一种变模态无桥PFC电路制造技术

本发明专利技术公开了一种变模态无桥PFC电路。包括电感、第一和第二双向开关以及第一、第二和第三半桥结构，三个半桥结构并联连接作为输出端，第一双向开关连接在第一和第二半桥结构之间，第二双向开关连接在第二和第三半桥结构之间，第一双向开关两端串联连接电感后作为输入端；根据输入电压大小灵活地选择工作模态，三电平模式下降低开关频率，以降低开关损耗，可以提高电路效率。本发明专利技术解决了相关技术中低输入电压时，电路效率低下的问题，实现了全范围内的高效率、低共模噪声，提高了电路的整体性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及AC/DC领域，尤其涉及一种变模态无桥PFC电路，属于功率因素校正(Power Factor Correction，简称PFC)电路。
技术介绍
电力电子变换器的大量使用给电网造成了严重的谐波污染，甚至威胁到了电力系统的安全运行；另一方面，电力电子变换器的效率直接关系到能源使用效率、工作可靠性、小型轻量化与材料节省。因此，目前大量的AC/DC变换器都采用了一级PFC结构作为前端接入电路。传统的桥式PFC电路主电流回路上半导体器件多，导通损耗大，效率低。无桥PFC电路由于主电流回路上半导体器件少，导通损耗小，可以取得更高的效率。然而，随着输入电压降低，相应的输入电流变大，导致导通损耗和开关损耗明显地增加，降低了无桥PFC电路的效率。因此，进一步提高PFC电路效率的瓶颈在于低输入电压段。针对低输入电压段PFC电路效率仍然较低的问题，现有技术目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
为了解决低输入电压段无桥PFC电路效率低的问题，本专利技术的主要目的是提供一种变模态无桥PFC电路，以至少提高低输入电压下无桥PFC电路的效率，从而实现宽输入范围内无桥PFC电路的高效率。基于柔性变模态变流器的思想，本专利技术构造一种新型的变模态无桥PFC电路，该变模态无桥PFC电路根据输入电压的大小，灵活地选择最适合当前条件的工作模态，以实现全范围内的高效率。本专利技术解决其技术问题所采用的具体技术方案是：所述的变模态无桥PFC电路具体包括：电感L、一个由功率开关管S1和功率开关管S2组成的第一双向开关、一个由功率开关管S3和功率开关管S4组成的第二双向开关、一个由续流二极管DF1和续流二极管DF2组成的第一半桥结构、一个由续流二极管DS1和续流二极管DS2组成的第二半桥结构、一个由电容Co1和电容Co2组成的第三半桥结构。其中，电感L的一端作为所述变模态无桥PFC电路其中一个输入端a，电感L的另一端分别与第一双向开关中功率开关管S1的漏
极和第一半桥结构的中点相连；第一双向开关中S2的漏极分别与第二半桥结构的中点和第二双向开关中功率开关管S3的漏极相连，并作为所述变模态无桥PFC电路另一个输入端b；第二双向开关中功率开关管S4的漏极与第三半桥结构的中点相连；第一半桥结构、第二半桥结构和第三半桥结构的两端并联连接，并联后的两端作为所述变模态无桥PFC电路的输出端，与输出负载的两端相连；所述变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态。优选地，所述第二双向开关中功率开关管S3和功率开关管S4可以是额定耐压低于所述变模态无桥PFC电路输出电压Vo的低耐压功率半导体器件。需要说明的是，两个功率开关管共漏极结构组成的双向开关也可以作为所述变模态无桥PFC电路中第一双向开关和第二双向开关的一种选择。优选地，所述变模态无桥PFC电路中的第一双向开关和第二双向开关采用两个功率开关管共源极结构。所述变模态无桥PFC电路中第一半桥结构中的续流二极管DF1和续流二极管DF2是Si快恢复二极管、Si肖特基二极管或者SiC肖特基二极管。所述变模态无桥PFC电路中第二半桥结构中的续流二极管DS1和续流二极管DS2是慢速二极管或者整流二极管。所述变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态具体是指：当输入电压的幅值小于输出电压Vo的一半时，第二双向开关一直开通，所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式；当输入电压的幅值大于输出电压Vo的一半时，第二双向开关一直关断，所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式。由于全球通用的输入电压范围为85Vrms～264rms，典型的低输入电压为100Vrms～120Vrms，典型的高输入电压为220Vrms～240Vrms，传统无桥PFC电路在低输入电压条件下和高输入电压条件下都采用同一种电路模态工作。与传统无桥PFC电路不同的是，对于典型的低输入电压，所述变模态无桥PFC电路将开通第二双向开关，从而工作在三电平模式，有效地降低了开关损耗，提高了PFC电路的效率；对于典型的高输入电压，所述变模态无桥PFC电路将关断第二双向开关，从而工作在两电平模式，有效地保持了传统无桥PFC电路在高输入电压条件下高效率的特性。由于第二半桥结构中续流二极管的钳位作用，高输入电压条件下所述变模态无桥PFC电路的共模干扰很低；由于第二双向开关的钳位作用，低输入电压条件下所述变模态无桥PFC电路的共模干扰很低。当所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式下时，其开关频率为fs；当所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式下，可以降低开关频率，如降低到
典型值fs/2，以进一步提高所述变模态无桥PFC电路的效率。具体而言，如果所述变模态无桥PFC电路工作在两电平模式时，相应的开关频率为fs，那么所述变模态无桥PFC电路工作在三电平模式时，电感L的电流纹波明显地降低，对于相同的电流纹波要求，其相应的开关频率可以小于fs，如优选的典型值fs/2。由于所述变模态无桥PFC电路开关频率降低，因此降低了开关损耗，从而进一步地提高了所述变模态无桥PFC电路在低输入电压条件下的效率。本专利技术的有益效果是：本专利技术实现简单巧妙，通过构造一种新型的变模态无桥PFC电路，可克服传统无桥PFC电路在低输入电压段效率低的缺点，实现了全输入范围内的高效率。附图说明图1是本专利技术的变模态无桥PFC电路。图2是本专利技术的变模态无桥PFC电路可采用的双向开关结构。图3是本专利技术的变模态无桥PFC电路在低输入条件下工作在三电平模式时的等效电路。图4是本专利技术的变模态无桥PFC电路在高输入条件下工作在两电平模式时的等效电路。图5是本专利技术的变模态无桥PFC电路与传统无桥PFC电路的效率对比曲线。具体实施方式下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是本专利技术提出的变模态无桥PFC电路。如图1所示，本专利技术的变模态无桥PFC电路具体包括：电感L、一个由功率开关管S1和功率开关管S2组成的第一双向开关、一个由功率开关管S3和功率开关管S4组成的第二双向开关、一个由续流二极管DF1和续流二极管DF2组成的第一半桥结构、一个由续流二极管DS1和续流二极管DS2组成的第二半桥结构、一个由电容Co1和电容Co2组成的第三半桥结构。其中，电感L的一端作为所述变模态无桥PFC电路的输入端a，电感L的另一端与第一双向开关中功率开关管S1的漏极和第一半桥结构的中点相连；第一双向开关中功率开关管S2的漏极与第二半桥结构的中点和第二双向开关中功率开关管S3的漏极相连，并作为所述变模态无桥PFC电路的输入端b；第二双向开关中功率开关管S4的漏极与第三半桥结构的中点相连；第一半桥结构、第二半桥结构和第三半桥结构的两端分别相连，并分别与输出负载的两端相连。第二双向开关中功率开关管S3和功率开关管S4可以是额定耐压低于所述变模态无桥PFC电路输出电压Vo的低耐压功率半导体器件。从图1可以看出，第二双向开关中功率开关管的电压应力是输出电压Vo的一半，优选地，所述第二双向开关选用额定耐压略大于Vo/2的低耐压功率开关管。以输出电压400V为例，第二双向开关可选用250V耐压的功率开关管。图2是本专利技术的变模态无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变模态无桥PFC电路，其特征在于包括：电感L；一个由功率开关管S1和功率开关管S2组成的第一双向开关；一个由功率开关管S3和功率开关管S4组成的第二双向开关；一个由续流二极管DF1和续流二极管DF2组成的第一半桥结构；一个由续流二极管DS1和续流二极管DS2组成的第二半桥结构；一个由电容Co1和电容Co2组成的第三半桥结构；其中，电感L的一端作为所述变模态无桥PFC电路其中一个输入端a，电感L的另一端分别与第一双向开关中功率开关管S1的漏极和第一半桥结构的中点相连；第一双向开关中S2的漏极分别与第二半桥结构的中点和第二双向开关中功率开关管S3的漏极相连，并作为所述变模态无桥PFC电路另一个输入端b；第二双向开关中功率开关管S4的漏极与第三半桥结构的中点相连；第一半桥结构、第二半桥结构和第三半桥结构的两端并联连接，并联后的两端作为所述变模态无桥PFC电路的输出端，与输出负载的两端相连；所述变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态。

【技术特征摘要】
1.一种变模态无桥PFC电路，其特征在于包括：电感L；一个由功率开关管S1和功率开关管S2组成的第一双向开关；一个由功率开关管S3和功率开关管S4组成的第二双向开关；一个由续流二极管DF1和续流二极管DF2组成的第一半桥结构；一个由续流二极管DS1和续流二极管DS2组成的第二半桥结构；一个由电容Co1和电容Co2组成的第三半桥结构；其中，电感L的一端作为所述变模态无桥PFC电路其中一个输入端a，电感L的另一端分别与第一双向开关中功率开关管S1的漏极和第一半桥结构的中点相连；第一双向开关中S2的漏极分别与第二半桥结构的中点和第二双向开关中功率开关管S3的漏极相连，并作为所述变模态无桥PFC电路另一个输入端b；第二双向开关中功率开关管S4的漏极与第三半桥结构的中点相连；第一半桥结构、第二半桥结构和第三半桥结构的两端并联连接，并联后的两端作为所述变模态无桥PFC电路的输出端，与输出负载的两端相连；所述变模态无桥PFC电路根据输入电压大小灵活地选择工作模态。2.根据权利要求1所述的一种变模态无桥PFC电路，其特征在于：所述的第二双向开关中功率开关管S3和功率开关管S4是其额定耐压低于所述变模态无桥PFC电路输出电压Vo的低耐压功率半导体器件。3.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄龙，吕征宇，姚文熙，叶志红，
申请(专利权)人：浙江大学，光宝通信广州有限公司南京分公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33