CN110112903B - 一种功率因数校正电路、方法、充电器及电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种功率因数校正电路、方法、充电器及电动汽车，利用两个整流管取代现有伪图腾柱电路中的二极管桥臂两个二极管起同步整流的作用，将其中一个电感换作电感量很小的异名端耦合电感，另一个电感作为能量传递的主电感，从而提高了电感的利用率，也改善了电感体积过大的问题，消除了开关管中的二极管反向恢复带来的损耗，同时由于耦合电感的存在，其中存在漏感，使得漏感和开关管结电容发生谐振，在开关管开通之前，将开关管结电容电压钳位到零，从而实现了开关管零电压开通。

Description

一种功率因数校正电路、方法、充电器及电动汽车
技术领域
本公开涉及电路技术领域，特别涉及一种功率因数校正电路、方法、充电器及电动汽车。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
随着能源日益短缺，节能减排，保护环境逐渐成为社会热点话题。目前，在全球范围内，电动汽车和新能源汽车的发展和普及是比较迅速的，面对电动汽车大量普及和投放，一种高效的电动汽车充电机显得十分重要。电动汽车充电器一般采用AC/DC变换器和DC/DC变换器结合工作的结构，本公开主要研究AC/DC变换器部分。传统有桥提升功率因数校正(PFC)方案主要损耗在整流桥上，为了PFC效率，因此无桥PFC产生。
本公开发明人发现，在现有的各种无桥PFC中，图腾柱PFC结构简单，如附图1所示，由一个慢速二极管桥臂，一个开关桥臂和一个电感组成，电路具有较小的共模干扰，但是由于两个开关管的体二极管代替了传统PFC中快恢复二极管，体二极管反向恢复特性很差，会有很大的反向恢复损耗，所以该拓扑只适合工作在电流断续模式或者电流临界模式，在SiC和GAN器件产生后，反向恢复有所改善，但该方案成本很高。
为使图腾柱PFC能工作在电流连续模式，出现了伪图腾柱PFC，如附图2所示，该拓扑也有较小的共模干扰，但是额外需要两个快恢复二极管和一个电感，这样电感利用率低，随之带来电感体积过大问题，而且快恢复二极管还会有一定的反向恢复损耗产生。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种功率因数校正电路、方法、充电器及电动汽车，利用两个整流管取代现有伪图腾柱电路中的二极管桥臂两个二极管起同步整流的作用，将其中一个电感换作电感量很小的异名端耦合电感，另一个电感作为能量传递的主电感，从而提高了电感的利用率，也改善了电感体积过大的问题。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种功率因数校正电路；
一种功率因数校正电路，包括交流电源、第一电感、第一异名耦合电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一整流管、第二整流管、第一电容和第一负载，所述第一耦合电感包括第二电感和第三电感，所述交流电源的正极端与第一电感连接后与第二电感和第三电感的第一端连接，所述第二电感的第二端分别与第二开关管的第一端和第一开关管的第二端连接，所述第二开关管的第二端分别与第四开关管的第二端和第一整流管的第二端连接，所述第一整流管的第一端分别与交流电源的负极和第二整流管的第二端连接；
所述第三电感的第二端分别第三开关管的第二端和第四开关管的第一端连接，所述第三开关管的第一端与第一开关管的第一端连接后与第二整流管的第一端连接，所述第二整流管的第二端分别与交流电源的负极端和第一整流管的第一端连接，所述第四开关管的第二端与第二开关管的第二端连接后与第一整流管的第二端连接；所述第四开关管的第二端还与第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与第三开关管的第一端连接，所说第一负载与第一电容并联连接；所述第二开关管的第一端与第二电感的第二端连接后与第一开关管的第二端连接；所述第四开关管的第一端与第三电感的第二端连接后与第三开关管的第二端连接。
第二方面，本公开提供了一种功率因数校正方法；
一种功率因数校正方法，利用本公开所述的功率因数校正电路，当交流输入位于正半周期时，第二整流管导通，第一开关管和第三开关管相位相差180°导通，第二开关管和第四开关管工作在二极管状态，第一开关管和第二开关管互补导通，第三开关管和第四开关管互补导通，形成第一交错并联Boost变换器。
作为可能的一些实现方式，当第一开关管和第三开关管都关断时，第二开关管和第四开关管所对应的二极管导通，形成交流电源、第一电感、第二电感、第二开关管、第一电容(第一负载)和第二整流管组成的第一回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第四开关管、第一电容(第一负载)和第二整流管组成的第二回路；
作为可能的一些实现方式，第一开关管开通，第三开关管关断，第二开关管对应的二极管关断，第四开关管所对应的二极管导通，形成交流电源、第一电感、第二电感、第一开关管、第二整流管组成的第三回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第四开关管、第一电容(第一负载)和第二整流管组成的第二回路；
作为可能的一些实现方式，第一开关管开通，第三开关管开通，第二开关管和第四开关管对应的二极管关断，形成交流电源、第一电感、第二电感、第一开关管、第二整流管组成的第三回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第三开关管、第一电容(第一负载)和第二整流管组成的第四回路；
作为可能的一些实现方式，第一开关管关断，第三开关管开通，第二开关管对应的二极管导通，第四开关管所对应的二极管关断，形成交流电源、第一电感、第二电感、第二开关管、第一电容(第一负载)和第二整流管组成的第一回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第三开关管、第一电容(第一负载)和第二整流管组成的第四回路。
作为可能的一些实现方式，当交流输入位于正半周期且第三开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第三电感左正右负，第二电感左负右正，第二开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，用于消除第二开关管所对应的二极管反向恢复带来的损耗；
作为可能的一些实现方式，当交流输入位于正半周期且第一开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第二电感左正右负，第三电感左负右正，第四开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，用于消除第四开关管所对应的二极管反向恢复带来的损耗。
作为可能的一些实现方式，当交流输入位于负半周期时，第一整流管导通，第二开关管和第四开关管相位相差180°导通，第一开关管和第三开关管工作在二极管状态，第一开关管和第二开关管互补导通，第三开关管和第四开关管互补导通，形成第二交错并联Boost变换器。
作为可能的一些实现方式，当第二开关管和第四开关管都关断时，第一开关管和第三开关管所对应的二极管导通，形成交流电源、第一整流管、第一电容(第一负载)、第一开关管、第二电感和第一电感组成的第五回路；同时形成交流电源、第一整流管、第一电容(第一负载)、第三开关管、第三电感和第一电感组成的第六回路；
作为可能的一些实现方式，第二开关管开通，第四开关管关断，第一开关管对应的二极管关断，第三开关管对应的二极管导通，形成交流电源、第一整流管、第二开关管、第二电感组成的第七回路；同时形成交流电源、第一整流管、第一电容(第一负载)、第三开关管、第三电感和第一电感组成的第六回路；
作为可能的一些实现方式，第二开关管开通，第四开关管开通，第一开关管和第三开关管对应的二极管关断，形成交流电源、第一整流管、第二开关管、第二电感组成的第七回路；同时形成交流电源、第一整流管、第一电容(第一负载)、第四开关管、第三电感和第一电感组成的第八回路；
作为可能的一些实现方式，第二开关管关断，第四开关管开通，第一开关管对应的二极管导通，第三开关管对应的二极管关断；形成交流电源、第一整流管、第一电容(第一负载)、第一开关管、第二电感和第一电感组成的第五回路；同时形成交流电源、第一开关管、第四开关管、第三电感、第一电感组成的第九回路。
作为进一步的限定，当交流输入位于负半周期且第四开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第三电感左负右正，第二电感左正右负，第一开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，消除第一开关管对应的二极管反向恢复带来的损耗；
作为进一步的限定，当交流输入位于负半周期且第二开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第二电感左负右正，第三电感左正右负，第三开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，消除第三开关管对应的二极管反向恢复带来的损耗；
作为进一步的限定，所述耦合电感存在漏感，所述漏感和各个开关管的结电容发生谐振，在相应开关管导通之前，将开关管结电容电压钳位到零，用于实现开关管的零电压开通。
第三方面，本公开提供了一种电动汽车充电器，包括本公开所述的功率因数校正电路。
第四方面，本公开提供了一种电动汽车充电器，利用本公开所述的功率因数校正方法。
第五方面，本公开提供了一种电动汽车，包括本公开所述的功率因数校正电路。
第六方面，本公开提供了一种电动汽车，包括本公开所述的电动汽车充电器。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述的内容利用两个整流管取代现有伪图腾柱电路中的二极管桥臂两个二极管起同步整流的作用，将其中一个电感换作电感量很小的异名端耦合电感，另一个电感作为能量传递的主电感，从而提高了电感的利用率，也改善了电感体积过大的问题。
本公开所述的内容由于异名端耦合电感的作用，可以消除各个开关管所属的二极管的反向恢复带来的损耗。
本公开所述的内容由于耦合电感的存在，其中存在漏感，使得漏感和开关管结电容发生谐振，在开关管开通之前，将开关管结电容电压钳位到零，从而实现了开关管零电压开通。
附图说明
图1为本公开实施例1所述的现有技术中的图腾柱PFC电路。
图2为本公开实施例1所述的现有技术中的伪图腾柱PFC电路。
图3为本公开实施例1所述的伪图腾柱PFC电路。
图4为本公开实施例1所述的伪图腾柱PFC电路的交流电源处于正半周期时的电路结构图。
图5为本公开实施例1所述的二极管电流图。
图6为本公开实施例1所述的伪图腾柱PFC电路的交流电源处于负半周期时的电路结构图。
图7为本公开实施例1所述的开关管的电压电流波形图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图3所示，本公开实施例1提供了一种功率因数校正电路，包括交流电源AC、第一电感L1、第一异名耦合电感、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一整流管SD1、第二整流管SD2、第一电容C和第一负载R，所述第一耦合电感包括第二电感LK1和第三电感LK2，所述交流电源AC的正极端与第一电感L1连接后与第二电感LK1和第三电感LK2的第一端连接，所述第二电感LK1的第二端分别与第二开关管S2的第一端和第一开关管S1的第二端连接，所述第二开关管S2的第二端分别与第四开关管S4的第二端和第一整流管S1的第二端连接，所述第一整流管SD1的第一端分别与交流电源AC的负极和第二整流管SD2的第二端连接；
所述第三电感LK2的第二端分别第三开关管S3的第二端和第四开关管S4的第一端连接，所述第三开关管S3的第一端与第一开关管S1的第一端连接后与第二整流管SK2的第一端连接，所述第二整流管SK2的第二端分别与交流电源AC的负极端和第一整流管SD1的第一端连接，所述第四开关管S4的第二端与第二开关管S2的第二端连接后与第一整流管SD1的第二端连接；所述第四开关管S4的第二端还与第一电容C的一端连接，所述第一电容C的另一端与第三开关管S3的第一端连接，所说第一负载R与第一电容C并联连接；所述第二开关管S2的第一端与第二电感LK1的第二端连接后与第一开关管S1的第二端连接；所述第四开关管S4的第一端与第三电感LK2的第二端连接后与第三开关管S3的第二端连接。
所述开关管和整流管均采用N沟道场效应管，具体根据实际所能承受电压等级而定。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种功率因数校正方法，利用本公开实施例1所述的功率因数校正电路，当交流输入位于正半周期时，第二整流管SD2导通，第一开关管S1和第三开关管S3相位相差180°导通，第二开关管S2和第四开关管S4工作在二极管状态，第一开关管S1和第二开关管S2互补导通，第三开关管S3和第四开关管S4互补导通，形成第一交错并联Boost变换器，如图4所示。
当第一开关管S1和第三开关管S3都关断时，第二开关管S2和第四开关管S4所对应的二极管导通，形成交流电源AC、第一电感L1、第二电感LK1、第二开关管S2、第一电容C(第一负载R)和第二整流管SD2组成的第一回路；同时形成交流电源AC、第一电感L1、第三电感LK2、第四开关管S4、第一电容C(第一负载R)和第二整流管SD2组成的第二回路；
第一开关管S1开通，第三开关管S3关断，第二开关管S2对应的二极管关断，第四开关管S4所对应的二极管导通，形成交流电源AC、第一电感L1、第二电感LK1、第一开关管S1、第二整流管SD2组成的第三回路；同时形成交流电源AC、第一电感L1、第三电感LK2、第四开关管S4、第一电容C(第一负载R)和第二整流管SD2组成的第二回路；
第一开关管S1开通，第三开关管S3开通，第二开关管S2和第四开关管S4对应的二极管关断，形成交流电源AC、第一电感L1、第二电感LK1、第一开关管S1、第二整流管SD2组成的第三回路；同时形成交流电源AC、第一电感L1、第三电感LK2、第三开关管S3、第一电容C(第一负载R)和第二整流管SD2组成的第四回路；
第一开关管S1关断，第三开关管S3开通，第二开关管S2对应的二极管导通，第四开关管S4所对应的二极管关断，形成交流电源AC、第一电感L1、第二电感LK1、第二开关管S2、第一电容C(第一负载R)和第二整流管SD2组成的第一回路；同时形成交流电源AC、第一电感L1、第三电感LK2、第三开关管S3、第一电容C(第一负载R)和第二整流管SD2组成的第四回路。
当交流输入位于正半周期且第三开关管S3导通时，由于异名端耦合电感的作用，第三电感LK2左正右负，第二电感LK1左负右正，第二开关管S2对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，用于消除第二开关管S2所对应的二极管反向恢复带来的损耗；
当交流输入位于正半周期且第一开关管S1导通时，由于异名端耦合电感的作用，第二电感LK1左正右负，第三电感LK2左负右正，第四开关管S4对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，用于消除第四开关管S4所对应的二极管反向恢复带来的损耗，二极管电流图如图5所示。
当交流输入位于负半周期时，第一整流管SD1导通，第二开关管S2和第四开关管S4相位相差180°导通，第一开关管S1和第三开关管S3工作在二极管状态，第一开关管S1和第二开关管S2互补导通，第三开关管S3和第四开关管S4互补导通，形成第二交错并联Boost变换器，如图6所示。
当第二开关管S2和第四开关管S4都关断时，第一开关管S1和第三开关管S3所对应的二极管导通，形成交流电源AC、第一整流管SD1、第一电容C(第一负载R)、第一开关管S1、第二电感LK1和第一电感L1组成的第五回路；同时形成交流电源AC、第一整流管SD1、第一电容C(第一负载R)、第三开关管S3、第三电感LK2和第一电感L1组成的第六回路；
第二开关管S2开通，第四开关管S4关断，第一开关管S1对应的二极管关断，第三开关管S3对应的二极管导通，形成交流电源AC、第一整流管SD1、第二开关管S2、第二电感LK1组成的第七回路；同时形成交流电源AC、第一整流管SD1、第一电容C(第一负载R)、第三开关管S3、第三电感LK2和第一电感L1组成的第六回路；
第二开关管S2开通，第四开关管S4开通，第一开关管S1和第三开关管S3对应的二极管关断，形成交流电源AC、第一整流管SD1、第二开关管S2、第二电感LK1组成的第七回路；同时形成交流电源AC、第一整流管SD1、第一电容C(第一负载R)、第四开关管S4、第三电感LK2和第一电感L1组成的第八回路；
第二开关管S2关断，第四开关管S4开通，第一开关管S1对应的二极管导通，第三开关管S3对应的二极管关断；形成交流电源AC、第一整流管SD1、第一电容C(第一负载R)、第一开关管S1、第二电感LK1和第一电感L1组成的第五回路；同时形成交流电源AC、第一开关管S1、第四开关管S4、第三电感LK2、第一电感L1组成的第九回路。
当交流输入位于负半周期且第四开关管S4导通时，由于异名端耦合电感的作用，第三电感LK2左负右正，第二电感LK1左正右负，第一开关管S1对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，消除第一开关管S1对应的二极管反向恢复带来的损耗；
当交流输入位于负半周期且第二开关管S2导通时，由于异名端耦合电感的作用，第二电感LK1左负右正，第三电感LK2左正右负，第三开关管S3对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，消除第三开关管S3对应的二极管反向恢复带来的损耗；
所述耦合电感存在漏感，所述漏感和各个开关管的结电容发生谐振，在相应开关管导通之前，将开关管结电容电压钳位到零，用于实现开关管的零电压开通，开关管电压电流波形图如图7所示。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种电动汽车充电器，包括本公开实施例1所述的伪图腾柱功率因数校正电路。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电动汽车充电器，利用本公开实施例2所述的伪图腾柱功率因数校正方法。
实施例5：
本公开实施例5提供了一种电动汽车，包括本公开实施例1所述的伪图腾柱功率因数校正电路。
实施例6：
本公开实施例6提供了一种电动汽车，包括本公开实施例4所述的电动汽车充电器。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种功率因数校正方法，其特征在于，利用功率因数校正电路，所述校正电路具体为：
包括交流电源、一个第一电感、第一异名耦合电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一整流管、第二整流管、第一电容和第一负载，所述第一异名耦合电感用于消除各个开关管的反向恢复带来的损耗，包括第二电感和第三电感，所述交流电源的正极端与第一电感连接后与第二电感和第三电感的第一端连接，所述第二电感的第二端分别与第二开关管的第一端和第一开关管的第二端连接，所述第二开关管的第二端分别与第四开关管的第二端和第一整流管的第二端连接，所述第一整流管的第一端分别与交流电源的负极和第二整流管的第二端连接；
所述第三电感的第二端分别与第三开关管的第二端和第四开关管的第一端连接，所述第三开关管的第一端与第一开关管的第一端连接后与第二整流管的第一端连接；所述第四开关管的第二端还与第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与第三开关管的第一端连接，所述第一负载与第一电容并联连接，每个开关管均反向并联一个单独的二极管；
当交流输入位于正半周期时，第二整流管导通，第一开关管和第三开关管相位相差180°导通，第二开关管和第四开关管工作在二极管状态，第一开关管和第二开关管所对应的二极管互补导通，第三开关管和第四开关管所对应的二极管互补导通，形成第一交错并联Boost变换器；
当交流输入位于正半周期且第三开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第三电感左正右负，第二电感左负右正，第二开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，用于消除第二开关管所对应的二极管反向恢复带来的损耗；
当交流输入位于正半周期且第一开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第二电感左正右负，第三电感左负右正，第四开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，用于消除第四开关管所对应的二极管反向恢复带来的损耗；
当第一开关管和第三开关管都关断时，第二开关管和第四开关管所对应的二极管导通，形成交流电源、第一电感、第二电感、第二开关管所对应的二极管、第一电容或第一负载、第二整流管组成的第一回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第四开关管所对应的二极管、第一电容或第一负载、第二整流管组成的第二回路；
第一开关管开通，第三开关管关断，第二开关管对应的二极管关断，第四开关管所对应的二极管导通，形成交流电源、第一电感、第二电感、第一开关管、第二整流管组成的第三回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第四开关管所对应的二极管、第一电容或第一负载、第二整流管组成的第二回路；
第一开关管开通，第三开关管开通，第二开关管和第四开关管对应的二极管关断，形成交流电源、第一电感、第二电感、第一开关管、第二整流管组成的第三回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第三开关管、第二整流管组成的第四回路；
第一开关管关断，第三开关管开通，第二开关管对应的二极管导通，第四开关管所对应的二极管关断，形成交流电源、第一电感、第二电感、第二开关管对应的二极管、第一电容或第一负载、第二整流管组成的第一回路；同时形成交流电源、第一电感、第三电感、第三开关管、第二整流管组成的第四回路；
当交流输入位于负半周期时，第一整流管导通，第二开关管和第四开关管相位相差180°导通，第一开关管和第三开关管工作在二极管状态，第一开关管所对应的二极管和第二开关管互补导通，第三开关管所对应的二极管和第四开关管互补导通，形成第二交错并联Boost变换器；
当第二开关管和第四开关管都关断时，第一开关管和第三开关管所对应的二极管导通，形成交流电源、第一整流管、第一电容或第一负载、第一开关管所对应的二极管、第二电感和第一电感组成的第五回路；同时形成交流电源、第一整流管、第一电容或第一负载、第三开关管所对应的二极管、第三电感和第一电感组成的第六回路；
第二开关管开通，第四开关管关断，第一开关管对应的二极管关断，第三开关管对应的二极管导通，形成交流电源、第一整流管、第二开关管、第二电感和第一电感组成的第七回路；同时形成交流电源、第一整流管、第一电容或第一负载、第三开关管所对应的二极管、第三电感和第一电感组成的第六回路；
第二开关管开通，第四开关管开通，第一开关管和第三开关管对应的二极管关断，形成交流电源、第一整流管、第二开关管、第二电感和第一电感组成的第七回路；同时形成交流电源、第一整流管、第四开关管、第三电感和第一电感组成的第八回路；
第二开关管关断，第四开关管开通，第一开关管对应的二极管导通，第三开关管对应的二极管关断；形成交流电源、第一整流管、第一电容或第一负载、第一开关管所对应的二极管、第二电感和第一电感组成的第五回路；同时形成交流电源、第一整流管、第四开关管、第三电感和第一电感组成的第八回路。
2.如权利要求1所述的功率因数校正方法，其特征在于，当交流输入位于负半周期且第四开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第三电感左负右正，第二电感左正右负，第一开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，消除第一开关管对应的二极管反向恢复带来的损耗。
3.如权利要求1所述的功率因数校正方法，其特征在于，当交流输入位于负半周期且第二开关管导通时，由于异名端耦合电感的作用，第二电感左负右正，第三电感左正右负，第三开关管对应的二极管继续处于导通状态，一直到电流减小为零为止，消除第三开关管对应的二极管反向恢复带来的损耗。
4.如权利要求1所述的功率因数校正方法，其特征在于，所述耦合电感存在漏感，所述漏感和各个开关管的结电容发生谐振，在相应开关管导通之前，将开关管结电容电压钳位到零，用于实现开关管的零电压开通。
5.一种电动汽车充电器，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的功率因数校正方法。
6.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求5所述的电动汽车充电器。
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