CN101860192A

CN101860192A - 一种三态三电平pfc电路及多态三电平pfc电路

Info

Publication number: CN101860192A
Application number: CN201010138311A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·赫尔特; 孟丽婵; 武志贤
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: CN101860192B

Abstract

本发明涉及一种三态三电平PFC电路，包括：电感、复合三态开关、第一电容和第二电容，所述电感连接在交流电源第一端与复合三态开关第一端之间，复合三态开关第二端连接在第一电容的第一端，复合三态开关第三端连接在第二电容第二端，复合三态开关第四端接地，第一电容的第一端、第一电容的第二端和第二电容的第二端输出三电平电压。本发明还相应提供了一种多态三电平PFC电路。本发明提供的PFC电路与普通的不带三态开关或多态开关的电路相比，如果保持开关频率和无源器件上的纹波大小不变电感和电容的尺寸可以显著减小，同时电路的功率因数提高，总谐波含量降低；如果保持输入电流纹波频率和大小不变则可以降低开关频率，显著提高电路的效率。

Description

一种三态三电平PFC电路及多态三电平PFC电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种三态三电平PFC电路及多态三电平PFC电路。

背景技术

高频开关电源广泛于不同的场合，如在很多应用条件下需要把电源电压从一个电压等级变换到另一个需要的电压等级。在这种交流到直流(AC/DC)的转换系统中除了需要实现所要求的电压转换功能，还需要满足各种标准对功率因数(Power Factor，PF)、总谐波含量(Total Harmonics Distortion，THD)和电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)的要求。

请参阅图1，为一种三电平PFC电路。如图1所示，电感L1的第一端与交流电源第一端相连，电感L1的第二端与桥臂电路的第一输入端101相连，在桥臂电路内，第一输入端101通过正向的二极管D1连接至第一输出端103，第一输入端101还通过反向的二极管D2连接至第二输出端104，第一输出端103通过电容C1接地，第二输出端104通过电容C2接地，第一输入端101还通过反向串联的的两个开关管Q1和Q2连接至第二输入端102，且第二输入端接地并连接至交流电源第二端。该电路在开关管Q1和Q2开通时，电流流经两个开关管；而在开关管关断时，电流流经一个二极管D1或D2，三电平的特性使电感的感量是传统的两电平拓扑的一半，从而可以比两电平PFC(Power Factor correction，功率因数校正)电路的电感尺寸小，开关管的电压应力是传统两电平的一半，所以可以减小半导体器件的开关损耗，提高电路效率。

然而，随着高功率密度高性价比产品需求的不断增加，开关频率不断提高以减小无源器件的体积，这样又很难保证效率。所以，仍然需要开发一种PFC电路来实现同时提高效率和功率密度的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有PFC电路的上述不能同时提高效率和功率密度的缺陷，提供一种三态三电平PFC电路及多态三电平PFC电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三态三电平PFC电路，包括：电感、复合三态开关、第一电容和第二电容；

所述电感连接在交流电源第一端与复合三态开关第一端之间，复合三态开关第二端连接在第一电容的第一端，复合三态开关第三端连接在第二电容的第二端，复合三态开关第四端接地，第一电容的第一端、第一电容的第二端和第二电容的第二端输出三电平电压。

在本发明所述的三态三电平PFC电路中，所述复合三态开关包括：

在交流电源输入信号处于正半周期时工作的第一三态开关和交流电源输入信号处于负半周期时工作的第二三态开关。

在本发明所述的三态三电平PFC电路中，所述第一三态开关包括：

变压器，所述变压器的原边的同名端和副边的异名端相连作为复合三态开关的第一端；

两个第一二极管和两个开关管；两个第一二极管的阳极分别连接至变压器的原边的异名端和副边的同名端，两个第一二极管的阴极都与第一电容的第一端相连；第一个开关管跨接在变压器的原边的异名端和地之间，第二个开关管跨接在变压器的副边的同名端与地之间。

在本发明所述的三态三电平PFC电路中，所述复合三态开关还包括：两个第二二极管；两个第二二极管的阴极分别连接至变压器的原边的异名端和副边的同名端，两个第二二极管的阳极都与第二电容的第二端相连，所述变压器、两个开关管、以及所述两个第二二极管构成第二三态开关。

本发明还提供了一种多态三电平PFC电路，所述多态三电平PFC电路包括：电感、复合多态开关、第一电容和第二电容；

所述电感连接在交流电源第一端与复合多态开关第一端之间，复合多态开关第二端连接在第一电容的第一端，复合多态开关第三端连接第二电容的第二端，复合多态开关第四端接地，第一电容的第一端、第一电容的第二端和第二电容的第二端输出三电平电压。

在本发明所述的多态三电平PFC电路中，所述复合多态开关包括：

在交流电源输入信号处于正半周期时工作的第一多态开关和交流电源输入信号处于负半周期时工作的第二多态开关。

在本发明所述的多态三电平PFC电路中，所述第一多态开关包括：

具有N个绕组的变压器，其中N为大于2的整数，所述变压器的副边N个绕组连成等边多边形，所述变压器的原边N个绕组的同名端相连作为复合多态开关第一端；

分别与变压器的原边N个绕组的异名端相连的N组第一二极管和开关管，其中N个第一二极管的阳极分别连接至变压器的原边N个绕组的异名端，N个第一二极管的阴极与第一电容的第一端相连；N个开关管分别跨接在变压器的原边N个绕组的异名端与地之间。

在本发明所述的多态三电平PFC电路中，所述复合多态开关还包括：N个第二二极管；所述N个第二二极管的阴极分别连接至变压器的原边N个绕组的异名端，N个第二二极管的阳极与第二电容的第二端相连；所述变压器、所述N个开关管和所述N个第二二极管构成第二多态开关。

实施本发明的三态三电平PFC电路以及多态三电平PFC电路，具有以下有益效果：

1、本发明通过采用复合三态开关构造了一种三态三电平PFC电路，通过PWM调制来控制开关管的导通和关断，就可以实现不同模态的输出。本发明提供的三态三电平PFC电路的输入电流小于传统三电平PFC的输入电流，可见其电路效率更高。如果保持相同的电感电流纹波大小和频率，本发明三态三电平PFC的开关频率只是普通三电平的一半，从而使得多态三电平PFC的开关频率降低，相应的效率提高。

2、本发明提供的三态三电平PFC的电感耐压为传统三电平PFC的一半，这样在其他条件相同的情况下，其电感值可以为传统三电平PFC的一半，电感体积也减小。

3、同时提供的三态三电平PFC的电感电流纹波在同一个周期里有更多纹波为零点，减小了功率开关管的开关损耗和通态损耗，这也有益于提高电路的PF值和降低THD。

4、本发明还采用复合多态开关构造了一种多态三电平PFC电路，与传统的电路相比其同样具有上述特性，即如果保持开关频率和无源器件上的纹波大小不变电感和电容的尺寸可以显著减小，同时电路的功率因数提高，总谐波含量降低；如果保持输入电流纹波频率和大小不变则可以降低开关频率，显著提高电路的效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有的三电平PFC电路原理图；

图2(a)至图2(c)分别为三态开关、四态开关和五态开关的结构示意图；

图3(a)至图3(d)分别为三态开关的工作模态图；

图4(a)至图4(h)分别为四态开关的工作模态图；

图5是本发明三态三电平PFC电路第一优选实施例的电路原理图；

图6是本发明三态三电平PFC电路第二优选实施例的电路原理图；

图7(a)至图7(d)分别为本发明优选实施例中三态三电平PFC电路的工作模式图；

图8为本发明优选实施例中四态三电平PFC电路原理图；

图9(a)和图9(b)分别为传统电路和本发明电路的输出电压波形图；

图10(a)和图10(b)分别为传统电路和本发明电路的输入电流波形图；

图11(a)和图11(b)分别为传统电路和本发明电路的驱动信号波形图；

图12(a)和图12(b)分别为传统电路和本发明电路的电感电流纹波图；

图13(a)和图13(b)分别为传统电路和本发明电路的电感电压波形图；

图14(a)和图14(b)分别为传统电路和本发明电路的电感电流波形图；

图15(a)至图15(c)分别为本发明电路在不同占空比时的电感电流纹波图；

图16(a)和图16(b)分别为传统电路和本发明电路在开关管组两端的电压波形图，图16(c)为本发明电路变压器前端与地的电压波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明主要将三态开关及多态开关应用到PFC电路中实现了三态或多态三电平电路输出。下面对多态开关的定义进行说明。请参阅图2(a)至图2(c)，分别为三态开关、四态开关和五态开关的结构示意图。要实现多态开关的结构需要一个变压器和一个由开关管等组成的桥臂。如图2(a)所示，如果变压器的原边有两个绕组，则开关管为两桥臂结构，所实现的是三态开关；如图2(b)所示，如果原边有三个绕组，则开关管为三桥臂结构，实现的是四态开关；如图2(c)所示，如果原边有四个绕组，则开关管为四桥臂结构，实现的是五态开关。以此类推，当变压器原边有N(N≥2)个绕组，则开关管为N桥臂结构，实现的是(N+1)态开关。

在图2(a)至图2(c)所示的结构中，二极管可以用开关管代替。两种结构的区别是用二极管电流只能单向流动；用开关管电流可以双向流动，因此可以用在全波功率因数校正和逆变器电路中。请参阅图3(a)至图3(d)，分别为三态开关的工作模态图。在图3(a)至图3(d)所示的三态开关中，采用开关管代替二极管。图3(a)和图3(b)所示的导通状态(即一个上管和一个下管同时导通)构成了三态开关的第一种状态，当使用在三态三电平PFC电路时就对应了第一模态。相应地，图3(c)和图3(d)所示的导通状态分别对应了三态开关的第二种状态(两个上管同时导通)和第三种状态(两个下管同时导通)，即当应用在三态三电平PFC电路时就对应了第二模态和第三模态。在上述三态开关中，变压器的一个同名端和一个异名端相连，这样流入两个桥臂的电流是相等的。由于四个开关管的不同导通组合构成了三种工作状态，这也是三态开关命名的原则。

请参阅图4(a)至图4(h)，分别为四态开关的工作模态图。如图4(a)至图4(h)所示，变压器的副边连成三角形结构，这样做可以使原边三个绕组中的电流相等，工作原理与三态开关相似。其中，图4(a)至图4(c)中一个上管和两个下管导通，形成第一状态。图4(d)至图4(f)中两个上管和一个下管导通，形成第二状态。图4(g)中三个下管导通，形成第三状态。图4(h)中三个上管导通，形成第四状态。

以此类推，(N+1)态开关的结构与四态开关的结构相似，变压器的绕组数增加到N，同时开关管的桥臂数也增加到N。多态开关的应用范围很广，既可以用在单相电路中也可以用在三相电路中，既可以用在整流器中也可以用在逆变器中，可以用在升压结构中也可以用在降压结构中，可以在全桥拓扑中用，也可以在半桥拓扑中用。本发明则利用多态开关的上述特性构成了三态三电平PFC电路和多态三电平PFC电路。

请参阅图5，为本发明三态三电平PFC电路第一优选实施例的电路原理图。如图5所示，本发明首先提供了一种三态三电平PFC电路，该PFC电路包括电感L1、复合三态开关、第一电容C1和第二电容C2。电感L1连接在交流电源AC第一端与复合三态开关第一端201之间，复合三态开关第二端202连接在第一电容C1的第一端，复合三态开关第三端203连接在第二电容C2的第二端，复合三态开关第四端204接地，第一电容C1的第一端、第一电容C1的第二端和第二电容C2的第二端输出三电平母线电平来供给负载R1。

本发明中采用的复合三态开关包括第一三态开关和第二三态开关，其中第一三态开关在交流电源信号处于正半周期时工作，第二三态开关在交流电源信号处于负半周期时工作。

如图5所示，第一三态开关包括变压器T、第一二极管D1和D3、开关管S1和S2。其中第一二极管D1和开关管S1构成第一组桥臂。第一二极管D3和开关管S2构成第二组桥臂。变压器T的原边的同名端和副边的异名端相连作为复合三态开关的第一端201。二极管D1的阳极与变压器T的副边的同名端相连，阴极与复合三态开关第二端202即第一电容C1第一端相连。开关管S1跨接在变压器的副边的同名端与地之间。二极管D3的阳极与变压器T的原边的异名端相连，阴极与复合三态开关第二端202即第一电容C1第一端相连。开关管S2跨接在变压器的原边的异名端与地之间。

复合三态开关还包括两个第二二极管D2和D4。二极管D2的阴极连接至变压器T的副边的同名端，阳极与复合三态开关第三端203即第二电容C2第二端相连。二极管D4的阴极连接至变压器T的原边的异名端，阳极与复合三态开关第三端203即第二电容C2第二端相连。变压器T、两个开关管S1和S2、以及二极管D2和D4就构成了第二三态开关。通过PWM调制来控制开关管的导通和关断，就可以实现不同模态的输出。

请参阅图6，为本发明三态三电平PFC电路第二优选实施例的电路原理图。上述开关管S1和S2为电流可以双向流动的反串联Mosfet，其结构与第一实施例类似，区别仅在于采用开关管Q1和Q2反串联来完成开关S1的功能。具体结构如下：开关管Q1的漏极与变压器T的副边的同名端相连，开关管Q1的源极和开关管Q2的源极相连，开关管Q2的漏极与地相连。开关管Q3的漏极与变压器T的原边的异名端相连，开关管Q3的源极和开关管Q4的源极相连，开关管Q4的漏极与地相连。通过对开关管Q1、Q2、Q3和Q4的控制便能对桥臂的导通状态进行控制。

请参阅图7(a)、图7(b)和图7(c)、7(d)，分别为本发明优选实施例中三态三电平PFC电路的工作模式图。其中图7(a)为本发明电路处于正半周期时的工作模式。在该工作模式中，第一三态开关导通工作。其中开关管S1和S2交错180度开关，当输入电压AC处于正弦波的正半周期时，电感电流将流经二极管D1、二极管D3或者开关管S1、开关管S2。当开关管导通时，则电流流过开关管S1和开关管S2，否则电流流经相应桥臂的二极管D1和二极管D3。图7(b)为本发明电路处于负半周期时的工作模式。在该工作模式中，第二三态开关导通工作。当输入电压AC处于正弦波的负半周期，电感电流将流经二极管D2、二极管D4或开关管S1、开关管S2。当开关管导通则电流流过开关管S1和开关管S2，否则电流流经相应桥臂的二极管D2和二极管D4。图7(c)、7(d)为开关管S1和S2都关断时的第三种工作模式，第一三态开关和第二三态开关各有一个二极管导通。

本发明还采用多态开关来实现了多态三电平PFC电路。该多态三电平PFC电路包括：电感、复合多态开关、第一电容和第二电容。电感连接在交流电源第一端与复合多态开关第一端之间，复合多态开关第二端连接在第二电容的第一端，复合多态开关第三端连接在第二电容第二端，复合多态开关第四端接地，第一电容的第一端、第一电容的第二端和第二电容的第二端输出三电平电压。

在本发明提供的多态三电平PFC电路的一些优选实施例中，复合多态开关包括：在交流电源输入信号处于正半周期时工作的第一多态开关和交流电源输入信号处于负半周期时工作的第二多态开关。

第一多态开关包括具有N个绕组的变压器，其中N为大于2的整数。变压器的副边N个绕组连成等边多边形，变压器的原边N个绕组的同名端相连作为复合多态开关第一端，原边各绕组之间的电流相等。第一多态开关还包括分别与变压器的原边N个绕组的异名端相连的N组第一二极管和开关管。其中N个第一二极管的阳极分别连接至变压器的原边N个绕组的异名端，N个第一二极管的阴极与第一电容的第一端相连。N个开关管分别跨接在变压器的原边N个绕组的异名端与地之间。

复合多态开关还包括N个第二二极管。N个第二二极管的阴极分别连接至变压器的原边N个绕组的异名端，N个第二二极管的阳极与第二电容的第二端相连。因此，变压器、N个开关管和N个第二二极管构成第二多态开关。即第一多态开关和第二多态开关共用变压器和开关管。

上述第一开关管均为可以电流双向流动的Mosfet、IGBT等开关器件。如采用第一开关管和第二开关管，将第一开关管的源极和第二开关管的源极相连，第二开关管的漏极与地相连。

请参阅图8，为本发明优选实施例中四态三电平PFC电路原理图。如图8所示，四态三电平PFC电路的结构与三态三电平PFC电路结构相似，区别在于，使用了复合四态开关。复合四态开关同样包括第一四态开关和第二四态开关。第一四态开关在交流电源输入信号处于正半周期时导通工作，其主要包括变压器T，第一二极管D1、D3和D5，以及开关管S1、S2和S3。其中第一二极管D1和开关管S1构成第一组桥臂。第一二极管D3和开关管S2构成第二组桥臂。第一二极管D5和开关管S3构成第三组桥臂。第一二极管D1、D3和D5的阳极分别连接到变压器T的原边的3个绕组的异名端，阴极与复合四态开关第二端202相连。开关管S1、S2和S3分别跨接在变压器T的原边的3个绕组的异名端与地之间。通过图4(a)至图4(h)的分析可知，第一四态开关能够实现四态三电平输出。复合四态开关还包括两个第二二极管D2、D4和D6。第二二极管D2、D4和D6的阴极分别连接到变压器T的原边的3个绕组的异名端，阳极与复合四态开关第三端203相连。变压器T，三个开关管S1、S2和S3，以及二极管D2、D4和D6就构成了第二四态开关。根据上述四态开关的状态变化就能相应得出PFC电路的四个模态，从而实现四态三电平输出。

下面对图1所示的传统的三电平PFC电路和图6所示的三态三电平PFC电路进行仿真。保持两电路的负载功率，输入输出电压及输入电流纹波大小频率相同进行参数设计并仿真。

请参阅图9(a)和图9(b)分别为传统电路和本发明电路的输出电压波形图，图10(a)和图10(b)分别为传统电路和本发明电路的输入电流波形图。由此可见传统三电平PFC和三态三电平PFC的输出电压相同，负载相同时，本发明提供的三态三电平PFC电路的输入电流小于传统三电平PFC的输入电流，可见本发明提供的电路效率更高。

请参阅图11(a)和图11(b)分别为传统电路和本发明电路的驱动信号波形图，图12(a)和图12(b)分别为传统电路和本发明电路的电感电流纹波图。从图中可见传统三电平PFC和三态三电平PFC具有相同频率的电感电流纹波，而三态三电平PFC开关管的开关频率仅为传统三电平PFC的一半，这也是三态三电平PFC具有更高效率的原因之一。

请参阅图13(a)和图13(b)分别为传统电路和本发明电路的电感电压波形图，图14(a)和图14(b)分别为传统电路和本发明电路的电感电流波形图。三态三电平PFC的电感耐压为传统三电平PFC的一半，这样在其他条件相同的情况下，其电感值可以为传统三电平PFC的一半，电感体积也减小，同时，三态三电平PFC的电感电流纹波在同一个周期里有更多纹波为零点，这也有益于提高电路的PF值和降低THD。

请参阅图15(a)至图15(c)分别为本发明三态三电平PFC电路在不同占空比时的电感电流纹波图。其中图15(a)中占空比大于0.5，图15(b)中占空比小于0.5，图15(c)中占空比等于0.5。可见电感电流纹波频率为开关频率的两倍，且电感纹波电流在占空比为0.5时为零。

请参阅图16(a)和图16(b)分别为传统电路和本发明电路在开关管组两端的电压波形图。即图16(a)为图1中点101与点102之间的电压波形图，图16(b)为图6中变压器后端与地之间的电压波形图。图16(c)为本发明电路图6中变压器T前端201与地的电压波形图。三态三电平PFC电路的变压器前端到地的电压则呈现五电平，这也有益于提高电路的PF值和降低THD。

从比较结果可以看出如果保持相同的电感电流纹波大小和频率，本发明三态三电平PFC的开关频率只是普通三电平的一半，从而使得多态三电平PFC的开关频率降低，相应的效率提高。由于此时多态三电平PFC的电感值也相应减小，电感和变压器的大小之和并没有增加，与传统的三电平PFC的电感大小基本相同。

另外，如果仅保持相同大小的电感电流纹波，采用相同的开关频率，则多态三电平PFC的电感电流纹波频率会成倍增加，此时电感和变压器的体积会显著减小。单相三态三电平PFC的电感值为传统三电平PFC的1/4，四态三电平PFC的电感值为传统三电平PFC的1/9，并且其THD也小于传统电路。如果应用于三相电路，电感减小会更多。

通常的电感设计过程如下：

设电感值为L，流过电感的最大电流为Io，磁芯的窗口利用率为Kw，导线电流密度为Jc，最大磁通密度为Bmax，电感所需要的面积乘积为AP。

则根据电感的设计原理可以得出：

AP = \frac{L * {Io}^{2}}{Kw * B \max * Jc}

令

K = \frac{{Io}^{2}}{Kw * B \max * Jc}

可以得出

AP＝K*L

AP是磁芯窗口面积和磁芯截面积的乘积，如果选用相同的K，则电感体积的大小与电感值成一定的正比例关系，这就是为什么用多态三电平PFC可以明显减小电感尺寸的原因。

由此可以看出本发明提供的多态三电平PFC电路可以提高电路特性，并且根据需要进行设计显著提高效率或显著减小无源器件的尺寸。

综上所述，本发明提出一种可以改善电路特性的三态三电平PFC电路以及多态三电平PFC电路结构，应用该结构的优点如下：

1)多态三电平PFC变换器不需要专门的均流电路，因为变压器的副边可以自然均流；

2)降低无源器件如电容(直流母线电容，滤波电容)和电感(滤波电感，升降压电感)的应力；

3)减小开关管的导通和开关损耗(相同功率等级下可以使用小开关管)；

4)提高系统动态特性；

5)提高系统性能，提高功率因数，降低总谐波含量；

6)根据需要进行设计可以显著提高效率或减小无源器件的尺寸。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims

1.一种三态三电平PFC电路，其特征在于，所述三态三电平PFC电路包括：电感、复合三态开关、第一电容和第二电容；

2.根据权利要求1所述的三态三电平PFC电路，其特征在于，所述复合三态开关包括：

3.根据权利要求2所述的三态三电平PFC电路，其特征在于，所述第一三态开关包括：

4.根据权利要求3所述的三态三电平PFC电路，其特征在于，所述复合三态开关还包括：两个第二二极管；两个第二二极管的阴极分别连接至变压器的原边的异名端和副边的同名端，两个第二二极管的阳极都与第二电容的第二端相连，所述变压器、两个开关管、以及所述两个第二二极管构成第二三态开关。

5.一种多态三电平PFC电路，其特征在于，所述多态三电平PFC电路包括：电感、复合多态开关、第一电容和第二电容；

6.根据权利要求5所述的多态三电平PFC电路，其特征在于，所述复合多态开关包括：

7.根据权利要求6所述的多态三电平PFC电路，其特征在于，所述第一多态开关包括：

具有N个绕组的变压器，其中N为大于2的整数；所述变压器的副边N个绕组连成等边多边形，所述变压器的原边N个绕组的同名端相连作为复合多态开关第一端；

8.根据权利要求7所述的多态三电平PFC电路，其特征在于，所述复合多态开关还包括：N个第二二极管；所述N个第二二极管的阴极分别连接至变压器的原边N个绕组的异名端，N个第二二极管的阳极与第二电容的第二端相连；所述变压器、所述N个开关管和所述N个第二二极管构成第二多态开关。