氮化物基功率因子校正电路及其实施方法与流程

1.本技术大体上涉及一种功率因子校正(pfc)电路，且更确切地说，涉及使用氮化镓(gan)双向开关的pfc电路。


背景技术：

2.随着电力电子技术的快速发展及其在生活各个方面的广泛应用，电力电子开关电源注入电网的谐波已成为电网中谐波污染的主要来源。为了解决来自电源的谐波污染的问题，广泛使用功率因子校正(pfc)技术。
3.常规地，功率转换电路中一般会用到例如高压硅二极管和晶体管等硅器件。举例来说，硅高压金属氧化物半导体场效应晶体管(si mosfet)已被用作pfc升压电路中的高压开关。由于其高阈值电压，因此硅器件在传导电流时会存储大量电荷，且大量所存储电荷可能不合需要地限制其效率和操作频率，尤其对于一些低压应用。


技术实现要素：

4.本技术的一个目标是提供一种功率因子校正电路，其在广泛范围的输入电压上具有高效率，且具有较小数目的组件。
5.根据本技术的一个方面，本发明提供一种氮化物基功率因子校正(pfc)电路，其用于改进从ac电源到负载的配电效率。所述pfc电路包括：一对第一输入端子和第二输入端子，其耦合到所述ac电源；一对第一输出端子和第二输出端子，其耦合到所述负载；线圈，其具有连接到所述第一输入端子的第一末端；氮化物基双向开关，其具有连接到所述线圈的第二末端的第一传导端子和连接到所述第二输入端子的第二传导端子；第一电容器，其具有连接到所述第一输出端子的第一末端和连接到所述第二输出端子的第二末端；整流电路，其耦合于所述ac电源与所述负载之间；以及控制电路，其具有分别电耦合到所述双向开关的第一控制端子和第二控制端子的第一开关节点和第二开关节点。
附图说明
6.通过参考附图从以下详细描述可以容易地理解本公开的各方面。图示可能未必按比例绘制。也就是说，为了论述的清楚起见，各种特征的尺寸可任意增大或减小。由于制造工艺和公差，本公开中的工艺再现与实际设备之间可存在区别。可在整个图式和具体实施方式中使用共同参考标号来指示相同或类似组件。
7.图1描绘根据本发明的比较实施例的pfc电路的电路图；
8.图2a到2b展示图1的pfc电路中的电流路径，所述电流路径分别处于正半周(即当正电压由ac电源供应时)下的si mosfet的接通状态和断开状态下；图2c和2d展示图1的pfc电路中的电流路径，所述电流路径分别处于负半周下的si mosfet的接通状态和断开状态下；
9.图3描绘根据本发明的一个实施例的pfc电路的电路图；
10.图4a到4b展示图3的pfc电路中的电流路径，所述电流路径分别处于正半周下的双向开关的接通状态和断开状态下；图4c和4d展示图3的pfc电路中的电流路径，所述电流路径分别处于负半周下的双向开关的接通状态和断开状态下；
11.图5描绘根据本发明的一个实施例的电耦合到双向开关的控制电路的方式；
12.图6描绘根据本发明的一个实施例的控制电路的电路框图；
13.图7展示根据本发明的一个实施例的低压差模块的示例性电路图；
14.图8展示根据本发明的一个实施例的步升转换器的示例性电路图；
15.图9展示根据本发明的一个实施例的第一延迟模块的示例性电路图；
16.图10展示根据本发明的一个实施例的第二延迟模块的示例性电路图；以及
17.图11描绘根据本发明的一个实施例的用于实施氮化物基pfc电路的方法的流程图。
具体实施方式
18.在以下描述中，将阐述本公开的优选实例作为应被视为说明性而非限制性的实施例。可省略特定细节以免混淆本公开；然而，编写本公开是为了使所属领域的技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
19.图1描绘根据本发明的比较实施例的pfc电路1'的电路图。如所展示，pfc电路包含：一对第一输入端子int1'和第二输入端子int2'，其被配置成耦合到ac电源p'；以及一对第一输出端子out1'和第二输出端子out2'，其被配置成耦合到负载r'；线圈(或电感器)l'、二极管d1'到d5'、si mosfet s'和电容器c'。
20.二极管d1'到d4'构成全桥式整流器。二极管d1'的阳极在节点n1'处连接到二极管d3'的阴极；二极管d2'的阳极在节点n2'处连接到二极管d4'的阴极；二极管d1'的阴极在节点n3'处连接到二极管d2'的阴极；且二极管d3'的阳极在节点n4'处连接到二极管d4'的阳极。
21.全桥式整流器的节点n1'和n2'分别连接到pfc电路的第一输入端子int1'和第二输入端子int2'。线圈l'的一个末端连接到节点n3'。线圈l'的另一末端连接到二极管d5'的阳极和si mosfet s'的漏极。电容器c'的一个末端连接到二极管d5'的阴极和pfc电路的第一输出端子out1'。电容器c'的另一末端连接到si mosfet s'的源极、全桥式整流器的节点n4'和pfc电路的第二输出端子out2'。
22.图2a到2b展示分别处于正半周(即当正电压由ac电源供应时)下的si mosfet s'的接通状态和断开状态下的pfc电路1'中的电流路径，而图2c和2d展示分别处于负半周(即当负电压由ac电源供应时)下的si mosfet s'的接通状态和断开状态下的pfc电路1'中的电流路径。
23.参考图2a，当pfc电路1'在正半周下操作且si mosfet s'切换到接通状态时，主电流ia经由包含二极管d1'、线圈l'、si mosfet s'和二极管d4'的路径从ac电源的第一端子流动到第二端子。将来自ac电源的输入电压施加到线圈l'，且将能量存储在线圈l'中。通过放电电流将存储在电容器c'中的电荷释放到负载r'，以将输出电压施加到负载r'。
24.参考图2b，当pfc电路在正半周下操作且si mosfet s'切换到断开状态时，主电流ib经由包含并联连接的二极管d1'、线圈l'、二极管d5'、电容器c'和负载r'以及二极管d4'
的路径从ac电源的第一端子流动到第二端子。存储在线圈l'中的能量被释放到电容器c'和负载r'。同时，来自ac电源的输入电压被施加到电容器c'和负载r'。
25.参考图2c，当pfc电路1'在负半周下操作且si mosfet s'切换到接通状态时，主电流ic经由包含二极管d2'、线圈l'、si mosfet s'和二极管d3'的路径从ac电源的第二端子流动到第一端子。将来自ac电源的输入电压施加到线圈l'，且将能量存储在线圈l'中。通过放电电流将存储在电容器c'中的电荷释放到负载r'，以将输出电压施加到负载r'。
26.参考图2d，当pfc电路在负半周下操作且si mosfet s'切换到断开状态时，主电流id经由包含并联连接的二极管d2'、线圈l'、二极管d5'、电容器c'和负载r'以及二极管d3'的路径从ac电源的第二端子流动到第一端子。存储在线圈l'中的能量被释放到电容器c'和负载r'。同时，来自ac电源的输入电压被施加到电容器c'和负载r'。
27.图1中的pfc电路1'具有两个问题。一个问题是当si mosfet s'切换到接通状态时，主电流(ia和ic)必须流动通过两个二极管，且当si mosfet s'切换到断开状态时，主电流(ib和id)必须流动通过三个二极管，这会引起高功率消耗。尤其当输入电压为低时(例如，在从90vac到264vac的范围内)，功率转换效率为低。此外，由于pfc电路是基于si mosfet，拥有si的特性，因此pfc电路的操作频率无法进一步增加，且组件大小无法进一步减小。
28.图3描绘根据本发明的一个实施例的pfc电路10的电路图。如所展示，pfc电路10包括被配置成分别耦合到ac电源p的第一端子和第二端子的一对输入端子in1、in2，以及被配置成耦合到负载rl的一对输出端子out1、out2。pfc电路10进一步包括线圈(或电感器)l、双向开关q、电容器c1和整流电路30。
29.线圈l可具有连接到第一输入端子in1的一个末端。双向开关q可具有连接到线圈l的另一末端的第一传导端子和连接到第二输入端子in2的第二传导端子。电容器c1可具有连接到第一输出端子out1的一个末端和连接到第二输出端子out2的另一末端。
30.整流电路30可具有：第一节点n1，其连接到线圈l的另一末端；第二节点n2，其连接到第二输入端子in2；第三节点n3，其连接到第一输出端子out 1；以及第四节点n4，其连接到第二输出端子out2。
31.优选地，整流电路30可包含连接于线圈l与第一输出端子之间的二极管d1，以便允许电流从线圈l流动到第一输出端子。整流电路30可包含连接于第二输出端子与线圈l之间的二极管d2，以便允许电流从第二输出端子流动到线圈l。整流电路30可包含连接于第二输入端子与第一输出端子之间的二极管d3，以便允许电流从第二输入端子流动到第一输出端子。整流电路30可包含连接于第二输出端子与第二输入端子之间的二极管d4，以便允许电流从第二输出端子流动到第二输入端子。
32.二极管d1可具有通过节点n1连接到线圈l的阳极和通过节点n3连接到第一输出端子的阴极。二极管d2可具有通过节点n4连接到第二输出端子的阳极和通过节点n1连接到线圈l的阴极。二极管d3可具有通过节点n4连接到第二输入端子的阳极和通过节点n3连接到第一输出端子的阴极。二极管d4可具有通过节点n4连接到第二输出端子的阳极和通过节点n2连接到第二输入端子的阴极。
33.图4a到4b展示分别处于正半周(即当正电压由ac电源供应时)下的双向开关q的接通状态和断开状态下的pfc电路10中的电流路径。图4c和4d展示分别处于负半周(即当负电压由ac电源供应时)下的双向开关q的接通状态和断开状态下的pfc电路10中的电流路径。
34.参考图4a，当ac电源供应正输入电压且双向开关q切换到接通状态时，促进主电流ia沿着包含线圈l和双向开关q的电流路径从ac电源的第一端子流动到第二端子(即，从in1到in2)。由ac电源供应的电能存储在线圈l中。通过放电电流将存储在电容器c1中的电荷释放到负载r，以将输出电压施加到负载r。
35.参考图4b，当ac电源供应正输入电压且双向开关q切换到断开状态时，促进主电流ib沿着包含并联连接的线圈l、二极管d1、电容器c1和负载r以及二极管d4的电流路径从ac电源的第一端子流动到第二端子(即，从in1到in2)。存储在线圈l中的能量被释放到电容器c1和负载r。同时，来自ac电源的输入电压被施加到电容器c1和负载r。
36.参考图4c，当ac电源供应负输入电压且双向开关q切换到接通状态时，促进主电流ic沿着包含双向开关q和线圈l的电流路径从ac电源的第二端子流动到第一端子(即，从in2到in1)。由ac电源供应的电能存储在线圈l中。通过放电电流将存储在电容器c中的电荷释放到负载r，以将输出电压施加到负载r。
37.参考图4d，当ac电源供应负输入电压且双向开关q切换到断开状态时，促进主电流id沿着包含并联连接的二极管d3、电容器c和负载r、二极管d2和线圈l的电流路径从ac电源的第二端子流动到第一端子。存储在线圈l中的能量被释放到电容器c和负载r。同时，来自ac电源的输入电压被施加到电容器c和负载r。
38.从图4a到4d中可以看出，由本发明提供的图3的无桥式pfc电路10具有比图1的常规pfc电路1'更简单的电路拓扑。当双向开关q切换到接通状态时，不存在流动通过二极管的电流；且当双向开关q切换到断开状态时，电流仅流动通过一个二极管。因此，可极大地减少功率消耗，且可极大地增加功率转换效率。gan晶体管的使用还可增加操作频率且减小组件大小。
39.双向开关q可为氮化物基双栅极，所述氮化物基双栅极具有：漏极(d)电极，其为第一传导端子；源极(s)电极，其为第二传导端子；第一栅极(g1)电极，其为第一控制端子；以及第二栅极(g2)电极，其为第二控制端子。氮化物基双栅极晶体管为氮化物基双栅极高电子迁移率晶体管(hemt)。氮化物基双栅极hemt为氮化物基双栅极增强型(e型)hemt。氮化物基双栅极e型hemt为algan/gan双栅极e型hemt。
40.为了在两个方向上接通开关q，也就是说，以双向方式接通开关q，跨越开关q的第一栅极电极和源极电极施加的电压v
g1s
以及跨越开关q的第二栅极电极和漏极电极施加的电压v
g2d
应同时大于双向开关q的阈值电压v
th
。为了在两个方向上断开开关q，也就是说，以双向方式断开开关q，电压v
g1s
和电压v
g2d
应同时小于阈值电压v
th
。换句话说，为了操作双向开关q，电压v
g1s
和v
g2d
应同步且大体上彼此相等，即，v
g1s
＝v
g2d
。
41.参考图5，pfc电路10可进一步包含控制电路50，所述控制电路电耦合到双向开关q的第一控制端子和第二控制端子，并且被配置成用于以双向方式控制开关q。控制电路50可包括：功率输入节点vcc，其被配置成用于电连接到dc电源(未展示)；接地节点gnd，其被配置成用于电连接到接地gnd；第一开关节点sw1，其被配置成用于将第一开关信号v
sw1
传输到双向开关q的第一控制端子(即，第一栅极电极g1)；第二开关节点sw2，其被配置成用于将第二开关信号v
sw2
传输到双向开关q的第二控制端子(即，第一栅极电极g1)；以及参考节点ref，其被配置成用于电连接到双向开关q的第一传导端子(即，漏极电极d)，且将参考电压v
ref
提供到双向开关q的第二传导端子(即，漏极电极d)。跨越第一栅极电极和开关q的源极
施加的电压v
g1s
可接着由v
g1s
＝v
sw1
给出。跨越第二栅极电极和开关q的漏极电极施加的电压v
g2d
可接着由v
g2d
＝v
sw2-v
ref
给出。
42.图6描绘根据本发明的一个实施例的控制电路50的电路框图。为简单起见，具有相同功能性的端子/节点，例如输入端子、输出端子、参考端子、内部电源端子、来自不同模块/电路的内部接地端子，将在相关块内用相同的标记表示，例如“in”、“out”、“ref”、“ip”和“ig”。
43.参考图6，控制电路50可包括被配置成用于产生用于控制双向开关q的主控信号vctrl的控制器51。控制器51可包括内部电源(ip)端子、内部接地(ig)端子和控制输出(ctrl)端子。内部电源端子可连接到控制电路50的vcc节点；内部接地端子可连接到控制电路50的gnd节点。控制输出端子可被配置成传输主控信号vctrl。
44.控制电路50可进一步包括低压差模块52，所述低压差模块被配置成用于接收dc电源且产生稳定电压vdd。低压差模块52可具有输入(in)端子、输出(out)端子和内部接地(ig)端子。低压差模块52的输入端子可连接到控制电路50的vcc节点。低压差模块52的内部接地端子可连接到控制电路50的gnd节点。低压差模块52的输出端子可被配置成传输稳定电压vdd。
45.控制电路50可进一步包括步升转换器53，所述步升转换器连接到低压差模块52且被配置成用于接收稳定电压vdd且产生步升电压vee。步升转换器52可具有输入(in)端子、输出(out)端子和内部接地(ig)端子。步升转换器53的输入端子可连接到低压差模块52的输出端子。步升转换器53的内部接地端子可连接到控制电路50的ref节点。步升转换器53的输出端子可被配置成用于传输步升电压vee。
46.控制电路50可进一步包括非隔离驱动器54，所述非隔离驱动器连接到控制器51和低压差模块52，且被配置成用于接收主控信号vctrl和稳定电压vdd，且产生驱动信号v
dr1
。非隔离驱动器54可具有输入(in)端子、输出(out)端子、内部电源端子(ip)、次级内部电源端子(ip2)、初级内部接地(ig1)端子和次级内部接地(ig2)。非隔离驱动器54的输入端子可连接到控制器51的控制输出端子。非隔离驱动器54的内部电源端子可连接到低压差模块52的输出端子。非隔离驱动器54的内部接地端子可连接到控制电路50的gnd节点。非隔离驱动器54的输出端子可被配置成传输驱动信号v
dr1
。
47.控制电路50可进一步包括延迟模块55，所述延迟模块连接到非隔离驱动器54，且被配置成用于接收驱动信号v
dr1
，且产生到双向开关q的第一控制端子(g1)的开关信号v
sw1
。延迟模块55可包括输入(in)端子和输出(out)端子。延迟模块55的输入端子可连接到驱动器54的输出端子。延迟模块55的输出端子可连接到控制电路50的第一开关节点sw1。
48.控制电路50可进一步包括隔离驱动器56，所述隔离驱动器连接到控制器51、低压差模块52和步升转换器53，且被配置成用于接收主控信号vctrl、稳定电压vdd和步升电压vee，且产生驱动信号v
dr2
。隔离驱动器56可具有输入(in)端子、输出(out)端子、初级内部电源(ip1)端子、次级内部电源(ip2)端子、初级内部接地(ig1)端子和次级内部接地(ig2)端子。隔离驱动器56的输入端子可连接到控制器51的控制输出端子。隔离驱动器56的初级内部电源端子可连接到低压差模块52的输出端子。隔离驱动器56的次级内部电源端子可连接到步升转换器53的输出端子。隔离驱动器56的初级内部接地端子可连接到控制电路50的gnd节点。隔离驱动器56的次级内部接地可连接到控制电路50的ref节点。隔离驱动器56的
输出端子可被配置成传输驱动信号v
dr2
。
49.控制电路50可进一步包括延迟模块57，所述延迟模块连接到隔离驱动器56，且被配置成用于接收驱动信号v
dr2
，且产生到双向开关q的第二控制端子(g2)的开关信号v
sw2
。延迟模块57可包括输入(in)端子和输出(out)端子。延迟模块57的输入端子可连接到隔离驱动器56的输出端子。延迟模块55的输出端子可连接到控制电路50的第二开关节点sw2。
50.图7展示根据本发明的一个实施例的低压差模块52的示例性电路图。如所展示，低压差模块52可包含低压差稳压器(ldo)、电容器c2和电容器c3。低压差稳压器ldo可具有连接到低压差模块52的输入端子的输入、连接到低压差模块52的输出端子的输出和连接到低压差模块52的内部接地端子的接地。电容器c2可具有连接到低压差模块52的输入端子的一个末端和连接到低压差模块52的内部接地端子的另一末端。电容器c3可具有连接到低压差模块52的输出端子的一个末端和连接到低压差模块52的内部接地端子的另一末端。
51.图8展示根据本发明的一个实施例的步升转换器53的示例性电路图。如所展示，步升转换器53可包含二极管d5和电容器c4。二极管d5可具有连接到步升转换器53的输入端子的阳极和连接到步升转换器53的输出端子的阴极。电容器c4可具有连接到步升转换器53的输出端子的一个末端和连接到步升转换器53的内部接地端子的另一末端。
52.图9展示根据本发明的一个实施例的延迟模块55的示例性电路图。如所展示，延迟模块55可包含电阻器r1、电阻器r2和二极管d6。电阻器r1可具有连接到延迟模块55的输入端子的一个末端和连接到二极管d6的阴极的另一末端。电阻器r2可具有连接到延迟模块55的输入端子的一个末端和连接到延迟模块55的输出端子的另一末端。二极管d6可具有连接到延迟模块55的输出端子的阳极。
53.图10展示根据本发明的一个实施例的延迟模块57的示例性电路图。如所展示，延迟模块57可包含电阻器r3、电阻器r4和二极管d7。电阻器r3可具有连接到延迟模块57的输入端子的一个末端和连接到二极管d7的阴极的另一末端。电阻器r4可具有连接到延迟模块57的输入端子的一个末端和连接到延迟模块57的输出端子的另一末端。二极管d7可具有连接到延迟模块57的输出端子的阳极。
54.线圈l的电感可在约100μh到1000μh的范围内变化。电容器c1的电容可在约100μf到470μf的范围内变化；电容器c2的电容可在约1μf到10μf的范围内变化；电容器c3的电容可在约1μf到10μf的范围内变化；且电容器c4的电容可在约1μf到10μf的范围内变化。
55.电阻器r1的电阻可在约1ω到20ω的范围内变化；电阻器r2的电阻可在约10ω到1000ω的范围内变化；电阻器r3的电阻可在约1ω到20ω的范围内变化；且电阻器r4的电阻可在约10ω到1000ω的范围内变化。优选地，电阻器r1、电阻器r2、电阻器r3和电阻器r4是可调整电阻器，例如变阻器。
56.在一些实施例中，氮化物基双向开关q和控制电路50可集成在集成电路(ic)芯片中。在一些实施例中，线圈l、氮化物基双向开关q、电容器c1和整流电路30可集成在集成电路(ic)芯片中。在一些实施例中，线圈l、氮化物基双向开关q、电容器c1、整流电路30和控制电路50可集成在集成电路(ic)芯片中。
57.图11描绘根据本发明的一个实施例的用于实施氮化物基pfc电路的方法的流程图。氮化物基pfc电路可具有一对第一输入端子和第二输入端子、一对第一输出端子和第二输出端子、线圈、氮化物基双向开关、电容器、整流电路和控制电路。参考图11，方法可包括
以下步骤：
58.s1102：将线圈的第一末端连接到第一输入端子；
59.s1104：将氮化物基双向开关的第一传导端子连接到线圈的第二末端，且将氮化物基双向开关的第二传导端子连接到第二输入端子；
60.s1106：将第一电容器的第一末端连接到第一输出端子，且将第一电容器的第二末端连接到第二输出端子；
61.s1108：通过以下操作来实施整流电路：在线圈与第一输出端子之间连接第一二极管；在第二输出端子与线圈之间连接第二二极管；在第二输入端子与第一输出端子之间连接第三二极管；以及在第二输出端子与第二输入端子之间连接第四二极管；
62.s1110：实施控制电路，且将控制电路的第一开关节点连接到双向开关的第一控制端子，且将控制电路的第二开关节点连接到双向开关的第二控制端子。
63.控制电路的实施可包括以下步骤：
64.s1202：配置控制器以产生主控信号；
65.s1204：配置低压差模块以接收dc电源且产生稳定电压；
66.s1206：将步升转换器连接到低压差模块，且配置步升转换器以接收稳定电压且产生步升电压；
67.s1208：将非隔离驱动器连接到控制器和低压差模块，且配置非隔离驱动器以接收主控信号和稳定电压且产生第一驱动信号；
68.s1210：将第一延迟模块连接到非隔离驱动器，且配置第一延迟模块以接收第一驱动信号且产生到双向开关的第一控制端子的第一开关信号；
69.s1212：将隔离驱动器连接到控制器、低压差模块和步升转换器，且配置隔离驱动器以接收主控信号、稳定电压和步升电压且产生第二驱动信号；以及
70.s1214：将第二延迟模块连接到隔离驱动器，且配置第二延迟模块以接收第二驱动信号且产生到双向开关的第二控制端子的第二开关信号。
71.选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，由此使得所属领域的其它技术人员能够理解本发明的各种实施例以及具有适合于所预期的特定用途的各种修改。虽然本文中公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作加以描述，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非在本文中特定指示，否则操作的次序和分组并非限制性的。虽然本文中公开的设备已参考特定结构、形状、材料、物质组成和关系等等加以描述，但这些描述和说明并非限制性的。可进行修改以将特定情形适用于本公开的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在所附权利要求书的范围内。