CN103138557B - H桥pfc电路及该电路中电感电流的下降沿采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种H桥PFC电路及该电路中电感电流的下降沿采样方法，其中上述H桥PFC电路，包括：相互串联的MOS管组成的第一串联电路、相互串联的两个升压二极管组成的第二串联电路、相互串联的两个续流二极管组成的第三串联电路、输出BUS电容、电感和负载，其中，第一串联电路、第二串联电路、第三串联电路、电容和负载相互并联，形成并联电路，电感和负载与并联电路串联；电流互感器，其一端与电感耦合连接，另一端耦合连接至相互串联的两个升压二极管之间的线路上。采用本发明提供的上述技术方案，提高了H桥PFC电路中对上升沿进行采样存在小占空比时对电感电流采样的保真效果，以及降低了成本。

Description

H桥PFC电路及该电路中电感电流的下降沿采样方法
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种H桥PFC电路及该电路中电感电流的下降沿采样方法。
背景技术
高效、高功率密度及低成本已成为通信电源所追求的三个重要的指标，为应对三个目标，PFC的电路拓扑从传统的有桥、双升压(BOOST)无桥功率因数校正(Power FactorCorrection，简称为PFC)、H桥PFC以及各种拓扑的交错并联技术不断的向前发展着。
为了提高效率，双BOOST无桥PFC被广泛采用，其电路示意图如图1所示。图1中由两个PFC电路构成。工频正半周时，电感L1、升压二极管D1及MOS管S1构成一个BOOST电路工作；工频负半周时，电感L2、升压二极管D2及MOS管S2构成一个BOOST电路进行工作；由于每个导通周期内，电感电流都只走两个半导体器件，比传统的有桥PFC电路减少一个，因此具有较高的效率。
双BOOST电路具有较高的效率，但是通过对工作原理进行分析可知，该拓扑中电感的利用率比较低，每个电感只工作半个周期，另半个周期只做回流支路，流过少量的工频电流。
图2(a)为H桥PFC电路的示意图，该拓扑在每个阶段也都只通过两个半导体器件，属于无桥PFC电路的类型，理论效率和双BOOST电路相当，同时也具有较高的电感利用率。该拓扑的主功率电路主要包括了：两个共S极的MOS管，组成了双向开关，其驱动信号一致；为实现方便，D1、D3设为升压二极管，D2、D4为慢二极管，作为回流二极管，以获得较好的EMC效果；电感L1，供正负工频半周内用。图2(b)也是H桥PFC电路中的一种，把图2(a)中的二极管换成了MOS管，在该电路中，工频正半周时，S3和S6导通，S4和S5关断；工频负半周时，S4和S5导通，S3和S6关断；
工频正半周时，H桥PFC的工作示意图如图3(a)所示，工频负半周时，H桥PFC的工作示意图如图3(b)所示。以工频正半周为例，H桥PFC电路的工作原理简单分析如下：当MOS管道通时，输入电流通过MOS管S1及S2进行续流，电感电流上升；当MOS管关断，输入电流通过升压二极管D1及续流二极管D4进行续流，电感电流下降。
同时H桥电路还有其独特的工作特性，即在每个开关周期内存在着反向电流。参阅图3(c)，以工频正半周为例，当MOS管道通时，慢二极管D4会有一个较大的反向电流通过D3，然后再通过MOS管进行续流，因此当占空比较小时，和MOS管串联在一起的电流互感器会采样到该反向电流。
图4为两相H桥交错并联的拓扑结构：L1是第一相的升压电感，1S1、1S2分别为第一相电路主MOS管；1D1、1D3分别为正负工频半周的升压二极管，采用碳化硅二极管；L2是第二相的升压电感，2S1、2S2分别为第二相电路主MOS管；2D1、2D3分别为正负工频半周的升压二极管，采用碳化硅二极管；D2、D4为慢恢复二级管，为两相电路共用回流二极管，用于实现两相H桥PFC交错并联电路的回流作用，以减小H桥PFC电路的高频脉动电流产生的噪声。两相交错并联电路通常采用移相一定角度的控制算法，但每相电路中PFC的工作原理与单相电路相似。
在中大功率PFC电路中，一般采用CCM控制模式，该模式需要电感电流信号进行环路控制。单相H桥PFC的电感电流采样电路示意图如图5所示。图中的CT1和主MOS管串联在一起，用于采集电感电流上升阶段的电流信号；CT2和BUS电容的负端串联在一起，用于采集电感电流下降阶段的电流信号。
两相H桥PFC交错并联后，电感电流上升沿的采样可以沿用图5中CT1的采样位置与方法，把电流互感器和MOS管串联在一起，如图6所示。
由于两相间移相一定角度进行控制，流过BUS电容负端的电流有可能是两相电路电感电流下降段之和，因此每相电路中电感电流下降段的电流信号采集不能采用图5中CT2的位置方法。
为采集H桥PFC交错并联电路中完整的电感电流下降阶段信号，传统采样模式示意图如图7所示，图中CT12、CT22分别应对工频正半周内第一、二相电路电感电流下降沿的采样，CT13、CT23分别应对工频负半周内第一、二相电路电感电流下降沿的采样。因此这种电感电流下降沿采样方法需要4个电流互感器。这给功率密度及成本带来了较大的不利因素。
在多相交错并联电路中，考虑成本及功率密度，一般都不会用电流互感器采样电感电流的完整信号，而只采样电感电流的一部分信号，比如电感电流的上升沿或者是下降沿。
PFC电路的平均电流控制模式，一般采用定频的方法，根据不同的输入电压改变MOS管的导通占空比来获得稳定的输出电压，因此，在输入电压的峰值，MOS管的导通占空比最小，导通时间特别的短，在高压条件时尤其突出。因此在这种小占空比时，流过MOS管的电感电流不仅包含了实际的电感电流，还包含了一个较大的反向电流，因此，此时采样到的电流信号是比实际电感电流大的信号，导致采样失真。
另外由于PFC电路存在着采样、计算、控制及硬件反应等方面的延迟，这种电路的延迟会在占空比较小时导致采样失真，即实际电感电流较大，但是由于采样的延迟，采样得到的电流信号为零或者非常小，这种采样失真带来的危害是特别大的。
综上所述，在H桥PFC电路中，如果只采用电感电流上升沿进行环路控制，会出现上述小占空比时采样失真的问题，这种采样失真通过控制环路的传递放大，会极大的影响产品的可靠性及稳定性。
针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中，H桥PFC电路中对上升沿进行采样存在的小占空比时对电感电流采样失真以致影响产品的可靠性和稳定性，以及采用下降沿对电感电流采样成本较高等技术问题，本发明提供一种H桥PFC电路及该电路中电感电流的下降沿采样方法，以解决上述问题至少之一。
根据本发明的一个方面，提供了一种H桥PFC电路，包括：相互串联的MOS管组成的第一串联电路、相互串联的两个升压二极管组成的第二串联电路、相互串联的两个续流二极管组成的第三串联电路、输出BUS电容、电感和负载，其中，所述第一串联电路、所述第二串联电路、所述第三串联电路、所述电容和所述负载相互并联，形成并联电路，所述电感和所述负载与所述并联电路串联，还包括：电流互感器，其一端与所述电感耦合连接，另一端耦合连接至相互串联的两个升压二极管之间的线路上。
上述H桥PFC电路，还包括：磁复位电路，用于使所述电流互感器输出相同极性的信号。
上述H桥PFC电路应用于单相H桥PFC电路中。
上述H桥PFC电路应用于多相H桥PFC电路中。
上述第三串联电路为一个。
上述电流互感器对所述电感电流的下降沿进行采样。
根据本发明的另一方面，提供了一种H桥PFC电路中电感电流的下降沿采样方法，其中，所述H桥PFC电路包括：电流互感器和电感，其中，所述电流互感器的一端与所述电感耦合连接，另一端耦合连接至相互串联的两个升压二极管之间的线路上；所述电流互感器获取流经所述电感的电流信号；所述电流互感器对获取的所述电流信号进行采样。
上述方法还包括：对采样后的信号进行处理，使得所述电流互感器输出相同极性的信号。
通过本发明，采用将H桥PFC电路中的电流互感器串联在电感和相互串联的两个升压二极管之间的线路上的技术手段，解决了H桥PFC电路中对上升沿进行采样存在的小占空比时对电感电流采样失真以致影响产品的可靠性和稳定性，以及采用下降沿对电感电流采样成本较高等技术问题，从而达到了提高H桥PFC电路中对上升沿进行采样存在小占空比时对电感电流采样保真效果，以及相对于采用传统采样模式对下降沿电流进行采样(例如图7所示方案)，降低成本的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为根据相关技术的双BOOST无桥PFC电路的电路图；
图2a为根据相关技术的单相H桥PFC电路的电路图；
图2b为根据相关技术的单相H桥PFC电路的电路图；
图3a为根据相关技术的工频正半周期内单相H桥PFC电路的第一工作示意图；
图3b为根据相关技术的工频负半周期内单相H桥PFC电路的工作示意图；
图3c为根据相关技术的工频正半周期内单相H桥PFC电路的第二工作示意图；
图4为根据相关技术的两相交错并联H桥PFC电路的电路图；
图5根据相关技术的传统的单相H桥PFC电路电感电流采样方案；
图6为根据相关技术的两相交错并联H桥PFC电路的电感电流上升沿采样原理示意图；
图7为根据相关技术的传统两相交错并联H桥PFC电路电感电流下降沿采样示意图；
图8为根据本发明实施例的H桥PFC电路的电路示意图；
图9为根据本发明实施例的H桥PFC电路在两相交错并联电路中的应用示意图；
图10为根据本发明实施例的H桥PFC电路在工频正半周MOS管导通阶段的工作示意图；
图11为根据本发明实施例的H桥PFC电路在工频正半周MOS管导通阶段反向电流的流向示意图；
图12为根据本发明实施例的H桥PFC电路在工频正半周MOS管关断阶段的工作示意图；
图13为根据本发明实施例的H桥PFC电路在多相交错并联电路中的应用；
图14为根据本发明实施例的H桥PFC电路所用到的电流采样信号处理电路示意图；
图15为根据本发明实施例的H桥PFC电路中电感电流的下降沿采样方法的流程图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
图8为根据本发明实施例的H桥PFC电路的电路示意图。如图8所示，该电路包括：相互串联的MOS管(S1、S2)组成的第一串联电路、相互串联的两个升压二极管(D1、D3)组成的第二串联电路、相互串联的两个续流二极管(D2、D4)组成的第三串联电路、输出BUS电容CB、电感L1和负载RL，其中，所述第一串联电路、所述第二串联电路、所述第三串联电路、所述电容CB和所述负载RL相互并联，形成并联电路，所述电感L1和所述负载RL与所述并联电路串联，在该电路中，还包括：电流互感器CT，其一端与所述电感耦合连接，另一端耦合连接至相互串联的两个升压二极管(D1、D3)之间的线路上。
上述实施例，由于采用了将H桥PFC电路中的电流互感器串联在相互串联的两个升压二极管之间的线路和电感之间的技术手段，因此可以解决H桥PFC电路中对上升沿进行采样存在的小占空比时对电感电流采样失真以致影响产品的可靠性和稳定性，以及采用下降沿对电感电流采样成本较高等技术问题，从而达到了提高H桥PFC电路中对上升沿进行采样存在的小占空比时对电感电流采样保真效果，以及相对于采用传统采样模式对下降沿电流进行采样(例如图7所示方案)，降低成本的效果。
由于下降沿信号存在以下特点：(1)、下降沿在波峰波谷位置时时间最长，因此硬件电路的延迟对采样及控制环路带来的影响非常的小；(2)、下降沿在过零点处时间有一定的保障，目前数字控制会限定一个最大的占空比，把最小的下降沿限定在一定的时间里；(3)、下降沿信号比较干净，没有反向电流及交错的分流信号，不存在上升沿的采样反向电流的问题。并且，在把电流互感器串联在电感及二极管中点之间(需要说明的是，此处的中点并不特指距离两端点的距离相等的点，而是指两个串联的二极管的串联线路上的任意点)后，由于两个二极管两端是BUS电压，在任何情况下只有一个二极管处于导通状态，因此每个阶段流过该电流互感器的电流信号只能是其导通二极管的电流信号，因此，通过这种方式，可以用电流互感器CT实现电感电流下降沿的采样，进而解决H桥PFC电路中对上升沿进行采样存在的小占空比时对电感电流采样失真以致影响产品的可靠性和稳定性的问题。
并且，上述实施例通过简单的电路改动，用一个电流互感器实现正负工频半周内电感电流下降沿的检测，这在交错并联电路中，每相电路比传统采样方法少用一个电流互感器，不仅减小器件，降低成本，同时对采样信号的处理也变得简单，可靠，具有简单实用等方面的优点。同时该方法可以推广到多相H桥电路交错并联拓扑中使用。
在本发明的一个优选实施方式中，由于在正负工频半周内流经电流互感器CT的电流方向相反，因此，需要有一个磁复位电路，用于使所述电流互感器输出相同极性的信号。
参见图9，由于正负工频半周内，流过CT的电流方向相反，因此需要考虑互感器的磁复位问题，电流互感器输出电流信号处理电路如图14所示。其中MOS管VT1及VT2用于防止磁复位电流对采样信号的影响，其控制信号和工频正负半周相关。当工频正半周时，MOS管VT1导通，VT2关断，电流从互感器原边A流入，C流出，互感器副边的电流信号通过VD1、VT1及采样电阻R2把电流信号转换成电压信号；当工频负半周时，MOS管VT1关断，VT2导通，电流从互感器原边C流入，A流出，互感器副边的电流信号通过VD2、VT2及采样电阻R2把电流信号转换成电压信号；通过该信号处理电路，可以得到相同极性的采样信号。
上述H桥PFC电路不但应用于单相H桥PFC电路(如图8所示)中，还可以电路应用于多相H桥PFC电路中(如图9和图13所示)。
在多相H桥PFC电路中，上述第三串联电路为一个，作为公用的一个回流支路(参见图9和图13)。
在本发明的一个优选实施方式中，上述电流互感器对所述电感电流的下降沿进行采样。
为了更好地理解上述实施例，以下结合图9说明在具体应用中的工作原理：以图9中的第一相电路进行工作原理阐述如下，以工频正半周为例：
参见图10，工频正半周时，MOS管导通，电感电流由A到B，通过MOS管进行续流，具体流向如图中箭头所示。如图11所示，在MOS管导通时，慢管D4有较大的反向电流，通过1D3，由C到A流过电流互感器，再由A到B通过导通MOS管进行续流，具体流向如图中箭头所示。如图12所示，当MOS管关断时，所有的电感电流都由A通过C流过电流互感器，再通过1D1、BUS负载进行续流，具体流向如图中箭头所示。
从正半周的工作过程分析可知，在MOS管导通阶段的前期，有一个反向电流通过CT1，在MOS管关断期间内，电流互感器CT1采样得到的电流信号为一个完整的电感电流下降沿信号，因此可以通过本实施例实现电感电流的下降沿采样。
负半周的工作过程和正半周相似，也可以在MOS管关断期间内，通过电流互感器CT1采样得到一个完整的电感电流下降沿信号，此处不再赘述。
实施例2
在本实施例中提供了一种H桥PFC电路中电感电流的下降沿采样方法，其中，所述H桥PFC电路包括：电流互感器和电感，其中，所述电流互感器的一端与所述电感耦合连接，另一端耦合连接至相互串联的两个升压二极管之间的线路上；该方法基于上述H桥PFC电路，关于本实施所述电路的具体结构可以参见上述实施例，此处不再赘述。图15为根据本发明实施例的H桥PFC电路中电感电流的下降沿采样方法的流程图。如图15所示，该方法包括：
步骤S1502，电流互感器获取流经电感的电流信号；
步骤S1504，电流互感器对获取的电流信号进行采样。
在本发明的一个优选实施方式中，上述方法还可以包括：对采样后的信号进行处理，使得所述电流互感器输出相同极性的信号。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种H桥PFC电路，包括：相互串联的MOS管组成的第一串联电路、相互串联的两个升压二极管组成的第二串联电路、相互串联的两个续流二极管组成的第三串联电路、输出BUS电容、电感和负载，其中，所述第一串联电路、所述第二串联电路、所述第三串联电路、所述电容和所述负载相互并联，形成并联电路，所述电感和所述并联电路串联，其特征在于，还包括：
电流互感器，其一端与所述电感耦合连接，另一端耦合连接至相互串联的两个升压二极管之间的线路上。
2.根据权利要求1所述的H桥PFC电路，其特征在于，还包括：磁复位电路，用于使所述电流互感器输出相同极性的信号。
3.根据权利要求1所述的H桥PFC电路，其特征在于，所述H桥PFC电路应用于单相H桥PFC电路中。
4.根据权利要求1所述的H桥PFC电路，其特征在于，所述H桥PFC电路应用于多相H桥PFC电路中。
5.根据权利要求4所述的H桥PFC电路，其特征在于，所述第三串联电路为一个。
6.根据权利要求1至5任一项所述的H桥PFC电路，其特征在于，所述电流互感器对所述电感电流的下降沿进行采样。
7.一种H桥PFC电路中电感电流的下降沿采样方法，其特征在于，所述H桥PFC电路包括：电流互感器和电感，其中，所述电流互感器的一端与所述电感耦合连接，另一端耦合连接至相互串联的两个升压二极管之间的线路上；
所述电流互感器获取流经所述电感的电流信号；
所述电流互感器对获取的所述电流信号进行采样。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：对采样后的信号进行处理，使得所述电流互感器输出相同极性的信号。
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