專利名稱：一種功率因數(shù)校正方法及電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率因數(shù)校正(PFC)方法及電路，用于通信電源、不間斷電源(UPS)等市電輸入的開(kāi)關(guān)電源設(shè)備中，減小輸入電流諧波和提高功率因數(shù)。
如

圖1所示，傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路的工作原理如下輸入電壓(VIN)為市電正弦波電壓經(jīng)過(guò)整流后的電壓；其波形為正弦波電壓的絕對(duì)值波形；①通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)S1的開(kāi)通與關(guān)斷，使輸入電流跟蹤輸入電壓，使輸入電流為正弦波，同時(shí)與輸入電壓同相位，使輸入電流滿足IEC的相關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)使功率因數(shù)近似為1。
②當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在電感Lm兩端，給Lm充電儲(chǔ)能，Lm電流上升，此時(shí)續(xù)流二極管D反向截止；③當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，由于Lm電感電流不能突變，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，市電電壓與電感Lm串聯(lián)，電流經(jīng)續(xù)流二極管D1給輸出電容與負(fù)載供電，電感Lm電流下降。
上述傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路存在著如下的問(wèn)題當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，流過(guò)正向?qū)娏?。?dāng)S1導(dǎo)通時(shí)，D承受反向電壓，由于二極管存在著反向恢復(fù)效應(yīng)，D并不會(huì)立刻截止，而會(huì)有電流反向流過(guò)D，形成反向恢復(fù)電流。反向恢復(fù)電流與Lm一起流過(guò)功率開(kāi)關(guān)S1，從而增加了S1的開(kāi)通損耗和D的損耗。當(dāng)輸出電壓越高時(shí)，由于高壓二極管的反向恢復(fù)時(shí)間更長(zhǎng)，使上述問(wèn)題更加嚴(yán)重。S1的開(kāi)關(guān)頻率越高，則反向恢復(fù)電流造成的損耗越大；上述電路特有的問(wèn)題限制了電路工作頻率的提高。
為了解決上述問(wèn)題，普遍采用的方法是采用一個(gè)輔助電感Ls與續(xù)流二極管D串聯(lián)來(lái)減少反向恢復(fù)電流。
輔助電感Ls只能用來(lái)減少反向恢復(fù)電流，并不能減小反向恢復(fù)電流所帶來(lái)的損耗。要減小這一損耗，還需要增加一個(gè)儲(chǔ)能電容Cb來(lái)儲(chǔ)存反向恢復(fù)能，直到S1重新導(dǎo)通后再把儲(chǔ)存的能量送回輸出電容。
但儲(chǔ)能電容的引入為電感Lm電路上的電流提供了第二支路，在Lm電流較大時(shí)，由于儲(chǔ)能電容Cb所儲(chǔ)存的反向恢復(fù)能量是一個(gè)不大的數(shù)值，它不足以保證在S1關(guān)斷期間使第二支路的電流全部轉(zhuǎn)移到續(xù)流二極管D所在的支路上。這樣，輔助電感Ls不能完全發(fā)揮作用。
為此，理論上講可以設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的電路，以增加儲(chǔ)能，以便使S1關(guān)斷期間第二支路的電流全部轉(zhuǎn)移到續(xù)流二極管D所在的支路上。但是，增加儲(chǔ)能會(huì)帶來(lái)以下負(fù)面效應(yīng)當(dāng)市電電壓在過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)，電路工作在DCM(不連續(xù)電流控制)方式，在此工作方式時(shí)存在若干開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)在S1關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，電容Cb上存貯的能量有可能不能全部轉(zhuǎn)移至輸出電容，從而形成累積，造成電容Cb上電壓泵升，電壓緩沖器的能量越大，電容Cb上電壓泵升幅度越大，從而在續(xù)流二極管上造成較大的電壓尖峰應(yīng)力，增加了對(duì)續(xù)流二極管的耐壓要求，選用更高電壓額度的二極管，從而增加了二極管損耗。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種功率因數(shù)校正方法及電路。
所述功率因數(shù)校正方法通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)(S1)的開(kāi)通與關(guān)斷，使輸入電流跟蹤輸入市電正弦波電壓的波形及相位，從而提高功率因數(shù)，其特征是通過(guò)以下步驟來(lái)減小反向恢復(fù)電流損耗1)在功率開(kāi)關(guān)(S1)導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存反向恢復(fù)能量的同時(shí)，儲(chǔ)能電容還從輸入電壓(VIN)獲得一份正比于Vin2的能量，其中Vin為輸入電壓(VIN)的瞬間值；2)在功率開(kāi)關(guān)(S1)關(guān)斷后的續(xù)流過(guò)程中，將儲(chǔ)存的反向恢復(fù)能和正比于Vin2的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容(Co)。
所述功率因數(shù)校正電路包括功率開(kāi)關(guān)(S1)、輸出電容(Co)；其特征是，還包括儲(chǔ)能電容(Cb、Cs)，用于接收反向恢復(fù)能量和一份正比于Vin2的能量，并在功率開(kāi)關(guān)(S1)關(guān)斷后將該反向恢復(fù)能傳遞到輸出電容(Co)，其中Vin為輸入電壓(VIN)的瞬間值。
由于采用了以上的方案，在電流處于正弦波峰值時(shí)，由于輸入電壓也處于波峰位置，因而CsVin2的值可以足夠大，能使功率開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷后的續(xù)流過(guò)程中，續(xù)流電流能夠全部轉(zhuǎn)移到第一續(xù)流支路上。而在市電電壓在過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)，由于CsVin2接近于零，儲(chǔ)能電容上僅僅存儲(chǔ)了反向恢復(fù)能，這就不會(huì)造成儲(chǔ)能電容Cb上電壓泵升，從而不會(huì)在續(xù)流二極管上造成電壓尖峰應(yīng)力。
圖2(A)是本發(fā)明實(shí)施例一電路示意圖。
圖2(B)是本發(fā)明實(shí)施例二電路示意圖。
圖3是圖2(A)所示電路的工作波形圖。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的基本原理是在采用一個(gè)輔助電感與續(xù)流二極管D串聯(lián)來(lái)減少反向恢復(fù)電流方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一個(gè)特殊的儲(chǔ)能電路來(lái)提供電流轉(zhuǎn)移能量，減小反向恢復(fù)損耗，并能有效的實(shí)現(xiàn)使續(xù)流電流全部轉(zhuǎn)移到續(xù)流二極管D所在的支路上去，同時(shí)，儲(chǔ)能電路的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的儲(chǔ)存能量隨該周期內(nèi)電感電流值大小而改變，電感電流值越大，儲(chǔ)存能量越大。反之一樣，故不會(huì)造成相關(guān)電容電壓泵升。
圖2(A)和圖2(B)所示是本發(fā)明的二種實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)特別強(qiáng)調(diào)的是，第二儲(chǔ)能電容Cs上所儲(chǔ)存的能量不是從輸出電容Co上而是從輸入電壓Vin處獲得，其能量值為 而不是 ，顯然它是正比于Vin2的，進(jìn)而也是正比于輸入電流的平方的，因此增加的儲(chǔ)能不是一個(gè)定值，而是隨輸入電壓變化的，正是這一特點(diǎn)，使得本發(fā)明避免了儲(chǔ)能電容電壓的泵升。圖2(A)是發(fā)明方案中較典型的一種，下面將以這個(gè)方案為例介紹本發(fā)明的工作原理，而圖2(B)的原理也與此類似。
為了簡(jiǎn)化電路分析，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可作如下假設(shè)
①輸出電容足夠大，可以認(rèn)為輸出電壓V0為恒定不變的直流電壓；②除了續(xù)流二極管D以外，所有功率器件都是理想器件；③電感Lm遠(yuǎn)大于Ls；④在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓Vin為常數(shù)(由于輸入電壓的變化周期為市電周期，而功率開(kāi)關(guān)S的開(kāi)關(guān)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于市電周期，因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓Vin是基本不變的)；基于上述假設(shè)條件，我們可把一個(gè)電路工作周期分為8個(gè)時(shí)間段來(lái)分別進(jìn)行分析，如圖3所示第一階段(t0--t1)開(kāi)關(guān)S1在t0時(shí)刻導(dǎo)通，續(xù)流二極管D有反向恢復(fù)電流流過(guò)，輔助電感Ls與續(xù)流二極管D串聯(lián)來(lái)減少反向恢復(fù)電流。
第二階段(t1--t2)續(xù)流二極管D在t1時(shí)刻截止，反向恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束。此時(shí)Ls的儲(chǔ)存能量為 (Irr為反向恢復(fù)電流最大值)；此時(shí)D4自然導(dǎo)通，電流沿Vin--D4--Cs--Cb--Ls--S1--Vin流動(dòng)，形成諧振通路。
第三階段(t2--t3)當(dāng)VCs＝Vin，時(shí)(t2時(shí)刻)，D1自然導(dǎo)通，Cs電壓鉗位在Vin電壓，儲(chǔ)存能量為 ，電流沿Ls--S1--D1--Cb--Ls流動(dòng)，形成諧振通路，在t3時(shí)刻，Ls電流下降為0，此時(shí)Ls的儲(chǔ)存能量全部轉(zhuǎn)移到Cb上，此時(shí)Cb儲(chǔ)存的能量為 。此時(shí)續(xù)流二極管D上的電壓為V0+VCb第四階段(t3--t4)在t3時(shí)刻，D1截止，Cb與Cs電壓保持不變，進(jìn)入正常的PFC電路的S1導(dǎo)通工作狀態(tài)。
第五階段(t4--t5)
在t4時(shí)刻，開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，由于Lm電流IF不能突變，D3導(dǎo)通，電流IF沿D3流至輸出電容C0，同時(shí)，D5自然導(dǎo)通，電流沿Ls--Cb--Cs--D5流動(dòng)，形成諧振通路，使Ls電流不斷增加，Cb與Cs電壓不斷減少，使D3支路上的電流逐漸轉(zhuǎn)移到續(xù)流二極管D支路上來(lái)。
第六階段(t5--t6)在t5時(shí)刻，Cs電壓下降為0，D2自然導(dǎo)通，電流沿Ls--Cb--D2流動(dòng)，形成諧振通路，使Ls電流不斷增加，Cb電壓不斷減少，使D3支路上的電流繼續(xù)轉(zhuǎn)移到續(xù)流二極管D支路上來(lái)。
第七階段(t6--t7)在t6時(shí)刻，Ls電流增加到Lm電流IF，電流已全部轉(zhuǎn)移到續(xù)流二極管D支路上來(lái)，D3自然截止，電流IF沿Ls--Cb--D2恒流流動(dòng)，Cb電壓繼續(xù)減少。
第八階段(t7--t8)在t7時(shí)刻，Cb電壓下降為0，續(xù)流二極管D自然導(dǎo)通，D2自然截止，至t8時(shí)刻進(jìn)入正常的PFC電路的S1關(guān)斷續(xù)流工作狀態(tài)。此時(shí)Cb與Cs電壓為0保持不變。
從上述的電路原理分析可以知道，總的電流轉(zhuǎn)移能量為Cb與Cs儲(chǔ)存能量之和，可用下式表示E=ECb+ECs=12Ls·Irr2+Cs·Vin2]]>從上式可知，儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)移能量隨著Vin的變化而變化，Vin越大，儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)移能量越大，反之，Vin越小，儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)移能量越小。
在PFC電路中，輸入電流為正弦波，同時(shí)與市電正弦波電壓同相位，在市電周期內(nèi)，Lm電流IF隨著輸入電壓的瞬時(shí)值變化而變化，Vin越大，電流IF越大，需要轉(zhuǎn)移的電流越大。Vin越小，電流IF越小，需要轉(zhuǎn)移的電流越小。
從上面分析可知，Cb與Cs儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)移能量隨著電流IF的變化而變化。當(dāng)Vin在峰值附近時(shí)，儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)移能量很大，能夠使電流IF有效轉(zhuǎn)移到D所在的支路上去。當(dāng)Vin在過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)，儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)移能量很小，從而避免了造成電容Cb上電壓泵升，不會(huì)在續(xù)流二極管上造成較大的電壓尖峰應(yīng)力。
采用本發(fā)明電路，可以采用更大的輔助電感Ls，從而進(jìn)一步減少反向恢復(fù)電流，提高整個(gè)電路的效率。
結(jié)論本專利發(fā)明的一種低損耗的功率因數(shù)校正電路，采用一個(gè)輔助電感與續(xù)流二極管D串聯(lián)來(lái)減少反向恢復(fù)電流方法，提高了電路的效率，同時(shí)通過(guò)增加一個(gè)特殊的儲(chǔ)能電路來(lái)提供電流轉(zhuǎn)移能量，在減小損耗的情況下，能有效的實(shí)現(xiàn)使續(xù)流電流全部轉(zhuǎn)移到D所在的支路上去，同時(shí)，儲(chǔ)能電路的每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的儲(chǔ)存能量隨該周期內(nèi)電感電流值大小而改變，電感電流值越大，儲(chǔ)存能量越大。反之一樣，故不會(huì)造成相關(guān)電容電壓泵升，減少了續(xù)流二極管的峰值電壓應(yīng)力，有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。同時(shí)，采用本發(fā)明的方法，可以使用更大的輔助電感Ls，從而進(jìn)一步減小反向恢復(fù)電流，提高整個(gè)電路的效率。
權(quán)利要求
1.一種功率因數(shù)校正方法，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)(S1)的開(kāi)通與關(guān)斷，使輸入電流跟蹤輸入市電正弦波電壓的波形及相位，從而提高功率因數(shù)，其特征是通過(guò)以下步驟來(lái)減小反向恢復(fù)電流損耗1)在功率開(kāi)關(guān)(S1)導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存反向恢復(fù)能量的同時(shí)，儲(chǔ)能電容還從輸入電壓(VIN)獲得一份正比于Vin2的能量，其中Vin為輸入電壓(VIN)的瞬間值；2)在功率開(kāi)關(guān)(S1)關(guān)斷后的續(xù)流過(guò)程中，將儲(chǔ)存的反向恢復(fù)能和正比于Vin2的能量轉(zhuǎn)移到輸出電容(Co)。
2.如權(quán)利要求1所述的功率因數(shù)校正方法，其特征是在上述步驟1)之前、功率開(kāi)關(guān)(S1)導(dǎo)通后的二極管(D)的反向恢復(fù)過(guò)程中，通過(guò)輔助電感(Ls)減少二極管(D)的反向恢復(fù)電流，同時(shí)將反向恢復(fù)能量存儲(chǔ)于輔助電感(Ls)中；反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束后，反向恢復(fù)能向儲(chǔ)能電容轉(zhuǎn)移，上述步驟1)開(kāi)始；在上述步驟2)之前或同時(shí)，在功率開(kāi)關(guān)(S1)關(guān)斷后的續(xù)流過(guò)程中，續(xù)流電流向含有續(xù)流二極管(D)的第一續(xù)流支路上轉(zhuǎn)移；所述正比于Vin2的能量的大小保證，當(dāng)輸入電流處于峰值時(shí)，在上述續(xù)流過(guò)程中，續(xù)流電流能夠全部轉(zhuǎn)移到第一支路上。
3.如權(quán)利要求1所述的一種功率因數(shù)校正方法，其特征是在儲(chǔ)能電容(Cb、Cs)的儲(chǔ)能過(guò)程中，通過(guò)將第二儲(chǔ)能電容(Cs)兩端的電壓鉗位在輸入電壓(Vin)上，使得在第二儲(chǔ)能電容(Cs)上存儲(chǔ)的能量保持在(Cs Vin2)/2，而第一儲(chǔ)能電容(Cb)上存儲(chǔ)的能量的大小則等于反向恢復(fù)能量加上(Cs Vin2)/2。
4.一種功率因數(shù)校正電路，包括功率開(kāi)關(guān)(S1)；輸出電容(Co)；其特征是，還包括儲(chǔ)能電容(Cb、Cs)，用于接收反向恢復(fù)能量和一份正比于Vin2的能量，并在功率開(kāi)關(guān)(S1)關(guān)斷后將該反向恢復(fù)能傳遞到輸出電容(Co)，其中Vin為輸入電壓(VIN)的瞬間值。
5.如權(quán)利要求4所述的功率因數(shù)校正電路，其特征是還包括帶有輔助電感(Ls)和續(xù)流二極管(D)的第一續(xù)流支路，所述輔助電感(Ls)在功率開(kāi)關(guān)(S1)導(dǎo)通時(shí)用于減少二極管D的反向恢復(fù)電流并且存儲(chǔ)反向恢復(fù)能，在反向恢復(fù)現(xiàn)象結(jié)束時(shí)用于將儲(chǔ)存的反向恢復(fù)能向儲(chǔ)能電容轉(zhuǎn)移；還包括與上述第一續(xù)流支路交替或并行工作的第二續(xù)流支路；所述儲(chǔ)能電容包括第一、二儲(chǔ)能電容(Cb、Cs)，兩個(gè)儲(chǔ)能電容(Cb和Cs)在功率開(kāi)關(guān)(S1)導(dǎo)通期間所接收的能量之和等于反向恢復(fù)能量加上一個(gè)正比于Vin2的能量之和，該值保證當(dāng)輸入電流處于峰值時(shí)，在功率開(kāi)關(guān)(S1)關(guān)斷后的續(xù)流過(guò)程中，續(xù)流電路從第二續(xù)流支路全部轉(zhuǎn)移到第一續(xù)流支路上。
6.如權(quán)利要求4所述的一種功率因數(shù)校正電路，其特征是第一儲(chǔ)能電容(Cb)一端與輔助電感(Ls)相連，另一端通過(guò)第三續(xù)流二極管(D2)與輸出電容(Co)相連；第二儲(chǔ)能電容(Cs)的一端還與第一儲(chǔ)能電容(Cb)相連，另一端通過(guò)第四續(xù)流二極管(D5)與輸出電容(Co)相連；且第二儲(chǔ)能電容(Cs)兩端分別通過(guò)一個(gè)反向二極管(D4、D1)與輸入電壓(Vin)的一端相連，反向二極管(D4、D1)的方向和接至輸入電壓(Vin)的極性保證在兩個(gè)儲(chǔ)能電容(Cb和Cs)的儲(chǔ)能過(guò)程中，來(lái)自輸入電壓(Vin)的能量和來(lái)自輔助電感(Ls)的能量相加，并在第二儲(chǔ)能電容(Cs)的儲(chǔ)能過(guò)程結(jié)束后將其兩端電壓鉗位在一個(gè)正比于輸入電壓(Vin)的電壓值上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種功率因數(shù)校正方法及電路,其特征是通過(guò)以下方式來(lái)減小反向恢復(fù)電流損耗:反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束后,把輔助電感上存儲(chǔ)的反向恢復(fù)能量轉(zhuǎn)移到第一儲(chǔ)能電容的同時(shí),第一、二儲(chǔ)能電容還從輸入電壓獲得一份正比于Vin
文檔編號(hào)H02M7/12GK1383256SQ0211513
公開(kāi)日2002年12月4日 申請(qǐng)日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月19日
發(fā)明者阮世良, 向華 申請(qǐng)人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司