CN104218825A - 具有高效率的无桥pfc功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及具有高效率的无桥PFC功率变换器。无桥PFC升压变换器具有两个耦合到输入AC电压源的辅助晶体管开关和两个耦合到输入AC电压源的相反端的升压电感器。第一升压电感器耦合到第一整流二极管和串联耦合的第一晶体管开关的结节点。第二升压电感器耦合到第二整流二极管和串联耦合的第二晶体管开关的结节点。整流二极管共同耦合到输出电容器，并且晶体管开关共同耦合到输出电容器的第二节点。第一辅助晶体管开关与第一升压电感器和输入AC电压源的第一节点共同耦合。第二辅助晶体管开关与第二升压电感器和输入AC电压源的第二节点共同耦合。

Description

具有高效率的无桥PFC功率变换器

相关申请

本专利申请要求于2013年5月30日提交的标题为“BridgelessPFC Power Converter with High Efficiency”的、序列号为61/829,119号的共同待决美国临时申请号的在35U.S.C.119(e)下的优先权。本申请通过引用全文地并入了序列号为61/829,119的美国临时申请。

背景技术

本发明总体上针对功率变换器。更具体地，本发明针对一种具有高效率的无桥功率因数校正(PFC)功率变换器。

技术领域

功率变换指的是一种形式的电功率到另一期望形式和电压的变换，例如，将由公用事业公司供应的115或230伏特的交流电(AC)变换为用于电子器件的经调节的更低电压的直流电(DC)，被称为AC至DC功率变换。

开关型电源、开关模式电源或SMPS，是包含了开关调节器的电源。线性调节器使用在其活动区偏置以指定输出电压的晶体管，而SMPS以高速率在完全饱和与完全截止之间主动地开关晶体管。所得到的矩形波形然后被传递通过低通滤波器(典型地，电感器和电容器(LC)电路)，以实现近似输出电压。开关模式电源使用具有变动的占空比的高频开关、晶体管以维持输出电压。由开关引起的输出电压变动被LC滤波器过滤掉。

SMPS可以提供提升的、降低的或反向的输出电压功能。SMPS通过临时存储输入能量并且然后在不同电压将能量释放至输出来将输入电压等级变化为另一等级。存储可以在比如电感器和/或变压器的电磁组件中、或者在比如电容器的静电组件中。

SMPS在线性电源上的优势包括更小的尺寸、更佳的功率效率以及更低的热发生。不利之处包括这样的事实，SMPS通常比线性电源更复杂、生成可能需要被仔细地抑制的高频电噪声、以及开关频率处的特征纹波电压。

高频纹波导致何时传递电流通过晶体管开关并且然后使用无源组件对电流进行滤波。纹波的频率分量依赖于半导体开关的开关频率和开关速度这二者。高频纹波产生不需要的电磁干扰(EMI)并且必须在变换器通过标准EMI要求的高的程度上被去除。

常规功率变换器通过减小输入和输出纹波来通过EMI要求。减小通过以下方法来实现：大的滤波器、减小开关频率、和/或减小开关速度。这样的技术在几乎所有的常规功率变换器普遍实行。然而，这些技术中的每种技术的使用伴随具体缺点。使用大的滤波器增加了空间和成本。减小开关频率增加了无源组件的尺寸和成本。减小开关速度降低了效率。

AC电力系统的功率因数被定义为有功功率和视在功率的比，并且是0和1之间的数值。有功功率是电路的用于在特定时间执行工作的容量。视在功率是电路的电流和电压的乘积。由于存储在负载中并且返回至源的能量，或者由于使从源汲取的电流的波形失真的非线形负载，视在功率可能比有功功率更大。低功率因数负载增加配电系统中的功率损耗并且导致增加的能量成本。功率因数校正(PFC)是用于抵消产生小于1的功率因数的电力负载的不期望的影响的技术。功率因数校正试图将功率因数调整到单位元素(1.00)。

高功率应用、以及一些低功耗应用，需要变换器以高功率因数从AC线路汲取电流。升压变换器通常用于产生高功率因数的输入。桥式整流器通常被连接到输入AC电压，用于在输入AC电压被提升之前将该电压变换成全波经整流的DC电压。然而，构成桥式整流器的整流二极管引起相当大的导通损耗，导致功率变换效率降低。这样，包括桥式整流器的常规PFC升压变换器通常不能对高功率应用提供足够的效率。

通常被称作无桥PFC升压变换器的不包括桥式整流器的PFC升压变换器与具有桥式整流器的类似PFC升压变换器相比，提供改善的效率和减小的导通损耗。图1图示常规无桥功率因数校正升压变流器的电路图。在图1中，升压电感器L11耦合到输入AC电压上的第一节点，而升压电感器L12耦合到输入AC电压第二节点。晶体管开关S11耦合到升压电感器L11，并且晶体管开关S12耦合到升压电感器L12。整流二极管D11耦合到升压电感器L11并且也与晶体管开关S11串联。整流二极管D12耦合到升压电感器L12并且也与晶体管开关S12串联。整流二极管D11、D12通过第一总线耦合到输出电容器C11，并且晶体管开关S11、S12通过第二总线耦合到输出电容器C11。输出电容器C11耦合到负载R11。

在输入AC电压的正半周期期间，晶体管开关S11导通并且引起输入电流朝向升压电感器L11流动，以便对升压电感器L11充电。与晶体管开关S11导通同时地，晶体管开关S12也导通，并且电流路径通过晶体管开关S12的体二极管闭合。接着，仍然在输入AC电压的正半周期期间，晶体管开关S11关断并且存储在升压电感器L11中的能量通过整流二极管D11被放电至输出电容器C11。电流路径通过晶体管开关S12的体二极管闭合，其中电流路径从输入AC电压，通过升压电感器L11、通过整流二极管D11、通过输出电容器C11、通过晶体管开关S12的体二极管、通过升压电感器L12并且返回到输入AC电压。

在输入AC电压的负半周期期间，晶体管开关S12导通并且引起输入电流朝向升压电感器L12流动，以便对升压电感器L12充电。与晶体管开关S12导通同时地，晶体管开关S11也被导通，并且电流路径通过晶体管开关S11的体二极管闭合。接着，仍然在输入AC电压的负半周期期间，晶体管开关S12关断并且存储在升压电感器L12中的能量通过整流二极管D12被放电至输出电容器C11。电流路径通过晶体管开关S11的体二极管闭合。这样，在输入AC电压的每个半周期期间，一个晶体管开关用作有源开关，而另一晶体管的开关用作整流二极管。在图1所示的变换器的一个不利之处是输出电压值与输入AC电压和接地端相比而浮动。另一不利之处是图1的变换器部分由于在总线和接地端之间的寄生电容值的增加而经受了严重的EMI噪声问题。

图2图示了另一常规无桥功率因数校正升压变换器的电路图。图2的无桥功率因数校正升压变换器是图1的无桥功率因数校正升压变换器的经修改的电路图。图2的升压电感器L21、L22，晶体管开关S21、S22，整流二极管D21、D22，以及输出电容器C21分别与图1的升压电感器L11、L12，晶体管开关S11、S12，整流二极管D11、D12，以及输出电容器C11类似地配置和操作。图2的无桥PFC升压变换器对于变换器的输入侧添加了一对辅助二极管D23、D24以更有效地抑制变换器的EMI噪声。然而，跨二极管D23、D24的功率损耗降低了电路效率。

发明内容

实施例针对具有两个耦合到AC电压源的辅助晶体管开关的无桥PFC升压变换器。无桥PFC升压变换器具有两个耦合到输入AC电压源的辅助晶体管开关和两个耦合到输入AC电压源的相反端的电感器。第一升压电感器耦合到第一整流二极管和串联耦合的第一晶体管开关的结节点。第二升压电感器耦合到第二整流二极管和串联耦合的第二晶体管开关的结节点。整流二极管共同耦合到输出电容器，并且晶体管开关共同耦合到输出电容器的第二节点。第一辅助晶体管开关与第一升压电感器和输入AC电压源的第一节点共同耦合。第二辅助晶体管开关与第二升压电感器和输入AC电压源的第二节点共同耦合。在一些实施例中，晶体管开关中的每个晶体管开关、辅助开关中的每个辅助开关以及输出电容器共同耦合到接地端。

在一个方面，一种无桥功率因数校正升压变换器包括第一升压电感器、第一晶体管、第一整流二极管、第二升压电感器、第二晶体管、第二整流二极管、输出电容器、第三晶体管和第四晶体管。第一升压电感器耦合到AC电压源的第一节点。第一晶体管开关耦合到第一升压电感器。第一整流二极管包括耦合第一升压电感器和第一晶体管开关的阳极。第二升压电感器耦合到AC电压源的第二节点。第二晶体管开关耦合到第二升压电感器。第二整流二极管包括耦合第二升压电感器和第二晶体管开关的阳极。输出电容器与第一整流二极管和第一晶体管开关并联耦合并且与第二整流二极管和第二晶体管开关并联耦合。第三晶体管开关耦合到AC电压源的第一节点。第四晶体管开关与第二升压电感器和第二晶体管开关并联耦合。在一些实施例中，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极以及输出电容器的第一节点共同耦合。在一些实施例中，第四晶体管开关的第一节点耦合到AC电压源的第二节点。在一些实施例中，第三晶体管开关的第一节点耦合到AC电压源的第一节点。在一些实施例中，第一晶体管开关的第一节点耦合到第一整流二极管的阳极，第二晶体管开关的第一节点耦合到第二整流二极管的阳极。在一些实施例中，第一晶体管开关的第二节点、第二晶体管开关的第二节点、第三晶体管开关的第二节点、第四晶体管开关的第二节点以及输出电容器的第二节点共同耦合。在一些实施例中，第一升压电感器的第一节点耦合到AC电压源的第一节点，并且第一升压电感器的第二节点耦合到第一整流二极管的阳极和第一晶体管开关的第一端子，其中第二升压电感器的第一节点耦合到AC电压源的第二节点，并且第二升压电感器的第二节点耦合到第二整流二极管的阳极和第二晶体管开关的第一端子。在一些实施例中，第一晶体管开关、第二晶体管开关、第三晶体管开关和第四晶体管开关各自包括金属-氧化物-半导体场效应晶体管。在一些实施例中，第一晶体管开关和第三晶体管开关被配置为与AC电压源的周期同步地执行开关功能，并且第二晶体管开关和第四晶体管开关被配置为与AC电压源的周期同步地执行开关功能。

附图说明

参考附图来描述若干示例实施例，在附图中，相类似的组件被提供以相类似的附图标记。示例实施例旨在于图示但不限制发明。

附图包括以下图：

图1图示常规无桥功率因数校正升压变换器的电路图。

图2图示另一常规无桥功率因数校正升压变换器的电路图。

图3图示根据一个实施例的无桥功率因数校正升压变换器的电路图。

具体实施方式

本申请的实施例针对无桥PFC升压变换器。本领域普通熟练技术人员将认识到该无桥PFC升压变换器的以下详细描述仅是说明性的并且不意图以任何方式进行限定。无桥PFC升压变换器的其他实施例将容易地使得益于本公开内容的那些熟练人员所想到。

现在将详细参考在附图中所图示的无桥PFC升压变换器的实施方式。相同的参考指示符将贯穿附图和以下详细描述被用于指代相同或类似的部件。出于清楚起见，并非本文描述的实施方式的全部例行特征都被示出和描述。当然，将要理解，必须进行任何这样的实际实施方式、许多实施方式特定的决定的开发，以便实现开发者的具体目标，比如符合应用和业务相关的约束，并且这些具体目标将随实施方式以及开发者而改变。此外，将要理解这样的开发努力可能是复杂的和耗时的，但虽然如此，其将是具有本公开内容的益处的本领域普通熟练技术人员的例行工作业务。

无桥PFC升压变换器的实施例针对这样的电路和操作该电路的方法，该电路提供与常规无桥PFC升压变换器相比改善的效率、可靠性和EMI噪声性能。无桥PFC升压变换器包括两个耦合到输入AC电压源的辅助晶体管开关。

图3图示了根据一个实施例的无桥功率因数校正升压变换器的电路图。在图3中，升压电感器L31的第一节点耦合到输入AC电压源的第一节点，而升压电感器L32的第一节点耦合到输入AC电压源的第二节点。晶体管开关S31的第一节点耦合到升压电感器L31的第二节点和整流二极管D31的阳极。晶体管开关S32的第一节点耦合到升压电感器L32的第二节点和整流二极管D32的阳极。整流二极管D31的阴极和整流二极管D32的阴极耦合到输出电容器C31的第一节点。晶体管开关S31的第二节点和晶体管开关S32的第二节点耦合到输出电容器C31的第二节点。输出电容器C31并联耦合到负载R31。

无桥PFC升压转换器还包括一对辅助晶体管的开关S33和S34。辅助晶体管开关S33的第一节点耦合到输入AC电压源的第一节点和第一升压电感器L31的第一节点。辅助晶体管开关S34的第一节点耦合到输入AC电压源的第二节点和升压电感器L32的第一节点。辅助晶体管开关S33的第二节点与辅助晶体管开关S34的第二节点共同耦合到晶体管开关S31的第二节点、晶体管开关S32的第二节点以及输出电容器C31的第二节点。在一些实施例中，辅助晶体管开关S33、辅助晶体管开关S34、晶体管开关S31、晶体管开关S32和输出电容器C31中的每一个的第二节点耦合到接地端。该对辅助晶体管开关S33、S34进一步抑制变换器的EMI噪声。

在一些实施例中，每个晶体管开关S31、S32和每个辅助晶体管开关S33、S34是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。可替换地，可以使用其它类型的半导体晶体管。

图3的无桥PFC升压变换器提供了许多优势。诸如MOSFET的辅助晶体管开关的导通损耗非常低。使用辅助晶体管开关取代比如图2的常规无桥PFC升压变换器的辅助二极管，通过降低导通损耗而改善了整体效率。此外，因为用于控制辅助晶体管开关S33、S34的驱动信号与用于控制辅助晶体管开关S31、S32的驱动信号相似(如果不相同)，因此电路的可靠性得以改善。这样，用于向晶体管开关中的每个开关提供驱动信号的控制电路系统得以简化。又进一步地，输出接地通过辅助晶体管开关S33、S34被连结到输入AC线路，因此与图1的常规无桥PFC升压变换器相比，改善了EMI性能。甚至再进一步地，容易地检测到电流感测和电压感测，并且因此不需要检测零电压交叉或零电流交叉。这节省了组件数量并降低了成本。

已经关于包含了细节的具体实施例对本申请进行了描述以助于理解无桥PFC升压变换器的构造和操作的原理。在各个附图中示出和描述的组件中的许多组件可以互换以实现需要的结果，并且本描述应当被阅读以也涵盖这样的互换。如此，本文对具体实施例及其细节的参考并非意图限制随附的权利要求的范围。本领域技术人员清楚的是在不脱离本申请的原理和范围的前提下，可以对选择的用于说明的实施例进行修改。

Claims (9)

1.一种无桥功率因数校正升压变换器，包括：

a.第一升压电感器，耦合到AC电压源的第一节点；

b.第一晶体管开关，耦合到所述第一升压电感器；

c.第一整流二极管，包括耦合所述第一升压电感器和所述第一晶体管开关的阳极；

d.第二升压电感器，耦合到所述AC电压源的第二节点；

e.第二晶体管开关，耦合到所述第二升压电感器；

f.第二整流二极管，包括耦合所述第二升压电感器和所述第二晶体管开关的阳极；

g.输出电容器，与所述第一整流二极管和所述第一晶体管开关并联耦合并且与所述第二整流二极管和所述第二晶体管开关并联耦合；

h.第三晶体管开关，耦合到所述AC电压源的所述第一节点；以及

i.第四晶体管开关，与所述第二升压电感器和所述第二晶体管开关并联耦合。

2.根据权利要求1所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第一整流二极管的阴极、所述第二整流二极管的阴极以及所述输出电容器的第一节点共同耦合。

3.根据权利要求2所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第四晶体管开关的第一节点耦合到所述AC电压源的所述第二节点。

4.根据权利要求3所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第三晶体管开关的第一节点耦合到所述AC电压源的所述第一节点。

5.根据权利要求4所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第一晶体管开关的第一节点耦合到所述第一整流二极管的所述阳极，并且所述第二晶体管开关的第一节点耦合到所述第二整流二极管的所述阳极。

6.根据权利要求5所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第一晶体管开关的第二节点、所述第二晶体管开关的第二节点、所述第三晶体管开关的第二节点、所述第四晶体管开关的第二节点以及所述输出电容器的第二节点共同耦合。

7.根据权利要求6所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第一升压电感器的第一节点耦合到所述AC电压源的所述第一节点，并且所述第一升压电感器的第二节点耦合到所述第一整流二极管的所述阳极和所述第一晶体管开关的第一端子，进一步地，其中所述第二升压电感器的第一节点耦合到所述AC电压源的所述第二节点，并且所述第二升压电感器的第二节点耦合到所述第二整流二极管的所述阳极和所述第二晶体管开关的所述第一端子。

8.根据权利要求1所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第一晶体管开关、所述第二晶体管开关、所述第三晶体管开关和所述第四晶体管开关各自包括金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

9.根据权利要求1所述的无桥功率因数校正升压变换器，其中所述第一晶体管开关和所述第三晶体管开关被配置为与所述AC电压源的周期同步地执行开关功能，并且所述第二晶体管开关和所述第四晶体管开关被配置为与所述AC电压源的所述周期同步地执行开关功能。