CN105790614A - 一种无桥pfc开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无桥PFC开关电源电路，包括n路图腾柱电路，图腾柱电路包括第一MOS管、第二MOS管、第一电感、第二电感、第一二极管和第二二极管；第一MOS管漏极接第一二极管的阴极和直流输出端的正极，第一MOS管的源极接第二MOS管漏极，第二MOS管的源极接第二二极管阳极和直流输出端的负极，第一二极管的阳极接第二二极管的阴极；第一电感的第一端接交流输入端的第一端，第一电感的第二端接第一MOS管的源极和第二电感的第一端，第二电感的第二端接第一二极管的阳极；交流输入端的第二端接第一输出二极管的阳极和第二输出二极管的阴极，第一输出二极管的阴极接直流输出端的正极、第二输出二极管的阳极接直流输出端的负极。本发明能够提高开关电源的PFC效率。

Description

一种无桥PFC开关电源电路
[技术领域]
本发明涉及高频开关电源，尤其涉及一种无桥PFC开关电源电路。
[背景技术]
随着开关电源技术的发展，由于输入谐波电流限制，PFC(powerfactorcorrection，功率因数校正)电路成为开关电源中不可缺少的一个部分，而开关电源的体积要求越来越小，效率要求越来越高，以此来节省能源。
无桥PFC和交错并联PFC电路因能比传统单管有桥PFC提高效率，越来越受到人们重视。如果要提高效率，双BOOST半无桥PFC是一个很好的选择，典型拓扑见图1，但图1所示的PFC电路采用双电感，磁芯利用率较低，且可靠性较低，成本较高。
另外，交错并联PFC电路也是一个很好的拓扑选择，典型电路见图2，但图2所示的拓扑还存在二极管组成的输入整流桥，效率不高。
图3所示的基于双向开关的无桥PFC电路简捷，实用，但效率还可以提高。随着技术发展。
新的交错图腾柱无桥PFC拓扑被进一步提出，典型电路见图4。图4所示的PFC拓扑兼顾交错并联PFC和双BOOST无桥PFC的优点，效率很高，但是由于将MOS的体二极管用做PFC的输出二极管，反向恢复特性较差，所以功率难以做大。随着功率器件的发展，这种交错图腾柱无桥PFC拓扑开关器件可以使用碳化硅MOS，减少反向恢复电流，但碳化硅MOS的体二极管正向压降过大，一般大于4V，导致续流过程损耗过大，从而降低了效率。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在保持PFC电路功率因数和可靠性基本不变的前提下，进一步提高PFC效率的无桥PFC开关电源电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种无桥PFC开关电源电路，包括交流输入端、直流输出端、第一输出二极管和第二输出二极管，第一输出二极管的阴极接直流输出端的正极、第二输出二极管的阳极接直流输出端的负极，第二输出二极管的阴极接第一输出二极管的阳极；包括n路图腾柱电路，图腾柱电路包括第一MOS管、第二MOS管、第一电感、第二电感、第一二极管和第二二极管；第一MOS管漏极接第一二极管的阴极和直流输出端的正极，第一MOS管的源极接第二MOS管漏极，第二MOS管的源极接第二二极管阳极和直流输出端的负极，第一二极管的阳极接第二二极管的阴极；第一电感的第一端接交流输入端的第一端，第一电感的第二端接第一MOS管的源极和第二电感的第一端，第二电感的第二端接第一二极管的阳极；交流输入端的第二端接第一输出二极管的阳极，n为大于等于1的整数。
以上所述的无桥PFC开关电源电路，n大于等于2，图腾柱电路之间错相360/n度。
以上所述的无桥PFC开关电源电路，包括输出滤波电容，输出滤波电容接直流输出端的正极和负极之间。
以上所述的无桥PFC开关电源电路，第一MOS管和第二MOS管是碳化硅MOS管。
以上所述的无桥PFC开关电源电路，第一二极管和第二二极管是快恢复二极管。
以上所述的无桥PFC开关电源电路，当交流输入端的输入电压正半周工作，第二MOS管关断时，第二电感的限流，流过第一电感的电流先通过第一MOS管的体二极管释放给滤波电容，随着第二电感电流的增加，第一MOS管的体二极管电流渐渐减少为零，流过第一电感电流全部通过第一二极管输出到滤波电容；第二MOS管导通时，输入电压通过第一电感、第二MOS管和第二输出二极管给第一电感充电，第一MOS管的体二极管电流为零；
当交流输入端的输入电压负半周工作，第一MOS管关断时，第二电感的限流，流过第一电感的电流先通过第二MOS管的体二极管释放给滤波电容，随着第二电感电流的增加，第二MOS管的体二极管电流渐渐减少为零，流过第一电感电流全部通过第二二极管输出到滤波电容；第一MOS管导通时，输入电压通过第一电感、第一MOS管和第一输出二极管给第一电感充电，第二MOS管的体二极管电流为零。
本发明的无桥PFC开关电源电路解决了PFC二极管反向恢复电流大的问题，能够保证在电路可靠性基本不变的前提下，进一步提高PFC电路效率和功率密度，具有广阔的应用前景。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术双BOOST半无桥PFC的电路图。
图2是现有技术交错并联PFC电路的电路图。
图3是现有技术基于双向开关的无桥PFC电路的电路图。
图4是现有技术交错图腾柱无桥PFC电路的电路图。
图5是本发明实施例1无桥PFC开关电源电路的电路图。
图6是本发明实施例1无桥PFC开关电源电路的高频开关电流波形图。
图7是本发明实施例2无桥PFC开关电源电路的电路图。
图8是本发明实施例3无桥PFC开关电源电路的电路图。
[具体实施方式]
本发明实施例1无桥PFC开关电源电路的结构和原理如图5所示，包括交流输入端、直流输出端、输出二极管D3、输出二极管D4、输出滤波电容Co和图腾柱电路。
输出二极管D3的阴极接直流输出端的正极、输出二极管D4的阳极接直流输出端的负极，输出二极管D4的阴极接输出二极管D3的阳极。输出滤波电容Co接直流输出端的正极和负极之间。
图腾柱电路包括MOS管Q11、MOS管Q12、电感L11、电感L12、快恢复二极管D11和快恢复二极管D12。MOS管Q11漏极接快恢复二极管D11的阴极和直流输出端的正极，MOS管Q11的源极接MOS管Q12漏极，MOS管Q12的源极接快恢复二极管D12阳极和直流输出端的负极，快恢复二极管D11的阳极接快恢复二极管D12的阴极。电感L11的第一端接交流输入端的第一端，第二端接MOS管Q11的源极和电感L12的第一端，电感L12的第二端接快恢复二极管D11的阳极。交流输入端的第二端接输出二极管D3的阳极。
其中，MOS管Q11和MOS管Q12是碳化硅MOS管。
当输入电压正半周工作，Q12关断时，由于电感L12的限流作用，流过电感L11的电流先通过Q11的体二极管释放给电容Co，随着电感L12电流的增加，Q11的体二极管电流渐渐减少，由于Q11体二极管正向压降大于D11的正向压降，最终Q11的体二极管电流减为零，电感L11电流全部通过二极管D11输出到电容Co；Q12导通时，输入电压通过L11-Q12-D4给电感L11充电，Q11的体二极管电流为零,快恢复二极管D11由于有电感L12的作用，反向恢复电流很小。
当输入电压负半周工作时，Q11关断时，由于电感L12的限流作用，电感L11的电流先通过Q12的体二极管释放给电容Co，随着电感L12电流的增加，Q12的体二极管电流渐渐减少，由于Q12体二极管正向压降大于D12的的正向压降，最终Q12的体二极管电流减为零，电感L11电流全部通过二极管D12输出到电容Co；Q11导通时，输入电压通过L1-Q1-D3给电感L11充电，Q12的体二极管电流为零,快恢复二极管D12由于有电感L12的作用，反向恢复电流很小。
这样就避免了MOS管Q11,Q12体二极管的反向恢复电流，可以进一步提高图腾柱PFC电路的开关频率，提高了图腾柱PFC开关电源电路的效率。
本发明实施例2无桥PFC开关电源电路的结构和原理如图7所示，与实施例1不同的是，包括两路图腾柱电路，两路图腾柱电路之间错相180度。
第1路图腾柱电路：MOS管Q11，Q12,电感L11，L12，快恢复二极管D11,D12,第2路图腾柱电路：MOS管Q21，Q22,电感L21，L22，快恢复二极管D21,D22,输出滤波电容Co。
第1路图腾柱PFC工作时：
当输入电压正半周工作时，Q12关断时，由于电感L12的限流作用，电感L11的电流先通过Q11的体二极管释放给电容Co，随着电感L12电流的增加，Q11的体二极管电流渐渐减少，由于Q11体二极管正向压降大于D11的的正向压降，最终Q11的体二极管电流减为零，电感L11电流全部通过二极管D11输出到电容Co；Q12导通时，输入电压通过L11-Q12-D4给电感L11充电，Q11的体二极管电流为零,快恢复二极管D11由于有电感L12的作用，反向恢复电流很小。
当输入电压负半周工作时，Q11关断时，由于电感L12的限流作用，电感L11的电流先通过Q12的体二极管释放给电容Co，随着电感L12电流的增加，Q12的体二极管电流渐渐减少，由于Q12体二极管正向压降大于D12的的正向压降，最终Q12的体二极管电流减为零，电感L11电流全部通过二极管D12输出到电容Co；Q11导通时，输入电压通过L1-Q1-D3给电感L11充电，Q12的体二极管电流为零,快恢复二极管D12由于有电感L12的作用，反向恢复电流很小。
第2路图腾柱PFC工作原理同第1路图腾柱PFC工作原理。
这样就大大减缓了MOS管Q11,Q12，Q21,Q22体二极管的反向恢复电流，可以进一步提高图腾柱PFC电路的开关频率，提高了图腾柱PFC开关电源电路的效率。
本发明实施例2无桥PFC开关电源电路的结构和原理如图7所示，与实施例1不同的是，包括n路图腾柱电路，图腾柱电路之间360/n度。
第1路图腾柱电路：MOS管Q11，Q12,电感L11，L12，快恢复二极管D11,D12,第2路图腾柱电路：MOS管Q21，Q22,电感L21，L22，直到第n路图腾柱电路：MOS管Qn1，Qn2,电感Ln1，Ln2，快恢复二极管Dn1,Dn2,输出滤波电容Co。
第1路图腾柱PFC工作时：
当输入电压正半周工作时，Q12关断时，由于电感L12的限流作用，电感L11的电流先通过Q11的体二极管释放给电容Co，随着电感L12电流的增加，Q11的体二极管电流渐渐减少，由于Q11体二极管正向压降大于D11的的正向压降，最终Q11的体二极管电流减为零，电感L11电流全部通过二极管D11输出到电容Co；Q12导通时，输入电压通过L11-Q12-D4给电感L11充电，Q11的体二极管电流为零,快恢复二极管D11由于有电感L12的作用，反向恢复电流很小。
当输入电压负半周工作时，Q11关断时，由于电感L12的限流作用，电感L11的电流先通过Q12的体二极管释放给电容Co，随着电感L12电流的增加，Q12的体二极管电流渐渐减少，由于Q12体二极管正向压降大于D12的的正向压降，最终Q12的体二极管电流减为零，电感L11电流全部通过二极管D12输出到电容Co；Q11导通时，输入电压通过L1-Q1-D3给电感L11充电，Q12的体二极管电流为零,快恢复二极管D12由于有电感L12的作用，反向恢复电流很小。
第2至第n路图腾柱PFC工作原理同第1路图腾柱PFC工作原理。
这样就大大减缓了MOS管Q11,Q12，Q21,Q22…Qn1,Qn2体二极管的反向恢复电流，可以进一步提高图腾柱PFC电路的开关频率，提高了图腾柱PFC开关电源电路的效率。
本发明以上实施例采用碳化硅MOS作为开关管，同时用一个电感串联一个快恢复二极管并联在碳化硅MOS两端，由于快恢复二极管的导通压降在1V左右，在续流过程中，开始时通过SICMOS的体二极管续流，由于其导通电压4V远大于1V，其续流电流很快转移到电感和快恢复二极管支路，由于其较低的导通压降，提高了效率；当BOOST的SIC再次导通时，由于快恢复二极管串联的电感，使得快恢复二极管在电流过零情况下自然关断，有效解决该快恢复二极管极管反向恢复问题；这种方式一方面利用了SIC的快速开关性能，体二极管的反向恢复小，体二极管压降大，同时快恢复二极管的压降低的特点，同时避免了快恢复二极管的反向恢复特性，从而使得开关损坏很低，可以进一步提高PFC开关频率和效率，提高整机功率密度。

Claims (6)

1.一种无桥PFC开关电源电路，包括交流输入端、直流输出端、第一输出二极管和第二输出二极管，第一输出二极管的阴极接直流输出端的正极、第二输出二极管的阳极接直流输出端的负极，第二输出二极管的阴极接第一输出二极管的阳极；其特征在于，包括n路图腾柱电路，图腾柱电路包括第一MOS管、第二MOS管、第一电感、第二电感、第一二极管和第二二极管；第一MOS管漏极接第一二极管的阴极和直流输出端的正极，第一MOS管的源极接第二MOS管漏极，第二MOS管的源极接第二二极管阳极和直流输出端的负极，第一二极管的阳极接第二二极管的阴极；第一电感的第一端接交流输入端的第一端，第一电感的第二端接第一MOS管的源极和第二电感的第一端，第二电感的第二端接第一二极管的阳极；交流输入端的第二端接第一输出二极管的阳极，n为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的无桥PFC开关电源电路，其特征在于，n大于等于2，图腾柱电路之间错相360/n度。
3.根据权利要求1所述的无桥PFC开关电源电路，其特征在于，包括输出滤波电容，输出滤波电容接直流输出端的正极和负极之间。
4.根据权利要求1所述的无桥PFC开关电源电路，其特征在于，第一MOS管和第二MOS管是碳化硅MOS管。
5.根据权利要求1所述的无桥PFC开关电源电路，其特征在于，第一二极管和第二二极管是快恢复二极管。
6.根据权利要求3所述的无桥PFC开关电源电路，其特征在于，
当交流输入端的输入电压正半周工作，第二MOS管关断时，第二电感的限流，流过第一电感的电流先通过第一MOS管的体二极管释放给滤波电容，随着第二电感电流的增加，第一MOS管的体二极管电流渐渐减少为零，流过第一电感电流全部通过第一二极管输出到滤波电容；第二MOS管导通时，输入电压通过第一电感、第二MOS管和第二输出二极管给第一电感充电，第一MOS管的体二极管电流为零；
当交流输入端的输入电压负半周工作，第一MOS管关断时，第二电感的限流，流过第一电感的电流先通过第二MOS管的体二极管释放给滤波电容，随着第二电感电流的增加，第二MOS管的体二极管电流渐渐减少为零，流过第一电感电流全部通过第二二极管输出到滤波电容；第一MOS管导通时，输入电压通过第一电感、第一MOS管和第一输出二极管给第一电感充电，第二MOS管的体二极管电流为零。
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