[发明专利]具有减小的EMI噪声的无桥式PFC功率变换器

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2013年5月30日提交的、名称为“Bridgeless PFC Power Converter with High Efficiency”的共同未决美国临时申请序列号61/829,119在35U.S.C.119(e)下的优先权。该申请通过引用将美国临时申请序列号61/829,119的全部内容结合于此。

技术领域

本发明一般涉及功率变换器。更具体地，本发明涉及一种具有减小的EMI噪声的无桥式功率因数校正(PFC)功率变换器。

背景技术

功率变换器是指将一种形式的电力变换成另一种期望形式和电压，例如将由供电公司提供的115或230伏特交流电(AC)变换成用于电子装置的经调节的低电压直流电(DC)，称为AC至DC功率变换。

开关式电源、开关模式电源或SMPS是合并了开关调节器的电源。当线性调节器使用在其有源区中偏置的晶体管来规定输出电压时，SMPS主动地使晶体管在完全饱和与完全截止之间高速率切换。然后，将得到的矩形波形通过低通滤波器以获得近似的输出电压，其中低通滤波器通常是电感器和电容器(LC)电路。开关模式电源以变化的占空比使用高频开关、晶体管以保持输出电压。由开关引起的输出电压变化由LC滤波器滤出。

SMPS能提供升压、降压或反相输出电压功能。SMPS通过临时存储输入能量然后以不同电压释放能量到输出来将输入电压水平变换到另一水平。存储可以在诸如电感器和/或变压器的电磁元件中，或诸如电容器的静电元件中。

SMPS优于线性电源的优点包括较小的尺寸，较好的电力效率以及较低的热生成。缺点包括以下事实，即，SMPS通常比线性电源更复杂，产生可能需要被小心抑制的高频电噪声，并且具有开关频率下的特征纹波电压。

高频纹波在电流通过晶体管开关并且然后用无源元件过滤电流时产生。纹波的频率成分取决于半导体开关的开关频率和开关速度。高频纹波产生有害的电磁干扰(EMI)并且必须被高度去除以使变换器通过标准EMI要求。

常规的功率变换器通过减小输入和输出纹波通过EMI要求。减小通过以下方法来实现：大滤波器，开关频率的降低，和/或开关速度的降低。这样的技术在几乎所有常规的功率变换器中普遍执行。然而，这些技术中的每一种技术的使用具有显著的缺陷。使用大滤波器增加空间和成本。减小开关频率增大无源元件的尺寸和成本。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实际功率与视在功率的比，并且是0和1之间的数字。实际功率是用于在具体时间执行工作的电路的能力。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到源的能量，或者由于使从源汲取的电流的波形失真的非线性负载，视在功率能大于实际功率。低功率因数负载增大电力分配系统的损失并且导致增大的能量成本。功率因数校正(PFC)是抵消造成小于1的功率因数的电负载的不期望的效果的技术。功率因数校正试图将功率因数调节至一(1.00)。

高电力应用，以及一些低电力应用要求变换器以高功率因数从AC线路汲取电流。升压变换器通常用来产生高功率因数输出。桥式整流器通常连接至输入AC电压以用于在电压升压之前将输入AC电压变换成全波整流的DC电压。然而，构成桥式整流器的整流二极管引起相当大的传导损耗，从而导致功率变换效率降低。因此，包括桥式整流器的常规的PFC升压变换器通常未能为高电力应用提供足够的效率。

不包括桥式整流器，一般称为无桥式PFC升压变换器的PFC升压变换器与具有桥式整流器的类似的PFC升压变换器相比提供提高的效率和降低的传导损失。图1示出了常规的无桥式功率因数校正升压变换器的电路图。图1中，升压电感器L11耦合至输入AC电压Vin的第一节点，并且升压电感器L12耦合至输入AC电压Vin的第二节点。晶体管开关S11耦合至升压电感器L11，并且晶体管开关S12耦合至升压电感器L12。整流二极管D11耦合至升压电感器L11并且还与晶体管开关S11串联。整流二极管D12耦合至升压电感器L12并且还与晶体管开关S12串联。整流二极管D11、D12通过第一母线耦合至输出电容器C11，并且晶体管开关S11、S12通过第二母线耦合输出电容器C11。输出电容器C11耦合至负载R11。