無橋式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，而且僅使用一級變換電路直接把單相或者三相工頻交流輸入轉(zhuǎn)換成對稱的高頻激勵信號來驅(qū)動變壓器，再通過次級整流和濾波電路轉(zhuǎn)換成直流輸出。在轉(zhuǎn)換的過程中通過特定的開關(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)的過程中同時實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)整功能。
【專利說明】無橋式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)使用單級變換電路來實(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)的需求人們越來越廣泛地要求在各個領(lǐng)域使用綠色能 源。這在電能使用領(lǐng)域里勢必要求用電設(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。另一個勢在必行的要求則是對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)計制造出一個高效率，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，其對人們所帶來的廣泛的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)價值是顯而易見 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)用時可以使用單級反激變換電路同時實(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)操作通過脈寬調(diào)制來控制電流II的峰值包絡(luò)線跟隨VI 的脈動正弦波形，如圖1 (B)所示，而輸出電壓的大小則通過II包絡(luò)線的幅值大小來進(jìn)行調(diào) 節(jié)。注意圖案（B)中的脈動正弦波形VI主要是為了說明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 的場合。
[0004] 在用電功率較大時交流-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)電路來實(shí)現(xiàn)整個功能。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驅(qū)動變壓器TF1，TF1的次級繞 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能在極短的瞬間通過開關(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，同時也產(chǎn)生較強(qiáng) 的電磁輻射。另一個因素是變壓器的漏電感能量損耗。當(dāng)Q1導(dǎo)通時電磁能量隨著變壓器 TX1初級繞組510電流的增加逐漸建立起來。當(dāng)Q1關(guān)斷時儲存于偶合電感中的電磁能量通 過磁路耦合到次級繞組并使整流二極管D2導(dǎo)通向輸出端供電。儲存于漏電感中的能量由 于無法耦合到次級去而只好通過Q1的源漏極間電容維持流通并通過充電把能量轉(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過電壓擊穿。為了 抑制這種電壓過沖現(xiàn)象，通常不得不采用吸收電路來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。 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所示電路效率相對比較高，但因?yàn)槭褂脙杉壸儞Q電路，成本比較 高，由于各級電路都要產(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?；谏鲜鲈?，本發(fā)明提出了一種高效率的交流-直流電源變換器電 路，用比較簡單的電路結(jié)構(gòu)通過獨(dú)特的操作控制方法來實(shí)現(xiàn)整個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，對于像電動汽車充電器、焊接電源等 較大功率的應(yīng)用有明顯的優(yōu)勢。 本發(fā)明的總結(jié)
[0006] 本發(fā)明提出了一種高效率的單級式交流-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變 換電路直接把工頻交流輸入轉(zhuǎn)換成對稱的高頻激勵信號，再通過變壓器及次級整流電路轉(zhuǎn) 化成直流輸出，在轉(zhuǎn)換的過程中同時實(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 樣的原理用單級變換電路直接把三相工頻交流輸入轉(zhuǎn)換成三組對稱的高頻激勵信號，再通 過對應(yīng)的變壓器及次級整流電路轉(zhuǎn)化成直流輸出，在轉(zhuǎn)換的過程中也同時實(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】

【附圖說明】
[0007] 圖1所示為一個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使用單級變換電路實(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使用單級變換電路實(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使用單級變換電路實(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的初級繞組510和諧振電容C3串聯(lián) 后跨接在兩個開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間；交流輸入的兩個端口 AC1、AC2不通過整流橋直接連接到兩個 橋臂的上管Q1和Q3的漏極，兩個橋臂的下管Q2和Q4的源極則直接連接在一起。變壓器 TF1的次級繞組520的輸出經(jīng)全波整流二極管D1、D2整流后再經(jīng)過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)用中有時需要在電路中使用電流檢 測元件來檢測電流，因?yàn)檫@一點(diǎn)屬于公知常識，所以這里不予贅述。圖中的次級整流電路也 可以用全橋整流電路，因?yàn)檫@一點(diǎn)也屬于公知常識，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分別為其所對應(yīng)的電子開關(guān)管的門極控制信號波形。在圖3(B)所描述的操作波 形中兩個上管Q1和Q3同時導(dǎo)通，兩個下管Q2和Q4也同時導(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Q2和Q4截止，當(dāng)Q1和Q3截止時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)時插入一個死區(qū)時間以防止由開關(guān)管關(guān)斷延遲時間而 引起的瞬時短路現(xiàn)象。死區(qū)時間的設(shè)定原則是在上一個半周導(dǎo)通開關(guān)的門控信號由高變低 時，下一個半周要導(dǎo)通的開關(guān)的門控信號在延遲了一個死區(qū)時間后才由低變高。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)時間沒有表示出 來，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。當(dāng)上管Q1和Q3導(dǎo)通時變壓器TF1 的初級繞組510受到和AC1、AC2輸入的電壓極性相應(yīng)的激勵。當(dāng)Ql、Q3關(guān)斷而Q2、Q4導(dǎo) 通時，電容C3通過Q2、Q4對初級繞組510進(jìn)行放電，使初級繞組510受到反方向的激勵，整 個周期的過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 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的初級繞組510得到和電路 開關(guān)操作頻率一致的對稱交流激勵。當(dāng)輸入工頻電壓的極性轉(zhuǎn)換到另一個半周時，C3兩端 的電壓極性也會通過電路的開關(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。這樣只要按照圖3(B)所示的波形來控制電路的操作，電路就會維持在半橋操作 的狀態(tài)，而且變壓器TF1的初級繞組的激勵電壓的極性會隨著工頻交流輸入的極性而同時 改變。當(dāng)輸入電壓的AC1端口為正時，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，C3兩端的電壓為左負(fù)右正。變壓器的初級繞組的激勵電壓和四個電子開關(guān)的操作 相對應(yīng)的極性也隨著自動改變，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)，通過改變電路的工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。在工作過程中變壓器初級繞組 和C3形成一個串聯(lián)諧振回路，其諧振頻率主要由初級繞組510的電感參數(shù)、C3的電容量和 次級負(fù)載通過變壓器反射到初級的等效阻抗來決定。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，電路的電壓增益就越低。所以當(dāng)需要增加輸出時電路的工作頻率就向低端移 動，當(dāng)需要減小輸出時電路的工作頻率就向高端移動。利用這一頻率增益特性同時還能夠 隨著輸入電壓的幅值的變化通過調(diào)節(jié)電路的電壓增益來使得輸入電流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)輸入電壓接近過零區(qū)間的時 候，變壓器次級繞組520的輸出電壓可能低于C2的電壓而使得D1和D2無法導(dǎo)通，造成在 輸入電壓過零區(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，所以隨著電壓增益的提 高輸入電流在輸入電壓過零區(qū)間附近無法準(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 級濾波電感的續(xù)流作用，當(dāng)輸入電流在輸入電壓過零區(qū)間附近無法準(zhǔn)確跟隨輸入電壓波形 的范圍比較小的時候，變壓器的輸出電流仍然可以在一定程度上保持連續(xù)，通過反射使得 初級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處于自然反偏置狀態(tài)，Q1和Q2又始終不會同時導(dǎo)通，所以Q3和Q4的 連續(xù)全導(dǎo)通狀態(tài)不會造成輸入電壓由于Q1和Q2的開關(guān)操作通過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主要用來吸收開關(guān)電路 操作時所產(chǎn)生的高頻紋波，其電容量在工頻頻率下對功率因數(shù)的影響可以忽略不計。
[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變換電路來實(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的三個初 級繞組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，三個變壓器的參數(shù)和三個諧振電容的參數(shù)均分別 相同；三相交流輸入的三個端口 VA、VB和VC直接連接到三個橋臂的上管Q1、Q3和Q5的漏 極，三個橋臂的下管Q2、Q4和Q6的源極直接連接在一起。變壓器TF1、TF2和TF3的三個次 級繞組520按星形接法所形成的三個輸出端的電壓通過由Dl、D2, D3、D4和D5、D6所組成 的三相整流橋整流后再經(jīng)過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。這里需要說明，變壓器TF1、TF2和TF3的三個次級繞組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，在實(shí)際應(yīng)用中有時需 要在電路中使用電流檢測元件來檢測電流，因?yàn)檫@一點(diǎn)屬于公知常識，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) 時間。上管和下管的交替導(dǎo)通使得變壓器TF1、TF2和TF3的三個初級繞組510在工頻交流 輸入下始終得到和開關(guān)頻率相對應(yīng)的對稱交流激勵，而激勵電壓的幅值和與開關(guān)管操作狀 態(tài)相對應(yīng)的激勵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間交流變化的，當(dāng)各 相的電壓和電流是對稱的正弦波時，其所提供的總功率是一個不隨時間變化的恒定值，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，電路向輸出端V0UT所提供的電流是一個只包含高頻開關(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照圖5(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橋 臂的上管和下管分別在與其輸入電壓相對應(yīng)的1/3個周期，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Ql、Q2和Q5、Q6的開關(guān)控制來實(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。同時由于Q1和Q2以及Q5和Q6始終不會同時導(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)也不會造成輸入電壓通過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)，三個電感的參數(shù)相同。電路通過Q1、Q2和Q3的開關(guān) 操作來同時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的門極控制信號波形。從圖6 (B)所示波形 中可見,在操作過程中Ql、Q2和Q3同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷。當(dāng)Ql、Q2和Q3同時導(dǎo)通時電感 L1、L2和L3在輸入電壓的驅(qū)動下通過Q1、Q2和Q3所形成的通路建立起電流來存儲電磁能 量。當(dāng)Q1、Q2和Q3關(guān)斷時，電感電流在續(xù)流作用的推動下通過二極管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 導(dǎo)通脈沖的占空比來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 作時工作在固定頻率。在操作過程中當(dāng)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流不變時，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應(yīng)的1/3個周期，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Q1和Q3的開關(guān)控制來實(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)整功能的單相無橋式電源變換器，其特征在于包含： 兩條分別由兩個電子開關(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；一個單相工頻正弦交流電源，該交流電源的兩個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；一個變壓器，具有一個初級繞組和一 個次級繞組；一個諧振電容，該諧振電容和變壓器的初級繞組相串聯(lián)后跨接在兩條橋臂的 兩個開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間，諧振電容和變壓器的初級繞組形成一個諧振電路；一個次級整流電路， 其交流輸入端連接到變壓器的次級繞組，其直流輸出端和一個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；該單相無橋式電源變 換器通過電子開關(guān)的高頻開關(guān)操作把單相工頻正弦交流電壓直接轉(zhuǎn)換成對稱的高頻激勵 信號去驅(qū)動變壓器的初級繞組，再通過變壓器的次級繞組和次級整流電路轉(zhuǎn)化成直流電 壓，最后通過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)換成直流輸出的過程中，該單相無橋式電源變換器同時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： 兩條橋臂的兩個上端電子開關(guān)同時導(dǎo)通，兩條橋臂的兩個下端電子開關(guān)也同時導(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)時間，在死 區(qū)時間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時處于關(guān)斷狀態(tài)；電子開關(guān)的操作通過開關(guān)頻率 的變化來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)時間，在死區(qū)時間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同 時處于關(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)同時處于全導(dǎo)通 狀態(tài)；電子開關(guān)的操作通過接在正電壓端口的橋臂的開關(guān)頻率的變化來改變電路的電壓增 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)整功能的三相無橋式電源變換器，其特征在于包含：三條分別 由兩個電子開關(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；一個三相工頻正弦交流電源，該交流電源的三個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；三個參數(shù)相同的變壓器，每個變壓器具有一個初 級繞組和一個次級繞組；三個參數(shù)相同的諧振電容，每個諧振電容和相應(yīng)的一個變壓器的 初級繞組相串聯(lián)后跨接在三條橋臂中的兩條橋臂的兩個開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間，最終在三條橋臂的 三個開關(guān)結(jié)點(diǎn)之間形成三角形接法，每個諧振電容和與它串聯(lián)的變壓器的初級繞組形成一 個諧振電路；一個次級整流電路，其交流輸入端連接到三個變壓器的次級繞組，其直流輸出 端和一個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；該三相無橋式電源變換器通過電子開關(guān)的高頻開關(guān)操作把三相工頻正弦交 流電壓直接轉(zhuǎn)換成對稱的高頻激勵信號去驅(qū)動三個變壓器的初級繞組，再通過變壓器的次 級繞組和次級整流電路轉(zhuǎn)化成直流電壓，最后通過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)換成直流輸出的過程中，該三相無橋式電源 變換器同時使得三相輸入電流的包絡(luò)線跟隨與每相對應(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： 三條橋臂的三個上端電子開關(guān)同時導(dǎo)通，三條橋臂的三個下端電子開關(guān)也同時導(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)時間，在死 區(qū)時間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時處于關(guān)斷狀態(tài)；電子開關(guān)的操作通過開關(guān)頻率 的變化來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)同時處于全導(dǎo)通狀態(tài)，和其它兩 相相連接的兩個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)時間，在死區(qū) 時間內(nèi)上端電子開關(guān)和下端電子開關(guān)同時處于關(guān)斷狀態(tài)，電子開關(guān)的操作通過該兩個橋臂 的開關(guān)頻率的變化來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繞組所形成的諧振電路的諧振頻 率的一側(cè)。
7. -種三相無橋式功率因數(shù)調(diào)整電路，其特征在于包含： 三條分別由一個二極管和一個電子開關(guān)串聯(lián)組成的橋臂，每條橋臂的二極管的陽極和 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 濾波電容跨接在正電壓輸出端和負(fù)電壓輸出端之間；三個參數(shù)相同的電感；一個三相工頻 正弦交流輸入電源，該交流輸入電源的三個端口分別和三個電感的一個端口相連接，三個 電感的另一個端口分別接到相應(yīng)的三個橋臂的開關(guān)結(jié)點(diǎn)；電路通過三條橋臂的電子開關(guān)的 開關(guān)操作來同時實(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： 三條橋臂的三個電子開關(guān)在進(jìn)行開關(guān)操作時同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷，電子開關(guān)的操作通 過脈寬調(diào)制（PWM)來控制輸出電壓，當(dāng)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流不變時，脈寬調(diào)制的 占空比保持恒定，使得三個電感的電流波形的包絡(luò)線自動跟隨與其響應(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橋臂的兩 個電子開關(guān)做開關(guān)操作，在進(jìn)行開關(guān)操作時同時導(dǎo)通，同時關(guān)斷，通過脈寬調(diào)制（PWM)來控 制輸出電壓，當(dāng)輸入電壓、輸出電壓和輸出電流不變時，脈寬調(diào)制的占空比保持恒定，使得 三個電感的電流波形的包絡(luò)線自動跟隨與其響應(yīng)的輸入電壓的正弦波形。
【文檔編號】H02M7/06GK104065283SQ201410323190
【公開日】2014年9月24日 申請日期: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 申請人:蘇州奧曦特電子科技有限公司