專利名稱：無橋路升壓pfc電路的、使用單變流器的電流檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于無橋路升壓(BLB)PFC電路、使用單變流器的電流檢測電路以及方法。
背景技術(shù)：
無橋路升壓PFC已經(jīng)證明是用于功率因數(shù)校正電路的一種良好的可選電路布局，如圖1所示。與圖2所示的使用橋路的傳統(tǒng)PFC電路相比，無橋路PFC電路減少了導(dǎo)電通路中的半導(dǎo)體器件的數(shù)量。對于傳統(tǒng)的PFC來說，在電流傳導(dǎo)通路中有三個半導(dǎo)體器件。而對于無橋路PFC來說，在任何時候?qū)щ娡分兄挥袃蓚€半導(dǎo)體器件。由于這兩個電路都用作升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，因此其開關(guān)損耗是相同的。由此，無橋路PFC可以降低電路傳導(dǎo)損耗并且改善電路效率。另外，由于相對于具有一個MOSFET和五個二極管的傳統(tǒng)PFC來說，這種電路僅使用兩個MOSFET和兩個二極管，因此這種電路被大大簡化了。
雖然圖1的無橋路PFC電路具有簡化的電路結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的效率，但是在電流的檢測上存在問題。
對于圖2的傳統(tǒng)PFC電路來說，可以通過串聯(lián)連接在電感器的返回通路中的分流電阻來檢測電感電流，如圖3所示。由此，電流信號被轉(zhuǎn)換為可用作控制目的的電壓信號。然而，對于無橋路PFC電路來說，電感電流返回通路位于AC側(cè)，如圖4所示。控制電路通常與輸出具有公共的接地。因此，對于無橋路PFC來說需要單獨的電流檢測方法。
為了實現(xiàn)單獨的電流檢測，50或60Hz的變流器提供了直接的解決方法，如圖5所示。然而，由于低頻變流器將會在輸入和輸出信號間產(chǎn)生大的相位差，因此使用檢測信號來控制功率因數(shù)校正電路將會影響功率因數(shù)。另外，低頻轉(zhuǎn)換器較大、較重并且較貴，從而其難以適用于千瓦量級的電源。
其他的單獨電流檢測方法是使用差分模式放大器，如圖6所示。差分模式放大器在輸入和輸出間不具有相位差。其可提供良好的控制信號。然而，由于無橋路PFC在高開關(guān)頻率和高輸出電壓下工作，因此差分模式放大器中的共模電壓將在檢測信號上產(chǎn)生噪聲。由于檢測電壓較低以最小化分流電阻中的功率損耗，因此共模電壓所產(chǎn)生的噪聲會使檢測電流失真。另外，由于差分模式放大器較為昂貴并且需要額外的電源，因此其也不是實用的解決方法。
另外的電流檢測方法是高頻重建，如圖7所示。在這種電流檢測方法中，兩個變流器T1和T2與S1和S2串聯(lián)連接。在每個半線周期(half line cycle)中，其中之一飽和并且不輸出信號，而另一個提供開關(guān)電流信號。變流器T3能夠檢測二極管電流。通過利用高頻變流器將開關(guān)電流與二極管電流疊加在一起，可以檢測到電感電流。因此，控制電路需要全部的三個變流器。即使使用峰值電流模式控制(其中僅需要開關(guān)電流作為功率因數(shù)校正控制)，也仍然需要至少兩個變流器。
由于具有這些缺點，因此雖然無橋路PFC電路已經(jīng)存在了20年左右，但是其仍然沒有在工業(yè)上使用。不僅是電路要承受嚴(yán)重的EMI噪聲干擾問題，還存在電壓檢測和電流檢測的問題。因此，在過去的20年中，已經(jīng)進(jìn)行了大量工作來解決電路的控制問題。已經(jīng)提出了一種有吸引力的方法來改善無橋路PFC電路的電流檢測和電壓檢測問題。其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。
在圖9中，(a)和(b)分別是與在正半線周期和負(fù)半線周期中工作的電路等價的電路。在各個半線周期中，無橋路PFC電路作為升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。整個電路等價于疊加在一起的兩個升壓電流。所有的電感電流將通過分流電阻，在分流電阻處可以檢測電感電流并且將其用于控制電路。
雖然這種電路能夠在無橋路PFC電路中提供良好的電流檢測，但是其仍然具有某些局限性·需要使用兩個額外的二極管。
·所述兩個額外的二極管需要額外的散熱片，從而使得電路更為昂貴。
·通過使用分流電阻，在電路中引入了額外的功率損耗。
因此，需要降低元件數(shù)量、成本以及電流檢測損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于在無橋路PFC電路中進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，特別是避免以上所述的局限和缺點。
為了進(jìn)一步簡化電流檢測方案，提供了一種新的用于無橋路PFC的電流檢測方法，其僅使用一個變流器。通過僅利用一個變流器來檢測開關(guān)電流，可以降低電流檢測損耗。另外，圖8電路中額外的二極管將不再需要。因此，對于所提出的電路來說，與其他大功率半導(dǎo)體器件相比，變流器的成本和硅器件的成本都十分低廉，并且損耗也將大大減少。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電路和方法以改善無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器中的電流檢測。這種轉(zhuǎn)換器包括變流器，其具有第一和第二初級繞組；升壓電感器，其具有連接到第一AC輸入端的第一端和連接到第一接點的第二端，所述第一接點限定在第一二極管的陽極與所述第一初級繞組的第一端之間，所述第一初級繞組的第二端與第一開關(guān)的第一端連接；所述第一開關(guān)的第二端，連接到公共線；電容與負(fù)載的并聯(lián)電路，連接在所述第一二極管的陰極與所述公共線之間；第二二極管、所述第二初級繞組和第二開關(guān)的串聯(lián)電路，連接在所述第一二極管的陰極與所述公共線之間；以及第二AC輸入端，其連接到限定在所述第二初級繞組和所述第二開關(guān)之間的第二接點。在所述第二AC輸入端和所述第二接點之間可連接有第二升壓電感器。所述第一和第二開關(guān)可以是MOSFET。所述電路在變流器的第一和第二次級線圈處還包括整流電路，所述整流電路包括MOSFET和附加的二極管。
通過參照附圖對本發(fā)明實施方案進(jìn)行的以下描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將會更加清楚。


圖1示出了已知的無橋路PFC電路；圖2示出了傳統(tǒng)的PFC電路；圖3示出了用于傳統(tǒng)PFC電路的電流檢測結(jié)構(gòu)；圖4示出了圖1的無橋路PFC電路的電流返回通路；圖5示出了用于無橋路PFC、使用低頻轉(zhuǎn)換器的電流檢測結(jié)構(gòu)；圖6示出了用于無橋路PFC、使用差分模式放大器的電流檢測結(jié)構(gòu)；圖7示出了用于無橋路PFC、使用高頻重建的電流檢測結(jié)構(gòu)；圖8示出了可以改善已知的無橋路PFC電路的EMI性能的另一個電路；圖9(a)和9(b)示出了圖8電路中不同半線周期的等價電路；圖10(a)和10(b)示出了所提出的新的電流檢測方案；圖11(a)和11(b)分別示出了在正半線周期和負(fù)半線周期中變流器的初級側(cè)電流；圖12(a)和12(b)分別示出了在轉(zhuǎn)換和復(fù)位操作階段中，圖10(b)的變流器次級整流電路的等價電路。
具體實施例方式
圖10(a)和10(b)中示出了電流檢測方案的示意圖。
變流器具有兩個初級繞組P1、P2以及兩個次級繞組S1、S2。兩個初級繞組均為單匝，兩個次級繞組為多匝，典型的為50或100匝。變流器的等價初級電流等于I1與I2之和。
為了更清楚地理解電流檢測方案，圖11(a)和11(b)中示出了流過變流器的電流波形。從波形中可以看出，對于兩個半線周期來說，等價的初級側(cè)電流為通過MOSFET M1、M2的開關(guān)電流之和。然而，更具體地，對于正半線周期來說，等價的初級側(cè)電流為總的開關(guān)電流I1+I2，而對于負(fù)半線周期來說，等價的初級側(cè)電流為總的開關(guān)電流I1+I2的負(fù)值。因此，該電流檢測方法中的下一步是對電流信號進(jìn)行整流。
圖10(b)中示出了整流電路。圖12(a)和12(b)中分別示出了轉(zhuǎn)換信號時和復(fù)位電磁場時變流器的等價電路。當(dāng)初級側(cè)通有電流時，MOSFET M3導(dǎo)通，從而次級側(cè)S1電流回路通過二極管D3閉合，并且由二極管D4阻斷，而初級側(cè)電流可以通過分流電阻R1檢測。當(dāng)初級側(cè)未通有電流時，MOSFET M3截止，電流通過次級繞組S1、S2和一對跨過其連接的相反的齊納二極管Z1、Z2，電流通路如圖12(b)所示。在此期間，變流器電磁場被復(fù)位。通過以上分析，可以看出MOSFET可以使用與功率級開關(guān)相同的柵信號。
與其他的電流檢測方法相比，以上提出的電路至少具有以下優(yōu)點·結(jié)構(gòu)簡單，只需要一個高頻變流器。
·不需要額外的控制電路，MOSFET電流檢測電路可以與功率級開關(guān)使用同一柵驅(qū)動信號。
·低的功率損耗。與分流電阻相比，變流器電阻只流過少量的電流，從而產(chǎn)生較少的功率損耗。
雖然已經(jīng)結(jié)合特定的實施方案對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他的修改和調(diào)整以及其他應(yīng)用是顯而易見的。因此，本發(fā)明不受在此的特定公開的限制。
權(quán)利要求
1.一種無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，包括變流器，其具有第一和第二初級繞組；升壓電感器，其具有連接到第一AC輸入端的第一端和連接到第一接點的第二端，所述第一接點限定在第一二極管的陽極與所述第一初級繞組的第一端之間，所述第一初級繞組的第二端與第一開關(guān)的第一端連接；所述第一開關(guān)的第二端，連接到公共線；電容與負(fù)載的并聯(lián)電路，連接在所述第一二極管的陰極與所述公共線之間；第二二極管、所述第二初級繞組和第二開關(guān)的串聯(lián)電路，連接在所述第一二極管的陰極與所述公共線之間；以及第二AC輸入端，其連接到限定在所述第二初級繞組和所述第二開關(guān)之間的第二接點。
2.如權(quán)利要求1所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括連接在所述第二AC輸入端和所述第二接點之間的第二升壓電感器。
3.如權(quán)利要求1所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一和第二開關(guān)是MOSFET。
4.如權(quán)利要求3所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一和第二開關(guān)是MOSFET，其各自具有體二極管，所述體二極管的陰極與所述第一和第二初級繞組中相應(yīng)的一個相連接。
5.如權(quán)利要求4所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述MOSFET各具有一對主端子，所述主端子分別連接至所述公共線和所述第一和第二初級繞組中相應(yīng)的一個；以及柵極端，用于控制所述MOSFET。
6.如權(quán)利要求1所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述變流器具有第一和第二次級繞組，所述第一和第二次級繞組的各自的第二端在第三接點連接在一起；以及整流電路，連接到所述次級繞組。
7.如權(quán)利要求6所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述整流電路包括電阻和第三開關(guān)的串聯(lián)連接，連接至所述第三接點；所述電阻與所述第三開關(guān)之間的接點，與所述公共線連接；一對齊納二極管，其陰極連接在一起，其陽極分別連接至所述第一和第二次級繞組的所述第二端；一對二極管，其陰極連接至所述第三開關(guān)，其陽極分別連接至所述第一和第二次級繞組的所述第一端。
8.如權(quán)利要求7所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述第三開關(guān)是MOSFET。
9.如權(quán)利要求8所述的無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述第三開關(guān)是MOSFET，所述MOSFET具有一對主端子，所述主端子分別連接至所述電阻和所述一對二極管的陰極；柵極端，用于控制所述MOSFET。
全文摘要
一種用于改進(jìn)無橋路PFC升壓轉(zhuǎn)換器中電流檢測的電路和方法。這種轉(zhuǎn)換器包括變流器，其具有第一和第二初級繞組；升壓電感器，其具有連接到第一AC輸入端的第一端和連接到第一接點的第二端，所述第一接點限定在第一二極管的陽極與第一初級繞組的第一端之間，第一初級繞組的第二端與第一開關(guān)的第一端連接；連接到公共線的第一開關(guān)的第二端；電容與負(fù)載的并聯(lián)電路，連接在第一二極管的陰極與公共線之間；第二二極管、第二初級繞組和第二開關(guān)的串聯(lián)電路，連接在第一二極管的陰極與公共線之間；以及第二AC輸入端，其連接到限定在第二初級繞組和第二開關(guān)之間的第二接點。在第二AC輸入端和第二接點之間可連接有第二升壓電感器。
文檔編號H02M7/00GK1855658SQ20061006643
公開日2006年11月1日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者馬爾科·索爾達(dá)諾 申請人:國際整流器公司