专利名称：具有功率因数校正的整流电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种整流电路(rectifier circuit)，特别涉及一种具有功率因数校正的整流电路。
背景技术：
对于利用AC电源(AC power)的DC应用，为了把AC电源转换为提供给DC应用的DC电源，通常使用整流电路。整流电路通常包括用于平滑DC输出电压的电容。由于整流电路，使得如果AC电压的瞬时值超过电容器电压(这导致了具有高电流值的短电流脉冲)，则只有来自AC电源的AC电流流过。这导致了影响其他能耗器件的AC电源线上的干扰。
为了避免这些高电流脉冲，功率因数校正单元通常包括在整流电路中，以确保在AC电源线上的电压和电流基本上同相，并且没有电流脉冲产生。
传统上，整流电路包括二极管桥，该二极管桥包括四个二极管，用来整流AC电源，以便加载阻塞电容器(hold-up capacitor)。可以将阻塞电容器的电压作为DC电压提供给DC输出。如果从二极管桥施加的电压比电容器电压高，则在仅加载阻塞电容器时，产生电流峰值。为了避免它，在二极管桥和阻塞电容器之间引入功率因数校正级。功率因数校正级通常包括通过电感器连接到二极管桥的开关和升压二极管。控制电路以比AC电源的频率高很多的频率来控制该开关。
通过切换开关，经由电感器产生升压电压，其由升压二极管整流并用于加载阻塞电容器。控制电路以从AC电源线得到AC电流的方式控制开关，该AC电流与AC电压同相，并且是正弦的(假如也以正弦波形提供AC电源)，并且具有使得DC输出提供规定的DC电源的振幅。功率因数校正级的效率基本上取决于在整流电路中使用的电子器件的数目。特别是，在电流路径中使用的二极管的数目影响功率因数校正的效率。
发明目的因此，本发明的目的是提高整流电路的功率因数校正级的功率因数校正效率。
这个目的通过权利要求1的整流电路来实现。在从属权利要求指示了本发明的其他实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种具有功率因数校正和提供DC输出的整流电路。在两个或多个AC输入上提供具有AC振荡的AC电源。该整流电路包括直接连接到AC输入的一个或多个的至少两个功率因数校正级，其中每个功率因数校正级控制通过一个和多个连接的AC输入电流的流动，从而优化功率因数。功率因数校正级被设计成在关于一个或多个AC输入的AC振荡的不同半波期间进行操作。
本发明的整流电路提供多于一个功率因数校正级来寻址关于一个或多个AC输入的AC振荡的不同半波。由于对于每个半波在电流路径中只需要两个二极管，而不是三个二极管，所以提供两个或多个功率因数校正级使得省略了全整流二极管桥(full rectifying diode bridge)，这导致功率因数校正的效率的提高。
最好，每个功率因数校正级分别包括连接到AC输入之一的电感器。
根据本发明的实施例，提供一种用于每个功率因数校正级的电流控制装置，用于防止通过各个功率因数校正级的电流回流。
可以假设每个功率因数校正级包括升压二极管和半导体开关器件，其中每个电流控制装置防止反向偏置半导体开关器件。
最好，至少一个电流控制装置包括二极管，其被连接使得在相关的功率因数校正级和AC输入之间正向偏置该二极管，以防止在不同于一个半波的另一个半波上半导体开关器件上的反向偏置的电压。
根据本发明的另一实施例，提供一种整流电路，其中至少两个功率因数校正级通过公共电感器连接到AC输入之一，该公共电感器直接连接到AC输入之一，其中功率因数校正级被设计成在AC电源的不同半波上进行操作，其中功率因数校正级之一在一个半波期间控制电流的流动，而另一个功率因数校正级在另一个半波期间控制电流的流动。
最好，提供一种用于每个功率因数校正级的电流控制装置，用以防止通过各个功率因数校正级的电流回流。每个电流控制装置防止反向偏置各个半导体开关器件。每个功率因数校正级包括升压二极管和半导体开关器件，其中功率因数校正级之一提高到第一DC输出端的在AC输入的一个半波上的电压，并且其中，另一个功率因数校正级将在AC输入的另一个半波上的电压增加到第二DC输出端。
最好，与一个功率因数校正级相关的电流控制装置之一包括二极管，对其进行安排使得在一个功率因数校正级和一个AC输入之间正向偏置该二极管以防止在另一个半波期间一个功率因数校正级的半导体开关器件上的反向偏置电压，并且其中，与另一个功率因数校正级相关的另一个电流控制装置包括另一个二极管，对其进行安排使得在另一个功率因数校正级和一个AC输入之间正向偏置该另一个二极管，以防止在一个半波期间另一个功率因数校正级的半导体开关器件上的反向偏置电压。
可以提供充电电路来在初始相位期间充电第一和第二DC输出之间的阻塞电容器，其中充电电路包括充电电流控制装置，其包括电流限制器件，用来以减小电流模式操作整流电路，其中充电电流控制装置在初始相位期间处于操作状态，并且其中，如果电容器被加载到预定电平，则电流控制装置处于操作状态。
可以提供充电控制器来控制充电电路，其中充电控制器根据通过公共电感器的电流来开关电流控制装置。
在下文中参考附图详细讨论本发明的优选实施例，其中图1示出根据本发明第一实施例的整流电路；图2示出根据本发明第二实施例的整流电路；图3示出包括电流测量器件的图1的整流电路；图4示出根据本发明第三实施例的整流电路；图5示出根据本发明第四实施例的整流电路；图6示出根据本发明第五实施例的、包括充电电路的整流电路；以及图7示出根据本发明第五实施例的整流电路，其中给出充电电路的电路作为例子。
具体实施例方式
图1中描述了根据本发明第一实施例的整流电路。整流电路具有第一AC输入端J1和第二AC输入端J2。在每个AC输入端，提供具有预定振荡的AC电压，例如，通过公共电源线等提供的。此外，整流电路包括两个DC输出端，具有正电位的第一DC输出端J3和具有负电位的第二DC输出端J4。第一AC输入端J1直接连接到包括第一电感器L1、第一升压二极管BD1和第一开关Q1的第一功率因数校正级PFC1。第二功率因数校正级PFC2直接连接到第二AC输入端J2并包括第二电感器L2、第二升压二极管BD2和第二开关Q2。第一和第二功率因数校正级在设计上基本上等同，即，升压二极管、电感器和开关的电特性基本等同。
在第一DC输出端J3和第二DC输出端J4之间提供阻塞电容C。该阻塞电容C具有平滑在DC输出之间的电压的功能，所以可以减小或消除由于AC输入电压的AC振荡而引起的输出电压的变化和/或由于功率因数校正而引起的振荡。
当第一电流控制装置与第一功率因数校正级PFC1相关时，提供第一二极管D1，该二极管将其负极连接到第一AC输入端J1和将其正极连接到第二DC输出端J4。同样地，提供第二二极管D2，该二极管与第二功率因数校正级PFC2相关，并将其负极连接到第二AC输入端J2和将其正极连接到第二DC输出端J4。第一和第二二极管D1、D2具有通过经各个二极管D1、D2将电流直接引导到各个AC输入端J1、J2，避免电流通过第一或第二开关Q1、Q2分别回流到AC输入端J1、J2的功能。
每个功率因数校正级通过快速地接通和关闭在各个AC输入端J1、J2和第二DC输出端J4之间的电感器L1、L2来工作。通过开关各个电感器L1、L2，如果在第一DC输出端的电位比由各个电感器所感应的电压小，则感应电压峰值，其导致通过各个升压二极管BD1、BD2的电流的流动。可以将功率因数校正级的开关实现为MOSFET晶体管、双极型晶体管、SCR器件等。
开关Q1、Q2由开关模式控制器SMC控制，该开关模式控制器SMC连接到开关的控制端，例如，MOSFET的栅极端。开关模式控制器SMC接收AC输入电压、流过AC输入端的测量电流和所需的DC输出电压作为输入。开关模式控制器SMC根据AC输入电压执行对流过AC输入端的电流的控制。开关模式控制器SMC控制AC电流，使得AC电流与AC电压同相并且包括相同的波形，例如，如果AC输入电压具有正弦特性，则AC电流也具有正弦特性。
根据图1的整流电路通过两个功率因数校正级进行操作，从而第一功率因数校正级PFC1控制在第一半波期间的电流，而第二功率因数校正级PFC2在AC输入电压的第二半波期间进行操作。通过作为参考的AC输入电压的正和负半波，确定所提供的AC输入端，即第一和第二AC输入端J1、J2的电位平均值。根据AC输入电压的平均电压值，能够确定正和负半波。如果通过第一AC输入端J1提供正半波，则第一功率因数校正级PFC1的第一电感器L1被加载，同时接通第一开关Q1。当关闭第一开关Q1时，第一电感器L1产生具有正电压的高压峰值。正电压超过在DC输出端的电压，从而升压二极管BD1被正向偏置，因此电流能够通过升压二极管BD1流入阻塞电容器C。
如果通过第一AC输入端J1提供负半波，则第一整流二极管D1被正向偏置，所以不加载第一电感器L1。负电压导致第一升压二极管BD1的反向偏置，所以没有电流通过第一升压二极管BD1流到或流出第一DC输出端J3。连接到第二AC输入端J2的第二功率因数校正级的功能以相同的模式进行操作。
当施加电压到AC输入端时，具有最大负电压电位的端子将正向偏置连接到该端子的整流二极管D1、D2，同时具有正电压电位的AC输入端将反向偏置连接到该端子的整流二极管D1、D2，并允许该端子通过连接到该端子的功率因数校正级来控制AC输入端的电流。在AC输入端的满相位(full phase)期间，功率因数校正级的连续操作产生AC输入电压的全相位(whole phase)的受控输入电流。
图1的整流电路具有的优点是能够提高整流的效率，这是因为在一个半波期间，在电流路径中仅包括两个P-N-晶体管，从而提高效率。传统上，在具有功率因数校正的常规整流电路的电流路径中提供三个或多个二极管。
在图2中描述根据本发明的另一个实施例的整流电路。图1的实施例与图2的实施例之间的主要区别是，在图2的实施例中以相反的极性连接整流二极管D1、D2和升压二极管BD1、BD2，导致在输出端J3、J4之间的极性相反。功率因数校正级PFC1、PFC2的功能基本上与图1所讨论的相似。
如果通过电感器L1、L2所提供的电压峰值比在第一DC输出端J3上的电压更小，则升压二极管BD1、BD2被正向偏置。在另一情况中，升压二极管BD1、BD2被反向偏置。当施加电压到AC输入端J1、J2时，具有最大正电压电位的AC输入端将正向偏置连接到该输入端的整流二极管D1、D2，同时具有负电压电位的AC输入端将反向偏置连接到该输入端的整流二极管D1、D2，并允许该输入端通过连接到其的功率因数校正级来控制AC输入端的电流。在AC输入的满相位期间，功率因数校正级的连续操作将产生AC输入电压的全相位的受控输入电流。
图1的实施例和图2的实施例之间的另一个区别在于在图2的实施例中开关Q1、Q2被实现为双极型晶体管。由于图1的MOSFET晶体管和图2的双极型晶体管都作为开关，即，只有开关特性是重要的。图2的双极型晶体管也能够用于图1的实施例，并且图1的MOSFET晶体管能够在图2的实施例中使用。
图3基本上示出了图1的实施例，其中开关模式控制器连接到位于第二DC输出端J4和整流二极管D1、D2的负极端之间的分流电阻器SH。该分流电阻器SH起测量AC输入电流的作用，并用于通过开关模式控制器SMC控制电流。正如上面所述，AC电流由开关模式控制器SMC所控制，并因此表示开关模式控制器SMC的反馈输入。未示出的是开关模式控制器SMC还接收AC输入电压和DC输出电压作为其输入。
图4示出了本发明的另一个实施例，其中整流电路具有三个AC输入端J1、J2、J5，该三个AC输入端连接到三个分离的功率因数校正级PFC1-PFC3。功率因数校正级PFC1-PFC3具有图1和图3所示的类型，其中提供如双极型npn-晶体管Q1、Q2、Q3的各个开关。每个晶体管由公共的开关模式控制器SMC控制。
功率因数校正级PFC1-PFC3分别包括电感器L1、L2、L3，升压二极管BD1、BD2、BD3和开关Q1、Q2、Q3。分别控制开关Q1、Q2、Q3，使得能够实现三相功率因数校正操作。与图1到图3的实施例类似，为每个AC输入端J1、J2、J5提供整流二极管，其中各个整流二极管D1、D2、D3具有其连接到第二DC输出端J4的负极以及其分别连接到AC输入端J1、J2、J5的正极。
当施加电压到AC输入端J1、J2、J5时，具有最大负电压电位的端子将正向偏置连接到该端子的整流二极管D1、D2、D3，同时具有最大正电压电位的其他AC输入端将反向偏置连接到它们的整流二极管，并允许这些输入端通过连接到这些输入端的功率因数校正级来控制AC输入端的电流。由于AC输入的满相位，所以功率因数校正级PFC1-PFC3的连续操作将产生AC输入电压的全相位的受控输入电流。
在图5中，描述了本发明的另一实施例。图5的实施例包括通过一个公共电感器L10连接到第一AC输入端J10的两个功率因数校正级PFC10、PFC11。第一功率因数校正级PFC10包括第一开关Q10和第一升压二极管BD1，而第二功率因数校正级PFC11包括第二开关Q11和第二升压二极管BD11。整流二极管D10、D11连接到形成整流器半桥(rectifier half bridge)的第二AC输入端J11。
基本上，图5的实施例示出了图1和图2的实施例之间的组合，其中由于AC输入电压的全部半波由第一和第二功率因数校正级PFC10、PFC11包括，所以第二AC输入端J11到功率因数校正级的连接能够被省略。第二AC输入端J11连接到整流器半桥的中间。第一整流二极管D10的负极连接到第一DC输出端J12，同时各个整流二极管D10的正极连接到第二AC输入端J11。第二整流二极管D11将其负极连接到第二AC输入J11，并将其正极连接到第二DC输出端J13。
当施加电压到AC输入端时，第二AC输入端J11具有比第一AC输入端J10大的负电压电位，并正向偏置连接到它的整流器半桥的第二整流二极管D11。在AC输入电压的这个正半波期间，第一功率因数校正级PFC10的第一开关Q10控制从AC源到DC输出端J12、J13的功率因数。当第二AC输入端J11接收比第一AC输入端J10大的正电压电位时，正向偏置第一整流二极管D10，并且第二功率因数校正级PFC11提高到第二DC输出端J13的负电压。与图1到图3的实施例的功能相似，AC输入电压的满相位是通过在第一半波期间由第一功率因数校正级PFC10控制电流而在AC输入电压的第二半波期间由第二功率因数校正级PFC11控制电流而控制的电流。
开关模式控制器SMC控制第一和第二开关Q10、Q11，从而不在相同时间接通这两个开关。
在图6中，描述了根据本发明的另一个实施例的整流电路。该整流电路与图5的实施例相似，但是，使用SCR器件I10、I11来代替整流器半桥。相同的附图标记表示整流电路的相同元件。SCR器件I10、I11的控制端连接到冲击电流控制器SCC，该SCC检测是否阻塞电容C被充电到预定电平，并且在检测之后，冲击电流控制器SCC接通SCR器件I10、I11，由此表示常规整流二极管的功能。
此外，提供包括至少一个电流限制元件R10的充电电路，该电流限制元件R10连接到与第一辅助二极管AD10串联的第二AC输入端J11，第一辅助二极管AD10的负极连接到第一DC输出端J12，并且该AD10的正极连接到电流限制元件R1，而第二辅助二极管AD11将其正极连接到第二DC输出端J13，并且将其负极连接到电流限制元件R1。
当接通AC输入端J10、J11上的AC电源时，冲击电流控制器SCC并不马上接通SCR器件I10、I11。加载到阻塞电容C的电流由电流限制元件R1通过辅助二极管AD10、AD11控制。冲击电流控制器SCC也可以具有功能在DC输出端上过流(over-current)的情况下，停止SCR器件I10、I11的点燃(firing)，并因此由电流限制元件和辅助二极管AD10、AD11来限制电流。
在图7中描述了一种实现冲击电流控制器SCC的一个可能性。根据图7的整流电路基本上与图6的实施例中的相同，其中通过公共电感器L10的第二和第三线圈N2、N3实现冲击电流控制器，该第二和第三线圈N2、N3分别通过第二和第三电阻R12、R13连接到SCR器件I10、I11的控制端。SCR器件I10、I11的点燃由来自公共电感器L10的反馈线圈N2、N3的适当电压自动控制。以有利的形式，以这样一种方式极化N2当第一AC输入端J10是比第二输入端J11大的正电压时，第一SCR器件接收点燃脉冲，并且以这样一种方式极化第三线圈N3当第二AC输入端J11是比第一AC输入端J10大的正电压时，第二SCR器件I11接收点燃脉冲。由线圈N2、N3和公共电感器L10所形成的变压器也能够以另外一种方式被极化，如通过公共电感器L10在两个电流方向上触发SCR器件。当超出所希望的DC输出电压电平时，选择冲击电流控制器SCC的元件，即第二电阻R12、第三电阻R13、第二线圈N2和第三线圈N3点燃SCR器件I10、I11，因此完全消除涌入电流。
权利要求
1.一种具有功率因数校正并提供DC输出的整流电路，包括两个或多个AC输入(J1，J2，J5，J10，J11)，用来提供具有AC振荡的AC电源；及至少两个功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)，其直接与一个或多个AC输入(J1，J2，J5，J10，J11)连接，其中每个功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)控制经过一个或多个连接的AC输入(J1，J2，J5，J10，J11)的电流的流动，从而优化功率因数；其中，功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)被设计成在关于一个或多个AC输入(J1，J2，J5，J10，J11)的AC振荡的不同半波期间进行操作。
2.根据权利要求1的整流电路，其中每个功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)包括分别连接到AC输入(J1、J2、J5，J10，J11)之一的电感器(L1-L3，L10)。
3.根据权利要求1或2的整流电路，其中为每个功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)提供电流控制装置，用以防止经过各个功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)的电流的回流。
4.根据权利要求3的整流电路，其中每个功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)包括升压二极管(BD1，BD2，BD3，BD10，BD11)和半导体开关器件(Q1，Q2，Q3，Q10，Q11)，其中每个电流控制装置防止半导体开关器件(Q1，Q2，Q3，Q10，Q11)被反向偏置。
5.根据权利要求3或4的整流电路，其中至少一个电流控制装置包括二极管(D1，D2，D3，D10，D11)，其被连接使得在相关的功率因数校正级(PFC1-PFC3，PFC10，PFC11)和AC输入(J1，J2，J5，J10，J11)之间正向偏置该二极管，来防止在与一个半波不同的另外一个半波上半导体开关器件上的反向偏置电压。
6.根据权利要求1的整流电路，其中至少两个功率因数校正级(PFC10，PFC11)通过公共电感器(L10)连接到一个AC输入(J10)，该公共电感器(L10)直接连接到一个AC输入(J10)，其中功率因数校正级(PFC10，PFC11)被设计成在AC电源的不同半波上进行操作，其中功率因数校正级(PFC10，PFC11)之一在一个半波期间控制在一个AC输入(J10)上的电流的流动，而功率因数校正级(PFC10，PFC11)的另一个在另一个半波期间控制在一个AC输入(J10)上的电流的流动。
7.根据权利要求6的整流电路，其中为每个功率因数校正级(PFC10，PFC11)提供电流控制装置，用来防止通过各个功率因数校正级的电流的回流。
8.根据权利要求7的整流电路，其中每个电流控制装置防止各个半导体开关器件(Q10，Q11)被反向偏置。
9.根据权利要求7或8的整流电路，其中每个功率因数校正级(PFC10，PFC11)包括升压二极管和半导体开关器件(Q10，Q11)，其中功率因数校正级之一提高到第一DC输出端(J12，J13)的在AC输入(J10)的一个半波上的电压，并且其中，另一个功率因数校正级提高到第二DC输出端(J12，J13)的在AC输入(J10)的另一个半波上的电压。
10.根据权利要求8或9的整流电路，其中与一个功率因数校正级相关的电流控制器件之一包括二极管(AD10)，其被安排使得在一个功率因数校正级和一个AC输入(J10)之间正向偏置该二极管(AD10)，以防止在另一个半波期间一个功率因数校正级(PFC10)的半导体开关器件(Q10)上的反向偏置电压；及其中与另一个功率因数校正级(PFC11)相关的另一个电流控制装置包括另一个二极管(AD11)，其被安排使得在另一个功率因数校正级(PFC11)和一个AC输入(J10)之间正向偏置该另一个二极管(AD11)，以防止在一个半波期间另一个功率因数校正级(PFC11)的半导体开关器件(Q11)上的反向偏置电压。
11.根据权利要求10的整流电路，其中提供充电电路，用于在初始相位期间充电在第一和第二DC输出之间的电容器(C)，其中充电电路(J12，J13)包括充电电流控制装置，其包括电流限制器件(R10)，用于在初始相位期间以减小电流模式来操作整流电路，并且其中，如果电容器(C)被加载到预定电平，则电流控制装置(I10，I11)处于操作状态。
12.根据权利要求11的整流电路，其中充电电路由充电控制器(SCC)控制，其中充电控制器(SCC)根据通过公共电感器(L10)的电压，开关电流控制装置(I10，I11)。
全文摘要
本发明涉及一种具有功率因数校正并提供DC输出的整流电路，包括两个或多个AC输入(J1，J2)，用来提供具有AC振荡的AC电源；及至少两个功率因数校正级(PFC1，PFC2)，其直接与一个或多个AC输入(J1，J2)连接，其中每个功率因数校正级(PFC1，PFC2)控制经过一个或多个连接的AC输入(J1，J2)的电流的流动，从而优化功率因数；其中，功率因数校正级(PFC1，PFC2)被设计成在关于一个或多个AC输入(J1，J2)的AC振荡的不同半波期间进行操作。
文档编号H02M1/14GK1756057SQ20051008376
公开日2006年4月5日 申请日期2005年5月8日 优先权日2004年5月5日
发明者厄诺·特米西, 迈克尔·弗里希, 愈京辉 申请人:蒂科电子Ec有限公司, 蒂科电子雷切姆有限责任公司