受到共模噪声的影响。为了防止功率因数校正电路100的输出电压发生浮动，添加开关SR1和SR2，从而使无桥功率因数校正电路100的输出端通过开关SR1或SR2始终耦合到输入线路。开关SR1和SR2的详细操作在下文中将参照图3到图6来描述。此外，还使用两个浪涌保护二极管Dsurge1和Dsurge2，以防止无桥功率因数校正电路100在输入ac电源的前半周期内受到浪涌的影响或者在输入ac电源的后半周期内受到浪涌的影响。
图3图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入ac电源的前半周期内，所述无桥功率因数校正电路在开关传导模式下操作。当将输入ac电源的前半周期施加于无桥功率因数校正电路100时，控制器106回应于所述前半周期而关断第二开关S2和开关SR1。同时，开通开关SR2。第一开关S1和第一二极管D1的开通/关断状态由升压转换器的操作原理来确定。
在第一开关S1的开通阶段内，第一二极管D1反向偏置。这样，输入ac电源通过由第一电感器L1、第一开关S1和开关SR2构成的传导通路对第一电感器L1充电。在图3中，虚线指示输入ac电源的前半周期的开关开通阶段内的传导通路。应注意，置于图3中的组件上方的黑箭头指示，在无桥功率因数校正电路100的这个操作相位期间，此类组件被停用。应进一步注意，虽然图3所示为充电电流流经开关SR2，但所属领域的技术人员还将认识到，充电电流可以流经开关SR2的本体二极管。具有已开通开关SR2的有利特征在于，与本体二极管的较大电压降相比，已开通开关SR2可以提供较小的电压降。因此，已开通开关SR2有助于提高无桥功率因数校正电路100的效率。
具有已开通开关SR2的另一个有利特征在于，通过将输出接地端直接连接到输入ac电源，能够减少无桥功率因数校正电路100的共模噪声。在常规无桥功率因数校正电路中，充电电流流经第二开关S2的本体二极管与第二电感器L2所构成的传导通路。常规技术中的接地连接方式不是直接连接到输入ac电源。相反，如图3所示，在第一开关S1的开通阶段内，无桥功率因数校正电路100的输出端的接地连接方式为，通过已开通开关SR2耦合到输入ac电源。因此，无桥功率因数校正电路100的输出电压不会浮动。使用开关SR2的有利特征在于，因为第二电感器L2不再阻止无桥功率因数校正电路100的输出端直接连接到输入ac电源，所以能避免常规无桥功率因数校正电路中的共模噪声问题。
图4图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入ac电源的前半周期中，所述无桥功率因数校正电路在二极管传导模式下操作。类似于图3中的情形，当将输入ac电源的前半周期施加于无桥功率因数校正电路100时，控制器106回应于所述前半周期而关断第二开关S2和开关SR1，并且开通开关SR2。第一开关S1和第一二极管D1的开通/关断状态由升压转换器的操作原理来确定。当第一开关S1关断时，第一二极管D1正向偏置。这样，输入ac电源以及已充电的电感器通过由第一电感器L1、第一二极管D1和开关SR2构成的传导通路递送能量。在图4中，虚线指示输入ac电源的前半周期中无桥功率因数校正电路100在二极管传导模式期间的传导通路。
如图4所示，在第一二极管D1的正向传导期间，无桥功率因数校正电路100的输出端的连接方式为，通过已开通开关SR2耦合到输入ac电源。因此，无桥功率因数校正电路100的输出电压不会浮动。类似地，使用开关SR2的有利特征在于，在第一传导阶段内，因为第二电感器L2不再阻止无桥功率因数校正电路100的输出端连接到输入ac电源，所以能避免常规无桥功率因数校正电路中的共模噪声问题。
图5图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入ac电源的后半周期中，所述无桥功率因数校正电路在开关传导模式下操作。当将输入ac电源的后半周期施加于无桥功率因数校正电路100时，控制器106回应于输入ac电源的极性改变而关断第二开关S1和开关SR2，并且开通开关SR1。第二电感器L2、第二开关S2以及第二二极管D2构成升压转换器。第二开关S2和第二二极管D2的开通/关断状态由升压转换器的操作原理来确定。图5所示为第二开关传导阶段，在该阶段中，第二二极管D2反向偏置。在第二开关传导阶段内，输入ac电源通过由第二电感器L2、第二开关S2以及开关SR1构成的传导通路对第二电感器L2充电。在图5中，虚线指示输入ac电源的后半周期中开关开通阶段内的传导通路。
如图5所示，在第二开关S2的开通阶段内，无桥功率因数校正电路100的输出端的连接方式为，通过已开通开关SR1耦合到输入ac电源。无桥功率因数校正电路100的输出电压不会浮动，这是因为已开通开关SR1绕过了由第一开关S1的本体二极管和第一电感器L1构成的常规传导通路。类似于输入ac电源的前半周期，在后半周期中使用开关SR1的有利特征在于，因为第一电感器L1不再阻止无桥功率因数校正电路100的输出端直接连接到输入ac电源，所以能避免常规无桥功率因数校正电路中的共模噪声问题。
图6图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，在输入线路的后半周期中，所述无桥功率因数校正电路在二极管传导模式下操作。类似于图5中的情形，当将输入ac电源的后半周期施加于无桥功率因数校正电路100时，控制器106回应于后半周期而关断第一开关S1和开关SR2。根据升压转换器的操作原理，在升压转换器的一个阶段开始时，首先开通第二开关S2。
控制器106基于输出电压以及流经第二电感器L2的所感测电流等反馈信息，确定第二开关S2的忙闲度。在根据控制器106的指令关断第二开关S2之后，第二二极管D2正向偏置。这样，输入ac电源以及已充电的电感器通过由第二电感器L2、第二二极管D2以及开关SR1构成的传导通路递送能量。在图6中，虚线指示输入ac电源的后半周期中二极管传导阶段内的传导通路。
如图6所示，在第二二极管D2的正向传导期间，无桥功率因数校正电路100的输出端的连接方式为，通过已开通开关SR1耦合到输入ac电源。因此，无桥功率因数校正电路100的输出电压不会浮动。类似地，使用开关SR1的有利特征在于，在第二二极管传导阶段内，因为第一电感器L1不再阻止无桥功率因数校正电路100的输出端直接连接到输入ac电源，所以能避免常规无桥功率因数校正电路中的共模噪声问题。
图7图示了根据一个实施例的在前半周期功率浪涌模式下操作的无桥功率因数校正电路的示意图。当输入ac电源的前半周期内发生浪涌时，输入电压幅值可能因此增加。当电压幅值达到约等于输出电压的水平时，第一浪涌保护二极管Dsurge1会开通，并且施加于无桥功率因数校正电路100的电压将固定在输出电压。因此，浪涌保护二极管Dsurge1有助于防止浪涌损坏无桥功率因数校正电路100。在此过程中，无桥功率因数校正电路100可以检测出输入ac电源的前半周期中发生的功率浪涌，并且可以通过关闭第一开关S1和其他适当组件来保护无桥功率因数校正电路100。
此外，电压浪涌的能量通过由第一浪涌保护二极管Dsurge1、输出电容器Co、负载电阻器Ro以及开关SR2构成的传导通路释放出去。因此，第一浪涌保护二极管Dsurge1的传导将施加于无桥功率因数校正电路100的电压限制在大约等于输出电压加上二极管电压降的电压水平。根据一个实施例，在使用第一浪涌保护二极管Dsurge1的情况下，无桥功率因数校正电路100所承受的最高电压为400V左右。
类似地，第二浪涌保护二极管Durge2可以在功率浪涌的后半周期中防止浪涌损坏无桥功率因数校正电路100。图8图示了根据一个实施例的在后半周期功率浪涌模式下操作的无桥功率因数校正电路的示意图。当输入ac电源的后半周期内发生浪涌时，输入电压幅值可能因此增加。当输入电压幅值达到略高于输出电压的水平时，第二浪涌保护二极管Dsurge2会开通，并且施加于无桥功率因数校正电路100的浪涌电压将固定在输出电压。因此，第二浪涌保护二极管Dsurge2有助于防止浪涌损坏无桥功率因数校正电路100。在此过程中，无桥功率因数校正电路100可以检测出输入ac电源的后半周期中发生的功率浪涌，并且可以通过关闭第二开关S2和其他适当组件来保护无桥功率因数校正电路100。
此外，在输入ac电源的第二周期中，电压浪涌的能量通过由第二浪涌保护二极管Dsurge2、输出电容器Co、负载电阻器Ro以及开关SR1构成的传导通路释放出去。因此，第二浪涌保护二极管Dsurge2的传导将施加于无桥功率因数校正电路100的电压限制在大约等于输出电压加上二极管电压降的电压水平。根据一个实施例，在使用第二浪涌保护二极管Dsurge2的情况下，无桥功率因数校正电路100所承受的最高电压为400V左右。总之，浪涌保护二极管Dsurge1和Dsurge2能提供针对输入电压浪涌的自动保护机制。此外，浪涌保护二极管(例如，Dsurge1)和开关(例如，SR2)能提供浪涌能量释放通路，因此能保护无桥功率因数校正电路的组件。
图9图示了根据一个实施例的具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的示意图。能量存储装置120由电容器构成，如图9所示。应注意，虽然图9所示为单一电容器，但所属领域的技术人员将认识到，使能量存储装置120包括并联连接的多个电容器也符合本发明的范围和精神。为了对存储装置120充电，在正常操作期间，使用充电器件124来促进形成通道，通过所述通道，无桥功率因数校正电路100的能量被用于对能量存储装置120的电容器充电。
根据一个实施例，图9所示的充电器件124包括二极管。另外，所述二极管耦合于第二电感器L2的一个端子与能量存储装置120之间。应注意，所属领域的技术人员将认识到，所述二极管及其配置仅仅是对能量存储装置120充电的方式之一，并且可以使用其他和替代实施例连接方式(例如，使用耦合于第一电感器L1与能量存储装置120之间的二极管)，并且可以使用其他电路(例如，将无桥功率因数校正电路100的输出端与能量存储装置120连接起来的开关元件)来实现这个功能。充电器件124的详细操作在下文中将参照图10来描述。
根据一个实施例，图9所示的放电器件122包括n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管。另外，NMOS晶体管耦合于输入ac电源的一个端子与能量存储装置120之间。应注意，所属领域的技术人员将认识到，所述二极管及其配置仅仅是对能量存储装置120充电的方式之一，并且可以使用其他和替代实施例电路(例如，使用分别耦合到第一电感器L1和第二电感器L2的两个NMOS晶体管)，并且可以使用其他配置(例如，将NMOS晶体管与Dsurge1等浪涌保护二极管结合成单一器件)来实现这个功能。放电器件122的详细操作在下文中将参照图11来描述。
图10图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，所述无桥功率因数校正电路具有在充电模式下操作的能量存储装置。与第二电感器L2的一个端子耦合的充电器件124被用来说明能量存储装置120的充电过程。如图10所示，当将输入ac电源的后半周期施加于无桥功率因数校正电路100的输入端时，控制器106(未图示，但已在图1中示出)启用第二升压功率转换器。因为充电器件124的连接方式与第二二极管D2相同，所以输入ac电源的后半周期将能量递送到无桥功率因数校正电路100的输出端以及能量存储装置120。这样，充入能量存储装置120的电压高达约等于无桥功率因数校正电路100的输出电压的水平。
图10中的虚线描绘由第二电感器L2、充电器件124以及能量存储装置120构成的充电通路。应注意，在第二升压功率转换器的二极管传导阶段中，能量存储装置120处于充电模式中。当第二升压转换器在开关传导模式下操作时，充电器件124的二极管反向偏置。因此，存储于能量存储装置120的电容器中的能量在开关传导模式阶段内保持不变。此外，应注意，控制器106可以在充电模式期间关断放电器件122的开关，因为输入ac电源在其正常范围内操作。
图11图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正电路的示意图，所述无桥功率因数校正电路具有在放电模式下操作的能量存储装置。耦合于输入ac电源的一个端子与能量存储装置120之间的放电器件122被用来说明能量存储装置120的放电过程。如图11所示，当输入ac电源具有压降时，控制器106(未图示，但已在图1中示出)可以检测出压降。因此，控制器106可以停用第一升压转换器和第二升压转换器的功率因数校正模式。另外，控制器106启动放电器件122，使得能量存储装置120可以通过放电器件122的已开通开关将能量递送到第一升压转换器。图11中的虚线描绘由能量存储装置120、放电器件122以及第一升压转换器构成的放电通路。
回应于输入ac电源的压降，第一升压转换器可以将来自能量存储装置120的存储电容器的输入电压转换成特定电压水平，所述特定电压水平等于无桥因数校正电路100在输入ac电源发生压降之前的输出电压。因此，无桥功率因数校正电路100的输出电容器Co可以保持不变，直到能量存储装置120耗尽或几乎耗尽为止。在输入ac电源压降期间使得能量存储装置100耦合到第一升压转换器的输入端的有利特征在于，无桥功率因数校正电路100的输出电压可以保持在窄范围内，这样可以提高下游转换器的效率。
图12图示了根据另一个实施例的具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的示意图。图12类似于图9，不同之处在于，放电器件122与第一浪涌保护二极管Dsurge1被结合成单一器件。更具体而言，如图12所示，放电器件122的NMOS晶体管的本体二极管可以在发生输入线路浪涌时用作浪涌保护二极管。这样可以省去浪涌保护二极管。所属领域的技术人员将认识到，虽然图12所示为将放电器件122与第一浪涌保护二极管Dsurge1结合成单一器件，但放电器件122也可以用来替换第二浪涌保护二极管Dsurge2。举例来说，如果将放电器件122耦合在能量存储装置120与第二电感器L2的输入端之间，便可以移除第二浪涌保护二极管Dsurge2。
图13图示了根据又一个实施例的具有能量存储装置的无桥功率因数校正电路的示意图。图13类似于图9，不同之处在于，充电器件124耦合到第一电感器L1的一个端子而非第二电感器L2的一个端子。因为第一升压转换器和第二升压转换器串联工作，所以图13所示的充电器件124的操作原理类似于图9所示的充电器件124的操作原理。如图13所示，在正常操作期间，无桥功率因数校正电路100在输入ac电源的前半周期内通过充电器件124对能量存储装置120充电。相反，在图9中，无桥功率因数校正电路100在输入ac电源的后半周期内对能量存储装置120充电。
应注意，在图13中，回应于充电器件124的连接方式的改变，即从第二升压转换器改变到第一升压转换器，放电器件122的连接方式与图9中的连接方式相比较也得到了修改。如图13所示，放电器件122耦合于能量存储装置120与第二升压转换器的输入端之间。图13中的放电过程类似于参照图11所描述的放电过程，因此将省略更详细的论述，以避免不必要的重复。
图14图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的替代方案。如图14所示，充电器件124可以包括NMOS晶体管。所述NMOS晶体管具有耦合到能量存储装置120的源极、耦合到无桥功率因数校正电路100的输出端的漏极以及耦合到控制器106(未图示)的栅极。在正常操作期间，充电器件中的NMOS晶体管开通，以使无桥功率因数校正电路100的输出电压可以对能量存储装置120充电，从而使能量存储装置120的电压水平达到约等于输出电压的水平。
当输入ac电源发生压降时，控制器106关断充电器件124，并且开通放电器件122。在图14中，放电器件122耦合到第一升压转换器的输入端。所属领域的技术人员将认识到，当充电器件124为耦合到无桥功率因数校正电路100的输出端的开关元件时，放电器件122可以耦合到第二升压转换器的输入端。放电器件122的操作已参照图11进行了详细描述，因此将省略再一次的论述，以避免重复。
应注意，虽然图14在充电器件124和放电器件122中示出了NMOS晶体管，但所属领域的技术人员将认识到，NMOS晶体管及其配置仅仅是对能量存储装置120充电或放电的方式之一，并且可以使用其他和替代实施例组件(例如，使用p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管等等)，并且可以使用其他电路(例如，并联连接的多个NMOS晶体管)来实现这个功能。
应进一步注意，放电器件122可以与第一浪涌保护二极管Durge1结合，如图14中示出的双向箭头所指示。所属领域的技术人员将认识到，放电器件122的NMOS晶体管的本体二极管可以用作浪涌保护二极管。因此，可以移除专用的浪涌保护二极管Dsurge1。这样，输入ac电源的电压浪涌可以固定在能量存储装置120的电压处，能量存储装置120的电压大约等于无桥功率因数校正电路100的输出电压。
图15图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的另一个替代方案。图15类似于图14，不同之处在于，放电器件122耦合到第二升压转换器的输入端而非第一升压转换器的输入端。在输入ac电源的压降期间，能量存储装置120通过第二升压转换器放电，使得无桥功率因数校正电路100的输出电压保持不变。类似于图14，放电器件122可以与第二浪涌保护二极管Dsurge2结合。因此，可以移除专用的浪涌保护二极管Dsurge2。这样，输入ac电源的电压浪涌可以固定在能量存储装置120的电压，能量存储装置120的电压大约等于无桥功率因数校正电路100的输出电压。
图16图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的另一个替代方案。图16类似于图14和图15，不同之处在于，图16所示的放电器件122为图14和图15所示的放电器件的组合。如图16所示，在输入ac电源的压降期间，第一升压转换器和第二升压转换器均用于维持无桥功率因数校正电路100的输出电压。并联操作的两个升压转换器的操作是所属领域的技术人员所了解的，因此将省略更详细的论述。
图17图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的又一个替代方案。图17类似于图16，不同之处在于，由于添加了放电器件122a和122b，因此移除了浪涌保护二极管Dsurge1和Dsurge2(在图16中示出)。更确切地说，放电器件122a的本体二极管可以替换第二浪涌保护二极管Dsurge2(在图16中示出)。同样，放电器件122b的本体二极管可以替换第一浪涌保护二极管Dsurge1(在图16中示出)。具有两个放电器件(例如，放电器件122a和122b)的有利特征在于，放电器件的本体二极管可以用作浪涌保护器件，这样可以省去浪涌保护二极管(例如，浪涌保护二极管Dsurge1和Dsurge2)的成本。
图18图示了根据一个实施例的用于实施充电器件和放电器件的又一个替代方案。图18类似于图17，不同之处在于，充电器件124的NMOS晶体管可以用并联连接的电阻器和二极管来替换。具体而言，无桥功率因数校正电路100的输出电压通过图18所示的电阻器对能量存储装置120充电。与电阻器并联连接的二极管能够保护能量存储装置120。换句话说，能量存储装置120的电压可以固定在特定电压，所述特定电压大约等于无桥功率因数校正电路100的输出电压。
图19图示了两个保持时间延长机制之间的比较。电力系统1902包括功率因数校正电路和隔离dc/dc转换器。如图19所示，功率因数校正电路与隔离dc/dc转换器级联连接。根据一个实施例，功率因数校正电路的输出电压约为400V。保持时间图1904中图示了电力系统1902的保持时间。如曲线1906所指示，电力系统1902的保持时间为，输入线路发生压降时，功率因数校正电路的输出电压从400V下降到隔离dc/dc转换器的最小操作电压的放电时间。根据一个实施例，保持时间约为20ms。
为了满足保持时间要求(例如，20ms)，可以使用两个保持时间延长机制。第一保持时间延长机制是基于，增加功率因数校正电路的输出电容。另一方面，第二保持时间延长机制是基于，增加隔离dc/dc转换器的输入操作范围。曲线1912图示了这两个机制之间的比较。根据一个实施例，通过将隔离dc/dc转换器的最小操作电压从325V改变到225V，功率因数校正电路的输出电容可以减少50％。
图20图示了隔离dc/dc转换器使用宽输入操作电压范围的电力系统与隔离dc/dc转换器使用窄输入操作电压范围的电力系统之间的效率比较。根据一个实施例，当使用窄输入操作电压范围(例如，如图20所示，从375V到400V)时，曲线2002示出，隔离dc/dc转换器的效率在正常输入电压400V处高达96％。相反，当使用宽输入操作电压范围(例如，从300V到400V)时，曲线2004示出，隔离dc/dc转换器的效率在正常输入电压400V处约为94％。
如上文参照图9到图16所描述，所提议的保持时间电路可以延长无桥功率因数校正电路的保持时间。同时，所提议的保持时间电路可以将隔离dc/dc转换器的输入电压维持在窄范围内，这是因为保持时间电路未直接耦合到无桥功率因数校正电路的输出端。而是改为，保持时间电路通过升压转换器耦合到无桥功率因数校正电路的输出端。在输入线路发生压降时，此类升压转换器有助于将无桥功率因数校正电路的输出电压维持在窄范围内。总之，保持时间电路可以提高隔离dc/dc转换器的效率。
虽然已详细地描述了本发明的实施例及其优点，但是应理解，可以在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变、替代和更改。
此外，本申请案的范围不希望限于本说明书中所描述的过程、机器、制造、物质成分、构件、方法和步骤的特定实施例。所属领域的一般技术人员容易从本发明的揭示内容了解到，可以根据本发明利用特定过程、机器、制造、物质成分、构件、方法或步骤，包括目前存在的或稍后将开发的，以执行与本文本中所描述的对应实施例大致相同的功能或实现与本文本中所描述的对应实施例大致相同的结果。因此，所附权利要求书希望在其范围内包括此类过程、机器、制造、物质成分、构件、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种电路，包括：
充电器件，其包括
(a)第一端子，其耦合到无桥功率因数校正电路；以及
(b)第二端子，其耦合到能量存储装置；
放电器件，其包括
(a)第三端子，其耦合到所述能量存储装置；以及
(b)第四端子，其耦合到所述无桥功率因数校正电路；
所述能量存储装置；以及
所述无桥功率因数校正电路，其包括
(a)第一开关，其耦合于所述无桥功率因数校正电路的第一输入端与大地之间；以及
(b)第二开关，其耦合于所述无桥功率因数校正电路的第二输入端与大地之间。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的输出端与所述能量存储装置之间的n型金属氧化物半导体晶体管。
3.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的第一电感器的输出端与所述能量存储装置之间的二极管；并且
所述放电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的第二电感器的输入端与所述能量存储装置之间的n型金属氧化物半导体晶体管。
4.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的第二电感器的输出端与所述能量存储装置之间的二极管；并且
所述放电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的第一电感器的输入端与所述能量存储装置之间的n型金属氧化物半导体晶体管。
5.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的输出端与所述能量存储装置之间的第一n型金属氧化物半导体晶体管；并且
所述放电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的第一电感器的输入端与所述能量存储装置之间的第二n型金属氧化物半导体晶体管。
6.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的输出端与所述能量存储装置之间的第一n型金属氧化物半导体晶体管；并且
所述放电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的第二电感器的输入端与所述能量存储装置之间的第二n型金属氧化物半导体晶体管。
7.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的输出端与所述能量存储装置之间的第一n型金属氧化物半导体晶体管；并且
所述放电器件由第二n型金属氧化物半导体晶体管和第三n型金属氧化物半导体晶体管构成，其中
(a)所述第二n型金属氧化物半导体晶体管耦合于所述无桥功率因数校正电路的第一电感器的输入端与所述能量存储装置之间；并且
(b)所述第三n型金属氧化物半导体晶体管耦合于所述无桥功率因数校正电路的第二电感器的输入端与所述能量存储装置之间。
8.一种系统，包括：
无桥功率因数校正电路，其包括
(a)第一升压转换器，其耦合于输入ac电源与输出端之间；
(b)第二升压转换器，其耦合于所述输入ac电源与所述输出端之间；
(c)第一开关，其耦合于所述第一升压转换器的输入端与大地之间；
(d)第二开关，其耦合于所述第二升压转换器的输入端与大地之间；
(e)第一浪涌保护二极管，其耦合于所述第一升压转换器的所述输入端与所述输出端之间；以及
(f)第二浪涌保护二极管，其耦合于所述第二升压转换器的所述输入端与所述输出端之间；
充电器件，其包括
(a)第一端子，其耦合到所述无桥功率因数校正电路；以及
(b)第二端子，其耦合到能量存储装置；
放电器件，其包括
(a)第三端子，其耦合到所述能量存储装置；以及
(b)第四端子，其耦合到所述无桥功率因数校正电路；以及
所述能量存储装置。
9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括控制器，所述控制器的控制信号连接方式为，连接到所述充电器件、所述放电器件以及所述无桥功率因数校正电路。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制器经配置以：
当所述输入ac电源在进行正常操作时，开通所述充电器件，并且关断所述放电器件；以及
当所述输入ac电源具有压降时，开通所述放电器件，并且关断所述充电器件。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述控制器经配置以：
在所述输入ac电源的前半周期中，启动所述第一升压转换器和所述第二开关；以及
在所述输入ac电源的后半周期中，启动所述第二升压转换器和所述第一开关。
12.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述充电器件为耦合于所述第一升压转换器的第一电感器与所述能量存储装置之间的二极管；并且
所述放电器件为耦合于所述能量存储装置与所述第二升压转换器的输入端之间的开关元件。
13.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述充电器件为耦合于所述第二升压转换器的第二电感器与所述能量存储装置之间的二极管；并且
所述放电器件为耦合于所述能量存储装置与所述第一升压转换器的输入端之间的开关元件。
14.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的输出端与所述能量存储装置之间的第一开关元件；并且
所述放电器件为耦合于所述能量存储装置与所述无桥功率因数校正电路的输入端之间的第二开关元件。
15.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述充电器件为耦合于所述无桥功率因数校正电路的输出端与所述能量存储装置之间的第一开关元件；并且
所述放电器件由第二开关元件和第三开关元件构成，其中
所述第二开关元件耦合于所述能量存储装置与所述无桥功率因数校正电路的第一输入端之间；并且
所述第三开关元件耦合于所述能量存储装置与所述无桥功率因数校正电路的第二输入端之间。
16.一种方法，包括：
通过充电器件对能量存储装置充电，其中所述充电器件耦合于无桥功率因数校正电路与所述能量存储装置之间；
检测输入ac电源的压降；以及
通过放电器件使所述能量存储装置放电，其中所述放电器件耦合于所述能量存储装置与所述无桥功率因数校正电路的输入端之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
检测所述输入ac电源的前半周期；
启动第一升压转换器以及耦合于第二升压转换器的输入端与大地之间的第二开关；以及
通过所述充电器件从所述第一升压转换器对所述能量存储装置充电。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
检测所述输入ac电源的后半周期；
启动第二升压转换器以及耦合于第一升压转换器的输入端与大地之间的第一开关；以及
通过所述充电器件从所述第二升压转换器对所述能量存储装置充电。
19.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
使用控制器检测所述输入ac电源的所述压降；
使用所述控制器启动所述放电器件；以及
启动第一升压转换器。
20.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：
使用控制器检测所述输入ac电源的所述压降；
使用所述控制器启动所述放电器件；以及
启动第二升压转换器。
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