一种功率因数校正电路的制作方法

专利名称：一种功率因数校正电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率因数校正电路。
背景技术：
在交流到直流(AC/DC)的整流应用中除了要实现电压的转换功能， 还需要满足各种标准对功率因数PF(Power Factor),总谐波含量THD(Total Harmonics Distortion)禾口电磁干扰EMI (Electromagnetic Inference)的要求。 然而，随着高功率密度高性价比产品需求的不断增加，需要不断提高开关 频率以减小无源器件的体积，提高频率的结果是使得开关损耗同时也增加， 因此效率又很难保证。

发明内容
本发明所要解决的技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种能 同时提高效率和功率密度的功率因数校正电路。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决
一种功率因数校正电路，包括第一电感、第二电感、第一多态开关、 第二多态开关和第一电容，所述第一电感连接在交流电源第一端与第一多 态开关第一端之间，所述第一多态开关第二端和第三端跨接在第一电容两 端，所述第二电感连接在交流电源第二端与第二多态开关第一端之间，所 述第二多态开关第二端和第三端跨接在第一电容两端。
本发明与现有技术对比的有益效果是本发明提出的带多态开关的 boostPFC电路，能同时提高效率和功率密度。本发明还可以减小电感、电 容的纹波，减小功率开关管的开关损耗和通态损耗，提高电路的PF，减小
THD。


图1是第一种三态开关的结构示意图； 图2是第一种四态开关的结构示意图； 图3是一种五态开关的结构示意图； 图4是第二种三态开关的结构示意图； 图5是第二种四态开关的结构示意图；图6是本发明实施例1的结构示意图7是图6中S1、 S3导通，S2、 S4关断时的电流流向示意图； 图8是图6中S1、 S3关断，S2、 S4导通时的电流流向示意图； 图9是图6中S1、 S2、 S3、 S4全部关断时的电流流向示意图； 图10是图6中S1、 S3、 S2、 S4全部导通时的电流流向示意图； 图11是本发明实施例2的结构示意图12是图11中S1、 S3导通，S2、 S4关断时的电流流向示意图13是图11中S1、 S3关断，S2、 S4导通时的电流流向示意图14是图11中S1、 S2、 S3、 S4全部关断时的电流流向示意图15是图11中S1、 S3、 S2、 S4全部导通时的电流流向示意图16是本发明实施例3的结构示意图17是本发明实施例4的结构示意图
图18是本发明实施例5的结构示意图
图19是本发明实施例6的结构示意图
图20是本发明实施例7的结构示意图
图21是本发明实施例8的结构示意图
图22是本发明实施例9的结构示意图
图23是本发明实施例10的结构示意图
图24是本发明实施例11的结构示意图
图25是本发明实施例12的结构示意图
图26是传统的无桥boost PFC电路结构示意图27是传统的无桥boost PFC和本发明三态无桥boost PFC仿真波 形的电感电流比较示意图28是传统的无桥boost PFC和本发明三态无桥boost PFC仿真波 形的电感电流纹波比较示意图29是传统的无桥boost PFC和本发明三态无桥boost PFC仿真波 形的开关管驱动信号比较示意图30是传统的无桥boost PFC和本发明三态无桥boost PFC仿真波 形的电感电压比较示意图31是将图6中的MOS管替换成IGBT的示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。
首先对多态开关(Multi-state Switching Cell,简称MSSC)的定义进行 说明。如图1-3所示，要实现多态开关的结构需要一个变压器和一个由开 关管、二极管等组成的桥臂。如果变压器的原边有两个绕组，则开关管为 两桥臂结构，所实5见的是三态开关TSSC (Three-state Switching Cell);如 果变压器原边有三个绕组，则桥臂为三桥臂结构，实现的是四态开关FSSC (Four-state Switching Cell)。以此类推原边有N个绕组，开关管为N桥臂 结构，实现的是(N+l)态开关。
如图4、 5所示，将图l、 2所示的多态开关中的二极管用场效应管代 替。两种结构的区别是用二极管电流只能单向流动；用场效应管电流可以 双向流动，因此可以用在全波功率因数校正和逆变器电路中。
如图4所示的三态开关中，变压器的一个同名端和一个异名端相连。 四个开关管的不同导通组合共有三个工作状态，即一个上管和一个下管同 时导通，两个上管同时导通和两个下管同时导通，这也是三态开关命名的 原则。如图5所示的四态开关中，变压器的副边连成三角形结构(即副边 各绕组首尾相连)，这样做可以使原边三个绕组中的电流相等，工作原理与 三态开关相似。以此类推，(N+l)态开关(N为大于等于4的整数)的结 构与四态开关的结构相似，变压器的绕组数增加到N，同时开关管的桥臂 数也增加到N。如图l-5所示，图中的b端即为多态开关的第一端，图中 的c端即为多态开关的第二端，图中的a端即为多态开关的第三端。
下面用实施例对本发明做进一步说明
实施例1
如图6所示， 一种功率因数校正电路，包括第一电感Ll、第二电感 L2、第一多态开关、第二多态开关和第一电容Co，所述第一电感L1连接 在交流电源第一端与第一多态开关第一端之间，所述第一多态开关第二端 和第三端跨接在第一电容Co两端，所述第二电感L2连接在交流电源第二 端与第二多态开关第一端之间，所述第二多态开关第二端和第三端跨接在 第一电容Co两端。
所述第一多态开关包括第一变压器T1、第一二极管D1、第二二极管 D2、第一场效应管S1、第二场效应管S2。
所述第一变压器Tl原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第一电感 Ll相连，所述第一变压器Tl原边绕组第二端与第一二极管Dl阳极、第一场效应管Sl漏极相连，第一二极管Dl阴极与第一电容Co正极相连， 所述第一场效应管Sl源极与第一电容Co负极相连，所述第一场效应管 Sl栅极耦合有控制信号。
所述第一变压器Tl副边绕组第二端与第二二极管D2阳极、第二场效 应管S2漏极相连，第二二极管D2阴极与第一电容Co正极相连，所述第 二场效应管S2源极与第一电容Co负极相连，所述第二场效应管S2栅极 耦合有控制信号，所述第一变压器Tl原边绕组第一端与副边绕组第二端 互为同名端。
所述第二多态开关包括第二变压器T2、第三二极管D3、第四二极管 D4、第三场效应管S3、第四场效应管S4。
所述第二变压器T2原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第二电感 L2相连，所述第二变压器T2原边绕组第二端与第三二极管D3阳极、第 三场效应管S3漏极相连，第三二极管D3阴极与第一电容Co正极相连， 所述第三场效应管S3源极与第一电容Co负极相连，所述第三场效应管 S3栅极耦合有控制信号。
所述第二变压器T2副边绕组第二端与第四二极管D4阳极、第四场效 应管S4漏极相连，第四二极管D4阴极与第一电容Co正极相连，所述第 四场效应管S4源极与第一电容Co负极相连，所述第四场效应管S4栅极 耦合有控制信号，所述第二变压器T2原边绕组第一端与副边绕组第二端 互为同名端。
图6是单相无桥boost PFC电路。电路中AC是输入电源，Ll和L2 是整流电感，Co是输出电容，Load是负载，由变压器T1、 二极管D1、 二极管D2和场效应管S1、场效应管S2组成一个三态开关；变压器T2、 二极管D3、 二极管D4和场效应管S3、场效应管S4组成另一个三态开关。
场效应管Sl和S3的驱动脉冲是相同的，场效应管S2和S4的驱动脉 冲是相同的，Sl和S2的驱动脉冲相移一定的角度，可以相移任意度数， 通常对三态开关结构相移180。时对谐波的抵消效果最好。若变压器的原边 绕组数是N (N22)，则通常相移角度取3607N。
功率因数校正电路工作原理叙述如下
以AC电源为正半周为例，即AC与L1相连的端子是正电压，AC与 L2相连的端子是负电压，当开关管的占空比D0.5时，由于S1和S2的 驱动脉冲相移180°，因此S1和S2不会同时导通，亦即S1、 S3导通S2、S4关断，这种工作模式下的电流流向如图7所示。通路一电源AC的电 流流经电感L1—变压器Tl的与场效应管Sl相连的绕组—场效应管S1— 场效应管S3—变压器T2的与场效应管S3相连的绕组—电感L2—流回到 AC;通路二电源AC的电流流经电感L1—变压器T1的与场效应管S2 相连的绕组—二级管D2—电容Cl和负载Load—场效应管S4—变压器T2 的与场效应管S4相连的绕组—电感L2—流回到AC。
当S1、 S3关断，S2、 S4导通时，工作模式与S1、 S3导通，S2、 S4 关断时是相似的，电流的流向如图8所示，通路一电源AC的电流流经 电感L1—变压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—场效应管S2—场效应 管S4—变压器T2的与场效应管S4相连的绕组—电感L2—流回到AC;通 路二电源AC的电流流经电感L1—变压器T1的与场效应管Sl相连的绕 组—二级管D1—电容C1—场效应管S3—变压器T2的与场效应管S3相连 的绕组—电感L2—流回到AC。
当S1、 S2、 S3、 S4全部处于关断状态时，电流的流向如图9所示， 通路一电源AC的电流流经电感L1—变压器T1的与场效应管Sl相连的 绕组—二极管D1—电容Cl和负载Load—场效应管S3—变压器T2的与场 效应管S3相连的绕组—电感L2—流回到AC;通路二电源AC的电流流 经电感L1—变压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—二级管D2—电容Cl 和负载Load—场效应管S4—变压器T2的与场效应管S4相连的绕组—电 感L2—流回到AC。
当开关管的占空比DX).5时，由于S1和S2的驱动脉冲相移18(A因 此S1、 S2、 S3、 S4有同时导通的时刻。当S1、 S2、 S3、 S4同时导通时的 电流流向如图10所示。通路一电源AC的电流流经电感L1—变压器T1 的与场效应管Sl相连的绕组—场效应管S1—场效应管S3—变压器T2的 与场效应管S3相连的绕组—电感L2—流回到AC。通路二电源AC的电 流流经电感L1—变压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—场效应管S2— 场效应管S4—变压器T2的与场效应管S4相连的绕组—电感L2—流回到 AC。
实施例2
如图11所示，本实施例与实施例1的不同之处在于增加了第二电容
C2和第三电容C3，所述第二电容C2 —端连接在交流电源与第二电感L2之间、另一端与第一电容Co负极耦合，所述第二电容C3—端连接在交流 电源与第一电感L1之间、另一端与第一电容Co负极耦合。增加电容C2、 C3后高频信号从C2、 C3流过，工频信号从场效应管流过，因此能够解决 实施例1中可能存在的EMI问题。本实施例在输入端比实施例1多两个滤 波电容，其他部分都一样，其驱动模式和实施例l也是一样的。
本实施例的工作过程如下，以AC电源为正弦波的正半周为例，即AC 与L1相连的端子是正电压，AC与L2相连的端子是负电压。当开关管的 占空比D<0.5时，由于Sl和S2的驱动脉冲相移180°，因此Sl和S2不会 同时导通，亦即S1、 S3导通S2、 S4关断，这种工作模式下的电流流向如 图12所示。通路一电源AC的电流流经电感L1—变压器T1的与场效应 管Sl相连的绕组—场效应管Sl—场效应管S3—变压器T2的与场效应管 S3相连的绕组—电感L2—流回到AC;通路二电源AC的电流流经电感 L1—变压器Tl的与场效应管Sl相连的绕组—开关管Sl—电容C2—流回 到AC;通路三电源AC的电流流经电感LI—变压器Tl的与场效应管 S2相连的绕组—二级管D2—电容CI—场效应管S4—变压器T2的与场效 应管S4相连的绕组—电感L2—流回到AC;通路四电源AC的电流流经 电感LI—变压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—二级管D2—电容CI 和负载Load—电容C2—流回到AC。
当S1、 S3关断S2、 S4导通时，模式与S1、 S3导通S2、 S4关断时是 相似的，电流的流向如图13所示，通路一电源AC的电流流经电感L1— 变压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—场效应管S2—场效应管S4—变 压器T2的与场效应管S4相连的绕组—电感L2—流回到AC;通路二电 源AC的电流流经电感L1—变压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—场效 应管S2—电容C2—流回到AC;通路三电源AC的电流流经电感LI— 变压器Tl的与场效应管Sl相连的绕组—二级管Dl—电容CI和负载 Load—场效应管S3—变压器T2的与场效应管S3相连的绕组—电感L2— 流回到AC;通路四电源AC的电流流经电感L1—变压器T1的与场效应 管Sl相连的绕组—二级管Dl—电容CI和负载Load—电容C2—流回到 AC。
—当Sl、 S2、 S3、 S4全部处于关断状态时，电 的流向如图14所示， 通路一电源AC的电流流经电感L1—变压器T1的与场效应管Sl相连的 绕组—二极管Dl—电容CI和负载Load—场效应管S3—变压器T2的与场效应管S3相连的绕组—电感L2—流回到AC;通路二电源AC的电流流 经电感L1—变压器T1的与场效应管S1相连的绕组—二极管D1—电容C1 和负载Load—电容C2—流回到AC;通路三电源AC的电流流经电感 U—变压器T1的与场效应管S2相连的绕组—二级管D2—电容C1和负载 Load—场效应管S4—变压器T2的与场效应管S4相连的绕组—电感L2— 流回到AC，通路四电源AC的电流流经电感L1—变压器T1的与场效应 管S2相连的绕组—二级管D2—电容Cl和负载Load—电容C2—流回到 AC。
当开关管的占空比DX).5时，由于S1和S2的驱动脉冲相移180。，因 此S1、 S2、 S3、 S4有同时导通的时刻，当S1、 S2、 S3、 S4同时导通时的 电流流向如图15所示。通路一电源AC的电流流经电感L1—变压器T1 的与场效应管Sl相连的绕组—场效应管S1—场效应管S3—变压器T2的 与场效应管S3相连的绕组—电感L2—流回到AC;通路二电源AC的电 流流经电感L1—变压器Tl的与场效应管Sl相连的绕组—开关管场效应 管Sl—电容C2—流回到AC;通路三电源AC的电流流经电感LI—变 压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—场效应管S2—场效应管S4—变压 器T2的与场效应管S4相连的绕组—电感L2—流回到AC;通路四电源 AC的电流流经电感LI—变压器Tl的与场效应管S2相连的绕组—开关管 S2—电容C2—流回到AC。
实施例3
如图16所示，本实施例与实施例1的不同之处在于增加了第七二极 管D7和第八二极管D8，能够解决实施例1中可能存在的EMI问题。所 述第七二极管D7 —端连接在交流电源与第二电感L2之间、另一端与第一 电容Co负极耦合，所述第八二极管D8 —端连接在交流电源与第一电感 Ll之间、另一端与第一电容Co负极耦合。
实施例4
如图17所示，本实施例与实施例3的不同之处在于增加了第三电感 L3,所述第三电感L3第一端与第七二极管D7和第八二极管D8的阳极相 连、另一端与第一电容Co负极相连。实施例5
如图18所示，本实施例与实施例1的不同之处在于多态开关的具体 结构。
在本实施例中，所述第一多态开关包括第一变压器T1、第五场效应管 S5、第六场效应管S6、第一场效应管S1、第二场效应管S2。
所述第一变压器Tl原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第一电感 Ll相连，所述第一变压器Tl原边绕组第二端与第五场效应管S5源极、 第一场效应管Sl漏极相连，第五场效应管S5漏极与第一电容Co正极相 连，所述第一场效应管Sl源极与第一电容Co负极相连，所述第一场效应 管S1、第五场效应管S5栅极耦合有控制信号。
所述第一变压器Tl副边绕组第二端与第六场效应管S6源极、第二场 效应管S2漏极相连，第六场效应管S6漏极与第一电容Co正极相连，所 述第二场效应管S2源极与第一电容Co负极相连，所述第二场效应管S2、 第六场效应管S6栅极耦合有控制信号，所述第一变压器Tl原边绕组第一 端与副边绕组第二端互为同名端。
所述第二多态开关包括第一变压器T2、第七场效应极管S7、第八场 效应管S8、第三场效应管S3、第四场效应管S4。
所述第二变压器T2原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第二电感 L2相连，所述第二变压器T2原边绕组第二端与第七场效应极管S7源极、 第三场效应管S3漏极相连，第七场效应极管S7漏极与第一电容Co正极 相连，所述第三场效应管S3源极与第一电容Co负极相连，所述第三场效 应管S3、第七场效应极管S7栅极耦合有控制信号。
所述第二变压器T2副边绕组第二端与第八场效应极管S8源极、第四 场效应管S4漏极相连，第八场效应极管S8漏极与第一电容Co正极相连， 所述第四场效应管S4源极与第一电容Co负极相连，所述第四场效应管 S4、第八场效应极管S8栅极耦合有控制信号，所述第一变压器T1原边绕 组第一端与副边绕组第二端互为同名端。
实施例6
如图19所示，本实施例与实施例3的不同之处在于多态开关的具体 结构。本实施例中多态开关的具体结构与实施例5相同。实施例7
如图20所示，本实施例与实施例1的不同之处在于多态开关的具体
结构。本实施例所述第一多态开关包括第一变压器T1、第一二极管D1、 第二二极管D2、第三二极管D3、第一场效应管S1、第二场效应管S2、 第三场效应管S3，所述第一变压器包括第一原边绕组Al、第二原边绕组 Bl和第三原边绕组Cl、第一副边绕组A2、第二副边绕组B2和第三副边 绕组C2。
第一原边绕组Al、第二原边绕组Bl和第三原边绕组Cl第一端都与 第一电感L1相连，所述第一原边绕组A1与第一二极管D1阳极、第一场 效应管S1漏极相连，第一二极管D1阴极与第一电容Co正极相连，所述 第一场效应管Sl源极与第一电容Co负极相连，所述第一场效应管Sl栅 极耦合有控制信号。
所述第二原边绕组Bl第二端与第二二极管D2阳极、第二场效应管 S2漏极相连，第二二极管D2阴极与第一电容Co正极相连，所述第二场 效应管S2源极与第一电容Co负极相连，所述第二场效应管S2栅极耦合 有控制信号。
所述第三原边绕组Cl第二端与第三二极管D3阳极、第三场效应管 S3漏极相连、第三二极管D3阴极与第一电容Co正极相连，所述第三场 效应管S3源极与第一电容Co负极相连，所述第三场效应管S3栅极耦合 有控制信号，第一变压器的各个副边绕组依次相连。
所述第二多态开关包括第二变压器T2、第四二极管D4、第五二极管 D5、第六二极管D6、第四场效应管S4、第五场效应管S5、第六场效应管 S6，所述第二变压器包括第四原边绕组A3、第五原边绕组B3和第六原边 绕组C3、第四副边绕组A4、第五副边绕组B4和第六副边绕组C4。
所述第四原边绕组A3、第五原边绕组B3和第六原边绕组C3第一端 都与第二电感L2相连，所述第四原边绕组A3与第四二极管D4阳极、第 四场效应管S4漏极相连，第四二极管D4阴极与第一电容Co正极相连， 所述第四场效应管S4源极与第一电容Co负极相连，所述第四场效应管 S4栅极耦合有控制信号。
所述第五原边绕组B3第二端与第五二极管D5阳极、第五场效应管 S5漏极相连，第五二极管D5阴极与第一电容Co正极相连，所述第五场 效应管S5源极与第一电容Co负极相连，所述第五场效应管S5栅极耦合
16有控制信号。
所述第六原边绕组C3第二端与第六二极管D6阳极、第六场效应管 S6漏极相连，第六二极管D6阴极与第一电容Co正极相连，所述第六场 效应管S6源极与第一电容Co负极相连，所述第六场效应管S6栅极耦合 有控制信号，第二变压器的各个副边绕组依次相连。
实施例8
如图21所示，本实施例与实施例3的不同之处在于本实施例中多态 开关的具体结构与实施例7相同。
实施例9
如图22所示，本实施例与实施例4的不同之处在于本实施例中多态 开关的具体结构与实施例7相同。
实施例10
如图23所示，本实施例与实施例1的不同之处在于多态开关的具体 结构。本实施例所述第一多态开关包括第一变压器T1、第七场效应管S7、 第八场效应管S8、第九场效应管S9、第一场效应管Sl、第二场效应管S2、 第三场效应管S3，所述第一变压器包括第一原边绕组Al、第二原边绕组 B1和第三原边绕组C1、第一副边绕组A2、第二副边绕组B2和第三副边 绕组C2。
第一原边绕组Al、第二原边绕组Bl和第三原边绕组Cl第一端都与 第一电感Ll相连，所述第一原边绕组Al与第七场效应管S7源极、第一 场效应管Sl漏极相连，第七场效应管S7漏极与第一电容Co正极相连， 所述第一场效应管Sl源极与第一电容Co负极相连，所述第一场效应管 Sl、第七场效应管S7栅极耦合有控制信号。
所述第二原边绕组B1第二端与第八场效应管S8源极、第二场效应管 S2漏极相连，第八场效应管S8漏极与第一电容Co正极相连，所述第二 场效应管S2源极与第一电容Co负极相连，所述第二场效应管S2、第八 场效应管S8栅极耦合有控制信号。
所述第三原边绕组Cl第二端与第九场效应管S9源极、第三场效应管 S3漏极相连，第九场效应管S9漏极与第一电容Co正极相连，所述第三场效应管S3源极与第一电容Co负极相连，所述第三场效应管S3、第九 场效应管S9栅极耦合有控制信号，第一变压器的各个副边绕组依次相连； 所述第二多态开关包括第二变压器T2、第十场效应管SIO、第十一场效应 极管Sll、第十二场效应管S12、第四场效应管S4、第五场效应管S5、第 六场效应管S6，所述第二变压器包括第四原边绕组A3、第五原边绕组B3 和第六原边绕组C3、第四副边绕组A4、第五副边绕组B4和第六副边绕 组C4。
所述第四原边绕组A3、第五原边绕组B3和第六原边绕组C3第一端 都与第二电感L2相连，所述第四原边绕组A3与第十场效应管S10源极、 第四场效应管S4漏极相连，第十场效应管S10漏极与第一电容Co正极相 连，所述第四场效应管S4源极与第一电容Co负极相连，所述第四场效应 管S4、第十场效应管S10栅极耦合有控制信号。
所述第五原边绕组B3第二端与第十一场效应管Sll源极、第五场效 应管S5漏极相连、第十一场效应管Sll漏极与第一电容Co正极相连，所 述第五场效应管S5源极与第一电容Co负极相连，所述第五场效应管S5、 第十一场效应管Sll栅极耦合有控制信号。
所述第六原边绕组C3第二端与第十二场效应管S12源极、第六场效 应管S6漏极相连、第十二场效应管S12漏极与第一电容Co正极相连，所 述第六场效应管S6源极与第一电容Co负极相连，所述第六场效应管S6、 第十二场效应管S12栅极耦合有控制信号，第二变压器的各个副边绕组依 次相连。
实施例11
如图24所示，本实施例与实施例3的不同之处在于本实施例中多态 开关的具体结构与实施例10相同。
实施例12
如图25所示，本实施例与实施例4的不同之处在于本实施例中多态 开关的具体结构与实施例10相同。
为了验证本发明中所提出的拓扑的优点分别对图26所示的不带多 开关的传统的无桥boost PFC电路拓扑和带三态开关的无桥boost PFC电路 进行仿真比较，仿真结果如图27-30所示。保持两电路的负载功率，输入、输出电压及输入电流纹波频率相同进行参数设计并仿真，主要电路参数在 表一中给出。
表一传统无桥boost PFC和带三态开关的无桥boost PFC电路参数 的比较
传统无桥boost PFC带三态开关的无桥boost PFC
输出功率[w]30003000
输入电压[V]220220
输出电压[V]橋400
开关频率[kHz]200100
输入电感Ll、 L2 [,10050
图27为传统无桥boost PFC和带三态开关的无桥boost PFC的输入电 感电流波形，二者输入电流有效值基本相同，图28是电感电流的纹波。 由于两个拓扑最大纹波出现的地方不同，所以无法准确的在同一个时刻同 时得到最大纹波值，这里以电感电流顶点处的纹波进行比较。由图28可 以看出虽然三态无桥boost PFC开关管的开关频率仅为传统无桥boost PFC的一半，但电感的工作频率与传统无桥boost PFC的纹波频率相同， 这也是三态无桥boost PFC具有更高效率的原因之一，即相同的纹波频率 时开关管频率不同，三态无桥boost PFC的开关损耗比传统无桥boost PFC小。
图29为开关管驱动信号波形图，由测量的频率值可以看出传统无桥 boost PFC的频率为200kHz，三态无桥boost PFC的开关频率为100kHz。
19图30为电感电压的波形图，三态无桥boostPFC的电感电压在同一个周期 里有更多纹波为零，这有益于提高电路的PF值和降低THD，而且耐压仅 为传统无桥boost PFC的一半，这样可以减小电感的体积。
从比较结果可以看出如果保持相同的电感电流纹波大小和频率，需要 的开关频率有所不同，从而使得多态无桥boost PFC的开关频率降低，相 应的效率提高。由于此时三态无桥boost PFC的电感值也相应减小，电感 和变压器的尺寸大小之和并没有增加，与传统的无桥boost PFC的电感大 小基本相同。
另外，如果仅保持相同大小的电感电流纹波，采用相同的开关频率， 则三态无桥boost PFC的电感电流纹波频率会成倍的增加，此时电感和变 压器的体积会显著减小。单相三态无桥boost PFC的电感值为传统无桥 boost PFC的1/4，四态无桥boost PFC的电感值约为传统无桥boost PFC 的1/9，并且其THD也小于传统电路。
通常的电感设计过程如下 设电感值为L
流过电感的最大电流峰值为Io
磁芯的窗口利用率为Kw
导线电流密度为Jc
最大磁通密度为Bmax
电感所需要的面积乘积为AP 根据电感的设计原理可以得出
<formula>formula see original document page 20</formula>
可以得出爿户=K *丄
AP是磁芯窗口面积和磁芯截面积的乘积，如果选用相同的K，则电感 体积的大小与电感值成一定的正比例关系，这就是为什么用三态无桥boost PFC可以明显减小电感尺寸的原因。
由此可以看出三态无桥boost PFC可以提高电路特性，并且根据需要 进行设计显著提高效率或显著减小无源器件的尺寸。
本发明提出多种可以改善电路特性的多态无桥boost PFC电路结构， 应用该结构的优点如下
1) 多态无桥boost PFC变换器不需要专门的均流电路，因为变压器可 以自然均流。
2) 降低无源器件如电容(直流母线电容，滤波电容)和电感(滤波电 感，升降压电感)的应力。
3) 减小开关管的通态和开关损耗(相同功率等级下可以使用小开关 管)。
4) 提高系统动态特性。
5) 提高系统性能，因为电感电压的过零点增加所以可以提高PF降低 THD。
6) 根据需要进行设计可以显著提高效率或减小无源器件的尺寸。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技 术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做 出若干简单推演或替换，例如实施例2使用实施例5中的多态开关结构， 或者将多态开关换成四态开关或N (N^5)态开关等等，都应当视为属 于本发明的保护范围。另外前面提到的所有场效应管用绝缘栅双极型晶 体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)(请参考图31)或其他 类型的开关管代替也视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种功率因数校正电路，其特征在于包括第一电感(L1)、第二电感(L2)、第一多态开关、第二多态开关和第一电容(Co)，所述第一电感(L1)连接在交流电源第一端与第一多态开关第一端之间，所述第一多态开关第二端和第三端跨接在第一电容(Co)两端，所述第二电感(L2)连接在交流电源第二端与第二多态开关第一端之间，所述第二多态开关第二端和第三端跨接在第一电容(Co)两端。
2. 根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于还包括第二电 容(C2)和第三电容(C3)，所述第二电容(C2) —端连接在交流电源与 第二电感(L2)之间、另一端与第一电容(Co)负极耦合，所述第二电容(C2)—端连接在交流电源与第一电感(Ll)之间、另一端与第一电容(Co) 负极耦合。
3. 根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于还包括第七二 极管(D7)和第八二极管(D8)，所述第七二极管(D7) —端连接在交流 电源与第二电感(L2)之间、另一端与第一电容(Co)负极耦合，所述第 八二极管(D8) —端连接在交流电源与第一电感(Ll)之间、另一端与第 一电容(Co)负极耦合。
4. 根据权利要求3所述的功率因数校正电路，其特征在于还包括第三电 感(L3)，所述第三电感(L3)第一端与第七二极管(D7)和第八二极管(D8)的阳极相连、另一端与第一电容(Co)负极相连。
5. 根据权利要求l-4任一所述的功率因数校正电路，其特征在于 所述第一多态开关包括第一变压器(Tl)、第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第一场效应管(Sl)、第二场效应管(S2); 所述第一变压器(Tl)原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第一电感(Ll)相连，所述第一变压器(Tl)原边绕组第二端与第一二极管(Dl) 阳极、第一场效应管(Sl)漏极相连，第一二极管(Dl)阴极与第一电容(Co)正极相连，所述第一场效应管(Sl)源极与第一电容(Co)负极相 连，所述第一场效应管(Sl)栅极耦合有控制信号；所述第一变压器(Tl)副边绕组第二端与第二二极管(D2)阳极、第二场 效应管(S2)漏极相连，第二二极管(D2)阴极与第一电容(Co)正极相 连，所述第二场效应管(S2)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第二场效应管(S2)栅极耦合有控制信号，所述第一变压器(TO原边绕组第 一端与副边绕组第二端互为同名端-，所述第二多态开关包括第一变压器(T2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第三场效应管(S3)、第四场效应管(S4); 所述第二变压器(T2)原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第二电感(L2)相连，所述第二变压器(T2)原边绕组第二端与第三二极管(D3) 阳极、第三场效应管(S3)漏极相连，第三二极管(D3)阴极与第一电容(Co)正极相连，所述第三场效应管(S3)源极与第一电容(Co)负极相 连，所述第三场效应管(S3)栅极耦合有控制信号；所述第二变压器(T2)副边绕组第二端与第四二极管(D4)阳极、第四场 效应管(S4)漏极相连，第四二极管(D4)阴极与第一电容(Co)正极相 连，所述第四场效应管(S4)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第四 场效应管(S4)栅极耦合有控制信号，所述第二变压器(T2)原边绕组第 一端与副边绕组第二端互为同名端。
6.根据权利要求l-4任一所述的功率因数校正电路，其特征在于 所述第一多态开关包括第一变压器(Tl)、第五场效应管(S5)、第六场效 应管(S6)、第一场效应管(Sl)、第二场效应管(S2); 所述第一变压器(Tl)原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第一电感 (Ll)相连，所述第一变压器(Tl)原边绕组第二端与第五场效应管(S5) 源极、第一场效应管(Sl)漏极相连，第五场效应管(S5)漏极与第一电 容(Co)正极相连，所述第一场效应管(Sl)源极与第一电容(Co)负极 相连，所述第一场效应管(Sl)、第五场效应管(S5)栅极耦合有控制信 号；所述第一变压器(Tl)副边绕组第二端与第六场效应管(S6)源极、第二 场效应管(S2)漏极相连，第六场效应管(S6)漏极与第一电容(Co)正 极相连，所述第二场效应管(S2)源极与第一电容(Co)负极相连，所述 第二场效应管(S2)、第六场效应管(S6)栅极耦合有控制信号，所述第 一变压器(Tl)原边绕组第一端与副边绕组第二端互为同名端； 所述第二多态开关包括第一变压器(T2)、第七场效应极管(S7)、第八场 效应管(S8)、第三场效应管(S3)、第四场效应管(S4); 所述第二变压器(T2)原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第二电感 (L2)相连，所述第二变压器(T2)原边绕组第二端与第七场效应极管(S7)源极、第三场效应管(S3)漏极相连，第七场效应极管(S7)漏极与第一 电容(Co)正极相连，所述第三场效应管(S3)源极与第一电容(Co)负 极相连，所述第三场效应管(S3)、第七场效应极管(S7)栅极耦合有控 制信号；所述第二变压器(T2)副边绕组第二端与第八场效应极管(S8)源极、第 四场效应管(S4)漏极相连，第八场效应极管(S8)漏极与第一电容(Co) 正极相连，所述第四场效应管(S4)源极与第一电容(Co)负极相连，所 述第四场效应管(S4)、第八场效应极管(S8)栅极耦合有控制信号，所 述第一变压器(Tl)原边绕组第一端与副边绕组第二端互为同名端。
7.根据权利要求l-4任一所述的功率因数校正电路，其特征在于所述第 一多态开关包括第一变压器(Tl)、第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、 第三二极管(D3)、第一场效应管(Sl)、第二场效应管(S2)、第三场效 应管(S3)，所述第一变压器包括第一原边绕组(Al)、第二原边绕组(Bl) 和第三原边绕组(Cl)、第一副边绕组(A2)、第二副边绕组(B2)和第 三副边绕组(C2);第一原边绕组(Al)、第二原边绕组(Bl)和第三原边绕组(Cl)第一端 都与第一电感(Ll)相连，所述第一原边绕组(Al)与第一二极管(Dl) 阳极、第一场效应管(Sl)漏极相连，第一二极管(Dl)阴极与第一电容 (Co)正极相连，所述第一场效应管(Sl)源极与第一电容(Co)负极相 连，所述第一场效应管(Sl)栅极耦合有控制信号；所述第二原边绕组(Bl)第二端与第二二极管(D2)阳极、第二场效应管(52) 漏极相连，第二二极管(D2)阴极与第一电容(Co)正极相连，所 述第二场效应管(S2)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第二场效应 管(S2)栅极耦合有控制信号；所述第三原边绕组(Cl)第二端与第三二极管(D3)阳极、第三场效应管(53) 漏极相连、第三二极管(D3)阴极与第一电容(Co)正极相连，所 述第三场效应管(S3)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第三场效应 管(S3)栅极耦合有控制信号，第一变压器的各个副边绕组依次相连； 所述第二多态开关包括第二变压器(T2)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第四场效应管(S4)、第五场效应管(S5)、 第六场效应管(S6)，所述第二变压器包括第四原边绕组(A3)、第五原边 绕组(B3)和第六原边绕组(C3)、第四副边绕组(A4)、第五副边绕组(B4)和第六副边绕组(C4); 所述第四原边绕组(A3)、第五原边绕组(B3)和第六原边绕组(C3)第 一端都与第二电感(L2)相连，所述第四原边绕组(A3)与第四二极管(D4) 阳极、第四场效应管(S4)漏极相连，第四二极管(D4)阴极与第一电容(Co)正极相连，所述第四场效应管(S4)源极与第一电容(Co)负极相 连，所述第四场效应管(S4)栅极耦合有控制信号；所述第五原边绕组(B3)第二端与第五二极管(D5)阳极、第五场效应管(55) 漏极相连，第五二极管(D5)阴极与第一电容(Co)正极相连，所 述第五场效应管(S5)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第五场效应 管(S5)栅极耦合有控制信号；所述第六原边绕组(C3)第二端与第六二极管(D6)阳极、第六场效应管(56) 漏极相连，第六二极管(D6)阴极与第一电容(Co)正极相连，所 述第六场效应管(S6)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第六场效应 管(S6)栅极耦合有控制信号，第二变压器的各个副边绕组依次相连。
8.根据权利要求l-4任一所述的功率因数校正电路，其特征在于所述第 一多态开关包括第一变压器、第七场效应管(S7)、第八场效应管(S8)、 第九场效应管(S9)、第一场效应管(Sl)、第二场效应管(S2)、第三场 效应管(S3),所述第一变压器包括第一原边绕组(A1)、第二原边绕组(B1) 和第三原边绕组(Cl)、第一副边绕组(A2)、第二副边绕组(B2)和第 三副边绕组(C2);第一原边绕组(Al)、第二原边绕组(Bl)和第三原边绕组(Cl)第一端 都与第一电感(Ll)相连，所述第一原边绕组(Al)与第七场效应管(S7) 源极、第一场效应管(Sl)漏极相连，第七场效应管(S7)漏极与第一电 容(Co)正极相连，所述第一场效应管(Sl)源极与第一电容(Co)负极 相连，所述第一场效应管(Sl)、第七场效应管(S7)栅极耦合有控制信 号；所述第二原边绕组(Bl)第二端与第八场效应管(S8)源极、第二场效应 管(S2)漏极相连，第八场效应管(S8)漏极与第一电容(Co)正极相连， 所述第二场效应管(S2)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第二场效 应管(S2)、第八场效应管(S8)栅极耦合有控制信号； 所述第三原边绕组(Cl)第二端与第九场效应管(S9)源极、第三场效应 管(S3)漏极相连，第九场效应管(S9)漏极与第一电容(Co)正极相连，所述第三场效应管(S3)源极与第一电容(Co)负极相连，所述第三场效 应管(S3)、第九场效应管(S9)栅极耦合有控制信号，第一变压器的各 个副边绕组依次相连；所述第二多态开关包括第二变压器、第十场效应管(SIO)、第十一场效应 极管(Sll)、第十二场效应管(S12)、第四场效应管(S4)、第五场效应 管(S5)、第六场效应管(S6)，所述第二变压器包括第四原边绕组(A3)、 第五原边绕组(B3)和第六原边绕组(C3)、第四副边绕组(A4)、第五 副边绕组(B4)和第六副边绕组(C4);所述第四原边绕组(A3)、第五原边绕组(B3)和第六原边绕组(C3)第 一端都与第二电感(L2)相连，所述第四原边绕组(A3)与第十场效应管 (S10)源极、第四场效应管(S4)漏极相连，第十场效应管(S10)漏极 与第一电容(Co)正极相连，所述第四场效应管(S4)源极与第一电容(Co) 负极相连，所述第四场效应管(S4)、第十场效应管(S10)栅极耦合有控 制信号；所述第五原边绕组(B3)第二端与第十一场效应管(S11)源极、第五场 效应管(S5)漏极相连、第十一场效应管(S11)漏极与第一电容(Co) 正极相连，所述第五场效应管(S5)源极与第一电容(Co)负极相连，所 述第五场效应管(S5)、第十一场效应管(S11)栅极耦合有控制信号； 所述第六原边绕组(C3)第二端与第十二场效应管(S12)源极、第六场 效应管(S6)漏极相连、第十二场效应管(S12)漏极与第一电容(Co) 正极相连，所述第六场效应管(S6)源极与第一电容(Co)负极相连，所 述第六场效应管(S6)、第十二场效应管(S12)栅极耦合有控制信号，第 二变压器的各个副边绕组依次相连。
9.根据权利要求l-4任一所述的功率因数校正电路，其特征在于 所述第一多态开关包括第一变压器(Tl)、第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第一IGBT管、第二IGBT管； 所述第一变压器(Tl)原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第一电感(Ll)相连，所述第一变压器(Tl)原边绕组第二端与第一二极管(Dl) 阳极、第一IGBT管集电极相连，第一二极管(Dl)阴极与第一电容(Co) 正极相连，所述第一IGBT管射极与第一电容(Co)负极相连，所述第一 IGBT管栅极耦合有控制信号；所述第一变压器(T1)副边绕组第二端与第二二极管(D2)阳极、第二IGBT管集电极相连，第二二极管(D2)阴极与第一电容(Co)正极相连，所述 第二IGBT管射极与第一电容(Co)负极相连，所述第二IGBT管栅极耦 合有控制信号，所述第一变压器(Tl)原边绕组第一端与副边绕组第二端 互为同名端；所述第二多态开关包括第一变压器(T2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第三IGBT管、第四IGBT管； 所述第二变压器(T2)原边绕组第一端和副边绕组第一端都与第二电感(L2)相连，所述第二变压器(T2)原边绕组第二端与第三二极管(D3) 阳极、第三IGBT管集电极相连，第三二极管(D3)阴极与第一电容(Co) 正极相连，所述第三IGBT管射极与第一电容(Co)负极相连，所述第三 IGBT管栅极耦合有控制信号；所述第二变压器(T2)副边绕组第二端与第四二极管(D4)阳极、第四IGBT 管集电极相连，第四二极管(D4)阴极与第一电容(Co)正极相连，所述 第四IGBT管射极与第一电容(Co)负极相连，所述第四IGBT管栅极耦 合有控制信号，所述第二变压器(T2)原边绕组第一端与副边绕组第二端 互为同名端。
全文摘要
本发明公开了一种功率因数校正电路，包括第一电感、第二电感、第一多态开关、第二多态开关和第一电容，所述第一电感连接在交流电源第一端与第一多态开关第一端之间，所述第一多态开关第二端和第三端跨接在第一电容两端，所述第二电感连接在交流电源第二端与第二多态开关第一端之间，所述第二多态开关第二端和第三端跨接在第一电容两端。本发明提出的带多态开关的boost PFC电路，能同时提高效率和功率密度。本发明还可以减小电感、电容的纹波，减小功率开关管的开关损耗和通态损耗，提高电路的PF，减小THD。
文档编号H02M1/00GK101621247SQ20091010912
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者云 吴, 孟丽婵, 弗兰克·赫尔特, 武志贤, 毕晓萌, 胡永辉 申请人:艾默生网络能源有限公司