技術(shù)領(lǐng)域

本公開總地涉及電子設(shè)備并且更具體地涉及AC/DC轉(zhuǎn)換器。本公開更具體地涉及具有功率因子校正(PFC)的功能的轉(zhuǎn)換器并且普遍應(yīng)用于使用這樣的轉(zhuǎn)換器的任意系統(tǒng)，例如用于控制電機(jī)、充電器、開關(guān)式電源等的電路。

背景技術(shù)：

基于整流元件的很多AC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)是已知的，所述整流元件可以是可控的(例如晶閘管)或者不可控的(二極管)，被組裝成整流橋，用AC電壓供電并給出DC電壓，這個(gè)DC電壓本身可能再被轉(zhuǎn)換回AC電壓。

在這些結(jié)構(gòu)中，利用完整的轉(zhuǎn)換器支路以及具有二極管的另一臂的解決方案(通常被稱為“圖騰柱”)是一種基于按脈沖寬度調(diào)制的方式被控制的兩個(gè)開關(guān)的無橋式結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)EP-A-2515420描述了“圖騰柱”類型的功率因子校正轉(zhuǎn)換器的示例。

涌入電流，即輸出電容器上的電壓尚未達(dá)到足夠的電壓水平時(shí)出現(xiàn)在AC電壓的每個(gè)半波上的電流峰值，尤其是出現(xiàn)在啟動(dòng)階段的涌入電流通常需要被限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

實(shí)施例克服了常見的功率轉(zhuǎn)換器控制電路的缺點(diǎn)中的一部分或 者全部缺點(diǎn)。

實(shí)施例提供了“圖騰柱”類型的功率因子校正功率轉(zhuǎn)換器。

因而，實(shí)施例提供一種AC/DC轉(zhuǎn)換器，包括：

用于接收AC電壓的第一端子和第二端子；

用于供應(yīng)DC電壓的第三端子和第四端子；

被串聯(lián)連接在第三與第四端子之間的兩個(gè)開關(guān)，所述兩個(gè)開關(guān)的接合點(diǎn)被連接到第一端子；以及

被串聯(lián)連接在第三和第四端子之間的兩個(gè)可控整流元件，所述兩個(gè)可控整流元件的接合點(diǎn)被連接到第一端子或第二端子。

根據(jù)實(shí)施例，兩個(gè)二極管與兩個(gè)開關(guān)中的每個(gè)開關(guān)相應(yīng)地并行連接。

根據(jù)實(shí)施例，所述兩個(gè)二極管由開關(guān)的本征二極管形成。

根據(jù)實(shí)施例，整流元件是相位角受控的。

根據(jù)實(shí)施例，兩個(gè)整流元件分別是陰極柵極和陽極柵極晶閘管，陽極柵極晶閘管可以通過從其柵極提取電流來控制。

根據(jù)實(shí)施例，陽極柵極晶閘管被連接到第三端子。

根據(jù)實(shí)施例，晶閘管被相同的脈沖信號(hào)控制。

根據(jù)實(shí)施例，陽極柵極晶閘管被連接到第四端子，陰極柵極晶閘管被連接到第三端子并且可以通過注入和/或提取柵極電流來控制。

根據(jù)實(shí)施例，整流元件是陽極柵極晶閘管，該陽極柵極晶閘管可以通過從該晶閘管的柵極提取電流來控制。

一種實(shí)施例提供轉(zhuǎn)換器，還包括：

用于為至少可控整流元件的控制電路供電的電路；以及

將第一和第二端子之一耦合到所述電源電路的至少一個(gè)二極管。

前述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合附圖在下面對(duì)具體實(shí)施例的非限制性描述中被詳細(xì)討論。

附圖說明

圖1示意性地示出了所謂的“圖騰柱”AC/DC功率因子校正轉(zhuǎn)換 器的常見結(jié)構(gòu)的示例；

圖2示意性地示出了“圖騰柱”AC/DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例；

圖3是圖2的轉(zhuǎn)換器的可控整流元件的控制電路的實(shí)施例的部分電路圖；

圖4示意性地部分地示出了“圖騰柱”AC/DC轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例；

圖5示意性地部分地示出了“圖騰柱”AC/DC轉(zhuǎn)換器的又一實(shí)施例；

圖6示意性地部分地示出了又一實(shí)施例。

圖7是具有正柵極電流的陰極柵極晶閘管的實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面視圖；以及

圖8是具有負(fù)柵極電流的陰極柵極晶閘管的實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面視圖。

具體實(shí)施方式

相同的元件在不同的附圖中用相同的標(biāo)號(hào)來表示。具體而言，不同實(shí)施例所共用的結(jié)構(gòu)和/或功能元件可以用相同的標(biāo)號(hào)來表示并且可以具有相同的結(jié)構(gòu)、尺寸和材料屬性。為了清楚起見，只有對(duì)理解所描述的實(shí)施例有用的那些步驟和元件被顯示并將被詳細(xì)說明。具體而言，由功率轉(zhuǎn)換器供電的電路未被詳細(xì)描述，所描述的實(shí)施例與常見應(yīng)用兼容。在本公開中，術(shù)語“被連接”指兩個(gè)元件之間的直接連接，而術(shù)語“被耦合”和“被鏈接”指可能是直接連接或者經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)其它元件實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)元件之間的連接。當(dāng)用到術(shù)語“大約”、“近似”或者“數(shù)量級(jí)”時(shí)，指在10％以內(nèi)，優(yōu)選在5％以內(nèi)。

圖1示意性地示出了裝配有涌入電流限制電路的“圖騰柱”AC/DC轉(zhuǎn)換器的常見結(jié)構(gòu)的示例。

兩個(gè)輸入端子12和14用于接收AC電壓Vac，例如配電網(wǎng)絡(luò)的電壓(例如230或120伏，50或60Hz)。端子12經(jīng)由涌入電流限制部件2被耦合到電感元件L的第一端子，所述電感元件L的第二端子被耦合 到用于給出DC電壓Vdc的兩個(gè)端子16和18之間的兩個(gè)開關(guān)T2和T1的接合點(diǎn)32，端子18限定參考電勢(shì)(通常是地面)。兩個(gè)二極管Df1和Df2也被串聯(lián)連接在端子16與18之間并且它們的接合點(diǎn)被連接到節(jié)點(diǎn)32，二極管Df1的陽極被連接到端子18，同時(shí)二極管Df2的陰極被連接到端子16。端子14被連接到端子16和18之間的兩個(gè)二極管D1和D2的接合點(diǎn)34，二極管D1的陽極被連接到端子18，同時(shí)二極管D2的陰極被連接到端子16。存儲(chǔ)平滑電容器C連接端子16和18。最后，導(dǎo)通開關(guān)S1被插置在端子12與電路2之間。

涌入電流限制電路2由(經(jīng)由開關(guān)S1)將端子12耦合到節(jié)點(diǎn)32的電阻器R形成，以限制轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)(電容器C被放電時(shí))的涌入電流。開關(guān)S2在穩(wěn)定狀態(tài)下使電阻器R短路并且從而限制電容器被放電時(shí)該電阻器的損耗。

在電壓Vac的正半波期間，開關(guān)T2保持關(guān)斷。二極管D1驅(qū)動(dòng)并耦合端子18(即輸出電壓Vdc的參考電勢(shì))到端子14。開關(guān)T1在脈沖寬度調(diào)制下被控制并且二極管Df2在開關(guān)T1關(guān)斷期間被用作續(xù)流二極管。在負(fù)半波期間，開關(guān)T1保持關(guān)斷。二極管D2驅(qū)動(dòng)并耦合端子14到端子16(即耦合到輸出電壓Vdc的高電勢(shì))。開關(guān)T2在脈沖寬度調(diào)制下被控制并且二極管Df1在開關(guān)T2關(guān)斷期間被用作續(xù)流二極管。

圖2示意性地示出了“圖騰柱”電流限制AC/DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例。

與圖1的組件相比，二極管D1和D2用晶閘管Th1和Th2代替。在圖2的示例中，晶閘管Th1具有陰極柵極并且其陽極被連接到端子18，而晶閘管Th2具有陽極柵極并且其陰極被連接到端子16。

晶閘管Th1和Th2的使用使得相位角控制成為可能，相對(duì)于經(jīng)整流的電壓Vac的零值有一個(gè)導(dǎo)通延遲，這使得能夠通過執(zhí)行軟啟動(dòng)來限制啟動(dòng)時(shí)的涌入電流。晶閘管導(dǎo)通時(shí)間被逐漸增加以提供電容器C的漸進(jìn)式充電。因而，圖1的電路2不再是必需的。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，晶閘管Th1和Th2在正半波和負(fù)半波期間被分別接通以恢復(fù)圖1的二極管D1和D2的功能。

根據(jù)實(shí)施例，用于將轉(zhuǎn)換器設(shè)置為備用的開關(guān)S1被保留或者不被 保留。

在圖2的示例中，設(shè)置為去掉開關(guān)S1并利用晶閘管Th1和Th2的存在來在轉(zhuǎn)換器被設(shè)置為備用期間開通所有傳導(dǎo)支路。

為了保持電源允許新的啟動(dòng)，用于生成電容器C’兩端的DC電壓Vcc的電路22(電源)被提供以為電路26提供電源，所述電路26例如是負(fù)責(zé)生成用于控制晶閘管Th1和Th2的脈沖的微控制器(μC)。二極管D3將端子12和14中的一個(gè)端子連接到電路22以進(jìn)行半波整流。二極管D4可以將端子12和14中的另一個(gè)端子連接(圖2中的虛線連接)到電路22用于全波整流。

如果開關(guān)S1被保留，則該開關(guān)的接通會(huì)啟動(dòng)電路22的電源。

微控制器26通過采用光、磁或電容技術(shù)的一個(gè)或兩個(gè)絕緣耦合器28控制晶閘管Th1和Th2的柵極。微控制器26接收不同的設(shè)置點(diǎn)CT或測(cè)量值以在正確的時(shí)間接通晶閘管Th1和Th2以用于穩(wěn)定狀態(tài)下的全波控制。

在圖2的實(shí)施例中，晶閘管Th1和Th2被選擇以使得它們的控制參考相同的點(diǎn)。因而，晶閘管Th2是陽極柵極晶閘管。因而其控制參考端子34。晶閘管Th1是陰極柵極晶閘管。因而其控制參考相同的端子34。晶閘管Th2和Th1被選擇為都通過柵極電流提取來工作。該實(shí)施例使得能夠通過使用其正端子(Vdd)被連接到端子34的單個(gè)輔助電源來控制這兩個(gè)晶閘管。

圖3部分示出了功率轉(zhuǎn)換器及其用于控制晶閘管Th1和Th2的電路的另一實(shí)施例。

晶閘管Th1和Th2在這里也被選擇以使得它們的控制參考相同的點(diǎn)。因而，晶閘管Th2是陽極柵極晶閘管。因而其控制參考端子34。晶閘管Th1是陰極柵極晶閘管。因而其控制參考相同的端子34。晶閘管Th2和Th1被選擇為相應(yīng)地通過柵極電流提取和通過柵極電流注入來工作。

在圖3的電路中，變壓器4的第一線圈L41接收來自用DC電壓Vcc(例如由電路22提供(圖2))供電的微控制器26的脈沖控制。線圈 41另一端被耦合到電源端子Vcc與地面之間的兩個(gè)電容元件C43和C44的接合點(diǎn)。變壓器4的第二線圈L42的一端被連接到端子34并且其另一端被耦合到晶閘管Th1和Th2的柵極。這個(gè)耦合經(jīng)由可選的串聯(lián)電阻器R45和相應(yīng)地將線圈L42(或電阻器R45)連接到晶閘管Th2和Th1的柵極的兩個(gè)二極管D46和D47來實(shí)現(xiàn)。晶閘管Th2的陽極柵極被耦合到二極管D46的陽極，同時(shí)晶閘管Th1的陰極柵極被耦合到二極管D47的陰極，二極管D46的陰極和二極管D47的陽極被連接到線圈L42(或電阻器R45)。

因而，圖3的電路使得能夠向晶閘管Th1中注入柵極電流，并且從晶閘管Th2提取柵極電流。因而，每當(dāng)(+Vcc/2–Vcc/2類型的)AC脈沖被應(yīng)用到變壓器4的初級(jí)線圈L41時(shí)，所述兩個(gè)晶閘管被控制。

為了只在電壓Vac的正半波期間控制晶閘管Th2且只在電壓Vac的負(fù)半波期間控制晶閘管Th1，分別在這兩種類型的半波期間在電感L41上應(yīng)用-Vcc/0類型的信號(hào)(以接通晶閘管Th2)和+Vcc/0類型的信號(hào)(以接通晶閘管Th1)。因?yàn)檫@樣的信號(hào)有DC分量，所以變壓器4不應(yīng)當(dāng)有飽和磁性材料以避免該材料的飽和并確?？刂菩盘?hào)傳送的正確操作。因而，例如不具有磁芯的變壓器(或者“空氣變壓器”)可以被使用。

圖4部分示出了另一實(shí)施例，其中晶閘管Th1’和Th2都是陽極柵極晶閘管。晶閘管Th1’可以由微控制器(26，圖2)的輸出直接控制。晶閘管Th2由電壓Vac控制，或者一旦晶閘管Th2導(dǎo)通則由DC電壓HVDC控制。

圖5部分示出了另一實(shí)施例，其中晶閘管Th1’和Th2’相應(yīng)地具有陽極柵極和陰極柵極，其中晶閘管Th2’可以通過柵極電流注入和提取來控制，就是說通過正柵極電流和負(fù)柵極電流兩者控制。晶閘管Th1’可以由微控制器(26，圖2)的輸出直接控制。晶閘管Th2’也可以在電容器未被充電或者只被少量充電時(shí)由微控制器控制并且由參考電源電壓的高電勢(shì)的DC電壓(例如端子16和18之間所存在的電壓HVDC)控制。

圖6部分地示出了另一實(shí)施例，其中二極管Db1和Db2相應(yīng)地將端子18直接耦合到端子12并且將端子12直接耦合到端子16。這些二極 管的功能是在由于電壓Vac的電壓過大而引起電流過大的情況下分別短路(并且保護(hù))二極管Df1和Df2。二極管Db1和Db2可以用相應(yīng)地與晶閘管Th1’和Th2’同時(shí)被控制的陰極柵極晶閘管來代替。作為變體，這些附加的晶閘管可以由齊納二極管控制，所述齊納二極管與相反偏置的二極管相串聯(lián)地將它們各自的柵極耦合到端子12或端子18。

可通過電流提取控制的陰極柵極晶閘管的功能的實(shí)現(xiàn)是已知的。例如，與被做成單向的二極管串聯(lián)連接的三端雙向可控硅可以被使用。

圖7和圖8是分別具有正柵極電流或電流注入(最大電流情況)以及具有負(fù)柵極電流或電流提取的陰極柵極晶閘管的實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫截面視圖。

根據(jù)這些示例，晶閘管被形成在N型襯底51上。在后表面上，P型層52限定陽極區(qū)域，陽極電極A通過區(qū)域52的接觸金屬化53而得到。P型阱54被形成在前表面上。N型陰極區(qū)域55(N1)被形成在阱54中并且該區(qū)域55的接觸金屬化56限定陰極電極K。

在圖7的情況下，柵極接觸57被形成在P型阱54的層中。因而，如果后者被適當(dāng)?shù)仄?正陽極-陰極電壓)，則柵極電流的注入啟動(dòng)晶閘管。

在圖8的情況下，N型區(qū)域58(N2)被添加在柵極接觸57下面。區(qū)域58通過允許電子注入到N型襯底51中來實(shí)現(xiàn)通過負(fù)柵極電流(即從陰極K流向柵極G)的接通，所述襯底對(duì)應(yīng)于由區(qū)域52-51-54形成的NPN型雙極性晶體管的基底。

陽極柵極晶閘管的形成可以從以上圖7和圖8的示例推斷出來。

作為變體，區(qū)域58可以至少被分成兩部分以允許P區(qū)域(54)與柵極的直接接觸。被稱為“短路孔”的這樣的變體使得能夠提高對(duì)晶閘管的電壓瞬變的抵抗力并且還允許實(shí)現(xiàn)通過正柵極電流(即從柵極G流向陰極K)的控制。因而，這樣的變體使得晶閘管能夠被用在圖5的電路中的部件Th2’的層中。

已描述的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于保持“圖騰柱”結(jié)構(gòu)的高效率的同時(shí)抑制涌入電流限制電阻。

類似地，所描述的解決方案保持低共模噪聲，參考電勢(shì)(通常是地面總線)處的端子按AC電源的頻率而不是按用于控制開關(guān)T1和T2的脈沖的頻率被開關(guān)。

此外，對(duì)于其中三端雙向可控硅類型的部件被置于AC電壓側(cè)的情況，它們的晶閘管可以用被用于控制三端雙向可控硅的電壓Vdd(被稱為“負(fù)電壓”)來供電。

所描述的實(shí)施例與被選擇用于“圖騰柱”結(jié)構(gòu)中的部件T1、T2、Df1和Df2的常見結(jié)構(gòu)兼容。例如，開關(guān)T1和T2是功率晶體管。根據(jù)另一示例，二極管Df1和Df2由利用硅、碳化硅或另外的技術(shù)制成的MOSFET晶體管的本征二極管形成。

各種實(shí)施例已經(jīng)被描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將可以做出各種變化、修改和改進(jìn)。例如，晶閘管可以利用相應(yīng)地與二極管串聯(lián)連接的三端雙向可控硅來代替。

此外，通過柵極電流注入或提取控制的任意替代型陰極柵極或陽極柵極晶閘管都可以代替晶閘管Th、Th2、Th1’和Th2’而被使用。例如，一旦絕緣耦合器被用于控制晶閘管Th2’，則圖5的電路可以使用僅僅通過電流注入控制的陰極柵極晶閘管。

此外，已被描述的實(shí)施例的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式在本領(lǐng)域技術(shù)人員基于以上所給出的功能提示的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)的范圍內(nèi)。具體而言，微控制器的編程取決于應(yīng)用并且所描述的實(shí)施例與利用微控制器等來控制轉(zhuǎn)換器的常見應(yīng)用兼容。

這些變化、修改和改進(jìn)被算作本公開的一部分，并且被算在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，前述描述僅僅是一種示例而不希望是限制性的。本發(fā)明僅僅按以下權(quán)利要求及其等同物中所限定的方式被限制。