CN106026630A - 一种变模态无桥pfc电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变模态无桥PFC电路。包括电感、第一和第二双向开关以及第一、第二和第三半桥结构，三个半桥结构并联连接作为输出端，第一双向开关连接在第一和第二半桥结构之间，第二双向开关连接在第二和第三半桥结构之间，第一双向开关两端串联连接电感后作为输入端；根据输入电压大小灵活地选择工作模态，三电平模式下降低开关频率，以降低开关损耗，可以提高电路效率。本发明解决了相关技术中低输入电压时，电路效率低下的问题，实现了全范围内的高效率、低共模噪声，提高了电路的整体性能。

Description

一种变模态无桥PFC电路
技术领域
本发明涉及AC/DC领域，尤其涉及一种变模态无桥PFC电路，属于功率因素校正(Power Factor Correction，简称PFC)电路。
背景技术
电力电子变换器的大量使用给电网造成了严重的谐波污染，甚至威胁到了电力系统的安全运行；另一方面，电力电子变换器的效率直接关系到能源使用效率、工作可靠性、小型轻量化与材料节省。因此，目前大量的AC/DC变换器都采用了一级PFC结构作为前端接入电路。
传统的桥式PFC电路主电流回路上半导体器件多，导通损耗大，效率低。无桥PFC电路由于主电流回路上半导体器件少，导通损耗小，可以取得更高的效率。然而，随着输入电压降低，相应的输入电流变大，导致导通损耗和开关损耗明显地增加，降低了无桥PFC电路的效率。因此，进一步提高PFC电路效率的瓶颈在于低输入电压段。
针对低输入电压段PFC电路效率仍然较低的问题，现有技术目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
为了解决低输入电压段无桥PFC电路效率低的问题，本发明的主要目的是提供一种变模态无桥PFC电路，以至少提高低输入电压下无桥PFC电路的效率，从而实现宽输入范围内无桥PFC电路的高效率。
基于柔性变模态变流器的思想，本发明构造一种新型的变模态无桥PFC电路，该变模态无桥PFC电路根据输入电压的大小，灵活地选择最适合当前条件的工作模态，以实现全范围内的高效率。
本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案是：
所述的变模态无桥PFC电路具体包括：电感L、一个由功率开关管S1和功率开关管S2组成的第一双向开关、一个由功率开关管S3和功率开关管S4组成的第二双向开关、一个由续流二极管DF1和续流二极管DF2组成的第一半桥结构、一个由续流二极管DS1和续流二极管DS2组成的第二半桥结构、一个由电容Co1和电容Co2组成的第三半桥结构。其中，电感L的一端作为所述变模态无桥PFC电路其中一个输入端a，电感L的另一端分别与第一双向开关中功率开关管S1的漏极和第一半桥结构的中点相连；第一双向开关中S2的漏极分别与第二半桥结构的中点和第二双向开关中功率开关管S3的漏极相连，并作为所述变模态无桥PFC电路另一个输入端b；第二双向开关中功率开关管S4的漏极与第三半桥结构的中点相连；第一半桥结构、第二半桥结构和第三半桥结构的两端并联连接，并联后的两端作为所述变模态无桥PFC电路的输出端，与输出负载的两端相连；所述变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态。
优选地，所述第二双向开关中功率开关管S3和功率开关管S4可以是额定耐压低于所述变模态无桥PFC电路输出电压Vo的低耐压功率半导体器件。需要说明的是，两个功率开关管共漏极结构组成的双向开关也可以作为所述变模态无桥PFC电路中第一双向开关和第二双向开关的一种选择。优选地，所述变模态无桥PFC电路中的第一双向开关和第二双向开关采用两个功率开关管共源极结构。
所述变模态无桥PFC电路中第一半桥结构中的续流二极管DF1和续流二极管DF2是Si快恢复二极管、Si肖特基二极管或者SiC肖特基二极管。
所述变模态无桥PFC电路中第二半桥结构中的续流二极管DS1和续流二极管DS2是慢速二极管或者整流二极管。
所述变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态具体是指：当输入电压的幅值小于输出电压Vo的一半时，第二双向开关一直开通，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式；当输入电压的幅值大于输出电压Vo的一半时，第二双向开关一直关断，所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式。
由于全球通用的输入电压范围为85Vrms～264rms，典型的低输入电压为100Vrms～120Vrms，典型的高输入电压为220Vrms～240Vrms，传统无桥PFC电路在低输入电压条件下和高输入电压条件下都采用同一种电路模态工作。与传统无桥PFC电路不同的是，对于典型的低输入电压，所述变模态无桥PFC电路将开通第二双向开关，从而工作在三电平模式，有效地降低了开关损耗，提高了PFC电路的效率；对于典型的高输入电压，所述变模态无桥PFC电路将关断第二双向开关，从而工作在两电平模式，有效地保持了传统无桥PFC电路在高输入电压条件下高效率的特性。由于第二半桥结构中续流二极管的钳位作用，高输入电压条件下所述变模态无桥PFC电路的共模干扰很低；由于第二双向开关的钳位作用，低输入电压条件下所述变模态无桥PFC电路的共模干扰很低。
当所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式下时，其开关频率为fs；当所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式下，可以降低开关频率，如降低到典型值fs/2，以进一步提高所述变模态无桥PFC电路的效率。具体而言，如果所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式时，相应的开关频率为fs，那么所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式时，电感L的电流纹波明显地降低，对于相同的电流纹波要求，其相应的开关频率可以小于fs，如优选的典型值fs/2。由于所述变模态无桥PFC电路开关频率降低，因此降低了开关损耗，从而进一步地提高了所述变模态无桥PFC电路在低输入电压条件下的效率。
本发明的有益效果是：
本发明实现简单巧妙，通过构造一种新型的变模态无桥PFC电路，可克服传统无桥PFC电路在低输入电压段效率低的缺点，实现了全输入范围内的高效率。
附图说明
图1是本发明的变模态无桥PFC电路。
图2是本发明的变模态无桥PFC电路可采用的双向开关结构。
图3是本发明的变模态无桥PFC电路在低输入条件下工作在三电平模式时的等效电路。
图4是本发明的变模态无桥PFC电路在高输入条件下工作在两电平模式时的等效电路。
图5是本发明的变模态无桥PFC电路与传统无桥PFC电路的效率对比曲线。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明提出的变模态无桥PFC电路。如图1所示，本发明的变模态无桥PFC电路具体包括：电感L、一个由功率开关管S1和功率开关管S2组成的第一双向开关、一个由功率开关管S3和功率开关管S4组成的第二双向开关、一个由续流二极管DF1和续流二极管DF2组成的第一半桥结构、一个由续流二极管DS1和续流二极管DS2组成的第二半桥结构、一个由电容Co1和电容Co2组成的第三半桥结构。其中，电感L的一端作为所述变模态无桥PFC电路的输入端a，电感L的另一端与第一双向开关中功率开关管S1的漏极和第一半桥结构的中点相连；第一双向开关中功率开关管S2的漏极与第二半桥结构的中点和第二双向开关中功率开关管S3的漏极相连，并作为所述变模态无桥PFC电路的输入端b；第二双向开关中功率开关管S4的漏极与第三半桥结构的中点相连；第一半桥结构、第二半桥结构和第三半桥结构的两端分别相连，并分别与输出负载的两端相连。
第二双向开关中功率开关管S3和功率开关管S4可以是额定耐压低于所述变模态无桥PFC电路输出电压Vo的低耐压功率半导体器件。从图1可以看出，第二双向开关中功率开关管的电压应力是输出电压Vo的一半，优选地，所述第二双向开关选用额定耐压略大于Vo/2的低耐压功率开关管。以输出电压400V为例，第二双向开关可选用250V耐压的功率开关管。
图2是本发明的变模态无桥PFC电路可采用的双向开关结构。图2(a)是共漏极结构双向开关，图2(b)是共源极结构双向开关。需要说明的是，与图2所示的由两个全控型功率开关管组成的双向开关类似，所述变模态无桥PFC电路中的第一双向开关和第二双向开关也可以由一个全控型功率开关和四个功率二极管组成。优选地，所述变模态无桥PFC电路中的第一双向开关和第二双向开关采用图2(b)所示的共源极结构。
变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态。具体来说，所述变模态无桥PFC电路首先测量输入电压vs的幅值，当输入电压vs的幅值小于输出电压Vo的一半时，第二双向开关一直开通，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式；当输入电压的幅值vs大于输出电压Vo的一半时，第二双向开关一直关断，所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式。
图3是本发明的变模态无桥PFC电路在低输入条件下工作在三电平模式时的等效电路。如图3所示，对于典型的低输入电压范围100～120Vrms，第二双向开关一直开通，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式，相应的工作原理叙述如下：第一双向开关开通时，电感L上的电流增加，电感储能；第一双向开关开通一定时间后关断，此时电感L的电流开始减小，当输入电源vs两端电势a正b负时，储存在电感L中的能量向电容Co1和负载转移，同时输入电源vs也向电容Co1和负载输出能量；在输入电源vs两端电势a负b正时，储存在电感L中的能量向电容Co2和负载转移，同时输入电源vs也向电容Co2和负载输出能量。
图4是本发明的变模态无桥PFC电路在高输入条件下工作在两电平模式时的等效电路。如图4所示，对于典型的高输入电压范围220～240Vrms，第二双向开关一直关断，所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式，相应的工作原理叙述如下：第一双向开关开通时，电感L上的电流增加，电感储能。第一双向开关开通一定时间后关断，此时电感L的电流开始减小，储存在电感L中的能量向电容Co1、电容Co2和负载转移，同时输入电源vs也向电容Co1、电容Co2和负载输出能量。
优选地，在高输入电压条件下，当所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式下时，其开关频率为fs。那么在低输入电压条件下，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式，此时可以降低所述变模态无桥PFC电路的开关频率，如开关频率采用优选的典型值fs/2，以进一步提高所述变模态无桥PFC电路的效率。
图5是本发明的变模态无桥PFC电路与传统无桥PFC电路的效率对比曲线。传统无桥PFC电路无论在高输入电压条件下还是在低输入电压条件下，都采用同一个拓扑结构，始终工作在两电平模式。如图5所示，在220Vrms输入、两电平模式下，传统无桥PFC电路取得了很高的效率；在110Vrms输入、两电平模式下，传统无桥PFC电路的效率最高只有96％，明显低于220Vrms输入时的效率。在220Vrms输入条件下，所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式，此时所述变模态无桥PFC电路的效率与传统无桥PFC电路的效率相同，很好地保持了传统无桥PFC电路在高输入电压条件下的高效率特性；当110Vrms输入条件下，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式，此时所述变模态无桥PFC电路的效率在全负载范围内都有大幅度地提升，实现了本发明的目标。优选地，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式时，可降低开关频率至fs/2，此时所述变模态无桥PFC电路的效率在全负载范围内又进一步地提升了0.3％左右。
由此可见，本发明提出的变模态无桥PFC电路可以根据输入电压大小灵活地选择工作在两电平模式或者三电平模式，合理地设置所述变模态无桥PFC电路的开关频率，在全输入范围内实现了高效率。因此，本发明解决了相关技术中低输入电压时，无桥PFC电路效率低下的问题，实现了全输入范围内的高效率，提高了电路的整体性能，技术效果突出显著。

Claims (8)

1.一种变模态无桥PFC电路，其特征在于包括：
电感L；
一个由功率开关管S1和功率开关管S2组成的第一双向开关；
一个由功率开关管S3和功率开关管S4组成的第二双向开关；
一个由续流二极管DF1和续流二极管DF2组成的第一半桥结构；
一个由续流二极管DS1和续流二极管DS2组成的第二半桥结构；
一个由电容Co1和电容Co2组成的第三半桥结构；
其中，电感L的一端作为所述变模态无桥PFC电路其中一个输入端a，电感L的另一端分别与第一双向开关中功率开关管S1的漏极和第一半桥结构的中点相连；第一双向开关中S2的漏极分别与第二半桥结构的中点和第二双向开关中功率开关管S3的漏极相连，并作为所述变模态无桥PFC电路另一个输入端b；第二双向开关中功率开关管S4的漏极与第三半桥结构的中点相连；第一半桥结构、第二半桥结构和第三半桥结构的两端并联连接，并联后的两端作为所述变模态无桥PFC电路的输出端，与输出负载的两端相连；所述变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态。
2.根据权利要求1所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：所述的第二双向开关中功率开关管S3和功率开关管S4是其额定耐压低于所述变模态无桥PFC电路输出电压Vo的低耐压功率半导体器件。
3.根据权利要求1所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：所述的第一半桥结构中的续流二极管DF1和续流二极管DF2是Si快恢复二极管、Si肖特基二极管或者SiC肖特基二极管。
4.根据权利要求1所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：所述的第二半桥结构中的续流二极管DS1和续流二极管DS2是慢速二极管或者整流二极管。
5.根据权利要求1所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：所述的第一双向开关和第二双向开关采用共漏极结构双向开关或者共源极结构双向开关。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：当输入电压的幅值小于输出电压Vo的一半时，所述的第二双向开关一直开通，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式；当输入电压的幅值大于输出电压Vo的一半时，所述的第二双向开关一直关断，所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式。
7.根据权利要求6所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式下的开关频率低于所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式下的开关频率，使得所述变模态无桥PFC电路的效率提高。
8.根据权利要求5所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：所述的第一双向开关和第二双向开关均采用共源极结构双向开关。
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