[发明专利]高功率因数隔离降压型功率因数校正变换器

说明书

技术领域

本发明涉及功率变换器。更具体地，本发明涉及高功率因数隔 离降压型功率因数校正变换器。

背景技术

电源或功率变换器将电功率的一种形式和电压转换成另一种期 望的形式和电压。AC到DC电源将交流电压(例如由公用事业公司 所提供的例如115或230伏交流电(AC))转换成经调节的直流(DC) 电压。DC到DC电源将处于一个等级的DC电压(例如400V)转换 成例如12V的另一DC电压。

当前各种不同DC到DC功率变换器配置处于使用中，它们中的 大多数是降压变换器、升压变换器和降压-升压变换器的变形。称为 隔离降压型变换器的降压变换器的一些变形包括隔离变压器。隔离 降压型变换器的一些版本包括推挽式变换器、正激式变换器、半桥 变换器和全桥变换器。降压型变换器可以或者是占空比可控的开关 变换器，或它们可以是频率可控的谐振变换器。

每种类型的隔离降压型变换器可以包括在变压器次级侧的整流 器和绕组(winding)的各种组合。一种典型的变形是全桥整流器， 其包括4个二极管，配置成产生相同极性的电压输出，而不论次级 绕组电压的极性如何。第二种典型变形包括中心抽头的输出，使得 中心抽头连接到公共点，并且其他两个绕组的每个的末端都连接到 二极管的阳极。两个二极管的阴极连接到输出电容器，并且输出电 容器的另一侧附着于中心抽头。另一种变形是倍流电路。还有另一 种变形是分离输出，其中中心抽头的次级的一侧将第一输出电容器 充电成正电压，而中心抽头的次级的另一侧将第二输出电容器充电 到负电压。两个输出电容器也连接到变压器的中心抽头。

AC电功率系统的功率因数被定义为有效功率与视在功率的比 值，并且是个处于0和1之间的数。有效功率是用于在特定时间执 行工作的电路的容量。视在功率是电路的电流和电压之积。由于存 储在负载中并且返回给源的能量，或由于使得从源引出的电流的波 形产生失真的非线性负载，视在功率可以大于有效功率。低功率因 数负载增加了功率分配系统中的损耗并导致能量成本的增加。功率 因数校正(PFC)是一种用于对抗产生小于1的功率因数的电负载的 不期望效果的技术。功率因数校正试图将功率因数调节到单位值 (1.00)。

大约高于75W的AC到DC变换器，以及低于75W的一些特定 应用，需要以高功率因数以及低谐波畸变从AC线路引出电流的变 换器。用于产生具有隔离低电压DC输出的功率因数校正电源的多 数传统方法包括级联变换器级。

术语“级联变换器级”表示使用多个功率转换级，使得一个变 换器级的输出连接到随后级的输入。每个变换器级使用可控的半导 体例如MOSFET或IGBT来控制变换器级的输出和/或输入处的电 压、电流和/或功率。因此，例如，全波无源整流器桥不被认为是变 换器级。尽管级联变换器级可以共享控制电路、内部电源、或者与 彼此的通信，但形成每个变换器级的功率半导体以及能量存储元件 执行总体上独立于任何其他变换器级的功率转换功能。变换器级的 典型例子是降压变换器、升压变换器、降压-升压变换器以及电感变 换器的隔离或非隔离变形。

AC到DC功率转换通常以级联变换器而非单级变换器来完成。 例如，许多AC到DC变换器使用两个总体上独立的变换器级：第一 变换器级将输入的整流正弦电压上跳变到高电压总线，并且第二变 换器级将高电压总级下跳变到低电压总线以及提供隔离。尽管常见 的是这两个变换器级彼此通信，并且尽管在一个变换器上的波纹 (ripple)电压噪声和负载作用对另一个变换器有些影响，但这两种 类型的变换器级可以大体上独立于彼此操作。

由于总效率受每个级的影响，所以级联变换器级通常导致低的 总效率。例如，如果第一级具有93％的效率而第二级具有93％的效 率，则总效率大约是86.5％。在某些情形下，有三个或更多级联的变 换器级。例如，具有多个输出例如12V、15V和3.3V的AC到DC 变换器可以使用两个级联的变换器级来产生12V和15V，并且接着 使用第三级联级来从5V输出产生3.3V输出。如果第一级联级(例 如非隔离升压PFC变换器)的效率是93％，第二级(例如隔离全桥 变换器)的效率是93％，并且第三级联级(例如5V到3.3V非隔离 降压变换器)的效率是96％，则在3.3V输出处的总效率仅为83％。 随着更多的变换器级级联以达到最终输出电压，效率将很快地降级。