CN106257815A - 带有功率因子校正电路的转换器 - Google Patents

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Abstract

一种AC/DC转换器，包括：用于接收AC电压的第一端子和第二端子；用于给出DC电压的第三端子和第四端子；被串联连接在第三与第四端子之间的两个开关，所述两个开关的接合点被连接到第一端子；以及被串联连接在第三与第四端子之间的两个可控整流元件，所述两个可控整流元件的接合点被连接到第一端子或所述第二端子。

Description

带有功率因子校正电路的转换器
本申请要求2015年6月22日提交的法国专利申请No.15/55691的优先权，该法国专利申请的内容整体按法律所允许的最大程度通过引用被合并于此。
技术领域
本公开总地涉及电子设备并且更具体地涉及AC/DC转换器。本公开更具体地涉及具有功率因子校正(PFC)的功能的转换器并且普遍应用于使用这样的转换器的任意***，例如用于控制电机、充电器、开关式电源等的电路。
背景技术
基于整流元件的很多AC/DC转换器结构是已知的，所述整流元件可以是可控的(例如晶闸管)或者不可控的(二极管)，被组装成整流桥，用AC电压供电并给出DC电压，这个DC电压本身可能再被转换回AC电压。
在这些结构中，利用完整的转换器支路以及具有二极管的另一臂的解决方案(通常被称为“图腾柱”)是一种基于按脉冲宽度调制的方式被控制的两个开关的无桥式结构。
文献EP-A-2515420描述了“图腾柱”类型的功率因子校正转换器的示例。
涌入电流，即输出电容器上的电压尚未达到足够的电压水平时出现在AC电压的每个半波上的电流峰值，尤其是出现在启动阶段的涌入电流通常需要被限制。
发明内容
实施例克服了常见的功率转换器控制电路的缺点中的一部分或者全部缺点。
实施例提供了“图腾柱”类型的功率因子校正功率转换器。
因而，实施例提供一种AC/DC转换器，包括：
用于接收AC电压的第一端子和第二端子；
用于供应DC电压的第三端子和第四端子；
被串联连接在第三与第四端子之间的两个开关，所述两个开关的接合点被连接到第一端子；以及
被串联连接在第三和第四端子之间的两个可控整流元件，所述两个可控整流元件的接合点被连接到第一端子或第二端子。
根据实施例，两个二极管与两个开关中的每个开关相应地并行连接。
根据实施例，所述两个二极管由开关的本征二极管形成。
根据实施例，整流元件是相位角受控的。
根据实施例，两个整流元件分别是阴极栅极和阳极栅极晶闸管，阳极栅极晶闸管可以通过从其栅极提取电流来控制。
根据实施例，阳极栅极晶闸管被连接到第三端子。
根据实施例，晶闸管被相同的脉冲信号控制。
根据实施例，阳极栅极晶闸管被连接到第四端子，阴极栅极晶闸管被连接到第三端子并且可以通过注入和/或提取栅极电流来控制。
根据实施例，整流元件是阳极栅极晶闸管，该阳极栅极晶闸管可以通过从该晶闸管的栅极提取电流来控制。
一种实施例提供转换器，还包括：
用于为至少可控整流元件的控制电路供电的电路；以及
将第一和第二端子之一耦合到所述电源电路的至少一个二极管。
前述及其它特征和优点将结合附图在下面对具体实施例的非限制性描述中被详细讨论。
附图说明
图1示意性地示出了所谓的“图腾柱”AC/DC功率因子校正转换器的常见结构的示例；
图2示意性地示出了“图腾柱”AC/DC转换器的实施例；
图3是图2的转换器的可控整流元件的控制电路的实施例的部分电路图；
图4示意性地部分地示出了“图腾柱”AC/DC转换器的另一实施例；
图5示意性地部分地示出了“图腾柱”AC/DC转换器的又一实施例；
图6示意性地部分地示出了又一实施例。
图7是具有正栅极电流的阴极栅极晶闸管的实施例的简化横截面视图；以及
图8是具有负栅极电流的阴极栅极晶闸管的实施例的简化横截面视图。
具体实施方式
相同的元件在不同的附图中用相同的标号来表示。具体而言，不同实施例所共用的结构和/或功能元件可以用相同的标号来表示并且可以具有相同的结构、尺寸和材料属性。为了清楚起见，只有对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件被显示并将被详细说明。具体而言，由功率转换器供电的电路未被详细描述，所描述的实施例与常见应用兼容。在本公开中，术语“被连接”指两个元件之间的直接连接，而术语“被耦合”和“被链接”指可能是直接连接或者经由一个或多个其它元件实现的两个元件之间的连接。当用到术语“大约”、“近似”或者“数量级”时，指在10％以内，优选在5％以内。
图1示意性地示出了装配有涌入电流限制电路的“图腾柱”AC/DC转换器的常见结构的示例。
两个输入端子12和14用于接收AC电压Vac，例如配电网络的电压(例如230或120伏，50或60Hz)。端子12经由涌入电流限制部件2被耦合到电感元件L的第一端子，所述电感元件L的第二端子被耦合到用于给出DC电压Vdc的两个端子16和18之间的两个开关T2和T1的接合点32，端子18限定参考电势(通常是地面)。两个二极管Df1和Df2也被串联连接在端子16与18之间并且它们的接合点被连接到节点32，二极管Df1的阳极被连接到端子18，同时二极管Df2的阴极被连接到端子16。端子14被连接到端子16和18之间的两个二极管D1和D2的接合点34，二极管D1的阳极被连接到端子18，同时二极管D2的阴极被连接到端子16。存储平滑电容器C连接端子16和18。最后，导通开关S1***置在端子12与电路2之间。
涌入电流限制电路2由(经由开关S1)将端子12耦合到节点32的电阻器R形成，以限制转换器启动时(电容器C被放电时)的涌入电流。开关S2在稳定状态下使电阻器R短路并且从而限制电容器被放电时该电阻器的损耗。
在电压Vac的正半波期间，开关T2保持关断。二极管D1驱动并耦合端子18(即输出电压Vdc的参考电势)到端子14。开关T1在脉冲宽度调制下被控制并且二极管Df2在开关T1关断期间被用作续流二极管。在负半波期间，开关T1保持关断。二极管D2驱动并耦合端子14到端子16(即耦合到输出电压Vdc的高电势)。开关T2在脉冲宽度调制下被控制并且二极管Df1在开关T2关断期间被用作续流二极管。
图2示意性地示出了“图腾柱”电流限制AC/DC转换器的实施例。
与图1的组件相比，二极管D1和D2用晶闸管Th1和Th2代替。在图2的示例中，晶闸管Th1具有阴极栅极并且其阳极被连接到端子18，而晶闸管Th2具有阳极栅极并且其阴极被连接到端子16。
晶闸管Th1和Th2的使用使得相位角控制成为可能，相对于经整流的电压Vac的零值有一个导通延迟，这使得能够通过执行软启动来限制启动时的涌入电流。晶闸管导通时间被逐渐增加以提供电容器C的渐进式充电。因而，图1的电路2不再是必需的。
在稳定状态下，晶闸管Th1和Th2在正半波和负半波期间被分别接通以恢复图1的二极管D1和D2的功能。
根据实施例，用于将转换器设置为备用的开关S1被保留或者不被保留。
在图2的示例中，设置为去掉开关S1并利用晶闸管Th1和Th2的存在来在转换器被设置为备用期间开通所有传导支路。
为了保持电源允许新的启动，用于生成电容器C’两端的DC电压Vcc的电路22(电源)被提供以为电路26提供电源，所述电路26例如是负责生成用于控制晶闸管Th1和Th2的脉冲的微控制器(μC)。二极管D3将端子12和14中的一个端子连接到电路22以进行半波整流。二极管D4可以将端子12和14中的另一个端子连接(图2中的虚线连接)到电路22用于全波整流。
如果开关S1被保留，则该开关的接通会启动电路22的电源。
微控制器26通过采用光、磁或电容技术的一个或两个绝缘耦合器28控制晶闸管Th1和Th2的栅极。微控制器26接收不同的设置点CT或测量值以在正确的时间接通晶闸管Th1和Th2以用于稳定状态下的全波控制。
在图2的实施例中，晶闸管Th1和Th2被选择以使得它们的控制参考相同的点。因而，晶闸管Th2是阳极栅极晶闸管。因而其控制参考端子34。晶闸管Th1是阴极栅极晶闸管。因而其控制参考相同的端子34。晶闸管Th2和Th1被选择为都通过栅极电流提取来工作。该实施例使得能够通过使用其正端子(Vdd)被连接到端子34的单个辅助电源来控制这两个晶闸管。
图3部分示出了功率转换器及其用于控制晶闸管Th1和Th2的电路的另一实施例。
晶闸管Th1和Th2在这里也被选择以使得它们的控制参考相同的点。因而，晶闸管Th2是阳极栅极晶闸管。因而其控制参考端子34。晶闸管Th1是阴极栅极晶闸管。因而其控制参考相同的端子34。晶闸管Th2和Th1被选择为相应地通过栅极电流提取和通过栅极电流注入来工作。
在图3的电路中，变压器4的第一线圈L41接收来自用DC电压Vcc(例如由电路22提供(图2))供电的微控制器26的脉冲控制。线圈41另一端被耦合到电源端子Vcc与地面之间的两个电容元件C43和C44的接合点。变压器4的第二线圈L42的一端被连接到端子34并且其另一端被耦合到晶闸管Th1和Th2的栅极。这个耦合经由可选的串联电阻器R45和相应地将线圈L42(或电阻器R45)连接到晶闸管Th2和Th1的栅极的两个二极管D46和D47来实现。晶闸管Th2的阳极栅极被耦合到二极管D46的阳极，同时晶闸管Th1的阴极栅极被耦合到二极管D47的阴极，二极管D46的阴极和二极管D47的阳极被连接到线圈L42(或电阻器R45)。
因而，图3的电路使得能够向晶闸管Th1中注入栅极电流，并且从晶闸管Th2提取栅极电流。因而，每当(+Vcc/2–Vcc/2类型的)AC脉冲被应用到变压器4的初级线圈L41时，所述两个晶闸管被控制。
为了只在电压Vac的正半波期间控制晶闸管Th2且只在电压Vac的负半波期间控制晶闸管Th1，分别在这两种类型的半波期间在电感L41上应用-Vcc/0类型的信号(以接通晶闸管Th2)和+Vcc/0类型的信号(以接通晶闸管Th1)。因为这样的信号有DC分量，所以变压器4不应当有饱和磁性材料以避免该材料的饱和并确保控制信号传送的正确操作。因而，例如不具有磁芯的变压器(或者“空气变压器”)可以被使用。
图4部分示出了另一实施例，其中晶闸管Th1’和Th2都是阳极栅极晶闸管。晶闸管Th1’可以由微控制器(26，图2)的输出直接控制。晶闸管Th2由电压Vac控制，或者一旦晶闸管Th2导通则由DC电压HVDC控制。
图5部分示出了另一实施例，其中晶闸管Th1’和Th2’相应地具有阳极栅极和阴极栅极，其中晶闸管Th2’可以通过栅极电流注入和提取来控制，就是说通过正栅极电流和负栅极电流两者控制。晶闸管Th1’可以由微控制器(26，图2)的输出直接控制。晶闸管Th2’也可以在电容器未被充电或者只被少量充电时由微控制器控制并且由参考电源电压的高电势的DC电压(例如端子16和18之间所存在的电压HVDC)控制。
图6部分地示出了另一实施例，其中二极管Db1和Db2相应地将端子18直接耦合到端子12并且将端子12直接耦合到端子16。这些二极管的功能是在由于电压Vac的电压过大而引起电流过大的情况下分别短路(并且保护)二极管Df1和Df2。二极管Db1和Db2可以用相应地与晶闸管Th1’和Th2’同时被控制的阴极栅极晶闸管来代替。作为变体，这些附加的晶闸管可以由齐纳二极管控制，所述齐纳二极管与相反偏置的二极管相串联地将它们各自的栅极耦合到端子12或端子18。
可通过电流提取控制的阴极栅极晶闸管的功能的实现是已知的。例如，与被做成单向的二极管串联连接的三端双向可控硅可以被使用。
图7和图8是分别具有正栅极电流或电流注入(最大电流情况)以及具有负栅极电流或电流提取的阴极栅极晶闸管的实施例的简化横截面视图。
根据这些示例，晶闸管被形成在N型衬底51上。在后表面上，P型层52限定阳极区域，阳极电极A通过区域52的接触金属化53而得到。P型阱54被形成在前表面上。N型阴极区域55(N1)被形成在阱54中并且该区域55的接触金属化56限定阴极电极K。
在图7的情况下，栅极接触57被形成在P型阱54的层中。因而，如果后者被适当地偏置(正阳极-阴极电压)，则栅极电流的注入启动晶闸管。
在图8的情况下，N型区域58(N2)被添加在栅极接触57下面。区域58通过允许电子注入到N型衬底51中来实现通过负栅极电流(即从阴极K流向栅极G)的接通，所述衬底对应于由区域52-51-54形成的NPN型双极性晶体管的基底。
阳极栅极晶闸管的形成可以从以上图7和图8的示例推断出来。
作为变体，区域58可以至少被分成两部分以允许P区域(54)与栅极的直接接触。被称为“短路孔”的这样的变体使得能够提高对晶闸管的电压瞬变的抵抗力并且还允许实现通过正栅极电流(即从栅极G流向阴极K)的控制。因而，这样的变体使得晶闸管能够被用在图5的电路中的部件Th2’的层中。
已描述的实施例的优点在于保持“图腾柱”结构的高效率的同时抑制涌入电流限制电阻。
类似地，所描述的解决方案保持低共模噪声，参考电势(通常是地面总线)处的端子按AC电源的频率而不是按用于控制开关T1和T2的脉冲的频率被开关。
此外，对于其中三端双向可控硅类型的部件被置于AC电压侧的情况，它们的晶闸管可以用被用于控制三端双向可控硅的电压Vdd(被称为“负电压”)来供电。
所描述的实施例与被选择用于“图腾柱”结构中的部件T1、T2、Df1和Df2的常见结构兼容。例如，开关T1和T2是功率晶体管。根据另一示例，二极管Df1和Df2由利用硅、碳化硅或另外的技术制成的MOSFET晶体管的本征二极管形成。
各种实施例已经被描述。本领域技术人员将可以做出各种变化、修改和改进。例如，晶闸管可以利用相应地与二极管串联连接的三端双向可控硅来代替。
此外，通过栅极电流注入或提取控制的任意替代型阴极栅极或阳极栅极晶闸管都可以代替晶闸管Th、Th2、Th1’和Th2’而被使用。例如，一旦绝缘耦合器被用于控制晶闸管Th2’，则图5的电路可以使用仅仅通过电流注入控制的阴极栅极晶闸管。
此外，已被描述的实施例的实际实现方式在本领域技术人员基于以上所给出的功能提示的情况下能够实现的范围内。具体而言，微控制器的编程取决于应用并且所描述的实施例与利用微控制器等来控制转换器的常见应用兼容。
这些变化、修改和改进被算作本公开的一部分，并且被算在本发明的精神和范围内。因此，前述描述仅仅是一种示例而不希望是限制性的。本发明仅仅按以下权利要求及其等同物中所限定的方式被限制。

Claims (10)

1.一种AC/DC转换器，包括：
用于接收AC电压(Vac)的第一端子(12)和第二端子(14)；
用于供应DC电压(Vdc)的第三端子(16)和第四端子(18)；
被串联连接在所述第三端子与所述第四端子之间的两个开关(T1,T2)，所述两个开关的接合点(32)被连接到所述第一端子(12)；以及
被串联连接在所述第三端子与所述第四端子之间的两个可控整流元件(Th1,Th2；Th1’,Th2；Th1’,Th2’)，所述两个可控整流元件的接合点(34)被连接到所述第一端子(12)或所述第二端子(14)。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中两个二极管(Df1,Df2)与所述两个开关(T1,T2)中的每个开关相应地并行连接。
3.根据权利要求2所述的转换器，其中所述两个二极管由所述开关(T1,T2)的本征二极管形成。
4.根据权利要求1所述的转换器，其中所述整流元件(Th1,Th2；Th1’,Th2；Th1’,Th2’)是相位角受控的。
5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述两个整流元件分别是阴极栅极晶闸管(Th1；Th2’)和阳极栅极晶闸管(Th2；Th1’)，所述阳极栅极晶闸管(Th2；Th1’)能够通过从其栅极提取电流来控制。
6.根据权利要求5所述的转换器，其中所述阳极栅极晶闸管(Th2)被连接到第三端子(16)。
7.根据权利要求6所述的转换器，其中所述晶闸管(Th1；Th2)被相同的脉冲信号控制。
8.根据权利要求5所述的转换器，其中所述阳极栅极晶闸管(Th1’)被连接到所述第四端子(18)，所述阴极栅极晶闸管(Th2’)被连接到所述第三端子(16)并且能够通过注入和/或提取栅极电流来控制。
9.根据权利要求1所述的转换器，其中所述整流元件是阳极栅极晶闸管(Th2；Th1’)，所述阳极栅极晶闸管能够通过从其栅极提取电流来控制。
10.根据权利要求1所述的转换器，还包括：
用于为至少所述可控整流元件(Th1,Th2；Th1’,Th2；Th1’,Th2’)的控制电路(26)供电的电路(22)；以及
将所述第一端子和所述第二端子(12,14)之一耦合到所述电源电路的至少一个二极管(D3)。
CN201510859778.2A 2015-06-22 2015-11-30 带有功率因子校正电路的转换器 Pending CN106257815A (zh)

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