功率因數校正效能改進電路、使用該電路的變換器以及製造變換器的方法
2023-09-19 22:26:35
專利名稱：功率因數校正效能改進電路、使用該電路的變換器以及製造變換器的方法
技術領域：
本申請總的來說涉及AC-DC功率變換，並且，特別是，涉及在AC-DC變換器中使用的功率因數校正(PFC)電路。
背景技術：
AC-DC變換器通常包含有源PFC電路以將DC電壓提供給AC-DC變換器的DC-DC變換級，且調整從該AC輸入中得到的輸入電流。典型地，有源PFC控制從AC輸入中得到的輸入電流使得該電流波形與AC輸入電壓波形，典型地是正弦波，成比例且基本上與其同相。 典型的PFC電路可以包括通常被稱為PFC電感器的輸入電感器、輸出二極體和輸出電容器。 也包含主電源開關以調節在輸出電容器兩端提供的輸出電壓。主電源開關可以通過促使輸入電感器通過輸出二極體且跨過輸出電容器釋放能量來調整輸出電壓。
發明內容
在一方面，本公開提供了具有正輸入端、輸出端和接地端的PFC電路。在一個實施例中，PFC電路包括(1)串聯耦合在正輸入端和輸出端之間的功率因數電感器，⑵配置成周期地連接功率因數電感器到接地端的主開關，和(3)耦合到功率因數電感器且配置成為向主開關提供零關斷損耗的鉗位電容器。在另一方面，本公開提供了一種製造功率變換器的方法。在一個實施例中，該方法包括(1)在第一節點處連接功率因數電感器到輸出二極體，(2)在該第一節點處連接鉗位電容器到功率因數電感器和輸出二極體，和( 在第一節點處將扼流電感器與主電源開關連接在一起，其中功率因數電感器是用於PFC電路的輸入電感器，該PFC電路包括主電源開關和輸出二極體，且該鉗位二極體限制該主電源開關的關斷電壓。在又一方面，本公開提供了具有正輸入端、輸出端和接地端的電源。在一個實施例中，該電源包括(1)配置成接收AC功率且由此產生DC功率的動力源，(2)配置成接收並調整DC功率的PFC電路，該PFC電路具有以K)在正輸入端處耦合到動力源且串聯耦合在正輸入端和輸出端之間的功率因數電感器，(2B)配置成周期地連接該功率因數電感器至接地端的主開關和OC)耦合到該功率因數電感器且配置成為主開關提供零關斷損耗的鉗位電容器。
參考結合附圖作出的如下描述，其中圖1示出了根據本公開的原理構造的AC-DC變換器的實施例的框圖；圖2示出了根據本公開的原理構造的PFC電路的實施例的示意圖；圖3是示出了圖2的PFC電路的所選部件在該PFC電路的主開關的接通時的電壓和電流特性隨時間變化的曲線圖；圖4是示出了圖2的PFC電路的所選部件在該PFC電路的主開關的關斷時的電壓和電流特性隨時間變化的曲線圖；圖5示出了根據本公開的原理構造的AC-DC變換器的另一個實施例的示意圖；圖6示出了在圖5的實施例中的變換器的第一和第二 PFC電路的用於主電源開關的驅動信號的例子的曲線圖；以及圖7示出了根據本公開的原理實現的製造PFC電路的實施例的流程圖。
具體實施例方式本公開提供了在主開關上帶有低或零電壓開關(ZVS)的PFC電路。此外，所公開的PFC電路對於主開關具有零關斷損耗或至少大約零關斷損耗。除主開關之外，該PFC電路也包括用於在主開關被接通前消耗其源電容的輔助開關(例如，ZVS)。所公開的PFC電路也被配置成為該輔助開關提供零關斷或大約零關斷。ZVS和這裡使用的零關斷包括低或基本上ZVS以及低或基本上零關斷。所提供的PFC電路提供如上描述的ZVS和零關斷，同時與一些傳統的PFC電路相比減少了使用的部件的數量。例如，與這裡通過參考包括的美國專利申請第11/139162號的ZVS PFC電路相比，得到減少的多個部件同時仍提供ZVS並且也為主PFC電路開關和輔助開關提供零關斷。除了使用較少的部件外，所提供的PFC電路可以在沒有切換損耗不利結果的情況下實現更快的切換頻率。所公開的PFC電路的配置和部件的選擇在該PFC電路中提供較低電流。這樣，可以使用進一步降低成本的低電流碳化矽(SiC) 二極體。通過使用沒有切換損耗的PFC的較低導通阻抗(Rdson)，也可以通過PFC電路改進效率。因此，本公開提供了具有改進效率的 PFC電路，其包括用於ZVS和零關斷功能的單一緩衝電路。圖1示出了根據本公開的原理構造的AC-DC變換器100的實施例的框圖。該變換器100包括整流器110、PFC電路120和DC-DC變換器130。本領域技術人員將會理解，該變換器100可以包括其它雖然沒有被示出但在傳統的AC-DC變換器中通常使用的部件。該整流器110被配置成接收AC輸入並產生DC輸出。該AC輸入可以來自傳統源例如壁裝電源插座。該整流器110可以是傳統的整流器。在一個實施例中，該整流器110 可以是全橋整流器。在另一實施例中，該整流器110可以是半橋整流器。該PFC電路120被配置成接收並調整由該整流器110產生的DC輸出。在一個實施例中，該PFC電路120可以提高該整流器110的DC輸出。該PFC電路120可以是單級電路或者可以是多級電路。例如，在一個實施例中，該PFC電路120可以被配置成如圖2所示的PFC電路。在另一實施例中，該PFC電路120可以被配置成如圖5所示的PFC電路。PFC電路120包括主電源開關和耦合至該主電源開關兩端且配置成為該主電源開關提供ZVS的輔助開關。該PFC電路120進一步包括被配置成為主開關提供零關斷損耗的鉗位電容器。選擇鉗位電容器的類型和大小以為提供零關斷損耗。例如，在一些實施例中，
VCZ := JLZ. λ H等於或大於該PFC電路120的體電壓(bulk voltage)，其可以為380伏。 \ Cz
因此，鉗位電容器Cz的典型值可以從2200皮法到0. 022微法。DC-DC變換器130從PFC電路120接收調整後的DC輸出並將其變換為不同的DC 電壓以提供該DC變換器輸出。該DC-DC變換器130可以是傳統的DC-DC變換器。在一個實施例中，DC-DC變換器130可以是諧振變換器。例如，DC-DC變換器130可以是LLC變換器。該DC-DC變換器130可以是單級或多級變換器。圖2示出了根據本公開的原理構造的PFC電路200的實施例的示意圖。該PFC 電路200包括正輸入端202、輸出端204和接地端206。該PFC電路200跨過正輸入端202 和接地端206接收來自動力源的DC輸入電壓。該PFC電路200被配置成使用主電源開關 240 (Q)來提高DC輸入電壓並產生DC輸出電壓。PFC電路200的部件和配置被選擇成為主開關240提供ZVS和零關斷並且也為PFC電路200的輔助開關260提供零關斷。除上述部件外，PFC電路200包括輸入電感器210 (Lprc)、輸出二極體220 (Dl)和輸出電容器230 (Cout)。PFC電路200還包括扼流電感器250 (LZ)、輔助開關260 (Qaux)、鉗位電容器270 (CZ)、放電二極體280 (D2)和導通二極體290 (D3)。PFC電路200進一步包括PFC 控制器四5，其被配置成產生控制信號以激活(S卩，接通)和去活(即，關斷)主開關240和輔助開關沈0。因此，PFC控制器295可以包括用於PFC電路的傳統控制器的功能且被配置成管理該主電源開關240和輔助開關沈0的操作，如結合圖3和圖4描述的那樣。功率因數電感器210串聯耦合在正輸入端202和輸出端204之間。主開關240被配置成通過來自PFC控制器四5的控制信號周期地連接功率因數電感器至接地端206。功率因數電感器210和主電源開關240可以分別是傳統的電感器和開關，其通常被用在功率因數校正電路中。鉗位電容器270被連接到功率因數電感器210且被配置成為主開關240提供零關斷損耗。也就是說，調節鉗位電容器270尺寸以為主開關240提供零關斷。關斷期間的輔助開關260將跟隨(follow)關斷期間的主開關240且將也自動具有零關斷。輸出二極體 220被串聯連接在功率因數電感器210和輸出端204之間。輸出二極體220在第一節點201 處被連接到功率因數電感器210。鉗位電容器270也在第一節點201處被連接到功率因數電感器210和輸出二極體220。在激活主開關240之前，扼流電感器250和輔助開關260跨過主開關240被串聯耦合以釋放內部電容(即，Coss)。鉗位電容器270在第一節點201處被連接到功率因數電感器210、扼流電感器250和主開關M0。導通二極體290被配置成當該輔助開關260斷開時通過該扼流電感器250傳導電流。該導通二極體290在第二節點203處被連接到扼流電感器250和輔助開關沈0。放電二極體280被配置成當輔助開關260斷開時允許存儲在扼流電感器250中的能量釋放到耦合在該輸出端和地之間的輸出電容器230。放電二極體280在PFC電路200 的第三節點205處被連接到鉗位電容器270和導通二極體四0。扼流電感器250、輔助開關沈0、鉗位電容器270、放電二極體280和導通二極體 290可以共同地被看作PFC電路200的ZVS和零關斷緩衝電路。PFC電路200中的每一個部件的尺寸可以依據不同的應用而變化。例如，當確定用於PFC電路200的具體應用的部件時可以考慮輸入電壓和期望的輸出電壓。為了說明PFC電路200的操作，Vin為130伏且期望的輸出電壓為380伏。將結合PFC電路200討論操作的5個不同模式。在第一種模式-模式0中，主開關240斷開，輔助開關260接通且通過扼流電感器 250的電流Ι Ζ小於通過功率因數電感器210的輸入電流Iin，其中Iin= Ι Ζ+ΙΜ (通過輸出二極體Dl的電流)。在模式0中，、從零開始且只要Idi為正，輸出二極體220的陽極處的電壓就被鉗位在380伏(輸出電壓)且通過Ι Ζ= (380V/LZ)t求出電流Ι Ζ，其中t為時間，380伏是該PFC電路200提高的輸出電壓380伏且LZ是該扼流電感器250的電感。通過該扼流電感器250的電流L隨著該輸出二極體220的導通而線性增加。這樣，該扼流電感器250被充電。在第二模式，模式1，中，輔助開關260仍然接通且主開關240關斷。此時，、大於Iin且Idi現在為零。這樣，Iin、等於、Iin加上通過主開關電容Coss放電的諧振電流Ic。隨著主開關240斷開且輔助開關260接通，主開關240的內部電容Coss隨著存儲在 Coss的能量轉移到L放電到零。在下一個模式-模式2中，主開關240保持接通，輔助開關關斷。從以前的OFF時段，鉗位電容器270兩端的電壓Vcz為零伏。相應地，在模式2開始當輔助開關260關斷(t =0)時，輔助開關260具有零關斷損耗。例如，輔助開關沈0的Vds等於Vdsmain+Vez。因為Vcz為0伏且Vdsmain也為0伏，則Vdsaux也為0伏。鉗位電容器270Cz現在通過存儲在扼流電感器250中的能量經L充電。隨著主開關240仍然接通，在扼流電感器250和鉗位電容器270之間發生諧振，從而增加了正弦波模式下第三節點205處的電壓。模式2繼續直到鉗位電容器270兩端的電壓Vcz等於380伏。換句話說，此時第三節點205達到380伏。此時，模式3開始。在模式3中，主開關240保持接通，輔助開關沈0 保持關斷，且Vcz等於輸出電壓380伏。隨著第三節點205處為380伏，該二極體280 (D2) 由於陽極比陰極電壓更高而導通。在模式3中，在第三節點205處的電壓由於二極體
導通而被鉗位到380伏，且存儲在扼流電感器250中的能量通過導通二極體290和二極體 280被轉移到輸出電容器230。在下一模式-模式4中，在扼流電感器250中的能量(例如，所有能量)已經被轉移到輸出電容器230。在模式4中，主開關240保持接通，輔助開關260保持斷開，輔助開關 260的漏源電壓Vdsaux，從380伏通過LZ放電到零伏。最後輔助開關260的體二極體導通且保持Vdsaux在0伏直到該主開關240關斷。當關斷時，主開關240和輔助開關沈0都從 0伏關斷，因此具有零關斷損耗。因此，主開關240具有ZVS (零電壓接通)和零電壓關斷兩者。該輔助開關260具有零電壓關斷，但不包含ZVS。然而，與主開關240相比輔助開關260可以是較小的FET且具有較大的導通阻抗。 由於輔助開關260僅導通200ns-300ns，它的D-S電容可以非常小。由於沒有ZVS，接通損耗 l/2C*380V~2*f 非常小。在模式1-4中，主開關240接通且在模式0中主開關240斷開。PFC電路200被配置成當主開關關斷且輔助開關260斷開時為主開關240提供零關斷。從之前的Ton時段 (即，主開關240導通)，Vcz被充電到負380伏。那麼，主開關240的源漏兩端的電壓Vds等於負380伏加上輸出電壓380伏，或總和為零伏。然後，主開關240此時被關斷以提供零關斷損耗。隨著主開關240和輔助開關260都斷開，由於二極體觀0的一個二極體壓降，Iin 流經該功率因數電感器210、鉗位電容器270和放電二極體觀0以將Vcz充電到1伏或大約 1伏。此後，電流Iin轉向輸出二極體220且Vra在下一個接通時段Ton保持在1伏。鉗位電容器270被充電直到電壓Vcz為正，例如，1伏。放電二極體280導通的時間量等於該鉗位電容器270從負380伏充電到零伏的時間量。因此，放電二極體280可以是比輸出二極體220小的二極體。例如，放電二極體觀0的額定容量可以是6到8安培而該輸出二極體 220的額定容量可以是10安培。除了降低主電源開關MO的關斷電壓外，鉗位電容器270 的值也被選擇為提供該主開關MO的漏源電壓的漸變斜率(gradual slope)。在圖2的示例性實施例中，鉗位電容器270可以具有4700皮法的值。圖3是示出了圖2的PFC電路的所選部件在主開關240接通時的電壓和電流特性隨時間變化的曲線圖300。曲線圖300的X軸是以秒為單位的時間，每個間隔為約200納秒。Y軸是根據波形以伏特或安培為單位。沿Y軸給出每個具體波形的尺寸。該曲線圖300 包括代表主開關240的接通波形的主開關240的柵源電壓Vgs的波形。主開關240的漏源電壓Vds的波形也被包含在曲線圖300中。此外，曲線圖300包括輔助開關沈0的漏源電壓Vds、鉗位電容器270兩端的電壓Vra、和通過鉗位電容器270的電流Ilz。曲線圖300的波形反映了當主開關240接通時圖2中PFC電路200的上述操作論述。圖4是示出了圖2的功率因數校正電路的所選部件在主開關240關斷時的電壓和電流特性隨時間變化的曲線圖400。曲線圖400的X軸是以秒為單位的時間，每個間隔約 200納秒。Y軸是對沿y軸給出的每個具體波形大小以伏為單位。曲線圖400包括代表主開關240的關斷波形的主開關240的柵源電壓Vgs的波形。主開關240的漏源電壓Vds的波形也被包括在曲線圖300中。此外，曲線圖300包括輔助開關沈0的漏源電壓Vds和鉗位電容器270兩端的電壓Vra。曲線圖400的波形反映了當主開關240關斷時圖2中的PFC 電路200的上述操作論述。PFC控制器295提供驅動信號以接通和關斷主開關240和輔助開關260。圖5示出了根據本公開的原理構造的AC-DC變換器500的另一實施例的示意圖。 變換器500消除或基本減少了三級PFC電路中的接通和關斷損耗。變換器500包括兩個共享一個功率因數電感器(即，用於功率因數電路的輸入電感器)的PFC電路。變換器500 可以與高AC輸入例如480Vac —起使用且可以被用在單相或三相應用中。此外，如同變換器100和PFC電路200 —樣，600伏半導體可以與用於低導通損耗的變換器500 —起使用。變換器500包括AC源510、第一 PFC電路570和第二 PFC電路580。第一 PFC電路 570包括功率因數電感器520、第一輸出二極體530、第一輸出電容器550、主電源開關575 和緩衝電路577。第二 PFC電路580包括第二輸出二極體M0、第二輸出電容器560、主電源開關585和緩衝電路587。第一和第二輸出電容器550、560各自分別與DC-DC橋555和 565耦合。如圖5所示，每個DC-DC橋可以是全橋。在其它的實施例中，可以使用半橋。在可選的實施例中，變換器500可以不包括DC-DC橋555、565。第一和第二 PFC電路570、580被配置成與PFC電路200類似地操作，其中兩個PFC 電路570、580使用該功率因數電感器520作為輸入電感器。PFC控制器590被耦合到主電源開關575、585且被配置成產生驅動信號以周期地接通和關斷這些開關從而在該輸出電容器550、560處產生輸出電壓。PFC控制器590被配置成以交錯方式驅動該主開關575、585來產生用於變換器500的輸出電壓。在圖5中，在每一個輸出電容器550、560的兩端產生 38伏的輸出電壓，因此由變換器500產生760優總電壓。圖6示出了第一和第二 PFC電路 570,580的主電源開關的驅動信號的例子的曲線圖600。該曲線圖600的χ軸是時間且y 軸是每一個PFC電路570和580的主電源開關的柵源電壓。如所示的那樣，電源510可以是AC-DC金橋整流器。在圖5所示的實施例中，輸入電壓可以為480Vac，其中在輸出電容器550和560兩端有760伏的累積輸出電壓。輸出二極體530、540兩者和PFC電路570、580的主開關可以是600伏額定部件。例如，該主電源開關575、585可以是600伏額定FET。圖7示出了根據本公開的原理實現的製造功率變換器的實施例的流程圖700。該功率變換器可以是AC-DC變換器，如圖1公開的那樣。製造的功率變換器可包括一個或多個如圖2所示的PFC電路。相應地，在一個實施例中。該製造的功率變換器可以是圖5中的變換器。關於多個PFC電路，可以重複方法700的步驟中的一些步驟。方法700從涉驟 705開始。在步驟710中，功率因數電感器在第一節點處被連接到輸出二極體。因此，功率因數電感器和輸出二極體被串聯連接在該功率變換器的正輸入端和輸出端之間。該功率因數電感器是PFC電路的輸入電感器。功率因數電感器和輸出二極體在該第一節點處被直接耦合在一起。這樣，沒有其它部件被連接在功率因數電感器和輸出二極體之間。鉗位電容器在步驟720中在第一節點處被連接到功率因數電感器和輸出二極體。 在步驟730中，PFC電路的扼流電感器和主電源開關在第一節點處被連接在一起。主電源開關、扼流電感器、鉗位電容器、輸出二極體和功率因數電感器在第一節點處直接耦合在一起。輔助開關和導通二極體在步驟740中在第二節點處被連接到扼流電感器。第二節點是與第一節點不同的節點。在另一不同的節點，第三節點處，放電二極體在步驟750中被連接到鉗位電容器和導通二極體。在步驟760中，放電二極體和輸出二極體在輸出端處被連接到輸出電容器。 主電源開關、輔助開關和輸出電容器的未連接側在步驟770中被連接到變換器的接地端。步驟710至770描述了變換器的PFC電路的製造方法。在步驟780中，PFC電路的功率因數電感器被連接到電源。該電源可以是AC-DC橋整流器。DC-DC變換器在步驟790 中被耦合到輸出電容器。DC-DC變換器可以是如圖5所示的全DC-DC橋。方法700以步驟 795結束。與本申請有關的本領域技術人員能夠理解可以參考上述實施例所做的其它和進一步增加、刪除、替換和修改。
權利要求
1.一種具有正輸入端、輸出端和接地端的功率因數校正電路，包括 串聯耦合在所述正輸入端和所述輸出端之間的功率因數電感器； 配置成周期地連接所述功率因數電感器到所述接地端的主開關；以及耦合至所述功率因數電感器且配置成為所述主開關提供零關斷損耗的鉗位電容器。
2.根據權利要求1所述的功率因數校正電路，還包括串聯連接在所述功率因數電感器和所述輸出端之間的輸出二極體，其中所述輸出二極體在第一節點處被連接到所述功率因數電感器且所述鉗位電容器在所述第一節點處被連接到所述功率因數電感器和所述輸出二極體。
3.根據權利要求2所述的功率因數校正電路，還包括跨過所述主開關串聯耦合以在激活所述主開關之前對其內部電容放電的扼流電感器和輔助開關。
4.根據權利要求3所述的功率因數校正電路，其中，所述鉗位電容器在所述第一節點處被連接到所述功率因數電感器、所述扼流電感器和所述主開關。
5.根據權利要求4所述的功率因數校正電路，還包括配置成當所述輔助開關斷開時通過所述扼流電感器導通電流的導通二極體，其中所述導通二極體在第二節點處被連接到所述扼流電感器和所述輔助開關。
6.根據權利要求5所述的功率因數校正電路，還包括配置成允許所述扼流電感器對耦合到所述輸出端的輸出電容器釋放能量的放電二極體。
7.根據權利要求6所述的功率因數校正電路，其中，所述放電二極體在第三節點處被連接到所述鉗位電容器和所述導通二極體。
8.—種製造功率變換器的方法，包括在第一節點處將功率因數電感器連接到輸出二極體；在所述第一節點處將鉗位電容器連接到所述功率因數電感器和所述輸出二極體；以及在所述第一節點處將扼流電感器和主電源開關連接在一起，其中，所述功率因數電感器是用於功率因數校正電路的輸入電感器，所述功率因數校正電路包括所述主電源開關和所述輸出二極體，其中所述鉗位電容器限制該主電源開關的關斷電壓。
9.根據權利要求8所述的方法，還包括在不同於所述第一節點的第二節點處將所述 PFC電路的輔助開關和導通二極體與所述扼流電感器連接在一起。
10.一種具有正輸入端、輸出端和接地端的電源，包括 配置成接收AC功率且由此產生DC功率的動力源；以及配置成接收和調整所述DC功率的功率因數校正電路，所述功率因數校正電路包括 在所述正輸入端處耦合到所述動力源且串聯耦合在所述正輸入端和所述輸出端之間的功率因數電感器；配置成周期地連接所述功率因數電感器到所述接地端的主開關；以及耦合到所述功率因數電感器且配置成為所述主開關提供零關斷損耗的鉗位電容器。
全文摘要
本公開提供了一種功率因數校正(PFC)電路、電源和製造功率變換器的方法。在一個實施例中，該PFC電路具有正輸入端、輸出端和接地端且包括(1)串聯耦合在正輸入端和輸出端之間的功率因數電感器，(2)配置成周期地連接該功率因數電感器到接地端的主開關，和(3)耦合至該功率因數電感器且配置成為該主開關提供零關斷損耗的鉗位電容器。
文檔編號H02M1/42GK102332813SQ201110239948
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月13日 優先權日2010年7月13日
發明者M·杜姆伯 申請人:世系動力公司