TWI312610B - Bridgeless pfc boost converter - Google Patents

Description

1312610 九、發明說明： t發明所屬之技術領域;1 發明領域 - 本發明之申請案是基於且主張在2005年3月31日提出 • 5 申請且序列號為60/667,008的美國臨時申請案的優先權，此 臨時申請案被併入參考。 一個於2005年12月13日提出申請且序列號為 11/301,464的相關申請案(IR-2910)同樣也被併入參考。 ® 本發明是關於一個用於使用一個單一比流器（current 10 transformer)之無橋升壓(Bridgeless Boost，BLB)功率因數校 正(Power Factor Correction，PFC)電路的電流感測電路和方 法。 C先前技術3 發明背景 15 無橋升壓功率因數校正器（Power Factor Correction， ^ pFC)已被證明是一個用於功率因數校正電路的優秀的替換 拓撲結構’如第1圖所示。與使用一個橋結構的傳統PFC電 路相比較，如第2圖所示，無橋式PFC電路降低了傳導路徑 中的半導體數量。對於傳統的PFC電路，電流傳導路徑上有 二個半導體。而對於無橋式PFC電路，在任何時候傳導路徑 中都只有兩個半導體設備。考慮到這兩種電路都如一個升 屋直流對直流（以下間稱DC/DC)轉換器—樣工作，他們的轉 換損耗(switching loss)應當是相同的。因此，該無橋式pFc 可以減少電路傳導損耗(conduction l〇ss)並且提高該電路效 1312610 率（efficiency)。此外，因為該電路只使用兩個金屬氧化物 半導體場效應電晶體（以下簡稱MOSFET)和兩個二極體，與 有一個MOSFET和五個二極體的傳統PFC相比，該電路被大 大簡化了。 5 儘管第1圖中的無橋式PFC電路有一個簡化的電路結構 並且提高了效率，電流感測仍然是一個亟待解決的問題。 第2圖中的傳統PFC電路，該電感電流可以透過一個串 聯於該電感器返回路徑中的分路電阻器（shunt resistor)被感 測，如第3圖所示。該電流信號從而被轉換成一個可作為控 10制目的的電壓信號。然而’對於該無橋式PFC電路，該電感 器電流返回路徑在交流側（Side)上，如第4圖所示。正常情 況下該控制電路與輸出有一個共同接地點（c〇inmon ground)。因此，該無橋式PFC需要一個獨立電流感測方法。 為實現獨立電流感測，一個5〇或6〇112比流器（current 15 transformer)提供了 一個簡單直接的方法，如第5圖所示。然 而因為該低頻比流器將造成一個輸入輸出信號間的大相 位4換那麼使用該感測信镜來控制該功率因數校正電路 將劣化該功率因數。此外，該低頻比g(transf_er)體積 魔大、重並且昂貴，所以其並不適合用作提供千瓦範圍 20 的功率。 另外-個獨立電流感測方法是使用—個差模放大電 路’如第6®所*。該差概大電路在輸人輸出間並無相位 差。可以提供一個良好的控制信號。然而，因為該無橋式 FC在d呵士刀換頻率和一個高輪出電壓下工作，該差模放 1312610 大電路中的共模電壓將會在感測信號上產生雜訊。考慮到 該感測電壤為最小化分路f阻II的功耗*保持-個低值， 由4共核電壓引起的雜訊可能使該感測電流失真。此外， 由於該差模放大電路價錢昂貴並且需要額外的功率供應， 所以這也不是—個實際的解決方案。 另外〜個電流感測方法是高頻重建，如第7圖所示。在 這個電流感測方法裏，兩個比流器T1和T2分別與S1和幻串 恥。在每—半線週期(line cycle)中，他們中有一個是飽和

10 的不提供輸出信號，另外一個提供切換電流信號。比流 器T3可以感測該二極體電流。透過該高頻比流器將該切換 電流與該二極體電流相加，該電感器電流可以被感測。因 此’該控制電路總共需要三個㈣^。甚至是在使用峰值 電流模控制’其中該功率因數校正電路控似需要切換電 流’至少兩個比流器仍然是需要的。 15 *於這些缺點，儘管該無橋式PFC電路已存在大_ 鲁 ’，其仍無法被工業接受。並不僅僅是因為該電路有嚴重 的電磁干擾(EleCtr〇magnetic interference，Emi)雜訊問題， 還存在電壓感_電流❹i問題。因此，麵去_年裡， 大部分的工作都致力於解決該電路的控制問題。一個吸引 人的方法被展現以改善該無橋式PFCt路的電流感測和電 壓感測問題。該電路圖示為第8圖。 在第9圖中’⑷和(b)分別是電路在正和負半線週期中 作業的等效電路。在每-半線週射，該無橋式pFc電路如 -個升壓DC脱轉換H-樣卫作。整個電料效於兩個加 1312610 在一起的升壓電路。m 阻器，其中該電感考·1"流都將流經該分路電 ” 。⑼可以被感測並為控制電路所使用。 儘管該電路可以在i 吏用 感測，其仍然含有若干限制： 〇電抓 需要使用兩個額外的二極體。 兩個額外的-& μ + Λ , m —極體需要-個額外的散熱片(heat sink)’這甚至會使此電路變得更加昂責。 :於使用分路電阻器，電路中產生了額外的功率損耗。 10 測損失 目前是急Μ要降低電路的元件數量、消耗和電流感 〇 C 明内^^】 發明概要 本發明是4接縣橋式PFCt_進—步的改善，特別 是，避免上述方法的限制與缺點。 15 A了進-步簡化該電流感測方案，提出了-個新電流 感測方法’那就是只使用一個比流器。透過只使用一個比 流器感測開關電流，可以減少電流感測損失。此外，第8圖 电路中額外的二極體也不需要了。此被提出的電路，無4 是比流器成本還是矽成本，與其他高功率半導體設備相比 20都會便宜不少’並且損耗也降低了。 依據本發明，一個電路和方法被提供給改善無橋式 升壓轉換器中的電流感測。這樣一個轉換器包括一具有第 一和第二—次側(primaries)的比流器；一個升壓電感器，其 第一端連接到第一交流輸入端、第二端連接到第一接合 1312610 點，該第一接合點介於第—二極體的陽極和第—一次側的 第一端之間，第一一次側的第二端連接到第一開關的第一 端。第一開關的第二端連接到一共用線上；一電容和—負 載的並聯電路位於弟一二極體的陰極和共用線之間；—第 5二二極體、第二一次側和第二開關串聯在第一二極體之陰 極和共用線之間；第二交流輸入端連接到第二接合點，第 二個接合點在第二一次側和第二開關之間。第二升壓電感 器可能連接在第二交流輪入端和第二接合點間。第一和第 二開關可能是MOSFET。該電路也包括一整流電路在該比 10 W 的第·~~和弟一-—人側（secondaries)上，該整流電路包含 一個MOSFET和額外的二極體。 本發明的其他要點和優點將會在接下來對本發明之實 施例的陳述中表明，並附有插圖。 圖式簡單說明 15 第1圖顯示了一個已知的無橋式PFC電路； 第2圖顯示了一個傳統的PFC電路； 第3圖顯示了一個傳統PFC電路中的電流感測安排； 第4圖顯示了一個第1圖中無橋式PFC電路的電流返回 路徑； 20 第5圖顯示了一個使用低頻變壓器之無橋式PFC電路 的電流感測安排； 第6圖顯示了一個使用差模放大電路之無橋式PFC電 路的電流感測安排； 第7圖顯示了 一個使用高頻重建之無橋式PFC電路的 1312610 電流感測安排； 第8圖顯示了另一個可以改善已知無橋式PFC電路的 EMI效能的電路； 第9(a)圖和第9(b)圖顯示了第8圖中電路的不同半線週 5 期的等效電路； 第10(a)圖和第10(b)圖顯示了一個被提出的新電流感 測方案； 第11(a)圖和第11(b)圖分別顯示了在正負半線週期上 的比流器一次側電流。 10 第12(a)圖和第12(b)圖分別顯示了第10(b)圖中比流器 二次整流電路在轉換和重置操作相位的的等效電路。 I：實施方式3 較佳實施例之詳細說明 本電流感測方案圖示於第10(a)圖和第10(b)圖。 15 該比流器有兩個一次繞組PI、P2和兩個二次繞組S1、 S2。兩個一次繞組都有一個單一匝，二次繞組有更多的匝 數，具代表性的是50或100匝。該比流器的等效一次電流是 等於II與12的和。 為了更清楚地瞭解本電流感測方案，經過該比流器的 20 電流波形在第11(a)圖與第11(b)圖中顯示出來。從波形可以 看出，在兩個半線週期，等效一次側的電流是流過MOSFET Ml與M2的總開關電流。然而，更特別的是，在正半線週期， 等效一次側電流是總開關電流11+12，在負半線週期，等效 一次側電流是總開關電流11+12的負值，因此，本電流感測 10 1312610 方案的下一個步驟便是對電流信號整流。 該整流電路在第10(b)圖中顯示。當轉換信號、重置 (reSet)磁場時，該比流器的等效電路分別如第12(a)圖和第 12(b)圖中所示。當一次側傳導(conduct)電流，MOSFET M3 5導通，所以二次側S1電流迴路是封閉的（closed)，經由二極 體〇3並被二極體〇4阻斷，且—次側電流可透過分路電阻器 R1被感測。當一次側沒有傳導電流時，MOSFET M3不導 通’此時的電流路徑顯示在第12(b)圖中，經過二次繞組S1、 S2和一對相反並橫跨在該等二次繞組S1、S2上的齊納二極 1〇體Z1、Z2。在這個時期，比流器磁場被重置。從此分析可 以看出Μ 0 S FE T可以使用與功率級開關相同的閘信號。 與另一個電流感測方法相比較，本方案提議的電路至 少具有以下幾項優點： 簡單的結構，只需要一個高頻比流器。 15 不需要額外的控制電路，MOSFET電流感測電路可 共用功率級開關的相同閘級驅動信號。 低功率損耗。與分路電阻器相比較，該比流器電阻 益只負載一小部分的電流’藉此，產生較少的功率損耗。 儘管本發明已經用相關特定實施例所描述，很多其他 20 變化、修改和其他使用對於熟於此技術領域者是明顯的。 因此，本發明並不僅限於此處的特定揭露。 C圖式簡單説明1 第1圖顯示了一個已知的無橋式PFC電路； 第2圖顯示了一個傳統的PFC電路； 11 1312610 第3圖顯示了一個傳統PFC電路中的電流感測安排； 第4圖顯示了 一個第1圖中無橋式PFC電路的電流返回 路徑； 第5圖顯示了一個使用低頻變壓器之無橋式PFC電路 5 的電流感測安排； 第6圖顯示了一個使用差模放大電路之無橋式PFC電 路的電流感測安排； 第7圖顯示了 一個使用高頻重建之無橋式PFC電路的 電流感測安排； 10 第8圖顯示了另一個可以改善已知無橋式PFC電路的 EMI效能的電路； 第9(a)圖和第9(b)圖顯示了第8圖中電路的不同半線週 期的等效電路； 第10(a)圖和第10(b)圖顯示了一個被提出的新電流感 15 測方案； 第11(a)圖和第11(b)圖分別顯示了在正負半線週期上 的比流器一次側電流。 第12(a)圖和第12(b)圖分別顯示了第10(b)圖中比流器 二次整流電路在轉換和重置操作相位的的等效電路。 20 【主要元件符號說明】 PI、P2…一次繞組 Dl、D2、D3、D4…二fHt Μ卜M2、M3…金屬氧化物半 Rfoad…負載 導體場效應電晶體MOSFET SI、S2·.·二次繞組 II、12…開關電流 12

Claims (1)

1312610 年 m 第95111221號申請宰申&十、申請專利k圍;範圍修正本98.°4.17. h種無橋式功率因數校正升壓轉換器，包含： 一個比流器，具有第一和第二一次側； 更)正替換頁 個升壓電感器，具有連接到一第一交流輪入端的 第一端，和一連接到一第一接合點的第二端，且該第一 接合點被定義為介於一第一二極體之陽極和該第__ 次側之第一端，該第—次側之第二端連接到一第一開 關之第一端； 該第一個開關的第二端連接到一共用線上； 一電容和一負載的並聯電路，該並聯電路電連於該 第一二極體之陰極和該共用線之間； 一第二二極體、該第二一次側和一第二開關的串聯 電路，該串聯電路電連於該第一二極體之陰極和該共用 線之間；及 15 一第二交流輸入端，連接於一弟二接合點，且該第 二接合點是介於該第二一次側和該第二開關之間。 2.如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正升壓 轉換器，更包含一第二升壓電感器’其連接在該第二交 流輸入端和該第二接合點之間。 2〇 3.如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正升壓 轉換器，其中該第一和第二開關是MOSFET(金屬氧化物 半導體場效電晶體）。 4.如申請專利範圍第3項所述之無橋式功率因數校正升壓 轉換器，其中該第/和第二開關是MOSFET，且具有各 13 1312610

自的本體二極體，且其陰極連接到該第一和第二—次側 中相對應的一個。 5. 如申請專利範圍第4項所述之無橋式功率因數校正升壓 轉換器，其中該等MOSFET中的每一個都具有—對主終 端，且該對主終端分別連接到該共用線和該第一和第二 一次側中相對應的一個；且該等MOSFET中的每—個並 具有一個控制該MOSFET的閘終端。 6. 如申請專利範圍第1項所述之無橋式功率因數校正升壓 轉換器，其中該比流器具有第一和第二二次側，該等第 一和第二二次側的第二端一起連接到一第三接合點；且 並有一整流電路連接到該等二次側。 7. 如申請專利範圍第6項所述之無橋式功率因數校正升壓 轉換器，其中該整流電路包括： 一電阻和一第三開關的串聯，連接於該第三接合 點； 〇 一接合點，位於該電阻和該開關之間，且連接到該 共同線； 一對齊納二極體，它們的陰極連接在一起並且它 們的陽極分別連接到該第一和帛二二次側的第二 端；以及 -對二極體’它們的陰極連接到該第三開關並且 它們的陽極分別連接到該第一和第i二次側的第一 端。 8.如申請專職圍第7_述之無橋式功率隨校正升麼 14 1312610 θ! ϋ i令修(更)正替換頁丨 轉換器，其中該第三開關是一個MOSFET。 9.如申請專利範圍第8項所述之無橋式功率因數校正升壓 轉換器，其中該第三開關是一個MOSFET，其具有一對 主終端，該對主終端分別連接到該電阻器和該對二極體 5 的陰極，並具有一個控制該MOSFET的閘終端。

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