無橋功率因數(shù)校正電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及無橋功率因數(shù)校正（PFC)電路，尤其設及用于將單相交流（AC)電壓轉(zhuǎn) 換成直流值C)電壓的PFC電路。
【背景技術】
[0002] 功率因數(shù)校正器或功率因數(shù)校正（PFC)電路是并網(wǎng)功率變換器的前端功率級，諸 如山至閒中的電源、電機驅(qū)動器和電子鎮(zhèn)流器。功率因數(shù)校正器或功率因數(shù)校正腫C) 電路用于滿足國際電網(wǎng)電流標準，諸如IE邸519和IEC-61000-3-12。該些標準還適用于通 常用作低功率工業(yè)應用和家用裝置的AC電源的單相電網(wǎng)網(wǎng)絡。在系統(tǒng)中使用PFC確保了 正弦輸入電流和穩(wěn)定的輸出DC電壓。還可W預見的是，PFC將作為非常重要的裝置W確保 更復雜的電網(wǎng)網(wǎng)絡中的良好電能質(zhì)量。
[0003] 在傳統(tǒng)PFC中，使用二極管橋和升壓變換器。二極管橋?qū)﹄娋W(wǎng)電流和電壓進行整 流。升壓變換器將電感電流整形成整流后的正弦電流。結果，電網(wǎng)電流是正弦的且與電網(wǎng) 電壓同相。由于在電路中僅存在一個有源開關，因而該變換器簡單且成本低。因此，該變換 器被照明應用普遍采用。然而，該電路的缺點在于對于高功率應用具有高傳導損耗，該是由 于無論受控開關是接通還是斷開電流路徑中都存在=個半導體器件。此外，由于電網(wǎng)電流 上所攜帶的大的峰值間高頻紋波電流，需要大的高頻濾波器。
[0004] 為了解決傳統(tǒng)PFC的傳導損耗問題，在[4]中提出了無橋PFC。該PFC將二極管橋 和升壓變換器集成為一個功率級，包括兩個切換臂。一個切換臂對半個電網(wǎng)周期的電網(wǎng)電 流整形。無論切換狀態(tài)如何，兩個電網(wǎng)電感器通常串聯(lián)連接。由于該電路在電流路徑中只 具有兩個半導體器件，因而該電路具有低的傳導損耗。然而，由于具有更多的有源器件和磁 性部件，該電路更昂貴。更重要的是，該電路在工作時存在接地問題或者所述共模電壓或泄 漏電流的問題。另外，該電路仍然需要高頻濾波器。
[000引為了解決泄漏電流的問題，提出了無橋PFC電路的一些變型。在[5]中呈現(xiàn)了具 有串聯(lián)半導體開關的無橋PFC。串聯(lián)開關與用于電流整形的主切換（switching)同步。因 此，在電感器電流充電狀態(tài)期間，電網(wǎng)端子被電絕緣。然后，能夠產(chǎn)生低泄漏電流。然而，在 主電流流動路徑中需要一個高額定電壓、高額定電流和高開關頻率的半導體開關器件。因 此，在電感器電流放電狀態(tài)期間，傳導損耗高于簡單的無橋PFC。偏離了無橋PFC的基本理 念并且該無橋PFC電路的變型是昂貴的。另外，仍然需要高頻濾波器。
[0006] 在[6]中，用于消除共模電壓問題的另一種方法是使用雙向開關來充輸入電感器 電流。在雙向開關閉合時，由于輸出DC電壓的反向偏置而使所有二極管斷開。該導致在該 轉(zhuǎn)換階段期間電絕緣。
[0007] 因此，在電流路徑中總是存在兩個半導體器件。然而，由于二極管橋W高頻率進行 轉(zhuǎn)換，所W必須使用四個昂貴的快速二極管。通常，快速二極管的傳導性能不如普通二極管 (line-化equencyDiode)的傳導性能好。對于該拓撲結構，浮置柵極驅(qū)動是另外的成本問 題。另外，仍然需要高頻濾波器。
[000引 在[7]中提出 了二極管猜位型無橋PFC(diodeclampedbridgelessPFC)。該PFC提供了用于解決共模電壓問題的簡單且有效的解決方案。在該無橋PFC中，兩個二極管分 別將電路地連接至AC電源的正極端子和負極端子。該兩個普通二極管保證了在地與AC電 源之間不出現(xiàn)共模電壓差。然而，電網(wǎng)電感器僅在半個工頻周期內(nèi)工作，該意味著使用兩個 分開的且相同的電感器。電感器的高成本和大尺寸成為問題。另外，仍然需要高頻濾波器。
[0009] 為了解決昂貴的磁性器件的問題，在巧]中介紹了單巧電感器（singlecore in化ctor)。借助于該方法，由于使用一個磁巧從而能夠解決尺寸問題。然而，該電感器的 設計是非常困難的。另外，仍然需要高頻濾波器。
[0010] 代替二極管，可W使用電容器來保持地與AC電源之間的電壓差。在巧]中公開了 電容器錯位無橋PFC。電容器被禪接至電網(wǎng)端子和地，從而可W確保低的泄漏電流，但是在 電網(wǎng)電流中仍然能夠發(fā)現(xiàn)高頻電流紋波。因此，仍然需要高頻濾波器。
[0011] 在[10]中公開了內(nèi)置公共濾波器。在該變型中，共模濾波器與升壓扼流器串聯(lián)連 接，兩個電容器執(zhí)行電壓錯位和濾波的功能。該拓撲結構有效降低了泄漏電流，但是它不能 幫助從電網(wǎng)電流中濾除高頻分量。
[0012] 在[11]中提出了改進的電容器錯位方法。在該設計中，使用兩個開關來連接電壓 錯位電容器。根據(jù)本公開內(nèi)容，附加的開關在同一時間進行切換并且該些開關用于提高燈 負載操作期間的效率。因此，可W預計性能應該或多或少地與簡單電容器錯位無橋PFC的 性能相同。
[0013] 現(xiàn)有技術的解決方案有效解決了無橋PFC的共模電壓問題，但代價是包括更高傳 導損耗及更多或更大的無源器件。而且，不是所有解決方案都能提高電網(wǎng)電流質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的是提供用W解決上述問題的電路。本發(fā)明的目的通過特征在于獨立 權利要求中所闡述的方案的電路來實現(xiàn)。在從屬權利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方 式。
[0015] 本發(fā)明基于在無橋PFC電路中使用一個或更多個電容器和低頻半導體開關來規(guī) 劃針對不同情況的兩個不同的1XL濾波器結構的構思。半導體開關根據(jù)輸入AC電壓的極 性W交替的方式將一個或更多個電容器連接至電路。
[0016] 該減少了電網(wǎng)差分模式電流紋波或電感。此外，由于1XL濾波器中的電容器將電 壓錯位在電網(wǎng)與地之間，顯著降低了PFC共模電壓。
[0017] 由于通過在電路的輸入部分處使用切換電路（switchingcircuit)形成了S階濾 波器，本發(fā)明的電路不包括大的電感器。根據(jù)電網(wǎng)電壓的極性，由1XL濾波器濾除高頻分量 并改變?yōu)V波器結構。由于1XL濾波器使高頻分量有效地減弱，因而可W不需要單獨的EMI 濾波器。
[001引 由于通過電容器錯位共模電壓，本發(fā)明的電路提供了低的泄漏電流。此外，因為沒 有給主電流路徑添加有源元件或無源元件，所W傳導損耗低。此外，輸入電感越小，則電感 器的應數(shù)也越少。使用低電感的電感器增加了效率。
【附圖說明】
[0019] 在下文中，將通過優(yōu)選實施方式并參考附圖對本發(fā)明進行更詳細地描述，在附圖 中，
[0020] 圖1示出了本發(fā)明的實施方式；
[0021] 圖2示出了雙向開關的實現(xiàn)；
[0022] 圖3(a)和3(b)示出了在正輸入電壓情況下本發(fā)明的實施方式的切換狀態(tài)；
[0023] 圖4 (a)和4化）示出了圖3 (a)和3化）的等效電路；
[0024] 圖5(a)和5(b)示出了在負輸入電壓情況下本發(fā)明的實施方式的切換狀態(tài)；
[0025] 圖6(a)和6化）示出了圖5 (a)和5化）的等效電路；
[0026] 圖7、8、9和10示出了本發(fā)明的實施方式；
[0027] 圖11示出了本發(fā)明的仿真波形；
[002引圖12(a)、12化）、12(c)、12(d)和12(e)示出了與本發(fā)明相比的現(xiàn)有技術裝置的仿 真波形；W及
[0029] 圖13和圖14示出了描繪本發(fā)明的使用示例的基本框圖。
【具體實施方式】
[0030] 圖1示出了本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明的PFC由傳統(tǒng)的無橋PFC1和附加的切換 電路2組成。切換電路可W根據(jù)電網(wǎng)電壓極性規(guī)劃兩個不同的1XL結構。
[003U傳統(tǒng)的無橋PFC1包括第一輸入電感器L1和第二輸入電感器L2,電感器11，L2 的第一端形成電路的第一輸入端子和第二輸入端子。此外，無橋PFC1包括第一二極管D1 與第一可控半導體開關S1的串聯(lián)連接、W及第二二極管D2與第二可控半導體開關S2的 串聯(lián)連接。該些串聯(lián)連接并聯(lián)連接在功率因數(shù)校正電路的正輸出端子VDC+與負輸出端子 VDC-之間。輸出端子形成電路的輸出電壓，通常，在輸出端子之間連接電容器或串聯(lián)連接的 電容器C1、C2。由于在輸出端子之間連接有串聯(lián)連接的電容器，還存在中間電壓電位VM。
[0032] 在本發(fā)明的電路中，第一電感器L1的第二端連接在第一二極管與第一可控半導 體開關的串聯(lián)連接之間的點處，類似地，第二電感器L2的第二端連接在第二二極管與第二 可控半導體開關的串聯(lián)連接之間的點處。
[0033] 第一二極管D1和第二二極管D2的極性使得電流能夠通過二極管至正輸出端子。 也就是說，二極管D1，D2的陰極連接至正輸出端子VDC+?？煽匕雽w開關S1，S2被連接成 使得開關S1，S2能夠阻止電流流過開關至負輸出端子。
[0034] 無橋PFC電路使AC電網(wǎng)電壓升高至較高的DC母線電壓并且控制DC功率流動至 DC母線上。電網(wǎng)電流被控制成正弦的且與AC電網(wǎng)電壓同相。
[0035] 切換電路2濾除由無橋PFC產(chǎn)生的開關頻率分量。本發(fā)明的切換電路適用于W 下述方式在功率因數(shù)校正電路的輸入端子與輸出端子之間連接電容器CAB;CA，CB;當可連 接到輸入端子的輸入電壓為正時，電容器連接在第一輸入端子與輸出端子的電位之間，而 當可連接到輸入端子的輸入電壓為負時，電容器連接在第二輸入端子與輸出端子的電位之 間。
[0036] 具體地，在圖1的實施方