CN102307008A - 一种单级有源功率因数校正电路 - Google Patents

一种单级有源功率因数校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单级有源功率因数校正电路，涉及功率的自动控制技术领域。包括谐振式功率变换电路、高频信号检测电路、双路输出电流型控制IC、功率因数校正采样控制电路、下降沿检测电路和电流采样模块。所述电路在功率变换过程中，开关管可以实现全程软开关，不存在boost电路中的整流二极管的反向恢复电流的问题；开关损耗接近于零，效率高；开关管的工作状况好，可靠性高；电路由现有电路的两级变为一级，元器件减少，成本降低；高频工作电流为正弦形态，电磁辐射低。

Description

一种单级有源功率因数校正电路
技术领域
本发明涉及功率的自动控制技术领域。
背景技术
目前广泛采用的有源功率因数变换器大多是采用传统的boost升压功率因数变换和DC/DC变换相结合的方案。其整体框图如图2所示，其电路一般包括两个独立的功率变换单元(为两级电路)，每个独立的功率变换单元都有独立的功率器件和控制电路。功率因数变换全部采用的是BOOST电路的方式；DC/DC变换电路的拓扑种类很多，可以是半桥，全桥，推挽，正激，反激等。目前有源功率因数变换器普遍的水平是工作于硬开关方式，其缺点是电路复杂元件多，成本高，体积大，功率管工作在硬开关状态，电磁辐射严重，效率低，其中boost电路的整流二极管工况很差，其反向恢复电流不仅会带来很大的电磁干扰，而且容易对器件本身造成毁灭性的损坏，长久以来，一直制约着有源功率校正电路的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构简单、成本较低、电磁辐射低的单级有源功率因数校正电路。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种单级有源功率因数校正电路，其特征在于包括谐振式功率变换电路、高频信号检测电路、双路输出电流型控制IC、功率因数校正采样控制电路、下降沿检测电路和电流采样模块，所述谐振式功率变换电路的交流输入端接所述功率因数校正采样控制电路中输入电压检测模块的输入端，所述交流输入的任意端经一电流采样模块接输入电流信号检测模块的输入端；所述输入电流信号检测模块的输出端接电流跟踪误差放大器OP2的一个输入端，乘法器的输出端接所述电流跟踪误差放大器OP2的另一个输入端；所述电流跟踪误差放大器OP2的输出端接电流比较器OP1的一个输入端，带开关的积分电路的输出端接所述电流比较器OP1的另一个输入端，分相器的输出端分别接所述谐振式功率变换电路中主开关管S1、S2的控制端和下降沿检测电路的输入端，所述下降沿检测电路的输出端接振荡器的输入端；所述谐振式功率变换电路中电感L1、L2和电容C4、C1组成的串联谐振回路中的任一点接电流采样器的输入端；带开关的积分电路的开关控制端接下降沿检测电路的输出端，第二触发器的输出端接振荡器的一个输入端；谐振式功率变换电路的输出反馈电压UO接主电压误差放大器OP3的一个输入端，其另一个输入端接基准电压VREF。
所述功率因数校正采样控制电路包括输入电流信号检测模块、输入电压信号检测模块、乘法器和主电压误差放大器OP3，所述输入电压信号检测模块的输出端接所述乘法器的一个输入端，所述主电压误差放大器OP3的输出端接所述乘法器的另一个输入端。
所述双路输出电流型控制IC包括电流比较器OP1、第一触发器、振荡器、门电路和分相器，所述电流比较器OP1的输出端接第一触发器的一个输入端，所述振荡器的输出端分别接所述第一触发器的另一个输入端和所述门电路的一个输入端，所述第一触发器的输出端接所述门电路的另一个输入端，所述门电路的输出端接所述分相器的输入端。
所述高频信号检测电路包括电流采样器、整流电路、带开关的积分电路、过零比较器和第二触发器，所述电流采样器的一个输出端接所述整流电路的输入端，所述整流电路的输出端接带开关的积分电路的输入端，所述电流采样器的另一个输出端接所述过零比较器的输入端，所述过零比较器的输出端接所述第二触发器的输入端。
所述谐振式功率变换电路可以是全桥式串联谐振电路或者半桥式串联谐振电路。
所述电流采样模块可以是电阻、霍尔器件和电流互感器中的任意一个。
本发明的有益效果如下：所述电路在功率变换过程中，开关管可以实现全程软开关，不存在boost电路中的整流二极管的反向恢复电流的问题；开关损耗接近于零，效率高；开关管的工作状况好，可靠性高；电路由两级变为一级，元器件减少，成本降低；高频工作电流为正弦形态，电磁辐射低。 
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构框图；
图2是现有单级有源功率因数变换电路的结构框图；
其中：1、谐振式功率变换电路 2、高频信号检测电路 3、双路输出电流控制IC 4、功率因数校正采样控制电路 5、下降沿检测电路 6、电流采样模块；
21、电流采样器 22、整流电路 23、带开关的积分电路 24、过零比较器25、第二触发器；
31、第一触发器 32、振荡器 33、门电路 34、分相器；
41、输入电流信号检测模块 42、输入电压信号检测模块 43、乘法器。
具体实施方式
如图1所示，一种单级有源功率因数校正电路，包括谐振式功率变换电路1、高频信号检测电路2、双路输出电流型控制IC3、功率因数校正采样控制电路4、下降沿检测电路5和电流采样模块6，所述谐振式功率变换电路1可以是全桥式串联谐振电路或者半桥式串联谐振电路。所述电流采样模块6可以是电阻、霍尔器件和电流互感器中的任意一个。
所述谐振式功率变换电路1的交流输入端接所述功率因数校正采样控制电路4中输入电压检测模块42的输入端，所述交流输入的任意端经一电流采样模块6接输入电流信号检测模块41的输入端；所述输入电流信号检测模块41的输出端接电流跟踪误差放大器OP2的一个输入端，乘法器43的输出端接所述电流跟踪误差放大器OP2的另一个输入端；所述电流跟踪误差放大器OP2的输出端接电流比较器OP1的一个输入端，带开关的积分电路23的输出端接所述电流比较器OP1的另一个输入端，分相器34的输出端分别接所述谐振式功率变换电路1中主开关S1、S2的控制端和下降沿检测电路5的输入端，所述下降沿检测电路5的输出端接振荡器32的输入端；所述谐振式功率变换电路1中电感L1、L2（电感L2为变压器的初级）和电容C4、C1组成的串联谐振回路中的任一点接电流采样器21的输入端；带开关的积分电路23的开关控制端接下降沿检测电路5的输出端，第二触发器25的输出端接振荡器32的一个输入端；谐振式功率变换电路1的电压输出端UO接主电压误差放大器OP3的一个输入端，其另一个输入端接基准电压VREF。
所述功率因数校正采样控制电路4包括输入电流信号检测模块41、输入电压信号检测模块42、乘法器43和主电压误差放大器OP3，所述输入电压信号检测模块42的输出端接所述乘法器43的一个输入端，所述主电压误差放大器OP3的输出端接所述乘法器43的另一个输入端。
所述双路输出电流型控制IC3包括电流比较器OP1、第一触发器31、振荡器32、门电路33和分相器34，所述电流比较器OP1的输出端接第一触发器31的一个输入端，所述振荡器32的输出端分别接所述第一触发器31的另一个输入端和所述门电路33的一个输入端，所述第一触发器31的输出端接所述门电路33的另一个输入端，所述门电路33的输出端接所述分相器34的输入端。
所述高频信号检测电路2包括电流采样器21、整流电路22、带开关的积分电路23、过零比较器24和第二触发器25，所述电流采样器21的一个输出端接所述整流电路22的输入端，所述整流电路22的输出端接带开关的积分电路23的输入端，所述电流采样器21的另一个输出端接所述过零比较器24的输入端，所述过零比较器24的输出端接所述第二触发器25的输入端。
电路的工作原理如下：主电压误差放大器OP3的输入端一端接基准电压VREF，另一端接输出反馈电压UO，当输出电压UO发生变化时，主电压误差放大器OP3的输出也会发生变化，主电压误差放大器OP3的输出电压信号和输入电压检测模块42的输出电压信号通过乘法器43相乘后，乘法器43的输出值也相应发生改变，进而影响电流跟踪误差放大器OP2的输出，电流跟踪误差放大器OP2的输出变化引起电流比较器OP1的输入发生变化，进而引起电流比较器OP1输出改变，影响第一触发器31，门电路33，分相器34，改变谐振式功率变换电路1的工作频率，达到改变谐振式功率变换电路1输出能力的目的，从而改变输出电压UO，主电压误差放大器OP3将一直调整输出直到输出电压UO和基准电压VREF达到一致为止，从而实现了稳定输出电压UO的目的。
乘法器43的输出信号为输入电压信号检测模块42采集来的输入电压信号和主电压误差放大器OP3输出信号的乘积，是一个随输入电压规律变化的信号，将这个信号接到电流跟踪误差放大器OP2的一个输入端作为被跟踪信号，另一端接输入电流信号检测模块41的输出端作为反馈信号，一旦输入电流信号不跟踪乘法器43的输出信号，电流跟踪误差放大器OP2就会作出调整，改变电流比较器OP1的输入信号，进而改变电流比较器OP1的输出信号，影响第一触发器31，门电路33，分相器34，改变谐振式功率变换电路1的工作频率，从而改变谐振式功率变换电路1的输入电流，使输入电流信号改变，直到他跟踪乘法器43的输入电压信号为止，这就实现了输入电流对输入电压信号的跟踪，从而完成功率因数校正的目的。
在高频工作的正半周，主开关管S1导通，主开关管S2关断，电流经主开关管S1、电感L1、L2到电容C4。当高频工作的正半周结束时，主开关管S1关断，此时，由于电容C2的存在，且电容C2两端的电压不会突变，所以，在主开关管S1关断的瞬间，电容C2两端的电压为0保持不变，这样就实现了主开关管S1的零电压关断。在主开关管S1关断时，电感L1中的电流方向为从左到右，由于电感中的电流不会突变，所以在主开关管S1关断后，电流首先经过电容C2，C3，电感L1、L2，继续给电容C4充电，当电容C3两端的电压为0V时，电流将经过二极管D6，电感L1、L2，继续给电容C4充电。此时主开关管S2两端的电压为0V，这时控制主开关管S2导通，主开关管S2就实现了零电压开启。
工作进入到高频负半周，主开关管S2导通，主开关管S1关断。回路电流逐渐降低到零，然后，电容C4经电感L2，电感L1，主开关管S2放电，电流方向变为从右向左，当负半周结束时，主开关管S2在电容C3的保护下零电压关断，此时电感L1中的电流继续保持从右到左的方向，如前所述，电流最终将使二极管D5导通，使主开关管S1在零电压下导通，从而实现了主开关管S1的零电压开启，这样就完成了从负半周到正半周的转换。综上所述，在高频工作的正半周到负半周以及从负半周到正半周的转换过程中，主开关管S1和S2无论是开启还是关断都始终处于零电压状态，实现了零电压软开关的目的。在以上工作过程当中，电容C4两端的电压可以依靠谐振电路的谐振特性，达到远高于输入电压的目的，这就可以解决在低电压输入的情况下，整个谐振式功率变换电路仍可以对外输出的问题。

Claims (6)

1.一种单级有源功率因数校正电路，其特征在于包括谐振式功率变换电路（1）、高频信号检测电路（2）、双路输出电流型控制IC（3）、功率因数校正采样控制电路（4）、下降沿检测电路（5）和电流采样模块（6），所述谐振式功率变换电路（1）的交流输入端接所述功率因数校正采样控制电路（4）中输入电压检测模块（42）的输入端，所述交流输入的任意端经一电流采样模块（6）接输入电流信号检测模块（41）的输入端；所述输入电流信号检测模块（41）的输出端接电流跟踪误差放大器OP2的一个输入端，乘法器（43）的输出端接所述电流跟踪误差放大器OP2的另一个输入端；所述电流跟踪误差放大器OP2的输出端接电流比较器OP1的一个输入端，带开关的积分电路（23）的输出端接所述电流比较器OP1的另一个输入端，分相器（34）的输出端分别接所述谐振式功率变换电路（1）中主开关管S1、S2的控制端和下降沿检测电路（5）的输入端，所述下降沿检测电路（5）的输出端接振荡器(32)的输入端；所述谐振式功率变换电路（1）中电感L1、L2和电容C4、C1组成的串联谐振回路中的任一点接电流采样器（21）的输入端；带开关的积分电路（23）的开关控制端接下降沿检测电路（5）的输出端，第二触发器（25）的输出端接振荡器（32）的一个输入端；谐振式功率变换电路（1）的输出反馈电压UO接主电压误差放大器OP3的一个输入端，其另一个输入端接基准电压VREF。
2.根据权利要求1所述的一种单级有源功率因数校正电路，其特征在于所述功率因数校正采样控制电路（4）包括输入电流信号检测模块（41）、输入电压信号检测模块（42）、乘法器（43）和主电压误差放大器OP3，所述输入电压信号检测模块（42）的输出端接所述乘法器（43）的一个输入端，所述主电压误差放大器OP3的输出端接所述乘法器（43）的另一个输入端。
3.根据权利要求2所述的一种单级有源功率因数校正电路，其特征在于所述双路输出电流型控制IC（3）包括电流比较器OP1、第一触发器（31）、振荡器（32）、门电路（33）和分相器（34），所述电流比较器OP1的输出端接第一触发器（31）的一个输入端，所述振荡器（32）的输出端分别接所述第一触发器（31）的另一个输入端和所述门电路（33）的一个输入端，所述第一触发器（31）的输出端接所述门电路（33）的另一个输入端，所述门电路（33）的输出端接所述分相器（34）的输入端。
4.根据权利要求3所述的一种单级有源功率因数校正电路，其特征在于所述高频信号检测电路（2）包括电流采样器（21）、整流电路（22）、带开关的积分电路（23）、过零比较器（24）和第二触发器（25），所述电流采样器（21）的一个输出端接所述整流电路（22）的输入端，所述整流电路（22）的输出端接带开关的积分电路（23）的输入端，所述电流采样器（21）的另一个输出端接所述过零比较器（24）的输入端，所述过零比较器（24）的输出端接所述第二触发器（25）的输入端。
5.根据权利要求4所述的一种单级有源功率因数校正电路，其特征在于所述谐振式功率变换电路（1）可以是全桥式串联谐振电路或者半桥式串联谐振电路。
6.根据权利要求5所述的一种单级有源功率因数校正电路，其特征在于所述电流采样模块（6）可以是电阻、霍尔器件和电流互感器中的任意一个。
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