高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及交流直流電流轉(zhuǎn)換以及功率的控制。具體地說，本發(fā)明涉及一種高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，其由二極管整流橋（1）、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)（2）以及后續(xù)開關(guān)功率變換器（3）組成；二極管整流橋（1）的輸出分別向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)（2）和后續(xù)開關(guān)功率變換器（3）供電；有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)（2）的輸出是受控供電給后續(xù)開關(guān)功率變換器（3）。
【專利說明】高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及交流直流電流轉(zhuǎn)換以及功率的控制。更具體地說，本發(fā)明涉及一種高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在交流供電場合，為了達(dá)到高功率因數(shù)，滿足IEC61000-3-2的諧波要求，交直流變換器需要實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。有源升壓式功率因數(shù)校正電路是一非常流行的方法，但它需要比較復(fù)雜的控制環(huán)路來控制這有源功率開關(guān)來實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，其功率因數(shù)可達(dá)0.98。在成本較低，廣泛應(yīng)用在節(jié)能燈、LED照明等功率較小，成本敏感的產(chǎn)品中，無源填谷式功率因數(shù)校正電路(如圖1所示)由于沒有有源開關(guān)，電路簡單而受歡迎。其特點是二極管Dl、D2和D3與儲能電容Cl和C2構(gòu)成了儲能電容Cl和C2充電時串聯(lián)連接；放電時儲能電容Cl和C2并聯(lián)連接的電路形式。其功率因數(shù)一般小于0.9。中國申請專利CN201310277987.7 “一種有源控制的填谷電路及其控制方法”(如圖2所示)提出一種含有源開關(guān)的填谷電路及其控制方法。它是由一個儲能電容與一有源開關(guān)相串聯(lián)的支路與二極管整流橋及輸出負(fù)載并聯(lián)構(gòu)成。相對無源填谷電路可以省去一個電容及三個二極管，但增加一有源開關(guān)及相應(yīng)的控制電路。在這有源控制的填谷電路中，有源開關(guān)控制何時這儲能電容C向輸出負(fù)載供電。這儲能電容所儲存的能量是由二極管整流橋經(jīng)這有源開關(guān)提供的。當(dāng)這儲能電容要補(bǔ)充所釋放的儲能時，由于電容電壓不突變及二極管整流橋輸出呈電壓源特性，這對電容儲能將產(chǎn)生高幅值的窄脈寬的充電脈沖電流；并且隨著這儲能電容值增加，這充電脈沖電流的幅值進(jìn)一步增加。這與無源填谷電路一樣使得二極管整流橋要在每半周輸出一高 幅值的窄脈寬的脈沖電流。這使得這有源控制的填谷電路和無源填谷電路一樣難以進(jìn)一步提聞它們的交流輸入的功率因數(shù)。要進(jìn)一步提聞填谷電路的交流輸入的功率因數(shù)，使得功率因數(shù)大于0.9，這需要設(shè)法限制這對電容儲能將產(chǎn)生高幅值的窄脈寬的充電脈沖電流，使得這高幅值的窄脈寬的充電脈沖電流變成低幅值的寬脈寬的充電電流，從而進(jìn)一步提聞填谷電路的交流輸入的功率因數(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種如何實現(xiàn)高功率因數(shù)的有源填谷式交直流變換器。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，由二極管整流橋、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)以及后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流變換器)組成；二極管整流橋的輸出分別向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)和后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流變換器)供電；有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的輸出是受控供電給后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流變換器)。
[0005]即，二極管整流橋1、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2和后續(xù)開關(guān)功率變換器3相互并聯(lián)連接。[0006]上述內(nèi)容如圖3所示。
[0007]作為本發(fā)明的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器的改進(jìn):
[0008]所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)是由儲能電容C和有源開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成；所述有源開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A、切換開關(guān)K組成；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)控制模塊A是根據(jù)二極管整流橋的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律來控制何時開關(guān)并以可控的充電電流向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的儲能電容C儲能；開關(guān)控制模塊A是根據(jù)二極管整流橋的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律控制切換開關(guān)K來控制有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的儲能電容C何時向后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流電流變換器)提供能量，以使后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流變換器)能夠有足夠的輸入電壓而輸出相應(yīng)的輸出功率。從而使整個系統(tǒng)在滿足相應(yīng)指標(biāo)的條件下達(dá)到盡可能高的功率因數(shù)和效率。
[0009]所述設(shè)定的控制規(guī)律為:開關(guān)控制模塊A受控于二極管整流橋的輸出電壓VIN，當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin小于Vmin時(對應(yīng)X區(qū)間)，驅(qū)動切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器3供電，同時，當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin大于VIN_MIN時(對應(yīng)Y區(qū)間)，開關(guān)控制模塊A控制何時開關(guān)并以可控的充電電流對有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行儲能。
[0010]作為本發(fā)明的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器的進(jìn)一步改進(jìn):
[0011]有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)由儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成；
[0012]開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由有源開關(guān)M、電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成；
[0013]切換開關(guān)K是一雙向開關(guān)；
[0014]所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的電連接關(guān)系為:儲能電容C與切換開關(guān)K相串聯(lián)，形成一個支路；續(xù)流二極管D與有源開關(guān)M相串聯(lián)，形成另一個支路；上述2個支路相互并聯(lián)；上述2個支路的中間點通過電感L相連；
[0015]有源開關(guān)M是由二極管與N溝道M0SFET/P溝道MOSFET串聯(lián)構(gòu)成的一單向開關(guān)；
[0016]開關(guān)控制模塊A受控于二極管整流橋的輸出電壓VIN，當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin小于Vmin時(對應(yīng)X區(qū)間)，驅(qū)動切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器供電，同時，當(dāng)二極管整流橋的輸出電壓Vin大于VIN_MIN時(對應(yīng)Y區(qū)間)，開關(guān)控制模塊A輸出開關(guān)頻率PWM占空比隨二極管整流橋I的輸出電壓Vin變化的控制信號驅(qū)動控制有源開關(guān)M ；
[0017]所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的充電回路是由儲能電容C、有源開關(guān)M、電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成；所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的放電回路是由切換開關(guān)K和儲能電容C構(gòu)成；
[0018]設(shè)定的控制規(guī)律為:當(dāng)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin小于VIN_MIN時(對應(yīng)X區(qū)間)，切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器供電；且，當(dāng)二極管整流橋的輸出電壓Vin大于VIN_MIN時(對應(yīng)Y區(qū)間)，開關(guān)控制模塊A輸出開關(guān)頻率PWM占空比隨二極管整流橋的輸出電壓Vin變化的控制信號控制有源開關(guān)M。
[0019]備注說明:開關(guān)控制模塊A是由比較器、以及對應(yīng)的P溝道或N溝道MOSFET驅(qū)動電路構(gòu)成；此開關(guān)控制模塊A的設(shè)計屬于常規(guī)技術(shù)。
[0020]上述內(nèi)容如圖5所示。
[0021]作為本發(fā)明的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器的進(jìn)一步改進(jìn):[0022]所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)由低儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成；
[0023]切換開關(guān)K是一單向開關(guān)(即是由一雙向開關(guān)與二極管并聯(lián)構(gòu)成的)；例如為P溝道 MOSFET 或 N 溝道 MOSFET ；
[0024]所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的電連接關(guān)系為:低儲能電容C與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、切換開關(guān)K依次串聯(lián)；所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)電阻R和反并二極管D并聯(lián)構(gòu)成；
[0025]開關(guān)控制模塊A受控于二極管整流橋的輸出電壓VIN，當(dāng)二極管整流橋的輸出電壓Vin小于Vimin時(對應(yīng)X區(qū)間)，驅(qū)動切換開關(guān)K開通，低儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器供電；
[0026]所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的充電回路是由切換開關(guān)K、低儲能電容C和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電阻R構(gòu)成；所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的放電回路是由切換開關(guān)K、低儲能電容C和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)電阻R的反并二極管D構(gòu)成；
[0027]設(shè)定的控制規(guī)律具體為:當(dāng)二極管整流橋的輸出電壓Vin小于VIN_MIN時(對應(yīng)X區(qū)間)，切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器供電。
[0028]備注說明:開關(guān)控制模塊A是由比較器、以及對應(yīng)的P溝道或N溝道MOSFET驅(qū)動電路構(gòu)成；此開關(guān)控制模塊A的設(shè)計屬于常規(guī)技術(shù)。
[0029]上述內(nèi)容如圖6、圖7所述。
[0030]作為本發(fā)明的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器的進(jìn)一步改進(jìn):
[0031]切換開關(guān)K為P溝道M0SFET、N溝道M0SFET。
[0032]作為本發(fā)明的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器的進(jìn)一步改進(jìn):
[0033]所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)由儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成；
[0034]開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由有源開關(guān)M，電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成；
[0035]切換開關(guān)K是一單向開關(guān)(即是由一雙向開關(guān)與二極管并聯(lián)構(gòu)成的)；例如為P溝道 MOSFET 或 N 溝道 MOSFET ；
[0036]有源開關(guān)M是一單向開關(guān)，例如為N溝道MOSFET。
[0037]上述內(nèi)容如圖8所述。
[0038]在本發(fā)明中，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)控制模塊A是根據(jù)二極管整流橋的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律來控制何時并以可控的充電電流向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的儲能電容儲能；開關(guān)控制模塊A是根據(jù)二極管整流橋的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律控制切換開關(guān)K來控制有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的儲能電容何時向后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流電流變換器)提供能量，以使后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流變換器)能夠有足夠的輸入電壓而輸出相應(yīng)的輸出功率，并使整個系統(tǒng)在滿足相應(yīng)指標(biāo)的條件下達(dá)到盡可能高的功率因數(shù)和效率。
[0039]從市電交流經(jīng)二極管整流橋的輸出看(如圖4所示)，其輸出電壓Vin是由零以正弦的規(guī)律增大到市電交流的峰值再由峰值以正弦的規(guī)律減小到零，這樣以兩倍市電交流頻率周而復(fù)始。顯然對后續(xù)開關(guān)功率變換器的直流-直流變換器所需要的最低輸入電壓Vin min而言，當(dāng)二極管整流橋的輸出電壓Vin自最低輸入電壓Vin min到峰值電壓時，這直流-直流變換器是能輸出相應(yīng)的輸出功率，并且二極管整流橋的輸出電壓Vin也對有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)儲存能量。而當(dāng)二極管整流橋的輸出電壓Vin自零到最低輸入電壓Vin min時，這直流-直流變換器沒有足夠的輸入電壓而不能輸出相應(yīng)的輸出功率。為了使二極管整流橋的輸出電壓Vin自零到最低輸入電壓Vin MIN期間，后續(xù)開關(guān)功率變換器能有足夠的輸入電壓而輸出相應(yīng)的輸出功率，有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)中的切換開關(guān)K需要開啟，使得有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)向這后續(xù)開關(guān)功率變換器(直流-直流變換器)提供所需的輸入電壓，以保證這后續(xù)開關(guān)功率變換器能輸出相應(yīng)的輸出功率，而此時二極管整流橋的輸出功率為零。
[0040]在本發(fā)明中，有源非線性電容網(wǎng)由于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)控制模塊A是根據(jù)二極管整流橋的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律來控制何時并以可控的充電電流向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的儲能電容儲能，這使得這充電電流與后續(xù)開關(guān)功率變換器的輸入電流疊加為二極管整流橋的輸出電流，這使得二極管整流橋的輸入交流電流的諧波電流減小，功率因數(shù)大于
0.9成為可能。
[0041]在本發(fā)明中，這可控的充電電流僅僅是用來補(bǔ)充這儲能電容所釋放掉的電荷。由電荷與電流、時間的關(guān)系可知，對固定的電荷量而言，這充電電流越低，其充電時間越長；這正是所期待的以進(jìn)一步提高功率因數(shù)。這充電電流可以根據(jù)二極管整流橋的輸出電壓Vin進(jìn)行簡單的開環(huán)控制來達(dá)到。
[0042]如圖4所示，由于在區(qū)間Y，二極管整流橋的輸出直接供電到后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)，這是一級功率電路來完成輸入輸出轉(zhuǎn)換，這是高效率的。區(qū)間Y占整個周期的相當(dāng)大的比例。在區(qū)間Y，二極管整流橋的輸出也向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)存儲能量。僅在區(qū)間X，有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)對后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)供電。由于有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)存儲能量的操作，這可看作兩級功率電路來完成輸入輸出轉(zhuǎn)換，該級效率比區(qū)間Y —級功率電路來完成的輸入輸出轉(zhuǎn)換效率低些。但區(qū)間X僅占整個周期的相當(dāng)小的比例，這樣總體系統(tǒng)的效率是相當(dāng)高的。
[0043]從后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)的轉(zhuǎn)換效率和輸入電壓關(guān)系看，一般來講，平均輸入電壓越高，對應(yīng)的后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)轉(zhuǎn)換效率越高。在本發(fā)明中，由于在區(qū)間Y，二極管整流橋的輸出向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)存儲能量，這儲能電容的電壓已達(dá)到其極值。在區(qū)間X時，有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)對后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)供電，后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)的輸入電壓是這儲能電容電壓；這儲能電容電壓自其極值減小。將區(qū)間Y和區(qū)間X后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)的輸入電壓平均，可看出這后續(xù)開關(guān)功率變換器(即直流-直流變換器)的平均輸入電壓，也就是本發(fā)明的有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)的平均輸出電壓，是高于現(xiàn)有的無源填谷功率因數(shù)校正電路的平均輸出電壓。這使得整個系統(tǒng)在滿足相應(yīng)指標(biāo)的條件下達(dá)到盡可能高的功率因數(shù)和效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0045]圖1是無源填谷式的交直流變換器圖(屬于現(xiàn)有技術(shù));
[0046]圖2是已有的“有源填谷式交直流變換器”圖；
[0047]圖3是本發(fā)明的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器的方框圖；
[0048]圖4是二極管整流橋I的隨時間變化的輸出電壓VIN圖；
[0049]圖5是實施例1所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器電路圖；[0050]圖6是實施例2所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器電路圖；
[0051]圖7是實施例3所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器電路圖；
[0052]圖8是實施例4所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器電路圖。
【具體實施方式】
[0053]實施例1、一種高功率因數(shù)有源填谷交直流變換器，如圖5所示:包括二極管整流橋1、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2和后續(xù)開關(guān)功率變換器3。
[0054]一、二極管整流橋I由4個二極管組成(為常規(guī)技術(shù))。
[0055]二、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2具體是由儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成。
[0056]開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是由有源開關(guān)M，電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成。切換開關(guān)K是一雙向開關(guān)。
[0057]有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2的電連接關(guān)系為:儲能電容C與切換開關(guān)K相串聯(lián)，形成一個支路；續(xù)流二極管D與有源開關(guān)M相串聯(lián)，形成另一個支路；上述2個支路相互并聯(lián)；上述2個支路的中間點通過電感L相連；
[0058]有源開關(guān)M是由二極管與N溝道MOSFET串聯(lián)構(gòu)成的一單向開關(guān)；
[0059]開關(guān)控制模塊A受控于二極管整流橋I的輸出電壓VIN，當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin小于Vmin時(對應(yīng)X區(qū)間)，驅(qū)動切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器3供電，同時，當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin大于VIN_MIN時(對應(yīng)Y區(qū)間)，開關(guān)控制模塊A輸出開關(guān)頻率PWM占空比隨二極管整流橋I的輸出電壓Vin變化的控制信號驅(qū)動控制有源開關(guān)M。
[0060]開關(guān)控制模塊A是由比較器、以及對應(yīng)的P溝道或N溝道MOSFET驅(qū)動電路構(gòu)成；此開關(guān)控制模塊A的設(shè)計屬于常規(guī)技術(shù)。
[0061]有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2的充電回路是由儲能電容C、有源開關(guān)M、電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成。有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2的放電回路是由切換開關(guān)K和儲能電容C構(gòu)成。
[0062]在充電回路中(對應(yīng)圖4所示的Y區(qū)間)，由于有源開關(guān)M，電感L和續(xù)流二極管D的作用限制并控制了這儲能電容C的最大充電電流；對儲能電容C放電之后所需補(bǔ)充的充電電荷而言，所需充電電流脈寬增加。這是十分有利于提高這交直流變換器的輸入功率因數(shù)。根據(jù)二極管整流橋I的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律，有源開關(guān)M受開關(guān)控制模塊A以設(shè)定的占空比控制。這使得充電電流在合適時刻開啟產(chǎn)生對應(yīng)的充電電流。這儲能電容C的充電電流與后續(xù)開關(guān)功率變換器3的輸入電流疊加形成二極管整流橋I的輸出電流。由于有源開關(guān)M的控制作用，對應(yīng)圖4所示的Y區(qū)間內(nèi)二極管整流橋I的輸出電流可以接近為平直電流。
[0063]上述設(shè)定的控制規(guī)律具體為:當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin小于VIN_MIN時(對應(yīng)X區(qū)間)，切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器3供電，同時，當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin大于VIN_MIN時(對應(yīng)Y區(qū)間)，開關(guān)控制模塊A輸出開關(guān)頻率PWM占空比隨二極管整流橋I的輸出電壓Vin變化的控制信號控制有源開關(guān)M。
[0064]在放電回路中(對應(yīng)圖4所示的X區(qū)間)，低儲能電容C經(jīng)切換開關(guān)K，向后續(xù)開關(guān)功率變換器3 (即直流-直流變換器)供電；對應(yīng)圖4所示的X區(qū)間內(nèi)二極管整流橋I的輸出電流為零。
[0065]由于對應(yīng)圖4所示的Y區(qū)間內(nèi)二極管整流橋I的輸出電流接近為平直電流和X區(qū)間內(nèi)二極管整流橋I的輸出電流為零，因此，二極管整流橋I的交流輸入功率因數(shù)將大于
0.95。
[0066]在實施例1中，儲能電容C的充電電路是由有源開關(guān)M、電感L和二極管D構(gòu)成，儲能電容C的充電電路有相應(yīng)的開關(guān)損耗沒有任何大的導(dǎo)通損耗；并且這開關(guān)損耗是隨著儲能電容C的電壓增加而減少。儲能電容C的充電電路的效率是相當(dāng)高的。
[0067]三、在本實施例中，后續(xù)開關(guān)功率變換器3選用現(xiàn)有的直流-直流變換器，可根據(jù)輸入輸出電壓的關(guān)系選用升降壓、升壓、降壓的功率變換器。
[0068]二極管整流橋1、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2和后續(xù)開關(guān)功率變換器3相互并聯(lián)連接。
[0069]在實施例1中，由于儲能電容C充電電路的高效率，儲能電容C值可以選擇足夠大(例如可以大于IOOuF)滿足各種要求。
[0070]實施例2、
[0071]但由于在實施例1中，儲能電容C充電電路需要有源開關(guān)M、電感L和續(xù)流二極管D，這提高了整個系統(tǒng)的成本及復(fù)雜性。在節(jié)能燈、LED照明等功率較小、成本敏感的產(chǎn)品中，也是可以使用本發(fā)明來實現(xiàn)低成本高功率因數(shù)有源填谷交直流變換器。由于節(jié)能燈、LED照明等功率較小，這有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2中的儲能電容C值可以選擇比較低的值，如
0.1uF?4.7uF之間電容值。電容器有許多種類；除了電解電容外還有薄膜電容，陶瓷介質(zhì)電容等等。電解電容的壽命是受其工作的環(huán)境溫度影響。環(huán)境溫度每增加十度，電解電容的壽命縮短一倍。薄膜電容和陶瓷介質(zhì)電容的壽命是很長的，并不隨溫度的增加而減少。但薄膜電容和陶瓷介質(zhì)電容的單位體積的容量(如:0.1uF?4.7uF)遠(yuǎn)小于電解電容的單位體積的容量(如:10uF?470uF)。如果能使用薄膜電容和陶瓷介質(zhì)電容來充當(dāng)儲能元件,這樣可以保證相應(yīng)的高功率因數(shù)有源填谷交直流變換器能工作在高工作環(huán)境溫度下而沒有壽命問題。
[0072]實施例2給出使用低儲能電容的高功率因數(shù)有源填谷交直流變換器。
[0073]具體方案如下:
[0074]一種高功率因數(shù)有源填谷交直流變換器，如圖6所示:包括二極管整流橋1、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2和后續(xù)開關(guān)功率變換器3。
[0075]一、二極管整流橋I由4個二極管組成(為常規(guī)技術(shù))。
[0076]二、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2具體是由低儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成。
[0077]切換開關(guān)K是一單向開關(guān)，即是由一雙向開關(guān)與二極管并聯(lián)構(gòu)成的。對常用的MOSFET而言，由于其寄生的體二極管的作用，常用的MOSFET是一種合適的單向開關(guān)。在實施例2中，常用的P溝道MOSFET用來作為切換開關(guān)K。在實施例3中，常用的N溝道MOSFET用來作為切換開關(guān)K。
[0078]有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2的電連接關(guān)系為:低儲能電容C與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、切換開關(guān)K依次串聯(lián)；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是由串聯(lián)電阻R和反并二極管D并聯(lián)所構(gòu)成。
[0079]開關(guān)控制模塊A受控于二極管整流橋I的輸出電壓VIN，當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin小于Vmin時(對應(yīng)X區(qū)間)，驅(qū)動切換開關(guān)K開通，低儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器3供電。
[0080]開關(guān)控制模塊A是由比較器、以及對應(yīng)的P溝道或N溝道MOSFET驅(qū)動電路構(gòu)成；此開關(guān)控制模塊A的設(shè)計屬于常規(guī)技術(shù)。
[0081]這有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2的充電回路是由切換開關(guān)K，即MOSFET的體二極管、低儲能電容C和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)電阻R構(gòu)成；有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2的放電回路是由切換開關(guān)K、即M0SFET、低儲能電容C和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)電阻R的反并二極管D構(gòu)成。
[0082]在這充電回路中(對應(yīng)圖4所示的Y區(qū)間)，二極管整流橋I輸出電壓Vin是以正弦規(guī)律增加，由于串聯(lián)電阻R的作用，對低儲能電容C放電之后所需補(bǔ)充的充電電荷而言，可選擇合適的電阻值R限制這低儲能電容C的最大充電電流；能使所需充電電流脈寬增加。這是十分有利于提高這交直流變換器的輸入功率因數(shù)。由于串入的串聯(lián)電阻R限制了這低儲能電容C的最大充電電流，這也在這串聯(lián)電阻R上產(chǎn)生了對應(yīng)充電電流的功耗。由于這電流值及持續(xù)時間所相對應(yīng)的功耗對這交直流變換器的輸入功率而言相當(dāng)?shù)停@對交直流變換器的效率影響不大，而這串聯(lián)電阻R對提高這交直流變換器的輸入功率因數(shù)影響相當(dāng)大?？蛇x擇合適的低儲能電容C值和電阻值R使電阻R功耗不大，而二極管整流橋I的交流輸入功率因數(shù)大于0.9。
[0083]在放電回路中(對應(yīng)圖4所示的X區(qū)間)，低儲能電容C經(jīng)切換開關(guān)K，即MOSFET和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中反并聯(lián)的二極管D向后續(xù)開關(guān)功率變換器3 (即直流-直流變換器)供電；由于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中與串聯(lián)電阻R反并二極管D旁路了串聯(lián)電阻R，這放電電流不在這串聯(lián)電阻R上產(chǎn)生功耗。
[0084]開關(guān)控制模塊A根據(jù)二極管整流橋I的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律控制切換開關(guān)K何時開通關(guān)斷，而使得有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2相應(yīng)地向后續(xù)開關(guān)功率變換器3提供輸入功率或不提供輸入功率。由于切換開關(guān)K是低頻開關(guān)操作，這對應(yīng)的P溝道或N溝道MOSFET驅(qū)動電路可以以電流源驅(qū)動P溝道或N溝道MOSFET的連接?xùn)艠O和源極的電阻建立驅(qū)動電壓方式，來控制對應(yīng)的P溝道或N溝道MOSFET開通或關(guān)斷。這電流源是可用來承受和完成對應(yīng)的P溝道或N溝道MOSFET浮動工作的電平移動。
[0085]上述設(shè)定的控制規(guī)律具體為:當(dāng)二極管整流橋I的輸出電壓Vin小于VIN_MIN時(對應(yīng)X區(qū)間)，切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器3供電。
[0086]三、在本實施例中，后續(xù)開關(guān)功率變換器3選用現(xiàn)有的直流-直流變換器，可根據(jù)輸入輸出電壓的關(guān)系選用升降壓、升壓、降壓的功率變換器。
[0087]二極管整流橋1、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2和后續(xù)開關(guān)功率變換器3相互并聯(lián)連接。
[0088]相對實施例1，有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)2的充電回路的有源開關(guān)M、電感L和二極管D在實施例2中是由低成本的一串聯(lián)電阻R和一反并二極管D這樣的無源網(wǎng)絡(luò)替換。雖然串聯(lián)電阻R上產(chǎn)生了對應(yīng)充電電流的功耗，這對這交直流變換器的效率影響不大，而這串聯(lián)電阻R對提高這交直流變換器的輸入功率因數(shù)影響相當(dāng)大。
[0089]實施例3、如圖7所示、使用常用的N溝道MOSFET作為切換開關(guān)K (而在實施例2中為P溝道M0SFET);其余等同于實施例2。
[0090]實施例4、如圖8所示，將實施例2的切換開關(guān)K的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到實施例1中，可使用常用的P溝道MOSFET作為切換開關(guān)K，并可省去有源開關(guān)M中的串聯(lián)二極管。這使得這電路更方便于實際應(yīng)用。[0091] 最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，其特征是:由二極管整流橋(I)、有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)以及后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)組成；二極管整流橋(I)的輸出分別向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)和后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)供電；有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的輸出是受控供電給后續(xù)開關(guān)功率變換器(3 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，其特征是: 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)是由儲能電容C和有源開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成；所述有源開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A、切換開關(guān)K組成；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和開關(guān)控制模塊A是根據(jù)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律來控制何時開關(guān)并以可控的充電電流向有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的儲能電容C儲能；開關(guān)控制模塊A是根據(jù)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin及設(shè)定的控制規(guī)律控制切換開關(guān)K來控制有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的儲能電容C何時向后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)提供能量，以使后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)能夠有足夠的輸入電壓而輸出相應(yīng)的輸出功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，其特征是: 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)由儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成； 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由有源開關(guān)M、電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成； 切換開關(guān)K是一雙向開關(guān)； 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò) (2)的電連接關(guān)系為:儲能電容C與切換開關(guān)K相串聯(lián)，形成一個支路；續(xù)流二極管D與有源開關(guān)M相串聯(lián)，形成另一個支路；上述2個支路相互并聯(lián)；上述2個支路的中間點通過電感L相連；有源開關(guān)M是由二極管與N溝道MOSFET/P溝道MOSFET串聯(lián)構(gòu)成的一單向開關(guān)；開關(guān)控制模塊A受控于二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin，當(dāng)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin小于Vimin時，驅(qū)動切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)供電，同時，當(dāng)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin大于V麗N時，開關(guān)控制模塊A輸出開關(guān)頻率PWM占空比隨二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin變化的控制信號驅(qū)動控制有源開關(guān)M ； 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的充電回路是由儲能電容C、有源開關(guān)M、電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成；所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的放電回路是由切換開關(guān)K和儲能電容C構(gòu)成； 設(shè)定的控制規(guī)律為:當(dāng)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin小于VIN_MIN時，切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)供電；且，當(dāng)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin大于Vimin時，開關(guān)控制模塊A輸出開關(guān)頻率PWM占空比隨二極管整流橋(I)的輸出電壓Vra變化的控制信號控制有源開關(guān)M。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，其特征是: 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)由低儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成； 切換開關(guān)K是一單向開關(guān)； 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的電連接關(guān)系為:低儲能電容C與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、切換開關(guān)K依次串聯(lián)；所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由串聯(lián)電阻R和反并二極管D并聯(lián)構(gòu)成； 開關(guān)控制模塊A受控于二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin，當(dāng)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin小于VIN_MIN時，驅(qū)動切換開關(guān)K開通，低儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)供電； 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的充電回路是由切換開關(guān)K、低儲能電容C和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的串聯(lián)電阻R構(gòu)成；所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)的放電回路是由切換開關(guān)K、低儲能電容C和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中串聯(lián)電阻R的反并二極管D構(gòu)成； 設(shè)定的控制規(guī)律具體為:當(dāng)二極管整流橋(I)的輸出電壓Vin小于Vimin時，切換開關(guān)K開通，儲能電容C向后續(xù)開關(guān)功率變換器(3)供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，其特征是: 所述切換開關(guān)K為P溝道MOSFET或N溝道MOSFET。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率因數(shù)有源填谷式交直流變換器，其特征是: 所述有源非線性電容網(wǎng)絡(luò)(2)由儲能電容C、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)控制模塊A和切換開關(guān)K組成； 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由有源開關(guān)M，電感L和續(xù)流二極管D構(gòu)成； 切換開關(guān)K是一單向開關(guān)； 有源開關(guān)M是一單向 開關(guān)。
【文檔編號】H02M1/42GK103762868SQ201410048956
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】翁大豐, 魏其萃 申請人:魏其萃