无桥功率因数校正电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无桥功率因数校正（PFC)电路，尤其设及用于将单相交流（AC)电压转 换成直流值C)电压的PFC电路。
【背景技术】
[0002] 功率因数校正器或功率因数校正（PFC)电路是并网功率变换器的前端功率级，诸 如山至閒中的电源、电机驱动器和电子镇流器。功率因数校正器或功率因数校正肿C) 电路用于满足国际电网电流标准，诸如IE邸519和IEC-61000-3-12。该些标准还适用于通 常用作低功率工业应用和家用装置的AC电源的单相电网网络。在系统中使用PFC确保了 正弦输入电流和稳定的输出DC电压。还可W预见的是，PFC将作为非常重要的装置W确保 更复杂的电网网络中的良好电能质量。
[0003] 在传统PFC中，使用二极管桥和升压变换器。二极管桥对电网电流和电压进行整 流。升压变换器将电感电流整形成整流后的正弦电流。结果，电网电流是正弦的且与电网 电压同相。由于在电路中仅存在一个有源开关，因而该变换器简单且成本低。因此，该变换 器被照明应用普遍采用。然而，该电路的缺点在于对于高功率应用具有高传导损耗，该是由 于无论受控开关是接通还是断开电流路径中都存在=个半导体器件。此外，由于电网电流 上所携带的大的峰值间高频纹波电流，需要大的高频滤波器。
[0004] 为了解决传统PFC的传导损耗问题，在[4]中提出了无桥PFC。该PFC将二极管桥 和升压变换器集成为一个功率级，包括两个切换臂。一个切换臂对半个电网周期的电网电 流整形。无论切换状态如何，两个电网电感器通常串联连接。由于该电路在电流路径中只 具有两个半导体器件，因而该电路具有低的传导损耗。然而，由于具有更多的有源器件和磁 性部件，该电路更昂贵。更重要的是，该电路在工作时存在接地问题或者所述共模电压或泄 漏电流的问题。另外，该电路仍然需要高频滤波器。
[000引为了解决泄漏电流的问题，提出了无桥PFC电路的一些变型。在[5]中呈现了具 有串联半导体开关的无桥PFC。串联开关与用于电流整形的主切换（switching)同步。因 此，在电感器电流充电状态期间，电网端子被电绝缘。然后，能够产生低泄漏电流。然而，在 主电流流动路径中需要一个高额定电压、高额定电流和高开关频率的半导体开关器件。因 此，在电感器电流放电状态期间，传导损耗高于简单的无桥PFC。偏离了无桥PFC的基本理 念并且该无桥PFC电路的变型是昂贵的。另外，仍然需要高频滤波器。
[0006] 在[6]中，用于消除共模电压问题的另一种方法是使用双向开关来充输入电感器 电流。在双向开关闭合时，由于输出DC电压的反向偏置而使所有二极管断开。该导致在该 转换阶段期间电绝缘。
[0007] 因此，在电流路径中总是存在两个半导体器件。然而，由于二极管桥W高频率进行 转换，所W必须使用四个昂贵的快速二极管。通常，快速二极管的传导性能不如普通二极管 (line-化equencyDiode)的传导性能好。对于该拓扑结构，浮置栅极驱动是另外的成本问 题。另外，仍然需要高频滤波器。
[000引 在[7]中提出 了二极管猜位型无桥PFC(diodeclampedbridgelessPFC)。该PFC提供了用于解决共模电压问题的简单且有效的解决方案。在该无桥PFC中，两个二极管分 别将电路地连接至AC电源的正极端子和负极端子。该两个普通二极管保证了在地与AC电 源之间不出现共模电压差。然而，电网电感器仅在半个工频周期内工作，该意味着使用两个 分开的且相同的电感器。电感器的高成本和大尺寸成为问题。另外，仍然需要高频滤波器。
[0009] 为了解决昂贵的磁性器件的问题，在巧]中介绍了单巧电感器（singlecore in化ctor)。借助于该方法，由于使用一个磁巧从而能够解决尺寸问题。然而，该电感器的 设计是非常困难的。另外，仍然需要高频滤波器。
[0010] 代替二极管，可W使用电容器来保持地与AC电源之间的电压差。在巧]中公开了 电容器错位无桥PFC。电容器被禪接至电网端子和地，从而可W确保低的泄漏电流，但是在 电网电流中仍然能够发现高频电流纹波。因此，仍然需要高频滤波器。
[0011] 在[10]中公开了内置公共滤波器。在该变型中，共模滤波器与升压扼流器串联连 接，两个电容器执行电压错位和滤波的功能。该拓扑结构有效降低了泄漏电流，但是它不能 帮助从电网电流中滤除高频分量。
[0012] 在[11]中提出了改进的电容器错位方法。在该设计中，使用两个开关来连接电压 错位电容器。根据本公开内容，附加的开关在同一时间进行切换并且该些开关用于提高灯 负载操作期间的效率。因此，可W预计性能应该或多或少地与简单电容器错位无桥PFC的 性能相同。
[0013] 现有技术的解决方案有效解决了无桥PFC的共模电压问题，但代价是包括更高传 导损耗及更多或更大的无源器件。而且，不是所有解决方案都能提高电网电流质量。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是提供用W解决上述问题的电路。本发明的目的通过特征在于独立 权利要求中所阐述的方案的电路来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方 式。
[0015] 本发明基于在无桥PFC电路中使用一个或更多个电容器和低频半导体开关来规 划针对不同情况的两个不同的1XL滤波器结构的构思。半导体开关根据输入AC电压的极 性W交替的方式将一个或更多个电容器连接至电路。
[0016] 该减少了电网差分模式电流纹波或电感。此外，由于1XL滤波器中的电容器将电 压错位在电网与地之间，显著降低了PFC共模电压。
[0017] 由于通过在电路的输入部分处使用切换电路（switchingcircuit)形成了S阶滤 波器，本发明的电路不包括大的电感器。根据电网电压的极性，由1XL滤波器滤除高频分量 并改变滤波器结构。由于1XL滤波器使高频分量有效地减弱，因而可W不需要单独的EMI 滤波器。
[001引 由于通过电容器错位共模电压，本发明的电路提供了低的泄漏电流。此外，因为没 有给主电流路径添加有源元件或无源元件，所W传导损耗低。此外，输入电感越小，则电感 器的应数也越少。使用低电感的电感器增加了效率。
【附图说明】
[0019] 在下文中，将通过优选实施方式并参考附图对本发明进行更详细地描述，在附图 中，
[0020] 图1示出了本发明的实施方式；
[0021] 图2示出了双向开关的实现；
[0022] 图3(a)和3(b)示出了在正输入电压情况下本发明的实施方式的切换状态；
[0023] 图4 (a)和4化）示出了图3 (a)和3化）的等效电路；
[0024] 图5(a)和5(b)示出了在负输入电压情况下本发明的实施方式的切换状态；
[0025] 图6(a)和6化）示出了图5 (a)和5化）的等效电路；
[0026] 图7、8、9和10示出了本发明的实施方式；
[0027] 图11示出了本发明的仿真波形；
[002引图12(a)、12化）、12(c)、12(d)和12(e)示出了与本发明相比的现有技术装置的仿 真波形；W及
[0029] 图13和图14示出了描绘本发明的使用示例的基本框图。
【具体实施方式】
[0030] 图1示出了本发明的实施方式。本发明的PFC由传统的无桥PFC1和附加的切换 电路2组成。切换电路可W根据电网电压极性规划两个不同的1XL结构。
[003U传统的无桥PFC1包括第一输入电感器L1和第二输入电感器L2,电感器11，L2 的第一端形成电路的第一输入端子和第二输入端子。此外，无桥PFC1包括第一二极管D1 与第一可控半导体开关S1的串联连接、W及第二二极管D2与第二可控半导体开关S2的 串联连接。该些串联连接并联连接在功率因数校正电路的正输出端子VDC+与负输出端子 VDC-之间。输出端子形成电路的输出电压，通常，在输出端子之间连接电容器或串联连接的 电容器C1、C2。由于在输出端子之间连接有串联连接的电容器，还存在中间电压电位VM。
[0032] 在本发明的电路中，第一电感器L1的第二端连接在第一二极管与第一可控半导 体开关的串联连接之间的点处，类似地，第二电感器L2的第二端连接在第二二极管与第二 可控半导体开关的串联连接之间的点处。
[0033] 第一二极管D1和第二二极管D2的极性使得电流能够通过二极管至正输出端子。 也就是说，二极管D1，D2的阴极连接至正输出端子VDC+。可控半导体开关S1，S2被连接成 使得开关S1，S2能够阻止电流流过开关至负输出端子。
[0034] 无桥PFC电路使AC电网电压升高至较高的DC母线电压并且控制DC功率流动至 DC母线上。电网电流被控制成正弦的且与AC电网电压同相。
[0035] 切换电路2滤除由无桥PFC产生的开关频率分量。本发明的切换电路适用于W 下述方式在功率因数校正电路的输入端子与输出端子之间连接电容器CAB;CA，CB;当可连 接到输入端子的输入电压为正时，电容器连接在第一输入端子与输出端子的电位之间，而 当可连接到输入端子的输入电压为负时，电容器连接在第二输入端子与输出端子的电位之 间。
[0036] 具体地，在图1的实施方