专利名称：基于磁耦合无损缓冲电路的功率因数校正变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率因数校正变换器，尤其可以减小二极管反向恢复损耗的具有无损 缓冲电路的功率因数校正变换器。
背景技术：
目前的单相功率因数校正变换器如图1所示，其包括由四个二极管构成的桥式整 流电路DB，电感L，主功率开关S，二极管D和输出电容C0，电感L的一端与整流电路的共阴 极端相连，另一端与二极管D的阳极端相连，在电感L和二极管D的接点与整流电路的共阳 极端之间接入主功率开关S，在二极管D的阴极端与整流电路的共阳极端之间接入输出电 容C0，负载RO并接于电容CO的两端。图1所示的单相功率因数校正变换器应用于全球通 用输入电压的前级预稳压电源，以实现功率因数校正，当该变换器工作于电感电流连续模 式时，主功率开关工作在硬开关状态，在导通时二极管存在严重的反向恢复问题，引起功率 开关较大的开通损耗，限制了工作频率的提高，降低了电路的转换效率。因此，需要采取措施来抑制二极管的反向恢复问题，采用无源缓冲网络是解决二 极管反向恢复问题的有效途径之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于全球通用输入电压，可以有效的抑制二极管的反 向恢复问题，降低开关损耗，提高转换效率，改善电源可靠性的基于磁耦合无损缓冲电路的 功率因数校正变换器。本发明变换器所采用的技术方案是变换器包括桥式整流电路和升压式变换电 路，所述升压式变换电路包括一个具有耦合绕组的升压电感、主功率开关、缓冲电感、缓冲 电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，升压电感的同名端与桥式整流电 路的共阴极端相连，升压电感的非同名端与耦合绕组的同名端连接，耦合绕组的非同名端 与第一二极管的阳极相连，在升压电感与复位耦合绕组的接点与整流电路的共阳极端之间 接入主功率开关和缓冲电感支路，缓冲电感与主功率开关的接点与第二二极管的阳极相 连，辅助耦合绕组与第一二极管的接点与整流电路的共阳极端之间接入缓冲电容和第三二 极管，缓冲电容与第三二极管阴极的接点与第四二极管的阳极连接，第一二极管、第二二极 管、第三二极管的阴极同时与输出滤波电容的一端连接，输出滤波电容的另一端与桥式整 流电路的共阳极端相连，负载并接于输出电容的两端。本发明电路中所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管为快恢复二 极管。本发明的有益效果是由于引入了缓冲电感与主功率开关支路串联，在开关开通 时可以有效的降低开关漏极电流的上升率，实现开关的零电流开通，从而有效的抑制了二 极管的反向恢复，降低了开关损耗，提高了变换器效率。辅助耦合绕组用于开关断开期间， 使缓冲电感电流复位到零，为开关零电流开通创造条件，缓冲电容用来吸收二极管的反向恢复能量，并传输到输出电容。本发明可应用于开关电源中前级整流装置和通用升压直流 变换器。
图1是现有的单相功率因数校正变换器原理图；图2是本发明的基于磁耦合无损缓冲电路的功率因数校正变换器原理图；图3是本发明电路在一个开关周期内的工作时序图；图4是本发明电路在一个开关周期内的六种工作模式图。
具体实施例方式本发明电路如图2所示，包括二极管桥式整流电路和升压式变换电路，所述桥式 整流电路由四个二极管组成的整流桥电路Db，所述升压式变换电路包括一个具有辅助耦合 绕组L2的升压电感L1、主功率开关S、缓冲电感Ls、缓冲电容C1、第一二极管D1、第二二极管 D2、第三二极管D3、第四二极管D4，所述升压电感L1同名端与整流电路Db的共阴极端连接， 升压电感L1的非同名端、耦合绕组L2的同名端与缓冲电感Ls的一端连接在一起，缓冲电感 Ls的另一端与整流电路Db的共阳极端之间接入主功率开关S，缓冲电感Ls与主功率开关S 的接点连接第二二极管D2的阳极，耦合绕组L2的非同名端、第一二极管D1的阳极与缓冲电 容(^的一端连接在一起，缓冲电容C1的另一端与第三二极管03的阴极和第四二极管D4的 阳极连接，第一二极管0工、第二二极管D2、第四二极管D4的阴极同时与输出滤波电容C。的一 端连接，输出滤波电容C。的另一端、第三二极管D3的阳极、主功率开关S的源极与桥式整流 电路Db的共阳极端连接在一起。本发明电路中所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二 极管D3和第四二极管D4为快恢复二极管。以输入电压Vin处于正半周为例，所述无损缓冲功率因数校正变换器在一个开关 周期内的工作时序如图3的a到k所示。图3(a)为功率开关管S的栅极驱动电压的波形 图；图3(b)为功率开关管S的漏极和源极之间的电压波形图；图3(c)为缓冲电感Ls两端 所承受的电压波形图；图3(d)为升压电感L1的电流波形图；图3(e)为缓冲电容C1两端的 电压波形图；图3(f)为缓冲电感Ls所流过的电流波形图；图3(g)为功率开关管S漏极的 电流波形图；图3(h)为流过第一二极管D1的电流波形图；图3(i)为流过第二二极管D2的 电流波形图；图3(j)为流过第三二极管D3的电流波形图；图3(k)为流过第四二极管D4的 电流波形图。从以上图中可以看出在一个开关周期内图3有六种工作模态，如图4所示。模态l(tO-tl)图4 (a)在t < t0时，主功率开关管S关断。在t0时刻，开通主功 率开关S。在这一时段，输出电压Vo基本全部施加在缓冲电感Ls的两端，主功率开关S的 漏极电流和电感Ls的电流同时线性增加，第一二极管D1的电流线性减小；当Ls的电流L 达到升压电感L1的电流iu时，第一二极管D1的电流iD1减小到零，由于二极管D1存在反向 恢复过程，因此在输出电压的作用下，Ls的电流L继续增加，二极管D1的电流iD1变负，并 反方向增加；到tl时刻，二极管D1反向恢复过程结束，其电流iD1立刻减小到零，此时缓冲 电感的电流L等于升压电感电流iu与二极管D1的反向恢复电流峰值之和。由于缓冲电 感！^的作用，二极管0工的电流下降斜率大大减小，从而有效的抑制了反向恢复电流的峰值。
模态2(tl_t2)图4(b)在tl时刻，第一二极管D1反向恢复结束，缓冲电感Ls中 储存了二极管的反向恢复能量，此时，Ls的电流大于升压电感L1的电流，因此，第三二极管 D3导通，缓冲电感Ls与缓冲电容C1开始谐振，缓冲电感Ls的电流下降，缓冲电容C1的电压 升高。当缓冲电感Ls的电流下降到等于升压电感L1的电流时，谐振过程结束，第三二极管 D3的电流降为零。模态3(t2_t3)图4(c) :t2时刻，缓冲电感Ls将二极管D1的反向恢复能量转移到 缓冲电容C1上，同时，电容C1还可以钳位二极管D1两端的电压。在这一时段，交流输入电 源给升压电感L1储存能量，电流iu线性增加并持续到t3时刻。模态4(t3_t4)图4(d)在t3时刻，主功率开关S关断，第二二极管D2导通，开关 S的电流立刻转移到二极管D2上，同时，耦合绕组L2两端会产生感应电势\2。在\2和Va 的作用下，缓冲电感Ls的电流线性减小，第四二极管D4的电流线性增加，电容C1的电压下 降，将储存在C1中的反向恢复能量传输给负载。模态5(t4_t5)图4(e)到t4时刻，电容C1的电压下降到零，二极管D4截止、D1导 通，二极管D4的电流立刻转移到二极管D1上。缓冲电感Ls的电流在耦合绕组L2的感应电 势作用下继续减小，二极管D1的电流继续增加。模态6 (t5-t6)图4 (f)到t5时亥lj，缓冲电感Ls的电流在耦合绕组L2的感应电势 作用下全部转移到电感L2上，Ls的电流复位到零，为下个开关周期抑制二极管D1的反向恢 复以及实现功率开关S的零电流开通做好准备。通过对本文所给出的基于磁耦合无损缓冲电路的功率因数校正变换器的分析，可 以看出电路有以下特点电路工作在电流连续模式，主功率开关开通时，在缓冲电感的作用下，主二极管的 电流变化率大大减小，从而减小了反向恢复损耗；缓冲电容可以储存反向恢复能量，并将这 部分能量传输给负载，从而提高变换效率；缓冲电容还可以钳位主二极管两端的电压，减小 二极管的电压应力；耦合绕组的作用是在功率开关关断期间产生一个感应电势，在这个感 应电势的作用下，使缓冲电感电流在开关关断期间复位到零，为下个开关周期抑制二极管 反向恢复和实现功率开关零电流开通做好准备。本发明主要应用于电流连续模式下的功率 因数校正电路。
权利要求
基于磁耦合无损缓冲电路的功率因数校正变换器，包括二极管桥式整流电路和升压式变换电路，所述桥式整流电路由四个二极管组成的整流桥电路(DB)，所述升压式变换电路包括一个具有辅助耦合绕组(L2)的升压电感(L1)、主功率开关(S)、第一二极管(D1)、缓冲电感(LS)、第二二极管(D2)、缓冲电容(C1)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、输出滤波电容(CO)，负载(RO)并接于输出滤波电容(CO)两端，所述升压电感(L1)的辅助耦合绕组(L2)作为缓冲电感(LS)电流的复位绕组(L2)，其特征在于升压电感(L1)的同名端连接桥式整流电路(DB)的共阴极端，升压电感(L1)的非同名端连接其耦合绕组(L2)的同名端，并同时连接缓冲电感(LS)的一端，复位绕组(L2)的非同名端连接第一二极管(D1)的阳极，并同时连接缓冲电容(C1)的一端，缓冲电感(LS)的另一端连接主功率开关(S)的漏极，并同时连接第二二极管(D2)的阳极，缓冲电容(C1)的另一端与第三二极管(D3)的阴极和第四二极管(D4)的阳极连接，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第四二极管(D4)的阴极连接在一起，并同时连接输出滤波电容(CO)的一端，输出滤波电容(CO)的另一端、第三二极管(D3)的阳极、主功率开关(S)的源极与桥式整流电路(DB)的共阳极端连接在一起。
2.根据权利要求1所述的基于磁耦合无损缓冲电路的功率因数校正变换器，其特征在 于所述第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)为快恢复二极管。
全文摘要
一种基于磁耦合无损缓冲电路的功率因数校正变换器包括整流桥和升压电路，所述升压电路包括具有辅助耦合绕组的升压电感和缓冲网络，升压电感一端与整流桥共阴极连接，其另一端与耦合绕组一端连接，耦合绕组另一端与第一二极管阳极相连，升压电感与耦合绕组接点与整流桥共阳极间接入主开关和缓冲电感，缓冲电感与主开关接点与第二二极管阳极相连，耦合绕组与第一二极管接点与整流桥共阳极间接入缓冲电容和第三二极管，缓冲电容与第三二极管阴极接点与第四二极管阳极连接。本发明可以抑制二极管的反向恢复，减小开关损耗，提高变换效率，辅助耦合绕组用于复位缓冲电感电流，缓冲电容用来吸收二极管反向恢复的能量并传输到输出电容，实现无损缓冲。
文档编号H02M1/42GK101882865SQ201010217960
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月1日 优先权日2010年7月1日
发明者张建勇, 杨秋霞, 赵清林 申请人:燕山大学