CN103795236B - 用于控制功率因数修正的功率因数修正电路和方法 - Google Patents

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Abstract

于此公开了一种功率因数修正电路，包括：升压转换器电路，在该升压转换器电路中，包括升压电感、整流二极管和升压开关的多个升压电路被相互连接；以及限制电路，包括限制电感和限制开关，以限制所述升压转换器电路。所述限制电感被控制为在所述升压电感被接通之前被接通，以将零电压应用至所述升压电感。可以减少在所述升压开关被接通时产生的切换损耗并提高AC‑DC电源装置的效率。

Description

用于控制功率因数修正的功率因数修正电路和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年10月30日提交的名称为“用于控制功率因数修正的功率因数修正电路和方法”的韩国专利申请No.10-2012-0121505的权益，该申请整体以引用的方式结合于此。
技术领域
本发明涉及用于控制功率因数修正的功率因数修正电路和方法。
背景技术
为了便于人类的生活，各种电子设备和信息通信设备被使用。家用或工业设备需要将AC电压转换成DC电压的AC-DC电源装置。近来，迫切需要必要的中等容量和大容量的电源装置。
由于电源装置的容量大小为中等容量或大容量，电源装置需要满足严格的电源标准。为了满足这些标准，本质上需要功率因数修正电路。作为被应用到功率因数修正电路的技术，使用功率半导体设备和能够由控制信号进行控制的有源功率因数修正（PFC）技术已经为公知的技术。
然而，由于效率低、内部电流高、输入电压、脉动、电磁干扰（EMI）噪声，被应用现有有源PFC技术的电路被用于1kw或更高功率的中到大型AC电源装置，因而是困难的。
发明内容
本发明致力于提供一种在使用1kw或更高的中和大容量的AC-DC电源装置的情况下，能够通过抑制输入和输出电压的脉动来减少EMI噪声的有源PFC电路。
进一步地，本发明致力于提供一种通过最小化由于在中和大容量的电源装置中被引至开关的电流的量级的增加而在开关接通时产生的开关损耗，来最大化功率因数修正电路的效率的电路，以及用于控制功率因数修正的方法。
根据本发明的优选实施方式，提供了一种功率因数修正电路，包括：升压转换器电路，在该升压转换器电路中，包括升压电感、整流二极管和升压开关的多个升压电路相互连接；以及限制（snubber）电路，包括限制电感和限制开关，以限制所述升压转换器电路。
所述升压转换器电路可以进一步包括升压电容。
所述升压电感可以具有接收电流的一端和连接至所述整流二极管和所述升压开关的另一端。
所述升压转换器电路可以被配置为并联连接所述多个升压电路。
所述限制电路可以与所述升压开关并联连接。
所述限制开关可以被配置有晶体管、功率MOSFET和IGBT中的任意一者。
所述限制开关可以被控制为在所述升压开关被接通之前被接通。
当所述升压开关被接通时，所述限制开关可以被控制以基本上应用零电切换。
根据本发明的另一优选实施方式，提供了一种功率因数修正电路，包括：升压转换器电路，在该升压转换器电路中，包括升压电感、整流二极管和升压开关的N个升压电路相互连接；以及限制电路，该限制电路包括N个限制电感和N个限制开关，以限制所述升压转换器电路，其中N为1或大于1的自然数。
N个升压电感中的每个升压电感可以具有360°/N的相位差。
根据本发明的另一优选实施方式，提供了一种功率因数修正电路，包括：升压转换器电路，在该升压转换器电路中，包括升压电感、整流二极管和升压开关的N个升压电路相互连接；以及限制电路，该限制电路包括N个限制开关和M个限制电感，以限制所述升压转换器电路，其中N和M满足N>M。
根据本发明的另一优选实施方式，提供了一种功率因数修正电路，包括：升压转换器电路，在该升压转换器电路中，包括升压电感、整流二极管和升压开关的N个升压电路相互连接，其中所述N个升压电路中的每个升压电感具有360°/N的相位差并且N为大于或等于2的整数。
根据本发明的另一优选实施方式，提供了一种功率因数修正方法，包括：执行控制以在驱动具有第一相位的第一升压电感的第一升压开关被接通之前接通第一限制开关；以及执行控制以在驱动具有第二相位的第二升压电感的第二升压开关被接通之前接通第二限制开关。
所述功率因数修正方法可以进一步包括：执行控制以在驱动具有第N相位的第N升压电感的第N升压开关被接通之前接通第N限制开关，其中N为大于或等于3的自然数。
所述第一相位和所述第二相位可以具有预定的相位差。
所述功率因数修正方法可以进一步包括：当所述升压开关被接通时，控制所述限制开关以基本上应用零电切换。
根据本发明的另一优选实施方式，提供了一种包括如上所述的功率因数修正电路的半导体芯片。
附图说明
本发明的以上和其他目的、特征和优势将结合附图通过以下具体的描述而被更加清楚的理解。
图1是示出了根据本发明的优选实施方式的两相交错的升压功率因素修正（PFC）电路的图示；
图2是示出了根据本发明的优选实施方式的N相交错的升压PFC电路的图示；
图3是示出了根据本发明的优选实施方式的两相交错的有源限制PFC电路的图示；
图4是示出了根据本发明的优选实施方式的N相交错的有源限制PFC电路的图示；
图5是示出了根据本发明的优选实施方式的另一两相交错的有源限制PFC电路的图示；
图6是示出了根据本发明的优选实施方式的另一N相交错的有源限制PFC电路的图示；
图7是描述了根据本发明的优选实施方式的用于控制功率因数修正的方法的流程图；
图8是示出了根据本发明的优选实施方式的两相交错的有源限制PFC电路的开关信号和电流波形的曲线图；
图9是图8的开关信号和电流波形的放大图；
图10是比较根据现有技术的PFC电路与根据本发明的优选实施方式的交错的有源限制PFC电路的性能的曲线图；以及
图11是比较根据现有技术的PFC电路与根据本发明的优选实施方式的交错的有源限制PFC电路的效果的表格。
具体实施方式
本发明的以上和其他目的、特征和优势将结合附图通过以下具体的描述而被更加清楚的理解。在说明中，对于全部附图的部件所添加的参考数字，应当注意的是相同的参考数字表示相同的部件，即使这些部件在不同附图中示出。进一步地，在以下说明中，术语“第一”、“第二”、“一侧”、“另一侧”等被用于区分某个部件与另一个部件，但是这些部件的配置不应当被这些术语所限制。进一步地，在本发明的说明中，在确定现有技术的具体描述将使本发明的主旨模糊的情况下，将省略该描述。
在下文中，本发明的优选实施方式将参照附图进行具体描述。
图1是示出了根据本发明的优选实施方式的两相交错的升压功率因素修正（PFC）电路的图示；
参照图1，交错的升压PFC电路100包括升压转换器电路10和11，该升压变换器电路10和11具有两个不同的相位且可以包括用于累积电流的电容。
升压变换器电路10包括升压电感L1、整流二极管BD1和升压开关Q1，并且电流I1从升压电感L1的一端被输入，以及整流二极管BD1和升压开关Q1可以被直接连接至升压电感L1的另一端。类似地，升压转换器电路11包括升压电感L2、整流二极管BD2和升压开关Q2。
来自AC电源装置的电流Iin经由二极管被输入至交错的升压PFC电路100，以及两个升压转换器电路10和11可以相互并联连接。在这种情况下，输入电流Iin被分开地输入至升压转换器电路10和11的每个压转换器电路（Iin=I1+I2）。此外，在升压开关Q1和Q2被接通时，产生的电流损耗通过电流在整流二极管BD1和BD2中流动而可能被增加。
升压转换器电路10和升压转换器电路11可以相互并联连接并且可以被设计成具有180°的相位差。在这种情况下，具有180°的相位差的电流在每个升压电感中流动，并且因此升压电感脉动电流会相互抵消。结果，输入电流的脉动可以显著地减少。进一步地，交错的升压PFC电路100可以被操作以使全部的输出功率在以时差为开关周期内被平等地共享至相互并联连接的每个升压转换器电路10和11，因而同时减少了输入电流的脉动和输出电压的脉动。
因此，可以明显地减小滤波器的大小以移除电磁干扰（EMI）并降低PFC电路的传导损耗。
图2是示出了根据本发明优选实施方式的N相交错的升压PFC电路的图示。
图2的N相交错的升压PFC电路示出了本发明可以从图1中示出的两相交错的升压PFC电路扩展为N相交错的升压PFC电路。也就是说，图1的两相交错的升压PFC电路仅为用于描述本发明的示例，并且因此本发明可以从两相交错的升压PFC电路扩展为三相、四相、五相交错的升压PFC电路，等等。升压电感L1，L2，……，Ln中的部分升压电感可以被配置有一个耦合电感。也就是说，至少一个升压电感可以被耦合以形成为小绕组并可以被设计成减小包括电路的半导体的体积。
在N相交错的升压PFC电路中，图1中示出的N相升压转换器电路10和11可以相互并联连接。因此，每个升压转换器电路10、11和18可以共享全部的输出功率。进一步地，每个升压转换器电路10、11和18可以被操作成相互间具有360°/N的相位差且在升压电感中流动的电流相互被抵消（offset），以使输出电流的脉动可以被明显地减少。显然，参照图1描述的EMI滤波器大小的减小和电路的导通损耗的减少可以从N相交错的升压PFC电路获得。
在下文中，本发明的另一优选实施方式将参照图3进行描述。
图3是出了根据本发明优选实施方式示的两相交错的有源限制PFC电路的图示。
参照图3，两相交错的有效限制PFC电路200具有以下配置：图1中示出的交错的升压PFC电路100与两个限制电路30和31连接。交错的升压PFC电路100的细节可以参照图1和2进行理解，因此说明书将省略对它的描述。限制电路30包括可以相互串联连接的限制电感LS1和限制开关S1。类似地，限制电路31包括限制电感LS2和限制开关S2。
限制电路30和31的每一个包括限制开关S1和S2并可以被操作以根据控制信号执行切换。出于这个目的，限制开关S1和S2可以被配置有晶体管并控制该晶体管以执行切换。通过被配置有半导体装置来控制控制限制开关，该半导体装置被称为“有源限制电路”。进一步地，除了以上所述的晶体管，限制开关S1和S2可以被配置有功率MOSFET和IGBT中的任意一者。
限制电路30和31可以分别与升压开关Q1和Q2连接。在升压开关Q1和Q2被接通之前，限制电路30和31可以立即被控制以持续导通一短时间段。也就是说，限制开关S1和S2在升压开关Q1和Q2被接通之前被立即接通以使限制电路30和31持续导通一短时间段，并且使限制电路30和31与升压开关Q1和Q2一起导通，以使得升压开关Q1和Q2可以被控制来满足零电压切换接通条件。
限制电路30和31被控制以创造上述的升压开关Q1和Q2的软接通切换条件并满足零电压条件，以使得升压开关Q1和Q2的接通切换损耗可以被最小化。
进一步地，限制电路30和31仅在升压开关Q1和Q2被接通之前与电路持续连接一短时间段，因而能够最小化升压开关Q1和Q2的接通切换损耗并最小化限制电路30和31的损耗。
如上所述，为了满足接通切换条件和零电压条件，升压开关Q1和Q2以及限制开关S1和S2可以被配置有晶体管、功率MOSFET和IGBT中的任意一者。
图4是示出了根据本发明优选实施方式的N相交错的有源限制PFC电路的图示。
应当理解的是，本发明可以从图3的两相交错的有源限制PFC电路扩展为N相交错的有源限制PFC电路。参照图4，交错的有源限制PFC电路200包括N个限制电路30、31和38。如图2所示，N个升压电感L1、L2、……、Ln可以被实施成相互之间具有360°/N的相位差，并因而N个限制电感Ls1、Ls2、……、Lsn相互之间具有360°/N的相位差。
限制电路30、31和38可以被设计为分别与升压开关Q1、Q2、……、Qn连接并且限制开关S1、S2、……、Sn可以被控制以在升压开关Q1、Q2、……、Qn被接通之前被持续接通一短时间段。出于这个目的，限制开关S1、S2、……、Sn可以被配置有晶体管、功率MOSFET和IGBT中的任意一者。
同时，限制电感Ls1、Ls2、……、Lsn具有非常小的电感值并且部分或所有限制电感可以被耦合以形成为具有空芯形式的小的绕组。进一步地，部分或所有限制电感可以与升压电感耦合并且可以以各种类型进行设计以最小化芯片大小。
如上所述，在N相交错的有源限制PFC电路中，每个升压电路相互并联连接并具有360°/N的相位差以相互抵消电流，以使输入电流的脉动可以被显著地减小，从而实现减小EMI滤波器大小并减少电路的导通损耗。
进一步地，限制电路30、31和38被控制以满足每个升压开关Q1、Q2、……、Qn的软接通切换条件/零电压条件，因而显著地减少升压开关Q1、Q2、……、Qn的切换损耗。
在下文中，本发明的另一优选实施方式将参照图5进行描述。
图5是示出了根据本发明优选实施方式的另一两相交错的有源限制PFC电路的图示。
参照图5，两相交错的有源限制PFC电路300具有图1中示出的交错的升压PFC电路100与限制电路50连接的配置。限制电路50包括两个限制开关S1和S2及一个限制电感LS。
限制开关S1和限制电感LS与升压开关Q1并联连接，限制开关S2和限制电感LS与升压开关Q2并联连接，以及限制电感LS的一端被分别直接与限制开关S1和S2连接。也就是说，限制开关S1和S2可以被设计为共享一个限制电感LS。
如上所述，限制电路50可以被配置成以使多个限制开关共享一个限制电感LS。为了这个目的，每个限制开关S1和S2可能需要浮置栅极驱动器（floating gate driver）。
如图3所示，限制开关S1和S2可以在每个升压开关Q1和Q2被接通之前被接通并可以与升压开关一起被持续导通一预定时间段。进一步地，限制开关S1和S2可以被实施为满足软接通切换条件和零电压条件并可以被配置有晶体管、功率MOSFET和IGBT中的任意一者。
图6是示出了根据本发明优选实施方式的另一N相交错的有源限制PFC电路的图示。
应当理解的是本发明可以从图5的两相交错的有源限制PFC电路扩展为N相交错的有源限制PFC电路。参照图6，限制电路50包括N个限制开关S1、S2、……、Sn和一个限制电感Ls。该N个限制开关直接与一个限制电感Ls连接并共享该限制电感Ls。也就是说，N个限制开关S1、S2、……、Sn中的每个限制开关和限制电感Ls一起被与N个升压开关Q1、Q2、……、Qn并联连接。
如图5所示的N个限制开关S1、S2、……、Sn的每一者在相配的升压开关Q1、Q2、……、Qn的每一者被接通之前被接通，并且可以被实施以使得升压开关Q1、Q2、……、Qn满足软接通条件和零电压条件。
图6示出了N个限制开关S1、S2、……、Sn共享一个限制电感Ls。但是，N个限制开关S1、S2、……、Sn可以被设计为共享M个限制电感Ls（N>M）。也就是说，N个限制开关S1、S2、……、Sn中的一部分限制开关可以与第一限制电感连接，以及N个限制开关S1、S2、……、Sn中的另一部分限制开关可以与第M个限制电感连接。共享相同限制电感的限制开关还可能需要浮置栅极驱动器。
限制开关S1、S2、……、Sn与限制电感Ls连接并可以与相配的每一个升压开关Q1、Q2、……、Qn并联连接。限制电感Ls可以被N个限制开关中的一部分限制开关共享，并且还可以仅与一个限制开关连接。
部分或所有M个限制电感Ls可以相互耦合以形成为具有空芯形式的小的绕组并可以被设计以使得与N个升压电感耦合。
如上所述，在N相交错的有源限制PFC电路中，每个升压电路并联连接并具有360°/N的相位差以抵消相互间的电流，因而减少输入电流的脉动，并且限制电路30、31和38被控制以满足每个升压开关Q1、Q2、……、Qn的软接通切换条件/零电压条件，因而显著地减少升压开关Q1、Q2、……、Qn的的切换损耗。
在下文中，为了描述本发明，功率因数修正方法将参照图7被描述。
控制交错的有源限制PFC转换器电路包括具有360°/N的相位差的升压转换器电路是可取的。每个升压转换器电路和限制电路具有相位差，从而以时间差进行连续的控制（S60）。第一限制开关S1在第一升压开关Q1被接通之前被接通（S70）。第一升压开关Q1在限制开关S1被接通之后被接通（S80）。
在第一限制开关S1和第一升压开关Q1处于接通状态时，第一限制开关S1和第一升压开关Q1可以以非常短的时间进行控制。在这种情况下，电源电路与限制开关持续连接非常短的时间，以使由限制电路产生的损耗可以被最小化并且零电压切换可以被本质地执行。如此，为了实施零电压切换，限制开关和升压开关可以被配置有晶体管、功率MOSFET和IGBT中的任意一者。
在升压开关Q1被第一限制开关S1进行软切换之后，确定下一相位的切换的数量比切换的总数量N小（S90），并且如果确定切换的总数量N很小，那么下一相位的升压转换器电路和限制电路被导通。在所有开关进行切换的情况下，执行结束。
图8是示出了根据本发明优选实施方式的两相交错的有源限制PFC电路的开关信号和电流波形的曲线图。
参照图8，升压开关Q1和Q2按时间差被周期性接通。可以确保限制开关S1和S2仅仅在升压开关Q1和Q2被接通的瞬间被接通。在升压电感L1和L2相互之间具有180°的相位差且升压开关Q1被接通的情况下，在升压电感L1中流动的电流增加，以及在升压开关Q2被接通的情况下，在升压电感L2中流动的电流增加。这个过程被周期性地重复。图8仅出于说明的目的以示例的方式示出了两相电路，但是已经描述了N相电路可以根据图7的功率因数控制方法进行应用。
图9是示出了图8的开关信号和电流波形的放大图。
参照图9，限制开关S1在升压开关Q1被接通之前被接通并且升压开关Q1在预定延迟TQ1-D逝去之后被接通。进一步地，在限制开关S1被接通时，限制开关S1可以控制升压开关Q1产生零电压接通条件，以使升压开关Q1的接通切换损耗可以被最小化。
在升压开关Q1被接通时，限制开关S1与升压开关一起仅在短时间TS1-PW内处于接通状态并然后被断开。短时间TS1-PW在限制开关S1被接通时可以在考虑切换特性、栅电压级别、限制电感系数、输入和输出电流等的情况下以各种方式来确定，但是本发明并不限于特定的方式，因此所有的用于确定限制开关S1被接通的时间的各种方式都包括在本发明的范围之内。
图10是比较根据现有技术的PFC电路与根据本发明的优选实施方式的交错的有源限制PFC电路的性能的曲线图。
根据现有技术的PFC电路增加了在升压开关Q1被接通时的切换损耗，从而使得电流IQ1可以在升压开关Q1进行切换之前和之后突然增加和减少。因此，升压二极管BD1产生了非常大的反向恢复电流Irr以防止电流IQ1突然增加和减少。
另一方面，根据本发明优选实施方式的PFC电路基于零电压切换条件基本上移除了升压开关Q1的切换损耗，从而使得电流IQ1具有非常小的变化。因此，短时间产生了升压二极管BD1的反向恢复电流。因而，能够理解的是反向恢复电流Irr可以显著地减少升压开关Q1的接通损耗并降低EMI噪声级别。
图11是比较根据现有技术的PFC电路与根据本发明优选实施方式的交错的有源限制PFC电路的效果的表格。
参照表格500，与根据现有技术的PFC电路比较，本发明优选实施方式的交错的有源限制PFC电路减少了升压开关损耗并短时间产生了升压二极管的反向恢复电流以降低EMI噪声级别并提高效率。增加的限制电感被形成为具有空芯形式的小的绕组或者被设计为与升压电感耦合，等等，以使得芯片大小可以基本上相同且效率可以被最大化。进一步地，由于切换损耗被减少，电源装置的切换频率可以被增加，以使得AC-DC电源装置的大小可以被减小。
根据本发明的优选实施方式，与现有的PFC电路相比，可以显著地减少输入电流和输出电压的脉动、EMI噪声和EMI滤波器的大小。
进一步地，根据本发明的优选实施方式，可以对限制电路进行交错以最小化在接通PFC电路的切换期间发生的损耗，因而可以提高电源装置的效率以及减少切换损耗以增加电源装置的切换频率，从而显著地减小了AC-DC电源装置的大小。
虽然本发明的优选实施方式已经出于示出的目的被公开了，但是他们特定地用于解释本发明。因此，本领域技术人员应当理解在不背离所附权利要求书所公开的本发明的范围和思想的情况下可以进行各种修改和替换。
相应地，此类修改和替换也应当被理解为落入本发明的范围内。本发明的特定的保护范围可以通过所附权利要求书来定义。

Claims (6)

1.一种功率因数修正电路，包括：
升压转换器电路，在该升压转换器电路中，包括升压电感、整流二极管和升压开关的N个升压电路被相互连接；以及
限制电路，包括N个限制开关和M个限制电感，以限制所述升压转换器电路，
其中N和M满足N>M，其中所述N个限制开关中的至少两个限制开关直接与一个限制电感连接以共享限制电感。
2.根据权利要求1所述的功率因数修正电路，其中N个升压电感中的每个升压电感具有360°/N的相位差。
3.根据权利要求1所述的功率因数修正电路，其中所述升压电感具有接收电流的一端及被连接至所述整流二极管和所述升压开关的另一端。
4.根据权利要求1所述的功率因数修正电路，其中所述限制电路被配置为将集合与所述升压开关并联连接，在所述集合中，一个限制开关与所共享的限制电感连接。
5.根据权利要求1所述的功率因数修正电路，其中所述M个限制电感中的至少一个限制电感与所述升压电感耦合。
6.一种半导体芯片，该半导体芯片包括权利要求1至5中任意一项权利要求所述的功率因数修正电路。
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