CN210405080U - 高压启动电路、pfc电路和ac/dc变换器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于功率因数校正器电路的高压启动电路、具有该高压启动电路的功率因数校正器电路以及具有该功率因数校正器电路的交流/直流变换器。该高压启动电路包括：开关晶体管，其串联连接在功率因数校正器电路的低频桥臂中的两个低频开关晶体管之间，其中开关晶体管的漏极连接到交流输入端子，开关晶体管的栅极经由电阻器连接到交流输入端子并且经由稳压二极管连接到地，并且开关晶体管的源极经由启动电容器连接到地。

Description

高压启动电路、PFC电路和AC/DC变换器

技术领域

本公开涉及电源的技术领域，更具体地，涉及用于功率因数校正器 (PFC)拓扑的高压启动电路。此外，本公开还涉及具有该高压启动电路的PFC电路以及使用该PFC电路的交流/直流(AC/DC)变换器。

背景技术

大量的电子设备需要使用AC/DC变换器将低频率的市电AC电力转换为电子设备能够直接使用的DC电力。PFC拓扑结构由于具有元件数量少、共模噪声低、转换效率高等优点而被广泛应用于AC/DC变换器。

然而，现有的用于AC/DC变换器的高压启动电路由于其尺寸和成本而不适用于使用PFC拓扑结构的AC/DC变换器，因此需要一种适于与 PFC拓扑结构一起使用的高压启动电路。

实用新型内容

在下文中给出了关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。但是，应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图用来确定本公开的关键性部分或重要部分，也不是意图用来限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出关于本公开的某些概念，以此作为稍后给出的更详细描述的前序。

鉴于以上问题，本公开的至少一个实施方式的目的是提供一种小尺寸、低成本的高压启动电路，适用于使用PFC拓扑结构的AC/DC变换器。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于功率因数校正器(PFC)电路的高压启动电路，其包括：开关晶体管，串联连接在功率因数校正器电路的低频桥臂中的两个低频开关晶体管之间，其中开关晶体管的漏极连接到交流输入端子，开关晶体管的栅极经由电阻器连接到交流输入端子并且经由稳压二极管连接到地，并且开关晶体管的源极经由启动电容器连接到地。

根据本公开的另一方面，提供了一种PFC电路，其包括根据本公开的上述方面的高压启动电路。

根据本公开的另一方面，提供了一种交流/直流变换器，其包括根据本公开的上述方面的PFC电路、直流/直流(DC/DC)电路；以及用于控制PFC电路和DC/DC电路的控制器。

在下面的说明书部分中给出本公开实施方式的其它方面，其中，详细说明用于充分地公开本公开实施方式的优选实施方式，而不对其施加限定。

附图说明

参照下面结合附图对本公开实施方式的说明，会更加容易地理解本公开的以上和其它目的、特点和优点，在附图中：

图1是典型的两级AC/DC变换器的结构框图；

图2是典型的图腾柱PFC拓扑电路的电路图；

图3是典型的高压启动电路的电路图；

图4A和图4B是图3中所示的高压启动电路的电流路径的示意图；

图5是根据本公开的实施方式的AC/DC变换器500的示意性电路图；以及

图6是图5中的AC/DC变换器中的AC输入电压、开关晶体管的驱动电压和直流工作电压的波形图。

具体实施方式

在下文中，将参照所附的说明性示图详细描述本公开的一些实施方式。在用附图标记指示附图的元件时，尽管相同的元件在不同的附图中示出，但相同的元件将由相同的附图标记表示。此外，在本公开的以下描述中，在有可能使本公开的主题不清楚的情况下，将省略对并入于本文中的已知功能和配置的详细描述。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外指出，否则单数形式旨在也包括复数形式。还将理解的是，说明书中使用的术语“包括”、“包含”和“具有”旨在具体说明所陈述的特征、实体、操作和/或部件的存在，但是并不排除一个或更多个其他的特征、实体、操作和/或部件的存在或添加。

除非另有定义，否则本文中使用的包括技术术语和科学术语的所有术语具有与本实用新型构思所属领域技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，除非在此明确定义否则不应以理想化或过于正式的意义来解释。

在下面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对本公开的全面理解。本公开可以在没有这些具体细节中的一些或所有具体细节的情况下实施。在其他实例中，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的部件，而省略了与本公开关系不大的其他细节。

本公开的技术的核心思想在于提供能够适用于使用PFC拓扑结构的 AC/DC变换器的高压启动电路。

在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的优选实施方式。

图1示出了。如图1中所示，该AC/DC变换器包括PFC电路级、DC/DC 电路级和控制器。PFC电路级用于接收交流输入电压，执行功率因数校正，使输入电流具有与输入电压相同的频率和相位，从而抑制谐波以避免对电网造成污染，同时输出具有工频波纹的输出电压。

DC/DC电路级用于将PFC电路级输出的电力转换为电子设备所需的直流电力，同时实现电气隔离。对于DC/DC电路级，可以采用LLC变压器的形式来实现。

控制器用于向PFC电路级和DC/DC电路级提供控制信号。在一些实施方式中，控制器用于向PFC电路级和DC/DC电路级中的开关晶体管提供栅极驱动信号。

作为示例，图2示出了典型的图腾柱PFC拓扑电路200。

如图2中所示，高频开关晶体管Q1和Q2组成高频桥臂，在高频PWM 模式下工作，并且低频开关晶体管Q3和Q4组成低频桥臂，其按工频开关周期工作。在图2中，L表示输入交流电压的正电源端子，其连接到高频桥臂的高频开关晶体管Q1和Q2中间的第一电路节点；N表示输入交流电压的负电源端子，其连接到高频桥臂的高频开关晶体管Q3和Q4中间的第二电路节点；并且C1表示负载电容器。

在本公开的一些实施方式中，由于氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)具有快速反向恢复能力，因而可以被用于实现高频开关晶体管Q1和Q2。此外，具有低导通电阻的硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)可以被用于实现低频开关晶体管Q3和Q4。

在图2所示电路的工作期间，在输入电压的正半周期，MOSFET开关管Q4导通而MOSFET开关管Q3断开，并且在输入电压的负半周期， MOSFET开关管Q3导通而MOSFET开关管Q4断开。

不论在图2的输入电压的正半周期和负半周期中，原边电流路径只包含一个高频开关管(Q1或Q2)和一个低频开关管(Q4或Q3)，从而对负载进行供电。

为了防止桥臂直通，有必要在高频桥臂的两个高频开关晶体管Q1和 Q2之间设置死区时间。此外，图腾柱PFC拓扑结构在交流电压过零点附近存在电流尖峰的问题。因此，通常使用外部控制器按特定的时序控制各个开关管Q1-Q4的导通时序。如图2中所示，各开关晶体管Q1-Q4的栅极连接到由控制器提供的脉冲信号源，因此各开关晶体管Q1-Q4的开关受控制器提供的脉冲信号源控制。

鉴于图腾柱PFC拓扑结构对于本领域技术人员而言是已知的，因此为了简洁起见，这里不对图腾柱PFC拓扑结构的基本原理进行更详细的描述。

现有的AC/DC变换器通常包括高压启动电路，用于在上电时启动控制器，驱动DC/DC电路级中的变压器对电压进行转换以实现AC/DC变换器的正常工作，在启动结束后由DC/DC电路级中的辅助绕组对控制器进行供电。

图3示出了典型的高压启动电路300。如图3所示，高压启动电路300 包括电阻器R1、稳压二极管D1、启动电容器C3和开关晶体管Q5。在一些实施方式中，开关晶体管Q5可以是MOSFET。

在交流输入电压上电时，输入电流对启动电容器C3和开关晶体管Q5 的输入电容充电。此时，开关晶体管Q5断开，电流路径如图4A中所示。

当开关晶体管Q5的输入电容被充电至开关晶体管Q5的导通阈值电压Vgsth5时，开关晶体管Q5导通。此时，电流路径如图4B中所示，输入电流通过导通的开关晶体管Q5直接对启动电容器C3充电。

启动电容器C3的最大充电电压是VD1-Vgsth5，其中VD1是稳压二极管D1的稳定电压。用于控制PFC电路级和DC/DC电路级的控制器的直流工作电压Vcc等于VD1-Vgsth5。例如，Vcc可以是12Vdc。此时启动结束，在之后的工作期间通过DC/DC电路级的辅助绕组来提供Vcc。

高压启动电路300可以与PFC拓扑电路200集成在一起。

如上文所述，AC/DC变换器中包括的控制器用于向PFC电路级和 DC/DC电路级提供控制信号。该控制器在启动时可能需要耗用较大的电流，例如约100mA。如果使用如图3中所示的高压启动电路，则需要向开关晶体管Q5施加额外的高电压以提供足以驱动控制器的电流，例如约 600V。这有可能造成整体系统的发热问题。再者，提供这样的启动电流必然要求使用较大的电容器。这些都造成了对整体系统的尺寸和成本的不利影响。

根据本公开的实施方式的高压启动电路能够适用于使用PFC拓扑结构的AC/DC变换器，同时不需要高电压和复杂的电路构造。

图5示出了根据本公开的实施方式的AC/DC变换器500的示意性电路图。

如图5所示，PFC电路级与图2中所示的PFC电路级基本上相同，不同之处在于在图2的低频桥臂的低频开关晶体管Q3和Q4之间串联接入开关晶体管Q6作为高压启动晶体管。此外，在启动之后，开关晶体管 Q6作为低频开关晶体管参与功率输出，此时开关晶体管Q4还用作信号晶体管。

如图5中所示，高压启动晶体管Q6可以由MOSFET实现。高压启动晶体管Q6的漏极连接到低频开关晶体管Q3的源极和第二电路节点。高压启动晶体管Q6的栅极通过电阻器R2连接到第二电路节点，并且通过稳压二极管D1连接到地。高压启动晶体管Q6的源极连接到低频开关晶体管Q4的漏极。此外，高压启动晶体管Q6的源极经由理想二极管D2 连接到启动电容器C3和启动电阻器R3。这里的稳压二极管D1和启动电容器C3可以与图3中的稳压二极管D1和启动电容器C3相同。

高压启动晶体管Q6、电阻器R2、稳压二极管D1、理想二极管D2、启动电容器C3和启动电阻器R3构成了高压启动电路。

图5中负载电容器C1右侧的电路部分构成了DC/DC电路级。在图5 示出的实施方式中，DC/DC电路级由LLC变压器实现。鉴于LLC变压器对于本领域技术人员而言是已知的，因此为了简洁起见，这里不对LLC 变压器的基本原理进行更详细的描述。

如图5所示，在AC/DC变换器500上电时，电路中所有开关晶体管均处于断开状态。因此，输入电流通过电阻器R2、开关晶体管Q6的输入电容、理想二极管D2对启动电容器C3充电。

与图4A和4B中所示的过程相似，当开关晶体管Q6的输入电容被充电至开关晶体管Q6的导通阈值电压Vgsth6时，开关晶体管Q6导通。此时，输入电流通过导通的开关晶体管Q6直接对启动电容器C3充电。

启动电容器C3的最大充电电压是VD1-Vgsth6，其中VD1是稳压二极管D1的稳定电压。用于控制PFC电路级和DC/DC电路级的控制器的直流工作电压Vcc等于VD1-Vgsth6。此时启动结束，在之后的工作期间通过DC/DC电路级的辅助绕组P2来提供Vcc，如图5中所示的那样。

根据本公开的实施方式，DC/DC电路级可以包括LLC变压器。如图 5中所示，DC/DC电路级可以包括开关晶体管Q7、Q8，电容器C2、C4、C5、C6，理想二极管D3、D4、D5，电感器L1，包括绕组P1、P2、S1、 S2的变压器TX1。

根据本公开的实施方式，由于可以使用低电压的小尺寸晶体管Q6用于高压启动，能够提供足以启动控制器的电流，避免了上文所述的现有技术中存在的问题。

图6示出了AC/DC变换器500中的AC输入电压、开关晶体管Q4、 Q6的驱动电压和直流工作电压Vcc的波形图，其中横坐标是以毫秒为单位的时间，纵坐标是以伏特为单位的电压。

根据本公开的实施方式，可以将高压启动电路集成到PFC拓扑结构中，这样的高压启动电路具有启动电压小，电路尺寸小的优点，可以极大地降低使用PFC拓扑结构的AC/DC变换器的制造成本。

尽管上文以图腾柱PFC拓扑结构描述了根据本公开的实施方式的高压启动电路，但是本领域技术人员应认识到，根据本公开的实施方式的高压启动电路同样可以应用于其他PFC拓扑结构，例如伪图腾柱PFC拓扑结构。

尽管上面已经通过对本公开的具体实施方式的描述对本公开进行了披露，但是，应该理解，本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本公开的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本公开的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于功率因数校正器电路的高压启动电路，其特征在于包括：

开关晶体管，串联连接在功率因数校正器电路的低频桥臂中的两个低频开关晶体管之间，

其中所述开关晶体管的漏极连接到交流输入端子，所述开关晶体管的栅极经由电阻器连接到交流输入端子并且经由稳压二极管连接到地，并且所述开关晶体管的源极经由启动电容器连接到地。

2.根据权利要求1所述的高压启动电路，其中所述功率因数校正器电路是图腾柱功率因数校正器电路。

3.根据权利要求1所述的高压启动电路，其中所述功率因数校正器电路是伪图腾柱功率因数校正器电路。

4.根据权利要求1所述的高压启动电路，其中所述功率因数校正器电路的高频桥臂包括串联连接的两个氮化镓高电子迁移率晶体管。

5.根据权利要求1所述的高压启动电路，其中所述开关晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管。

6.一种功率因数校正器电路，其特征在于包括根据权利要求1至5中任一项所述的高压启动电路。

7.一种交流/直流变换器，其特征在于包括：

根据权利要求6所述的功率因数校正器电路；

直流/直流电路；以及

控制器，其控制所述功率因数校正器电路和直流/直流电路。

8.根据权利要求7所述的交流/直流变换器，其中所述直流/直流电路包括LLC变压器。

9.根据权利要求7所述的交流/直流变换器，其中所述控制器包括数字信号处理器。

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