CN100373756C - 具有单级功率因数校正(pfc)的功率转换器电路及其运行方法 - Google Patents

Abstract

功率转换器提供一个恒定的负载功率，同时在单级配置中获得一个高功率因数并减少了元件数量和额定值。功率转换器将整流的线路输入传给对负载提供电流的半桥切换。分路开关和电容器的系列组合连接负载从输入中存储能量并将能量提供给负载。开关在导电角中工作，其获得提供给负载的恒定的功率，并接收与输入电压同相的正弦电流来获得高功率因数。电路提供基于现有功率转换器的简化图，该功率转换器可以由阻抗负载用作电子镇流器或者交流到直流转换器的一部分。功率转换器配置和操作也在输入线路功率上获得低的总谐波失真。

Description

具有单级功率因数校正(PFC)的功率转换器电路及其运行方法

相关申请的前后参照(交叉引用)

本申请是基于和要求了美国2003年2月27日提出的临时申请No.60/450,572的优先权，其名称为新的单级PFC和镇流器控制电路/通用转换器，由此对其申请优先权并在这里将其公开内容作为参考并入。

技术领域

本发明主要涉及具有功率因数校正(PFC)的功率转换器和镇流器控制，尤其涉及包含一个PFC电路的单级功率转换器或者镇流器控制。

背景技术

包括功率因数校正(PFC)的电子镇流器和功率转换器在相关的工业中是众所周知的。典型地，任何类型的功率转换器，包括电子镇流器，在它们的输入端连接一个PFC电路以优选地调整输入功率因数为1。值得做的而且也是根据调整的要求经常需要的是，连接到电源线路的负载表现为完全没有任何连接阻抗的纯阻性负载。即，线路输入提供的交流电压和交流电流维持同相，从而连接的负载表现为纯阻性。当输入电压和电流同相时，功率因数接近1，因此提供了在输入线路上表现为纯阻性的负载，而没有来自电容器或者电感线圈的任何明显的影响，如果电压和电流是彼此异相，则会产生来自电容器或者电感线圈的影响。

为了获得为1的电源功率因数，电源因数转换电路通常连接到电源线路输入端。PFC电路通常也产生整流的直流母线电压，该电压提供给转换器以便在功率转换应用中使用。一个典型的功率转换器电路应用是用于荧光灯的电子镇流器。通常地，电子镇流器包括由直流母线电压供电的功率转换器，同时该转换器被控制提供荧光灯预热、点火和正常运行条件下标准的供给电源。该应用的简单方块图如图1所示。图1例示的电子镇流器包括用于激励灯的半桥谐振输出级。连接到电源线路输入的PFC电路通常被认为升压型转换器，该转换器使用一个高电压开关、一个电感线圈、一个二极管、一个高电压直流母线电容器和一个PFC控制电路。电子镇流器输出级典型地由半桥驱动谐振负载来实现，该负载采用两个高电压开关、一个谐振电感线圈、一个谐振电容器、一个直流隔离电容器和一个镇流器控制电路。常规的电子镇流器电路的简化电路图如图2所示。

常规的半桥电子镇流器输出级配置如图2所示，其包括一个连接切换半桥电路的直流母线电容器Cbus。在电路图2中可以看出高端半桥开关M1和直流母线电容器Cbus共同连接到同一节点上。当打开图2中的常规电子镇流器的时候，输入电源首次对直流母线电容器Cbus充电，因而在电子镇流器运行时对半桥谐振输出级提供电源。包括电感线圈Lpfc、开关Mpfc和二极管Dpfc的PFC电路在启动期间运行并对母线电容器Cbus充电。在该常规的电路类型中，功率通常单方向流过负载，并且母线电容器Cbus在功率变换的周期中给负载提供功率。因此，母线电容器Cbus必须设定承受峰值功率变换的额定值，以及开关Mpfc、M1和M2也必须设定承受高峰值母线电压的额定值。

值得做的是减少需要的额定值来实现具有输入PFC电路的功率转换器电路，并且同时简化该电路。

发明内容

本发明提供一种用在整流线路输入的功率转换器电路，包括：一种半桥切换，其连接到整流的线路输入以便从与输入电压同相的整流的线路输入中接收一个正弦电流；一种分路开关，其连接到所述半桥将电流分流到半桥切换或从半桥切换分流电流；以及能量存储装置，其连接到分路开关以存储或者释放与被分路开关分流的电流的能量。

本发明还提供一种运行功率转换器电路的方法，该电路包括连接功率转换器输入的半桥切换和连接半桥及能量存储设备的分路开关，包括：切换半桥和分路开关获得传递给负载的恒定功率；以及切换半桥和分路开关从功率转换器中接收与输入电压同相的正弦电流从而获得高功率因数。

另外，本发明提供一种供给谐振负载通用电源的单级PFC和功率转换器电路。通过修改常规半桥功率转换器电路的电路拓扑，本发明实现在传统设计基础上提高效能并且减少元件数目。本发明的电路结构也减少元件额定值的要求从而减少了电路的尺寸和功率消耗。单级功率转换器和PFC电路有能力在所有的开关中应用软切换，从而减少开关损失并进一步减少电源消耗量。

根据本发明，常规的功率因数校正的升压型转换器被去除，因为该功能并入对负载提供恒定功率的操作中。电路得到一个接近于1的功率因数，同时提供双向功率流控制。半桥切换连接到整流的线路输入电压，其允许省略常规的输入电感线圈，同时减少直流母线电容器的额定值的要求。通过在功率转换器中适当地控制开关，从线路输入中接收正弦电流而得到高功率因数。在常规的功率转换器中，升压型转换器中的电容器被用来维持变化的负载和输入条件下的常压，因此电容器很大。在本发明中，升压型转换器被去除并且母线电容器不需要维持常压，而是作为在输入和负载之间的转换功率的能量存储装置。因此，母线电容器可以减少2-4倍。

在维持高功率因数的时候，可以导出不同开关的导电角而获得恒定的负载功率。另外，大大地减少整个输入谐波失真，从而限制辐射和导电的电磁干扰(EMI)。

本发明其他的特征和优势将借助于附图在下文的描述中变得清楚。

附图说明

本发明借助于附图在下文中更详细地描述，附图如下：

图1为PFC和输出级分开的现有技术的功率转换器的方块图。

图2为驱动荧光灯的常规功率转换器的简化电路图。

图3为根据本发明的PFC和输出级合并的功率转换器的方块图。

图4为根据本发明的为了驱动荧光灯的电路拓扑的简化电路图。

图5例示整流的线路输入电压和电流的曲线图。

图6例示了输入功率、负载功率和电容器功率的曲线图。

图7例示了依据本发明功率转换器中的开关导电角的曲线图。

图8例示了输入电流和电压以及母线电容器电压和电流的曲线图。

图9例示了根据本发明的双向电源流的简化电路图。

图10例示了根据本发明在电路中导电角切换的曲线图和时序图。

图11表示根据本发明的功率转换器的导电角切换的曲线图和时序图。

具体实施方式

现参考图3，具有功率因数校正(PFC)的单级功率转换器的方块图例示为方块30。单级功率转换器例示为驱动一个负载，例如激励(powers)电子灯32的电子灯镇流器的谐振(resonant)负载。

现参考图4，根据本发明的单级功率转换器的电路图通常例示为电路40。电路40包括包含开关M1和M2的半桥切换，其连接到单RCL镇流器谐振的输出级，该输出级包括电感线圈L、电容器C、直流电容器CDC和灯32。开关M1和M2以互补方式工作。即，两个开关不同时打开。另外，当依次打开和关闭M1和M2的时候，在切换顺序中引入一个空载时间来避免短路的情况。典型的空载时间大约是2微秒。开关M3连接直流母线电容器Cbus到半桥转换的中心节点。电路40不同于常规的图2所示的电子镇流器电路20，其采用单电感线圈L并减少电容器Cbus的电容器容量要求，非电解电容器可以用在电路中来减少成本并提高电子镇流器的可靠性。

谐振网络可以由压电转换等效替换，并在交流到直流转换的情况下，灯也可以由连接阻抗负载的转换器替换。因此，本发明的电路也适用于用作具有功率因数校正的通用转换器并减少成本和元件数量。

在如图所示连接时，电子镇流器电路40获得通过负载的双向功率流。负载从整流的线路输入中接收功率，例如，当整流的线路输入为高时，通过切换半桥开关接收，并且在整流的线路输入电压为低时，也由母线电容器Cbus提供功率。在本配置中，电容器Cbus提供部分的输入线路电压周期的功率，而不是遍及整个输入周期的功率，如图2所示的常规电路20的情况。开关M1、M2和M3被控制从线路输入中接收正弦电流而获得高功率因数。电路配置在输入得到有利的总谐波失真(THD)。半桥没有采用升压电路而得到输入的有利条件，否则要谨慎控制其来减少THD到可以接受的标准。另外，控制开关M1、M2和M3对母线电容器Cbus持续充电，并对负载提供恒定功率。在本配置中，谐振输出级包括电感线圈L、电容器C、灯32和直流母线电容器Cbus。

电路40的拓扑被配置来工作从而每一个开关具有一个特别的功能。例如，开关M1从整流的线路输入对谐振灯负载提供电流，而且开关M1被打开和关闭而从线路输入中接收正弦电流并获得高功率因数。开关M2被打开和关闭得到电路40中的再流通通路而在谐振电路中维持双向电流流动。开关M3在线路输入电压为高时工作，并对直流母线电容器Cbus充电，并且在线路输入电压为低时提供负载电流，而维持提供给负载的恒定功率(constant power)。可以配置开关M1-M3的操作从而在每一个开关中实现软切换。在本例子中，开关打开／关闭操作是根据特别的曲线进行配置来避免每一个开关硬切换或者非零电压切换。

因为输入线路电压和电流被控制为正弦并且彼此同相，电路40得到一个接近于1的高功率因数。由于该高功率因数，电路40表现为线路输入电压的阻性负载，从而减少线路输入阻抗并符合调整标准的要求。现参考图5，整流的线路输入可以假定为全桥转换器的输出而实现全波整流。图5例示了彼此同相的全波整流的电压和电流，如同典型的标准或者接近于理想的全波整流器的情况。在本例子中，输入功率是由输入电压和输入电流乘积决定的。等式(1)给出了输入功率的表达式。

如果转换器的目的是对负载提供恒定功率，由母线电容器Cbus提供的功率是由输入功率与负载功率相减来决定的，并有等式(2)和(3)表示。

P_capacilor=P_load-P_input              (2)

现参考图6，其例示了由全波线路输入电压提供的输入功率、负载功率和电容器功率。表明电容器功率如何与输入功率一起变化从而维持恒定负载功率。

为了实现恒定负载功率设计的目的，开关M1和粥的导电角是确定的。开关Ml的导电角住和开关M3的导电角p是由负载电流周期决定的，该负载电流周期频率趋于比线路输入频率高很多。导电角伐是采用瞬间线路输入电流和平均高频率负载电流之间的关系来决定的，并由下面等式(4)-(6)表示。

α＝α₁当β<0,或，α＝α₂当β≥0            (4)

${\mathrm{\&alpha;}}_1=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (\frac{-2\&CenterDot;{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;P}_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{in}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}+1)\right\}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}_2=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos \right(-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\left|\frac{P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{in}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}\right|+\cos (\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;(\frac{2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}{360}\left)\right)\left)\right\}---\left(6\right)$

导电角β是采用电容器功率和平均高频率负载电流之间关系决定的并由下面的等式7表示。

$\mathrm{\&beta;}=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;|\frac{P_{\mathrm{Cbus}}}{V_{\mathrm{Cbus}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}|+1)\right\}\&CenterDot;\mathrm{sign}\left(\frac{P_{\mathrm{Cbus}}}{V_{\mathrm{Cbus}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}\right)---\left(7\right)$

现参考图7，显示导电角α和β的代表图。图7中的图表例示了典型的线路输入电压、负载功率、电容器电压和电容器值的全波线路输入电压的周期中导电角α和β如何动态变化。

现参考图8，输入电压和电流图附加在母线电容器Cbus的电流和电压图上。例示的电压和电流是规定为典型的输入电压和负载功率。

基于在每一个输入线路电压的低频率周期中的α和β的值，导电角α和β用于在特别的时期和在每一个高频率负载电流周期期间打开和关闭开关M1、M2和M3。每一个开关的导电角在下面进行概要说明。

当β≥0时，β≤开关M1的导电角变化范围≤α₂，当β<0时，0<开关M1的导电角变化范围≤α₁；

当β≥0时，180≤开关M2的导电角变化范围≤β，当β<0时，α₁<开关M2的导电角变化范围≤180；

当β≥0时，α₂≤开关M3的导电角变化范围≤180，当β<0时，180<开关M3的导电角变化范围≤360度；

导电角和开关操作参考下面图9-11更详细描述。

现参考图9，回路电流图例示了在不同的切换和导电周期中的电流通路。参考图10和11，每一个电流通路或者回路的发生和持续周期参照电流负载和切换周期进行了描述说明。例如，图10表示对应的在β≥0时典型的谐振负载电流一段期间内打开和关闭M1、M2和M3的周期。开关M1在角为β到α₂时打开。图9中所示的电流i_A从V_in流出通过开关M1、通过谐振负载，然后回到零电位(地线)，回到V_in。接着开关M1被关闭而开关M3在角度从α₂到180度时被打开。电流i_c从电容器Cbus流出，通过M3、通过谐振负载并回到零电位回到电容器Cbus。开关M3被关闭而且M2在从180到360度时被打开。电流i_D从谐振负载流出，通过开关M2并回到零电位回到谐振负载。开关M2保持从0到β并且电流i_B从谐振负载返回的零电位流出，通过开关M2并回到谐振负载。周期随着M1再次被打开而自身重复。

图11例示了典型的谐振负载电流在β<0期间对应的M1、M2和M3的开关周期。开关M1在角度从0到α₁时打开。电流i_A从V_in流出通过开关M1、通过谐振负载回到零电位回到电压V_in。开关M1接着被关闭开关M2在角度从α₁到180度时被打开。电流i_B从谐振负载返回的零电位流出，通过开关M2的主二极管回到谐振负载。开关M2接着关闭而且开关M3在角度从180到360度时打开。电流i_E从谐振负载流出，通过开关M3、通过电容器Cbus并且在谐振负载回到零电位。周期随着开关M1被再次打开而自身循环。

当导电角α和β在线路输入电压的低频率周期期间改变时，例如，如图7所示，开关的导电角被控制从而平均线路输入电流是正弦的而且与输入电压同相。控制电路获得具有低的总谐波失真高功率因数，同时维持一个恒定的负载功率。在稳定的操作条件下，高频率电流以恒定振幅从谐振负载流出，其是通过以下实现的，在输入线路电压为高时，从线中接收下载电流并对母线电容器Cbus充电，并在线路输入电压为低时，从电容器中接收负载电流或者必要时再循环负载电流。

根据本发明的单级镇流器控制和PFC电路提供许多的优点，包括使用一个电感线圈和较低的直流母线电容器容量级的要求。电路在一个更高效率机构中得到高频率因数，该机构具有输入电流总谐波失真和减少的元件数量、尺寸和减少的电子镇流器/功率转换器的成本。

尽管本发明已经对其中的特别实施例进行了描述，许多其他的变化和修改以及其他使用对于本领域专业人员将变得清楚。因此首选地，本发明不限于其中详细的公开内容，而是仅仅限于附加的权利要求。

Claims (14)

1.一种功率转换器电路，包括：

一种半桥切换，其连接到整流的线路输入以便从与输入电压同相的整流的线路输入中接收一个正弦电流；

一种分路开关，其连接到所述半桥将电流分流到半桥切换或从半桥切换分流电流；以及

能量存储装置，其连接到分路开关以存储或者释放被分路开关分流的电流的能量。

2.根据权利要求1的功率转换器，其中能量存储装置是一个电容器。

3.根据权利要求1的功率转换器，进一步包括连接到半桥切换的谐振输出级。

4.根据权利要求3的功率转换器，其中谐振输出级进一步包括一个灯。

5.根据权利要求1的功率转换器，进一步包括一个连接到半桥切换的压电转换器。

6.根据权利要求5的功率转换器，进一步包括一个连接压电转换器的阻抗负载，从而形成一个交流到直流转换器。

7.根据权利要求1的功率转换器，其中半桥和分路开关工作来实现恒定的负载功率。

8.根据权利要求7的功率转换器，其中半桥和分路开关工作依照下面的等式实现恒定的负载功率：

当β≥0时，β≤开关M1的导电角变化范围≤α₂，当β＜0时，0＜开关M1的导电角变化范围≤α₁；

当β≥0时，180≤开关M2的导电角变化范围≤β，当β＜0时，α₁＜开关M2的导电角变化范围≤180；

当β≥0时，α₂≤开关M3的导电角变化范围≤180，当β＜0时，180＜开关M3的导电角变化范围≤360度；

其中

α＝α₁当β＜0，或，α＝α₂当β≥0    (4)

${\mathrm{\&alpha;}}_1=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (\frac{-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{in}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}+1)\right\}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}_2=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;|\frac{P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{in}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}|+\cos (\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\left(\frac{2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}{360}\right)))\right\}---\left(6\right)$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;|\frac{P_{\mathrm{Cbus}}}{V_{\mathrm{Cbus}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}|+1)\right\}\&CenterDot;\mathrm{sign}\left(\frac{P_{\mathrm{Cbus}}}{V_{\mathrm{Cbus}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}\right)---\left(7\right)$

其中

M1和M2分别代表高半桥开关和低半桥开关；

M3代表分路开关；

α和β代表在对应的开关打开期间的导电角；

P_in代表输入功率；

V_in代表输入电压；

i_load代表负载电流；

P_Cbus代表能量存储设备的功率；以及

V_Cbus代表能量存储设备的电压。

9.根据权利要求1的功率转换器，其中开关为场效应管。

10.一种运行功率转换器电路的方法，该电路包括连接功率转换器输入的半桥切换和连接半桥及能量存储设备的分路开关，包括：

切换半桥和分路开关获得传递给负载的恒定功率；以及

切换半桥和分路开关从功率转换器中接收与输入电压同相的正弦电流从而获得高功率因数。

11.根据权利要求10的方法，进一步包括根据下面的等式来运行半桥和分路开关：

当β≥0时，β≤开关M1的导电角变化范围≤α₂，当β＜0时，0＜开关M1的导电角变化范围≤α₁；

当β≥0时，180≤开关M2的导电角变化范围≤β，当β＜0时，α₁＜开关M2的导电角变化范围≤180；

当β≥0时，α₂≤开关M3的导电角变化范围≤ 180，当β＜0时，180＜开关M3的导电角变化范围≤360度；

其中

α＝α₁当β＜0，或，α＝α₂当β≥0    (4)

${\mathrm{\&alpha;}}_1=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (\frac{-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{in}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}+1)\right\}---\left(5\right)$

${\mathrm{\&alpha;}}_2=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;|\frac{P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{in}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}|+\cos (\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\left(\frac{2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}}{360}\right)))\right\}---\left(6\right)$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{360}{2\mathrm{\&pi;}}\left\{\arccos (-2\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;|\frac{P_{\mathrm{Cbus}}}{V_{\mathrm{Cbus}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}|+1)\right\}\&CenterDot;\mathrm{sign}\left(\frac{P_{\mathrm{Cbus}}}{V_{\mathrm{Cbus}}\&CenterDot;i_{\mathrm{load}}}\right)---\left(7\right)$

其中

M1和M2分别代表高半桥开关和低半桥开关；

M3代表分路开关；

α和β代表在对应的开关打开期间的导电角；

P_in代表输入功率；

V_in代表输入电压；

i_load代表负载电流；

P_Cbus代表能量存储设备的功率；以及

V_Cbus代表能量存储设备的电压。

12.根据权利要求10的方法，进一步包括在半桥中切换开关以向负载提供电流并从输入中接收正弦电流而获得高功率因数。

13.根据权利要求10的方法，进一步包括在半桥中切换开关而得到负载电流的一个再循环通路。

14.根据权利要求10的方法，进一步包括切换分路开关而在能量存储装置、输入和负载中传递能量。

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