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CN110771021A - 图腾柱无桥pfc电源转换器 - Google Patents

图腾柱无桥pfc电源转换器 Download PDF

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CN110771021A CN201880002604.6A CN201880002604A CN110771021A CN 110771021 A CN110771021 A CN 110771021A CN 201880002604 A CN201880002604 A CN 201880002604A CN 110771021 A CN110771021 A CN 110771021A
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Abstract

一种电力电源，包括图腾柱无桥PFC电源转换器。所述PFC电源转换器包括：用于联接到AC电源的输入端、输出端、联接在所述输入端与所述输出端之间的四个开关器件、联接在所述四个开关器件与所述输入端之间的两个二极管、联接在所述四个开关器件与所述两个二极管之间的第一电感器、以及联接在所述两个二极管与所述输入端之间的第二电感器。也公开了其它示例性电力电源和图腾柱无桥PFC电源转换器。

Description

图腾柱无桥PFC电源转换器
技术领域
本发明涉及图腾柱无桥功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)电源转换器。
背景技术
本部分提供与本发明有关的背景信息，该背景信息不一定为现有技术。
电力电源通常包括PFC电路，以校正电源中的功率因数。该功率因数为提供给负载的实际功率与电源中的视在功率的比。通过使电源的AC输入电流与其AC输入电压同相来校正功率因数。
PFC电路可以包括无源校正电路和/或有源校正电路。例如，根据联接到电源的负载(例如电容负载或电感负载)，无源校正电路可以包括电容器和/或电感器。有源校正电路可以形成PFC电源转换器，诸如升压PFC转换器。通常，升压PFC转换器包括全波二极管桥式整流器和升压电源电路。在其它示例中，升压PFC转换器可以不包括二极管桥式整流器。在这类示例中，升压PFC转换器可以具有不同的升压转换器拓扑，包括图腾柱无桥PFC拓扑。
发明内容
本部分提供本发明的概括性总结，且不是本发明的全部范围或本发明的所有特征的全面公开。
根据本公开的一个方面，一种电力电源包括图腾柱无桥PFC电源转换器。所述PFC电源转换器包括：用于联接到AC电源的输入端、输出端、联接在所述输入端与所述输出端之间的四个开关器件、联接在所述四个开关器件与所述输入端之间的两个二极管、联接在所述四个开关器件与所述两个二极管之间的第一电感器、以及联接在所述两个二极管与所述输入端之间的第二电感器。
从本文中提供的描述，其它方面和应用领域将变得明显。应当理解，本发明的各个方面可以单独地或与一个或多个其它方面组合实现。还应当理解，本文中的描述和具体示例意图仅用于说明性目的且不意图限制本发明的范围。
附图说明
本文中所描述的附图仅用于所选实施方式而非所有可能的实现方式的说明性目的，且不意图限制本发明的范围。
图1为根据本发明的一个示例性实施方式的包括具有分立电感器和旁路二极管的图腾柱无桥PFC电源转换器的电力系统的框图。
图2为根据另一个示例性实施方式的包括旁路二极管、在旁路二极管的输入侧的电感器以及在旁路二极管的输出侧的另一电感器的图腾柱无桥PFC电源转换器的电路图。
图3为根据又一个示例性实施方式的图2的图腾柱无桥PFC电源转换器的电路图，但是该PFC电源转换器包括霍尔效应电流传感器和控制电路。
图4为根据另一个示例性实施方式的卷绕在环形芯部上的图2和图3的电感器的框图。
图5为根据又一个示例性实施方式的包括分立电感器和旁路二极管的图腾柱无桥PFC电源转换器的电路图，其中，该电源转换器经历负浪涌电压。
图6为图5的电源转换器的电压和电流特性的曲线图。
图7为不具有分立电感器的电源转换器的电压和电流特性的曲线图。
在附图中的多个视图中，对应的附图标记指示对应的部分和/或特征。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例性实施方式。
提供示例性实施方式，使得本发明将是透彻的且将向本领域的技术人员全面传达范围。提出多个具体细节，诸如具体部件、设备、和方法的示例，以提供对本发明的实施方式的透彻理解。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施方式可以以许多不同形式来实现，以及具体细节和示例性实施方式二者均不应当被理解为限制本发明的范围。在一些示例性实施方式中，没有详细地描述公知的过程、公知的设备结构、和公知的技术。
本文中所使用的术语仅出于描述特定示例性实施方式的目的且不意图进行限制。如本文中所使用，单数形式“一”和“该”可以意图也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的且因此指所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。本文中所描述的方法步骤、过程和操作不应被理解为必须要求它们以所讨论或所示出的特定次序来执行，除非具体被认定为执行次序。也将理解，可以采用附加或替选步骤。
尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段区分。诸如“第一”、“第二”的术语和其它数字术语在本文中使用时不暗示顺序或次序，除非上下文有明确指示。因此，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段，而不脱离示例性实施方式的教导。
为了便于描述如图中所示的一个元件或特征与其它的一个或多个元件或特征的关系，在本文中可以使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等。除了图中示出的方位之外，空间相对术语可以意图涵盖设备在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的设备被翻转，则描述为在其它元件或特征的“下方”或“下面”的元件将被取向为在其它元件或特征的“上方”。因而，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方两种方位。该设备可以被另外地取向(旋转90度或以其它方位旋转)且本文中所使用的空间相对描述符被相应地理解。
根据本发明的一个示例性实施方式的电力电源在图1中示出且总体用附图标记100来指示。如图1所示，电力电源100包括图腾柱无桥PFC电源转换器102，该PFC电源转换器102具有用于联接到AC电源(未示出)的输入端104、输出端106、联接在输入端104与输出端106之间的四个开关器件108、联接在四个开关器件108与输入端104之间的两个二极管110、以及两个电感器112和114。电感器112联接在开关器件108与二极管110之间，以及电感器114联接在二极管110与输入端104之间。
电感器112、电感器114可以用作图腾柱无桥PFC电源转换器102中的PFC电感。例如，电感器112、电感器114可以被视为分立电感器，其中，电感器114联接在二极管110的输入侧，且电感器112联接在二极管110的输出侧。在这些示例中，电感器114可以抑制非预期的过量电流流经开关器件108中的一者或多者，从而减小开关器件108和/或电源转换器中的其它部件上的应力和恶化。
例如，可以将负浪涌电压施加于电源转换器102的输入端。该负浪涌电压可以由AC电源供应的电压的极性反转引起。该负浪涌电压可以在电源转换器102中生成大量的负浪涌电流。因此，流经电源转换器102的电流可以由于该负浪涌电流而显著增大。该电流穿过开关器件108中的至少一些和二极管110中的至少一些，并进入在二极管110的输入侧(例如，在回到AC电源的返回路径上)的电感器114。该增大的电流在电感器114中产生磁场(或磁场的变化)，该磁场(或磁场的变化)反过来感生电动势(emf)。感生的emf(电压)抵抗增大的电流，从而允许电感器114抑制由负浪涌电压造成的电流增大。
在该时间期间，可以响应于过量电流而快速地改变(若需要)开关器件108的控制。在一些示例中，可以在一个开关脉冲信号之后改变开关器件108的控制。如果开关频率为大约50千赫兹(50kHz)，这可以等同于大约20微秒(20μsec)的响应时间。因此，电源转换器102可以能够利用电感器114抑制过量电流，并快速地改变其开关器件108的控制，以减小开关器件108和/或电源转换器中的其它部件上的应力和恶化。
除了电源转换器102的部件以外，电力电源100还可以包括其它部件。例如，电力电源100可以包括连接到电源转换器102的输出端106的其它电源转换器，该其它电源转换器包括一个或多个电源开关等。这些电源转换器可以包括具有合适拓扑的DC-DC电源转换器、DC-AC电源转换器等。另外，尽管在图1中未示出，但是电源转换器102和/或电力电源100可以包括用于控制开关器件108中的一者或多者的一个或多个控制电路。
图1中的开关器件108被示出为包括两个开关和两个二极管。可替选地，开关器件108可以包括四个开关、三个开关和一个二极管等。在一些实施方式中，电源开关均可以包括晶体管，诸如场效应晶体管(Field-Effect Transistor，FET)(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET))。
在一些示例中，开关器件108可以包括两个电源开关和两个同步整流器。在这类示例中，一个或两个同步整流器可以包括MOSFET(例如氮化镓(GaN)MOSFET)。MOSFET由于其本征体二极管而允许双向电流流动。因此，当施加负浪涌电压时，MOSFET可以促进负浪涌电流。
例如，图2示出包括四个开关器件Q1-Q4的图腾柱无桥PFC AC-DC电源转换器202。开关器件Q1、开关器件Q3为用作电源转换器202中的升压电源开关的FET，以及开关器件Q2、开关器件Q4为用作同步整流器的MOSFET。
如图2所示，电源转换器202还包括联接到开关器件Q1-Q4的两个二极管D1、D2，联接在二极管D1、D2与开关器件Q1-Q4之间的电感器L2，联接到二极管D1、D2的电感器L1，DC输出端，以及AC电源V1。DC输出端被示出为电容器C4和与该电容器C4并联联接的电阻器R3。
电感器L1、电感器L2联接在由二极管D1、二极管D2形成的二极管电桥(例如二极管旁路)的相对侧上。例如，电感器L1联接在二极管D1、二极管D2的输入侧，以及电感器L2联接在二极管D1、二极管D2的输出侧。当开关器件Q1-Q4断开时，在例如电源转换器202的启动期间，采用旁路二极管D1、旁路二极管D2来绕开励磁涌流。因此，该励磁涌流将通过旁路二极管D1、旁路二极管D2(代替开关器件Q3-Q4的本征体二极管)和电容器C4以为电容器C4充电。
如图2所示，二极管D1联接在升压FET Q3与电感器L2之间，以及二极管D2联接在FET Q1与电感器L2之间。具体地，二极管D1的阴极联接到FET Q3的漏极和MOSFET Q4的漏极，以及二极管D1的阳极联接到二极管D2的阴极、电感器L1的电极和电感器L2的电极。FETQ3和MOSFET Q4的漏极联接在一起。二极管D2的阳极联接到升压FET Q1的源极和MOSFET Q2的源极。FET Q1和MOSFET Q2的源极联接在一起。FET Q3的源极联接到FET Q1的漏极，以及MOSFET Q4的源极联接到MOSFET Q2的漏极。
电感器L2联接在FET Q1与FET Q3之间以及在二极管D1与二极管D2之间。具体地，如图2所示，电感器L2的一个电极联接在二极管D1的阳极与二极管D2的阴极之间，以及电感器L2的另一个电极联接在FET Q3的源极与FET Q1的漏极之间。
AC电源V1联接在二极管电桥和同步整流器的两端。具体地，AC电源V1的一个电极借助电感器L1联接在二极管D1与二极管D2之间，以及AC电源V1的另一个电极联接在MOSFETQ2与MOSFET Q4之间。
当输入AC电压供应正电压时，控制MOSFET Q2(例如低频同步整流器)导通以及控制MOSFET Q4(例如低频同步整流器)断开。在该正向线路周期的一部分期间控制FET Q1导通，以允许电流通过电感器L1、电感器L2、FET Q1和MOSFET Q2。在该正向线路周期的其它部分，控制FET Q3导通。在该时间期间，电流通过电感器L1、电感器L2、FET Q3、DC输出端和MOSFET Q2。
在输入AC电压的负向线路周期期间，控制MOSFET Q4导通以及控制MOSFET Q2断开。在该负向线路周期的一部分期间控制FET Q3导通，以允许电流通过MOSFET Q4、FET Q3、电感器L1和电感器L2。在该负向线路周期的其它部分，控制FET Q1导通。在该时间期间，电流通过MOSFET Q4、DC输出端、FET Q1、电感器L1和电感器L2。
如上所述，可以将负浪涌电压(例如电压218)施加于电源转换器202的输入端。在这类情况下，大量的负浪涌电流流经电源转换器202，如由线220所指示。例如，在正向线路周期的一部分期间(当MOSFET Q2接通时)，负浪涌电流可以从AC输入源V1，流经MOSFET Q2、二极管D2和电感器L1，并回到AC输入源V1，如由线220所示。在一些示例中，负浪涌电压可以为大约500V，以及浪涌电流可以达到大约500A。在该时间期间，电感器L1可以抑制负浪涌电流以减小MOSFET Q2的应力和恶化，如上所述。可替选地，在线路周期的其它部分期间，负浪涌电流可以采用穿过电源转换器202(包括电感器L1)的另一路径。
如图2所示，电源转换器202包括用于感测在该转换器中的电流跟踪的电流传感器。具体地，电流传感器串联联接在AC电源V1与电感器L1之间，用以感测流经电感器L1的电流。借助电流信号CS将感测的电流提供给控制电路(未示出)，诸如数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)。然后控制电路可以响应于电流信号CS而控制FET Q1、FET Q3、MOSFETS Q2和MOSFETS Q4中的一者或多者(例如具有电流控制环路)，如上所述。这允许控制电路对电源转换器202执行逐周期的电流保护。
在图2的示例中，电流传感器为电流感测电阻器R1。可替选地，如果期望更高精度、更低功率损耗等，则可以采用另一电流传感器，包括例如霍尔效应电流传感器、电流感测变压器等。例如，图3示出包括霍尔效应电流传感器HALL(代替图2的电流感测电阻器R1)的图腾柱无桥PFC AC-DC电源转换器302，该霍尔效应电流传感器HALL串联联接在电感器L1与AC电源V1之间。
如图3所示，电源转换器302包括用于控制FET Q1、FET Q3、MOSFETS Q2和MOSFETSQ4的控制电路316。例如，控制电路316从霍尔效应电流传感器HALL接收电流信号CS，并响应于该信号CS而控制FET Q1、FET Q3、MOSFETS Q2和MOSFETS Q4中的一者或多者，如上所述。
另外，电源转换器302可以生成表示该电源转换器302中的感测参数的另一信号ISO_COM。例如，信号ISO_COM可以表示PFC电源转换器302的AC输入电流或电压。在这类示例中，可以使用信号ISO_COM改变提供给升压FET Q1、升压FET Q3的控制信号的参数(例如占空比等)，用于校正功率因数。可以将该信号ISO_COM提供给控制电路316(例如控制电路316中的隔离通信(ISOCOMM)接口)和/或另一控制电路(例如包括电源转换器302的电源的系统控制电路)。
参照图2和图3，电感器L1、电感器L2用作电源转换器202、电源转换器302中的PFC电感。电感器L1、电感器L2可以被视为分立电感器，其中，电感器L1的电感小于电感器L2的电感。例如，电感器L1的电感可以为8微亨(8μH)、10微亨(10μH)等，以及电感器L2的电感可以为300微亨(300μH)、302微亨(302μH)等。
图2和图3的电感器L1、电感器L2可以卷绕在一个或多个芯部上。电感器芯部可以电(以及在一些示例中，物理地)联接到电源电路板，该电源电路板支撑电源转换器的其它部件。在一些实施方式中，电感器L1、电感器L2卷绕在同一芯部上。例如，图4示出环形芯部400，该环形芯部400包括卷绕在该芯部的相对侧的电感器L1、电感器L2。可替选地，电感器L1、电感器L2可以卷绕在另一合适形状的芯部上。例如，电感器L1、电感器L2可以卷绕在具有U形芯部截面和I形芯部截面的芯部上。在其它实施方式中，电感器L1、电感器L2可以卷绕在分离的芯部上。
图5示出图腾柱无桥PFC AC-DC电源转换器502，该电源转换器502包括二极管D1、二极管D2，图2和图3的分立电感器L1、分立电感器L2，4个开关器件，AC输入源Vac，输出滤波电容器C3和输出端。该输出端由电容器C4(具有等效串联电阻R3)和与该电容器C4并联联接的电阻器R4来表示。如图5所示，开关器件包括两个电源开关S1、S2和两个同步整流器D3、S4。同步整流器S4可以为具有本征体二极管的MOSFET，该本征体二极管由二极管D4来表示。图5的开关器件的功能基本上类似于图2和图3的开关器件Q1-Q4。
在图5的示例中，电感器L1的电感为10微亨(10μH)，以及电感器L2的电感为300微亨(300μH)。可替选地，电感器L1和电感器L2中的一者或两者可以具有另一合适的电感。
如图5所示，电源转换器502包括用于控制开关S1、开关S2、开关S4的控制电路。例如，该控制电路包括分别用于控制电源开关S1、电源开关S2的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulated，PWM)驱动器504、驱动器506。具体地，PWM驱动器504包括电压脉冲V1、比较器E1、电阻器R1和高PWM信号PWM_H。PWM驱动器506包括电压脉冲V6、电阻器R7和低PWM信号PWM_L。该控制电路也包括用于控制同步整流器S4的电压脉冲V3。
在一些示例中，电源转换器502可以经历负浪涌电压，如上所述。该负浪涌电压在图5中被示出为电压脉冲V4。例如，电压脉冲V4可以提供具有500伏特振幅的8/20微秒(μsec)脉冲。该电压脉冲V4改变输入电压(示出为电压V2)的极性。在该时间期间，由于负浪涌电压，因此大量的负浪涌电流可以开始流经电源转换器502。然而，通过采用电感器L1，可以抑制该负浪涌电流，从而减小同步整流器S4的应力和恶化，如上所述。
例如，图6和图7示出曲线图600、曲线图700，这两个曲线图示出了经历浪涌电压的电源转换器的电压和电流特性。具体地，图6的曲线图600示出图5的电源转换器502(包括分立电感器L1、L2)的电压和电流特性，以及图7的曲线图700示出包括一个PFC电感器的电源转换器(例如不包括如本文中所公开的分立电感器)的电压和电流特性。
如图6和图7所示，电源转换器的输入电压由于负浪涌电压(例如图5的电压脉冲V4)而下降到大约-400伏特。在该时间期间，电感器L1抑制主线路浪涌电流(IACL)流经电源转换器502。例如，如图6所示，电感器L1引起主线路浪涌电流(IACL)衰减到大约400A。相比之下，如图7所示，流经不具有分立电感器的电源转换器的主线路浪涌电流(IACL)激增到超过350kA。
本文中所公开的控制电路可以包括模拟控制电路、数字控制电路(例如数字信号控制器(Digital Signal Controller，DSC)、DSP等)、或混合控制电路(例如数字控制单元和模拟电路)。另外，整个控制电路、控制电路的一部分可以置于集成电路上，或在集成电路上可以无控制电路。另外，多个控制电路中的任一者可以为另一控制电路的一部分(例如，电源的控制电路的一部分)、或可以为不同的控制电路。
在一些实施方式中，本文中所公开的图腾柱无桥PFC电源转换器可以在连续导通模式下操作。例如，PFC电源转换器均可以包括生成一个或多个控制信号的控制电路，该一个或多个控制信号用于控制开关器件，使得PFC电源转换器在连续导通模式下操作。在这类示例中，流经分立电感器(例如电感器112、电感器114、电感器L1、电感器L2)的电流为连续的且因此不降为零。
可以在各种电源中使用PFC电源转换器。这些电源可以包括一个或多个附加电源转换器(例如具有任何合适拓扑的DC-DC电源转换器、DC-AC电源转换器等)。电源可以被设计用于高功率(例如大于1.0kW)。在一些示例中，在3.0kW AC-DC电源中可以采用PFC电源转换器中的任一者。
通过采用本文中所公开的特征中的任一特征，可以抑制通过图腾柱无桥PFC电源转换器的增大电流(例如由负浪涌电流引起)。另外，响应于该增大电流，可以快速地改变电源转换器中的开关器件的控制。因此，相比于传统的图腾柱无桥PFC电源转换器，可以减小由于高电流造成的开关器件和/或电源转换器中的其它部件上的应力和恶化。
进一步，相比于传统的图腾柱无桥PFC电源转换器，本文中所公开的电源转换器可以采用更少的部件和更简单的电路设计。因此，相比于传统的图腾柱无桥PFC电源转换器，在这些电源转换器中可以降低成本(例如部件成本、制造成本等)和功率损耗。
出于说明和描述的目的已经提供了实施方式的如上描述。不意图是详尽的或限制本发明。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在可适用的情况下是可互换的以及可以被用在所选择的实施方式中，即使没有具体示出或描述。特定实施方式的各个元件或特征也可以以许多方式变化。这些变化不应当被视为背离本发明，并且所有这些修改意图被包括在本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种电力电源，包括图腾柱无桥PFC电源转换器，所述图腾柱无桥PFC电源转换器包括：用于联接到AC电源的输入端、输出端、联接在所述输入端与所述输出端之间的四个开关器件、联接在所述四个开关器件与所述输入端之间的两个二极管、联接在所述四个开关器件与所述两个二极管之间的第一电感器、以及联接在所述两个二极管与所述输入端之间的第二电感器。
2.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述第二电感器配置成在所述PFC电源转换器的所述输入端处的电压的极性反转时抑制流经所述PFC电源转换器的电流。
3.如前述任一项权利要求所述的电力电源，还包括与所述第二电感器串联联接的电流传感器，所述电流传感器用于感测流经所述第二电感器的电流。
4.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述PFC电源转换器包括芯部，并且所述第一电感器和所述第二电感器卷绕在所述芯部上。
5.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述芯部包括环形芯部。
6.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述四个开关器件中的至少一个开关器件包括二极管。
7.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述四个开关器件中的至少一个开关器件包括电源开关。
8.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述四个开关器件中的至少两个开关器件包括同步整流器。
9.如前述任一项权利要求所述的电力电源，还包括控制电路，所述控制电路配置成生成一个或多个控制信号，所述一个或多个控制信号用于控制所述四个开关器件中的一个开关器件或多个开关器件以使所述PFC电源转换器在连续导通模式下操作。
10.如前述任一项权利要求所述的电力电源，还包括AC电源，所述AC电源包括联接到所述第二电感器的第一电极以及联接在所述四个开关器件中的两个开关器件之间的第二电极。
11.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述两个二极管包括第一二极管和第二二极管，其中，所述第一二极管联接在所述四个开关器件中的一个开关器件与所述第一电感器之间，并且所述第二二极管联接在所述四个开关器件中的另一个开关器件与所述第一电感器之间。
12.如前述任一项权利要求所述的电力电源，其中，所述四个开关器件包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件，其中，所述第一电感器联接在所述第一开关器件的一个电极与所述第三开关器件的一个电极之间，所述第一开关器件的另一电极联接到所述第二开关器件的一个电极，所述第三开关器件的另一电极联接到所述第四开关器件的一个电极，以及所述电源转换器的所述输入端联接在所述第二电感器与所述第二开关器件和所述第四开关器件之间。
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