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      功率因數(shù)校正電路的制作方法

      文檔序號:7280493閱讀:266來源:國知局
      專利名稱:功率因數(shù)校正電路的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及功率因數(shù)校正電路。
      在許多新產(chǎn)品的設(shè)計中需要通用的電壓功率因數(shù)性能。在美國專利號4,677,366中描述了一種已知的功率因數(shù)校正(PFC)電路。參考

      圖1,這種功率因數(shù)校正(PFC)電路10包括由二極管D1、D2、D3和D4組成的橋式整流器12,它把從交流電源14接收的市電交流電壓變換成正的正弦電壓。這個電壓由整流器12饋送到由扼流圈L1、半導(dǎo)體開關(guān)或MOSFETM1、以及快速反向恢復(fù)二極管D5組成的直流升壓變換器16。運(yùn)行時,變化的門控信號被加到開關(guān)M1。當(dāng)開關(guān)M1被門控信號接通時電流脈沖流過扼流圈L1和開關(guān)M1,由此充電扼流圈L1。當(dāng)開關(guān)M1被門控信號關(guān)斷時,電流脈沖在由扼流圈L1與電容器組C1的數(shù)值確定的時段內(nèi)繼續(xù)流過扼流圈L1。隨著開關(guān)M1被關(guān)斷,電流流過二極管D5,并進(jìn)入電容器組C1,電容器組C1存儲周期性電流脈沖的能量,以把脈動直流電流變換成用于負(fù)載18的平滑的直流電壓。通過改變開關(guān)M1的占空率,流過扼流圈L1的電流脈沖可以把扼流圈電流整形為與市電交流電壓同相的正弦波形,由此保持功率因數(shù)為1。
      最大r.m.s扼流圈電流Ichoke_max_dc,可以根據(jù)下式進(jìn)行估值Ichoke_max_dc=PO/(ηVin_min)公式(1)其中Vo是輸出電壓(例如400伏),對于這個電路來說它與從電容器組C1輸出的電壓VC1是相同的,Po是額定輸出功率,例如1kW,Vin_min是市電電壓Vin的最小電壓(典型地為90伏),以及η是直流升壓器效率,通常約為0.95。
      為了將輸出電壓保持為要求的電平,開關(guān)M1的平均占空率Ddc按照下面的公式(2)進(jìn)行選擇。
      Ddc=(VO-Vin)/VO公式(2)因此,在最低的市電輸入電壓下出現(xiàn)最大平均占空率Dmax;當(dāng)Vo=400V且Vin=Vin_min=90V時,Ddc_max=0.775。
      扼流圈額定電感由占空率、輸入市電電壓、開關(guān)頻率fs和想要的紋波電流Irip(由流入和流出電容器組C1的能量流產(chǎn)生)確定,如公式(3)所示,其中想要的紋波電流是Ichoke_max_dc的20%。
      Lchoke_dc=DdcVin/(0.2fs*Ichoke_max_dc)公式(3)當(dāng)Vin是Vo的50%時,Lchoke_dc達(dá)到最大值Lchoke_max_dc。為了保持想要的紋波電流,扼流圈L1的額定電感必須是Lchoke_max_dc。
      當(dāng)已設(shè)定開關(guān)頻率和扼流圈電感時,當(dāng)M1被接通時,市電紋波電流正比于占空率和在扼流圈上的輸入市電電壓,如公式(4)所示。
      Irip=DdcVin/(fs*Lchoke_max_dc)公式(4)當(dāng)輸入市電電壓Vin是輸出電壓Vo的一半時,紋波電流也達(dá)到最大值。
      開關(guān)M1的最小r.m.s電流由公式(5)給出。
      Irated_M1=0.7+0.3Ddc_maxIchoke_max_dc]]>公式(5)有許多與這種PFC電路關(guān)聯(lián)的問題。例如,從以上的公式可以清楚看到,升壓器扼流圈尺寸、半導(dǎo)體開關(guān)電流和市電紋波電流都涉及到最小市電電壓。對于約90伏的低的最小市電電壓,最終得到的大的市電紋波電流導(dǎo)致相當(dāng)大的EMC濾波器要求和高的插入損耗以便滿足EMC準(zhǔn)則,而最終得到的大的開關(guān)電流增加了開關(guān)M1中的功率損耗。由于整流器12的二極管D1到D4處在扼流圈充電和放電路徑中,所以在任何給定的時間在三個器件(D1、D4和D5,或D2、D3和D5)上都有功率損耗,這將產(chǎn)生相當(dāng)大量的熱量,需要通過使用散熱器等等消散。而且,在低電壓輸入時平均占空率是相對較高的,在開關(guān)M1中造成相當(dāng)大的功率損耗。
      參考圖2,美國專利No.6,411,535描述了一種尋求通過減小扼流圈路徑中二極管數(shù)目而提高電路效率的PFC電路30。這種PFC電路30是不帶有明顯的全橋式整流器的雙升壓器變例。當(dāng)市電電源處在正半周時,即輸入端I1處的電壓高于輸入端I2處的電壓時,由扼流圈L1、開關(guān)M1、和二極管D3組成的升壓器工作來把交流功率變換成直流功率。通過使用門控信號1,首先M1被接通,以經(jīng)由二極管Dm2充電扼流圈L1和L2。然后,M1被關(guān)斷,這導(dǎo)致扼流圈L1和L2經(jīng)由二極管D3和Dm2在電容器C1上感應(yīng)更高的電壓和電荷。當(dāng)市電電源處在負(fù)半周時,即輸入端I1處的電壓低于輸入端I2處的電壓時,由扼流圈L2、開關(guān)M2、和二極管D4組成的升壓器工作來把交流功率變換成直流功率。通過使用門控信號2,M2被接通,以經(jīng)由Dm1充電扼流圈L1和L2。當(dāng)M2被關(guān)斷時,扼流圈L2和L1經(jīng)由二極管D4和Dm1在電容器C1上感應(yīng)更高的電壓和電荷。
      以上的公式(1)到(4)同樣地可應(yīng)用于這種電路。相反,圖2上開關(guān)M1和M2的r.m.s電流額定值是由公式(5)給出的值的70%,因為這些開關(guān)僅僅在市電電源周期的一半周內(nèi)導(dǎo)通。在導(dǎo)通的路徑中僅僅有兩個器件,這樣,與這種PFC電路有關(guān)聯(lián)的功率損耗低于圖1的PFC電路的功率損耗。然而,扼流圈尺寸、電感、和市電紋波電流并不能被減小。
      參考圖3,Su等的“Comparative study of power factorcorrection converters for single phase half-bridge inverters(對用于單相半橋式逆變器的功率因數(shù)校正變換器的比較研究)”,Proceedings of Power Electronics Specialist Conference 2001的文章討論了一種半橋式升壓器RFC電路40,它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依賴于市電輸入電平而改變。當(dāng)市電輸入高于150V時,電壓選擇器開關(guān)S1被打開。在市電正半周,當(dāng)I1處的電壓高于I2處的電壓時,通過使用門控信號1,M1首先被接通,以經(jīng)由二極管D3充電扼流圈Lchoke,并且隨后M1被關(guān)斷,這樣,扼流圈感應(yīng)高電壓,該高電壓充電串聯(lián)連接的電容器組C1和C2,并經(jīng)由二極管Dm2和D3提供功率給負(fù)載。在負(fù)半周時,通過使用門控信號2,M2首先被接通,以經(jīng)由二極管D4充電扼流圈,并且隨后M2被關(guān)斷,這樣,扼流圈感應(yīng)高電壓,以另一個方向經(jīng)由二極管D4和Dm1來充電電容器組C1和C2,并提供功率給負(fù)載。因此,當(dāng)M1或M2接通時,沒有從市電電源到負(fù)載的功率傳送,而電容器C1和C2提供功率到負(fù)載。
      當(dāng)市電電壓低于150V時,電壓選擇器開關(guān)S1被閉合,把半波式升壓器變?yōu)楸秹浩鱌FC電路。結(jié)果,在每半個市電周期中只有電容器組C1和C2之一被充電。在正半周時,M1被接通,以經(jīng)由二極管D3充電扼流圈。然而,這將引起電容器組C2經(jīng)由開關(guān)S1、市電電源、扼流圈、和開關(guān)M1放電。當(dāng)M1隨后被關(guān)斷時,扼流圈產(chǎn)生高電壓,該高電壓充電電容器組C1,并提供功率到負(fù)載。在負(fù)半周時,通過使用門控信號2,開關(guān)M21首先被接通,以經(jīng)由二極管D4充電扼流圈。然而,這將引起電容器組C1經(jīng)由開關(guān)M2、扼流圈、市電電源、和開關(guān)S1放電。當(dāng)M2隨后被關(guān)斷時,扼流圈L1產(chǎn)生高電壓,該高電壓經(jīng)由二極管Dm1充電電容器組C2,并提供功率到負(fù)載。
      顯然,從電容器組把電能交替地放電回市電電源來看,這種倍壓器電路具有嚴(yán)重的缺點。為了克服這個問題,該文章提出圖4所示的PFC電路50,它是一種形式的單開關(guān)倍壓器升壓器PFC電路。在電路50中,在直流鏈路中有兩個額外的二極管D5、D6,用來防止在電路40結(jié)構(gòu)的半橋式倍壓器拓?fù)渲械碾娙萜鞣烹妴栴}。
      當(dāng)市電電壓低于150V時,開關(guān)S1被閉合。在正半周時,開關(guān)M1被接通,以令市電電源經(jīng)由二極管D1和D4充電扼流圈L1。由于電容器C2(經(jīng)由開關(guān)S1、市電電源、扼流圈L1、和開關(guān)M1)的放電路徑被二極管D6阻斷,所以電容器組C2只能放電到負(fù)載。當(dāng)開關(guān)M1被關(guān)斷時,在扼流圈L1上感應(yīng)的高電壓經(jīng)由D1、D5和S1充電電容器組C1,并提供功率到負(fù)載。在負(fù)半周時,開關(guān)M1首先被接通,以經(jīng)由二極管D3和D2充電扼流圈L1。由于電容器C1(經(jīng)由M1、扼流圈L1、市電電源和S1)的放電路徑被二極管D5阻斷,所以C1把它的存儲的能量放電到負(fù)載。當(dāng)M1隨后被關(guān)斷時,在扼流圈L1上感應(yīng)的高電壓經(jīng)由S1、D6和D2充電電容器組C2,并提供功率到負(fù)載。
      當(dāng)市電輸入高于150V時,電壓選擇器開關(guān)S1被打開。結(jié)果,電路以類似于圖1的直流升壓器電路10的方式工作,除了在負(fù)的直流軌中還有一個二極管以外,這增加了該電路的電壓降和功率損耗。
      本發(fā)明的至少優(yōu)選實施例的目的是解決這些和其它問題。
      在第一方面,本發(fā)明提供了一種功率因數(shù)校正電路,它包括第一和第二交流輸入端,用于接收交流電壓;整流裝置,被連接到至少其中一個交流輸入端;能量貯存裝置,與整流裝置并聯(lián)連接;電感器裝置,被連接在其中一個交流輸入端與整流裝置之間;以及雙向開關(guān)裝置,被連接到整流裝置并具有用于接收控制信號的裝置,該控制信號用于控制雙向開關(guān)裝置的切換,從而控制電感器裝置通過整流裝置的充電和放電。
      優(yōu)選地,能量貯存裝置包括第一電容裝置,其一端被連接到整流裝置;以及第二電容裝置,其一端被連接到第一電容裝置的另一端并且其另一端被連接到整流裝置,所述第一電容裝置的另一端選擇性地可連接或被連接到其中一個交流輸入端。
      該電路優(yōu)選地包括一個電壓選擇器開關(guān),它被連接在第一電容裝置的所述另一端與第二交流輸入端之間。在一種安排中,電壓選擇器開關(guān)被連接到整流裝置。優(yōu)選地,該電壓選擇器開關(guān)包括用于接收表示交流電壓幅度的信號的裝置,用來控制電壓選擇器開關(guān)的切換。
      優(yōu)選地,電感器裝置包括被連接在第一交流輸入端與第一整流器輸入端之間的第一電感器,以及任選地包括被連接在第二交流輸入端與第二整流器輸入端之間的第二電感器。
      在一種安排中,雙向開關(guān)包括第一場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管和第二場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管,第一和第二晶體管的柵極被安排來接收控制信號,第一晶體管的源極/發(fā)射極被連接到第二晶體管的源極/發(fā)射極,第一晶體管的漏極/集電極被連接到第一交流輸入端,以及第二晶體管的漏極/集電極被連接到第二交流輸入端。在一種可替換的安排中,雙向開關(guān)包括第一場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管和第二場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管,第一和第二晶體管的柵極被安排來接收控制信號,第一晶體管的漏極/集電極被連接到第二晶體管的漏極/集電極,第一晶體管的源極/發(fā)射極被連接到第一交流輸入端,以及第二晶體管的源極/發(fā)射極被連接到第二交流輸入端。
      在雙向開關(guān)包括雙極晶體管的情形下,雙向開關(guān)優(yōu)選地還包括第一二極管,其一端被連接到第一雙極晶體管的集電極而其另一端被連接到第一雙極晶體管的發(fā)射極;以及第二二極管,其一端被連接到第二雙極晶體管的集電極而其另一端被連接到第二雙極晶體管的發(fā)射極。
      在第二方面,本發(fā)明提供了一種功率因數(shù)校正電路,它包括第一和第二交流輸入端,用于接收交流電壓;整流裝置,具有第一和第二整流器輸入端,每個被連接到相應(yīng)的交流輸入端,并具有第一和第二整流器輸出端,用于輸出直流電壓;能量貯存裝置,被連接在整流器輸出端之間;電感器裝置,被連接在其中一個交流輸入端與相應(yīng)的其中一個整流器輸入端之間;以及雙向開關(guān)裝置,被連接到第一和第二整流器輸入端并具有用于接收控制信號的裝置,該控制信號用于控制雙向開關(guān)裝置的切換,從而控制電感器裝置通過整流裝置的充電和放電。
      在第三方面,本發(fā)明提供了一種從交流電源提供直流功率到負(fù)載的方法,該方法包括以下步驟提供如前所述的電路,把交流輸入端連接到電源,以及按照從電源輸出的交流電壓的幅度(例如按照流過電感器裝置的r.m.s電流)來控制雙向開關(guān)裝置的切換。
      現(xiàn)在參考附圖僅僅作為例子來描述本發(fā)明的優(yōu)選的特性,其中圖1顯示一種已知的直流升壓器PFC電路;圖2顯示一種已知的雙交流升壓器PFC電路;圖3顯示一種已知的半橋式交流升壓器PFC電路;圖4顯示一種已知的全橋式單開關(guān)交流升壓器PFC電路;圖5顯示一種PFC電路的一個實施例;圖6顯示開關(guān)S1打開時,圖5的電路的拓?fù)?;圖7顯示開關(guān)S1閉合時,圖5的電路的拓?fù)洌粓D8是顯示對于圖1和5的PFC電路,平均占空率隨輸入交流電壓的變化的圖;圖9是顯示對于圖1和5的PFC電路,扼流圈電感隨輸入交流電壓的變化的圖;圖10是顯示對于圖1和5的PFC電路,市電紋波電流隨輸入交流電壓的變化的圖;圖11顯示開關(guān)S1閉合時,圖5的電路的一個可替換的拓?fù)?;以及圖12(a)到12(f)顯示圖5的電路的雙向開關(guān)的各種可替換的配置。
      參考圖5,PFC電路100包括第一和第二交流輸入端I1、I2,用于接收來自交流電源102的交流電壓。電感器或扼流圈L1其一端被連接到交流輸入端I1以及其另一端被連接到整流器104的第一輸入端I3。任選地,如圖5所示,第二電感器或扼流圈L2可以其一端被連接到交流輸入端I2以及其另一端被連接到整流器104的第二輸入端I4。整流器104由第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3和第四二極管D4組成,D1被連接在第一整流器輸入端I3與第一整流器輸出端O5之間,D2被連接在第二整流器輸出端O6與第一整流器輸入端I3之間,D3被連接在第二整流器輸入端I4與第一整流器輸出端O5之間,D4被連接在第二整流器輸出端O6與第二整流器輸入端I4之間。
      該P(yáng)FC電路還包括被連接到第一和第二整流器輸入端I3、I4的雙向開關(guān)106。在圖5所示的實施例中,該雙向開關(guān)包括兩個背對背的開關(guān)M1,優(yōu)選地采用第一場效應(yīng)晶體管或MOSFET M1與第二場效應(yīng)晶體管或MOSFET M2的形式。MOSFET M1、M2的柵極被安排來接收加到開關(guān)輸入端I7、I8之間的門控控制信號。正如下面論述的,在本優(yōu)選實施例中,門控信號根據(jù)市電交流電壓的幅度來控制雙向開關(guān)106的切換,該交流電壓幅度的指示可以由扼流圈電流Ichoke提供。MOSFET M1的源極被連接到MOSFET M2的源極。MOSFET M1的漏極被連接到第一整流器輸入端I3,并從而連接到第一交流輸入端I1,以及MOSFET M2的漏極被連接到第二整流器輸入端I4,并從而連接到第二交流輸入端I2。在所顯示的實施例中,雙向開關(guān)106包括第一二極管Dm1和第二二極管Dm2,Dm1被連接在MOSFET M1的源極與漏極之間,Dm2被連接在MOSFET M2的源極與漏極之間。應(yīng)當(dāng)指出,二極管Dm1和Dm2是晶體管M1和M2的體二極管,而不是物理上的單獨的二極管。然而,如果該雙向開關(guān)是通過使用諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的其它部件來實現(xiàn)的,則需要這種物理上的單獨的二極管。
      電路100還包括被連接在第一和第二整流器輸出端O5、O6之間的能量存儲器108。在所顯示的實施例中,能量存儲器108由第一電容器或電容器組C1和第二電容器或電容器組C2組成,第一和第二電容器C1、C2經(jīng)由端子T9串聯(lián)連接。
      端子T9經(jīng)由開關(guān)S1被連接到第二整流器輸入端I4。優(yōu)選地,開關(guān)S1是電壓選擇器開關(guān),它具有第一和第二開關(guān)輸入端I10、I11,用于在其之間接收信號,該信號表示由輸入端I1、I2接收的市電交流電壓的幅度,輸入到輸入端I10、I11的信號的幅度控制著在端子T9與整流器輸入端I4之間的路徑的斷開和閉合。替換地,開關(guān)S1可以是可手動操作的開關(guān),或任何其它適當(dāng)形式的開關(guān)。
      PFC電路100的PFC電路拓?fù)浜凸ぷ髟黼S開關(guān)S1的斷開和閉合而改變。在較高的市電輸入時(比如說,從180伏到265伏的范圍),開關(guān)S1被斷開,則最終得到的等效電路,如圖6所示,具有全橋式交流升壓器PFC電路的形式。在較低的市電輸入時(比如說,從90伏到150伏的范圍),開關(guān)S1被閉合,則最終得到的等效電路,如圖7所示,具有半橋式倍壓器PFC電路的形式。這兩種電路的工作模式在下面分開地討論。
      高電壓工作模式參考圖6,在市電交流電壓的正半周期間,其中在I1處的電壓高于在I2處的電壓,在輸入端I7、I8之間加上適當(dāng)?shù)拈T控信號,以“接通”雙向開關(guān)106,也就是通過使MOSFET M1導(dǎo)通,把扼流圈L1(和任選的扼流圈L2)經(jīng)由二極管Dm2連接到市電電源。扼流圈電流Ichoke與市電電壓幅度成比例地線性增加。當(dāng)Ichoke達(dá)到預(yù)定的電平時,門控信號被改變,以通過使MOSFET M1不導(dǎo)通而“關(guān)斷”雙向開關(guān)。通過扼流圈電流隨后的快速衰減而在扼流圈L1上感應(yīng)的大的電壓被疊加于市電電壓,它們充電能量存儲器108(在本例中其由串聯(lián)連接的電容器C1和C2組成),并且經(jīng)由D1和D4把功率提供到負(fù)載,在圖5到7上由Rload表示負(fù)載。
      在市電輸入電壓的負(fù)半周,其中在I2處的電壓高于在I1處的電壓,在輸入端I7、I8之間加上適當(dāng)?shù)拈T控信號,以“接通”雙向開關(guān)106,也就是通過使MOSFET M2導(dǎo)通,把扼流圈L1(和任選的扼流圈L2)經(jīng)由二極管Dm1連接到市電電源。再次地,扼流圈電流Ichoke與市電電壓幅度成比例地線性增加。當(dāng)Ichoke達(dá)到預(yù)定的電平時,門控信號被改變,以通過使MOSFET M2不導(dǎo)通而“關(guān)斷”雙向開關(guān)。通過扼流圈電流隨后的快速衰減而在扼流圈L1上感應(yīng)的大的電壓被疊加于市電電壓,它們充電能量存儲器108,并且經(jīng)由D3和D2把功率提供到負(fù)載。
      對于圖6所示的電路,最大扼流圈電流Ichoke_max_ac,可以根據(jù)下式進(jìn)行估值Ichoke_max_ac=PO/(ηVin_min1)公式(6)其中Po和η具有與公式(1)中相同的意義,而Vin_min1是在此高電壓工作模式下市電電壓Vin的最小電壓(典型地180伏)。
      平均占空率Dac按照下面的公式(7)進(jìn)行選擇。
      Dac=(VO-Vin)/VO公式(7)其中Vo是輸出電壓,它也是與從串聯(lián)連接的電容器C1和C2輸出的電壓VC1+C2相同的。在最低的市電輸入電壓下,當(dāng)Vin=Vin_min1=180V時且當(dāng)Vo=400V時,Dac_max=0.55。
      扼流圈額定電感Lchoke_ac由占空率、輸入市電電壓、開關(guān)頻率fs和想要的紋波電流Irip(由流入和流出串聯(lián)連接的電容器C1和C2的能量流造成的)確定,如公式(8)所示,其中想要的紋波電流是Ichoke_max_ac的20%。
      Lchoke_ac=DacVin/(0.2fs*Ichoke_max_ac)公式(8)當(dāng)Vin是Vo的50%時,Lchoke_ac達(dá)到最大值Lchoke_max_ac。為了保持想要的紋波電流,扼流圈L1(或任選地L1+L2)的額定電感必須是Lchoke_max_ac。
      當(dāng)已設(shè)定開關(guān)頻率和扼流圈電感時,當(dāng)雙向開關(guān)106被接通時,市電紋波電流正比于占空率和在扼流圈L1上的輸入市電電壓,如公式(9)所示。
      Irip=DacVin/(fs*Lchoke_max_ac)公式(9)當(dāng)輸入市電電壓Vin是輸出電壓Vo的一半時,紋波電流也達(dá)到最大值。
      MOSFET M1和M2的最小r.m.s電流由公式(10)給出。
      Ireted_M=0.7+0.3Dac_maxIchoke_max_ac/2]]>公式(10)回到圖6,在正的和負(fù)的半周期間,在扼流圈L1(和任選的扼流圈L2)的充電路徑中始終只有一個二極管(Dm1或Dm2),而在扼流圈放電路徑中有二個二極管(D1和D4,或者D3和D2)。這與參照圖2和3描述的現(xiàn)有技術(shù)電路是相同的。相反,在參照圖1描述的現(xiàn)有技術(shù)電路中,在扼流圈充電路徑中總是有兩個二極管,而在扼流圈放電路徑中有三個二極管。此外,在參照圖4描述的現(xiàn)有技術(shù)電路中,在扼流圈充電路徑中總是有兩個二極管,而在高電壓工作模式下,在扼流圈放電路徑中有四個二極管。因此,在高電壓工作模式下,PFC電路100比起圖1-4中所顯示的現(xiàn)有技術(shù)電路,具有更小的與此相關(guān)的功率損耗。
      低電壓工作模式參考圖7,在市電交流電壓的正半周期間,其中在I1處的電壓高于在I2處的電壓,在輸入端I7、I8之間加上適當(dāng)?shù)拈T控信號,以“接通”雙向開關(guān)106,也就是通過使MOSFET M1導(dǎo)通,把扼流圈L1(和任選的扼流圈L2)經(jīng)由二極管Dm2連接到市電電源。扼流圈電流Ichoke與市電電壓的大小成比例地線性增加。當(dāng)Ichoke達(dá)到預(yù)定的電平時,門控信號被改變,以通過使MOSFET M1不導(dǎo)通而“關(guān)斷”雙向開關(guān)。通過扼流圈電流隨后的快速衰減而在扼流圈L1上感應(yīng)的大的電壓被疊加于市電電壓,它們充電電容器組C1,并且通過電容器組C2把功率提供到負(fù)載。導(dǎo)通路徑是從I1經(jīng)由L1到I3,然后經(jīng)由二極管D1到05,然后通過C1和Rload(經(jīng)由C2)到T9,然后通過閉合的開關(guān)S1到I4,最后經(jīng)由I2(及任選地經(jīng)由L2)和市電電源回到I1。
      在市電交流電壓的負(fù)半周,其中在I2處的電壓高于在I1處的電壓,在輸入端I7、I8之間加上適當(dāng)?shù)拈T控信號,以“接通”雙向開關(guān)106,也就是通過使MOSFET M2導(dǎo)通,把扼流圈L1(和任選的扼流圈L2)經(jīng)由二極管Dm1連接到市電電源。扼流圈電流Ichoke與市電電壓幅度成比例地線性增加。當(dāng)Ichoke達(dá)到預(yù)定的電平時,門控信號被改變,以通過使MOSFETM2不導(dǎo)通而“關(guān)斷”雙向開關(guān)。通過扼流圈電流隨后的快速衰減而在扼流圈L1上感應(yīng)的大的電壓被疊加于市電電壓,它們充電電容器組C2,并且通過電容器組C1把功率提供到負(fù)載。導(dǎo)通路徑是從I2到I4(任選地經(jīng)由L2),然后通過閉合的開關(guān)S1到T9,然后通過C2和Rload(經(jīng)由C1到06,然后經(jīng)由二極管D2到I3,最后經(jīng)由I1、L1和市電電源回到I2。
      對于圖7所顯示的電路,最大扼流圈電流Ichoke_max_dv,可以根據(jù)下式進(jìn)行估值Ichoke_max_dv=PO/(ηVin_min2)公式(11)其中Po和η具有與公式(1)中相同的意義,而Vin_min2是在此低電壓工作模式下市電電壓Vin的最小電壓(典型地90伏)。
      平均占空率Ddv按照下面的公式(12)進(jìn)行選擇。
      Ddv=(VC-Vin)/VC公式(12)因為輸出電壓Vo在這個電路中是來自每個電容器C1和C2的輸出電壓VC的兩倍。在最低的市電輸入電壓下,當(dāng)Vin=Vin_min2=90V且當(dāng)Vo=200V時,Ddv_max=0.55。
      扼流圈額定電感Lchoke_dv由占空率、輸入市電電壓、開關(guān)頻率fs和想要的紋波電流Irip(由流入和流出電容器C1和C2的能量流造成的)確定,如公式(13)所示,其中想要的紋波電流是Ichoke_max_dv的20%。
      Lchoke_dv=DdvVin/(0.2fs*Ichoke_max_dv)公式(13)當(dāng)Vin是VC的50%時,Lchoke_dv達(dá)到最大值Lchoke_max_dv。為了保持想要的紋波電流,扼流圈L1(或任選地L1+L2)的額定電感必須是Lchoke_max_dv。
      當(dāng)已設(shè)定開關(guān)頻率和扼流圈電感時,當(dāng)雙向開關(guān)106被接通時,市電紋波電流正比于占空率和在扼流圈上的輸入市電電壓,如公式(14)所示。
      Irip=DdvVin/(fs*Lchoke_max_dv)公式(14)當(dāng)輸入市電電壓Vin是VC的一半時,紋波電流也達(dá)到最大值。MOSFET M1和M2的最小r.m.s電流由公式(15)給出。
      Irated_M=0.7+0.3Ddv_maxIchoke_max_dv/2]]>公式(15)因此,與參照圖1和2描述的現(xiàn)有技術(shù)電路(在低電壓范圍內(nèi)工作時)相比較,PFC電路100在低電壓范圍內(nèi)工作時具有多個優(yōu)點。首先,PFC電路100在Vin的數(shù)值范圍內(nèi)具有較小的平均占空率(見圖8),這減輕了對控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)要求。第二,PFC電路100使能減小扼流圈電感(見圖9),導(dǎo)致較小的扼流圈尺寸和較低的成本。另外,PFC電路100在Vin的數(shù)值范圍內(nèi)具有較小的市電紋波電流(見圖10),這把高頻諧波電流、導(dǎo)電發(fā)射污染、和MOSFET電流額定值減小到接近50%。由于較小的占空率和紋波電流,這些導(dǎo)致較小的EMC濾波器尺寸、較低的插入損耗和衰減、以及較低的MOSFET導(dǎo)通和開關(guān)損耗。
      而且,在正的和負(fù)的半周期間,在扼流圈L1(和任選的扼流圈L2)的充電路徑中始終只有一個二極管(Dm1或Dm2),且在扼流圈放電路徑中有一個二極管(D1或D2)。也不存在和有害電容器放電有關(guān)聯(lián)的問題,這不像參照圖3描述的現(xiàn)有技術(shù)電路。當(dāng)參照圖4描述的現(xiàn)有技術(shù)電路工作在倍壓器模式時,在扼流圈充電和放電路徑中都有兩個二極管,因此在低電壓工作模式下,PFC電路100又比圖1-4中顯示的現(xiàn)有技術(shù)電路具有更小的與此相關(guān)的功率損耗。結(jié)果,系統(tǒng)熱量管理要求不那么需要,所以需要較小的散熱器或風(fēng)扇。
      這些優(yōu)點使得PFC電路100比起圖1、2和3中所顯示的PFC電路能夠提供可維持的寬的輸出電壓范圍,并且能夠用與這三種已知的PFC電路相同的半導(dǎo)體開關(guān)器件來提升更高的輸出功率,特別是在較低的電壓輸入范圍內(nèi)。PFC電路100在寬的單相通用電壓范圍內(nèi)可保持均勻的輸出功率額定值而不引起附加的成本。反之,這些可以提供利用較小額定值的經(jīng)濟(jì)的器件來構(gòu)建較大功率的PFC設(shè)備的機(jī)會。PFC電路100可以以較低的頻率進(jìn)行切換;在較低的市電輸入下約低30%而不使功率因數(shù)、諧波和發(fā)射性能惡化。這可進(jìn)一步改進(jìn)總的系統(tǒng)效率和運(yùn)行成本。
      而且,圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)電路,當(dāng)工作在較低的市電輸入電壓時,因為相對較大的輸入電流、較大的導(dǎo)通占空率和較高的提升電壓比,所以具有眾所周知的熱逸散問題。這些問題在PFC電路100中被極大地緩解和克服。
      在直流鏈路中電解電容器是系統(tǒng)工作壽命方面最弱的零件。使用兩個低壓、雙電容電容器代替單個的高壓電容器,將延長系統(tǒng)工作壽命。高頻PFC扼流圈是整個PFC電路中最昂貴、尺寸龐大和重要的無源零件,它的工作壽命受到市電紋波電流很大的影響,因為較大的紋波電流引起更多的銅和鐵損耗并且增加了溫度升高。PFC 100減小市電紋波近50%,因此減小了在扼流圈上的功率損耗,進(jìn)而延長它的有用的工作壽命。對于圖1、2和3中顯示的現(xiàn)有技術(shù)電路,最壞的工作條件是在最低市電輸入電壓下,其中在單個開關(guān)和二極管器件上的高電壓、電流和熱應(yīng)力引起更大的可靠度和性能方面的顧慮。這些顧慮通過PFC電路100中的電路拓?fù)涞母淖儽粯O大地緩解,結(jié)果,可靠度和性能得以改進(jìn)。
      應(yīng)當(dāng)明白,上述內(nèi)容代表本發(fā)明的一個實施例,但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說無疑將會出現(xiàn)本發(fā)明的其它實施例,而不背離由在此所附的權(quán)利要求定義的本發(fā)明的實際范圍。
      例如,對于以上參照圖7描述的電路拓?fù)洌O管D3和D4并不構(gòu)成該電路的各種充電和放電路徑的一部分。所以,如圖11所示,當(dāng)市電交流電壓處在較低的電壓范圍時,有可能從該P(yáng)FC電路中全部省略這些二極管。
      在圖5到7所示的電路中,雙向開關(guān)106由N MOSFET共源極雙向開關(guān)來實施,正如另外在圖12(a)中顯示的。然而,雙向開關(guān)106可以由圖12(b)到12(f)所示的、任一雙向開關(guān)106a到106e來取代。圖12(b)顯示了N MOSFET共漏極雙向開關(guān)106a,圖12(c)顯示了IGBT共發(fā)射極雙向開關(guān)106b,圖12(d)顯示了IGBT共集電極雙向開關(guān)106c,圖12(e)顯示了P MOSFET共源極雙向開關(guān)106d,以及圖12(f)顯示了P MOSFET共漏極雙向開關(guān)106e。這些開關(guān)的操作對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的,這里不作進(jìn)一步解釋。其它適當(dāng)?shù)碾p向開關(guān),諸如全波二極管橋式類型雙向開關(guān),對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。
      綜而述之,一種功率因數(shù)校正電路包括第一和第二交流輸入端I1、I2,用于接收交流電壓。整流器104具有第一和第二整流器輸入端I3、I4,每個被連接到相應(yīng)的交流輸入端I1、I2,并具有第一和第二整流器輸出端O5、O6,用于輸出直流電壓。兩個電容器組C1、C2被串聯(lián)連接在整流器輸出端O5、O6之間。扼流圈L1被連接在交流輸入端I1與整流器輸入端I3之間。雙向開關(guān)106被連接到整流器輸入端I3、I4,并且接收控制信號,該控制信號用于控制雙向開關(guān)106的切換,從而控制扼流圈L1通過整流器104的充電和放電。在兩個電容器組C1、C2之間的中點按照交流電壓的幅度選擇性地可連接到交流輸入端I2。
      權(quán)利要求
      1.一種功率因數(shù)校正電路,包括第一和第二交流輸入端,用于接收交流電壓;整流裝置,被連接到其中至少一個交流輸入端;能量貯存裝置,跨整流裝置而并聯(lián)連接;電感器裝置,被連接在其中一個交流輸入端與整流裝置之間;以及雙向開關(guān)裝置,被連接到整流裝置并具有用于接收控制信號的裝置,該控制信號用于控制雙向開關(guān)裝置的切換,從而控制電感器裝置通過整流裝置的充電和放電,其中所述能量貯存裝置包括第一電容裝置,其一端被連接到整流裝置;以及第二電容裝置,其一端被連接到第一電容裝置的另一端而其另一端被連接到整流裝置,第一電容裝置的所述另一端被連接到或選擇性地可連接到其中一個交流輸入端。
      2.按照權(quán)利要求1的電路,其中第一電容裝置的所述另一端選擇性地可連接到所述其中一個交流輸入端。
      3.按照權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的電路,包括一個電壓選擇器開關(guān),它被連接在第一電容裝置的所述另一端與第二交流輸入端之間。
      4.按照權(quán)利要求3的電路,其中該電壓選擇器開關(guān)被連接到整流裝置。
      5.按照權(quán)利要求3或4的電路,其中該電壓選擇器開關(guān)包括用于接收表示交流電壓幅度的信號的裝置,該信號用來控制電壓選擇器開關(guān)的切換。
      6.按照任一前述權(quán)利要求的電路,其中所述電感器裝置包括被連接在第一交流輸入端與第一整流器輸入端之間的第一電感器,以及任選地包括被連接在第二交流輸入端與第二整流器輸入端之間的第二電感器。
      7.按照任一前述權(quán)利要求的電路,其中雙向開關(guān)包括第一場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管和第二場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管,第一和第二晶體管的柵極被安排來接收控制信號,第一晶體管的源極/發(fā)射極被連接到第二晶體管的源極/發(fā)射極,第一晶體管的漏極/集電極被連接到第一交流輸入端,以及第二晶體管的漏極/集電極被連接到第二交流輸入端。
      8.按照權(quán)利要求1到6中任何一項的電路,其中雙向開關(guān)包括第一場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管和第二場效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管,第一和第二晶體管的柵極被安排來接收控制信號,第一晶體管的漏極/集電極被連接到第二晶體管的漏極/集電極,第一晶體管的源極/發(fā)射極被連接到第一交流輸入端,以及第二晶體管的源極/發(fā)射極被連接到第二交流輸入端。
      9.按照權(quán)利要求7和8的電路,其中雙向開關(guān)包括第一二極管,其一端被連接到第一雙極晶體管的集電極而其另一端被連接到第一雙極晶體管的發(fā)射極;以及第二二極管,其一端被連接到第二雙極晶體管的集電極而其另一端被連接到第二雙極晶體管的發(fā)射極。
      10.一種功率因數(shù)校正電路,包括第一和第二交流輸入端,用于接收交流電壓;整流裝置,具有第一和第二整流器輸入端,每個被連接到相應(yīng)的交流輸入端,并具有第一和第二整流器輸出端,用于輸出直流電壓;能量貯存裝置,被連接在整流器輸出端之間;電感器裝置,被連接在其中一個交流輸入端與相應(yīng)的其中一個整流器輸入端之間;以及雙向開關(guān)裝置,被連接到第一和第二整流器輸入端并具有用于接收控制信號的裝置,該控制信號用于控制雙向開關(guān)裝置的切換,從而控制電感器裝置通過整流裝置的充電和放電。
      11.按照任一前述權(quán)利要求的電路,其中用于控制雙向開關(guān)裝置的切換的控制信號表示交流電壓的幅度。
      12.按照權(quán)利要求11的電路,其中用于控制雙向開關(guān)裝置的切換的控制信號表示流過電感器裝置的電流。
      13.一種從交流電源提供直流功率到負(fù)載的方法,該方法包括以下步驟提供按照任一前述權(quán)利要求的電路,把交流輸入端連接到電源,以及按照從電源輸出的交流電壓的幅度來控制雙向開關(guān)裝置的切換。
      全文摘要
      一種功率因數(shù)校正電路,包括第一和第二交流輸入端(I1)、(I2),用于接收交流電壓。整流器(104),具有第一和第二整流器輸入端(I3)、(I4),每個被連接到相應(yīng)的交流輸入端(I1)、(I2),并具有第一和第二整流器輸出端(O5)、(O6),用于輸出直流電壓。兩個電容器組(C1)、(C2)被串聯(lián)連接在整流器輸出端(O5)、(O6)之間。扼流圈(L1)被連接在交流輸入端(I1)與整流器輸入端(I3)之間。雙向開關(guān)(106)被連接到整流器輸入端(I3)、(I4),并且接收控制信號,該控制信號用于控制雙向開關(guān)(106)的切換,從而控制扼流圈(L1)通過整流器(104)的充電和放電。在兩個電容器組(C1)、(C2)之間的中點按照交流電壓的幅度選擇性地可連接到或被連接到交流輸入端(I2)。
      文檔編號H02M7/217GK1849741SQ200480026008
      公開日2006年10月18日 申請日期2004年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
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