CN108400705A - 一种无桥pfc电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无桥PFC电路，涉及电力电子技术领域，用以解决现有技术中无桥PFC电路转换效率和功率密度较低的问题。所述电路包括：交流电源、升压电感、自耦变压器、至少两组开关桥臂、母线电容；每组所述开关桥臂包括一个桥臂中点和至少两个桥臂端点；所述自耦变压器包括至少两个输出端；所述升压电感一端与所述交流电源相连，另一端与所述自耦变压器的输入端相连；所述自耦变压器的每个输出端都与其中一组开关桥臂的桥臂中点相连，各组所述开关桥臂的桥臂端点分别与所述母线电容的不同端点相连。

Description

一种无桥PFC电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种无桥PFC电路。

背景技术

在电力电子交流整流技术领域，特别是功率因数校正，目前比较流行的AC-DC变换器的拓扑为无桥PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)。业界从传统的无桥PFC拓扑衍生出各种改进型的无桥PFC拓扑，然而现有的交错并联无桥PFC电路中升压电感的电感纹波电流大，电感体积大；同时，流过开关管的电流有效值大，电路转换效率低。因此，现有的无桥PFC电路转换效率和功率密度较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无桥PFC电路，用以解决现有技术中无桥PFC电路转换效率和功率密度较低的问题。

一方面，本发明提供一种无桥PFC电路，包括：交流电源、升压电感、自耦变压器、至少两组开关桥臂、母线电容；每组所述开关桥臂包括一个桥臂中点和至少两个桥臂端点；所述自耦变压器包括至少两个输出端；所述升压电感一端与所述交流电源相连，另一端与所述自耦变压器的输入端相连；所述自耦变压器的每个输出端都与其中一组开关桥臂的桥臂中点相连，各组所述开关桥臂的桥臂端点分别与所述母线电容的不同端点相连。

可选的，所述开关桥臂包括两电平桥臂、T型三电平桥臂、NPC型三电平桥臂中的至少一种。

可选的，所述自耦变压器的每个输出端与输入端形成线圈匝数相等。

可选的，所述开关桥臂中的开关包括二极管、MOS(metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)管、晶体三极管，结型场效应晶体管中的至少一种。

可选的，所述开关桥臂的组数为N，驱动各组所述开关桥臂开关动作的驱动信号之间的相位差为360/N度，其中，N为大于1的整数。

可选的，所述母线电容包括至少一个输出电容组；各所述输出电容组之间相互并联；其中，每个所述输出电容组包括相互串联的两个输出电容。

可选的，所述交流电源一端与所述升压电感的一端相连，另一端与各输出电容组中两个输出电容的串联连接点分别相连；各组所述开关桥臂的桥臂端点分别与各所述输出电容组的两个端点相连。

另一方面，本发明的实施例还提供一种无桥PFC电路，包括三组本发明提供的上述任一种无桥PFC电路。

可选的，三组交流电源的相位相差120度。

本发明实施例提供的无桥PFC电路，当驱动开关桥臂的断开或闭合将交流电转换成直流电时，在交流信号的每个变化周期内升压电感会经历至少两次充电和至少两次放电，充放电频率的增加有效减小了升压电感和母线电容的电流纹波，同时也使流经开关桥臂中开关管的电流有效值更小，从而提高了电源转换效率；而且，由于升压电感上的纹波频率为开关频率的至少两倍，所以升压电感的感量也可以减小相应的倍数，从而使升压电感体积更小，功率密度更高，有效提高了电源转换效率和功率密度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无桥PFC电路的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的无桥PFC电路的另一种结构示意图；

图3是本发明实施例提供的无桥PFC电路的又一种结构示意图；

图4是图3所示的无桥PFC电路中的双向开关的一种结构示意图；

图5是本发明实施例提供的无桥PFC电路的再一种结构示意图；

图6是本发明实施例提供的三相无桥PFC电路的一种结构示意图；

图7是本发明实施例提供的三相无桥PFC电路的另一种结构示意图；

图8是本发明实施例提供的三相无桥PFC电路的又一种结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明实施例提供一种无桥PFC电路，包括：

交流电源、升压电感、自耦变压器、至少两组开关桥臂、母线电容；每组所述开关桥臂包括一个桥臂中点和至少两个桥臂端点；所述自耦变压器包括至少两个输出端；所述升压电感一端与所述交流电源相连，另一端与所述自耦变压器的输入端相连；所述自耦变压器的每个输出端都与其中一组开关桥臂的桥臂中点相连，各组所述开关桥臂的桥臂端点分别与所述母线电容的不同端点相连。

本发明实施例提供的无桥PFC电路，当驱动开关桥臂的断开或闭合将交流电转换成直流电时，在交流信号的每个变化周期内升压电感会经历至少两次充电和至少两次放电，充放电频率的增加有效减小了升压电感和母线电容的电流纹波，同时也使流经开关桥臂中开关管的电流有效值更小，从而提高了电源转换效率；而且，由于升压电感上的纹波频率为开关频率的至少两倍，所以升压电感的感量也可以减小相应的倍数，从而使升压电感体积更小，功率密度更高，有效提高了电源转换效率和功率密度。

可选的，本实施例中的开关桥臂可包括开关电桥中的多种桥臂，既可以是两电平桥臂，也可以是T型三电平桥臂或NPC型三电平桥臂，还可以是这些桥臂的组合。每组所述开关桥臂中的开关可以包括二极管、MOS管、晶体三极管，结型场效应晶体管中的一种或几种。本发明的实施例对此不作限定。

进一步的，由于交流电具有正负之分，为了对两个方向的电流进行更有效的整流和滤波，可选的，母线电容可以包括一个输出电容组或者多个输出电容组；各所述输出电容组之间相互并联；其中，每个输出电容组包括相互串联的两个输出电容。交流电源一端可以与升压电感的一端相连，另一端与各输出电容组中两个输出电容的串联连接点分别相连；各组所述开关桥臂的桥臂端点分别与各所述输出电容组的两个端点相连。

可选的，自耦变压器的每个输出端与输入端形成的线圈匝数可以相等也可以不等。当各线圈匝数相等时，升压电感对于交流电的正半轴和负半轴的充、放电过程对称，当各线圈匝数不相等时，升压电感对于交流电的正半轴和负半轴的充、放电过程不对称。本实施例可应用于包含AC/DC转换电路的通信电源、工业电源、UPS、电机驱动等应用领域。

举例说明，如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的无桥PFC电路可包括：由开关S1、S2、S3、S4构成的两组开关桥臂、自耦变压器T1、升压电感L1、由一个输出电容组C1、C2构成的母线电容、交流电网；由开关S1、S2构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的第一输出端(即自耦变压器T的一个线圈)相连；由开关S3、S4构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的第二输出端(即自耦变压器T的另一个线圈)相连；两组所述开关桥臂的一端与输出电容C1的一端相连；两组所述开关桥臂的另一端与输出电容C2的一端相连；自耦变压器T1的输入端(中心抽头)和升压电感L1的一端相连，升压电感L1的另一端连接至交流电网的一端；交流电网的另一端连接至输出电容C1和C2的连接点。可选的，自耦变压器T1的两个线圈匝数可以相等也可以不等。在自耦变压器T1的两个线圈匝数相等的情况下，电流沿两个方向的充、放电过程相对称。

本发明实施例的无桥PFC电路中，由升压电感L1、自耦变压器T1、开关S2、S4构成了三态开关单元电路，包括S2、S4同时导通、同时断开、一个导通一个断开三种状态，同样道理，由升压电感L1、自耦变压器T1、开关S1和S3也构成了三态开关单元电路。可选的，可以通过常用的脉冲宽度调制控制实现这三种状态。其中，S1和S2由同一组脉冲宽度调制信号控制，但控制信号方向相反，S3和S4由同一组脉冲宽度调制信号控制，但控制信号方向相反，S1和S2之间，S3和S4之间相位分别相差180°。

具体的，在交流电的一个周期内，交流电流和交流电压的大小处于随时变化之中，为了维持直流输出电压和电流的恒定，处于脉冲宽度调制控制下的各个开关的闭合状态的占空比也会处于不断的变化中。而在各个开关的占空比不断变化的过程中，可能出现S2、S4同时导通、同时断开、一个导通一个断开三种状态。

以下详细说明三种状态的工作原理。

在交流输入电网的正半周期中，状态一：

开关S2、S4的脉冲宽度调制(PWM)载波信号为相位相差180度的锯齿波，并且该PWM的占空比信号由无桥PFC控制电路给出。当开关S2、S4的工作占空比大于50％的时候，开关S2、S4存在同时导通的状态。此时，自耦变压器T1的两个线圈被开关S2、S4短路，交流输入电网给升压电感L1充电。

状态二：

当开关S2导通，S4断开时，自耦变压器T1的两个线圈被开关S2、S3连接到母线电压，此时自耦变压器T1中心抽头上的电压，即升压电感L1的输出端对母线负端的电压为一半的母线电压。升压电感L1可能处于充电状态，也可能处于放电状态，这取决于交流输入电网电压的瞬时值。但无论是充电和是放电，都可以使升压电感L1增加了一次充放电过程，有利于减小升压电感和母线电容的电流纹波。

当开关S2断开，S4导通时，自耦变压器T1的两个线圈被开关S1、S4连接到母线电压，此时自耦变压器T1中心抽头上的电压，即升压电感L1的输出端对母线负端的电压为一半的母线电压。升压电感L1可能处于充电状态，也可能处于放电状态，这取决于交流输入电网电压的瞬时值。

状态三：

当开关S2、S4的工作占空比小于50％的时候，开关S2、S4存在同时断开的状态。此时，自耦变压器T1的两个线圈被开关S1、S3短路，升压电感L1处于放电状态。

在交流输入电网的负半周期中，三态开关单元电路也有上述三种工作状态，其原理与正半周期中的工作状态相同，此处不再赘述。

采用上述技术方案后，当采用两组开关桥臂构成无桥PFC电路时，在一个开关周期内，升压电感经历了两次充电和放电，因此减小了升压电感和母线电容的电流纹波，流经开关管的电流有效值更小，提高了转换效率；并且，升压电感上的纹波频率为开关频率的两倍，所以升压电感的感量可以减小一半，升压电感体积更小，获得更高的功率密度，因此解决了现有技术的转换效率和功率密度较低的问题。

需要说明的是，本实施例中，母线电容包括一个输出电容组(包括输出电容C1、C2)，但本发明的实施例不限于此。在本发明的其他实施例中，可以包括多个输出电容组，各输出电容组之间相互并联。

还需要说明的是，上述实施例采用了两组开关桥臂，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中，可以采取三组或者更多的开关桥臂，假设所述开关桥臂的组数为N，驱动各组所述开关桥臂开关动作的驱动信号之间的相位差为360/N度，其中，N为大于1的整数。例如，如果采用四组开关桥臂，驱动各组所述开关桥臂开关动作的驱动信号之间的相位差为90度。在采用三组或者更多的开关桥臂的情况下，在一个交流周期内，升压电感会经历三次或者更多次的充电和放电，升压电感上的纹波频率为开关频率的三倍或者更多倍，所以升压电感的感量可以进一步减小，升压电感体积更小，获得更高的功率密度。

例如，图2为本发明实施例的另一种无桥PFC电路。如图2所示，本实施例提供的无桥PFC电路可包括：

由开关S1、S2、S3、S4、S5、S6构成的三组开关桥臂、自耦变压器T1、升压电感L1、由输出电容C1和C2构成的输出电容组、交流电网；由开关S1、S2构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的一个线圈相连；由开关S3、S4构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的另一个线圈相连；由开关S5、S6构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的又另一个线圈相连；三组所述开关桥臂的一端与母线电容C1的一端相连；三组所述开关桥臂的另一端与母线电容C2的一端相连；所述自耦变压器T1的中心抽头和所述升压电感L1的输出端相连，所述升压电感L1的输入端连接至交流电网的一端；所述交流电网的另一端连接至两个输出电容C1和C2的连接点。优选的，所述自耦变压器T1的三个原边绕组和三个副边绕组的线圈匝数相等。

由于在一个开关周期内，升压电感会经历三次充电和放电，升压电感上的纹波频率为开关频率的三倍，所以升压电感的感量可以进一步减小，升压电感体积更小，获得更高的功率密度。

图1和图2所示的实施例中，开关电桥中的桥臂为两电平桥臂，但本发明不限于此。在本发明的其他实施例中还可以采用其他形式的桥臂。

具体而言，如图3所示，本发明实施例还提供一种无桥PFC电路，包括：由开关S1、S2、S3、S4、S5、S6构成的两组T型三电平开关桥臂、自耦变压器T1、升压电感L1、两个输出电容C1和C2构成的输出电容组、交流电网；由开关S1、S2、S5构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的一个线圈相连；由开关S3、S4、S6构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的另一个线圈相连；两组所述T型三电平开关桥臂的一端与输出电容C1的一端相连；两组所述T型三电平开关桥臂的另一端与输出电容C2的一端相连；两组所述T型三电平开关桥臂的第三端连接至两个输出电容C1和C2的连接点；所述自耦变压器T1的中心抽头和所述升压电感L1的输出端相连，所述升压电感L1的输入端连接至交流电网的一端；所述交流电网的另一端连接至两个输出电容C1和C2的连接点。其中，所述开关S5、S6为双向开关。

图4是本发明实施例的双向开关的实施方式示意图。参见图4，双向开关用K代表，可选的，双向开关K可包括二极管、MOS管、晶体三极管，三种开关器件的一种或多种，以组合形式构成，当然也可以采用其它晶体管(如JFET)的形式构成。图4a～图4f为二极管、MOS管、晶体三极管以组合构成双向开关的实现方式。

如图5所示，本发明实施例还提供另一种无桥PFC电路。本发明实施例的无桥PFC电路包括：

由开关S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12构成的两组NPC型三电平开关桥臂、自耦变压器T1、升压电感L1、输出电容C1和C2、交流电网；由开关S1、S2、S3、S4、D1、D2、D3、D4、D5、D6构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的一个线圈相连；由开关S5、S6、S7、S8、D7、D8、D9、D10、D11、D12构成的开关桥臂的中点与自耦变压器T1的另一个线圈相连；两组所述NPC型三电平开关桥臂的一端与输出电容C1的一端相连；两组所述NPC型三电平开关桥臂的另一端与输出电容C2的一端相连；两组所述NPC型三电平开关桥臂的箝位二极管(D5、D6和D11、D12)的中点连接至输出电容C1和C2的连接点；所述自耦变压器T1的中心抽头和所述升压电感L1的输出端相连，所述升压电感L1的输入端连接至交流电网的一端；所述交流电网的另一端连接至两组母线电容C1和C2的连接点。所述二极管D1、D2、D3、D4、D7、D8、D9、D10可以是开关管的体二极管或者外置二极管。

进一步的，上述实施例都是针对单相交流电的无桥PFC电路，基于上面实施例提供的电路，还可以形成针对多相交流电的无桥PFC电路。

可选的，本发明的实施例还提供一种无桥PFC电路，包括三组上述实施例中提供的任一种无桥PFC电路。其中，三组交流电源的相位相差120度。

举例说明，参见图6，本发明实施例的另一种无桥PFC电路。本发明实施例的无桥PFC电路包括：三组如图1所示的无桥PFC电路构成的三相带中线的无桥PFC电路。其具体结构和工作原理已经在前文进行了详细说明，此处不再赘述。

参见图7，图7为本发明实施例的一种无桥PFC电路。本发明实施例的无桥PFC电路包括：三组如图3所示的无桥PFC电路构成的三相带中线的无桥PFC电路。其具体结构和工作原理已经在前文进行了详细说明，此处不再赘述。

参见图8，图8为本发明实施例的另一种无桥PFC电路。本发明实施例的无桥PFC电路包括：三组如图5所示的无桥PFC电路构成的三相带中线的无桥PFC电路。其具体结构和工作原理已经在前文进行了详细说明，此处不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种无桥PFC电路，其特征在于，包括：

交流电源、升压电感、自耦变压器、至少两组开关桥臂、母线电容；每组所述开关桥臂包括一个桥臂中点和至少两个桥臂端点；所述自耦变压器包括至少两个输出端；

所述升压电感一端与所述交流电源相连，另一端与所述自耦变压器的输入端相连；

所述自耦变压器的每个输出端都与其中一组开关桥臂的桥臂中点相连，各组所述开关桥臂的桥臂端点分别与所述母线电容的不同端点相连。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关桥臂包括两电平桥臂、T型三电平桥臂、NPC型三电平桥臂中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述自耦变压器的每个输出端与输入端形成线圈匝数相等。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关桥臂中的开关包括二极管、MOS管、晶体三极管，结型场效应晶体管中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关桥臂的组数为N，驱动各组所述开关桥臂开关动作的驱动信号之间的相位差为360/N度，其中，N为大于1的整数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电路，其特征在于，所述母线电容包括至少一个输出电容组；各所述输出电容组之间相互并联；其中，每个所述输出电容组包括相互串联的两个输出电容。

7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述交流电源一端与所述升压电感的一端相连，另一端与各输出电容组中两个输出电容的串联连接点分别相连；

各组所述开关桥臂的桥臂端点分别与各所述输出电容组的两个端点相连。

8.一种无桥PFC电路，其特征在于，包括三组权利要求1-7任一项所述的无桥PFC电路。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，三组交流电源的相位相差120度。