专利名称：Pfc升压器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及PFC (功率因数校正)升压器电路。特别地，本发明涉及这样的PFC升压器电路其包含可开关的功率晶体管，以便在反激(flyback)和正激(forward)状态之间切换电路。
背景技术：
多年来，在工业中已经想到了用于PFC (功率因数校正)升压器电路的多种不同的电路布置，以便试图使得电源效率最大化，同时，减少部件数量并使功率损耗最小化。传统的布置单相PFC升压器电路的方式依赖于桥式整流器装置，以便将AC干线电源(AC mains supply)整流为连续变化的DC电压源。例如，如Huber等人在论文“Performance Evaluation of bridgeless PFC Boost Rectifiers" (IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,2008, VOL 23 ；Issue 3，pp 1381-1390)中所讨论的，传统的PFC升压器电路包含由四个二极管元件构成的全波整流器。串联设置电感性元件，同时，在整流器输出的输出的两端之间并联设置电容性元件。可切换功率晶体管受到控制，以便在电感性元件中存储能量，并将所存储的能量传送到电容性元件。与这样的布置相关联的问题在于全波整流器二极管两端之间的典型地为大约IV 的正向电压降，其显著地减小了电路的效率。也就是说，在AC干线电源的一个半周期(half cycle)之内，在两个二极管上产生电压降，导致对于高线路干线电压运行的大约的能量损耗，以及对于低线路干线电压运行的2%的能量损耗。已经开发无桥(bridgeless)PFC升压器电路，以试图减小电路的整流器部分的二极管的损耗。然而，所开发的多种电路具有明显的限制，例如给予干线电源的大量开关噪音，或是需要包含两个分立的升压电感器。本发明的目的在于提供一种PFC升压器电路，其包含可开关功率晶体管，以便在反激和正激状态之间切换电路，从而在用于电容器元件蓄能的电感器元件中存储能量以及从之释放能量。本发明的另一目的在于提供一种PFC升压器电路，其被布置为使得系统部件上的电压降最小化，从而增大能量效率。本发明的另一目的在于提供一种具有单个电感性元件的PFC升压器电路。分立地阅读各个目的，目的在于至少向公众提供有用的选择。本发明的目标在于克服或是至少是减轻某些或全部上面提到的问题。
发明内容
本发明包含PFC升压器电路，其以反激和正激状态运行。当处于正激状态时，通过两个功率晶体管的控制，电感器由AC电源充电，其中，第一功率晶体管被反向偏置，第二功率晶体管被开通。当处于反激状态时，第二功率晶体管被关断，电感器中所存储的能量经由二极管元件传送到电容器元件。根据一实施形态，本发明提供了一种用于连接到交流(AC)电源的功率因数校正升压器电路，其包含被布置为在电源的第一AC半周期有效(active)的第一电路部分，第一电路部分包含与第一功率晶体管的源极节点连接的第一 AC输入节点，与第一功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第一节点，与第二功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第二节点，与第二功率晶体管的源极节点连接的第二 AC输入节点，与电感性元件的第二节点连接的第一半导体二极管元件的阳极，与第一输出电容器元件的第一节点连接的第一半导体二极管元件的阴极，与第二 AC输入节点连接的第一输出电容器元件的第二节点， 其中，第一与第二功率晶体管可控制，以便在正激模式和反激模式之间切换第一电路部分。 使得在正激模式下，电感性元件存储来自AC电源的能量，在反激模式下，来自电感性元件的所存储的能量通过第一半导体二极管元件被传送到第一输出电容器。根据另一实施形态，本发明提供了一种用于连接到交流(AC)电源的功率因数校正升压器电路，其包含被布置为在电源的第一 AC半周期上运行的第一电路部分，通过控制第一与第二功率晶体管，第一电路部分被布置为以正激模式和反激模式中的一种运行，其中，正激模式下的电流路径经过第一功率晶体管的体二极管到电感器，并从电感器经过第二功率晶体管的漏极节点到源极节点，反激模式下的电流路径经过第一功率晶体管的体二极管到电感器，从电感器到第一半导体二极管元件，以便对第一输出电容器元件充电。根据本发明的特定实施例，通过减小二极管部件上的电压降的损耗，电路提供了从AC干线到输出的高效电力传送。另外，用于实现该电路的部件数量得到最小化。
现在将参照附图仅仅以举例的方式介绍本发明的实施例，在附图中图1示出了根据本发明一实施例的PFC升压器电路的电路图；图2示出了根据本发明一实施例以正激状态运行的图1的电路；图3示出了根据本发明一实施例以反激状态运行的图1的电路。
具体实施例方式第一实施例图1示出了适用于开关式电源的PFC升压器电路的电路图。设置两个输入节点 mi和IN2来接收AC干线输入信号。mi被布置为接收相(phase)电压信号，IN2被布置为接收中性(neutral)电压信号。电容器Cin被设置在两个输入节点之间。电路由被单个电感性元件Ll——其为升压电感器——分隔开的两个部分构成。上面的部分连接到相电压节点IN1，下面的部分连接到中性电压节点IN2。在此实施例的上面的部分中，第一功率晶体管PTl为金属氧化物场效应管 (MOSFET)。MOSFET PTl的源极节点连接到相电压节点1附以及第一输出电容器Cl的第一节点。PTl的漏极节点连接到第一二极管Dl的阳极以及电感性元件Ll的第一节点。PTl 的栅极节点101连接到功率晶体管控制电路，该电路被布置为控制功率晶体管的开通和关断。第一二极管Dl的阴极连接到第一输出电容器Cl的第二节点。在此实施例的下面的部分中，第二功率晶体管PT2也为金属氧化物场效应管(MOSFET)。MOSFET PT2的源极节点连接到中性电压节点IN2以及第二输出电容器C2的第一节点。PT2的漏极节点连接到第二二极管D2的阳极和电感性元件Ll的第二节点。PT2 的栅极节点102连接到功率晶体管控制电路，该电路被布置为控制功率晶体管的开通和关断。第二二极管D2的阴极连接到第二输出电容器C2的第二节点。上面的部分OPl的输出取自第一输出电容器Cl两端之间。下面的部分0P2的输出取自第二输出电容器Cl两端之间。两个功率晶体管PTl与PT2具有在其中形成的固有的体二极管BDl与BD2，如图 1-3所示。PFC电路被控制，使得其以正激状态/模式或反激状态/模式运行。在正激状态期间，通过从功率晶体管控制电路接收的信号，功率晶体管PT2被开通，功率晶体管PTl被关断。在反激状态期间，通过控制电路信号，功率晶体管PTl被开通，功率晶体管PT2被关断。此PFC升压器电路中的功率晶体管的控制由电气隔离的栅极驱动器控制电路(即从电路的上面的部分以及下面的部分隔离)提供。本领域技术人员已知的任何合适的控制电路可被用作栅极驱动器电路，例如，在添加任何合适的监视装置的情况下，任何传统PFC 升压器控制电路，监视装置对双极性电路电压、电流以及极性进行监视，以便控制PFC升压器电路功率晶体管如何受到控制。另外，控制电路包含分立的栅极电压驱动装置，以便产生用于功率晶体管的分立的栅极驱动电压。第一与第二功率晶体管的运行基于监视到的信号受到控制。功率晶体管的控制可基于用于电感器电流的连续电流模式(CCM)、不连续电流模式(DCM)或是临界电流模式(BCM)。另外，控制可使用固定或可变频率开关，其从平均电流模式控制方案或是“单周期”型控制算法得出。将会明了，任何合适的已有PFC升压器控制方案可被施加，以便控制这里介绍的电路操作。当相电压输入与中性电压输入相比更正时，图2中的电路被示为在AC干线输入的第一个半周期中运行。在此第一半周期中，功率晶体管PTi被反向偏置，通过其体二极管 BDl提供到升压电感器Ll的电流路径。当以正激状态运行此电路时，电流201从输入节点mi通过功率晶体管PTl的体二极管BDl以及通过开通的功率晶体管PT2流到输入节点IN2。这有效地将升压电感器Ll 连接到AC电压源两端之间，故来自AC电压源的能量被存储在升压电感器Ll中。另外，在此运行期间，仅一个二极管BDl被有效地放置在电路中，故在正激运行状态期间仅有效地存在一个相关的电压降(在BDl上)。参照图3，电路被示为在与图2所示AC干线输入的同样的第一个半周期期间以反激状态运行。然而，在此状态下，由于功率晶体管PT2被关断，经过功率晶体管PT2的电流现在经过第二二极管D2流到第二输出电容器C2。这有效地将升压电感器Ll中的所存储的能量传送到第二输出电容器C2。当相电压相比于中性电压更负时，在AC干线输入的第二半周期期间，所介绍的电路以类似的方式运行。在第二半周期期间，当电路处于正激状态时，电流流经功率晶体管 PT2的体二极管BD2，流经升压电感器Ll，流经由于AC干线输入监视而已被控制电路开通的功率晶体管PT1。如上所述，这有效地在干线电源之间引入升压电感器Li，但是是以相反的极性。
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当对电路进行切换以便以反激状态运行电路时，PTl被控制电路关断，流经PTl的电流现在经二极管Dl流到输出电容器Cl。使用任何已知的合适的电路，输出电力从输出电容器Cl和C2均等地吸取，以便提
供统一的输出。因此，所介绍的电路提供了超越现有技术的已知电路的如下多种优点。这里所介绍的实施例仅需要具有一个电感性升压元件，因此减少了电感性部件的数量并节省了成本。另外，反向偏置的功率晶体管可以以受控的方式受到驱动，以便实现AC源信号的同步整流。另外，无桥PFC升压器电路是高效的，因为当电路运行时电压降减小。效率的增大还导致电路产生较少的热，故而使得容易对电路进行冷却，并降低了运行电成本。另外，升压电感器提供了对任何AC电源瞬时条件的阻抗路径。第二实施例将会明了，尽管上面介绍的第一实施例包含用于功率晶体管的MOSFET器件，可使用其他合适的替代性功率晶体管器件。例如，在此实施例中，功率晶体管为绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)器件而不是MOSFET器件。因此，上面对第一实施例的介绍以及权利要求中任何提及MOSFET功率晶体管的栅极节点和源极节点等价于本实施例的IGBT功率晶体管布置的集电极节点和发射极节
点ο另外，此实施例的IGBT器件的集电极-发射极结包括连接在结的两端之间的“反并联”二极管，以便以与上面的第一实施例介绍的MOSFET布置的“体二极管”所提供的类似的方式提供反向电流路径。因此，任何提及上面的第一实施例和权利要求中描述的MOSFET布置的体二极管等价于IGBT布置中的反并联二极管。上面的第一实施例介绍的电路与此实施例的电路相同，除了用IGBT器件替换 MOSFET晶体管以外，将会明了，以与上面的第一实施例介绍的相同的方式，电路可受到控制并将因此运行。进一步的实施例将会明了，这里介绍的本发明的实施例仅仅出于举例，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出多种修改和变化。将会明了，被介绍为单个电感性元件的任何电感性元件可包括有效地作为并运行为单个电感性元件的串联布置的多个电感性元件。
权利要求
1.一种用于连接到交流(AC)电源的功率因数校正升压器电路，其包含被布置为在电源的第一 AC半周期有效的第一电路部分，第一电路部分包含与第一功率晶体管的源极节点连接的第一 AC输入节点，与第一功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第一节点，与第二功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第二节点，与第二功率晶体管的源极节点连接的第二 AC输入节点，与电感性元件的第二节点连接的第一半导体二极管元件的阳极，与第一输出电容器元件的第一节点连接的第一半导体二极管元件的阴极，以及与第二 AC输入节点连接的第一输出电容器元件的第二节点，其中，第一与第二功率晶体管可控制，以便在正激模式和反激模式之间切换第一电路部分，使得在正激模式下，电感性元件存储来自AC电源的能量，在反激模式下，来自电感性元件的所存储的能量通过第一半导体二极管元件被传送到第一输出电容器。
2.权利要求1的功率因数校正升压器电路，其还包含第二电路部分，第二电路部分被布置为在具有与第一 AC半周期相反的极性的第二 AC半周期上有效，第二电路部分包含与第一功率晶体管的源极节点连接的第一 AC输入节点，与第一功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第一节点，与第二功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第二节点，与第二功率晶体管的源极节点连接的第二 AC输入节点，与电感性元件的第一节点连接的第二半导体二极管元件的阳极，与第二输出电容器元件的第一节点连接的第二半导体二极管元件的阴极，以及与第一 AC输入节点连接的第二输出电容器元件的第二节点，其中，第一与第二功率晶体管可控制，以便在正激模式和反激模式之间切换第二电路部分，使得在正激模式下，电感性元件存储来自AC电源的能量，在反激模式下，来自电感性元件的所存储的能量通过第二半导体二极管元件被传送到第二输出电容器。
3.权利要求2的功率因数校正升压器电路，其中，通过反向偏置第二功率晶体管并开通第一功率晶体管，第二电路部分被布置为有效。
4.权利要求1的功率因数校正升压器电路，其中，通过反向偏置第一功率晶体管并开通第二功率晶体管，第一电路部分被布置为有效。
5.权利要求1的功率因数校正升压器电路，其中，电感性元件包含单个电感性元件。
6.权利要求1的功率因数校正升压器电路，其中，第一与第二功率晶体管为金属氧化物场效应管或绝缘栅型双极型晶体管。
7.权利要求1的功率因数校正升压器电路，其还包含被布置为对AC电源的电流、电压和极性进行监视并基于监视到的信号对第一与第二功率晶体管的运行进行控制的控制电路。
8.权利要求7的功率因数校正升压器电路，其中，控制电路包含栅极驱动器电路，其对第一与第二功率晶体管的栅极节点进行驱动。
9.权利要求8的功率因数校正升压器电路，其中，栅极驱动器电路产生用于第一与第二晶体管中的每一个的分立的栅极驱动信号。
10.权利要求8的功率因数校正升压器电路，其中，栅极驱动器电路从第一与第二电路部分电气隔离。
11.权利要求8的功率因数校正升压器电路，其中，使用连续、不连续和临界电流模式中的一种，驱动器电路驱动第一与第二功率晶体管的栅极节点。
12.一种用于连接到交流(AC)电源的功率因数校正升压器电路，其包含被布置为在电源的第一 AC半周期上运行的第一电路部分，通过控制第一与第二功率晶体管，第一电路部分被布置为以正激模式和反激模式中的一种运行，其中，正激模式下的电流路径经过第一功率晶体管的体二极管到电感器，并从电感器经过第二功率晶体管的漏极节点到源极节点，反激模式下的电流路径经过第一功率晶体管的体二极管到电感器，从电感器到第一半导体二极管元件，以便对第一输出电容器元件充电。
13.权利要求12的功率因数校正升压器电路，其还包含第二电路部分，第二电路部分被布置为在与第一相反的第二 AC半周期上运行，通过控制第一与第二功率晶体管，第二电路部分被布置为以正激模式和反激模式中的一个运行，其中，正激模式下的电流路径经过第二功率晶体管的体二极管到电感器，并从电感器经过第一功率晶体管的漏极节点到源极节点，反激模式下的电流路径经过第二功率晶体管的体二极管到电感器，并从电感器到第二半导体二极管元件，以便对第二输出电容器元件充电。
全文摘要
一种用于连接到交流(AC)电源的功率因数校正升压器电路，其包含被布置为在电源的第一AC半周期有效的第一电路部分，第一电路部分包含与第一功率晶体管的源极节点连接的第一AC输入节点，与第一功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第一节点，与第二功率晶体管的漏极节点连接的电感性元件的第二节点，与第二功率晶体管的源极节点连接的第二AC输入节点，与电感性元件的第二节点连接的第一半导体二极管元件的阳极，与第一输出电容器元件的第一节点连接的第一半导体二极管元件的阴极，与第二AC输入节点连接的第一输出电容器元件的第二节点，其中，第一与第二功率晶体管可控制，以便在正激模式和反激模式之间切换第一电路部分。使得在正激模式下，电感性元件存储来自AC电源的能量，在反激模式下，来自电感性元件的所存储的能量通过第一半导体二极管元件被传送到第一输出电容器。
文档编号H02M1/42GK102405585SQ201080017256
公开日2012年4月4日 申请日期2010年2月17日 优先权日2009年4月20日
发明者M·J·哈里森 申请人:伊顿工业公司