CN1855658A - 无桥路升压pfc电路的、使用单变流器的电流检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于改进无桥路PFC升压转换器中电流检测的电路和方法。这种转换器包括:变流器,其具有第一和第二初级绕组;升压电感器,其具有连接到第一AC输入端的第一端和连接到第一接点的第二端,所述第一接点限定在第一二极管的阳极与第一初级绕组的第一端之间,第一初级绕组的第二端与第一开关的第一端连接;连接到公共线的第一开关的第二端;电容与负载的并联电路,连接在第一二极管的阴极与公共线之间;第二二极管、第二初级绕组和第二开关的串联电路,连接在第一二极管的阴极与公共线之间;以及第二AC输入端,其连接到限定在第二初级绕组和第二开关之间的第二接点。在第二AC输入端和第二接点之间可连接有第二升压电感器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请基于2005年3月31日提交的、序列号为60/667,008的美国临时申请,并要求其优先权,其内容作为参考合并于此。
2005年12月13日提交的、序列号为11/301,464的相关申请(IR-2910)也作为参考合并于此。
技术领域
本发明涉及用于无桥路升压(BLB)PFC电路、使用单变流器的电流检测电路以及方法。
背景技术
无桥路升压PFC已经证明是用于功率因数校正电路的一种良好的可选电路布局,如图1所示。与图2所示的使用桥路的传统PFC电路相比,无桥路PFC电路减少了导电通路中的半导体器件的数量。对于传统的PFC来说,在电流传导通路中有三个半导体器件。而对于无桥路PFC来说,在任何时候导电通路中只有两个半导体器件。由于这两个电路都用作升压DC/DC转换器,因此其开关损耗是相同的。由此,无桥路PFC可以降低电路传导损耗并且改善电路效率。另外,由于相对于具有一个MOSFET和五个二极管的传统PFC来说,这种电路仅使用两个MOSFET和两个二极管,因此这种电路被大大简化了。
虽然图1的无桥路PFC电路具有简化的电路结构和改进的效率,但是在电流的检测上存在问题。
对于图2的传统PFC电路来说,可以通过串联连接在电感器的返回通路中的分流电阻来检测电感电流,如图3所示。由此,电流信号被转换为可用作控制目的的电压信号。然而,对于无桥路PFC电路来说,电感电流返回通路位于AC侧,如图4所示。控制电路通常与输出具有公共的接地。因此,对于无桥路PFC来说需要单独的电流检测方法。
为了实现单独的电流检测,50或60Hz的变流器提供了直接的解决方法,如图5所示。然而,由于低频变流器将会在输入和输出信号间产生大的相位差,因此使用检测信号来控制功率因数校正电路将会影响功率因数。另外,低频转换器较大、较重并且较贵,从而其难以适用于千瓦量级的电源。
其他的单独电流检测方法是使用差分模式放大器,如图6所示。差分模式放大器在输入和输出间不具有相位差。其可提供良好的控制信号。然而,由于无桥路PFC在高开关频率和高输出电压下工作,因此差分模式放大器中的共模电压将在检测信号上产生噪声。由于检测电压较低以最小化分流电阻中的功率损耗,因此共模电压所产生的噪声会使检测电流失真。另外,由于差分模式放大器较为昂贵并且需要额外的电源,因此其也不是实用的解决方法。
另外的电流检测方法是高频重建,如图7所示。在这种电流检测方法中,两个变流器T1和T2与S1和S2串联连接。在每个半线周期(half line cycle)中,其中之一饱和并且不输出信号,而另一个提供开关电流信号。变流器T3能够检测二极管电流。通过利用高频变流器将开关电流与二极管电流叠加在一起,可以检测到电感电流。因此,控制电路需要全部的三个变流器。即使使用峰值电流模式控制(其中仅需要开关电流作为功率因数校正控制),也仍然需要至少两个变流器。
由于具有这些缺点,因此虽然无桥路PFC电路已经存在了20年左右,但是其仍然没有在工业上使用。不仅是电路要承受严重的EMI噪声干扰问题,还存在电压检测和电流检测的问题。因此,在过去的20年中,已经进行了大量工作来解决电路的控制问题。已经提出了一种有吸引力的方法来改善无桥路PFC电路的电流检测和电压检测问题。其电路结构如图8所示。
在图9中,(a)和(b)分别是与在正半线周期和负半线周期中工作的电路等价的电路。在各个半线周期中,无桥路PFC电路作为升压DC/DC转换器。整个电路等价于叠加在一起的两个升压电流。所有的电感电流将通过分流电阻,在分流电阻处可以检测电感电流并且将其用于控制电路。
虽然这种电路能够在无桥路PFC电路中提供良好的电流检测,但是其仍然具有某些局限性:
·需要使用两个额外的二极管。
·所述两个额外的二极管需要额外的散热片,从而使得电路更为昂贵。
·通过使用分流电阻,在电路中引入了额外的功率损耗。
因此,需要降低元件数量、成本以及电流检测损耗。
发明内容
本发明致力于在无桥路PFC电路中进行进一步改进,特别是避免以上所述的局限和缺点。
为了进一步简化电流检测方案,提供了一种新的用于无桥路PFC的电流检测方法,其仅使用一个变流器。通过仅利用一个变流器来检测开关电流,可以降低电流检测损耗。另外,图8电路中额外的二极管将不再需要。因此,对于所提出的电路来说,与其他大功率半导体器件相比,变流器的成本和硅器件的成本都十分低廉,并且损耗也将大大减少。
根据本发明,提供了一种电路和方法以改善无桥路PFC升压转换器中的电流检测。这种转换器包括:变流器,其具有第一和第二初级绕组;升压电感器,其具有连接到第一AC输入端的第一端和连接到第一接点的第二端,所述第一接点限定在第一二极管的阳极与所述第一初级绕组的第一端之间,所述第一初级绕组的第二端与第一开关的第一端连接;所述第一开关的第二端,连接到公共线;电容与负载的并联电路,连接在所述第一二极管的阴极与所述公共线之间;第二二极管、所述第二初级绕组和第二开关的串联电路,连接在所述第一二极管的阴极与所述公共线之间;以及第二AC输入端,其连接到限定在所述第二初级绕组和所述第二开关之间的第二接点。在所述第二AC输入端和所述第二接点之间可连接有第二升压电感器。所述第一和第二开关可以是MOSFET。所述电路在变流器的第一和第二次级线圈处还包括整流电路,所述整流电路包括MOSFET和附加的二极管。
通过参照附图对本发明实施方案进行的以下描述,本发明的其他特征和优点将会更加清楚。
附图说明
图1示出了已知的无桥路PFC电路;
图2示出了传统的PFC电路;
图3示出了用于传统PFC电路的电流检测结构;
图4示出了图1的无桥路PFC电路的电流返回通路;
图5示出了用于无桥路PFC、使用低频转换器的电流检测结构;
图6示出了用于无桥路PFC、使用差分模式放大器的电流检测结构;
图7示出了用于无桥路PFC、使用高频重建的电流检测结构;
图8示出了可以改善已知的无桥路PFC电路的EMI性能的另一个电路;
图9(a)和9(b)示出了图8电路中不同半线周期的等价电路;
图10(a)和10(b)示出了所提出的新的电流检测方案;
图11(a)和11(b)分别示出了在正半线周期和负半线周期中变流器的初级侧电流;
图12(a)和12(b)分别示出了在转换和复位操作阶段中,图10(b)的变流器次级整流电路的等价电路。
具体实施方式
图10(a)和10(b)中示出了电流检测方案的示意图。
变流器具有两个初级绕组P1、P2以及两个次级绕组S1、S2。两个初级绕组均为单匝,两个次级绕组为多匝,典型的为50或100匝。变流器的等价初级电流等于I1与I2之和。
为了更清楚地理解电流检测方案,图11(a)和11(b)中示出了流过变流器的电流波形。从波形中可以看出,对于两个半线周期来说,等价的初级侧电流为通过MOSFET M1、M2的开关电流之和。然而,更具体地,对于正半线周期来说,等价的初级侧电流为总的开关电流I1+I2,而对于负半线周期来说,等价的初级侧电流为总的开关电流I1+I2的负值。因此,该电流检测方法中的下一步是对电流信号进行整流。
图10(b)中示出了整流电路。图12(a)和12(b)中分别示出了转换信号时和复位电磁场时变流器的等价电路。当初级侧通有电流时,MOSFET M3导通,从而次级侧S1电流回路通过二极管D3闭合,并且由二极管D4阻断,而初级侧电流可以通过分流电阻R1检测。当初级侧未通有电流时,MOSFET M3截止,电流通过次级绕组S1、S2和一对跨过其连接的相反的齐纳二极管Z1、Z2,电流通路如图12(b)所示。在此期间,变流器电磁场被复位。通过以上分析,可以看出MOSFET可以使用与功率级开关相同的栅信号。
与其他的电流检测方法相比,以上提出的电路至少具有以下优点:
·结构简单,只需要一个高频变流器。
·不需要额外的控制电路,MOSFET电流检测电路可以与功率级开关使用同一栅驱动信号。
·低的功率损耗。与分流电阻相比,变流器电阻只流过少量的电流,从而产生较少的功率损耗。
虽然已经结合特定的实施方案对本发明进行了描述,但是对于本领域技术人员来说,其他的修改和调整以及其他应用是显而易见的。因此,本发明不受在此的特定公开的限制。
Claims (9)
1.一种无桥路PFC升压转换器,包括:
变流器,其具有第一和第二初级绕组;
升压电感器,其具有连接到第一AC输入端的第一端和连接到第一接点的第二端,所述第一接点限定在第一二极管的阳极与所述第一初级绕组的第一端之间,所述第一初级绕组的第二端与第一开关的第一端连接;
所述第一开关的第二端,连接到公共线;
电容与负载的并联电路,连接在所述第一二极管的阴极与所述公共线之间;
第二二极管、所述第二初级绕组和第二开关的串联电路,连接在所述第一二极管的阴极与所述公共线之间;以及
第二AC输入端,其连接到限定在所述第二初级绕组和所述第二开关之间的第二接点。
2.如权利要求1所述的无桥路PFC升压转换器,进一步包括:连接在所述第二AC输入端和所述第二接点之间的第二升压电感器。
3.如权利要求1所述的无桥路PFC升压转换器,其中,所述第一和第二开关是MOSFET。
4.如权利要求3所述的无桥路PFC升压转换器,其中,所述第一和第二开关是MOSFET,其各自具有体二极管,所述体二极管的阴极与所述第一和第二初级绕组中相应的一个相连接。
5.如权利要求4所述的无桥路PFC升压转换器,其中,所述MOSFET各具有:一对主端子,所述主端子分别连接至所述公共线和所述第一和第二初级绕组中相应的一个;以及栅极端,用于控制所述MOSFET。
6.如权利要求1所述的无桥路PFC升压转换器,其中,所述变流器具有:第一和第二次级绕组,所述第一和第二次级绕组的各自的第二端在第三接点连接在一起;以及整流电路,连接到所述次级绕组。
7.如权利要求6所述的无桥路PFC升压转换器,其中,所述整流电路包括:
电阻和第三开关的串联连接,连接至所述第三接点;
所述电阻与所述第三开关之间的接点,与所述公共线连接;
一对齐纳二极管,其阴极连接在一起,其阳极分别连接至所述第一和第二次级绕组的所述第二端;
一对二极管,其阴极连接至所述第三开关,其阳极分别连接至所述第一和第二次级绕组的所述第一端。
8.如权利要求7所述的无桥路PFC升压转换器,其中,所述第三开关是MOSFET。
9.如权利要求8所述的无桥路PFC升压转换器,其中,所述第三开关是MOSFET,所述MOSFET具有:一对主端子,所述主端子分别连接至所述电阻和所述一对二极管的阴极;栅极端,用于控制所述MOSFET。
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