图腾柱无桥升压型Boost电路及开关电源设备

技术领域

本发明涉及功率因数校正技术领域，尤其涉及一种图腾柱无桥升压型Boost电路及开关电源设备。

背景技术

在开关电源中，通常采用图1所示的整流桥升压型Boost电路以实现对连接电网的电源进行功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)。然而，在每个时刻电流均流经三个半导体功率器件，同时在高频工作条件下，开关管S1和续流二极管D5工作处于硬开关条件下，导致开关管损耗较大，电磁干扰严重。为了减少整流桥造成的损耗，提高电路的效率，目前大部分开关电源均采用图腾柱无桥升压型Boost电路来替换整流桥升压型Boost电路。与整流桥升压型Boost电路相比，腾柱无桥升压型Boost电路具有更高的效率，但是其工频换流阶段的电压变化率dv/dt较大，会引起较大的共模电磁干扰。

目前，针对图腾柱无桥升压型Boost电路换流引起的共模电磁干扰，可以通过降低电压变化率dv/dt来解决，但是降低电压变化率dv/dt必然会增加工频换流时间，而换流时间过长会导致在换流过程中影响输入电流的波形，进而对输入电流的THD(Total HarmonicDistortion，总谐波失真)造成影响。

因此，如何在不影响输入电流的THD的基础上，降低共模电磁干扰是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种图腾柱无桥升压型Boost电路及开关电源设备，可以在保证不影响输入电流波形的前提下，降低共模电磁干扰。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种图腾柱无桥升压型Boost电路，其包括：

电感；

高频桥臂，包括串联的第一开关和第二开关，连接所述第一开关与所述第二开关的第一中点通过所述电感耦接至交流电源的第一端；

工频桥臂，包括串联的第三开关和第四开关，所述工频桥臂与所述高频桥臂并联连接，连接所述第三开关与所述第四开关的第二中点耦接至所述交流电源的第二端；

其中，所述第三开关以及所述第四开关的换流时间大于第一预设时间并小于第二预设时间，所述第一预设时间为40μs。

第二方面，本发明实施例还提供一种开关电源设备，其包括第一方面所述的图腾柱无桥升压型Boost电路。

在本发明提供的图腾柱无桥升压型Boost电路中，输入为交流电源，其通过将第三开关、第四开关的换流时间控制在40μs～200μs之间，不仅可以降低共模电磁造成的干扰，同时还可以确保输入电流的THD不受到影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的有桥升压型Boost电路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路另一结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第三开关、第四开关换流的时序图；

图5为本发明实施例提供的第三开关、第四开关换流的一时序图；

图6为本发明实施例提供的第三开关、第四开关换流的另一时序图；

图7为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图；

图8为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图；

图9为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图；

图10为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图；

图11为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图；

图12为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图2和图3，图2为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路结构示意图；图3为本发明实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路另一结构示意图。如图2和图3所示，图腾柱无桥升压型Boost电路包括：电感L1、高频桥臂和工频桥臂，高频桥臂包括串联的第一开关S1和第二开关S2，同时连接第一开关S1与第二开关S2的第一中点A通过电感L1耦接至交流电源VAC的第一端；工频桥臂包括串联的第三开关和第四开关。其中，第三开关、第四开关可以为图2中的D1和D2，也可以为图3中的S3和S4，工频桥臂与高频桥臂并联连接，同时连接第三开关与所述第四开关的第二中点B耦接至交流电源VAC的第二端。

具体的，由于图腾柱无桥升压型Boost电路的N相对于母线电压负端的换流电压波形，其电压也为工频电压，然而其在换向过程中的电压变化率较大，导致引起较大的共模电磁干扰。虽然可以通过降低电压变化率来解决，但是降低电压变化率必然会增加工频换流时间，导致在换流过程中影响输入电流的波形，进而对输入电流的THD造成影响。因此，通过将第三开关、第四开关的换流时间控制在一定范围内，即将交流时间控制在第一预设时间至第二预设时间之间，便可以在实现降低共模电磁造成的干扰的同时，保证输入电流的THD不受到影响。其中，第一预设时间用于降低电路换流引起的共模电磁干扰，第二预设时间用于保证输入电流的THD不受到影响，第一预设时间可以为40μs。

在一些实施例中，第二预设时间可以为200μs以保证电流中输入电流THD不受到影响，同时第三开关、第四开关的换流时间可以为所述第三开关的电压从0上升至母线电压的时间，或可以为所述第四开关的电压从0上升至母线电压的时间。

在一些实施例中，第一开关S1和第二开关S2可以为但不限于MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、GaN(氮化镓)开关管或SiC(碳化硅)开关管，第三开关、第四开关可以为图2中的二极管D1和二极管D2，也可以为图3中的S3和S4。当第三开关、第四开关为图3中的开关S3和开关S4时，第三开关、第四开关可以为但不限于MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、GaN(氮化镓)开关管或SiC(碳化硅)开关管。

在图2所示的实施例中，正常工作时，当交流电源VAC处于正半周时，二极管D1保持在关断状态，二极管D2保持在导通状态，第一开关S1及第二开关S2交替导通，此时第二开关S2作为主开关管，第一开关S1作为续流开关管。当第二开关S2处于导通状态时，电感L1进行储能；当第一开关S1处于导通状态时，电感L1所存储的能量转移至母线电容C1中。

当交流电源VAC处于负半周时，二极管D1保持在导通状态，二极管D2保持在关断状态，第一开关S1及第二开关S2交替导通，此时第二开关S2作为续流开关管，第一开关S1作为主开关管。当第一开关S1处于导通状态时，电感L1进行储能；当第二开关S2处于导通状态时，电感L1所存储的能量转移至母线电容C1中。

同样的，在图3所示的实施例中，正常工作时，当交流电源VAC处于正半周时，第三开关S3保持在关断状态，第四开关S4保持在导通状态，第一开关S1及第二开关S2交替导通，此时第二开关S2作为主开关管，第一开关S1作为续流开关管。当第二开关S2处于导通状态时，电感L1进行储能；当第一开关S1处于导通状态时，电感L1所存储的能量转移至母线电容C1中。

当交流电源VAC处于负半周时，第三开关S3保持在导通状态，第四开关S4保持在关断状态，第一开关S1及第二开关S2交替导通，此时第二开关S2作为续流开关管，第一开关S1作为主开关管。当第一开关S1处于导通状态时，电感L1进行储能；当在第二开关S2处于导通状态时，电感L1所存储的能量转移至母线电容C1中。

在一些实施例中，在交流电源VAC的极性反转阶段，通过控制第一开关S1或第二开关S2的通断时序以实现调整第三开关和第四开关的换流时间。例如，当交流电源VAC由正半周转向负半周反转的过程中，第三开关由关断转变为导通，第四开关由导通转变为关断，第一开关S1和第二开关S2交替导通，高频桥臂处于工作状态，此时便可以在交流电源VAC的极性反转前控制第一开关S1或第二开关S2的通断时序，也可以在交流电源VAC的极性反转后控制第一开关S1或第二开关S2的通断时序，还可以在交流电源VAC的极性反转前和极性反转后控制第一开关S1或第二开关S2的通断时序，进而便可以实现对第三开关和第四开关的换流时间。

在一些实施例中，如图4所示，在交流电源VAC的极性反转后，通过固定第一开关S1或第二开关S2的工作频率，并控制第一开关S1或第二开关S2的占空比以实现调整第三开关和第四开关的换流时间。具体的，当需要增加第三开关和第四开关的换流时间时，则只需减少第一开关S1或所述第二开关S2的占空比；当需要减少第三开关和第四开关的换流时间时，则只需增大第一开关S1或所述第二开关S2的占空比。

在图4所示的实施例中，图4的上半部分为增加第一开关S1或第二开关S2的占空比以减少第三开关和第四开关的换流时间，图4的下半部分为减少第一开关S1或第二开关S2的占空比以增加第三开关和第四开关的换流时间，从图4中可以看出，图4的上半部分的换流时间小于图4的下半部分的换流时间，与此同时图4的上半部分第一开关S1或第二开关S2的占空比大于图4的下半部分对应开关的占空比。其中，Vbulk为母线电压，Vds为第二中点B处的电压，Vgs为第一开关S1或第二开关S2的栅极电压，t

以交流电源VAC在图3中自正极性反转为负极性的情形为例，如图4所示，当交流电源VAC极性反转后，第三开关由关断转变为导通，第四开关由导通转变为关断，第一开关S1和第二开关S2交替导通，高频桥臂处于工作状态，此时在第一开关S1的栅极在t

在一些实施例中，如图5所示，于交流电源VAC的极性反转后，固定第一开关S1或第二开关S2的导通时间，并控制第一开关S1或第二开关S2的工作频率以实现调整第三开关和第四开关的换流时间。具体的，当需要增加第三开关和第四开关的换流时间时，则只需减少第一开关S1或第二开关S2的工作频率；当需要减少第三开关和第四开关的换流时间时，则只需增大第一开关S1或第二开关S2的工作频率。

在图5所示的实施例中，图5的上半部分为在固定第一开关S1或第二开关S2的导通时间的前提下，增加第一开关S1或第二开关S2的工作频率以减少第三开关和第四开关的换流时间，图5的下半部分为在固定第一开关S1或第二开关S2的导通时间的前提下，减少第一开关S1或第二开关S2的工作频率以增加第三开关和第四开关的换流时间，从图5中可以看出，图5的上半部分的换流时间小于图5的下半部分对应开关的换流时间，与此同时图5的上半部分第一开关S1或第二开关S2的工作频率大于图5的下半部分对应开关的工作频率。其中，Vbulk为母线电压，Vds为第二中点B处的电压，Vgs为第一开关S1或第二开关S2的栅极电压，t

以交流电源VAC在图3中自正极性反转为负极性的情形为例，如图5所示，当交流电源VAC极性反转后，第三开关由关断转变为导通，第四开关由导通转变为关断，第一开关S1和第二开关S2交替导通，高频桥臂处于工作状态，此时在第一开关S1的栅极在t

在一些实施例中，如图6所示，在交流电源VAC的极性反转后，通过固定第一开关S1或第二开关S2的工作频率，并控制第一开关S1或第二开关S2的占空比变化的快慢以实现调整第三开关和第四开关的换流时间。具体的，当需要增加第三开关和第四开关的换流时间时，只需控制第一开关S1或第二开关S2的占空比快速增加至正常值；当需要增加第三开关和第四开关的换流时间时，只需控制第一开关S1或第二开关S2的占空比缓慢增加至正常值。

在图6所示的实施例中，图6的上半部分为在固定第一开关S1或第二开关S2的工作频率的前提下，快速将第一开关S1或第二开关S2的占空比增加至正常值以减少第三开关和第四开关的换流时间，图6的下半部分为在固定第一开关S1或第二开关S2的工作频率的前提下，缓慢将第一开关S1或第二开关S2的占空比增加至正常值以增加第三开关和第四开关的换流时间，从图6中可以看出，图6的上半部分的换流时间小于图6的下半部分对应开关的换流时间，与此同时图6的上半部分第一开关S1或第二开关S2的占空比增加的速度快于图6的下半部分对应开关的占空比增加的速度。其中，Vbulk为母线电压，Vds为第二中点B处的电压，Vgs为第一开关S1或第二开关S2的栅极电压，t

以交流电源VAC在图3中自正极性反转为负极性的情形为例，如图6所示，当交流电源VAC极性反转后，第三开关由关断转变为导通，第四开关由导通转变为关断，第一开关S1和第二开关S2交替导通，高频桥臂处于工作状态，此时在第一开关S1的栅极在t

在一些实施例中，如图7-图12所示，第三开关和/或第四开关连接母线的一端与第二中点B之间并联有电容，以控制第二中点B处电压的变化率，从而更加精确的控制第三开关和第四开关的换流时间。

综上所述，本申请公开的图腾柱无桥升压型Boost电路，输入为交流电源，其通过将第三开关、第四开关的换流时间控制在40μs～200μs之间，不仅可以降低共模电磁造成的干扰，同时还可以确保输入电流的THD不受到影响。

在一些实施例中，本申请实施例还提供了一种开关电源设备，其上述实施例提供的图腾柱无桥升压型Boost电路。再本实施例中，开关电源设备可以是电源适配器、充电宝等，本实施例对此不做具体限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。