CN104253542A

CN104253542A - 无桥功率因数校正升压转换器

Info

Publication number: CN104253542A
Application number: CN201310505512.9A
Authority: CN
Inventors: 金钟弼
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2014-12-31
Also published as: JP2015012798A; KR101406476B1; US20150002108A1; DE102013220489A1

Abstract

本发明提供了一种无桥功率因数校正（PFC）升压转换器，其包括第一电路、输出端、第二电路和控制器。第一电路包括第一电感器、第一开关和第一电感器开关。输出端与第一开关并联连接。第二电路包括第二电感器、第二开关和第二电感器开关，并且第二开关与输出端并联连接。控制器配置成在输入AC电源的正相时接通第一电感器开关，并通过接通和断开第一开关而对输出端升压，并且在输入AC电源的负相时接通第二电感器开关，并通过接通和断开第二开关而对输出端升压。

Description

无桥功率因数校正升压转换器

技术领域

本发明涉及使用交流（AC）电力作为输入的交流-直流（AC-DC）转换器的AC整流级（全波整流级）和功率因数校正（PFC）升压转换器。

背景技术

在常规的桥式二极管和PFC升压转换器结构中，桥式二极管用于将AC电力输入转换为相同的极性（全波整流），并且PFC升压电路通过桥式二极管执行因数校正和升压。然而，对于大电流，由于桥式二极管的前向压降导致发生导通损耗增加，因而显著降低了整体效率，并且由于可归因于桥式二极管的损耗所导致的桥式二极管的热辐射和封装构造，使转换器的尺寸增加。

在无桥PFC转换器中，由于PFC升压级的接地（GND）悬浮导致发生电磁干扰（EMI）以及PFC电流电压和输入电压的感测误差。这种无桥PFC转换器由于形成通过关断区间开关的体二极管的回路所导致的PFC开关元件的应力增加和效率降低，将会不利于大容量应用。

此外，在相移半无桥式转换器中，由于增加PFC升压级的ON/OFF区间导致发生二极管路径空间，由于场效应晶体管（FET）栅极的悬浮导致控制结构会更加复杂，并且由于效率降低导致效率增益低于常规转换器。

本发明涉及使用AC电力作为输入的AC-DC PFC升压转换器的布局。在这种AC-DC PFC升压转换器中，可消除桥式二极管以消除桥式二极管的全波整流单元，并且升压转换器A可以正相操作，而升压转换器B可以负相操作。为了限制火线与零线之间的电流回路，可采用零电压开关同步电路。

相关技术的上述说明旨在仅帮助理解本发明的相关技术，并且该相关技术不应被解释为承认是本发明所属领域技术人员的现有技术。

发明内容

本发明提供一种使用AC电力作为输入的AC-DC转换器的AC整流级（例如，全波整流级）和功率因数校正（PFC）升压转换器。

根据本发明的一方面，PFC升压转换器可包括：第一电路，其可具有与AC电源连接的第一电感器、第一开关和第一电感器开关；经由第一二极管与第一电路的第一开关并联连接的输出端；第二电路，其可具有与AC电源连接的第二电感器、第二开关和第二电感器开关，第二开关经由第二二极管与输出端并联连接；以及控制器，其配置成在输入AC电源的正相时接通第一电感器开关，并通过接通和断开第一开关而对输出端升压，并且配置成在输入AC电源的负相时接通第二电感器开关，并通过接通和断开第二开关而对输出端升压。

控制器可配置成在输入AC电源的正相时断开第二电感器开关。另外，控制器可配置成在输入AC电源的负相时断开第一电感器开关。控制器可配置成在输入AC电源的正相时接通第一电感器开关，并且接通第一开关以便在第一电感器中积蓄能量或者断开第一开关以便将积蓄的第一电感器的能量传输至输出端。此外，控制器可配置成在输入AC电源的负相时接通第二电感器开关，并且接通第二开关以便在第二电感器中积蓄能量或者断开第二开关以便将积蓄的第二电感器的能量传输至输出端。

根据本发明的另一方面，无桥PFC升压转换器可包括：第一电路，其可具有与AC电源连接的第一电感器、第一开关和第一电感器开关；经由第一辅助开关与第一电路的第一开关并联连接的输出端；第二电路，其可包括与AC电源连接的第二电感器、第二开关和第二电感器开关，第二开关经由第二辅助开关与输出端并联连接；以及控制器，其配置成在输入AC电源的正相时接通第一电感器开关，并通过接通和断开第一开关及第一辅助开关而对输出端升压，并且配置成在输入AC电源的负相时接通第二电感器开关，并通过接通和断开第二开关及第二辅助开关而对输出端升压。

附图说明

本发明的上述和其它目的、特征和优点将从以下结合附图进行的详细说明中更清楚地理解，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的无桥PFC升压转换器的示例性电路图；

图2至图5是示出根据本发明的示例性实施例的无桥PFC升压转换器的操作的示例性视图；并且

图6和图7是根据本发明的其它示例性实施例的无桥PFC升压转换器的示例性电路图。

具体实施方式

尽管示例性实施例被描述为使用多个单元执行示例性处理，然而应当理解示例性处理也可由一个或多个模块执行。另外，应当理解的是，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置成存储模块，并且处理器具体配置成执行所述模块从而执行以下进一步说明的一个或多个处理。

此外，本发明的控制逻辑可实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘（CD）-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在网络连接的计算机系统中，以便例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网（CAN），以分布的方式存储并执行计算机可读介质。

本文所使用的术语仅为了说明具体的实施例，而不旨在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确地说明。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”限定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其集合的存在或添加。如本文中所使用的，词语“和/或”包括一个或更多相关列出项目的任意和全部组合。

以下将参照附图说明根据本发明的示例性实施例的无桥PFC升压转换器。

图1是根据本发明的示例性实施例的无桥PFC升压转换器的示例性电路图，图2至图5是示出根据本发明的示例性实施例的无桥PFC升压转换器的操作的示例性视图，并且图6和图7是根据本发明的其它示例性实施例的无桥PFC升压转换器的示例性电路图。

无桥PFC升压转换器可包括：第一电路100，其可具有与AC电源10连接的第一电感器140、第一开关160和第一电感器开关180；可经由第一二极管150与第一电路100的第一开关160并联连接的输出端30；第二电路200，其可具有与AC电源10连接的第二电感器240、第二开关260和第二电感器开关280，第二开关260可经由第二二极管250与输出端30并联连接；以及控制器，其配置成在输入AC电源10的正相时接通第一电感器开关180，并通过接通和断开第一开关160而对输出端30升压，并且配置成在输入AC电源10的负相时接通第二电感器开关280，并通过接通和断开第二开关260而对输出端30升压。

换言之，第一电路100和第二电路200可不使用桥式二极管与AC电源10连接从而具有双电感器，因此可通过执行交替切换而实现升压。因此，根据本发明的示例性实施例的无桥PFC升压转换器可设有第一电路100，其可具有可与AC电源10连接的第一电感器140、第一开关160和第一电感器开关180。此外，输出端30可经由第一二极管150与第一电路100的第一开关160并联连接。第二电路200可包括可与AC电源10连接的第二电感器240、第二开关260和第二电感器开关280，并且第二开关260可经由第二二极管250与输出端30并联连接。

此外，控制器（例如，操作开关元件且图中未示出的控制器）可配置成在输入AC电源10的正相时接通第一电感器开关180，并通过接通和断开第一开关160而对输出端30升压，并且在输入AC电源10的负相时接通第二电感器开关280，并通过接通和断开第二开关260而对输出端30升压。

因此，控制器可配置成在输入AC电源10的正相时断开第二电感器开关280，并且在输入AC电源10的负相时断开第一电感器开关180。更具体地，如图2和图3中所示，当输入AC电源10的正相时，控制器可配置成接通第一电感器开关180，并且接通第一开关160以便在第一电感器140中积蓄能量，或者断开第一开关160以便将积蓄的第一电感器140的能量传输至输出端30。

参照图2，当输入高于接地参考点的AC电源10的正相时，第一电感器开关180可闭合。在正向区间，在第一开关160的ON时间期间，在升压转换器中在第一电感器140中电流可增加并可积蓄能量。ON操作可沿着第一电感器140、第一电感器开关180和第一开关160构成的第一电路100的回路执行。

在图3中，当输入高于接地参考点的AC电源10的正相时，第一电感器开关180可闭合。在正向区间，在第一开关160的OFF时间期间，在升压转换器中在第一电感器140中积蓄的能量可经由第一二极管150传输。OFF操作可沿着第一电感器140、第一二极管150和第一电感器开关180构成的回路执行。

此外，当输入AC电源10的负相时，控制器可配置成接通第二电感器开关280，并且接通第二开关260以便在第二电感器240中积蓄能量，或者断开第二开关260以便将积蓄的第二电感器240的能量传输至输出端30。换言之，在图4中，当输入低于接地参考点的AC电源10的负相时，第二电感器开关280可闭合。在负向区间，在第二开关260的ON时间期间，在升压转换器中在第二电感器240中电流可增加并可积蓄能量。ON操作可沿着第二电感器240、第二电感器开关280和第二开关260构成的第二电路200的回路执行。

在图5中，当输入低于接地参考点的AC电源10的负相时，第二电感器开关280可闭合。在负向区间，在第二开关260的OFF时间期间，在升压转换器中在第二电感器240中积蓄的能量可经由第二二极管250传输。OFF操作可沿着第二电感器240、第二二极管250和第二电感器开关280构成的回路执行。

根据本发明的另一示例性实施例的无桥PFC升压转换器可包括：第一电路100，其可具有与AC电源10连接的第一电感器140、第一开关160和第一电感器开关180；可经由第一辅助开关152与第一电路100的第一开关160并联连接的输出端30；第二电路200，其可具有与AC电源10连接的第二电感器240、第二开关260和第二电感器开关280，第二开关260可经由第二辅助开关252与输出端30并联连接；以及控制器，其配置成在输入AC电源10的正相时接通第一电感器开关180，并通过接通和断开第一开关160及第一辅助开关152而对输出端30升压，并且配置成在输入AC电源10的负相时接通第二电感器开关280，并通过接通和断开第二开关260及第二辅助开关252而对输出端30升压。

因此，如图6中所示，可取代二极管使用晶体管开关。具体地，当输入AC电源的正相时，第一电感器开关可接通，并可通过接通和断开第一开关及第一辅助开关而对输出端升压。当输入AC电源的负相时，第二电感器开关可接通，并可通过接通和断开第二开关及第二辅助开关而对输出端升压。

此外，当采用三相AC电力时，可采用如图7中所示的实施方案执行升压。具体地，所有三相均应考虑。可通过增加各自包括电感器、电感器开关、开关和二极管的两条电路线路，实现对三相的控制。这种实施方案也可使用辅助开关取代二极管。

根据如上所述配置的无桥PFC升压转换器，由于消除桥式二极管所导致的、对应于桥式二极管的前向压降的损耗降低，可实现效率的提高。由于消除桥式二极管和降低损耗，可实现消除散热空间和减小转换器体积。另外，通过根据AC频率执行交替切换，可促进减小PFC升压装置的应力和构建散热结构。

尽管已为了说明性目的公开了本发明的示例性实施例，然而本领域技术人员将会理解的是，在不脱离如所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，可做出各种修改、添加和替换。

Claims

1.一种无桥功率因数校正（PFC）升压转换器，包括：

第一电路，其包括与交流（AC）电源连接的第一电感器、第一开关和第一电感器开关；

输出端，其经由第一二极管与所述第一电路的第一开关并联连接；

第二电路，其包括与所述AC电源连接的第二电感器、第二开关和第二电感器开关，其中所述第二开关经由第二二极管与所述输出端并联连接；以及

控制器，其配置成：

在输入所述AC电源的正相时接通所述第一电感器开关，并通过接通和断开所述第一开关而对所述输出端升压；以及

在输入所述AC电源的负相时接通所述第二电感器开关，并通过接通和断开所述第二开关而对所述输出端升压。

2.根据权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中所述控制器配置成在输入所述AC电源的正相时断开所述第二电感器开关。

3.根据权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中所述控制器配置成在输入所述AC电源的负相时断开所述第一电感器开关。

4.根据权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中所述控制器配置成在输入所述AC电源的正相时接通所述第一电感器开关，并且接通所述第一开关以便在所述第一电感器中积蓄能量，或者断开所述第一开关以便将积蓄的所述第一电感器的能量传输至所述输出端。

5.根据权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中所述控制器配置成在输入所述AC电源的负相时接通所述第二电感器开关，并且接通所述第二开关以便在所述第二电感器中积蓄能量，或者断开所述第二开关以便将积蓄的所述第二电感器的能量传输至所述输出端。

6.一种无桥PFC升压转换器，包括：

第一电路，其包括与AC电源连接的第一电感器、第一开关和第一电感器开关；

输出端，其经由第一辅助开关与所述第一电路的第一开关并联连接；

第二电路，其包括与所述AC电源连接的第二电感器、第二开关和第二电感器开关，其中所述第二开关经由第二辅助开关与所述输出端并联连接；以及

控制器，其配置成：

在输入所述AC电源的正相时接通所述第一电感器开关，并通过接通和断开所述第一开关及所述第一辅助开关而对所述输出端升压；以及

在输入所述AC电源的负相时接通所述第二电感器开关，并通过接通和断开所述第二开关及所述第二辅助开关而对所述输出端升压。

7.一种无桥功率因数校正（PFC）升压转换器的方法，包括：

通过控制器接通第一电路的第一电感器开关，其中所述第一电感器开关与交流（AC）电源连接；

在输入所述AC电源的正相时，通过所述控制器接通和断开所述第一电路的第一开关而对经由第一二极管与所述第一开关并联连接的输出端升压；

通过所述控制器接通第二电路的第二电感器开关，其中所述第二电感器开关与所述AC电源连接；以及

在输入所述AC电源的负相时，通过所述控制器接通和断开第二开关而对所述输出端升压，其中所述第二开关经由第二二极管与所述输出端并联连接。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在输入所述AC电源的正相时，通过所述控制器断开所述第二电感器开关。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在输入所述AC电源的负相时，通过所述控制器断开所述第一电感器开关。

10.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在输入所述AC电源的正相时，通过所述控制器接通所述第一电感器开关，并且接通所述第一开关以便在第一电感器中积蓄能量，或者断开所述第一开关以便将积蓄的所述第一电感器的能量传输至所述输出端。

11.根据权利要求7所述的方法，还包括：

在输入所述AC电源的负相时，通过所述控制器接通所述第二电感器开关，并且接通所述第二开关以便在第二电感器中积蓄能量，或者断开所述第二开关以便将积蓄的所述第二电感器的能量传输至所述输出端。

12.一种包含由控制器执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：

接通第一电路的第一电感器开关的程序指令，其中所述第一电感器开关与交流（AC）电源连接；

在输入所述AC电源的正相时，通过接通和断开所述第一电路的第一开关而对经由第一二极管与所述第一开关并联连接的输出端升压的程序指令；

接通第二电路的第二电感器开关的程序指令，其中所述第二电感器开关与所述AC电源连接；以及

在输入所述AC电源的负相时，通过接通和断开第二开关而对所述输出端升压的程序指令，其中所述第二开关经由第二二极管与所述输出端并联连接。

13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

在输入所述AC电源的正相时断开所述第二电感器开关的程序指令。

14.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

在输入所述AC电源的负相时断开所述第一电感器开关的程序指令。

15.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

在输入所述AC电源的正相时接通所述第一电感器开关，并且接通所述第一开关以便在第一电感器中积蓄能量或者断开所述第一开关以便将积蓄的所述第一电感器的能量传输至所述输出端的程序指令。

16.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

在输入所述AC电源的负相时接通所述第二电感器开关，并且接通所述第二开关以便在第二电感器中积蓄能量或者断开所述第二开关以便将积蓄的所述第二电感器的能量传输至所述输出端的程序指令。