CN109962610A

CN109962610A - 功率因数补偿电路

Info

Publication number: CN109962610A
Application number: CN201711415058.2A
Authority: CN
Inventors: 王德昌; 张阳杰; 高翔; 王玲玲
Original assignee: NXP USA Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-07-02

Abstract

一种无桥功率因数补偿电路(PFC)电路具有第一、第二节点以及连接在第一、第二节点之间的第一、第二电流路径。第一电流路径包括第一半导体器件和第一开关元件，第二电流路径包括第二半导体器件和第二开关元件。第一、第二电流路径中的一个还包括相反地串联的第一、第二感测元件。

Description

功率因数补偿电路

技术领域

本发明涉及一种功率转换系统，具体地涉及用于功率转换器电路的无桥功率因数补偿(Power Factor Correction，PFC)电路。

背景技术

图1示出了一种图腾柱无桥PFC电路100。该PFC电路100包括第一至第四二极管102、104、106、108，以及电容器110。第一二极管102、第三二极管106串联连接为电容器110上的第一连接，第二二极管104、第四二极管108串联连接为电容器110上的第二连接。位于第一二极管102和第三二极管106之间的第一节点112连接到电流供应116，而位于第二二极管104和第四二极管108之间的第二节点114连接到电感器108，电感器108与电流供应116串联连接。该PFC电路100进一步包括第一开关120和第二开关122，其分别跨接在第二二极管104和第四二极管108上。

在该电流供应116的正半周期时，第二开关122闭合、第一开关120断开，从而电流供应116通过第二开关122、第三二极管106、第一节点112而对电感器118充电。充电结束后，第二开关122断开、第一开关120闭合，从而电感器118放电以将所存储的电能通过第一开关120、电容器110、第三二极管106、和第一节点112释放。另一方面，在电流供应116的负半周期时，第一开关120闭合、第二开关122断开，从而电流供应116通过第一二极管102、第一开关120和第二节点114而对电感器118充电。充电结束后，第一开关120断开、第二开关122闭合，从而电感器118放电以将所存储的电能通过第一二极管102、电容器110、第二开关122第二节点114释放。

具有更高电能转换效率的电路或者较低成本的电路是有利的。

发明内容

本发明内容被提供以介绍以下具体实施方式部分详述的概念中经选择的简化部分。本发明内容并不意欲确定权利要求中内容的关键或必要特征，亦不意欲使其限制权利要求的范围。

根据一种实施方式，一种功率因数补偿(PFC)电路包括：

第一节点和第二节点，其中所述第一节点和所述第二节点中的一个连接到电源，所述第一节点和第二节点中的另一个通过电感器连接到所述电源；

第一电流路径，其包括第一半导体器件和第一开关元件，其中所述第一电流路径连接于所述第一节点与第二节点之间、配置为在所述电源的正周期中允许电流流过以对所述电感器充电；以及

第二电流路径，其包括第二半导体器件和第二开关元件，其中所述第二电流路径连接于所述第一节点与第二节点之间、配置为在所述电源的负周期中允许电流流过以对所述电感器充电，

其中所述第一电流路径和所述第二电流路径中的一个进一步包括第一感测元件和第二感测元件，其中所述第一感测元件、第二感测元件相反地串联连接。

示例地，所述第一开关元件、所述第二开关元件配置为可控制地在各自的电流路径中传导电流。

示例地，所述第一半导体器件、所述第二半导体器件中的每一个是二极管、接有二极管的晶体管、晶体管之一。

示例地，所述第一感测元件、所述第二感测元件的每一个为电流互感器、霍尔传感器之一。

示例地，所述第一感测元件、第二感测元件的阴极连接在一起。

示例地，所述第一感测元件、第二感测元件的串联连接被连接在相应电流路径的半导体器件与开关元件之间。

示例地，所述第一感测元件、第二感测元件的串联连接被连接在相应电流路径的开关元件和第一、第二节点中的一个之间。

根据另一种实施方式，一种功率转换器电路包括：

第一分支，其包括第一电流传导元件和第二电流传导元件，其中第一节点位于所述第一电流传导元件与第二电流传导元件之间，并能耦接到电源的第一端；以及

第二分支，其与所述第一分支并联连接，其中所述第二分支包括第一开关元件、第二开关元件、第一感测元件、以及第二感测元件，其中第二节点在所述第一开关元件与所述第二开关元件之间、并能通过电感器而耦接到所述电源的第二端；

其中所述第一感测元件、第二感测元件相反地连接，所述第一感测元件、所述第二感测元件的串联连接耦接于所述第二节点与所述第一、第二电流传导元件的一者之间；以及

其中所述第一感测元件、所述第二感测元件的一者在所述电源的正周期取样电流，而所述第一感测元件、所述第二感测元件的另一者在所述电源的负周期取样电流。

示例地，所述第一电流传导元件、所述第二传导元件的每一个是二极管、接有二极管的晶体管、晶体管之一。

示例地，所述第一开关元件、所述第二开关元件为晶体管，其可控制地导通，以向所述第二节点传导电流和/或自所述第二节点传导电流。

示例地，所述第一感测元件为电流互感器，其连接于所述第二节点与所述第二感测元件之间，所述第一感测元件包括：

在第一边的第一绕组，其中所述第一绕组具有提供感测电流的两个端头；

在第二边的第二绕组、第三绕组，其中所述第二绕组、第三绕组的每一个具有连接在一起的一个端头、以及连接在一起以连接到所述第二感测元件的另一个端头。

示例地，所述第二感测元件为电流互感器，其连接在所述第一感测元件与所述第一、第二开关元件的一者之间，所述第二感测元件包括：

在第一边的第一绕组，其中所述第一绕组具有提供感测电流的两个端头：

在第二边的第二绕组、第三绕组，其中所述第二绕组、第三绕组的每一个具有连接在一起的一个端头、以及连接在一起以连接到所述第一感测元件的所述第二边的第二绕组、第三绕组的端头的另一个端头。

根据另一种实施方式，一种具有第一输出端、第二输出端的系统包括：

具有第一端和第二端的电源；

具有第一端和第二端的电感器，所述电感器的所述第一端耦接到所述电源的所述第二端；

第一传导器件和第二传导器件，各耦接在所述电源的所述第一端和所述第一输出端、所述第二输出端之间；

第一开关器件、第二开关器件，各耦接在所述电感器的所述第二端和所述第一输出端、所述第二输出端之间；以及

第一电流感测器件、第二电流感测器件，串联连接在所述电感器的所述第二端和所述第一输出端、所述第二输出端之间，

其中所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件中的一者在所述电源的第一半周期中采样流经所述第一开关器件、所述第二开关器件中相应一个的电流，所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件中的另一者在所述电源的第二半周期中采样流经所述第一开关器件、所述第二开关器件中所述相应一个的电流。

示例地，所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件耦接在所述第一开关器件和所述第一输出端之间。

示例地，所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件耦接在所述电感器的第二端与所述第二开关器件之间。

示例地，所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件的阴极互相连接。

示例地，所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件中的每一个为电流互感器、霍尔传感器中的一者。

示例地，所述第一传导器件、所述第二传导器件的每一个为二极管、接有二极管的晶体管、晶体管之一。

附图说明

以下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述，其中：

图1是一种PFC电路的电路示意图；

图2是根据本发明第一种实施方式的PFC电路的电路示意图；

图3是图2中的PFC电路的详细电路图；

图4是本发明第二种实施方式的PFC电路的电路示意图；

图5是图4中的PFC电路的详细电路图；

图6A和图6B分别是在电源的正半周期和负半周期中用于控制图2、图3中主开关的PWM信号和自其中取样的电流的信号示意图；以及

图7A和图7B分别是在电源的正半周期和负半周期中用于控制图4、图5中主开关的PWM信号和自其中取样的电流的信号示意图。

具体实施方式

请参考图2，其示出了根据本发明的第一示例的实施方式的PFC电路200的框图。该PFC电路200包括第一电流节点202和第二电流节点204。在第一电流节点202和第二电流节点204之间的第一电流路径206包括第一半导体器件或电流传导元件208、第一开关元件210、以及第一和第二感测元件212和214。该对感测元件212、214相反地串联连接在第一半导体器件208和第一开关元件210之间。感测元件212、214可以实施为电流互感器或者霍尔传感器。图2中所示的符号“*”表示每个感测元件212、214的阳极。在该所示的实施方式中，第一、第二感测元件212、214的阴极连接在一起。

在第一电流节点202和第二电流节点204之间的第二电流路径216包括第二半导体器件或电流传导元件218和第二开关元件220。在第三节点226和第四节点228之间并联连接有电容器222和电阻器224。第三节点226位于第一电流传导元件208和第一开关元件210之间，第四节点228位于第二电流传导元件218和第二开关元件220之间。第一电流传导元件208和第二电流传导元件218可以实现为二极管、连接有二极管的晶体管、连接为二极管的晶体管、或晶体管，其与开关并联，当开关闭合时该传导元件被短路。第一开关元件210和第二开关元件220可以实现为晶体管。该PFC电路200进一步包括电源230和电感器232，其串联连接在第一电流节点202和第二电流节点204之间。在一种实施方式中，该电源230包括电流源。

工作时，第一电流传导元件208和第二电流传导元件218闭合，而第一开关元件210和第二开关元件220可控地闭合或断开，以分别在相应的电流路径206或216中对电感器232进行充放电。

第一感测元件212、第二感测元件214检测第一电流节点202和第三节点226或第四节点228之间的电流。该对感测元件212、214将感测的电流提供给控制器(未示出)，该控制器从而提供用以闭合或断开第一、第二开关元件210、220的控制信号。开关元件210、220根据电流路径中的电流而动态地闭合、断开，从而提升了PFC电路200的效率。开关元件210、220的控制与PFC机制中所使用的控制相似，在此不再详细描述。

在图2中示出了该对感测元件212、214连接在第一电流路径206中、并在第三节点226和第一开关元件210之间。在另选的实施方式中，该对感测元件212、214连接在第二电流路径216中、并在第四节点228和第二开关元件220之间。

图3示出了图2中的PFC的电路图。在本实施方式中，第一半导体器件208和第二半导体器件218实现为晶体管。由图3可以看到，可选的二极管连接在晶体管的源、漏端上。该可选的二极管可以是寄生二极管或分立的二极管。

该对感测元件212、214实现为电流互感器。每一个电流互感器212、214包括第一边的第一绕组、第二边的第二和第三绕组。每个绕组分别具有两个端头。第一绕组的端头提供感测电流。第一绕组的端头T3接地，而第一绕组的另一端头T1或T2提供该感测电流。第二绕组的一个端头与第三绕组的一个端头互相连接、以连接在第一电流路径206中并连接到第三节点226。第二绕组的另一端头与第三绕组的另一端头互相连接，并连接到另一电流互感器。尽管电流互感器212、214实现为在原边包括两个绕组，在可能的其他实施方式中，也可使用在原边具有一个或更多个绕组的电感互感器。

在本实施方式中，第一开关元件210、第二开关元件220实施为晶体管。晶体管210、220的栅极接收控制信号，以使其晶体管导通或关断。在可选的实施方式中，开关元件210、220可以是如图1所示的开关、二极管的并联连接。晶体管210、220可控地导通，以减少泄漏并提升效率。

图4是本发明另一示例的实施方式的PFC电路400的框图。该PFC电路400与图2、图3中所示的PFC电路200相似。然而，感测元件402、404相反地串联连接在第二电流路径216中，在第一节点202和第二开关元件220之间。该PFC电路400的其他元件与图2的PFC电路200中的相似，其具有相同的标记，在本实施方式中不再详细描述。

如图4所示的，该对感测元件402、404连接在第二电流路径216中，在第二开关元件220和第一节点202之间。可选地，该对感测元件402、404可以连接在第一电流路径206中，在第一开关元件210和第一节点202之间。

PFC电路400具有包括第一半导体器件208、第二半导体器件218的第一分支，以及包括第一开关元件210、第二开关元件220和该对感测元件402、404的第二分支。在第一分支中，第一电流传导元件208和第二电流传导元件218串联连接，位于电流传导元件208和218之间的第二节点204被耦接以从电源230接收输入电流。在与第一分支并联连接的第二分支中，第一开关元件210、第二开关元件220和该对感测元件402、404串联连接。位于第一开关元件210、第二开关元件220之间的第一节点202被耦接以向电感器232提供输出电流。

在可选的实施方式中，在第二分支中的各元件的连接顺序是可变的，仅使该对感测元件连接在第一节点202的一侧即可。第一、第二感测元件402、404连接在第一节点202和第三节点226之间，或者连接在第一节点202和第四节点228之间。然而，感测元件和相应的开关元件的连接顺序是弹性的。以第一开关元件210为例，在一种实施方式中，第一开关元件210连接在第一、第二感测元件之间。在其他实施方式中，该对感测元件连接在第一开关元件210和第一节点202之间。

电源230具有连接到第二节点204的第一端T5和连接到电感器232的第一端的第二端T6，而电感器232的第二端连接到第一节点202。第一电流传导元件208和第二电流传导元件218分别连接在电源230的第一端T5和第三节点226、第四节点228之间。第三节点226、第四节点228连接到PFC电路的输出端，以提供输出电流。从该角度，第一开关器件210、第二开关器件220连接在电感器232的第二端与第一、第二输出端之间。

图5是图4中的PFC电路400的详细电路图。在图5中，第一、第二开关元件210、220包括晶体管，其在栅极接收PWM脉冲信号。第一、第二传导元件280、218包括源、漏间连接有二极管的晶体管。第一、第二取样元件402、404包括电感互感器，其与参考图3所述的电流互感器212、214相似。

图6A示出了图3中的PFC电路200在电源230的正半周期内的信号波形。在图6A中，PWM是施加到第二开关器件220的控制信号，T2指示在电流互感器214的端头T2上的电流I_{s_H}。在电源230的正半周期，第二端T6是提供供电电压的正端。

在充电阶段，第一开关器件210关断、第二开关器件220被控制为导通，如图6A中的602所示。电路200中的电流从电源230的第二端T6流经电感器232、第二开关器件220、第二电流传导元件218直至电源230的第一端T5。电源230从而对电感器232充电。由于电流并不流经该对电流感测元件212、214，此时并无电流被取样。

在随后的续流阶段，第一开关器件210由PWM信号控制为导通，而第二开关器件220被控制为关断，由图6A中的604所示。电流由电感器232而流经第一开关器件210、该对感测元件214和212、电容器222、以及第二电流传导元件218，以将电感器232放电。在该续流阶段，在电流互感器214的端头T2上的输出反映了流经电感器232的电流，其由充电阶段的末端的高电流水平下降到下一PWM信号脉冲来临，如图6A中的606所示。该感测的电流被提供到控制器，以校准PWM信号脉冲的下一次持续时间。

参考图6B，其示出了在电源230的负半周期时图2、图3中施加到主开关上的PWM信号和在电流互感器212的端头T1上提供的采样电流。在电源230的负半周期，其第一端T5是提供供电电压的正端，主开关为第一开关器件210。

在充电阶段，如图6B中的608所示的，第一开关器件210控制为导通，而第二开关器件220关断。电路200中的电流由电源230的端T5流出，随后流经第二电流节点204、第一电流传导元件208、该对电流感测元件212和214、第一开关器件210、电感器232以回到端T6。在电流互感器212的端头T1上提供的取样电流显示流经电感器232的电流的增加，如图6B中的610所示的。在随后的续流阶段，第一开关器件210由PWM信号控制为关断，由图6B中的612所示，而第二开关器件220导通。电流流自电感器232而流经第二电流节点204、第一电流传导元件208、电容器222、第四节点228、第二开关器件220而回到电源230，以将电感器232放电。由于续流电流不流经该对电流感测元件212、214，无电流被取样。

图7A和图7B分别是在电源230的正半周期和负半周期中图4、图5的主开关控制信号PWM和自其中取样的电流的示意图。具体地，在电流230的正半周期，主开关为第二开关器件220，电流由第一电流互感器402的端头T1采样。在电源230的负半周期，主开关为第一开关器件210，电流由第二电流互感器404的端头T2采样。

以图6A中的信号形式T2为例，在存在PWM信号脉冲的602阶段，由于电流不流经电流感测元件212、214，流经电感器232的电流不被采样。然而，在其他实施方式中，在斜坡606(图6A)时所采样的电流被用来反推当PWM信号脉冲为高时的电流，这是因为电感器232的充电、放电过程展示几乎镜像的电流变化过程。

由各实施方式可见，本发明感测、取样功率变换器电路中的电流，并据此控制电路中的开关，从而电路的切换可靠、并随着电路中的电流变化而动态展现。由于电路的切换、开关更为精确，变换效率得以提升。

在此参考了特定的所示的例子对于各种示例的实施方式进行了描述。所述示例的例子被选择为辅助本领域的技术人员来形成对于各实施方式的清晰理解并得实施。然而，可以构建为包括一个或多个实施方式的系统、结构和器件的范围，以及根据一个或多个实施方式实施的方法的范围，并不为所展示的示例性例子所限制。相反地，所属技术领域的技术人员基于本说明书可以理解：可以根据各实施方式来实施出很多其他的配置、结构和方法。

应当理解的是，就于本发明在前描述中所使用的各种位置指示来说，例如顶、底、上、下，彼等指示仅是参考了相应的附图而给出，并且当器件的朝向在制造或工作中发生变化时，可以代替地具有其他位置关系。如上所述，那些位置关系只是为清楚起见而描述，并非限制。

本说明的前述描述是参考特定的实施方式和特定的附图，但本发明不应当限制于此，而应当由权利要求书所给出。所描述的各附图都是示例性的而非限制性的。在附图中，为示例的目的，各元件的尺寸可能被放大，且可能没有绘制为特定的比例尺。本说明也应当包括各元件、工作方式在容限和属性上的不连续的变换。还应当包括本发明的各种弱化实施。

本说明及权利要求书中所使用的词汇“包括”并不排除其他元件或步骤。除非特别指出，在使用单数形式如“一”、“一个”指代确定或不确定的元件时，应当包括该元件的复数。从而，词汇“包括”不应当被理解为限于在其后所列出的条目，不应当理解为不包括其他元件或步骤；描述“器件包括项目A和B”的范围不应当限制为只包括元件A和B的器件。该描述表示，就于本说明而言，只有器件的元件A和B是相关的。

对于所属领域的技术人员而言，在不背离本发明的权利要求的范畴内可以作出多种具体变化。

Claims

1.一种功率因数补偿(PFC)电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述第一感测元件、第二感测元件的串联连接被连接在相应电流路径的半导体器件与开关元件之间。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述第一感测元件、第二感测元件的串联连接被连接在相应电流路径的开关元件和第一、第二节点中的一个之间。

4.一种功率转换器电路，其特征在于，包括：

5.如权利要求4所述的功率转换器电路，其特征在于：所述第一开关元件、所述第二开关元件为晶体管，其可控制地导通，以向所述第二节点传导电流和/或自所述第二节点传导电流。

6.如权利要求4所述的功率转换器电路，其特征在于，所述第一感测元件为电流互感器，其连接于所述第二节点与所述第二感测元件之间，所述第一感测元件包括：

7.如权利要求6所述的功率转换器电路，其特征在于：所述第二感测元件为电流互感器，其连接在所述第一感测元件与所述第一、第二开关元件的一者之间，所述第二感测元件包括：

8.一种具有第一输出端、第二输出端的系统，其特征在于，所述系统包括：

具有第一端和第二端的电源；

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件耦接在所述第一开关器件和所述第一输出端之间。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述第一电流感测器件、所述第二电流感测器件耦接在所述电感器的第二端与所述第二开关器件之间。