CN1941587A - 无桥双向正向变换器 - Google Patents

Abstract

提供一种电路用来将电源从AC电源转换为DC电源。该电路包括能够在两个方向上传导和阻挡电流的双向开关。一个或多个控制开关连接到双向开关，以便允许和禁止电流通过这个双向开关，这些控制开关由信号电压控制，以通过将这些双向开关栅极之一上的门限电压放电，让双向开关导通，并在控制开关不将所述门限电压放电时，让双向开关截止。此外，该电路还包括变压器，该变压器具有一个或多个初级线圈和一个次级线圈，每个初级线圈连接到多个双向开关源极之一。当电流通过对应的双向开关时源极被禁止，通过初级线圈的电流被禁止。

Description

无桥双向正向变换器

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2005年7月11日提交的，标题为BRIDGELESS BIDIRECTIONAL FORWARD TYPE CONVERTERS的第60/698,037号美国临时申请的优先权，在这里将它全部引入作为参考。

技术领域

本发明涉及AC-DC电源变换，更具体地说，涉及双向器件的使用，以及如何消除传统前端整流器电桥中所用单向器件引起的损耗。

背景技术

标准的离线AC-DC电源变换级通常由输入或前端整流器电桥，后跟隔离的开关模式DC-DC变换级构成。这种DC-DC实际上是DC-AC-DC级，其中高频AC通过高频变压器提供隔离。使用是功率损耗主要来源的前端整流器电桥的主要原因是，通常可以得到的功率开关是单向的，也就是只能阻挡单极性电压。

在采用多级方法的其它系统中，例如在使用输入桥、PFC和隔离的DC-DC以及那些使用无桥PFC和隔离的DC-DC的电路中，存在类似的缺点，这些缺点包括效率低、组件数量大、整个系统复杂以及成本高。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种允许无桥、直接和隔离的AC-DC变换的双向正向型变换器。

本发明的另一个目的是通过取消输入桥并提供单级AC-DC功能来提高AC-DC变换器的效率。

本发明的另一个目的是能提供一种功率因子校正技术，提供更高的效率，简化电路，减少电路元件，从而降低电路成本。

本发明提供一种用于将电源从AC电源变换到DC电源的电路。该电路包括双向开关，这个双向开关能够传导和阻挡两个方向流过的电流；还包括变压器，该变压器具有初级和次级，该初级与所述双向开关串联。

本发明的电路还包括第一控制开关，所述第一控制开关连接到所述双向开关上，让所述双向开关导通以允许电流通过所述双向开关，并且在所述变压器初级内第一方向上，以及所述第二控制开关，让所述双向开关导通以允许电流通过所述双向开关，并且在所述变压器初级内与第一方向相反的第二方向上。还包括连接到所述变压器次级用来提供所述DC电源的整流器。

本发明的电路还包括钳位电路，用来将所述双向开关一个栅极的电压钳制在门限电压上，使所述双向开关截止，所述第一和/或第二开关由信号电压控制，通过将所述一个栅极上的门限电压放电，让所述双向开关导通，并在第二开关不使所述门限电压放电时让所述双向开关截止。

在本发明的一个实施例中，所述双向开关具有第一和第二栅极以及与这些栅极中相应的多个栅极连接的第一和第二源极。该电路使用第一和第二二极管，其中每个二极管具有连接到相应栅极的阳极和连接到相应源极的阴极。

根据本发明的一个实施例，提供一种开关电路，用来为电抗性负载阻抗供电，该电路包括：耗尽型的第一双向半导体开关，该开关具有两个源极端子，以及与每个源极端子连接的相应栅极端子，如果至少有一个栅极端子相对于其源极端子处在负门限电压上，则所述第一开关截止；第二控制开关连接在一个栅极端子和相应的源极端子之间，以允许控制施加到一个栅极端子的电压；电抗性负载阻抗与所述第一开关的源极端子串联，所述电抗性阻抗和所述第一开关的源极端子通过电压源连接；用来将所述一个栅极的电压钳制到门限电压，让所述第一开关截止的钳位电路，所述第二控制开关由信号电压控制，以便通过将所述第一开关的所述一个栅极上的门限电压放电，让所述第一开关导通，不通过所述第二开关将所述门限电压放电时，让所述第一开关截止。

在本发明的另一个实施例中，使用了两个上述电路，因此使用两个双向开关。这些电路通过变压器的初级连接。

通过参考附图对本发明进行的说明，本发明的其它特征和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是通常导通双向耗尽型开关的电路图；

图2是通过串联电抗驱动的通常导通耗尽型开关的电路图，用于说明工作原理；

图3是本发明一个实施例中单个双向开关、无桥正向变换器的电路图；

图4是本发明另一个实施例中两个双向开关、无桥正向变换器的电路图。

具体实施方式

本发明在AC-DC电源变换器中采用通常导通双向开关。这些开关能够在两个方向上传导和阻挡电流。如图1所示，双向开关的典型实施方式10使用两个控制引脚或栅极G1和G2来控制这一器件的状态。

由于这种器件是通常导通或耗尽型器件，因此为了让器件10保持在截止状态，必须在栅极和源极之间施加负偏置。如果给栅极G1和G2之一负偏置，那么器件10截止，并且阻挡电流从器件的一个源极S1通过到达源极S2。如果每个栅极连接到它的源极或者相对于它的源极为正电压，则这一器件导通。

图2示出结合了器件10(图1)的电路20。电路20说明本发明的基本原理，也就是利用电抗元件作为串联阻抗用于驱动通常导通耗尽型晶体管。

在电路20中，通常导通器件10连接到最初施加到电感器L1上的DC电源电压V1上，电流因此开始线性上升。还将电源电压V1施加到串联的齐纳二极管D1、电阻R1和二极管D2上，这个齐纳二极管D1将电压钳制为器件10的栅极上允许的最大电压。电阻R1降低剩余的电压并限制进入驱动网络的电流。低电压二极管或适当驱动的开关D2串联在二极管D1和电阻R1之间。二极管D2必须确保栅极G2反向充电的栅极电容不会通过变压器线圈L1放电。齐纳二极管D1和控制开关M1，例如MOSFET，图中将它示出为与二极管D1并联，可以换成单独一个低电压、小电流器件。

在所示结构中，电路20具有两种可能的状态，它们是：

1.状态I，开关M1截止：当电压V1达到器件10的门限电压时，开关M1保持截止，使得整个器件10截止。齐纳二极管D1将栅极G2的电压钳制为相对于源极S2为负。

2.状态II，开关M1导通：当小的低电压晶体管M1导通时，器件10的栅极G2放电并维持放电状态，因此器件10导通。

本发明实施的正向变换器电路30在图3中说明。电路30是电路20的基本结构的双向布局扩展。将电路30设计成使用两个变压器初级阻抗或电感L1和L2与器件10的每个源极S1和S2串联。变压器初级线圈分裂成线圈LA和LB，以便在双极性电压(AC)V1施加到DC总线上时，在器件10上正确地产生驱动电压。器件10可以是GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。

控制开关M1和M2必须能够将电压钳制在器件10的栅极最大标称电压范围内。在来自AC源V1的AC正弦波正半周期间，开关M1驱动器件10导通和截止(例如，根据PWM信号)，而开关M2则通过其体二极管(如虚线所示)反向传导由电阻R2提供的偏置电流，从而将器件10的栅极G1与源极S1短路。

在正弦波的负半周期间，开关M2(根据开关信号，例如PWM信号)切换器件10的导通和截止，开关M1则无效，从而保持栅极G2导通。

可以并联地驱动开关M1和M2。本发明的系统结构允许适当偏置的开关M1或M2驱动器件10。可以理解，必须采用绝缘的驱动技术或双极性HV技术来适当地驱动开关M1和M2。

整流器D10和D20提供从次级输出的全波整流。电感40和电容C1提供输出滤波。

图4示出了采用本发明的双向布局实现的正向变换器电路40的一个替换结构。

在电路40中，将初级变压器线圈L1A、L1B、L1C设计成具有两个电压抽头X和Y。采用了类似的结构(M1和M2低电压MOSFET)。电路40具有利用低电压限流电阻R1、R2用于栅极偏置的优点。但是需要两个GaN HEMT 10A、10B。次级电路与图3的电路类似。

在AC正半周期间，开关M2(当通过适当的栅极信号导通时，例如通过PWM)切换双向开关10B来使电流通过变压器初级。开关M1保持开关10A导通。

在负半周期间，开关M1(当通过适当的栅极信号导通时，例如通过PWM)允许双向开关10A来使电流在相反方向上通过变压器初级。开关M2保持开关10B导通。

虽然本发明已经对其特定实施例进行了描述，但是许多其它改变、修改以及其它用途对于本领域的技术人员而言是显而易见的。因此本发明不是由这一具体公开来限定。

Claims (22)

1.一种用于将电源从AC电源变换到DC电源的电路，该电路包括：

一个或多个双向开关，用来传导和阻挡两个方向的电流，每个双向开关都包括对应的多对栅极和源极；

一个或多个控制开关，连接到双向开关以允许和禁止所述电流通过所述双向开关，所述多个控制开关由信号电压控制，通过所述双向开关栅极中的一个栅极上的门限电压进行放电，使双向开关导通，并且当所述控制开关没有使所述门限电压放电时，使双向开关截止；以及

变压器，具有一个或多个初级线圈和次级线圈，每个初级线圈都连接到所述双向开关源极中的一个，

其中当禁止所述电流通过对应的双向开关源极时，禁止所述电流通过所述初级线圈。

2.如权利要求1所述的电路，还包括连接到所述次级线圈的用于提供所述DC电源的整流器。

3.如权利要求1所述的电路，其中所述双向开关是通常导通的；

必须在所述双向开关的相应栅极和源极之间施加负偏置，以保持所述双向开关截止；以及

如果给所述双向开关的所述栅极中的一个提供门限电压使所述双向开关截止，那么所述双向开关截止，并且会阻挡电流通过所述双向开关。

4.如权利要求3所述的电路，其中所述双向开关是GaN HEMT器件。

5.如权利要求1所述的电路，还包括钳位电路，用于钳制所述控制开关连接的所述双向开关的栅极的电压，将所述电压钳制在足以使所述双向开关截止的门限电压上。

6.如权利要求5所述的电路，其中所述钳位电路还包括：

第一二极管，与所述控制开关并联，其中所述第一二极管的阳极连接到所述源极，阴极连接到所述控制开关的漏极，所述第一二极管将所述电压钳制到所述控制开关连接的所述双向开关的所述栅极上的最大允许值；以及

第二二极管，与限流电阻串联，其中所述第二二极管的阳极连接到所述开关的源极，用于确保所述双向开关的栅极电容不会通过对应的初级线圈放电。

7.如权利要求6所述的电路，其中所述第一二极管以及与所述第一二极管连接的所述控制开关由单个低电压、小电流器件替换。

8.如权利要求6所述的电路，其中所述第一二极管是齐纳二极管，所述第二二极管是低电压二极管或开关。

9.如权利要求5所述的电路，还包括单个双向开关和连接到该双向开关的第一和第二控制开关，连接到该双向开关的所述第一控制开关使该双向开关导通，以允许所述电流通过该双向开关，并且在初级线圈内第一方向上，所述第二控制开关使该双向开关导通，以允许电流通过该双向开关，并且在所述初级线圈内与第一方向相反的第二方向上。

10.如权利要求9所述的电路，还包括第一和第二初级线圈，分别连接到所述第一和第二控制开关，

所述第一初级线圈连接在所述双向开关的第一源极和所述AC电源之间，

所述第二初级线圈连接在所述双向开关的第二源极和所述AC电源之间，

其中对于所述第一和第二控制开关中的每一个，钳位电路连接在相应的所述第一和第二控制开关的所述源极和所述AC电源之间。

11.如权利要求10所述的电路，其中所述第一和第二控制开关的所述栅极接收PWM信号，用于使所述双向开关导通，以允许所述电流通过所述双向开关并且在所述第一和第二初级线圈内。

12.如权利要求11所述的电路，其中由所述第一控制开关所允许的电流在第一方向上，而由所述第二控制开关所允许的电流在第二方向上，该第二方向与所述第一方向相反。

13.如权利要求12所述的电路，其中当施加来自所述AC电源的双极性电压时，所述第一和第二初级线圈在所述双向开关上适当地产生所述驱动电压。

14.如权利要求13所述的电路，其中

在所述AC电源的正半周期间，所述第一和所述第二控制开关将所述第一和第二栅极上的电压钳制到所述双向开关的门限电压，所述第一控制开关驱动所述双向开关导通和截止，而所述第二控制开关反向传导偏置电流，从而使所述第一栅极与所述第一源极短路；以及

在所述AC电源的负半周期间，所述第二控制开关驱动所述双向开关导通和截止，而所述第一控制开关使所述第二栅极与所述第二源极短路。

15.如权利要求14所述的电路，其中一个适当偏置的第一或第二控制开关驱动所述双向开关。

16.如权利要求5所述的电路，还包括：

第一和第二双向开关，每一个都连接到各自的控制开关，并且进一步连接到所述AC电源；以及

串联的第一、第二和第三初级线圈，所述第一初级线圈连接到与所述第一双向开关连接的所述控制开关的所述漏极，所述第二初级线圈连接到与所述第二双向开关连接的所述控制开关的所述漏极，其中对于连接到所述第一和第二双向开关的每个控制开关，所述钳位电路连接在相应控制开关的源极和所述第三初级线圈之间。

17.如权利要求16所述的电路，其中所述多个控制开关的栅极接收PWM信号，用于使对应的第一和第二双向开关导通，以允许所述电流通过所述第一双向开关，并且在所述第一初级线圈内，以及允许所述电流通过所述第二双向开关，并且在所述第二初级线圈内。

18.如权利要求16所述的电路，还包括两种状态，其中

对于所述第一双向开关

在第一状态中，当来自所述AC电源的电压达到所述第一双向开关的门限电压时，连接到所述第一双向开关的所述控制开关保持截止，从而使所述第一双向开关截止；

在第二状态中，当使所述第一双向开关的控制开关导通时，使所连接的双向开关的所述栅极放电并保持放电，从而保持所述第一双向开关导通；

对于所述第二双向开关

在第一状态中，当来自所述AC电源的电压达到所述第二双向开关的门限电压时，连接到所述第二双向开关的所述控制开关保持截止，从而使所述第二双向开关截止；以及

在第二状态中，当使连接到所述第二双向开关的所述控制开关导通时，使所连接的双向开关的所述第一栅极放电并保持放电，从而保持所述第二双向开关导通。

19.如权利要求18所述的电路，其中所述第一和第二控制开关是并联驱动的。

20.如权利要求1所述的电路，其中消除了由于在前端整流器桥中使用单向器件而带来的损耗。

21.如权利要求1所述的电路，其中所述双向开关的第一栅极连接到所述控制开关的所述源极，而对应于所述第一栅极的所述控制开关的第一漏极连接到所述双向开关的所述源极。

22.一种用于将电源提供给电抗性负载阻抗的开关电路，该电路包括：

耗尽型的第一双向半导体开关，其具有两个源极端子和与每个源极端子相关联的相应栅极端子，如果至少一个栅极端子相对于其源极端子处于负的门限电压，则该第一控制开关截止；

第二控制开关，连接在一个栅极端子和所述相应的源极端子之间，以允许控制施加到所述一个栅极端子的电压；

电抗性负载阻抗，与所述第一控制开关的所述源极端子串联，该第一控制开关的所述电抗性阻抗和源极端子适于跨过电压源连接；

钳位电路，用于将所述一个栅极的电压钳制到门限电压，以使所述第一控制开关截止，由信号电压来控制该第二控制开关，以通过将所述第一控制开关的所述一个栅极上的所述门限电压进行放电，而使所述第一控制开关导通，并且当所述第二控制开关没有使所述门限电压放电时，使所述第一控制开关截止。

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