無(wú)橋式pfc交流直流電源變換器的制造方法
【專利摘要】一種高效率的單級(jí)式交流-直流電源變換器電路。該電路省去傳統(tǒng)電路中所使用的整流橋，而且僅使用一級(jí)變換電路直接把單相或者三相工頻交流輸入轉(zhuǎn)換成對(duì)稱的高頻激勵(lì)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)變壓器，再通過(guò)次級(jí)整流和濾波電路轉(zhuǎn)換成直流輸出。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中通過(guò)特定的開關(guān)控制方法使得交流輸入電流跟隨正弦輸入電壓波形同步變化，在控制輸出調(diào)節(jié)的過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整功能。
【專利說(shuō)明】無(wú)橋式PFC交流直流電源變換器 背景介紹 發(fā)明所屬領(lǐng)域
[0001] 本專利是屬于電源變換領(lǐng)域里的一項(xiàng)發(fā)明，更具體地說(shuō)是一種不用整流橋而可以 完成功率因數(shù)調(diào)整（PFC)和直流變換功能的交流直流電源變換器電路結(jié)構(gòu)和相關(guān)的控制 操作方法。該種變換器結(jié)構(gòu)使用單級(jí)變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整和直流電源變換功能， 具有高效率和低成本的優(yōu)點(diǎn)。 相關(guān)領(lǐng)域的描沭
[0002] 隨著日益迫切的環(huán)境保護(hù)的需求人們?cè)絹?lái)越廣泛地要求在各個(gè)領(lǐng)域使用綠色能 源。這在電能使用領(lǐng)域里勢(shì)必要求用電設(shè)備和電能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)一步提高效率并消耗盡量少 的零件和材料。另一個(gè)勢(shì)在必行的要求則是對(duì)交流用電裝置的功率因數(shù)的提高以提高裝機(jī) 容量利用率并減少電能的傳輸損耗。在我們的日常生活中眾多的半導(dǎo)體電子設(shè)備都需要有 一個(gè)把交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能的電源變換裝置以便于從交流市電網(wǎng)絡(luò)取得操作所需的 直流電能。在這種情形下，如果能設(shè)計(jì)制造出一個(gè)高效率，低成本，低材料消耗并具有功率 因數(shù)調(diào)節(jié)的交流-直流電源變換器，其對(duì)人們所帶來(lái)的廣泛的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價(jià)值是顯而易見 的。
[0003] 目前具有功率因數(shù)調(diào)整功能（PFC)的交流-直流電源變換器通常采用兩種普遍的 做法。在小功率應(yīng)用時(shí)可以使用單級(jí)反激變換電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整和直流電壓變換 的雙重功能，其典型電路結(jié)構(gòu)如圖1(A)所示。在圖一中交流輸入電壓經(jīng)整流橋B1整流后 成為正弦脈動(dòng)直流電壓VI，如圖1(B)中所示，再經(jīng)電容器C1進(jìn)行濾波。這里C1的電容量 特意地選得比較小，只是濾去反激開關(guān)Q1高頻操作所產(chǎn)生的紋波，對(duì)VI的工頻正弦波形不 造成影響。反激開關(guān)Q1的高頻開關(guān)操作通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)控制電流II的峰值包絡(luò)線跟隨VI 的脈動(dòng)正弦波形，如圖1 (B)所示，而輸出電壓的大小則通過(guò)II包絡(luò)線的幅值大小來(lái)進(jìn)行調(diào) 節(jié)。注意圖案（B)中的脈動(dòng)正弦波形VI主要是為了說(shuō)明II的電流調(diào)制原理，并不具有具 體幅值的意義。這種電路使用元件少，成本低，但效率比較低，所以通常只適用于功率較小 的場(chǎng)合。
[0004] 在用電功率較大時(shí)交流-直流電源變換器一般都需要采用雙端式變換電路如半 橋或全橋式直流變換電路配以獨(dú)立的功率因數(shù)調(diào)整（PFC)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能。這樣的典 型電路如圖2所示。在圖2電路中電子開關(guān)Q11，電感L11，二極管D11和電容C11組成了 功率因數(shù)調(diào)整電路。電子開關(guān)Q11的開關(guān)操作通過(guò)脈寬調(diào)制使得II，也即電感L11的電流 波形的包絡(luò)線跟隨整流后的直流脈動(dòng)正弦電壓波形。這里C1同樣取較小的值而不至于影 響VI的工頻脈動(dòng)正弦波形。這樣從整流橋BG1交流輸入端AC1，AC2所輸入的交流電流自 然也維持正弦波形并且與輸入電壓同相，從而可以使功率因數(shù)達(dá)到接近于1的理想狀態(tài)。 圖2中的直流變換部分使用由Q1和Q2所組成的半橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)變壓器TF1，TF1的次級(jí)繞 組輸出經(jīng)D1和D2整流后從C2兩端輸出直流電壓。除了半橋電路以外，其它電路結(jié)構(gòu)如全 橋，推挽電路等均可用來(lái)完成DC-DC變換功能。
[0005] 圖1所示電路的工作效率一般比較低。一方面是因?yàn)榉醇る娮娱_關(guān)Q1工作在高壓 硬開關(guān)工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)狀態(tài)從關(guān)斷轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)由于漏極和源極間電位差從高壓突 變到接近于零，源漏極間寄生電容的高壓儲(chǔ)能在極短的瞬間通過(guò)開關(guān)本身強(qiáng)迫放電，其能 量全部消耗在開關(guān)管內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能。這樣既降低效率，又增加管子發(fā)熱，同時(shí)也產(chǎn)生較強(qiáng) 的電磁輻射。另一個(gè)因素是變壓器的漏電感能量損耗。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)電磁能量隨著變壓器 TX1初級(jí)繞組510電流的增加逐漸建立起來(lái)。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)儲(chǔ)存于偶合電感中的電磁能量通 過(guò)磁路耦合到次級(jí)繞組并使整流二極管D2導(dǎo)通向輸出端供電。儲(chǔ)存于漏電感中的能量由 于無(wú)法耦合到次級(jí)去而只好通過(guò)Q1的源漏極間電容維持流通并通過(guò)充電把能量轉(zhuǎn)移到源 漏電容上去。在這種情況下Q1的漏極電壓可能沖得很高，甚至造成Q1過(guò)電壓擊穿。為了 抑制這種電壓過(guò)沖現(xiàn)象，通常不得不采用吸收電路來(lái)吸收并消耗這部份漏感能量。圖1中 的R3、C3網(wǎng)絡(luò)即是一種最簡(jiǎn)單的吸收電路。在實(shí)際應(yīng)用中還有多種不同的吸收電路設(shè)計(jì)。 這些電路為眾所周知，故這里不予贅述。由于上述因素反激式電路的效率一般比較低，故而 只適用于小功率應(yīng)用。圖2所示電路效率相對(duì)比較高，但因?yàn)槭褂脙杉?jí)變換電路，成本比較 高，由于各級(jí)電路都要產(chǎn)生損耗，效率的提高也有很大的限制。另外在圖1和圖2所示電路 中都需要在輸入端使用整流橋BG1把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，整流橋的電壓降也造成額 外損耗并增加成本。基于上述原因，本發(fā)明提出了一種高效率的交流-直流電源變換器電 路，用比較簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)通過(guò)獨(dú)特的操作控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)變換器所需要的功能，并 且提高系統(tǒng)的工作效率，降低產(chǎn)品的材料使用和成本，對(duì)于像電動(dòng)汽車充電器、焊接電源等 較大功率的應(yīng)用有明顯的優(yōu)勢(shì)。 本發(fā)明的總結(jié)
[0006] 本發(fā)明提出了一種高效率的單級(jí)式交流-直流電源變換器電路。電路中省去傳統(tǒng) 電路所使用的整流橋，并且簡(jiǎn)化了變換電路的電路結(jié)構(gòu)。在單相輸入的情況下使用單級(jí)變 換電路直接把工頻交流輸入轉(zhuǎn)換成對(duì)稱的高頻激勵(lì)信號(hào)，再通過(guò)變壓器及次級(jí)整流電路轉(zhuǎn) 化成直流輸出，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整功能。在三相輸入的情況下使用同 樣的原理用單級(jí)變換電路直接把三相工頻交流輸入轉(zhuǎn)換成三組對(duì)稱的高頻激勵(lì)信號(hào)，再通 過(guò)對(duì)應(yīng)的變壓器及次級(jí)整流電路轉(zhuǎn)化成直流輸出，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中也同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào) 節(jié)功能。另外本發(fā)明還提供了一種不使用整流橋的三相功率因數(shù)調(diào)整電路以及相應(yīng)的操作 原理。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1所示為一個(gè)典型的反激式綜合功能交流-直流變換器電路結(jié)構(gòu)。 圖2所示為一典型的有單獨(dú)功率因數(shù)調(diào)節(jié)電路的交流-直流變換電路結(jié)構(gòu)。 圖3描述了一種在單相輸入時(shí)使用單級(jí)變換電路實(shí)現(xiàn)有PFC功能的交流-直流變換器 的電路結(jié)構(gòu)及其操作原理。 圖4描述了一種在三相輸入時(shí)使用單級(jí)變換電路實(shí)現(xiàn)有PFC功能的交流-直流變換器 的電路結(jié)構(gòu)及其操作原理。 圖5描述了一種在三相輸入時(shí)使用單級(jí)變換電路實(shí)現(xiàn)有PFC功能的交流-直流變換器 的電路結(jié)構(gòu)及其另一種操作方法。 圖6描述了一種三相無(wú)橋式PFC電路的結(jié)構(gòu)以及其操作原理。 發(fā)明的詳細(xì)描沭
[0008] 圖3 (A)概念性地描述了在單相輸入的情況下使用單級(jí)變換電路直接實(shí)現(xiàn)功率因 數(shù)調(diào)節(jié)和隔離型直流電壓變換的電路結(jié)構(gòu)。如圖中所示，開關(guān)電路由兩條類似于半橋電路 的橋臂組成；每條橋臂分別由兩個(gè)N型M0SFET電子開關(guān)管Q1、Q2和Q3、Q4串聯(lián)組成，上管 的源極和下管的漏極相連接形成開關(guān)結(jié)點(diǎn)；變壓器TF1的初級(jí)繞組510和諧振電容C3串聯(lián) 后跨接在兩個(gè)開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間；交流輸入的兩個(gè)端口 AC1、AC2不通過(guò)整流橋直接連接到兩個(gè) 橋臂的上管Q1和Q3的漏極，兩個(gè)橋臂的下管Q2和Q4的源極則直接連接在一起。變壓器 TF1的次級(jí)繞組520的輸出經(jīng)全波整流二極管D1、D2整流后再經(jīng)過(guò)L1和C2所組成的濾波 電路濾波后在C2的兩端形成直流輸出電壓。在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)需要在電路中使用電流檢 測(cè)元件來(lái)檢測(cè)電流，因?yàn)檫@一點(diǎn)屬于公知常識(shí)，所以這里不予贅述。圖中的次級(jí)整流電路也 可以用全橋整流電路，因?yàn)檫@一點(diǎn)也屬于公知常識(shí)，所以也不予贅述。
[0009] 圖3(B)和圖3(C)概念性地描述了兩種不同的電路開關(guān)操作波形。其中VG1、VG2、 VG3、VG4分別為其所對(duì)應(yīng)的電子開關(guān)管的門極控制信號(hào)波形。在圖3(B)所描述的操作波 形中兩個(gè)上管Q1和Q3同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)下管Q2和Q4也同時(shí)導(dǎo)通而且和Ql、Q3的開關(guān)操作 成互補(bǔ)狀態(tài)，也即當(dāng)Q1和Q3導(dǎo)通時(shí)Q2和Q4截止，當(dāng)Q1和Q3截止時(shí)Q2和Q4導(dǎo)通。在實(shí) 際操作中上管和下管交換開關(guān)狀態(tài)時(shí)插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間以防止由開關(guān)管關(guān)斷延遲時(shí)間而 引起的瞬時(shí)短路現(xiàn)象。死區(qū)時(shí)間的設(shè)定原則是在上一個(gè)半周導(dǎo)通開關(guān)的門控信號(hào)由高變低 時(shí)，下一個(gè)半周要導(dǎo)通的開關(guān)的門控信號(hào)在延遲了一個(gè)死區(qū)時(shí)間后才由低變高。此概念為 本領(lǐng)域中的專業(yè)人士所熟知，所以在圖3(B)和圖3(C)的操作波形中死區(qū)時(shí)間沒有表示出 來(lái)，以使得操作原理波形更清晰易懂。
[0010] 圖3(B)和圖3(C)所描述的電路的開關(guān)操作頻率范圍通常為幾十千赫到幾百千 赫，遠(yuǎn)高于輸入交流的工頻頻率，故爾從AC1和AC2兩端輸入的工頻交流電壓對(duì)于電路的開 關(guān)操作而言相當(dāng)于幅值和極性在緩慢變化的直流信號(hào)。當(dāng)上管Q1和Q3導(dǎo)通時(shí)變壓器TF1 的初級(jí)繞組510受到和AC1、AC2輸入的電壓極性相應(yīng)的激勵(lì)。當(dāng)Ql、Q3關(guān)斷而Q2、Q4導(dǎo) 通時(shí)，電容C3通過(guò)Q2、Q4對(duì)初級(jí)繞組510進(jìn)行放電，使初級(jí)繞組510受到反方向的激勵(lì)，整 個(gè)周期的過(guò)程和半橋電路的操作相似。因?yàn)閺腁C1和AC2兩端輸入的電壓在每半周期內(nèi)對(duì) 電路的開關(guān)操作而言相當(dāng)于幅值緩變的直流，C3兩端的電壓能夠始終跟隨輸入電壓的變化 而且平均值保持在輸入電壓幅值的一半左右，使得變壓器TF1的初級(jí)繞組510得到和電路 開關(guān)操作頻率一致的對(duì)稱交流激勵(lì)。當(dāng)輸入工頻電壓的極性轉(zhuǎn)換到另一個(gè)半周時(shí)，C3兩端 的電壓極性也會(huì)通過(guò)電路的開關(guān)操作隨著輸入電壓的極性轉(zhuǎn)換，電路的半橋操作的極性也 隨之轉(zhuǎn)換。這樣只要按照?qǐng)D3(B)所示的波形來(lái)控制電路的操作，電路就會(huì)維持在半橋操作 的狀態(tài)，而且變壓器TF1的初級(jí)繞組的激勵(lì)電壓的極性會(huì)隨著工頻交流輸入的極性而同時(shí) 改變。當(dāng)輸入電壓的AC1端口為正時(shí)，C3兩端的電壓為左正右負(fù)；當(dāng)輸入電壓的AC2端口 為正時(shí)，C3兩端的電壓為左負(fù)右正。變壓器的初級(jí)繞組的激勵(lì)電壓和四個(gè)電子開關(guān)的操作 相對(duì)應(yīng)的極性也隨著自動(dòng)改變，這樣在不使用整流橋的情況下，直接完成從交流輸入到直 流輸出的電壓轉(zhuǎn)換。
[0011] 在圖3(B)所示的操作波形中Q1、Q3和Q2、Q4都工作在接近開關(guān)周期的50%的最 大占空比狀態(tài)，通過(guò)改變電路的工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在工作過(guò)程中變壓器初級(jí)繞組 和C3形成一個(gè)串聯(lián)諧振回路，其諧振頻率主要由初級(jí)繞組510的電感參數(shù)、C3的電容量和 次級(jí)負(fù)載通過(guò)變壓器反射到初級(jí)的等效阻抗來(lái)決定。電路的工作頻率一般在高于該諧振頻 率的區(qū)間變化，這樣使得諧振回路的阻抗始終處于電感性狀態(tài)，從而維持穩(wěn)定的開關(guān)操作。 該操作原理為本領(lǐng)域中的專業(yè)人士所熟知，所以在此不再詳述。在操作過(guò)程中當(dāng)工作頻率 由高向低越接近回路的諧振頻率，電路的電壓增益就越高；反之當(dāng)工作頻率越高而離諧振 頻率越遠(yuǎn)時(shí)，電路的電壓增益就越低。所以當(dāng)需要增加輸出時(shí)電路的工作頻率就向低端移 動(dòng)，當(dāng)需要減小輸出時(shí)電路的工作頻率就向高端移動(dòng)。利用這一頻率增益特性同時(shí)還能夠 隨著輸入電壓的幅值的變化通過(guò)調(diào)節(jié)電路的電壓增益來(lái)使得輸入電流lac的包絡(luò)線跟隨 輸入電壓的正弦波形同步變化，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整（PFC)的功能。
[0012] 在此需要強(qiáng)調(diào)，由于輸出電容C2上所存在的電壓，當(dāng)輸入電壓接近過(guò)零區(qū)間的時(shí) 候，變壓器次級(jí)繞組520的輸出電壓可能低于C2的電壓而使得D1和D2無(wú)法導(dǎo)通，造成在 輸入電壓過(guò)零區(qū)間附近由于變壓器輸出電流的衰減而使得輸入電流不能夠準(zhǔn)確跟隨輸入 電壓的波形。改善這種情況的措施是把電路的最大電壓增益設(shè)計(jì)得盡量高，因?yàn)檫@種諧振 式半橋電路的輸出電壓的幅值隨著電壓增益的增加成正比例增長(zhǎng)，所以隨著電壓增益的提 高輸入電流在輸入電壓過(guò)零區(qū)間附近無(wú)法準(zhǔn)確跟隨輸入電壓波形的范圍可以壓縮到很小。 這也是在本發(fā)明中使用諧振式半橋電路而不使用脈寬調(diào)制式半橋電路的原因。另外由于次 級(jí)濾波電感的續(xù)流作用，當(dāng)輸入電流在輸入電壓過(guò)零區(qū)間附近無(wú)法準(zhǔn)確跟隨輸入電壓波形 的范圍比較小的時(shí)候，變壓器的輸出電流仍然可以在一定程度上保持連續(xù)，通過(guò)反射使得 初級(jí)邊的輸入電流波形也更接近于輸入電壓的正弦波形。綜合上述措施的效應(yīng)，圖3(A)所 描述的電路在正常工作情況下功率因數(shù)能夠達(dá)到不低于96%的水平，在大多數(shù)應(yīng)用情況下 能夠滿足對(duì)功率因數(shù)的要求。
[0013] 圖3(C)所示為另一種電路操作波形。從圖中可見，和圖3(B)所示波形不同的是 在輸入交流電壓的正半周，也即AC1為正極性的半周區(qū)間，Q3和Q4處于連續(xù)全導(dǎo)通狀態(tài)， 而Q1和Q2保持和圖3(B)相同的開關(guān)操作。從圖中的電壓波形不難看出在輸入正半周區(qū) 間Q3和Q4的寄生二極管處于自然正偏置狀態(tài)，所以Q3和Q4的連續(xù)全導(dǎo)通狀態(tài)不影響電 路的開關(guān)控制，而且又能夠大大地降低電路的開關(guān)損耗。另一方面由于Q1和Q2的寄生二 極管在輸入正半周時(shí)處于自然反偏置狀態(tài)，Q1和Q2又始終不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，所以Q3和Q4的 連續(xù)全導(dǎo)通狀態(tài)不會(huì)造成輸入電壓由于Q1和Q2的開關(guān)操作通過(guò)Q3、Q4形成短路的現(xiàn)象。 同樣地，在輸入交流電壓的負(fù)半周，也即AC2為正極性的半周區(qū)間，Q1和Q2處于連續(xù)全導(dǎo) 通狀態(tài)，而Q3和Q4保持和圖3 (B)相同的開關(guān)操作，其原理和效果和輸入電壓正半周區(qū)間 的情形一樣，故不再贅述。圖3(A)中跨接在交流輸入端的電容C1主要用來(lái)吸收開關(guān)電路 操作時(shí)所產(chǎn)生的高頻紋波，其電容量在工頻頻率下對(duì)功率因數(shù)的影響可以忽略不計(jì)。
[0014] 圖4(A)描述了在三相交流輸入的情況下使用沒有整流橋的單級(jí)變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn) PFC功能和電壓變換功能的概念性原理電路。如圖中所示，開關(guān)電路由三條類似于半橋電路 的橋臂組成；每條橋臂分別由兩個(gè)N型M0SFET電子開關(guān)管Ql、Q2, Q3、Q4和Q5、Q6串聯(lián)組 成，橋臂的上管的源極和下管的漏極相連接形成開關(guān)結(jié)點(diǎn)；變壓器TF1、TF2和TF3的三個(gè)初 級(jí)繞組510分別和其響應(yīng)的諧振電容Cl、C2和C3串聯(lián)；串聯(lián)所形成的三條支路組成三角 形接法跨接在三條橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間，三個(gè)變壓器的參數(shù)和三個(gè)諧振電容的參數(shù)均分別 相同；三相交流輸入的三個(gè)端口 VA、VB和VC直接連接到三個(gè)橋臂的上管Q1、Q3和Q5的漏 極，三個(gè)橋臂的下管Q2、Q4和Q6的源極直接連接在一起。變壓器TF1、TF2和TF3的三個(gè)次 級(jí)繞組520按星形接法所形成的三個(gè)輸出端的電壓通過(guò)由Dl、D2, D3、D4和D5、D6所組成 的三相整流橋整流后再經(jīng)過(guò)L1和C8所組成的濾波電路濾波后在C8兩端形成直流輸出電 壓。這里需要說(shuō)明，變壓器TF1、TF2和TF3的三個(gè)次級(jí)繞組520也可以連接成三角形接法， 在輸出電壓相同的情況下繞組在兩種接法下所取的圈數(shù)不同。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)需 要在電路中使用電流檢測(cè)元件來(lái)檢測(cè)電流，因?yàn)檫@一點(diǎn)屬于公知常識(shí)，所以這里不予贅述。
[0015] 圖4(B)描述了該電路的一組操作波形。由圖可見，該電路的操作方法和圖3(B) 所描述的操作原理相同。電路的開關(guān)操作頻率范圍通常為幾十千赫到幾百千赫，遠(yuǎn)高于輸 入交流的工頻頻率。各橋臂的上管Ql、Q3、Q5和所對(duì)應(yīng)的下管Q2、Q4、Q6的開關(guān)操作成互 補(bǔ)狀態(tài)，而且都工作在接近開關(guān)周期的50 %的最大占空比狀態(tài)，和50 %的差值部分是死區(qū) 時(shí)間。上管和下管的交替導(dǎo)通使得變壓器TF1、TF2和TF3的三個(gè)初級(jí)繞組510在工頻交流 輸入下始終得到和開關(guān)頻率相對(duì)應(yīng)的對(duì)稱交流激勵(lì)，而激勵(lì)電壓的幅值和與開關(guān)管操作狀 態(tài)相對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電壓的極性則隨著工頻交流輸入電壓的幅值和極性而自然改變。電路的操 作同樣采用諧振式半橋操作。電路的工作頻率在高于變壓器和諧振電容所組成的串聯(lián)諧振 回路的諧振頻率的區(qū)間變化。通過(guò)工作頻率的變化控制電路的電壓增益和電流的幅值，從 而在調(diào)節(jié)輸出的同時(shí)也使三相輸入電流ΙΑ、IB和1C的包絡(luò)線跟隨其相應(yīng)的輸入電壓VA、 VB和VC的正弦波形同步變化，最終實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)和功率因數(shù)調(diào)整的雙重功能。
[0016] 如眾所周知，雖然三相系統(tǒng)的每一相的電壓和電流都是隨時(shí)間交流變化的，當(dāng)各 相的電壓和電流是對(duì)稱的正弦波時(shí)，其所提供的總功率是一個(gè)不隨時(shí)間變化的恒定值，所 以當(dāng)圖4 (A)所示電路的輸入電流ΙΑ、IB和1C的能夠跟隨其相應(yīng)的輸入電壓VA、VB和VC 的正弦波形同步變化時(shí)，電路向輸出端V0UT所提供的電流是一個(gè)只包含高頻開關(guān)紋波的 直流電流。這樣輸出端的濾波電感L1和濾波電容C8就可以取比較小的值來(lái)同樣滿足輸出 紋波的濾波要求。
[0017] 圖5㈧所描述的電路和圖4㈧一樣，主要為了方便參考對(duì)照?qǐng)D5(C)所描述的另 一種電路操作波形。和圖4(B)的操作波形相比較，在5(C)所描述的電路操作波形中各個(gè)橋 臂的上管和下管分別在與其輸入電壓相對(duì)應(yīng)的1/3個(gè)周期，也即120°電角度的范圍內(nèi)保 持全導(dǎo)通。如圖5(C)中所示，三相輸入電壓VA、VB和VC在負(fù)半周區(qū)間分別在ta、tb、和tc 時(shí)刻相交。在ta和tb區(qū)間VB始終負(fù)于VC和VA，在tb和tc區(qū)間VC始終負(fù)于VA和VB， 而在tc和ta區(qū)間VA始終負(fù)于VB和VC。這樣在ta和tb區(qū)間Q3和Q4的寄生二極管在 操作過(guò)程中處于自然正偏置狀態(tài)，而Q1和Q2、Q5和Q6的寄生二極管在這一區(qū)間處于自然 反偏置狀態(tài)，在操作中電流回路的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)際上通過(guò)Ql、Q2和Q5、Q6的開關(guān)控制來(lái)實(shí) 現(xiàn)，所以使Q3和Q4在此區(qū)間處于連續(xù)全導(dǎo)通狀態(tài)不影響電路的控制功能，而且又能夠大大 地降低電路的開關(guān)損耗。同時(shí)由于Q1和Q2以及Q5和Q6始終不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，所以即使Q3 和Q4在此區(qū)間處于連續(xù)全導(dǎo)通狀態(tài)也不會(huì)造成輸入電壓通過(guò)Q1和Q2以及Q5和Q6的開 關(guān)操作形成短路的現(xiàn)象。同樣道理，在tb和tc區(qū)間使Q5和Q6處于全導(dǎo)通狀態(tài)、tc和ta 區(qū)間Q1和Q2處于全導(dǎo)通狀態(tài)都不影響電路的開關(guān)操作控制而又能降低電路的開關(guān)損耗。 除此以外，該操作方法利用諧振式半橋電路的操作控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)和功率因數(shù)調(diào) 整的原理和上述圖4(B)的原理一樣，故不再贅述。這里需要進(jìn)一步說(shuō)明，和[0012]節(jié)所描 述的情形相同，該電路的功率因數(shù)在正常工作情況下能夠達(dá)到不低于96%的水平，在大多 數(shù)應(yīng)用情況下能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
[0018] 圖6㈧描述了另一種獨(dú)立的無(wú)橋式三相功率因數(shù)調(diào)整電路。如圖中所示，該電路 同樣不包含整流橋。主電路由三條橋臂組成，每條橋臂分別由一個(gè)二極管D1、D2、D3和相應(yīng) 的N型MOSFET電子開關(guān)管以、〇2、〇3、串聯(lián)組成；01、02、03的陽(yáng)極分別和叭、〇2、〇3漏極相 連接形成各條橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)，D1、D2和D3的陰極連在一起作為電路的正電壓輸出端，Q1、 Q2和Q3的源極連在一起作為電路的負(fù)電壓輸出端；濾波電容C2跨接在正電壓輸出端和負(fù) 電壓輸出端之間濾除輸出的電壓紋波；三相輸入電壓VA、VB和VC分別通過(guò)相應(yīng)的電感L1、 L2和L3接到相應(yīng)的橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)，三個(gè)電感的參數(shù)相同。電路通過(guò)Q1、Q2和Q3的開關(guān) 操作來(lái)同時(shí)控制輸入電流的包絡(luò)線和輸出電壓。
[0019] 圖6(B)和圖6(C)描述了該電路兩種不同的操作控制波形。在圖6(B)和（C)所 示波形中，VG1、VG2和VG3分別為Ql、Q2和Q3的門極控制信號(hào)波形。從圖6 (B)所示波形 中可見,在操作過(guò)程中Ql、Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷。當(dāng)Ql、Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電感 L1、L2和L3在輸入電壓的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)Q1、Q2和Q3所形成的通路建立起電流來(lái)存儲(chǔ)電磁能 量。當(dāng)Q1、Q2和Q3關(guān)斷時(shí)，電感電流在續(xù)流作用的推動(dòng)下通過(guò)二極管D1、D2、D3流向輸出 回路，把能量傳遞到輸出端。圖6(B)中所示的門極控制波形采用脈寬調(diào)制形式（PWM)，通過(guò) 導(dǎo)通脈沖的占空比來(lái)控制電感電流幅值的和輸出電壓的大小，而電路的開關(guān)操作在穩(wěn)態(tài)操 作時(shí)工作在固定頻率。在操作過(guò)程中當(dāng)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流不變時(shí)，Q1、Q2和Q3 的導(dǎo)通占空比保持相同而且恒定。由于電感在額定的電流范圍內(nèi)為近似線性元件，電感在 每個(gè)開關(guān)周期的充電電流幅值和輸入電壓的幅值和導(dǎo)通脈寬的乘積成正比。這樣當(dāng)Q1、Q2 和Q3工作在恒定的導(dǎo)通脈寬時(shí)電感電流的幅值就和輸入電壓的幅值成正比而跟隨輸入電 壓的幅值變化，自動(dòng)地形成和輸入電壓同相的正弦波包絡(luò)線，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整功能。
[0020] 圖6(C)描述了另一種不同的操作控制波形。和圖6(B)的操作波形相比較，在 6 (C)所描述的電路操作波形中Q1、Q2和Q3分別在與其輸入電壓相對(duì)應(yīng)的1/3個(gè)周期，也即 120°電角度的范圍內(nèi)保持全導(dǎo)通。如圖6(C)中所示，三相輸入電壓VA、VB和VC在負(fù)半周 區(qū)間分別在ta、tb、和tc時(shí)刻相交。在ta和tb區(qū)間VB始終負(fù)于VC和VA，在tb和tc區(qū) 間VC始終負(fù)于VA和VB，而在tc和ta區(qū)間VA始終負(fù)于VB和VC。這樣在ta和tb區(qū)間Q2 的寄生二極管在操作過(guò)程中處于自然正偏置狀態(tài)，而Q1和Q3的寄生二極管在這一區(qū)間處 于自然反偏置狀態(tài)，在操作中電流回路的導(dǎo)通和關(guān)斷實(shí)際上通過(guò)Q1和Q3的開關(guān)控制來(lái)實(shí) 現(xiàn)，所以使Q2在此區(qū)間處于連續(xù)全導(dǎo)通狀態(tài)不影響電路的控制功能，而且又能夠大大地降 低電路的開關(guān)損耗。同樣道理，在tb和tc區(qū)間使Q3處于全導(dǎo)通狀態(tài)、tc和ta區(qū)間Q1處 于全導(dǎo)通狀態(tài)都不影響電路的開關(guān)操作控制而又能降低電路的開關(guān)損耗。和在[0016]節(jié) 里所描述的情形相同，該電路和圖5(A)的電路一樣，在對(duì)稱三相輸入的情況下電路向輸出 端V0UT所提供的電流是一個(gè)只包含高頻開關(guān)紋波的直流電流，這樣輸出端濾波電容C2就 可以取比較小的值來(lái)滿足輸出紋波的濾波要求。
[0021] 以上的描述和相關(guān)圖示僅作為概念性例子來(lái)闡述本發(fā)明的原理。在實(shí)際應(yīng)用中遵 循同樣的原理而采用其他不同的電路形式同樣可以實(shí)現(xiàn)本專利所描述的功能和效果。因此 本發(fā)明的應(yīng)用在不違背其基本概念的情況下并不限于本文所描述的實(shí)現(xiàn)方法。為了敘述方 便，本文中的電子開關(guān)采用N型M0SFET進(jìn)行描述，在不違背本文所描述的原理的情況下使 用其它類型的電子開關(guān)元件也可以實(shí)現(xiàn)本文所描述的電路功能，所以在實(shí)施過(guò)程中所采用 的元器件也不限于本文所描述的類型。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有功率因數(shù)調(diào)整功能的單相無(wú)橋式電源變換器，其特征在于包含： 兩條分別由兩個(gè)電子開關(guān)串聯(lián)組成的橋臂，每條橋臂的上端電子開關(guān)的負(fù)電壓端和下 端電子開關(guān)的正電壓端相連接形成該橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)，兩條橋臂的下端電子開關(guān)的負(fù)電壓 端連接在一起；一個(gè)單相工頻正弦交流電源，該交流電源的兩個(gè)端口分別接到上述兩條橋 臂的上端電子開關(guān)的正電壓端作為該變換器的輸入；一個(gè)變壓器，具有一個(gè)初級(jí)繞組和一 個(gè)次級(jí)繞組；一個(gè)諧振電容，該諧振電容和變壓器的初級(jí)繞組相串聯(lián)后跨接在兩條橋臂的 兩個(gè)開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間，諧振電容和變壓器的初級(jí)繞組形成一個(gè)諧振電路；一個(gè)次級(jí)整流電路， 其交流輸入端連接到變壓器的次級(jí)繞組，其直流輸出端和一個(gè)由濾波電感和濾波電容組成 的濾波電路相連接，濾波后的電壓在濾波電容的兩端形成直流輸出；該單相無(wú)橋式電源變 換器通過(guò)電子開關(guān)的高頻開關(guān)操作把單相工頻正弦交流電壓直接轉(zhuǎn)換成對(duì)稱的高頻激勵(lì) 信號(hào)去驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)繞組，再通過(guò)變壓器的次級(jí)繞組和次級(jí)整流電路轉(zhuǎn)化成直流電 壓，最后通過(guò)由濾波電感和濾波電容組成的濾波電路形成直流輸出；在把單相工頻正弦交 流電壓轉(zhuǎn)換成直流輸出的過(guò)程中，該單相無(wú)橋式電源變換器同時(shí)使得輸入電流的包絡(luò)線跟 隨單相工頻正弦交流電壓的正弦波形同步變化，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整的功能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1，其特征在于： 兩條橋臂的兩個(gè)上端電子開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，兩條橋臂的兩個(gè)下端電子開關(guān)也同時(shí)導(dǎo)通， 上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)成交替導(dǎo)通的互補(bǔ)關(guān)系，所有電子開關(guān)在導(dǎo)通狀 態(tài)的占空比都相等而且接近50%，實(shí)際占空比和50%占空比之間的差值是死區(qū)時(shí)間，在死 區(qū)時(shí)間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)；電子開關(guān)的操作通過(guò)開關(guān)頻率 的變化來(lái)改變電路的電壓增益，進(jìn)而控制輸入電流的幅值和實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，開關(guān)頻 率的變化范圍在高于諧振電容和變壓器的初級(jí)繞組所形成的諧振電路的諧振頻率的一側(cè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1，其特征在于： 在單相工頻正弦交流輸入電壓的每一個(gè)半周期，接在正電壓端口的橋臂的上端電子開 關(guān)和下端電子開關(guān)交替導(dǎo)通，該兩個(gè)電子開關(guān)的導(dǎo)通占空比相等而且接近50%，實(shí)際占空 比和50%占空比之間的差值是死區(qū)時(shí)間，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同 時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，接在負(fù)電壓端口的橋臂的上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時(shí)處于全導(dǎo)通 狀態(tài)；電子開關(guān)的操作通過(guò)接在正電壓端口的橋臂的開關(guān)頻率的變化來(lái)改變電路的電壓增 益，進(jìn)而控制輸入電流的幅值和實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，開關(guān)頻率的變化范圍在高于諧振電 容和變壓器的初級(jí)繞組所形成的諧振電路的諧振頻率的一側(cè)。
4. 一種具有功率因數(shù)調(diào)整功能的三相無(wú)橋式電源變換器，其特征在于包含：三條分別 由兩個(gè)電子開關(guān)串聯(lián)組成的橋臂，每條橋臂的上端電子開關(guān)的負(fù)電壓端和下端電子開關(guān)的 正電壓端相連接形成該橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)，三條橋臂的下端電子開關(guān)的負(fù)電壓端連接在一 起；一個(gè)三相工頻正弦交流電源，該交流電源的三個(gè)端口分別接到上述三條橋臂的上端電 子開關(guān)的正電壓端作為該變換器的輸入；三個(gè)參數(shù)相同的變壓器，每個(gè)變壓器具有一個(gè)初 級(jí)繞組和一個(gè)次級(jí)繞組；三個(gè)參數(shù)相同的諧振電容，每個(gè)諧振電容和相應(yīng)的一個(gè)變壓器的 初級(jí)繞組相串聯(lián)后跨接在三條橋臂中的兩條橋臂的兩個(gè)開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間，最終在三條橋臂的 三個(gè)開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間形成三角形接法，每個(gè)諧振電容和與它串聯(lián)的變壓器的初級(jí)繞組形成一 個(gè)諧振電路；一個(gè)次級(jí)整流電路，其交流輸入端連接到三個(gè)變壓器的次級(jí)繞組，其直流輸出 端和一個(gè)由濾波電感和濾波電容組成的濾波電路相連接，濾波后的電壓在濾波電容的兩端 形成直流輸出；該三相無(wú)橋式電源變換器通過(guò)電子開關(guān)的高頻開關(guān)操作把三相工頻正弦交 流電壓直接轉(zhuǎn)換成對(duì)稱的高頻激勵(lì)信號(hào)去驅(qū)動(dòng)三個(gè)變壓器的初級(jí)繞組，再通過(guò)變壓器的次 級(jí)繞組和次級(jí)整流電路轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過(guò)由濾波電感和濾波電容組成的濾波電路 形成直流輸出；在把三相工頻正弦交流電壓轉(zhuǎn)換成直流輸出的過(guò)程中，該三相無(wú)橋式電源 變換器同時(shí)使得三相輸入電流的包絡(luò)線跟隨與每相對(duì)應(yīng)的工頻正弦交流電壓的正弦波形 同步變化，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整的功能。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4,其特征在于： 三條橋臂的三個(gè)上端電子開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，三條橋臂的三個(gè)下端電子開關(guān)也同時(shí)導(dǎo)通， 上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)成交替導(dǎo)通的互補(bǔ)關(guān)系，所有電子開關(guān)在導(dǎo)通狀 態(tài)的占空比都相等而且接近50%，實(shí)際占空比和50 %占空比之間的差值是死區(qū)時(shí)間，在死 區(qū)時(shí)間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)；電子開關(guān)的操作通過(guò)開關(guān)頻率 的變化來(lái)改變電路的電壓增益，進(jìn)而控制輸入電流的幅值和實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，開關(guān)頻 率的變化范圍在高于諧振電容和變壓器的初級(jí)繞組所形成的諧振電路的諧振頻率的一側(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4,其特征在于： 在三相工頻正弦交流輸入電壓中其中某一相的電壓負(fù)于其它兩相的三分之一周期區(qū) 間，和該相相連接的橋臂的上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時(shí)處于全導(dǎo)通狀態(tài)，和其它兩 相相連接的兩個(gè)橋臂的上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)交替導(dǎo)通，該兩個(gè)橋臂的電子開關(guān)的 導(dǎo)通占空比相等而且接近50%，實(shí)際占空比和50%占空比之間的差值是死區(qū)時(shí)間，在死區(qū) 時(shí)間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，電子開關(guān)的操作通過(guò)該兩個(gè)橋臂 的開關(guān)頻率的變化來(lái)改變電路的電壓增益，進(jìn)而控制輸入電流的幅值和實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào) 節(jié)，開關(guān)頻率的變化范圍在高于諧振電容和變壓器的初級(jí)繞組所形成的諧振電路的諧振頻 率的一側(cè)。
7. -種三相無(wú)橋式功率因數(shù)調(diào)整電路，其特征在于包含： 三條分別由一個(gè)二極管和一個(gè)電子開關(guān)串聯(lián)組成的橋臂，每條橋臂的二極管的陽(yáng)極和 電子開關(guān)的正電壓端相連接形成該橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)，三條橋臂的二極管的陰極連接在一起 作為正電壓輸出端，三條橋臂的電子開關(guān)的負(fù)電壓端連接在一起作為負(fù)電壓輸出端；一個(gè) 濾波電容跨接在正電壓輸出端和負(fù)電壓輸出端之間；三個(gè)參數(shù)相同的電感；一個(gè)三相工頻 正弦交流輸入電源，該交流輸入電源的三個(gè)端口分別和三個(gè)電感的一個(gè)端口相連接，三個(gè) 電感的另一個(gè)端口分別接到相應(yīng)的三個(gè)橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)；電路通過(guò)三條橋臂的電子開關(guān)的 開關(guān)操作來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)和功率因數(shù)調(diào)整的功能。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7,其特征在于： 三條橋臂的三個(gè)電子開關(guān)在進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，電子開關(guān)的操作通 過(guò)脈寬調(diào)制（PWM)來(lái)控制輸出電壓，當(dāng)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流不變時(shí)，脈寬調(diào)制的 占空比保持恒定，使得三個(gè)電感的電流波形的包絡(luò)線自動(dòng)跟隨與其響應(yīng)的輸入電壓的正弦 波形。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7,其特征在于： 在三相工頻正弦交流輸入電壓中其中某一相的電壓負(fù)于其它兩相的三分之一周期區(qū) 間，和該相相連接的橋臂的電子開關(guān)處于全導(dǎo)通狀態(tài)，和其它兩相相連接的兩個(gè)橋臂的兩 個(gè)電子開關(guān)做開關(guān)操作，在進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM)來(lái)控 制輸出電壓，當(dāng)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流不變時(shí)，脈寬調(diào)制的占空比保持恒定，使得 三個(gè)電感的電流波形的包絡(luò)線自動(dòng)跟隨與其響應(yīng)的輸入電壓的正弦波形。
【文檔編號(hào)】H02M7/06GK104065283SQ201410323190
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】范劍平 申請(qǐng)人:蘇州奧曦特電子科技有限公司