CN101924481B - 一种pfc整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种PFC整流电路，包括：DC电压输入模块、谐振模块、第一开关管Q1和DC电压输出模块；其中，所述第一开关管Q1的发射极连接到所述DC电压输入模块的负极输出端、集电极连接到所述谐振模块的第一端，基极连接控制器以接收开关管控制信号；所述DC电压输入模块的正极输出端连接到所述谐振模块的第二端；所述DC电压输出模块连接到所述谐振模块的第三端以输出PFC校正和稳流稳压调节后的DC电压。实施本发明的PFC整流电路，不但电路简单、成本较低、效率较高，同时又能实现PFC校正和稳流稳压调节。更进一步地，该PFC电路还可同时用于AC/DC转换电路和DC/DC转换电路中实现PFC校正和稳流稳压调节。

Description

一种PFC整流电路
技术领域
本发明涉及整流电路，更具体地说，涉及一种PFC(power factor correction)整流电路。
背景技术
电力电子装置的大量频繁使用给电网造成了很严重的谐波污染。因此目前广泛采用的AC-DC转换电路一般都需要采用PFC校正。图1示出了常见的AC/DC整流电路，所述AC/DC整流电路采用双级变换，第一级实现PFC校正，第二级实现DC/DC隔离和稳压稳流调节(即使在原副边不需要隔离的情况下，也需要使用多个电子元器件进行稳流稳压调节)。如图1所示，为完成PFC校正和稳压稳流调节，需要用到多个电子元器件，因此电路设计复杂、成本较高并且效率较低。
因此需要一种电路简单、成本较低、效率较高，同时又能实现PFC校正和稳流稳压调节的PFC整流电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的电路设计复杂、成本较高并且效率较低缺陷，提供一种电路简单、成本较低、效率较高，同时又能实现PFC校正和稳流稳压调节的PFC整流电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种PFC整流电路，包括：DC电压输入模块、谐振模块、第一开关管Q1和DC电压输出模块；
其中，所述第一开关管Q1的发射极连接到所述DC电压输入模块的负极输出端、集电极连接到所述谐振模块的第一端，基极连接控制器以接收开关管控制信号；
所述DC电压输入模块的正极输出端连接到所述谐振模块的第二端；所述DC电压输出模块连接到所述谐振模块的第三端以输出PFC校正和稳流稳压调节后的DC电压。
在本发明所述的PFC整流电路的第一实施例中，所述谐振模块包括变压器T1和谐振电容C2，所述第一开关管Q1的发射极和集电极之间反并联二极管D5；
其中所述变压器T1的原边第一端连接到所述DC电压输入模块的正极，原边第二端连接到所述第一开关管Q1的集电极，所述变压器T1的副边第一端连接到DC电压输出模块的输出正极，副边第二端连接到DC电压输出模块的输出负极；
所述谐振电容C2连接在所述变压器T1的原边第一端和原边第二端之间。
在本发明所述的PFC整流电路的第二实施例中，所述谐振模块包括变压器T1和谐振电容C2，所述第一开关管Q1是MOS管；
其中所述变压器T1的原边第一端连接到所述DC电压输入模块的正极，原边第二端连接到所述MOS管Q1的漏极，所述变压器T1的副边第一端连接到DC电压输出模块的输出正极，副边第二端连接到DC电压输出模块的输出负极；
所述谐振电容C2连接在所述变压器T1的原边第一端和原边第二端之间。
在本发明所述的PFC整流电路的第一和第二实施例中，所述DC电压输入模块包括交流整流桥和高频电容C1，所述交流整流桥的输入端连接到电网电压，输出端分别与所述高频电容C1的两端相连。
在本发明所述的PFC整流电路的第一和第二实施例中，所述DC电压输出模块包括直流整流桥和直流电容DC1，所述直流整流桥的输入端连接到所述变压器T1的输出端，所述直流整流桥的正极输出端连接到直流电容DC1的正极、负极输出端连接到直流电容DC1的负极进而输出PFC校正和稳流稳压调节后的DC电压。
在本发明所述的PFC整流电路的第三实施例中，所述谐振模块包括并联的谐振电感L1和谐振电容C5，所述第一开关管Q1是MOS管；
其中所述谐振电容C5的正极连接到所述DC电压输入模块的正极输出端，所述谐振电容C5的负极连接所述DC电压输出模块；
所述谐振电感L1的抽头端连接到所述MOS管Q1的漏极。
在本发明所述的PFC整流电路的第三实施例中，所述DC电压输出模块包括二极管D1和直流电容DC1，其中所述二极管D1的阳极连接到所述谐振电容C5的负极，阴极连接到所述直流电容DC1的正极，所述直流电容DC1的负极连接到所述DC电压输入模块的负极输出端。
在本发明所述的PFC整流电路的第四实施例中，所述DC电压输出模块包括MOS管Q2和直流电容DC1；其中所述直流电容DC1的负极连接到所述DC电压输入模块的负极输出端，所述直流电容DC1的正极连接到所述MOS管Q2的漏极，所述MOS管Q2的源极连接到所述谐振电容C5的负极，门极连接到控制器以接收控制信号。
在本发明所述的PFC整流电路的第三和第四实施例中，所述DC电压输入模块为直流电源。
在本发明所述的PFC整流电路的第五实施例中，所述DC电压输入模块包括交流整流桥和高频电容C1，所述交流整流桥的输入端连接到电网电压，输出端分别与所述高频电容C1的两端相连。
实施本发明的PFC整流电路，不但电路简单、成本较低、效率较高，同时又能实现PFC校正和稳流稳压调节。更进一步地，该PFC电路还可同时用于AC/DC转换电路和DC/DC转换电路中实现PFC校正和稳流稳压调节。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术的AC/DC整流电路的电路原理图；
图2是本发明的PFC整流电路的原理框图；
图3是本发明的PFC整流电路的第一实施例的电路原理图；
图4是本发明的PFC整流电路的第二实施例的电路原理图；
图5是本发明的PFC整流电路的第三实施例的电路原理图；
图6是本发明的PFC整流电路的第四实施例的电路原理图。
具体实施方式
图2是本发明的PFC整流电路的原理框图。如图2所示，本发明的一种PFC整流电路，包括DC电压输入模块100、谐振模块200、第一开关管Q1和DC电压输出模块300。其中，所述第一开关管Q1的发射极连接到所述DC电压输入模块100的负极输出端、集电极连接到所述谐振模块200的第一端，基极连接控制器以接收开关管控制信号；所述DC电压输入模块100的正极输出端连接到所述谐振模块200的第二端；所述DC电压输出模块300连接到所述谐振模块200的第三端以输出PFC校正和稳流稳压调节后的DC电压。
本领域技术人员知悉，上述各个模块可以采用本领域已知的任何电路模块来实现。譬如，所述DC电压输入模块100可以采用蓄电池、AC/DC转换器或其他可以产生DC电压的元件、模块或电路。所述谐振模块200可采用LC谐振电路、LRC谐振电路等可产生谐振的模块或电路。
比较图2的本发明和图1的现有技术，可以看出本发明单级电路实现了PFC校正和输出电压的调节，电路简单，成本较低。并且由于开关Q1管的开通和关断均实现了零电压，这样电路的效率较高。
图3是本发明的PFC整流电路的第一实施例的电路原理图。如图3所示，二极管D1-D4组成的交流整流桥、高频电容C1组成了图2中示出的DC电压输入模块100。其中所述交流整流桥的第一输入端和第二输入端连接到电网电压，第一输出端和第二输出端分别与高频电容C1的两端相连，为本发明的PFC电路提供高频回路。变压器T1为开气隙的变压器，用来提供隔离变压和谐振电感。变压器T1和谐振电容C2组成了图2中示出的谐振模块200。开关管Q1是带反并联二极管D5的开关管，其发射极与二极管D5的阳极相连，集电极连接到二极管D5的阴极，基极接地。所述变压器T1的副边输出端连接到由直流整流桥和直流电容DC1构成的DC电压输出模块300。Controller为AC/DC整流器的控制器。整个电路的工作原理如下：
开关管Q1开通，流过开关管Q1的I1电流正方向逐渐增加，当达到Ton的时间，开关管Q1关闭，变压器T1中磁场能量与谐振电容C2形成谐振，谐振电容C2上电压Vc2由上正下负谐振变为下正上负，磁场能量变为电场能量，然后继续谐振，谐振电容C2与变压器T1形成回路，将电场能量又变为磁场能量，变压器T1中的电流反向，谐振电容C2上的负向电压逐渐减小，并磁场能量将谐振电容C2重新变为上正下负，当Vc2大于Vc1时，I1电流将反向，通过开关管Q1反并联的二极管D5形成回路，此时开关管Q1允许重新开通，实现了ZVS零电压开通。从控制时序上可以看到，开关管Q1的Ton时间长短，决定了总的传递能量的多少，调节开关管Q1的开通长短，则可以调节输出的电压。开关管Q1的Toff时间是由谐振来决定的，它是随工作状态的变化而变化。所以整个电路的控制是PFM即调频模式。副边的全桥整流，在开关管Q1的开通或关断，均可以得到能量。由于电容C1为高频电容，它上面的电压波形为全波整流后波形，开关管Q1的开关频率远高于市电频率，在正弦波的整个周期，均形成了高频的谐振波形，即输入电流的包络仍为正弦波，高频电容C1旁路高频电流后，在市电输入端可以看到电流是与电压同相的正弦波，即实现了输入电流的PFC校正。
比较图3示出的本发明和图1的现有技术，可以看出，图3示出的PFC电路利用了变压器的激磁电感和漏感形成了谐振电感，与谐振电容一起形成谐振回路。该PFC电路在软启动开启时，工作在定宽调频的模式，逐渐建立输出电压，避免对开关管Q1的电流冲击，特别是在负载过大或输出短路时，电路将退出调频工作模式，进入PWM调宽工作模式，避免过大的电流。
图4是本发明的PFC整流电路的第二实施例的电路原理图。比较图3和图4可以看出，其基本原理和电路相同，区别在于，在图4示出的实施例中，采用MOS管代替了开关管，这样可利用其本身的体二极管形成回路，而无需使用到反并联二极管。
图5是本发明的PFC整流电路的第三实施例的电路原理图。如图5所示，其DC电压输入模块100可以是直流电池。本领域技术人员知悉，也可采用如图3和4中示出的二极管D1-D4组成的交流整流桥、高频电容C1来构成DC电压输入模块100。本发明并不受到DC电压输入模块100的具体组成的限制。在本实施例中，图2中示出的谐振模块200由谐振电容C5和谐振电感L1构成。DC电压输出模块300可包括二极管D1的直流电容DC1。这是由于，在原副边不需要隔离的情况之下，可以使用谐振电感L1来取代变压器T1，形成典型的升压电路，特别是可利用谐振电感L1的抽头形成升压变比，可以选取比较耐压较低的MOS管，其Rdson较小，导通损耗较低，并低压的MOS管成本也较低。如图所示，MOS管Q1的门极接收MOS管控制信号，源极连接到电池的负极，漏极连接到所述谐振电感L1的抽头端。
图5示出的电路的放电原理如下：利用MOS管Q1的开通，谐振电感L1和谐振电容C5构成的谐振回路储能，在MOS管Q1关断时，谐振电感L1产生左负右正的电压，并是谐振电压波形，给谐振电容C5反向充电，当电压超过输出电压VDC1时，二极管D1导通给直流电容DC1补充能量，当谐振电容C5上的电压重新被谐振回箝位电压nVbattery时，(n为电感抽头的变比)，MOS管Q1内的体二极管导通，形成续流回路，此时MOS管Q1可以重新开通。控制MOS管Q1的开通时间，就控制了馈入能量的大小。
图6是本发明的PFC整流电路的第四实施例的电路原理图。图6示出的电路与图5基本相同，其区别在于：如图6所示，将二极管D1换成开关器件如MOS管Q2(或IGBT)，就可以形成DC/DC的双向变换器，电池的放电回路同图5，放电原理也同上。
充电时，利用MOS管Q2的开通，给谐振电感L1和谐振电容C5构成的谐振回路储能，MOS管Q2关断时，谐振电感L1和谐振电容C5谐振，并将储能释放给电池，同时在谐振到开关管Q1内的二极管开通时，开通开关管Q1，并让开关管Q1形成正向的电流，然后开关管Q1关断，在MOS管Q2的体二极管导通时，重新开通MOS管Q2。可见MOS管Q1、Q2均可以实现零开关，调节MOS管Q1、Q2的导通时间的比例，就可以实现平均电流流动的方向控制，从而实现了充电和放电的控制，由于是零开关，变换电路的效率可以很高。
由此可见，采用本发明的PFC整流电路，采用单级电路实现了PFC校正和输出电压的调节，电路简单，成本较低。并且由于开关Q1管的开通和关断均实现了零电压，这样电路的效率较高。此外，在本发明的PFC电路利用了变压器的激磁电感和漏感形成了谐振电感，与谐振电容一起形成谐振回路。该PFC电路在软启动开启时，工作在定宽调频的模式，逐渐建立输出电压，避免对开关管Q1的电流冲击，特别是在负载过大或输出短路时，电路将退出调频工作模式，进入PWM调宽工作模式，避免过大的电流。
此外，本发明的PFC电路还可以工作在不隔离的状态，将变压器换成电感，整流桥换成二极管，形成典型的谐振Boost升压电路。控制MOS管Q1的开通时间长短，可以控制馈入能量的多少，从而实现升压的输出电压控制。由于其实现了零电压开关，故效率较高。
在不隔离的升压电路上，将升压二极管换成MOS管Q2就可以形成电流双向流动的电路。MOS管Q1为升压的开关管，MOS管Q2为降压的开关管。控制MOS管Q1和Q2的开通时间，就可以控制平均电流流动的方向，该电路特别适合于电池的充放电控制上。由于其充放电均实现了零电压开关，故而充放电效率较高。

Claims (1)

1.一种PFC整流电路，其特征在于，包括：DC电压输入模块（100）、谐振模块（200）、第一开关管Q1和DC电压输出模块（300）；
所述谐振模块（200）包括并联的谐振电感L1和谐振电容C5，所述第一开关管Q1是MOS管，所述DC电压输出模块（300）包括MOS管Q2和直流电容DC1；其中，所述谐振电容C5的正极连接到所述DC电压输入模块（100）的正极输出端，所述谐振电容C5的负极连接到所述MOS管Q2的源极，所述谐振电感L1的抽头端连接到所述MOS管Q1的漏极，所述MOS管Q1的源极连接到所述DC电压输入模块（100）的负极输出端，门极连接到控制器以接收第一MOS管控制信号；所述MOS管Q2的漏极连接到所述直流电容DC1的正极，所述MOS管Q2的门极连接到控制器以接收第二MOS管控制信号，所述直流电容DC1的负极连接到所述DC电压输入模块（100）的负极输出端；其中，所述DC电压输入模块（100）为电池，充电时，利用所述MOS管Q2的开通，给所述谐振电感L1和所述谐振电容C5构成的谐振回路储能，所述MOS管Q2关断时，所述谐振电感L1和所述谐振电容C5谐振，并将储能释放给所述电池，同时在谐振到所述MOS管Q1内的体二极管开通时，开通所述MOS管Q1，并让所述MOS管Q1形成正向的电流，然后所述MOS管Q1关断，在所述MOS管Q2内的体二极管导通时，重新开通所述MOS管Q2，通过调节所述MOS管Q1、Q2的导通时间的比例，来实现平均电流流动的方向控制，从而实现充电和放电的控制。
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