适用于各种功率因数校正电路的电感-二极管缓冲电路 (1)技术领域
本发明是为一种电感-二极管(L-D)缓冲电路(Snubber)，尤指适用于各种功率因数校正(PFC)电路的L-D缓冲电路。
(2)背景技术
在不断电供电系统(UPS)和通信电源系统中，功率因数校正(PFC)电路输出电压一般都较高，需要用到高压的续流二极管。尤其是不断电供电系统中，功率因数校正的输出常常以正负母线(Bus+、Bus-)的形式出现(如图1所示的三电位PFC电路，其中vin代表输入电压，L代表输入电感，D1~D2代表二极管，C+~C-代表电容，SW代表双向开关)，续流二极管D1~D2承受的是正负母线电压之和，需要用到1000V甚至是1200V电压额定的二极管。实际运作时该高压的续流二极管反向恢复现象比较严重，理论分析和实验结果都显示由二极管反向恢复现象引起的反向恢复损耗和重叠损耗成为整个系统损耗的一个重要来源。要提高电源系统的效率，一个有效办法就是抑制续流二极管的反向恢复现象。
抑制PFC电路中续流二极管反向恢复现象的方法很多，如采用各种主动式缓冲电路和无损吸收电路来限制续流二极管的反向恢复现象。一般来说，主动式缓冲电路由于结构复杂，并不适用于三电位(three-level)PFC电路。
请参阅图2，图2是为一具有无损吸收电路的升压型(Boost)PFC电路架构，通过限制二极管反向恢复电流和开关电源电压的变化率，使该电路的开关损耗和电磁干扰(EMI)噪音得到了有效抑制。其中，LS、Cb、D2和D3组成了开通缓冲电路，而D1和CS组成了截止缓冲电路。这种电路中，主开关元件能在零电压条件下导通，而且几乎能在零电流条件下截止。续流二极管也能在零电压条件下换流。
采用该无损吸收电路后，系统效率会有明显改善。但是该电路结构复杂，所需增加的元件较多，不适用于对成本要求较高的场合。考虑到只需抑制二极管的反向恢复现象，可以将截止缓冲电路去掉，但这样缓冲电感LS的复位就比较困难。因此缓冲电感值只能取得很小，影响了无损吸收电路地效果。
(3)发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于各种PFC电路的L-D缓冲电路，其电感可以限制PFC电路中续流二极管反向恢复电流的变化率，从而减小反向恢复引起的各种开关损耗，其缓冲二极管则为缓冲电感的复位提供能量流通路径。
根据本发明一方面的一种应用于一功率因数校正电路的电感-二极管缓冲电路，包含：一电感；以及一二极管是与该电感并联连接组成该电感-二极管缓冲电路，其中该电感-二极管缓冲电路是与该功率因数校正电路的一主开关元件串联。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一升压型(boost)功率因数校正电路。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一三电位(three-level)功率因数校正电路。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一降压型(buck)功率因数校正电路。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一双升压型(dual-boost)功率因数校正电路。
根据本发明另一方面的一种应用于一功率因数校正电路的电感-二极管缓冲电路，包含：一电感；以及一二极管是与该电感并联连接组成该电感-二极管缓冲电路，其中该电感-二极管缓冲电路是与该功率因数校正电路的一续流二极管串联。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一升压型(boost)功率因数校正电路。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一三电位(three-level)功率因数校正电路。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一降压型(buck)功率因数校正电路。
根据上述的构想，其中该功率因数校正电路是为一双升压型(dual-boost)功率因数校正电路。
本发明的L-D缓冲电路具有结构简单的特点，可适用于各种PFC电路中。
本发明藉由以下列附图与详细说明而可或得一更深入的了解。
(4)附图说明
图1是典型的三电位PFC电路示意图。
图2是现有的具有无损吸收电路的升压型(Boost)PFC电路示意图。
图3是为本发明较佳实施例的L-D缓冲电路与主开关元件串联的Boost PFC电路示意图。
图4为本发明较佳实施例的L-D缓冲电路与续流二极管串联的Boost PFC电路示意图。
图5是为本发明较佳实施例的主开关元件串联L-D缓冲电路时的开关时序示意图。
图6(a)、(b)是为本发明较佳实施例的具有L-D缓冲电路的三电位PFC电路示意图。
图7是为本发明较佳实施例的具有L-D缓冲电路的双升压型(Dual Boost)PFC电路示意图。
(5)具体实施方式
本发明的电感-二极管(L-D)缓冲电路由一电感和一二极管组成，它是由传统的RLD导通缓冲电路演变而来。电感可以限制PFC电路中续流二极管反向恢复电流的变化率，从而减小反向恢复引起的各种开关损耗。缓冲二极管则为缓冲电感的复位提供能量流通路径。L-D缓冲电路省去了传统RLD缓冲电路中的电阻，具有结构简单的特点，非常适用于各种PFC电路中，实验证明具有较好的效果，能有效提高PFC电路的效率。
图3是为一具有L-D缓冲电路的升压型PFC电路架构。在该架构中，L-D缓冲电路与主开关元件Q串联，其中Ls代表缓冲电路的电感，Ds代表缓冲电路的二极管。L-D缓冲用于PFC电路时还有一种架构，即将L-D缓冲电路与续流二极管D串联，如图4所示。传统升压型PFC电路只有一个主开关元件Q和一个续流二极管D，因此不论是跟主开关元件还是跟续流二极管串联，效果都一样，都只需一套L-D缓冲电路。其中，L和C分别代表升压型PFC电路的电感及电容。而对于三电位PFC电路，由于有两个续流二极管，若采用后一种连接方式则需两套L-D缓冲电路。显然从节省成本和结构的简单化方面考虑，L-D缓冲电路应与主开关元件串联。
图5是为主开关元件串联L-D缓冲电路时的开关时序图。图中，vQ为主开关元件的驱动脉冲信号，iL、iQ、iD分别为流经PFC抗流圈(choke)、主开关元件和续流二极管的电流，而iLs和iDs分别为流经缓冲电感和缓冲二极管的电流。下面简要介绍工作原理：
t0时刻，主开关元件Q开始导通，续流二极管D承受反压发生反向恢复现象。PFC choke中的电流和续流二极管D中的反向恢复电流同时流过主开关元件和缓冲电感，缓冲电感LS的存在限制了主开关元件Q和续流二极管D的电流变化率，因此在一定程度上达到了抑制反向恢复的目的。在这期间缓冲电感感应上正下负的电压，缓冲二极管Ds承受反压而处于截止状态。至t1时刻二极管的反向恢复电流达到最大值。
t1时刻以后续流二极管D反向恢复电流开始减小，使得缓冲电感Ls中的电流有减小的趋势从而感应出下正上负的电压，缓冲二极管Ds承受正压导通，缓冲电感中储存的反向恢复能量通过LS-DS回路释放。在这期间，iLs＝iDs+iQ，电流iLs基本呈线性下降趋势，下降斜率为VDs/LS，VDs为缓冲二极管的饱和导通压降。至t2时刻iLs＝iQ，缓冲二极管Ds零电流截止。
t2时刻以后电流通过电源vin、L、LS和主开关元件Q流通，电源提供的大部分能量都储存在PFC choke中，除此之外还有很小一部分能量储存到缓冲电感LS中。在这期间，iL＝iQ＝iLs。
t3时刻主开关管Q截止，PFC choke中的电流通过二极管D续流；同时缓冲电感LS中电流有下降的趋势，感应出下正上负的电压，缓冲二极管DS承受正电压而导通续流，为缓冲电感的复位提供电流流通路径。在这期间，iL＝iD；iLs＝iDs，其电流基本呈线性下降趋势，下降斜率为VDs/LS。
至t4时刻，缓冲电感中储存的能量全部释放完毕，缓冲二极管零电流截止，iLs＝iDs＝0。
t5时刻，进入另一个开关周期，从此周而复始。
以上分析的是L-D缓冲电路的理想工作状况，在该状况中缓冲电感LS能够完全复位。如果缓冲电路的参数选择不是很理想，如缓冲电感过大，或缓冲二极管饱和压降过小，则在主开关元件Q截止期间LS不能复位，即缓冲二极管中电流不能下降到零。这样当新的触发脉冲到来，主开关元件重新导通时，缓冲二极管将承受反压而产生反向恢复，导致额外的开关损耗。虽然DS中的电流不是很大，但已足以对系统效率产生影响，从而限制了L-D缓冲电路的实际效果。
实际采用该L-D缓冲电路来抑制续流二极管的反向恢复时，缓冲电感的数值不宜选得过大；而且缓冲二极管宜选择通态压降较高的器件，以加快缓冲电感的复位速度。
本发明具有结构简单、实际效果好的特点；能方便地应用在各种PFC电路中。列举各种不同较佳实施例如下：
(1)图3所示的Boost PFC主电路架构是本发明的一个实施例。L-D缓冲电路与主开关元件串联。
(2)图4所示的Boost PFC主电路架构是本发明的另一个较佳实施例。L-D缓冲电路与续流二极管串联。
(3)图6所示的三电位PFC主电路架构是本发明的另一个较佳实施例。L-D缓冲电路可与主开关元件串联，亦可与续流二极管串联(图6(b))。用于该场合时L-D缓冲电路最好与主开关元件串联(图6(a))，这样只需一个L-D缓冲单元。
(4)适用于Dual Boost PFC电路中。L-D缓冲电路既可与主开关元件串联，亦可与续流二极管串联。用于该场合时建议L-D缓冲电路与输出单元串联，如图7所示，这样只需一个L-D缓冲单元。
(5)适用于Buck PFC电路中。L-D缓冲电路既可与主开关元件串联，亦可与续流二极管串联。
该L-D缓冲电路还适用于各种Boost、Buck型直流-直流变换器中。L-D缓冲电路既可与主开关元件串联，亦可与续流二极管串联。
综合上述，本发明可提供一种适用于各种PFC电路的L-D缓冲电路，其电感可以限制PFC电路中续流二极管反向恢复电流的变化率，从而减小反向恢复引起的各种开关损耗。其缓冲二极管则为缓冲电感的复位提供能量流通路径。本发明的L-D缓冲电路具有结构简单的特点，非常适用于各种PFC电路中，实验证明具有较好的效果，能有效提高PFC电路的效率。故本发明确实具有工业上实用进步的价值。