專(zhuān)利名稱(chēng)：功率因子校正轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率因子校正轉(zhuǎn)換器，更特別的，本發(fā)明涉及一種能夠降低共模噪音干擾與提升功率密度的無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
交換式電源供應(yīng)器(switching mode power supply)為一種利用開(kāi)關(guān)切換的方式將輸入電壓波形轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定輸出電壓波形的電源轉(zhuǎn)換電路。升壓轉(zhuǎn)換器為一種交換式電源供應(yīng)器的例子，其可提供功率因子校正(powerfactor correction)與總諧波失真衰減(total harmonic distortion reduction)給輸入電壓，并且將輸入電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)穩(wěn)定且可調(diào)整的輸出電壓。
圖1顯示一種常見(jiàn)的功率因子校正轉(zhuǎn)換升壓轉(zhuǎn)換器(PFC boostconverter)的電路示意圖。在圖1中，橋式整流器(bridge rectifier)BR耦接至輸入交流電壓Vin，用以將輸入交流電壓Vin轉(zhuǎn)換成全波整流的直流電壓(full-wave rectified DC voltage)。升壓電感(boost inductor)L11耦接至橋式整流器BR的輸出端，其設(shè)定為接收由橋式整流器BR所輸出的電流，借此將能量?jī)?chǔ)存于其中，并且根據(jù)開(kāi)關(guān)Q11的開(kāi)關(guān)切換將所儲(chǔ)存的能量釋放而經(jīng)由整流二極管D11向輸出電容C11充電，借此在輸出電容C11的兩側(cè)產(chǎn)生輸出直流電壓。電容C11兩側(cè)上的輸出直流電壓提供給負(fù)載(未顯示)。然而組成橋式整流器BR的整流二極管會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的導(dǎo)通損耗(conductionloss)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率降低。再者，當(dāng)升壓電感L11在儲(chǔ)存能量或釋放能量的時(shí)候，皆會(huì)有三個(gè)功率半導(dǎo)體元件導(dǎo)通，從而使得轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通損失加大。
圖2顯示一種圖騰柱功率因子校正升壓轉(zhuǎn)換器(totem-pole PFC boostconverter)的電路示意圖。在圖2中，升壓電感L21耦接于輸入端以及與晶體管開(kāi)關(guān)Q21與Q22之間的接面節(jié)點(diǎn)(junction node)。圖2的轉(zhuǎn)換器還包含整流二極管D21和D22，其互相串聯(lián)并且與晶體管開(kāi)關(guān)Q21與Q22并聯(lián)，其中晶體管開(kāi)關(guān)Q21與晶體管開(kāi)關(guān)Q22的開(kāi)關(guān)切換以互補(bǔ)(complementary)的方式來(lái)工作。圖2的轉(zhuǎn)換器的工作說(shuō)明如下。在輸入電壓的正半周期間，晶體管開(kāi)關(guān)Q21導(dǎo)通而整流二極管D21為逆向偏壓(reverse-biased)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)(modulate)晶體管開(kāi)關(guān)Q22來(lái)完成輸出電壓穩(wěn)壓(output voltageregulation)。在任務(wù)周期(duty cycle)D的時(shí)間間隔內(nèi)，晶體管開(kāi)關(guān)Q22導(dǎo)通，使得升壓電感L21能夠跨接于輸入交流電壓Vin的兩側(cè)。此時(shí)升壓電感L21的電感電流上升而儲(chǔ)存能量于升壓電感L21中。在1-D的時(shí)間間隔內(nèi)，晶體管開(kāi)關(guān)Q22截止，使得升壓電感L21將所儲(chǔ)存的能量釋放而經(jīng)由整流二極管D22向輸出電容C21充電，借此在輸出電容C21的兩側(cè)產(chǎn)生輸出電壓。在輸入電壓的負(fù)半周期間，晶體管開(kāi)關(guān)Q22導(dǎo)通而整流二極管D22為逆向偏壓，并且通過(guò)調(diào)節(jié)晶體管開(kāi)關(guān)Q21來(lái)完成輸出電壓穩(wěn)壓(output voltageregulation)。在任務(wù)周期D的時(shí)間間隔內(nèi)，晶體管開(kāi)關(guān)Q21導(dǎo)通，使得升壓電感L21能夠跨接于輸入交流電壓Vin的兩側(cè)，此時(shí)升壓電感L21的電感電流上升而儲(chǔ)存能量于升壓電感L21中。在1-D的時(shí)間間隔內(nèi)，晶體管開(kāi)關(guān)Q21截止，使得升壓電感L21將所儲(chǔ)存的能量釋放而經(jīng)由整流二極管D21向輸出電容C21充電，借此在輸出電容C21的兩側(cè)產(chǎn)生輸出電壓。由上述說(shuō)明可知在輸入電壓的正半周期間或負(fù)半周期內(nèi)，只有兩個(gè)功率半導(dǎo)體會(huì)承載電流。因此圖2的轉(zhuǎn)換器的電源轉(zhuǎn)換效率是相當(dāng)高的。再者，當(dāng)圖2的轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous conduction mode，CCM)下工作時(shí)，由于整流二極管D21或D22將輸入交流電壓Vin的一端與輸出電容C21連接起來(lái)，轉(zhuǎn)換器的共模噪音(common-mode noise)會(huì)變的很小。然而，圖2的轉(zhuǎn)換器的晶體管開(kāi)關(guān)，Q21和Q22的寄生二極管(parasitic diode)需要在高頻處進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，并且寄生二極管的反向恢復(fù)(reverse recovery)特性很差。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，轉(zhuǎn)換器往往會(huì)因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率不高或是在非連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode，DCM)下工作而失去共模噪音小的優(yōu)點(diǎn)。
圖3顯示一種公知的無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器的電路示意圖。在圖3中，升壓電感，L31和L32互相并聯(lián)且分別與輸入交流電壓Vin的一端耦接，并且晶體管開(kāi)關(guān)Q31和Q32分別與升壓電感L31和L32耦接。整流二極管，D31和D32分別與晶體管開(kāi)關(guān)S21和S32串聯(lián)。在輸入交流電壓Vin的正半周期間，晶體管開(kāi)關(guān)Q31導(dǎo)通而輸入電流流向升壓電感L31，借此向升壓電感L31充電。此時(shí)晶體管開(kāi)關(guān)Q32也會(huì)導(dǎo)通，而電流路徑會(huì)經(jīng)由晶體管開(kāi)關(guān)Q32的體二極管(body diode)而封閉起來(lái)。接著晶體管開(kāi)關(guān)Q31截止，升壓電感L31所儲(chǔ)存的能量會(huì)釋放出來(lái)而電流會(huì)經(jīng)由整流二極管D31向輸出電容C31充電，而電流路徑會(huì)經(jīng)由晶體管開(kāi)關(guān)Q32的體二極管而封閉起來(lái)。在輸入交流電壓Vin的負(fù)半周期間，晶體管開(kāi)關(guān)Q32導(dǎo)通而輸入電流流向升壓電感L32，借此向升壓電感L32充電。此時(shí)晶體管開(kāi)關(guān)Q31也會(huì)導(dǎo)通，而電流路徑會(huì)經(jīng)由晶體管開(kāi)關(guān)Q31的體二極管而封閉起來(lái)。接著晶體管開(kāi)關(guān)Q32截止，升壓電感L32所儲(chǔ)存的能量會(huì)釋放出來(lái)而電流會(huì)經(jīng)由整流二極管D32向輸出電容C31充電，而電流路徑會(huì)經(jīng)由晶體管開(kāi)關(guān)Q31的體二極管而封閉起來(lái)。因此在每個(gè)半周期內(nèi)，一個(gè)晶體管以主動(dòng)開(kāi)關(guān)(active switch)的方式來(lái)工作，而另一個(gè)晶體管以整流二極管(rectifying diode)的方式來(lái)工作。圖3的轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)在于輸入交流電壓Vin與輸出電壓的兩端之間存在電源跳動(dòng)(power bounce)，因此共模噪音很大，并且隨著輸出電容C31的電容值增加，共模噪音會(huì)急劇增大。
圖4顯示圖3的無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器的一種變形電路結(jié)構(gòu)。與圖3相比較，圖4的升壓電感L41和L42、晶體管開(kāi)關(guān)Q41和Q42、整流二極管D41和D42，以及輸出電容C41的電路配置與工作原理與圖3的升壓電感L31和L32、晶體管開(kāi)關(guān)Q31和Q32、整流二極管D31和D32，以及輸出電容C41相同，在此不加以贅述。特別的，圖4的無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器在輸入側(cè)增設(shè)了一對(duì)輔助二極管D43與D44，其能夠有效減少轉(zhuǎn)換器的共模噪音。盡管如此，圖4的轉(zhuǎn)換器的升壓電感L41和L42由于體積龐大，會(huì)造成電路空間使用上的浪費(fèi)。此外，在輸入電壓Vin的時(shí)間周期內(nèi)，升壓電感L41和L42是交替工作的，因此升壓電感L41和L42的利用率很低，同時(shí)也限制了功率密度的提升。
因此有必要研發(fā)一種無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其可降低轉(zhuǎn)換器中的共模噪音并且提升轉(zhuǎn)換器的功率密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用無(wú)橋式升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的功率因子校正電路，其可降低電路中的共模噪音并且提升轉(zhuǎn)換器的功率密度。
根據(jù)本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，其提供功率因子校正轉(zhuǎn)換器，包含升壓電感，耦接至交流輸入端；開(kāi)關(guān)電路，與該升壓電感串聯(lián)；第一串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該升壓電感與該開(kāi)關(guān)電路之間；第二串聯(lián)整流電路，與該第一串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該開(kāi)關(guān)電路耦接；以及輸出電容，與該第二串聯(lián)整流電路并聯(lián)；其中第一串聯(lián)整流電路由具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管組成，并且第二串聯(lián)整流電路由具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該雙向開(kāi)關(guān)由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，還包含一對(duì)輔助開(kāi)關(guān)，與該第二串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其設(shè)定為與該第二串聯(lián)整流電路同步開(kāi)關(guān)以完成同步整流。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的切換頻率與該開(kāi)關(guān)電路的切換頻率相同，而具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的切換頻率與該功率因子校正轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的工作頻率相同。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大于具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的兩倍以上。
根據(jù)本發(fā)明的深入結(jié)構(gòu)，其提供功率因子校正轉(zhuǎn)換器，包含第一電源轉(zhuǎn)換單元與第二電源轉(zhuǎn)換單元以及輸出電容；其中該第一電源轉(zhuǎn)換單元包含第一升壓電感，耦接至交流輸入端，第一開(kāi)關(guān)電路，與該第一升壓電感串聯(lián)，第一串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第一升壓電感與該第一開(kāi)關(guān)電路之間，以及第二串聯(lián)整流電路，與該第一串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該第一開(kāi)關(guān)電路耦接；該第二電源轉(zhuǎn)換單元包含第二升壓電感，耦接至該交流輸入端并且與該第一升壓電感并聯(lián)，第二開(kāi)關(guān)電路，耦接于該第二升壓電感與該第一開(kāi)關(guān)電路之間，以及第三串聯(lián)整流電路，與該第二串聯(lián)整流電路并聯(lián)，并且具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第二升壓電感與該第二開(kāi)關(guān)電路之間，并且該輸出電容與該第三串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其中第一串聯(lián)整流電路以及第三串聯(lián)整流電路由具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管組成，并且第二串聯(lián)整流電路由具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第一開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第二開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大于具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的兩倍以上。
根據(jù)本發(fā)明的深入結(jié)構(gòu)，其提供功率因子校正轉(zhuǎn)換器，包含第一電源轉(zhuǎn)換單元與第二電源轉(zhuǎn)換單元以及輸出電容；其中該第一電源轉(zhuǎn)換單元包含第一升壓電感，耦接至交流輸入端，第一開(kāi)關(guān)電路，與該第一升壓電感串聯(lián)，第一串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第一升壓電感與該第一開(kāi)關(guān)電路之間，以及第二串聯(lián)整流電路，與該第一串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該第一開(kāi)關(guān)電路耦接；該第二電源轉(zhuǎn)換單元包含第二升壓電感，耦接至該交流輸入端并且與該第一升壓電感并聯(lián)，第二開(kāi)關(guān)電路，與該第二升壓電感串聯(lián)，第三串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第二升壓電感與該第二開(kāi)關(guān)電路之間，以及第四串聯(lián)整流電路，與該第三串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該第二開(kāi)關(guān)電路耦接，并且該輸出電容與該第四串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其中第一串聯(lián)整流電路以及第三串聯(lián)整流電路由具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管組成，并且該第二串聯(lián)整流電路與該第四串聯(lián)整流電路由具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第一開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第二開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
根據(jù)所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大于具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的兩倍以上。
綜上所述，本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器配置兩個(gè)串聯(lián)整流電路來(lái)對(duì)升壓電感所輸出的電流進(jìn)行整流，并且允許跨接于輸入端與輸出端之間的串聯(lián)整流電路以具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，而其它的串聯(lián)整流電路以具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。借此可使得無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電路由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，使得跨接于輸入端與輸出端之間的串聯(lián)整流電路中的作用二極管的反向恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)而繼續(xù)維持導(dǎo)通至下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。因此，在輸入交流電壓的半周期內(nèi)，跨接于輸入端與輸出端之間的串聯(lián)整流電路中的作用二極管可維持導(dǎo)通而使得該作用二極管兩側(cè)的電壓維持為零，借此消除該作用二極管兩側(cè)的電路節(jié)點(diǎn)上的電源跳動(dòng)以及減少電路中的共模噪音。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與特征，通過(guò)下面實(shí)施例配合下列附圖詳細(xì)說(shuō)明，從而得到更深入的了解。


圖1顯示一種公知的功率因子校正轉(zhuǎn)換升壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖2顯示一種公知的圖騰柱功率因子校正升壓轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖3顯示一種公知的無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器的電路示意圖；圖4顯示圖3的無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器的一種變形電路結(jié)構(gòu)；圖5顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第一實(shí)施例的電路示意圖；圖6顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第二實(shí)施例的電路示意圖；圖7顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第三實(shí)施例的電路示意圖；圖8顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第四實(shí)施例的電路示意圖；圖9顯示圖5的轉(zhuǎn)換器的輸入交流電壓Vin、雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的切換信號(hào)、電感電流iL以及整流二極管D53和D54兩側(cè)的電壓VD53和VD54的波形圖，其中整流二極管D51、D52、D53和D54并未采用特定的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)；以及圖10顯示圖5的轉(zhuǎn)換器的輸入交流電壓Vin、雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的切換信號(hào)、電感電流iL以及整流二極管D53和D54兩側(cè)的電壓VD53和Vp54的波形圖，其中第二串聯(lián)整流電路的整流二極管D52與D54采用具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，而第一串聯(lián)整流電路的整流二極管D51與D53采用具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下圖1Vin 輸入交流電壓BR 橋式整流器L11 升壓電感Q11 開(kāi)關(guān)D11 整流二極管C11 輸出電容圖2Vin 輸入交流電壓L21 升壓電感Q21、Q22 晶體管開(kāi)關(guān)D21、D22 整流二極管輸出電容 C21圖3Vin 輸入交流電壓L21、L32 升壓電感Q31、Q32 晶體管開(kāi)關(guān)，D31、D32 整流二極管，C31 輸出電容圖4Vin 輸入交流電壓L41、L42 升壓電感，Q41、Q42 晶體管開(kāi)關(guān)，
D41、D42 整流二極管，D43、D44 輔助二極管C41 輸出電容圖5Vin 輸入交流電壓L51 升壓電感Q51、Q52 雙向開(kāi)關(guān)D51、D53 第一串聯(lián)整流電路D52、D54 第二串聯(lián)整流電路C51 輸出電容圖6Vin 輸入交流電壓L61 升壓電感Q61、Q62 雙向開(kāi)關(guān)D61、D63 第一串聯(lián)整流電路D62、D64 第二串聯(lián)整流電路S61、S62 輔助開(kāi)關(guān)C61 輸出電容圖7Vin 輸入交流電壓L71 第一升壓電感L72 第二升壓電感Q71、Q72 第一雙向開(kāi)關(guān)Q73、Q74 第二雙向開(kāi)關(guān)D71、D72 第一串聯(lián)整流電路D73、D74 第二串聯(lián)整流電路D75、D76 第三串聯(lián)整流電路C71 輸出電容圖8
Vin 輸入交流電壓L81 第一升壓電感L82 第二升壓電感Q81、Q82 第一雙向開(kāi)關(guān)Q83、Q84 第二雙向開(kāi)關(guān)D81、D82 第一串聯(lián)整流電路D83、D84 第二串聯(lián)整流電路D87、D88 第三串聯(lián)整流電路D85、D86 第四串聯(lián)整流電路C81 輸出電容具體實(shí)施方式
體現(xiàn)本發(fā)明的特征與優(yōu)點(diǎn)的較佳實(shí)施例將在后面的說(shuō)明中詳細(xì)敘述。須注意的是相同的元件標(biāo)號(hào)指向相同的元件。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的結(jié)構(gòu)上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說(shuō)明及附圖標(biāo)記在本質(zhì)上當(dāng)作說(shuō)明之用，而非用以限制本發(fā)明。
圖5顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第一實(shí)施例的電路示意圖。圖5的轉(zhuǎn)換器包含升壓電感L51，其耦接至輸入端，以及雙向開(kāi)關(guān)(bidirectional switch)Q51和Q52，其由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)來(lái)實(shí)現(xiàn)并且與升壓電感L51串聯(lián)。圖5的轉(zhuǎn)換器還包含第一串聯(lián)整流電路(series rectifying circuit)，其由整流二極管D51和D53組成，并且整流二極管D5和D53之間的接面節(jié)點(diǎn)耦接于升壓電感L51與雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52之間，以及第二串聯(lián)整流電路，其由整流二極管D52和D54組成并且與第一串聯(lián)整流電路D5和D53并聯(lián)，其中整流二極管D52和D54之間的接面節(jié)點(diǎn)耦接于雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52。
圖5的轉(zhuǎn)換器的工作說(shuō)明如下。在輸入交流電壓Vin的正半周期間，升壓電感L51設(shè)定為利用輸入電流來(lái)充電與放電以完成對(duì)輸入交流電壓Vin的升壓與整流。在雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的導(dǎo)通期間內(nèi)，升壓電感L51能夠跨接于輸入交流電壓Vin的兩側(cè)。此時(shí)升壓電感L51的電感電流上升而儲(chǔ)存能量于升壓電感L51中。在雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的截止期間內(nèi)，升壓電感L51將所儲(chǔ)存的能量釋放而經(jīng)由整流二極管D51與D54向輸出電容C51充電，借此在輸出電容C51的兩側(cè)產(chǎn)生輸出電壓Vo。在輸入交流電壓Vin的負(fù)半周期間，升壓電感L51設(shè)定為利用輸入電流來(lái)充電與放電以完成對(duì)輸入交流電壓Vin的升壓與整流。在雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的導(dǎo)通期間內(nèi)，升壓電感L51能夠跨接于輸入交流電壓Vin的兩側(cè)。此時(shí)升壓電感L51的電感電流上升而儲(chǔ)存能量于升壓電感L51中。在雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的截止期間內(nèi)，升壓電感L51將所儲(chǔ)存的能量釋放而經(jīng)由整流二極管D52與D53向輸出電容C51充電，借此在輸出電容C51的兩側(cè)產(chǎn)生輸出電壓Vo。圖9顯示圖5的轉(zhuǎn)換器的輸入交流電壓Vin、雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的切換信號(hào)、電感電流iL以及整流二極管D53和D54兩側(cè)的電壓VD53和VD54的波形圖，其中整流二極管D51、D52、D53和D54并未采用特定的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由上述的說(shuō)明可知，圖5的轉(zhuǎn)換器無(wú)論在輸入交流電壓Vin的正半周或負(fù)半周期間，均只有兩個(gè)功率半導(dǎo)體元件導(dǎo)通以傳導(dǎo)電流，其與圖2與圖3的例子相同。因此，圖5的轉(zhuǎn)換器也具有低導(dǎo)通損失的優(yōu)點(diǎn)。
然而，在實(shí)際的應(yīng)用上，圖5的轉(zhuǎn)換器卻會(huì)遭受共模噪音過(guò)大的缺點(diǎn)。這個(gè)共模噪音的形成原因在于輸入交流電壓Vin與輸出電壓Vo的兩端存在電源跳動(dòng)(power bounce)。請(qǐng)參見(jiàn)圖5，在輸入電壓Vin的正半周期間內(nèi)且當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52為截止時(shí)，輸入電流流經(jīng)升壓電感L51與整流二極管D51和D54，因此整流二極管D54兩側(cè)的電壓VD54為零。當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52由截止轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通時(shí)，可以由圖9看出整流二極管D54的陰極(cathode)上的電壓，也即整流二極管D52的陽(yáng)極(anode)上的電壓是浮動(dòng)的(floating)。因此在整流二極管D52的兩側(cè)與整流二極管D54的兩側(cè)上會(huì)產(chǎn)生電源跳動(dòng)。當(dāng)整流二極管D51、D52、D53和D54采用相同的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，電源跳動(dòng)的量值可達(dá)到1/2Vo。因此，這個(gè)電源跳動(dòng)可視為一種共模噪音(common-mode noise)。
為了解決這個(gè)缺點(diǎn)，本發(fā)明采用特定的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)整流二極管D51、D52、D53和D54，從而以移除這個(gè)惱人的共模電磁干擾。在本較佳實(shí)施例中，第二串聯(lián)整流電路的整流二極管D52與D54采用具有緩慢反向恢復(fù)(slowreverse recovery)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，而第一串聯(lián)整流電路的整流二極管D51與D53采用具有迅速反向恢復(fù)(fast reverse recovery)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)利用緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)完成第二串聯(lián)整流電路，便可以在雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52從截止轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通時(shí)，使得第二電流橋中的整流二極管D52或D54的導(dǎo)通狀態(tài)得以持續(xù)，進(jìn)而使得整流二極管D52或D54兩側(cè)的電壓為零而消除了由于電源跳動(dòng)所引起的電磁干擾。
至于如何利用上述整流二極管的組合來(lái)消除電源跳動(dòng)的工作原理說(shuō)明如下。在輸入交流電壓Vin的正半周期間，當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52截止時(shí)，具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管D51與具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管D54導(dǎo)通，使得升壓電感L51將所儲(chǔ)存的能量釋放而經(jīng)由整流二極管D51與D54向輸出電容C51充電，借此在輸出電容C51的兩側(cè)產(chǎn)生輸出電壓Vo。當(dāng)雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52由截止轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通時(shí)，升壓電感L51會(huì)通過(guò)輸入電流來(lái)儲(chǔ)存能量，且輸出電壓Vo作用為施加于整流二極管D51與D54的反壓，促使整流二極管D51與D54進(jìn)入反向恢復(fù)過(guò)程。由于整流二極管D51為具有迅速反向恢復(fù)特性的二極管，其會(huì)迅速恢復(fù)截止而承受全部的反向電壓。然而，由于整流二極管D54為具有緩慢反向恢復(fù)特性的二極管，其在整流二極管D51恢復(fù)截止后依然無(wú)法完成反向恢復(fù)而維持在導(dǎo)通狀態(tài)。因此，整流二極管D54在升壓電感L51儲(chǔ)存能量的期間都不會(huì)承受反向電壓。圖10顯示圖5的轉(zhuǎn)換器的輸入交流電壓Vin、雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的切換信號(hào)、電感電流iL以及整流二極管D53和D54兩側(cè)的電壓VD53和VD54的波形圖，其中第二串聯(lián)整流電路的整流二極管D52與D54采用具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，而第一串聯(lián)整流電路的整流二極管D51與D53采用具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。由圖10可以看出在輸入交流電壓的正半周期間，具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管D54兩側(cè)的電壓會(huì)維持在零，借此消除了整流二極管D54兩側(cè)的電源跳動(dòng)。相同的，在輸入交流電壓的負(fù)半周期間，具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管D52兩側(cè)的電壓會(huì)維持在零，借此消除了整流二極管D52兩側(cè)的電源跳動(dòng)。由圖10所示的整流二極管D54兩側(cè)的電壓VD54的波形可了解到，整流二極管D54是以低頻開(kāi)關(guān)切換(low-frequency switching)來(lái)調(diào)節(jié)，而沒(méi)有高頻的開(kāi)關(guān)切換，借此可避免高頻的電磁干擾產(chǎn)生。值得注意的是具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管D51與D53的切換頻率(switching frequency)是與雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52的切換頻率相同，而具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管D52與D54的切換頻率是與輸入交流電壓Vin的工作頻率(operating frequency)相同。此外，具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管D52與D54的反向恢復(fù)時(shí)間會(huì)比具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管D51與D53的反向恢復(fù)時(shí)間的兩倍還要長(zhǎng)。
圖6顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第二實(shí)施例的電路示意圖。圖6的升壓電感L61、雙向開(kāi)關(guān)Q61和Q62、第一串聯(lián)整流電路D61和D63、第二串聯(lián)整流電路D62和D64以及輸出電容C61的電路配置與工作原理與圖5的升壓電感L51、雙向開(kāi)關(guān)Q51和Q52、第一串聯(lián)整流電路D5和D53、第一串聯(lián)整流電路D52和D54以及輸出電容C51相同，在此不加以贅述。與圖5相比較，圖6的轉(zhuǎn)換器加入了一對(duì)輔助開(kāi)關(guān)(auxiliary switch)S61和S62，其與第二串聯(lián)整流電路D62和D64并聯(lián)并且設(shè)定為分別與整流二極管D62和D64同步開(kāi)關(guān)來(lái)完成同步整流，以便更有效地消除共模噪音。
圖7顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第三實(shí)施例的電路示意圖。圖7的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器為交錯(cuò)式(interleaved)的電源轉(zhuǎn)換電路，其中第一升壓電感L71、第一雙向開(kāi)關(guān)Q71和Q72、第一串聯(lián)整流電路D71和D72以及第二串聯(lián)整流電路D73和D74形成第一電源轉(zhuǎn)換單元，其電路結(jié)構(gòu)與圖5的電路結(jié)構(gòu)相同，而第二升壓電感L72、第二雙向開(kāi)關(guān)Q73和Q74、第三串聯(lián)整流電路D75和D76以及第二串聯(lián)整流電路D73和D74形成第二電源轉(zhuǎn)換單元，其電路結(jié)構(gòu)與圖5的電路結(jié)構(gòu)相同。圖7的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器為將兩個(gè)如圖5所示的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)串接在一起而得，其中第一升壓電感L71與第二升壓電感L72并聯(lián)并且輸出電容C71與第三串聯(lián)整流電路D75和D76并聯(lián)。值得注意的是第一電源轉(zhuǎn)換單元的第二串聯(lián)整流電路D73和D74與第二電源轉(zhuǎn)換單元共享而作為第二電源轉(zhuǎn)換單元的串聯(lián)整流電路，其由具有緩慢反向恢復(fù)特性的二極管組成，而第一串聯(lián)整流電路D71和D72以及第三串聯(lián)整流電路D75和D76由具有迅速反向恢復(fù)特性的二極管組成，并且第一雙向開(kāi)關(guān)Q71和Q72與第二雙向開(kāi)關(guān)Q73和Q74以交替導(dǎo)通(alternate conducting)的方式來(lái)工作。
圖8顯示本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的第四實(shí)施例的電路示意圖。圖8的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器為圖7的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的一種變形，其中第一升壓電感L81、第一雙向開(kāi)關(guān)Q81和Q82、第一串聯(lián)整流電路D81和D82以及第二串聯(lián)整流電路D83和D84形成第一電源轉(zhuǎn)換單元，其電路結(jié)構(gòu)與圖5的電路結(jié)構(gòu)相同，而第二升壓電感L82、第二雙向開(kāi)關(guān)Q83和Q84、第三串聯(lián)整流電路D87和D88、第四串聯(lián)整流電路D85和D86形成第二電源轉(zhuǎn)換單元，其電路結(jié)構(gòu)與圖5的電路結(jié)構(gòu)相同。圖7的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器為將兩個(gè)如圖5所示的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)串接在一起而得，其中第一升壓電感L81為與第二升壓電感L82并聯(lián)并且輸出電容C81為與第四串聯(lián)整流電路D85和D86并聯(lián)。須注意的是第二串聯(lián)整流電路D83和D84以及第四串聯(lián)整流電路D85和D86由具有緩慢反向恢復(fù)特性的二極管組成，而第一串聯(lián)整流電路D81和D82以及第三串聯(lián)整流電路D87和D88由具有迅速反向恢復(fù)特性的二極管組成，并且第一雙向開(kāi)關(guān)Q81和Q82與第二雙向開(kāi)關(guān)Q83和Q84以交替導(dǎo)通(alternate conducting)的方式來(lái)工作。
綜上所述，本發(fā)明的無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器配置兩個(gè)串聯(lián)整流電路來(lái)對(duì)升壓電感所輸出的電流進(jìn)行整流，并且允許跨接于輸入端與輸出端之間的串聯(lián)整流電路以具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，而其它的串聯(lián)整流電路以具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。借此可使得無(wú)橋式功率因子轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電路由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，使得跨接于輸入端與輸出端之間的串聯(lián)整流電路中的作用二極管的反向恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)而繼續(xù)維持導(dǎo)通至下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。因此，在輸入交流電壓的半周期內(nèi)，跨接于輸入端與輸出端之間的串聯(lián)整流電路中的作用二極管可維持導(dǎo)通而使得該作用二極管兩側(cè)的電壓維持為零，借此消除該作用二極管兩側(cè)的電路節(jié)點(diǎn)上的電源跳動(dòng)以及減少電路中的共模噪音。
本發(fā)明得由本領(lǐng)域技術(shù)人員任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫離所附權(quán)利要求所欲保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其包含升壓電感，耦接至交流輸入端；開(kāi)關(guān)電路，與該升壓電感串聯(lián)；第一串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該升壓電感與該開(kāi)關(guān)電路之間；第二串聯(lián)整流電路，與該第一串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該開(kāi)關(guān)電路耦接；以及輸出電容，與該第二串聯(lián)整流電路并聯(lián)；其中該第一串聯(lián)整流電路由具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管組成，并且該第二串聯(lián)整流電路由具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該雙向開(kāi)關(guān)由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，還包含一對(duì)輔助開(kāi)關(guān)，與該第二串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其設(shè)定為與該第二串聯(lián)整流電路同步開(kāi)關(guān)以完成同步整流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的切換頻率與該開(kāi)關(guān)電路的切換頻率相同，而具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的切換頻率與該功率因子校正轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的工作頻率相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大于具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的兩倍以上。
7.一種功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其包含第一電源轉(zhuǎn)換單元，其包含第一升壓電感，耦接至交流輸入端；第一開(kāi)關(guān)電路，與該第一升壓電感串聯(lián)；第一串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第一升壓電感與該第一開(kāi)關(guān)電路之間；以及第二串聯(lián)整流電路，與該第一串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該第一開(kāi)關(guān)電路耦接；第二電源轉(zhuǎn)換單元，其包含第二升壓電感，耦接至該交流輸入端并且與該第一升壓電感并聯(lián)；第二開(kāi)關(guān)電路，耦接于該第二升壓電感與該第一開(kāi)關(guān)電路之間；以及第三串聯(lián)整流電路，與該第二串聯(lián)整流電路并聯(lián)，并且具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第二升壓電感與該第二開(kāi)關(guān)電路之間；以及輸出電容，與該第三串聯(lián)整流電路并聯(lián)；其中該第一串聯(lián)整流電路以及第三串聯(lián)整流電路由具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管組成，并且該第二串聯(lián)整流電路由具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第一開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第二開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大于具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的兩倍以上。
11.一種功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其包含第一電源轉(zhuǎn)換單元，其包含第一升壓電感，耦接至交流輸入端；第一開(kāi)關(guān)電路，與該第一升壓電感串聯(lián)；第一串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第一升壓電感與該第一開(kāi)關(guān)電路之間；以及第二串聯(lián)整流電路，與該第一串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該第一開(kāi)關(guān)電路耦接；第二電源轉(zhuǎn)換單元，其包含第二升壓電感，耦接至該交流輸入端并且與該第一升壓電感并聯(lián)；第二開(kāi)關(guān)電路，與該第二升壓電感串聯(lián)；第三串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于該第二升壓電感與該第二開(kāi)關(guān)電路之間；以及第四串聯(lián)整流電路，與該第三串聯(lián)整流電路并聯(lián)，其具有接面節(jié)點(diǎn)，與該第二開(kāi)關(guān)電路耦接；以及輸出電容，與該第四串聯(lián)整流電路并聯(lián)；其中該第一串聯(lián)整流電路以及第三串聯(lián)整流電路由具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管組成，并且該第二串聯(lián)整流電路與該第四串聯(lián)整流電路由具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第一開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中該第二開(kāi)關(guān)電路由雙向開(kāi)關(guān)組成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率因子校正轉(zhuǎn)換器，其中具有緩慢反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大于具有迅速反向恢復(fù)特性的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間的兩倍以上。
全文摘要
一種可降低共模噪音與增強(qiáng)功率密度的無(wú)橋式功率因子校正轉(zhuǎn)換器包含升壓電感，耦接至輸入端；雙向開(kāi)關(guān)，與該升壓電感串聯(lián)；第一串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接于升壓電感與雙向開(kāi)關(guān)之間；第二串聯(lián)整流電路，具有接面節(jié)點(diǎn)，耦接至該雙向開(kāi)關(guān)；以及輸出電容，與該第二串聯(lián)整流電路并聯(lián)；其中第二串聯(lián)整流電路由緩慢恢復(fù)二極管組成，而第一串聯(lián)整流電路由迅速恢復(fù)二極管組成。因此，本發(fā)明可降低轉(zhuǎn)換器中的共模噪音并且提升轉(zhuǎn)換器的功率密度。
文檔編號(hào)H02M7/12GK101083398SQ20061008868
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者劉騰, 辛?xí)阅? 曾劍鴻, 應(yīng)建平 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司