專利名稱：低耗損的升壓方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電源或類似的電力系統(tǒng)的變換設(shè)備，尤其涉及一種低損耗的升壓方法和裝置。單相的功率因數(shù)校正電路PFC被廣泛應(yīng)用于通信電源，不間斷電源UPS等市電輸入的開關(guān)電源設(shè)備中，其電路拓樸形式如

圖1所示，可實現(xiàn)使輸入電流滿足IEC的相關(guān)諧波標準要求，同時使功率因數(shù)近似為1。
單相功率因數(shù)校正電路通常采用升壓電路形式，傳統(tǒng)的升壓電路如圖1所示，它的工作原理如下1. 通過控制功率開關(guān)S1的開通與關(guān)斷，來控制功率開關(guān)S1的占空比，從而實現(xiàn)輸出電壓的升壓功能和調(diào)壓功能；其電壓公式為Vo＝VIN/d，其中d為功率開關(guān)S1的占空比；2. 當功率開關(guān)S1導通時，市電電壓加在電感Lm兩端，給Lm充電儲能，Lm電流上升，此時續(xù)流二極管D反向截止；3. 當功率開關(guān)S1關(guān)斷時，由于Lm電感電流不能突變，續(xù)流二極管D導通，市電電壓與電感Lm串聯(lián)，電流經(jīng)續(xù)流二極管D給輸出電容Co與負載供電，電感Lm電流下降。
這種傳統(tǒng)的升壓電路存在著如下的問題當功率開關(guān)S1關(guān)斷時，續(xù)流二極管D導通，流過正向?qū)娏?；當功率開關(guān)S1開通時，續(xù)流二極管D承受反向電壓，由于續(xù)流二極管D存在著反向恢復效應(yīng)，續(xù)流二極管D并不會立刻截止，而會有電流反向流過續(xù)流二極管D，形成反向恢復電流，反向恢復電流與電感Lm中的電流一起流過功率開關(guān)S1，從而增加了功率開關(guān)S1的開通損耗和續(xù)流二極管D的損耗。
當輸出電壓越高時，由于二極管的反向恢復時間更長，使上述問題更加嚴重；功率開關(guān)S1的開關(guān)頻率越高，則反向恢復電流造成的損耗越大；上述電路特有的問題限制了電路工作頻率的提高。
針對上述問題，普遍采用的方法是采用一個輔助電感與續(xù)流二極管D串聯(lián)來減少反向恢復電流。
但輔助電感只能用來減少反向恢復電流，并不能減小反向恢復電流能量；要防止這部分能量形成損耗，還需要增加一個儲能電容來儲存反向恢復能量，直到功率開關(guān)S1重新導通后再把儲存的能量送回輸出電容；但這時，儲能電容的引入為電感Lm電路的電流提供了第二支路，在電感Lm電流較大時，由于儲能電容所儲存的反向恢復能量是一個不大的數(shù)值，它不足以保證在功率開關(guān)S1關(guān)斷期間使第二支路的電流全部轉(zhuǎn)移到輔助電感所在的支路上。這樣，輔助電感Ls不能完全發(fā)揮作用。本發(fā)明的目的在于提供一種高效的低損耗的升壓方法和裝置。
本發(fā)明中的低損耗的升壓方法為通過控制功率開關(guān)的開通與關(guān)斷，來控制功率開關(guān)的占空比，通過電感儲能，實現(xiàn)輸出電壓的升壓和調(diào)壓，使用輔助電感減少二極管反向恢復電流，其特征在于電感Lm的付邊繞組Lmf為儲能電容Cb提供附加的能量，而且為輔助電感Ls向儲能電容Cb轉(zhuǎn)移能量提供通路；該升壓方法通過以下步驟來減小反向恢復電流損耗1)在功率開關(guān)S1導通后，儲能電容儲存反向恢復能量的同時，儲能電容還通過電感Lm的付邊繞組Lmf獲得一份附加的能量；2)在功率開關(guān)S1關(guān)斷后的續(xù)流過程中，將儲存的反向恢復能量和附加的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容Co。
采用這種升壓方法的低損耗的升壓裝置包括由功率開關(guān)S1、電感Lm、二極管D和電容Co構(gòu)成的基本的升壓電路，二極管D與輔助電感Ls串接；而且該電路還有一特殊的儲能電路，該儲能電路包括輔助電感Ls，儲能電容Cb和二極管D2、D4以及電感Lm的付邊繞組Lmf；二極管D2和二極管D4串接于付邊繞組Lmf和二極管D的負極之間；儲能電容Cb架設(shè)于二極管D2與二極管D4的連接處和二極管D與輔助電感Ls的連接處之間；儲能電路還設(shè)有二極管D3連接于輔助電感Ls和功率開關(guān)S1的連接處，與電容Co相接。
本發(fā)明的有益效果為在本發(fā)明中，電感Lm的付邊繞組Lmf為一儲能電路提供能量，付邊繞組Lmf與電感Lm等效工作在變壓器工作方式，向儲能電容Cb提供能量，而且為輔助電感Ls向儲能電容Cb轉(zhuǎn)移能量提供通路，付邊繞組Lmf提供了隨著輸入電壓Vin的變化轉(zhuǎn)移能量，同時也提供了輔助電感Ls反向恢復能量的儲存通路，當功率開關(guān)S1關(guān)斷后，使續(xù)流電流全部轉(zhuǎn)移到輔助電感Ls與二極管D串聯(lián)的支路上去；同時將儲存的反向恢復電流能量轉(zhuǎn)移到輸出電容Co上，沒有造成能量損耗，從而提高了整個電路的效率，這樣，就避免了現(xiàn)有技術(shù)中不能有效地使全部能量轉(zhuǎn)移的問題，因此本發(fā)明具有高效、增強的效果；而且，在本發(fā)明中，儲存的轉(zhuǎn)移能量隨著輸入電壓的變化而變化，輸入電壓越大，儲存的轉(zhuǎn)移能量越大，反之，輸入電壓越小，儲存的轉(zhuǎn)移能量越小，當交流輸入電壓在過零點附近時，儲存的轉(zhuǎn)移能量很小，從而避免了造成儲能電容Cb上電壓泵升，不會在續(xù)流二極管D上造成較大的電壓尖峰應(yīng)力，提高了本發(fā)明的工作效率和可靠性。
總之，本發(fā)明具有高效、增強的效果，適用于通信電源，不間斷電源等市電輸入的開關(guān)電源設(shè)備中。圖1為現(xiàn)有升壓電路示意圖；圖2為本發(fā)明電路示意圖；圖3為本發(fā)明電路示意圖；圖4為本發(fā)明電路工作時序示意圖。下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明根據(jù)圖2和圖4，本發(fā)明的升壓方法為通過控制功率開關(guān)S1的開通與關(guān)斷，來控制功率開關(guān)S1的占空比，通過電感Lm儲能，實現(xiàn)輸出電壓Vo的升壓和調(diào)壓，使用輔助電感Ls減少二極管D反向恢復電流，電感Lm的付邊繞組Lmf為一儲能電路提供能量，當開關(guān)S1導通時付邊繞組Lmf與電感Lm等效工作在變壓器工作方式，向電容Cb提供能量，而且為輔助電感Ls向電容Cb轉(zhuǎn)移能量提供通路。
其具體的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括由功率開關(guān)S1、電感Lm、二極管D和電容Co構(gòu)成的基本的升壓電路，二極管D與輔助電感Ls串接，還包括一個儲能電路，連接于二極管D正負極兩端和地線之間，儲能電路包括輔助電感Ls，儲能電容Cb和二極管D2、D4以及電感Lm的付邊繞組Lmf；二極管D2和二極管D4串接于付邊繞組Lmf和二極管D的負極之間；儲能電容Cb架設(shè)于二極管D2與二極管D4的連接處和二極管D與輔助電感Ls的連接處之間，儲能電路還設(shè)有二極管D3連接于輔助電感Ls和功率開關(guān)S1的連接處，與電容Co相接。
本發(fā)明的工作過程可通過如下分析進行說明如圖2所示，當功率開關(guān)S1導通時電感Lm的原邊電壓為輸入電壓Vin，付邊繞組Lmf的電壓Vlmf正比于原邊輸入電壓Vin，電壓的方向與同名端方向一致，公式如下Vlml＝Vin；Vlmf＝Vin/n，n為電感Lm原邊與付邊的匝數(shù)比。
為了簡化電路分析，在一個開關(guān)周期內(nèi)可作如下假設(shè)1. 輸出電容Co足夠大，可以認為輸出電壓Vo為恒定不定的直流電壓；2. 除了續(xù)流二極管D以外，所有功率器件都是理想器件；3. 電感Lm遠大于輔助電感Ls；4. 輸入電壓Vin為常數(shù)。
基于上述假設(shè)條件，我們可把一個電路工作周期分為6個時間段來分別進行分析，其電路工作時序如圖4所示，其中ID為續(xù)流二極管D的電流，If為電感Lm電流，Vo為輸出電壓，Vs1為功率開關(guān)S1上的電壓，Ils為輔助電感Ls的電流，ID4為二極管D4的電流，VCb為儲能電容Cb電壓，ID3為二極管D3的電流，VD為續(xù)流二極管D的電壓，Irr為反向恢復電流最大值第一階段(t0--t1)功率開關(guān)S1在t0時刻導通，續(xù)流二極管D有反向恢復電流流過，輔助電感Ls與續(xù)流二極管D串聯(lián)來減少反向恢復電流。
此時輸入電感在電感儲能的過程中，同時也等效工作在變壓器工作方式。
第二階段(t1--t2)續(xù)流二極管D在t1時刻截止，反向恢復現(xiàn)象結(jié)束，此時輔助電感Ls的儲存能量為1/2*Ls*Irr2，其中Irr為反向恢復電流最大值；此時二極管D4自然導通，電流沿Vlmf--D4--Cb--Ls--S1--Vlmf流動，形成諧振通路。
在t2時刻，輔助電感Ls電流下降為0，此時輔助電感Ls的儲存能量全部轉(zhuǎn)移到儲能電容Cb上。
此時儲能電容Cb儲存的能量為Ecb＝1/2*Ls*Irr2+Cb*Vlmf2+Cb*Vlmf*(Vlmf2+Irr2*Ls/Cb)1/2；儲能電容Cb電壓為VCb＝(Vlmf2+Irr2*Ls/Cb)1/2+Vlmf續(xù)流二極管D上的電壓為Vd＝Vo+VCb-Vlmf＝Vo+(Vlmf2+Irr2*Ls/Cb)1/2；第三階段(t2--t3)在t2時刻，二極管D4自然截止，儲能電容Cb電壓保持不變，進入正常的功率因數(shù)校正電路PFC電路的功率開關(guān)S1導通工作狀態(tài)。
第四階段(t3--t4)在t3時刻，功率開關(guān)S1關(guān)斷，由于電感Lm電流If不能突變，二極管D3導通，電流If沿二極管D3流至輸出電容Co，同時，二極管D2自然導通，電流沿Ls--Cb--D2流動，形成諧振通路，使輔助電感Ls電流不斷增加，儲能電容Cb電壓不斷減少，使二極管D3支路上的電流逐漸轉(zhuǎn)移到輔助電感Ls支路上來。
第五階段(t4--t5)在t4時刻，輔助電感Ls電流增加到電感Lm電流If，電流已全部轉(zhuǎn)移到輔助電感Ls支路上來，二極管D3自然截止，電流If沿Ls--Cb--D2恒流流動，儲能電容Cb電壓繼續(xù)減少。
第六階段(t5--t6)在t5時刻，儲能電容Cb電壓下降為0，續(xù)流二極管D自然導通，二極管D2自然截止，進入正常的功率因數(shù)校正電路PFC的功率開關(guān)S1關(guān)斷續(xù)流工作狀態(tài)，此時儲能電容Cb電壓為0保持不變。
從上述的電路分析可以知道，反向恢復電流能量通過儲能電路全部轉(zhuǎn)移到輸出電容Co上，沒有造成能量損耗，從而提高了整個電路的效率。
從儲能電容Cb儲存的能量，即Ecb＝1/2*Ls*Irr2+Cb*Vlmf2+Cb*Vlmf*(Vlmf2+Irr2*Ls/Cb)1/2可以看出，儲存的轉(zhuǎn)移能量除了反向恢復能量，還包括從付邊繞組Lmf中得到的部分能量，此部分轉(zhuǎn)移能量保證當功率開關(guān)S1關(guān)斷后，能有效地使續(xù)流電流全部轉(zhuǎn)移到輔助電感Ls與二極管D串聯(lián)的支路上去。
從上式還可知，儲存的轉(zhuǎn)移能量隨著輸入電壓Vin的變化而變化，輸入電壓Vin越大，儲存的轉(zhuǎn)移能量越大，反之，輸入電壓Vin越小，儲存的轉(zhuǎn)移能量越小。
這一特點在功率因數(shù)校正電路PFC中具有明顯的優(yōu)點在功率因數(shù)校正電路PFC中，輸入電流為正弦波，同時與市電正弦波電壓同相位，在市電周期內(nèi)，電感Lm電流If隨著市電電壓的瞬時值變化而變化，輸入電壓Vin越大，電流If越大，需要轉(zhuǎn)移的電流越大；輸入電壓Vin越小，電流If越小，需要轉(zhuǎn)移的電流越小。這就是說，儲能電容Cb儲存的轉(zhuǎn)移能量隨著電流If的變化而變化，當輸入電壓Vin在峰值附近時，儲存的轉(zhuǎn)移能量很大，能夠使電流If有效轉(zhuǎn)移到輔助電感Ls與二極管D串聯(lián)的支路上去；當輸入電壓Vin在過零點附近時，儲存的轉(zhuǎn)移能量很小，從而避免了造成儲能電容Cb上電壓泵升，不會在續(xù)流二極管D上造成較大的電壓尖峰應(yīng)力。
對本發(fā)明而言，電路結(jié)構(gòu)可以如圖3所示，其電路結(jié)構(gòu)與圖2所示實質(zhì)相同，工作原理和工作過程與前述相同，此處不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種低損耗的升壓方法，通過控制功率開關(guān)的開通與關(guān)斷，來控制功率開關(guān)的占空比，通過電感儲能，實現(xiàn)輸出電壓的升壓和調(diào)壓，使用輔助電感減少二極管反向恢復電流，其特征在于電感(Lm)的付邊繞組(Lmf)為儲能電容(Cb)提供附加的能量，而且為輔助電感(Ls)向儲能電容(Cb)轉(zhuǎn)移能量提供通路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗的升壓方法，其特征是通過以下步驟來減小反向恢復能量損耗1)在功率開關(guān)(S1)導通后，儲能電容儲存反向恢復能量的同時，儲能電容還從電感(Lm)的付邊繞組(Lmf)獲得一份附加能量；2)在功率開關(guān)(S1)關(guān)斷后的續(xù)流過程中，將儲存的反向恢復能和附加的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容(Co)。
3.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的低損耗升壓方法的低損耗的升壓裝置，包括由功率開關(guān)S1、電感Lm、二極管D和電容Co構(gòu)成的基本的升壓電路，二極管D與輔助電感Ls串接，其特征在于還包括一個儲能電路，連接于所述二極管D正負極兩端和地線之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低損耗的升壓裝置，其特征在于所述儲能電路包括輔助電感(Ls)，儲能電容(Cb)和二極管(D2)、(D4)以及電感(Lm)的付邊繞組(Lmf)；二極管(D2)和二極管(D4)串接于付邊繞組(Lmf)和二極管(D)的負極之間；儲能電容(Cb)架設(shè)于二極管(D2)與二極管(D4)的連接處和二極管(D)與輔助電感(Ls)的連接處之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低損耗的升壓裝置，其特征在于所述的儲能電路還設(shè)有二極管(D3)連接于輔助電感(Ls)和功率開關(guān)(S1)的連接處，與電容(Co)相接。
全文摘要
一種涉及用于電源或類似的電力系統(tǒng)的變換設(shè)備的低損耗的升壓方法和裝置,本發(fā)明的方法為:通過控制功率開關(guān)的開通與關(guān)斷,來控制功率開關(guān)的占空比,通過電感儲能,實現(xiàn)輸出電壓的升壓和調(diào)壓,使用輔助電感減少二極管反向恢復電流,其特征在于:電感的副邊繞組向儲能電容提供能量,而且為輔助電感向儲能電容轉(zhuǎn)移能量提供通路,本發(fā)明具有高效、增強的效果,適用于通信電源,不間斷電源等市電輸入的開關(guān)電源設(shè)備中。
文檔編號H02M1/34GK1379537SQ0212190
公開日2002年11月13日 申請日期2002年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月27日
發(fā)明者阮世良, 向華 申請人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司