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TWI446701B - 無橋功率因數校正變換器及其控制方法 - Google Patents

無橋功率因數校正變換器及其控制方法 Download PDF

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TWI446701B
TWI446701B TW100137650A TW100137650A TWI446701B TW I446701 B TWI446701 B TW I446701B TW 100137650 A TW100137650 A TW 100137650A TW 100137650 A TW100137650 A TW 100137650A TW I446701 B TWI446701 B TW I446701B
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Yuancheng Ren
Bo Zhang
Lei Miao
Junming Zhang
James MOYER
Eric Yang
Original Assignee
Monolithic Power Systems Inc
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Description

無橋功率因數校正變換器及其控制方法
本發明涉及交流-直流變換器，更具體地說，本發明涉及四開關功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)變換器及其控制方法。
第1圖示出現有橋式PFC變換器。如第1圖所示，傳統橋式PFC變換器通常包括由四個二極體組成的整流橋和直流-直流變換器。交流輸入信號經過由二極體D1 ~D4 組成的整流橋被整流為一未被調節的直流信號，該未被調節的直流信號經過由電感器L1 、開關S、二極體D5 和輸出電容器C組成的典型升壓電路(boost)後被轉化為一調節後的直流信號VO 。
該傳統的橋式PFC變換器在運行過程中，在整流橋部分，始終有兩個二極體流過電流；在直流-直流變換器部分，也始終有一個半導體裝置(二極體D5 或者開關S)流過電流，使得半導體裝置的導通損耗在系統的整體損耗中比重較大，系統轉換效率降低。
本發明的另外方面和優點部分將在後面的描述中闡述，還有部分可從描述中明顯地看出，或者可以在本發明的實踐中得到。
本發明的目的在於解決現有技術PFC變換器導通損耗大，無法實現軟開關，以及轉化效率低的問題。
根據上述目的，本發明提供一種無橋功率因數校正變換器，包括：第一輸入埠(L)和第二輸入埠(N)，用以接收交流輸入信號；輸出埠，用以提供輸出信號；第一至第n-1電感器，耦接至所述第一輸入埠(L)和輸出級；所述輸出級，包括第一橋臂和第二至第n橋臂，其中，所述第一橋臂的輸入端耦接至所述第二輸入埠(N)，所述第二至第n橋臂的每一個的輸入端分別通過所述第一至第n-1電感器耦接至所述第一輸入埠(L)，所述第一橋臂和所述第二至第n橋臂都並聯耦接在所述輸出埠和參考地之間；以及輸出電容器，耦接在所述輸出埠和參考地之間，其中n是大於等於2的自然數。
本發明還提供一種無橋功率因素校正變換器的控制方法，所述功率因素校正包括：第一輸入埠(L)和第二輸入埠(N)，用以接收交流輸入信號；輸出埠，用以提供輸出信號；第一至第n-1電感器，耦接至所述第一輸入 埠(L)和輸出級；所述輸出級，包括第一橋臂和第二至第n橋臂，其中，所述第一橋臂的輸入端耦接至所述第二輸入埠(N)，所述第二至第n橋臂的每一個的輸入端分別通過所述第一至第n-1電感器耦接至所述第一輸入埠(L)，所述第一橋臂和所述第二至第n橋臂都並聯耦接在所述輸出埠和參考地之間，所述第一橋臂包括串聯耦接的第一開關和第二開關，所述第一開關和所述第二開關的串聯耦接點作為所述第一橋臂的輸入端；所述第二至第n橋臂的每一個均包括串聯耦接的第三開關和第四開關，所述第三開關和所述第四開關的串聯耦接點作為所述第二至第n橋臂的每一個的輸入端；以及輸出電容器，耦接在所述輸出埠和參考地之間，其中n是大於等於2的自然數，所述方法包括：在所述交流輸入信號的正半周，控制第一開關持續導通，控制第二開關持續斷開，並控制所述第二至第n橋臂的每個橋臂中的第三開關和第四開關互補導通；以及在所述交流輸入信號的負半周，控制第一開關持續斷開，控制第二開關持續導通，並控制所述第二至第n橋臂的每個橋臂中的第三開關和第四開關互補導通。
根據本發明的無橋PFC變換器大大降低了運行時的損耗，提高了效率；並且在無橋PFC變換器中的開關導通切換過程中，還實現了開關的零電壓導通，降低了開關損耗，進一步提高了效率。
L‧‧‧第一輸入埠
N‧‧‧第二輸入埠
D1 、D2 、D3 、D4 、D5 ‧‧‧二極體
L1 ‧‧‧第一電感器
S‧‧‧開關
C、CO ‧‧‧電容器
VO ‧‧‧直流信號
100、200、300‧‧‧無橋PFC變換器
101、201、301‧‧‧第一橋臂
102、202、302‧‧‧第二橋臂
S1 ‧‧‧第一開關
S2 ‧‧‧第二開關
S3 ‧‧‧第三開關
S4 ‧‧‧第四開關
R‧‧‧負載
Ilimit-p ‧‧‧正向電流限值
IL ‧‧‧第一電感器電流
GS1 ‧‧‧第一開關S1 的控制信號波形
GS3 ‧‧‧第三開關S3 的控制信號波形
GS4 ‧‧‧第四開關S4 的控制信號波形
TD1 ‧‧‧第一死區時間
TD2 ‧‧‧第二死區時間
VdsS3 ‧‧‧第三開關S3 的源漏電壓
t、t~t6 、T~T6 ‧‧‧時刻
Ilimit-n ‧‧‧負向電流限值
TD3 ‧‧‧第三死區時間
TD4 ‧‧‧第四死區時間
GS2 ‧‧‧第二開關S2 的控制信號波形
VdsS4 ‧‧‧第四開關S4 的源漏電壓
VIN ‧‧‧輸入信號
TD5 ‧‧‧第五死區時間
203、303‧‧‧第三橋臂
L2 ‧‧‧第二電感器
S5 ‧‧‧第五開關
S6 ‧‧‧第六開關
Ln ‧‧‧第n電感器
通過結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述，本發明的上述和其他目的、特性和優點將會變得更加清楚，其中相同的標號指定相同結構的單元，並且在其中：第1圖示出現有橋式PFC變換器；第2圖示出根據本發明第一實施例的無橋PFC變換器100；第3圖示出第2圖所示無橋PFC變換器100在交流輸入信號正半周的第一電感器電流波形、各開關管的控制信號波形和第三開關漏源電壓波形；第4圖示出無橋PFC變換器100在時刻t0 ~時刻t1 的工作狀態；第5圖示出無橋PFC變換器100在時刻t1 ~時刻t2 的工作狀態；第6圖示出無橋PFC變換器100在時刻t2 ~時刻t3 的工作狀態；第7圖示出無橋PFC變換器100在時刻t3 ~時刻t4 的工作狀態；第8圖示出無橋PFC變換器100在時刻t4 ~時刻t5 的工作狀態； 第9圖示出第2圖所示無橋PFC變換器100在交流輸入信號負半周的第一電感器電流波形、各開關管的控制信號波形和第三開關漏源電壓波形；第10圖示出無橋PFC變換器100在時刻T0 ~時刻T1 的工作狀態；第11圖示出無橋PFC變換器100在時刻T1 ~時刻T2 的工作狀態；第12圖示出無橋PFC變換器100在時刻T2 ~時刻T3 的工作狀態；第13圖示出無橋PFC變換器100在時刻T3 ~時刻T4 的工作狀態；第14圖示出無橋PFC變換器100在時刻T4 ~時刻T5 的工作狀態；第15圖示出輸入信號波形、第一電感器電流波形以及第一開關~第四開關的開關控制信號波形；第16圖示出根據本發明第二實施例的無橋PFC變換器200；以及第17圖示出根據本發明第三實施例的無橋PFC變換器300。
下面將參照示出本發明實施例的附圖充分描述本發明。然而，本發明可以以許多不同的形式實現，而 不應當認為限於這裏所述的實施例。相反，提供這些實施例以便使本公開透徹且完整，並且將向本領域技術人員充分表達本發明的範圍。在附圖中，為了清楚起見放大了組件。
第2圖是根據本發明第一實施例的無橋PFC變換器100。如第2圖所示，無橋PFC變換器100包括：第一輸入埠L、第二輸入埠N，用以接收交流輸入信號；輸出埠，用以提供輸出信號VO ；第一電感器L1 ，耦接在第一輸入埠L和輸出級之間；輸出級，包括第一橋臂101和第二橋臂102，該第一橋臂101的輸入端耦接至第二輸入埠N，該第二橋臂102的輸入端通過第一電感器L1 耦接至第一輸入埠L，該第一橋臂101和第二橋臂102並聯耦接在輸出埠和參考地之間；輸出電容器CO ，耦接在輸出埠和參考地之間。在一個示例性實施例中，無橋PFC變換器100進一步包括負載R，與輸出電容器CO 並聯耦接。
可以看到，無橋PFC變換器100的輸出級包括一全橋拓撲。
在一個實施例中，第一橋臂101和第二橋臂102均包括串聯耦接的上開關管和下開關管。即第一橋臂101包括串聯耦接的第一開關S1 和第二開關S2 ，第二橋臂102包括串聯耦接的第三開關S3 和第四開關S4 。在一個實施例中，第一開關S1 ~第四開關S4 例如為N溝道場效應電晶體 (MOSFET)，第三開關S3 ~第四開關S4 還分別包括並聯連接到N溝道場效應電晶體的汲極和柵極的內接二極體。雖然第2圖中示出了第一開關S1 ~第二開關S2 也分別包括並聯連接到N溝道場效應電晶體的汲極和柵極的內接二極體，但該內接二極體不是必須的，根據情況，可以刪除並聯連接到第一開關S1 和第二開關S2 的N溝道場效應電晶體的汲極和柵極的內接二極體。第一開關S1 和第二開關S2 串聯耦接在輸出埠和參考地之間，其串聯耦接點為第一橋臂101的輸入端；第三開關S3和第四開關S4 串聯耦接在輸出埠和參考地之間，其串聯耦接點為第二橋臂102的輸入端。
運行過程中，第一橋臂201的第一開關S1 和第二開關S2 運行於低頻模式，第三開關S3 和第四開關S4 運行於高頻模式。
在一個實施例中，當相應開關的控制信號為高時，相應開關被導通；當相應開關的控制信號為低時，相應開關被斷開。
第3圖示出第2圖所示無橋PFC變換器100在交流輸入信號正半周的第一電感器電流波形、各開關管的控制信號波形和第三開關漏源電壓波形。如第3圖所示，IL 是交流輸入信號正半周的第一電感器L1 的電流波形；GS1 、GS3 、和GS4 分別是交流輸入信號正半周的第一開關S1 、第三開關S3 、和第四開關S4 的控制信號波形；以及VdsS3 是交流輸 入信號正半周的第三開關S3 的源漏電壓。
在無橋PFC變換器100的交流輸入信號的正半周，即當第一輸入埠L的輸入值大於第二輸入埠N的輸入值時，控制第一開關S1 持續導通，控制第二開關S2 持續斷開；在第四開關S4 斷開後經過第二死區時間TD2 的時間間隔，控制第三開關S3 導通，相應地，第一電感器被正向充電，第一電感器電流正向增大；當第一電感器電流增大到正向電流限值時，控制第三開關S3 斷開。在第三開關S3 斷開後經過第一死區時間TD1 的時間間隔，控制第四開關S4 導通，第一電感器被正向放電，第一電感器電流減小。直至第一電感器電流負向過零(由正變負)，之後經過系統設定的第一延時時間間隔TDELAY1 ，控制第四開關S4 斷開。同時由於第二死區時間TD2 的作用，控制第三開關S3 在第四開關S4 斷開後經過TD2 時間後導通。無橋PFC變換器100進入另一個開關週期。
在一個實施例中，同一橋臂上開關管和下開關管互補導通，但兩個開關的導通切換之間存在死區時間。如第三開關S3 和第四開關S4 互補導通，但從第三開關S3 斷開到第四開關S4 的導通存在第一死區時間TD1 的時間間隔，從第四開關S4 斷開到第三開關S3 的導通存在第二死區時間TD2 的時間間隔。
以下結合第4圖~第8圖具體闡述無橋PFC變換 器100在交流輸入信號正半周的工作過程。
第4圖示出無橋PFC變換器100在時刻t0 ~時刻t1 的工作狀態。
在第3圖所示的時刻t0 ~時刻t1 ：如第4圖所示，第二開關S2 和第四開關S4 斷開，第一開關S1 導通，此時由於第二死區時間TD2 的作用，第三開關S3 還未導通，輸入信號經由第二輸入埠N、第一開關S1 、第三開關S3 的內接二極體、第一電感器L1 和第一輸入埠L形成電流回路。此時第一電感器L1 開始被正向充電，第一電感器電流IL 開始增加，第三開關S3 由於被其內接二極體箝位，其漏源電壓VdsS3 幾乎為零。
第5圖示出無橋PFC變換器100在時刻t1 ~時刻t2 的工作狀態。
在第3圖所示的時刻t1 ~時刻t2 ：如第3圖所示，t1 時刻，第二死區時間TD2 結束，第三開關S3 導通，第四開關S4 斷開，同時保持第一開關S1 導通，保持第二開關S2 斷開，輸入信號經由第一輸入埠L、第一電感器L1 、第三開關S3 、第一開關S1 和第二輸入埠N形成電流回路，如第5圖所示。此時第一電感器L1 繼續被正向充電，第一電感器電流IL 繼續正向增大。而如前所述，由於第三開關S3 的漏源電壓VdsS3 在時刻t1 時幾乎為零，因此，實現了對第三開關S3 的零電壓開通(Zero-Voltage Switch，ZVS)。
第6圖示出無橋PFC變換器100在時刻t2 ~時刻t3 的工作狀態。
在第3圖所示的時刻t2 ~時刻t3 ：如第3圖所示，第一電感器電流IL 達到其正向電流限值Ilimit-p ，第三開關S3 斷開，同時保持第一開關S1 導通，保持第二開關S2 斷開，第四開關S4 由於第一死區時間TD1 的作用，還未導通。輸入信號經由第一輸入埠L、第一電感器L1 、第四開關S4 的內接二極體、輸出電容器(負載)、第一開關S1 和第二輸入埠N形成電流回路，如第6圖所示。此時第一電感器開始被正向放電，第一電感器電流IL 開始減小。由於此時第四開關S4的內接二極體已導通，故其漏源電壓幾乎為零(圖中未示出)。
第7圖示出無橋PFC變換器100在時刻t3 ~時刻t4 的工作狀態。
在第3圖所示的時刻t3 ~時刻t4 ：如第3圖所示，第三開關S3 繼續斷開，第一死區時間TD1 結束，第四開關S4 導通，同時保持第一開關S1 導通，保持第二開關S2 斷開。此時輸入信號經由第一輸入埠L、經由第一電感器L1 、第四開關S4 、輸出電容器(負載)、第一開關S1 和第二輸入埠N形成電流回路，如第7圖所示。此時第一電感器L1 繼續被放電，第一電感器電流IL 減小至零。而如前所述，由於第四開關S4 的漏源電壓在時刻t3 時幾乎為零，因此，實現了對第四開關S4 的零電壓開通。
第8圖示出無橋PFC變換器100在時刻t4 ~時刻t5 的工作狀態。
在第3圖所示的時刻t4 ~時刻t5 ：如第3圖所示，時刻t4 ，第一電感電流IL 過零，第三開關S3 繼續斷開，由於系統延時的作用，第四開關S4 繼續導通TDELAY1 的時間段，同時保持第一開關S1 導通，保持第二開關S2 斷開。輸入信號經由第二輸入埠N、第一開關S1 、輸出電容器(負載)、第四開關S4 、第一電感器L1 和第一輸入埠L形成電流回路，如第8圖所示。此時第一電感器L1 繼續被放電，第一電感器電流IL 反向增大。
在第3圖所示的時刻t5 ~時刻t6 ：時刻t5 ，系統延時TDELAY1 結束，第四開關S4 被斷開，但由於第二死區時間TD2 的作用，第三開關S3 未導通，同時第二開關S2 斷開，第一開關S1 導通。第一電感器L1 開始被正向充電，第一電感器電流IL 負向減小。輸入信號經由第二輸入埠N、第一開關S1 、第三開關S3 的內接二極體、第一電感器L1 和第一輸入埠L形成電流回路。無橋PFC變換器100的運行狀態回到時刻t0 ~時刻t1 ，並如前所述迴圈，為敍述簡明，這裏不再詳述。
儘管上述第3圖所示的曲線圖，時刻t4 ~時刻t6 的時間段時間較長，但本領域的技術人員應該認識到，該時間段為系統延時和死區時間，其相對於時刻t1 ~時刻t2 的時間段和時刻t3 ~時刻t4 的時間段來說，是非常短的時間 段。第3圖為清晰起見放大的示意圖。
第9圖示出第2圖所示無橋PFC變換器100在交流輸入信號負半周的第一電感器電流波形、各開關管的控制信號波形和第三開關漏源電壓波形。如第9圖所示，IL 是交流輸入信號負半周的第一電感器L1 的電流波形；GS2 、GS3 、和GS4 分別是交流輸入信號負半周的第二開關S2 、第三開關S3 、和第四開關S4 的控制信號波形；以及VdsS4 是交流輸入信號負半周的第四開關S4 的源漏電壓。
在運行過程中，在無橋PFC變換器100的交流輸入信號的負半周，即當第一輸入埠L的輸入值小於第二輸入埠N的輸入值時，控制第一開關S1 持續斷開，控制第二開關S2 持續導通；在第三開關斷開後經過第四死區時間TD4 的時間間隔，控制第四開關S4 導通，相應地，第一電感器被反向充電，第一電感器電流負向增大；當第一電感器電流IL 負向增大到負向電流限值時，控制第四開關S4 斷開，經過第三死區時間TD3 後，控制第三開關S3 導通，則第一電感器被負向放電，第一電感器電流減小。直至第一電感器電流正向過零(由負變正)，之後經過系統設定的第二延時時間間隔TDELAY2 ，控制第三開關S2 斷開。同時由於第四死區時間TD4 的作用，控制第四開關S4 在第三開關S3 斷開後經過TD4 時間之後導通。無橋PFC變換器100進入另一個開關週期。
在一個實施例中，在交流輸入信號的負半周， 同一橋臂上開關管和下開關管互補導通，但兩個開關的導通切換之間存在死區時間。如第三開關S3 和第四開關S4 互補導通，但從第四開關S4 斷開到第三開關S3 的導通存在第三死區時間TD3 的時間間隔，從第三開關S3 斷開到第四開關S4 的導通存在第四死區時間TD4 的時間間隔。
例如，可以設置使得系統設定的第一延時時間間隔TDELAY1 和第二延時時間間隔TDELAY2 相等，即，TDELAY1 =TDELAY2 。
在一個示例性實施例中，例如，可以設置使得第一死區時間TD1 和第三死區時間TD3 的時間長度相等，以及第二死區時間TD2 和第四死區時間TD4 的時間長度相等，即TD1 =TD3 ，和TD2 =TD4 。
然而，在另一個示例性實施例中，例如，可以設置使得第一死區時間TD1 和第二死區時間TD2 的時間長度相等，以及第三死區時間TD3 和第四死區時間TD4 的時間長度相等，即TD1 =TD2 ，和TD3 =TD4 。
上述對於TD1 、TD2 、TD3 、TD4 、TDELAY1 、和TDELAY2 的設置為示例性的，本領域技術人員應該理解，可以根據實際情況對它們進行其他設置。
以下結合第10圖~第14圖具體闡述無橋PFC變換器在交流輸入信號負半周的工作過程。
第10圖示出無橋PFC變換器100在時刻T0 ~時刻T1 的工作狀態。
在第9圖所示的時刻T0 ~時刻T1 ：如第10圖所示，第一開關S1 和第三開關S3 斷開，第二開關S2 導通，此時由於第四死區時間TD4 的作用，第四開關S4 還未導通，輸入信號經由第一輸入埠L、第一電感器L1 、第四開關S4 的內接二極體、第二開關S2 和第二輸入埠N形成電流回路。此時第一電感器L1 開始被反向充電，但由於電感器電流不能突變，因此第一電感器電流IL 正向減小，第四開關S4 由於被其內接二極體箝位，其漏源電壓VdsS4 幾乎為零。
第11圖示出無橋PFC變換器100在時刻T1 ~時刻T2 的工作狀態。
在第9圖所示的時刻T1 ~時刻T2 ：如第9圖所示，時刻T1 ，第四死區時間TD4 結束，第四開關S4 導通，第三開關S3 斷開，同時保持第一開關S1 斷開，保持第二開關S2 導通。輸入信號經由第二輸入埠N、第二開關S2 、第四開關S4 、第一電感器L1 和第一輸入埠L形成電流回路，如第11圖所示。此時第一電感器L1 繼續被反向充電，第一電感器電流IL 開始反向增大。而如前所述，由於第四開關S4 的漏源電壓VdsS4 在時刻T1 時幾乎為零，因此，實現了對第四開關S4 的零電壓開通(Zero-Voltage Switch，ZVS)。
第12圖示出無橋PFC變換器100在時刻T2 ~時刻 T3 的工作狀態。
在第9圖所示的時刻T2 ~時刻T3 ：如第9圖所示，時刻T2 ，第一電感器電流IL 達到其負向電流限值Ilimit-n ，第四開關S4 斷開，同時保持第一開關S1 斷開，保持第二開關S2 導通，第三開關S3由於第三死區時間TD3 的作用，還未導通。輸入信號經由第二輸入埠N、第二開關S2 、輸出電容器(負載)、第三開關S3 的內接二極體、第一電感器L1 、和第一輸入埠L形成電流回路，如第12圖所示。此時第一電感器開始被負向放電，第一電感器電流IL 開始負向減小。由於此時第四開關S3的內接二極體已導通，故其漏源電壓幾乎為零(圖中未示出)。
第13圖示出無橋PFC變換器100在時刻T3 ~時刻T4 的工作狀態。
在第9圖所示的時刻T3 ~時刻T4 ：如第9圖所示，第四開關S4 繼續斷開，第三死區時間TD3 結束，第三開關S3 導通，同時保持第一開關S1 斷開，保持第二開關S2 導通。輸入信號經由第二輸入埠N、第二開關S2 、輸出電容器(負載)、第三開關S3 、第一電感器L1 和第一輸入埠L形成電流回路，如第13圖所示。此時第一電感器L1 繼續被負向放電，第一電感器電流IL 負向減小至零。而如前所述，由於第三開關S3 的漏源電壓在時刻T3 時幾乎為零，因此，實現了對第三開關S3 的零電壓開通。
第14圖示出無橋PFC變換器100在時刻T4 ~時刻T5 的工作狀態。
在第9圖所示的時刻T4 ~時刻T5 ：如第9圖所示，T4 時刻，第一電感電流IL 過零，第四開關S4 繼續斷開，由於系統延時的作用，第三開關S3 繼續導通TDELAY2 的時間段。同時保持第一開關S1 斷開，保持第二開關S2 導通。輸入信號經由第一輸入埠L、第一電感器L1 、第三開關S3 、輸出電容器(負載)、第二開關S2 和第二輸入埠N形成電流回路，如第14圖所示。此時第一電感器L1 繼續被正向放電，第一電感器電流IL 開始正向增大。
在第9圖所示的時刻T5 ~時刻T6 ：時刻T5 ，系統延時TDELAY2 結束，第三開關S3 被斷開，但由於第四死區時間TD4 的作用，第四開關S4 未導通，同時第一開關S1 斷開，第二開關S2 導通。第一電感器L1 開始被充電，第一電感器電流IL 正向減小至零。輸入信號經由第一輸入埠L、第一電感器L1 、第四開關S4 的內接二極體、第二開關S2 和第二輸入埠N形成電流回路。無橋PFC變換器100的運行狀態回到時刻T0 ~時刻T1 ，並如前所述迴圈，為敍述簡明，這裏不再詳述。
儘管上述第9圖所示的曲線圖，時刻T4 ~時刻T6 的時間段時間較長，但本領域的技術人員應該認識到，該時間段為系統延時和死區時間，其相對於時刻T1 ~時刻T2 的時間段和時刻T3 ~時刻T4 的時間段來說，是非常短的時間 段。第9圖為清晰起見放大的示意圖。
可以看到，無橋PFC變換器100在運行過程中，只有2個半導體裝置同時導通，因此大大降低了導通損耗，提高了效率；並且在開關導通切換過程中，還實現了開關的零電壓導通，降低了開關損耗，進一步提高了效率。
第15圖示出輸入信號VIN 、第一電感器電流IL 、第一開關S1 ~第四開關S4 的開關控制信號波形。可以看到，第一電感的正向電流限值和負向電流限值跟隨輸入信號VIN 的瞬時值變化而變化。如第15圖所示，其包絡線呈正弦曲線。為防止輸入信號VIN 過零時，對角開關(如第一開關S1 和第二開關S2 )保持長通，致使輸出電容器電壓驟降，在輸入信號VIN 的過零點附近，第一開關S1 和第二開關S2 均被斷開。即在輸入信號VIN 的負向過零點附近，從第一開關S1 斷開到第二開關S2 導通有第五死區時間TD5 ；在輸入信號VIN 的正向過零點附近，從第二開關S2 斷開到第一開關S1 導通有第六死區時間TD6 。同時，在該第五死區時間TD5 和第六死區時間TD6 內，第三開關S3 和第四開關S4 也被斷開。在一個示例性實施例中，例如，可以設置使得第五死區時間TD5 和第六死區時間TD6 的時間長度相等，即TD5 =TD6 。
第16圖示出根據本發明第二實施例的無橋PFC變換器200。如第16圖所示，無橋PFC變換器200包括第一輸入埠L、第二輸入埠N，用以接收交流輸入信號；輸出埠， 用以提供輸出信號VO ；第一電感器L1 ，耦接在第一輸入埠L和輸出級之間；第二電感器L2 ，耦接在第一輸入埠L和輸出級之間；輸出級，包括並聯耦接的第一橋臂201、第二橋臂202和第三橋臂203，其中第一橋臂201的輸入端耦接至第二輸入埠N，第二橋臂202的輸入端通過第一電感器L1 耦接至第一輸入埠L，第三橋臂203的輸入端通過第二電感器L2 耦接至第一輸入埠L，該第一橋臂201、第二橋臂202和第三橋臂203並聯耦接在輸出埠和參考地之間；輸出電容器CO ，耦接在輸出埠和參考地之間。在一個示例性實施例中，無橋PFC變換器進一步包括負載R，與輸出電容器CO 並聯耦接。
在一個實施例中，第一橋臂201、第二橋臂202、第三橋臂203均包括串聯耦接的上開關管和下開關管。即第一橋臂201包括串聯耦接的第一開關S1 和第二開關S2 ，第二橋臂202包括串聯耦接的第三開關S3 和第四開關S4 ，第三橋臂203包括串聯耦接的第五開關S5 和第六開關S6 。在一個實施例中，第一開關S1 ~第六開關S6 例如為N溝道場效應電晶體(MOSFET)，第五開關S5 ~第六開關S6 還分別包括並聯連接到N溝道場效應電晶體的汲極和柵極的內接二極體。第一開關S1 和第二開關S2 串聯耦接在輸出埠和參考地之間，其串聯耦接點為第一橋臂201的輸入端；第三開關S3 和第四開關S4 串聯耦接在輸出埠和參考地之間，其串聯耦接點為第二 橋臂202的輸入端；第五開關S5 和第六開關S6 串聯耦接在輸出埠和參考地之間，其串聯耦接點為第三橋臂203的輸入端。
可以看到，無橋PFC變換器200的輸出級由兩個全橋拓撲組成，即第由第一橋臂201和第二橋臂202組成的第一全橋拓撲，由第一橋臂201和第三橋臂203組成的第二全橋拓撲。其中第一全橋拓撲和第二全橋拓撲共用第一橋臂201。
無橋PFC變換器200在運行過程中，第一橋臂201的第一開關S1 和第二開關S2 運行於低頻模式，第二橋臂202和第三橋臂203的開關運行於高頻模式。
在一個實施例中，在交流輸入信號的正半周，第一開關S1 持續導通，第二開關S2 持續斷開。此過程中，在第四開關S4 斷開後經過第二死區時間TD2 的時間間隔，控制第三開關S3 導通，相應地，第一電感器被正向充電，第一電感器電流正向增大；當第一電感器電流增大到正向電流限值時，控制第三開關S3 斷開；在第三開關S3 斷開後經過第一死區時間TD1 的時間間隔，第四開關S4 導通，第一電感器被正向放電，第一電感器電流減小；直至第一電感器電流負向過零(由正變負)，之後經過系統設定的第一延時時間間隔TDELAY1 ，第四開關S4 斷開；同時由於第二死區時間TD2 的作用，第三開關S3 在第四開關S4 斷開後TD2 時間導通。同 理，在此過程中，在第六開關S6 斷開後經過第八死區時間TD8 的時間間隔，控制第五開關S5 導通，相應地，第二電感器被正向充電，第二電感器電流正向增大；當第二電感器電流增大到第二正向電流限值時，控制第五開關S5 斷開；在第五開關S5 斷開後經過第七死區時間TD7 的時間間隔，第六開關S6 導通，第二電感器被正向放電，第二電感器電流減小；直至第二電感器電流負向過零(由正變負)，之後經過系統設定的第三延時時間間隔TDELAY3 ，第六開關S6 斷開；同時由於第八死區時間TD8 的作用，第五開關S5 在第六開關S6 斷開後TD8 時間導通。無橋PFC變換器200進入另一個開關週期。
在一個實施例中，在交流輸入信號負半周，第一開關S1 持續斷開，第二開關S2 持續導通。在此過程中，在第三開關斷開後經過第四死區時間TD4 的時間間隔，第四開關S4 導通，相應地，第一電感器被反向充電，第一電感器電流負向增大；當第一電感器電流IL 負向增大到負向電流限值時，控制第四開關S4 斷開，經過第三死區時間TD3 後，第三開關S3 導通，則第一電感器被負向放電，第一電感器電流減小。直至第一電感器電流正向過零(由負變正)，之後經過系統設定的第二延時時間間隔TDELAY2 ，第三開關S2 斷開。同時由於第四死區時間TD4 的作用，第四開關S4 在第三開關S3 斷開後TD4 時間導通。同理，在此過程中，在第五開 關斷開後經過第十死區時間TD10 的時間間隔，第六開關S6 導通，相應地，第二電感器被反向充電，第二電感器電流負向增大；當第二電感器電流IL 負向增大到第二負向電流限值時，控制第六開關S6 斷開，經過第九死區時間TD9 後，第五開關S5 導通，則第二電感器被負向放電，第二電感器電流減小。直至第二電感器電流正向過零(由負變正)，之後經過系統設定的第四延時時間間隔TDELAY4 ，第五開關S5 斷開。同時由於第十死區時間TD10 的作用，第六開關S6 在第五開關S5 斷開後TD10 時間導通。
在一個示例性實施例中，例如，可以設置使得第七死區時間和第九死區時間的時間長度相等，即TD7 =TD9 ，以及第八死區時間和第十死區時間的時間長度相等，即TD8 =TD10 。
然而，在另一個示例性實施例中，例如，可以設置使得第七死區時間和第八死區時間的時間長度可以相等，即TD7 =TD8 ，以及第九死區時間和第十死區時間的時間長度可以相等，即TD9 =TD10 。
上述對於TD7 、TD8 、TD9 、和TD10 的設置為示例性的，本領域技術人員應該理解，可以根據實際情況對它們進行其他設置。
根據上述描述可知，無橋PFC變換器200的工作原理與無橋PFC變換器100的工作原理相同，為敍述簡明， 這裏不再詳述。
第17圖示出根據本發明第三實施例的無橋PFC變換器300。無橋PFC變換器300與無橋PFC變換器100和無橋PFC變換器200結構相似，其輸出級由n個全橋拓撲組成，並且n個全橋拓撲共用第一橋臂301，其中n為任意的自然數。即無橋PFC變換器300包括第一橋臂301、第二橋臂302、第三橋臂303、……、第(n+1)橋臂30(n+1)，其中第一橋臂301和第二橋臂302構成第一全橋拓撲，第一橋臂301和第三橋臂303構成第二全橋拓撲，……，第一橋臂和第(n+1)橋臂構成第n全橋拓撲。第一全橋拓撲通過第一電感器L1 耦接至第一輸入埠L，第二全橋拓撲通過第二電感器L2 耦接至第一輸入埠L，……，第n全橋拓撲通過第n電感器Ln 耦接至第一輸入埠L。
在一個實施例中，第二橋臂302通過第一電感器L1 耦接至第一輸入埠L，第三橋臂303通過第二電感器L2 耦接至第一輸入埠L，……，第(n+1)橋臂30(n+1)通過第n電感器Ln 耦接至第一輸入埠L。
第一橋臂至第(n+1)橋臂的構成與無橋PFC變換器100和無橋PFC變換器200中的橋臂的構成相同，因此，這裏不再贅述。
因此，無橋PFC變換器300的工作原理與無橋PFC變換器100和無橋PFC變換器200的工作原理相同，為敍 述簡明，這裏不再詳述。
需要聲明的是，上述發明內容及具體實施方式意在證明本發明所提供技術方案的實際應用，不應解釋為對本發明保護範圍的限定。本領域技術人員在本發明的精神和原理內，當可作各種修改、等同替換、或改進。本發明的保護範圍以所附申請專利範圍為准。
100‧‧‧無橋PFC變換器
101‧‧‧第一橋臂
102‧‧‧第二橋臂
S1 ‧‧‧第一開關
S2 ‧‧‧第二開關
S3 ‧‧‧第三開關
S4 ‧‧‧第四開關
L‧‧‧第一輸入埠
N‧‧‧第二輸入埠
L1 ‧‧‧第一電感器
CO ‧‧‧電容器
VO ‧‧‧直流信號
R‧‧‧負載

Claims (14)

  1. 一種無橋功率因數校正變換器，包括：第一輸入埠(L)和第二輸入埠(N)，用以接收交流輸入信號；輸出埠，用以提供輸出信號；第一至第n-1電感器，耦接至所述第一輸入埠(L)和輸出級；所述輸出級，包括第一橋臂和第二至第n橋臂，其中，所述第一橋臂的輸入端耦接至所述第二輸入埠(N)，所述第二至第n橋臂的每一個的輸入端分別通過所述第一至第n-1電感器耦接至所述第一輸入埠(L)，所述第一橋臂和所述第二至第n橋臂都並聯耦接在所述輸出埠和參考地之間；以及輸出電容器，耦接在所述輸出埠和參考地之間，其中n是大於等於2的自然數；其中，所述第二橋臂中的第三開關至第n橋臂的中的第三開關具有相同的工作狀態，所述第二橋臂中的第四開關至第n橋臂中的第四開關具有相同的工作狀態，控制所述第二至第n橋臂的每個橋臂中的第三開關和第四開關互補導通，在所述交流輸入信號的正半周，交替導通第三開關和第四開關，在相應電感電流過零時，斷開第四開關，導通第三開關，相應電感被正向充電；直至相應電感電流到達正向電流限值，斷開第三開關，導通第四開關，相應電感反向放 電；直至相應電感電流再次過零；以及在所述交流輸入信號的負半周，在相應電感電流過零時，斷開第三開關，導通第四開關，相應電感負向充電；直至相應電感電流到達負向電流限值，斷開第四開關，導通第三開關，相應電感反向放電；直至相應電感電流再次過零。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的無橋功率因數校正變換器，其中，所述第一橋臂包括串聯耦接的第一開關和第二開關，所述第一開關和所述第二開關的串聯耦接點作為所述第一橋臂的輸入端；所述第二至第n橋臂的每一個均包括串聯耦接的第三開關和第四開關，所述第三開關和所述第四開關的串聯耦接點作為所述第二至第n橋臂的每一個的輸入端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的無橋功率因數校正變換器，其中，所述第一開關和所述第二開關運行於低頻模式；以及所述第二至第n橋臂的每一個中的所述第三開關和所述第四開關運行於高頻模式。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的無橋功率因數校正變換器，其中，在所述交流輸入信號的正半周，控制第一開關 持續導通，控制第二開關持續斷開；以及在所述交流輸入信號的負半周，控制第一開關持續斷開，控制第二開關持續導通。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的無橋功率因數校正變換器，其中，在所述交流輸入信號的正半周，從所述第三開關斷開到所述第四開關導通存在第一死區時間，從所述第四開關斷開到所述第三開關導通存在第二死區時間；在所述交流輸入信號的負半周，從所述第四開關斷開到所述第三開關導通存在第三死區時間，從所述第三開關斷開到所述第四開關導通存在第四死區時間；在所述交流輸入信號的負向過零點附近，從所述第一開關斷開到所述第二開關導通有第五死區時間；和在交流輸入信號的正向過零點附近，從所述第二開關斷開到所述第一開關導通有第六死區時間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的無橋功率因數校正變換器，其中，第一死區時間等於第三死區時間，第二死區時間等於第四死區時間，以及第五死區時間等於第六死區時間。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的無橋功率因數校正變換器，其中，第一死區時間等於第二死區時間，第三死區時 間等於第四死區時間，以及第五死區時間等於第六死區時間。
  8. 如申請專利範圍第2項-第7項的任何一個所述的無橋功率因數校正變換器，其中，所述第一開關至所述第四開關為N溝道場效應電晶體。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的無橋功率因數校正變換器，其中，所述第三開關和所述第四開關還包括並聯連接到N溝道場效應電晶體的柵極和汲極之間的內接二極體。
  10. 一種無橋功率因數校正變換器的控制方法，所述無橋功率因數校正變換器包括：第一輸入埠(L)和第二輸入埠(N)，用以接收交流輸入信號；輸出埠，用以提供輸出信號；第一至第n-1電感器，耦接至所述第一輸入埠(L)和輸出級；所述輸出級，包括第一橋臂和第二至第n橋臂，其中，所述第一橋臂的輸入端耦接至所述第二輸入埠(N)，所述第二至第n橋臂的每一個的輸入端分別通過所述第一至第n-1電感器耦接至所述第一輸入埠(L)，所述第一橋臂和所述第二至第n橋臂都並聯耦接在所述輸出埠和參考地之間，所述第一橋臂包括串聯耦接的第一開關和第二開關，所述第一開關和所述第二開關的串聯耦接點作為所述第一橋臂的輸入端；所述第二至第n橋臂的每一個均包括 串聯耦接的第三開關和第四開關，所述第三開關和所述第四開關的串聯耦接點作為所述第二至第n橋臂的每一個的輸入端；以及輸出電容器，耦接在所述輸出埠和參考地之間，其中n是大於等於2的自然數，所述方法包括：在所述交流輸入信號的正半周，控制第一開關持續導通，控制第二開關持續斷開，並控制所述第二至第n橋臂的每個橋臂中的第三開關和第四開關互補導通；在所述交流輸入信號的負半周，控制第一開關持續斷開，控制第二開關持續導通，並控制所述第二至第n橋臂的每個橋臂中的第三開關和第四開關互補導通；其中，控制所述第二至第n橋臂的每個橋臂中的第三開關和第四開關互補導通，在所述交流輸入信號的正半周，交替導通第三開關和第四開關，在相應電感電流過零時，斷開第四開關，導通第三開關，相應電感被正向充電；直至相應電感電流到達正向電流限值，斷開第三開關，導通第四開關，相應電感反向放電；直至相應電感電流再次過零；以及在所述交流輸入信號的負半周，在相應電感電流過零時，斷開第三開關，導通第四開關，相應電感負向充電；直至相應電感電流到達負向電流限值，斷開第四開關，導通第三開關，相應電感反向放電；直至相應電感電流再次過零。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的控制方法，其中，控制所述第一開關和所述第二開關運行於低頻模式；以及控制所述第二至第n橋臂的每一個中的所述第三開關和所述第四開關運行於高頻模式。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的控制方法，其中，在所述交流輸入信號的正半周，從所述第三開關斷開到所述第四開關導通存在第一死區時間，從所述第四開關斷開到所述第三開關導通存在第二死區時間；在所述交流輸入信號的負半周，從所述第四開關斷開到所述第三開關導通存在第三死區時間，從所述第三開關斷開到所述第四開關導通存在第四死區時間；在所述交流輸入信號的負向過零點附近，從所述第一開關斷開到所述第二開關導通有第五死區時間；和在交流輸入信號的正向過零點附近，從所述第二開關斷開到所述第一開關導通有第六死區時間。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，第一死區時間等於第三死區時間，第二死區時間等於第四死區時間，以及第五死區時間等於第六死區時間。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，第一死區時間等於第二死區時間，第三死區時間等於第四死區時間，以及第五死區時間等於第六死區時間。
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