CN102170238A - 具有pfc功能的交流整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有功率因数校正功能的交流整流电路。所述电路包括控制开关、同步整流管及电流检测电路单元。所述四个控制开关、两个同步整流管分别接受外部控制信号控制实现同步整流。其中控制开关与同步整流管可采用绝缘栅双极型晶体管或N沟道场效应管。电路工作时，无论是交流电正半周或负半周，绝缘栅双极型晶体管或N沟道场效应管均处于饱和导通状态或关断状态，无整流二极管导通，一定工作电流时，其饱和导通压降比二极管导通压降低，减少了导通损耗，提高了效率；所使用的绝缘栅双极型晶体管IGBT均是不带反并联二极管的器件，保证了电流检测电路单元检测精准性，最大限度的提高了功率因数，减小电流谐波。

Description

具有PFC功能的交流整流电路

技术领域

本发明涉及PFC (功率因数校正）技术和交流整流技术领域，具体是指一种能够同时实现交流整流功能和功率因数校正功能的电路。

背景技术

功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数（Power Factor）是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值。功率因数可以衡量电力被有效利用的程度， 当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。功率因数校正（Power Factor Correction）是使输入交流电压与输入交流电流同相位，使输入电流正弦化，进而让功率因数趋近于1。

如图1，为目前常用的一种单相交流输入功率因数校正电路。该电路包括两级电路结构。第一级结构是由二极管D1、D2、D3、D4组成的交流整流电路；第一级结构是由PFC控制器、电感L1、开关管Q1、电流检测电阻R1、二极管D1、滤波电容C1组成的第二级BOOST升压电路。当开关管Q1导通时，在交流电的正负半波，均有两个二极管导通，两个二极管截止，半导体总的损耗是开关管Q1的导通损耗加上两个二极管正向导通损耗；当开关管Q1关断时，在交流电的正负半波，均有三个二极管导通，两个二极管截止，半导体总的损耗是三个二极管正向导通损耗。一般带功率因数校正功能的大功率电源的整流二极管在流过大电流状态下的正向压降超过0.7V，可见图1所示的现有的FPC电路的功率损失比较大，系统效率低，发热严重。

为减少二极管导通时的功率损失，出现了无整流桥功率因数校正技术，图2是现有技术中一种单周期控制的无整流桥功率因数校正电路。该电路工作原理是，开关场效应管Q1和开关场效应管Q2交替导通，在交流电的正半周，开关场效应管Q1导通、Q2关断，交流电流经EMI滤波器、储能电感L1、开关管Q1、电流检测电阻、二极管D2组成的环路流通，储能电感L1储能；当开关场效应管Q1关断时，二极管D3导通，电感L1的储能经EMI滤波器、二极管D3、滤波电容C1、负载、电流检测电阻、二极管D2、交流电网组成的环路释放能量；在交流电的负半周开关场效应管Q2导通、Q1关断时，交流电流经EMI滤波器、储能电感L2、开关管Q2、电流检测电阻、二极管D1组成的环路流通，储能电感L2储能；当开关场效应管Q2关断时，二极管D4导通，电感L2的储能经EMI滤波器、二极管D4、滤波电容C1、负载、电流检测电阻、二极管D1、交流电网组成的环路释放能量。可见，在交流电的正半周开关场效应管Q1导通时，有一个二极管导通，此时半导体总的损耗是开关场效应管Q1导通损耗加上一个二极管的导通损耗，在开关场效应管Q1关断时，有二个二极管导通，此时半导体总的损耗是二个二极管导通损耗，在交流电的负半波的损耗情况和正半波的损耗类似。

图2所示的单周期控制的无整流桥FPC电路比图1所示的单相交流输入的PFC电路在每个交流半波时减少了一个二极管的损耗，提高了效率，减少了发热量，但图2所示电路还存在以下缺点：

1、控制开关器件采用了场效应管，场效应管具有正温度系数特性，在高温条件下，场效应管的沟道电阻会变大，使得导通损耗增加；

2、场效应管是具有寄生体二极管的器件，在电路中，会有部分电感电流流过场效应管的寄生体二极管，使得电流检测出现误差，造成电流畸变，功率因数下降；

3、在控制开关场效应管导通时，至少有一个二极管导通损耗，而在控制开关场效应管关断时，有二个二极管导通损耗，因此，二极管的导通损耗仍然比较大，仍有降低的空间；

4、当PFC控制开关器件采用场效应管时，因场效应管的沟道电阻一般在几十豪欧以上，当工作电流达到10A以上，场效应管的导通损耗也会比较大，因此，在大工作电流的情况下，不适合用场效应管作为PFC控制开关器件。

发明内容

本发明需解决的技术问题是提供一种具有PFC功能的交流整流电路，该电路能够实现：

（1）、解决作为PFC控制开关的场效应管在高温条件下因正温度系数而引起的导通损耗增加的问题；

（2）、解决电流检测误差问题；

（3）、最大限度减少功率半导体器件在流过大电流状态下的导通损耗；

（4）、降低PFC控制开关器件在大工作电流情况下的损耗比较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

提供一种具有PFC功能的交流整流电路，包括串联于交流回路中的第一、第二同步整流管，第一、第二整流二极管，第一至第四控制开关及电流检测电路单元。

所述第一控制开关的集电极、第四控制开关射极连接于第一交流输入端，并与第一同步整流管集电极及第一整流二极管阳极相连；第二控制开关的集电极、第三控制开关漏极连接于第二交流输入端，并与第二同步整流管集电极及第二整流二极管阳极相连；第一控制开关射极与第二控制开关射极相连并接地，第三控制开关集电极与第四控制开关集电极相连，电流检测电路单元连接于该相连的集电极与地之间；第一、第二同步整流管射极相连，并与第一整流二极管、第二整流二极管阴极相连，共同作为交流整流电路输出端连接负载；所述第一控制开关栅极、第二控制开关栅极、第三控制开关栅极、第四控制开关栅极分别接受外部控制信号控制其导通和关断；所述第一同步整流管栅极和第二同步整流管栅极分别接受外部同步整流信号控制实现同步整流。

优选的，所述交流整流电路还包括EMI滤波器，交流电源通过EMI滤波器滤波后输出至交流输入端。

更优选的，所述交流整流电路还包括第一升压电感及第二升压电感；所述第一升压电感一端连接EMI滤波器输出端，另一端作为第一升压整流输入端，所述第二升压电感一端连接EMI滤波器另一输出端，另一端作为第二升压整流输入端。

针对本发明所要解决的问题，本发明还提供一种类似的解决方案，即一种具有PFC功能的交流整流电路，包括串联于交流回路中的第一、第二同步整流管，第一至第四控制开关及电流检测电路单元。

所述第一控制开关的集电极、第四控制开关漏极连接于第一交流输入端，并与第一同步整流管源极相连；第二控制开关的集电极、第三控制开关漏极连接于第二交流输入端，并与第二同步整流管源极相连；第一控制开关射极与第二控制开关射极相连并接地，第三控制开关源极与第四控制开关源极相连，电流检测电路单元连接于该相连的源极与地之间；第一、第二同步整流管漏极相连作为交流整流电路输出端连接负载；所述第一控制开关栅极、第二控制开关栅极、第三控制开关栅极、第四控制开关栅极分别接受外部控制信号控制其导通和关断；所述第一同步整流管栅极和第二同步整流管栅极分别接受外部同步整流信号控制实现同步整流。

同样，上述方案的优选方案如下：所述交流整流电路还包括EMI滤波器，交流电源通过EMI滤波器滤波后输出至交流输入端。

上述方案的更优选方案如下：所述交流整流电路还包括第一升压电感及第二升压电感；所述第一升压电感一端连接EMI滤波器输出端，另一端作为第一交流输入端，所述第二升压电感一端连接EMI滤波器另一输出端，另一端作为第二交流输入端。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1）、PFC控制开关器件采用负温度系数的绝缘栅双极型晶体管IGBT，在高温条件下，导通损耗会更低，不会增加；

2）、PFC电路的电感电流全部流过电流检测单元，使得电流检测精准，提高了功率因数，减小了电流畸变；

3）、电路中所有功率半导体器件均工作在饱和导通和截止关断状态，功率半导体器件的饱和导通损耗比二极管的导通损耗要低很多，因此效率得到极大提升；

4）、在带PFC功能的大功率大电流的电源中，因PFC控制开关器件和同步整流管采用负温度系数的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，使得损耗降低，效率提高，发热减少。

附图说明

图1是现有技术中常用的单相交流输入的PFC电路示意图；

图2是现有技术中一种单周期控制的无整流桥PFC电路示意图；

图3是本发明所述的具有PFC功能的交流整流电路实施例一原理图；

图4是本发明所述的具有PFC功能的交流整流电路实施例二原理图；

图5是本发明具有PFC功能的交流整流电路控制时序图。

具体实施方式

为了便于本领域的技术人员理解，下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

图3为所述的具有PFC功能的交流整流电路实施例电路原理示意图。

该实施例电路中，所述交流整流电路包括EMI滤波器、BOOST升压电感、控制开关、同步整流管、整流二极管、电流检测电路单元和滤波电容。其中，BOOST升压电感包括升压电感L1和升压电感L2。控制开关包括控制开关Q1、控制开关Q2、控制开关Q3及控制开关Q4。

本实施例中，控制开关Q1和控制开关Q2采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，而控制开关Q3和控制开关Q4可以采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，也可以采用N沟道场效应管。同样，同步整流管可以采用绝缘栅双极型晶体管IGBT，也可以采用N沟道场效应管，其具体包括第一同步整流管Q5和第二同步整流管Q6。所述整流二极管包括第一整流二极管D1和第二整流二极管D2。所述的电流检测电路单元可以采用电阻，也可以采用电流互感器或者电流霍尔传感器。

电路中，控制开关Q1、Q2、Q3、Q4和同步整流管Q5、Q6的栅极G1、G2、G3、G4、G5、G6的驱动波形如图5所示。

在交流电正半周时，控制开关Q1的栅极G1输入可变占空比的脉冲信号控制其导通或关断；控制开关Q3的栅极G3因输入为高电平一直饱和导通；控制开关Q2的栅极G2和控制开关Q4的栅极G4的输入均一直为低电平，因此Q2和Q4均截止。同步整流管Q5的栅极G5输入和控制开关Q1的栅极G1控制脉冲信号的倒相波形驱动信号，同步整流管Q6的栅极G6输入则一直为低电平，因此Q6一直处于截止状态，此时电路工作在BOOST有源功率因数校正状态。因受同步整流管Q5的开关速度影响，第一整流二极管D1要先于同步整流管Q5导通，要滞后于同步整流管Q5再关断。

在交流电负半周时，换做控制开关Q2的栅极G2输入可变占空比的脉冲信号控制其导通或关断，第四控制开关Q4的栅极G4因输入为高电平一直饱和导通；控制开关Q1的栅极G1和控制开关Q3的栅极G3的输入均一直为低电平，因此Q1和Q3均截止。第二同步整流管Q6的栅极G6输入和控制开关Q2的栅极G2控制脉冲信号的倒相波形驱动信号；同步整流管Q5的栅极G5的输入一直为低电平，Q5一直处于截止状态。此时电路工作在与交流电正半周时一样的BOOST有源功率因数校正状态。同样，第二整流二极管D2要先于同步整流管Q6导通，要滞后于同步整流管Q6再关断。

工作时，该实施例电路因受所使用的控制开关器件的工作速度的影响，控制开关Q4与控制开关Q1之间、控制开关Q3与控制开关Q2之间、控制开关Q1与同步整流管Q5之间以及控制开关Q2与同步整流管Q6之间均要留有一定的死区时间，否则，会造成功能异常。

由上面分析可知，在工作电流的通路中，无论是交流电正半周还是负半周，所有功率半导体均处于饱和导通状态，无二极管的导通状态，而绝缘栅双极型晶体管IGBT饱和导通压降比二极管导通压降和场效应管饱和导通压降要低，因而减少了导通损耗，提高了效率；所使用的绝缘栅双极型晶体管IGBT均是不带反并联二极管的器件，保证了电流检测电路单元能检测到完整的电感L1电流信号作为PFC控制需要的电流输入信号，因而电流检测可靠精准，最大限度的提高了功率因数，减小电流谐波。

图4为本发明另一实施例电路原理图。该实施例中所述交流整流电路中，交流电源通过EMI滤波器滤波后输出给第一升压电感L1及第二升压电感L2，第一升压电感L1一端作为交流输入端L，第二升压电感L2作为交流输入端N。第一控制开关Q1的集电极、第四控制开关Q4漏极连接于第一交流输入端L，并与第一同步整流管Q5源极相连；第二控制开关Q2的集电极、第三控制开关Q3漏极连接于第二交流输入端N，并与第二同步整流管Q6源极相连；第一控制开关Q1射极与第二控制开关Q2射极相连并接地，第三控制开关Q3源极与第四控制开关Q4源极相连，电流检测电路单元连接于该相连的源极与地之间；第一、第二同步整流管Q5、Q6漏极相连作为交流整流电路输出端连接负载，该输出端还连接有滤波电容C1。 所述第一控制开关Q1栅极、第二控制开关Q2栅极、第三控制开关Q3栅极、第四控制开关Q4栅极分别接受外部控制信号控制其导通和关断；所述第一同步整流管Q5栅极和第二同步整流管Q6栅极分别接受外部同步整流信号控制实现同步整流。

该电路工作原理是与图3所示电路类似。不同的是，图3中控制开关Q3的栅极G3驱动波形是以控制开关Q2的集电极C2为参考点，控制开关Q4的栅极G4驱动波形是以控制开关Q1的集电极C1为参考点，同步整流管Q5和Q6的栅极G5、G6的驱动波形是以输出的正端为参考点。而图4中控制开关Q3、Q4的栅极G3、G4的驱动波形均是以电流检测电路单元的B端为参考点，同步整流管Q5栅极G5是以控制开关Q1的集电极C1为参考点，同步整流管Q6栅极G6是以控制开关Q2的集电极C2为参考点。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本本发明的保护范围。

Claims (8)

1.具有PFC功能的交流整流电路，包括串联于交流整流回路中的第一、第二同步整流管（Q5、Q6），第一、第二整流二极管（D1、D2），第一至第四控制开关（Q1、Q2、Q3、Q4）及电流检测电路单元，其特征在于，

所述第一控制开关（Q1）的集电极、第四控制开关（Q4）射极连接于第一升压整流输入端（C），并与第一同步整流管（Q5）集电极及第一整流二极管（D1）阳极相连；

第二控制开关（Q2）的集电极、第三控制开关（Q3）射极连接于第二升压整流输入端（D），并与第二同步整流管（Q6）集电极及第二整流二极管（D2）阳极相连；

第一控制开关（Q1）射极与第二控制开关（Q2）射极相连并接输出地，第三控制开关（Q3）集电极与第四控制开关（Q4）集电极相连，电流检测电路单元连接于该相连的集电极与输出地之间；

第一、第二同步整流管（Q5、Q6）射极相连，并与第一整流二极管（D1）、第二整流二极管（D2）阴极相连，共同作为交流整流电路输出正端并连接负载；

所述第一控制开关（Q1）栅极、第二控制开关（Q2）栅极、第三控制开关（Q3）栅极、第四控制开关（Q4）栅极分别接受外部控制信号控制其导通和关断；所述第一同步整流管（Q5）栅极和第二同步整流管（Q6）栅极分别接受外部同步整流信号控制实现同步整流。

2.根据权利要求1所述的具有PFC功能的交流整流电路，其特征在于，还包括EMI滤波器，交流电源通过EMI滤波器滤波后输出至L端和N端。

3.根据权利要求2所述的具有PFC功能的交流整流电路，其特征在于，还包括第一升压电感（L1）及第二升压电感（L2）；所述第一升压电感（L1）一端连接EMI滤波器输出L端，另一端作为第一升压整流输入端（C），所述第二升压电感（L2）一端连接EMI滤波器另一输出N端，另一端作为第二升压整流输入端（D）。

4.根据权利要求3所述的具有PFC功能的交流整流电路，其特征在于，所述交流整流电路输出端连接有滤波电容(C1)。

5.具有PFC功能的交流整流电路，包括串联于交流整流回路中的第一、第二同步整流管（Q5、Q6），第一至第四控制开关（Q1、Q2、Q3、Q4）及电流检测电路单元，其特征在于，

所述第一控制开关（Q1）的集电极、第四控制开关（Q4）漏极连接于第一升压整流输入端（C），并与第一同步整流管（Q5）源极相连；

第二控制开关（Q2）的集电极、第三控制开关（Q3）漏极连接于第二升压整流输入端（D），并与第二同步整流管（Q6）源极相连；

第一控制开关（Q1）射极与第二控制开关（Q2）射极相连并接输出地，第三控制开关（Q3）源极与第四控制开关（Q4）源极相连，电流检测电路单元连接于该相连的源极与输出地之间；

第一、第二同步整流管（Q5、Q6）的漏极相连作为交流整流电路输出正端并连接到负载；

所述第一控制开关（Q1）栅极、第二控制开关（Q2）栅极、第三控制开关（Q3）栅极、第四控制开关（Q4）栅极分别接受外部控制信号控制其导通和关断；所述第一同步整流管（Q5）栅极和第二同步整流管（Q6）栅极分别接受外部同步整流信号控制实现同步整流。

6.根据权利要求5所述的具有PFC功能的交流整流电路，其特征在于，还包括EMI滤波器，交流电源通过EMI滤波器滤波后输出至L端N端。

7.根据权利要求6所述的具有PFC功能的交流整流电路，其特征在于，还包括第一升压电感（L1）及第二升压电感（L2）；所述第一升压电感（L1）一端连接EMI滤波器输出L端，另一端作为第一升压整流输入端（C），所述第二升压电感（L2）一端连接EMI滤波器另一输出N端，另一端作为第二升压整流输入端（D）。

8.根据权利要求7所述的具有PFC功能的交流整流电路，其特征在于，所述交流整流电路输出端连接有滤波电容(C1)。

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