CN101640421A - 交流输入电压采样电路、采样方法及无桥pfc电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无桥PFC电路的交流输入电压采样电路，包括火线采样单元和中线采样单元，火线采样单元的输入端与PFC电路的交流输入火线相耦合，中线采样单元的输入端与PFC电路的交流输入中线相耦合，火线采样单元用于获取交流输入火线对控制地的电压信号并转换成交流输入电压正半周信号，中线采样单元用于获取交流输入中线对控制地的电压信号并转换成交流输入电压负半周信号。本发明还公开了该交流输入电压采样电路的采样方法，以及具有该交流输入电压采样电路的无桥PFC电路。采用本发明能够简化采样电路的结构，有效降低产品成本。

Description

交流输入电压采样电路、采样方法及无桥PFC电路

【技术领域】

本发明涉及PFC电路，具体涉及一种用于无桥PFC电路的交流输入电压采样电路、采样方法及具有该采样电路的无桥PFC电路。

【背景技术】

为了提高功率因数，降低输入电流谐波含量，在电力电子设备中大多采用功率因数校正(Power Factor Correction，以下简称PFC)电路进行调节。如图1所示，与传统的带桥式整流电路的PFC电路相比，无桥PFC电路具有以下两个主要优点：

1、电路结构简单；

2、由于不存在输入整流桥，可以减小导通损耗，因而转换效率高。

然而，无桥PFC电路也存在着限制其广泛应用的两个主要缺点：

1、输入共模电磁干扰严重；

2、交流输入电压采样复杂。

现有几种无桥PFC电路的交流输入电压采样方案。

方案a)采用低频变压器

如图3所示，采用低频变压器对交流输入电压进行采样虽然是一种比较简单的方法，但是由于涉及到原、副边绝缘的安规要求，变压器的体积较大。

方案b)采用光电耦合器隔离

如图4所示，采用光电耦合器的方法很容易实现隔离，但是为了使采样电压畸变较小，通常需要使用高线性度的光电耦合器，这将使采样电路变的复杂且成本较高。

方案c)采用差分电路加直流偏置

如图5所示，运用差分放大器只将交流输入电压进行放大，再通过加直流偏置将其变成正的信号；后续可通过数字处理器将偏置减掉，进行数字整流。此方法和有桥PFC的交流采样相比，成本仍然较高。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种结构简单、成本低廉的PFC电路的交流输入电压采样电路和其所使用的采样方法，以及具有该采样电路的无桥PFC电路。

为实现上述目的，本发明提供一种用于PFC电路的交流输入电压采样电路，其特征在于，包括火线采样单元和中线采样单元，所述火线采样单元的输入端与PFC电路的交流输入火线(L线)相耦合，所述中线采样单元的输入端与PFC电路的交流输入中线(N线)相耦合，所述火线采样单元用于获取交流输入火线对控制地的电压信号，并将其转换成交流输入电压正半周信号，所述中线采样单元用于获取交流输入中线对控制地的电压信号，并将其转换成交流输入电压负半周信号。

优选地，

所述火线采样单元包括依次串接的第一滤波电路和第一取正电路，所述中线采样单元包括依次串接的第二滤波电路和第二取正电路，所述第一、二滤波电路分别用于滤除交流输入火线和交流输入中线对控制地的电压信号中的高频分量，所述第一、二取正电路分别用于去除交流输入火线和交流输入中线对控制地的电压信号中的负值部分。

所述第一滤波电路和/或第二滤波电路包括RC滤波电路。

所述第一取正电路和/或第二取正电路包括二极管整流电路。

所述火线采样单元的输出端与所述中线采样单元的输出端相连并共同引出交流输入电压输出端子。

为实现上述目的，本发明还提供一种无桥PFC电路，其特征在于，包括如前所述的交流输入电压采样电路。

本发明还提供一种用于PFC电路的交流输入电压采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、获取交流输入正半周时交流输入火线对控制地的电压信号，以及获取交流输入负半周时交流输入中线对控制地的电压信号；

B1、将交流输入火线对控制地的电压信号和交流输入中线对控制地的电压信号分别转换成交流输入电压正、负半周信号。

优选地，

所述步骤B1中，所述转换包括：

滤除交流输入火线对控制地的电压信号中的高频分量，并去除信号中的负值部分；以及

滤除交流输入中线对控制地的电压信号中的高频分量，并去除信号中的负值部分。

交流输入火线和/或交流输入中线对控制地的电压信号中的高频分量采用RC滤波电路滤除。

交流输入火线和/或交流输入中线对控制地的电压信号中的负值部分采用二极管整流电路去除。

将转换后所得的交流输入电压正、负半周信号经由同一信号端子输出。

本发明有益的技术效果是：

针对无桥PFC电路，本发明采用直接对交流输入火线和交流输入中线对控制地的电压信号进行采样，由于交流输入正半周时L线对控制地的电压信号滤除高频分量的平均值即为正半周输入电压信号，而交流输入负半周期时N线对控制地的电压信号滤除高频分量的平均值即为负半周输入电压信号，因此，只需要利用火线采样单元和中线采样单元分别获取L线和N线对控制地的电压信号，将其中的高频分量滤除并将对信号进行整流取正，即可得出交流输入正、负周的电压信号。采用本发明的电路结构十分简单，能够有效降低采样电路的成本。

【附图说明】

图1为无桥PFC电路原理图；

图2为现有以低频变压器方案采样的电路原理图；

图3为现有以光偶隔离方案采样的电路原理图；

图4为现有以差分加偏置方案采样的电路原理图；

图5为本发明交流输入电压采样电路一种实施例的电路原理图；

图6为本发明交流输入电压采样方法一种实施例的流程图。

【具体实施方式】

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

首先对无桥PFC电路的工作特性进行分析。请参考图1，无桥PFC电路中，第一电感L1和第二电感L2接交流输入的输入电压VS_in，设L1＝L2＝L，交流输入火线AC_L(L线)对控制地的电压为V_{AC_L}，交流输入中线AC_N(N线)对控制地的电压为V_{AC_L}，交流输入正半周时，有：V_{AC_L}＞V_{AC_N}，

开关开通时：

设此时电感电流为i1，线性上升，则

V_{AC_N}＝V_gnd-L(di1/dt)＝-L(di1/dt)            (1)

开关截止时：

设此时电感电流为i2，线性下降，则

V_{A_CN}＝V_gnd-L(di2/dt)＝-L(di2/dt)                       (2)

因为V_{AC_L}＝V_{AC_N}+VS_in                                   (3)

将式(1)(2)代入式(3)，得一个开关周期内

V_{AC_L}＝V_{AC_N}+VS_in＝-L(di1/dt)-L(di2/dt)+VS_in            (4)

对(4)在开关周期内取平均(用<>表示平均)，得

<V_{A_CL}>＝<V_{A_CN}>+<VS_in>＝<-L(di1/dt)-L(di2/dt)>+<VS_in>  (5)

由伏秒平衡知：一个开关周期内<-L(di1/dt)-L(di2/dt)>＝0，且一个开关周期内<VS_in>＝VS_in，

故式(5)等于

<V_{AC_L}>＝VS_in                                           (6)

所以正半周时V_{AC_}L信号的平均值(滤除高频分量)即为输入电压VS_in。

同理可知，负半周期时V_{AC_}N信号的平均值(滤除高频分量)即为输入电压VS_in。

基于以上分析，无桥PFC电路的交流输入电压可以直接对L线和N线进行滤波采样，再通过取正处理即可。

如图5所示，交流输入电压采样电路包括L线采样单元和N线采样单元。L线采样单元包括第一滤波电路和第一取正电路，第一滤波电路采用RC滤波电路，其包括第一滤波电阻R1、第二滤波电阻R2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2，第一取正电路采用二极管整流电路，其包括第一取正二极管D1。其中，第一滤波电阻R1的一端接交流输入L线，第一滤波电阻R1的另一端与第二滤波电阻R2和第一滤波电容C1的一端共接，第一滤波电容C1的另一端接地，第二滤波电阻R2的另一端与第一取正二极管D1的阳极和第二滤波电容C2的一端共接，第二滤波电容C2的另一端接地，第一取正二极管D1的阴极输出交流输入电压VS_in的正半周信号。

N线采样单元与L线采样单元的电路结构相似，其包括第二滤波电路和第二取正电路，第二滤波电路也采用RC滤波电路，其包括第三滤波电阻R3、第四滤波电阻R4、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4，第二取正电路也采用二极管整流电路，其包括第二取正二极管D2。其中，第三滤波电阻R3的一端接交流输入N线，第三滤波电阻R3的另一端与第四滤波电阻R4和第三滤波电容C3的一端共接，第三滤波电容C3的另一端接地，第四滤波电阻R4的另一端与第二取正二极管D2的阳极和第四滤波电容C4的一端共接，第四滤波电容C4的另一端接地，第二取正二极管D2的阴极输出交流输入电压VS_in的负半周信号。

L线采样单元和N线采样单元的输出端通过第一取正二极管D1和第二取正二极管D2的阴极连接在一起，并引出采样电压输出端子。

工作时，分别对L线输入电压信号V_{AC_L}和N线输入电压信号V_{AC_}N进行采样，进而得到交流输入正负半波的状态信息，通过第一、二滤波单元进行滤波，滤除L线和N线对控制地的高频(开关频率)纹波，再通过第一、二取正单元进行信号取正处理。和以往有桥结构整流后再采样的作用相似，信号取正后得到正的馒头波。在正、负半周，L线采样单元和N线采样单元分别将得到的采样波形V_AC-sample，通过采样电压输出端子输出。

本实施例中，L、N线采样单元由同一端子输出采样电压信号V_AC-sample，也可以通过不同端子输出，此时对信号分别进行处理。

本发明在另一方面还提供一种无桥PFC电路，包括如前所述的交流输入电压采样电路，其具体实施的采样电路部分参考本发明采样电路的实施例。

本发明在另一方面还提供一种交流输入电压采样方法，请参考图6，一种实施例包括以下步骤；

获取交流输入正半周时交流输入火线对控制地的电压信号，以及获取交流输入负半周时交流输入中线对控制地的电压信号；

滤除交流输入火线对控制地的电压信号中的高频分量，并去除信号中的负值部分，从而转换成交流输入电压正半周信号；以及

滤除交流输入中线对控制地的电压信号中的高频分量，并去除信号中的负值部分，从而转换成交流输入电压正、负半周信号。

优选地，将转换后所得的交流输入电压正、负半周信号经由同一信号端子输出。

该采样方法更具体的实施原理参见可参考前述交流输入电压采样电路实施例的电路工作原理的说明，此处不再赘述。

本发明中，对交流输入L线和输入N线对控制地的电压信号的滤波方法并不局限于RC滤波，波形取正的方法亦不局限于采用二极管，也可以采用其它方式例如精密整流方式进行整流取正。

本发明交流输入采样电路的结构非常简单，由于L线和N线对控制地的电压是由交流输入电压和开关频率级的纹波组成，交流输入电压的频率比较低，所以采样L线和N线电压信号，将其中的高频分量滤除掉，即可以得到无桥PFC电路交流输入电压的信息。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于无桥PFC电路的交流输入电压采样电路，其特征在于，包括火线采样单元和中线采样单元，所述火线采样单元的输入端与PFC电路的交流输入火线相耦合，所述中线采样单元的输入端与PFC电路的交流输入中线相耦合，所述火线采样单元用于获取交流输入火线对控制地的电压信号，并将其转换成交流输入电压正半周信号，所述中线采样单元用于获取交流输入中线对控制地的电压信号，并将其转换成交流输入电压负半周信号。

2.如权利要求1所述的交流输入电压采样电路，其特征在于，所述火线采样单元包括依次串接的第一滤波电路和第一取正电路，所述中线采样单元包括依次串接的第二滤波电路和第二取正电路，所述第一、二滤波电路分别用于滤除交流输入火线和交流输入中线对控制地的电压信号中的高频分量，所述第一、二取正电路分别用于去除交流输入火线和交流输入中线对控制地的电压信号中的负值部分。

3.如权利要求2所述的交流输入电压采样电路，其特征在于，所述第一滤波电路和/或第二滤波电路包括RC滤波电路。

4.如权利要求2所述的交流输入电压采样电路，其特征在于，所述第一取正电路和/或第二取正电路包括二极管整流电路。

5.如权利要求1所述的交流输入电压采样电路，其特征在于，所述火线采样单元的输出端与所述中线采样单元的输出端相连并共同引出采样电压输出端子。

6.一种无桥PFC电路，其特征在于，包括如前述任意一项权利要求所述的交流输入电压采样电路。

7.一种用于无桥PFC电路的交流输入电压采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、获取交流输入正半周时交流输入火线对控制地的电压信号，以及获取交流输入负半周时交流输入中线对控制地的电压信号；

B1、将交流输入火线对控制地的电压信号和交流输入中线对控制地的电压信号分别转换成交流输入电压正、负半周信号。

8.如权利要求6所述的PFC电路的交流输入电压采样方法，其特征在于，所述步骤B1中，所述转换包括：

滤除交流输入火线对控制地的电压信号中的高频分量，并去除信号中的负值部分；以及

滤除交流输入中线对控制地的电压信号中的高频分量，并去除信号中的负值部分。

9.如权利要求7所述的PFC电路的交流输入电压采样方法，其特征在于，交流输入火线和/或交流输入中线对控制地的电压信号中的高频分量采用RC滤波电路滤除。

10.如权利要求7所述的PFC电路的交流输入电压采样方法，其特征在于，交流输入火线和/或交流输入中线对控制地的电压信号中的负值部分采用二极管整流电路去除。

11.如权利要求6至9任意一项所述的PFC电路的交流输入电压采样方法，其特征在于，将转换后所得的交流输入电压正、负半周信号经由同一信号端子输出。

Images