CN1797912A - 用于无桥功率因数校正电路的电磁干扰降噪电路及方法 - Google Patents

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Abstract

一种改进无桥PFC升压转换器中的EMI噪声特性的电路和方法。这种转换器包括：升压电感器，具有第一端和第二端，第一端连接到第一AC输入端，第二端连接到定义于第一二极管的阳极和第一开关的第一端之间的第一接点；第一开关的第二端连接到公共线；电容和负载的并联电路连接于第一二极管的阴极和公共线之间；第二二极管和第二开关的串联电路连接于第一二极管的阴极和公共线之间；以及第二AC输入端，连接到定义于第二二极管的阳极和第二开关之间的第二接点。通过在第一AC端和公共线之间设置第一滤波电容器而旁路高频EMI噪声。

Description

用于无桥功率因数校正电路的电磁干扰降噪电路及方法
技术领域
本发明涉及一种用于改进无桥(bridgeless)PFC(功率因数校正)升压转换器中的EMI(电磁干扰)噪声特性的电路和方法，更具体地涉及一种包括连接到AC源端的旁路滤波电容器的改进。
背景技术
用于功率因数校正的传统无桥PFC电路如图1所示。与图2中所示的包括桥路的传统PFC电路相比，该无桥PFC电路减少了传导路径中半导体器件的数量。在传统的PFC电路中，在电流传导路径中具有三个半导体。而对于无桥PFC电路而言，在任意给定的传导路径中只有两个半导体器件。这两种电路都作为升压DC/DC转换器工作，并且开关损耗基本相同。但是，无桥PFC电路可降低电路传导损耗并提高电路效率。另外，与具有一个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)和五个二极管的传统PFC相比，因为无桥PFC电路只使用两个MOSFET和两个二极管，所以该电路得到很大程度的简化。
虽然无桥PFC电路提供了简化的电路结构以及改进的效率，但是该电路却具有严重的EMI噪声。
在图2的传统PFC电路中，在每个半线周期(half line cycle)，输出地通过整流二极管与输入线连接，如图3a和3b所示，其中分别示出了正、负半线周期。因此，对共模EMI噪声做出贡献的电容只是MOSFET漏极和大地之间的寄生电容Cd，如图4所示。
对于无桥升压功率因数校正电路的其它改进在2004年9月29日提交的10/953,344(IR-2593)号的申请中得到了描述，该申请通过引用而并入本文。还可参照2005年3月31日提交的序号60/666,950(IR-2965 PROV)号申请，该申请也通过引用而并入本文。
但是，在图1的无桥电路中，升压电感器是分置的并且位于该电路的AC侧。因此，输出不与输入线直接连接。图5a和图5b中示出了正、负半线周期内的无桥PFC电路的等效电路。因此，电路输出与输入线和大地相比是浮动的。模拟结果显示出，MOSFET漏极到大地的电压以及由此产生的寄生电容Cd1和Cd2(图6)以相反的极性波动。输出端和大地之间的寄生电容Cp和Cn(参见图6)上的电压以相同的极性波动。因此，所有寄生电容都会对共模EMI噪声做出贡献，如图7所示。
虽然由MOSFET漏极和大地之间的寄生电容Cd1和Cd2引起的共模噪声可通过对寄生电容Cd1和Cd2的精心设计(即，使它们对称)而降低甚至消除，但是由输出端和大地之间的寄生电容Cp和Cn引起的共模噪声不能消除。考虑到寄生电容不仅存在于PFC电路本身之中，而且存在于PFC电路的负载之中，所以共模噪声对于PFC电路本身和PFC电路的负载都有损害。
因此，虽然大约20年前就已经发明了无桥PFC电路，但是它却仍然未被工业所接收。该电路不仅具有严重的EMI噪声缺陷，而且还具有电压感测和电流感测的问题。因此，20年来，大部分工作已经涉及到改进该电路的控制，例如，改进无桥PFC电路中的电流感测和电压感测。已经开发出一种先前的电路，其具有无桥PFC电路的改进的EMI特性。该电路的示意图在图10中示出。一对二极管D3和D4增加到图1的传统电路中。
图11a和11b中分别示出了工作于正、负半线周期的电路的等效电路。在每个半线周期中，无桥PFC电路作为升压DC/DC转换器工作。整个电路等效于两个加在一起的升压电路。输出电压地通过两个二极管D3和D4而与输入线联系在一起。因此，这一电路改进了电路EMI特性，并且具有与传统PFC电路相似的EMI特性。
发明内容
为了解决EMI噪声的问题，用于无桥PFC电路的EMI降噪电路增加了额外的电容以使输出电压与输入AC线联系在一起。该电容例如可通过电容器来提供。在本发明的多种实施方案中，至少一个、优选地两个电容器可增加到传统的无桥PFC电路中。
因此，本发明涉及一种用于改进无桥PFC升压转换器中的EMI噪声特性的电路和方法。这种转换器可包括：升压电感器，它具有第一端和第二端，所述第一端连接到第一AC输入端，所述第二端连接到定义于第一二极管的阳极和第一开关的第一端之间的第一接点；所述第一开关的第二端连接到公共线；电容和负载的并联电路连接于所述第一二极管的阴极和所述公共线之间；第二二极管和第二开关的串联电路连接于所述第一二极管的阴极和所述公共线之间；以及第二AC输入端，其连接到定义于所述第二二极管的阳极和所述第二开关之间的第二接点。通过在所述第一AC端和所述公共线之间设置第一滤波电容器而旁路高频EMI噪声。第二升压电感器可连接于所述第二AC输入端和所述第二接点之间，第二滤波电容器可连接于所述第二AC端和所述公共线之间。在高频范围内，所述第一和/或第二滤波电容器具有比对应的第一或第二升压电感器低的阻抗。优选地，所述第一和第二电容器具有基本相同的电容。
虽然图10的电路可改进无桥PFC电路EMI特性，但是它具有几个约束条件。
·需要使用两个额外的二极管。与之相反，在本文描述的电路中，增加的电容是通过滤波电容器来提供的，因而成本降低很多。
·需要额外的散热装置的两个额外的二极管使得电路更昂贵，而根据本发明的电路则可避免这一问题。
本发明的其它特征和有益效果将通过以下参照附图对本发明的实施方案的描述而变得显而易见。
附图说明
图1示出了一种传统的无桥PFC(功率因数校正)电路；
图2示出了包括桥路的传统PFC电路；
图3a和3b分别示出了图2的传统PFC电路在正、负半线周期中的等效电路；
图4的等效电路示出了MOSFET漏极和大地之间对共模EMI噪声做出贡献的寄生电容Cd；
图5a和5b分别示出了图1的无桥PFC电路在正、负半线周期期间的等效电路；
图6的等效电路图示出了MOSFET漏极和大地之间的寄生电容Cd1和Cd2以及输出端和大地之间的寄生电容Cp和Cn；
图7的电压波形图示出了对共模EMI噪声做出贡献的寄生电容；
图8示出了本发明的第一实施方案；
图9a和9b分别示出了图8的电路在正、负半线周期的等效电路；
图10是另一公知的无桥PFC电路的示意图；
图11a和11b分别示出了图10的电路在正、负半线周期工作时的等效电路。
具体实施方式
本发明的第一实施方案在图8中示出。
本发明的电路在各个半线周期的等效电路分别在图9a和9b中示出。电容器C1和C2具有相同的电容和600V DC的额定电压。在开关频率下，它们可基本视为是短路的，这意味着它们在开关频率下的阻抗比升压电感器在相同频率下的阻抗低得多。因为电容器的阻抗随着频率增加而减小，而电感器的阻抗随着频率而增加，所以与升压电感器相比，电容器可基本视为对于整个高频范围的短路电路。
在本发明的另一实施方案中，可通过只使用一个电容器而得到一些EMI改进；但是优选地还是采用两个电容器。
开关S1和S2可为MOSFET、双向开关、双向MOSFET或GaN器件，或者这些器件的任何等效物或替代物。
在如图9a中所示的正半线周期等效电路中，电感器L1、MOSFETS1以及二极管D1一起提供出了升压DC/DC转换器，而C1起到了输入滤波电容器的作用。同时，电感器L2与C2并联。因为在高于开关频率的频率下，电容器的阻抗比电感器的阻抗小得多，所以电感器L2被电容器C2短路。因此，所有高频噪声通过电容器，而电感器只携带低频电流。因为电容的阻抗在高频下很低，所以输出电压地与输入线联系在一起。因此，输出端和大地之间的寄生电容不再对共模噪声做出贡献。在这种情况下，对共模噪声做出贡献的电容只是MOSFET漏极与大地之间的寄生电容，这意味着电路EMI噪声水平变得与传统的PFC电路类似。
根据以上的分析，本发明的电路的有益效果如下所述：
·电路结构简单并且成本低廉。
·只有少数的电容器对共模噪声做出贡献，因此可很大程度地降低共模EMI噪声。
·与传统的PFC电路相比，本发明电路具有相似的EMI噪声特性，因此EMI滤波器设计可使用传统的PFC电路参数，从而进一步降低设计成本。
尽管本发明已经结合其特定实施方案进行描述，但是对于本领域的技术人员来说，许多其他的变换、修改和应用将是显而易见的。因此，本发明不限于本文的具体内容。

Claims (16)

1.一种无桥PFC升压转换器，包括：
升压电感器，它具有第一端和第二端，所述第一端连接到第一AC输入端，所述第二端连接到定义于第一二极管的阳极和第一开关的第一端之间的第一接点；
所述第一开关的第二端连接到公共线；
电容和负载的并联电路，它连接于所述第一二极管的阴极和所述公共线之间；
第二二极管和第二开关的串联电路，它连接于所述第一二极管的阴极和所述公共线之间；
第二AC输入端，它连接到定义于所述第二二极管的阳极和所述第二开关之间的第二接点；以及
第一滤波电容器，它连接在所述第一AC端和所述公共线之间。
2.如权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中，所述第一开关和第二开关为MOSFET。
3.如权利要求2所述的无桥PFC升压转换器，其中，所述第一开关和第二开关为双向MOSFET。
4.如权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中，所述第一开关和第二开关为双向开关。
5.如权利要求4所述的无桥PFC升压转换器，其中，所述双向开关为GaN器件。
6.如权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，还包括：连接于所述第二AC输入端和所述第二接点之间的第二升压电感器；以及连接于所述第二AC端和所述公共线之间的第二滤波电容器。
7.如权利要求6所述的无桥PFC升压转换器，其中，在高频范围内，所述第二滤波电容器具有比所述第二升压电感器低的阻抗。
8.如权利要求6述的无桥PFC升压转换器，其中，所述第一电容器和第二电容器具有基本相同的电容。
9.如权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中，所述第一开关和第二开关为MOSFET，所述MOSFET的每一个具有各自的体二极管，所述体二极管的阴极连接到相应的所述第一接点和第二接点之一。
10.如权利要求9所述的无桥PFC升压转换器，其中，所述MOSFET的每一个都具有：一对主端，它们分别连接到所述公共线和相应的所述第一接点和第二接点之一；以及门控端，它用于控制所述MOSFET。
11.如权利要求1所述的无桥PFC升压转换器，其中，在高频范围内，所述第一滤波电容器具有比所述第一升压电感器低的阻抗。
12.一种降低无桥PFC升压转换器中的EMI噪声的方法，所述无桥PFC升压转换器包括：
升压电感器，它具有第一端和第二端，所述第一端连接到第一AC输入端，所述第二端连接到定义于第一二极管的阳极和第一开关的第一端之间的第一接点；
所述第一开关的第二端连接到公共线；
电容和负载的并联电路，它连接于所述第一二极管的阴极和所述公共线之间；
第二二极管和第二开关的串联电路，它连接于所述第一二极管的阴极和所述公共线之间；以及
第二AC输入端，它连接到定义于所述第二二极管的阳极和所述第二开关之间的第二接点；
所述方法包括将第一滤波电容器连接于所述第一AC端和所述公共线之间的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第二AC输入端和所述第二接点之间连接有第二升压电感器，并且所述方法还包括将第二滤波电容器连接于所述第二AC端和所述公共线之间的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，还包括选择所述第二滤波电容器以使其在高频范围内具有比所述第二升压电感器低的阻抗的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，还包括将所述第一滤波电容器和第二滤波电容器配置成具有基本相同的电容的步骤。
16.如权利要求12所述的方法，还包括选择所述第一滤波电容器以使其在高频范围内具有比所述第一升压电感器低的阻抗的步骤。
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