[发明专利]具有高效率的无桥PFC功率变换器

说明书

相关申请

本专利申请要求于2013年5月30日提交的标题为“Bridgeless PFC Power Converter with High Efficiency”的、序列号为61/829,119号的共同待决美国临时申请号的在35U.S.C.119(e)下的优先权。本申请通过引用全文地并入了序列号为61/829,119的美国临时申请。

背景技术

本发明总体上针对功率变换器。更具体地，本发明针对一种具有高效率的无桥功率因数校正(PFC)功率变换器。

技术领域

功率变换指的是一种形式的电功率到另一期望形式和电压的变换，例如，将由公用事业公司供应的115或230伏特的交流电(AC)变换为用于电子器件的经调节的更低电压的直流电(DC)，被称为AC至DC功率变换。

开关型电源、开关模式电源或SMPS，是包含了开关调节器的电源。线性调节器使用在其活动区偏置以指定输出电压的晶体管，而SMPS以高速率在完全饱和与完全截止之间主动地开关晶体管。所得到的矩形波形然后被传递通过低通滤波器(典型地，电感器和电容器(LC)电路)，以实现近似输出电压。开关模式电源使用具有变动的占空比的高频开关、晶体管以维持输出电压。由开关引起的输出电压变动被LC滤波器过滤掉。

SMPS可以提供提升的、降低的或反向的输出电压功能。SMPS通过临时存储输入能量并且然后在不同电压将能量释放至输出来将输入电压等级变化为另一等级。存储可以在比如电感器和/或变压器的电磁组件中、或者在比如电容器的静电组件中。

SMPS在线性电源上的优势包括更小的尺寸、更佳的功率效率以及更低的热发生。不利之处包括这样的事实，SMPS通常比线性电源更复杂、生成可能需要被仔细地抑制的高频电噪声、以及开关频率处的特征纹波电压。

高频纹波导致何时传递电流通过晶体管开关并且然后使用无源组件对电流进行滤波。纹波的频率分量依赖于半导体开关的开关频率和开关速度这二者。高频纹波产生不需要的电磁干扰(EMI)并且必须在变换器通过标准EMI要求的高的程度上被去除。

常规功率变换器通过减小输入和输出纹波来通过EMI要求。减小通过以下方法来实现：大的滤波器、减小开关频率、和/或减小开关速度。这样的技术在几乎所有的常规功率变换器普遍实行。然而，这些技术中的每种技术的使用伴随具体缺点。使用大的滤波器增加了空间和成本。减小开关频率增加了无源组件的尺寸和成本。减小开关速度降低了效率。

AC电力系统的功率因数被定义为有功功率和视在功率的比，并且是0和1之间的数值。有功功率是电路的用于在特定时间执行工作的容量。视在功率是电路的电流和电压的乘积。由于存储在负载中并且返回至源的能量，或者由于使从源汲取的电流的波形失真的非线形负载，视在功率可能比有功功率更大。低功率因数负载增加配电系统中的功率损耗并且导致增加的能量成本。功率因数校正(PFC)是用于抵消产生小于1的功率因数的电力负载的不期望的影响的技术。功率因数校正试图将功率因数调整到单位元素(1.00)。

高功率应用、以及一些低功耗应用，需要变换器以高功率因数从AC线路汲取电流。升压变换器通常用于产生高功率因数的输入。桥式整流器通常被连接到输入AC电压，用于在输入AC电压被提升之前将该电压变换成全波经整流的DC电压。然而，构成桥式整流器的整流二极管引起相当大的导通损耗，导致功率变换效率降低。这样，包括桥式整流器的常规PFC升压变换器通常不能对高功率应用提供足够的效率。

通常被称作无桥PFC升压变换器的不包括桥式整流器的PFC升压变换器与具有桥式整流器的类似PFC升压变换器相比，提供改善的效率和减小的导通损耗。图1图示常规无桥功率因数校正升压变流器的电路图。在图1中，升压电感器L11耦合到输入AC电压上的第一节点，而升压电感器L12耦合到输入AC电压第二节点。晶体管开关S11耦合到升压电感器L11，并且晶体管开关S12耦合到升压电感器L12。整流二极管D11耦合到升压电感器L11并且也与晶体管开关S11串联。整流二极管D12耦合到升压电感器L12并且也与晶体管开关S12串联。整流二极管D11、D12通过第一总线耦合到输出电容器C11，并且晶体管开关S11、S12通过第二总线耦合到输出电容器C11。输出电容器C11耦合到负载R11。