CN103269162A - 一种准单级高功率因数恒流电路及装置 - Google Patents

一种准单级高功率因数恒流电路及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种准单级高功率因数恒流电路及装置，该电路包括：整流桥；输入电容；第一电感，第一端接输入电容的第一端；母线电容，第一端接第一电感的第二端；第一二极管，阳极接母线电容的第二端，阴极接整流桥的负输出端；开关管，第一功率端接第一电感的第二端；第二二极管，阳极接开关管的第二功率端，阴极接所流桥的负输出端；采样电阻，第一端接开关管的第二功率端；第二电感，第一端接采样电阻的第二端；输出二极管，阴极接开关管的第二功率端，阳极接母线电容的第二端；输出电容，第一端接第二电感的第二端，第二端接输出二极管的阳极。本发明相比两级结构更简单，有利于降低电路成本，相比单级结构有利于降低负载纹波电流。

Description

一种准单级高功率因数恒流电路及装置
技术领域
本发明涉及开关电源技术，尤其涉及一种准单级高功率因数恒流电路及装置。
背景技术
由于目前大多数用电设备中的非线性元件和储能元件的存在会使输入交流电流波形发生严重畸变，网侧输入功率因数很低，为了满足国际标准IEC61000-3-2的谐波要求，必须在这些用电设备中加入功率因素校正（PFC）装置。
传统的有源功率因数校正电路一般采用升压（Boost）拓扑、升降压（Buck-boost）拓扑或降压型（Buck）拓扑。其中，Boost拓扑具有控制容易、驱动简单、在整个工频周期内都可以进行开关工作、输入电流的功率因数可以接近于1等特点。但是Boost拓扑电路具有输出电压高的缺点，而且在宽范围输入（90Vac-265Vac）条件下，在低电压段（90Vac-110Vac）的效率比高电压段（220Vac-265Vac）低1-3%。而采用Buck-boost拓扑，电路损耗相对Buck拓扑会大一些。在小功率应用场合，Buck拓扑能够在整个输入电压范围内保持较高效率。由于工业上的热设计都是根据效率最低点来设计的，因此Buck拓扑的热设计也比Boost拓扑和Buck-boost拓扑简单。所以，目前Buck拓扑被越来越多地用到工业应用中。
图1示出了现有技术中的一种单级的Buck PFC电路结构，包括：整流桥10，接收输入信号Vac；输入电容Cin，连接在整流桥10的两个输出端之间；电感L，其一端连接整流桥10的一个输出端，其另一端连接输出电容Co的一端；输出电容Co，其一端连接电感L的另一端，其另一端连接开关管Q1的输入端；负载Rload，并联在输出电容Co的两端；二极管Do，阴极连接整流桥10的一个输出端，阳极连接开关管Q1的输入端；开关管Q1，输出端连接整流桥10的另一个输出端，控制端连接PFC控制电路11的输出端。
然而，以图1为例的单级Buck PFC电路，虽然电路结构简单，电路成本低，缺点是输出负载存在较大的纹波电流（通常为100Hz的纹波电流），会造成频闪，无法适用于某些对频闪要求较高的应用场合。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种准单级高功率因数恒流电路及装置，相比于传统的两级电路而言能够降低电路成本，相比于传统的单级电路而言可减小负载的纹波电流，后级主电路采用Buck型结构以获得较高效率，通过简单的控制即可获得输出负载恒流。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种准单级高功率因数恒流电路及装置，包括：
整流桥，对输入的交流电源信号整流；
输入电容，其第一端连接所述整流桥的正输出端，其第二端连接所述整流桥的负输出端；
第一电感，其第一端连接所述输入电容的第一端；
母线电容，其第一端连接所述第一电感的第二端；
第一二极管，其阳极连接所述母线电容的第二端，其阴极连接所述整流桥的负输出端；
开关管，其第一功率端连接所述第一电感的第二端，其控制端接收外部的驱动信号；
第二二极管，其阳极连接所述开关管的第二功率端，其阴极连接所述整流桥的负输出端；
采样电阻，其第一端连接所述开关管的第二功率端；
第二电感，其第一端与所述采样电阻的第二端相连；
输出二极管，其阴极与所述开关管的第二功率端相连，其阳极与所述母线电容的第二端相连；
输出电容，其第一端与所述第二电感的第二端相连，其第二端与所述输出二极管的阳极相连，所述输出电容配置为与负载并联。
根据本发明的一个实施例，所述开关管为功率MOSFET晶体管，所述第一功率端为所述MOSFET晶体管的漏极，所述第二功率端为所述MOSFET晶体管的源极，所述控制端为所述MOSFET晶体管的栅极。
根据本发明的一个实施例，所述开关管为功率三极管，所述第一功率端为所述功率三极管的集电极，所述第二功率端为所述功率三极管的发射极，所述控制端为所述功率三极管的基极。
根据本发明的一个实施例，所述开关管为源极驱动组合开关器件，包括第一MOS晶体管和第二MOS晶体管，其中，所述第一功率端为所述第一MOS晶体管的漏极，所述第二功率端为所述第二MOS晶体管的源极，所述控制端为所述第二MOS晶体管的栅极，所述第一MOS晶体管的源极连接所述第二MOS晶体管的漏极，所述第一MOS晶体管的栅极接收预设的直流电压。
本发明还提供了一种准单级高功率因数装置，包括：
以上任一项所述的准单级高功率因数恒流电路；
控制电路，其电流采样端采样获得所述采样电阻的电流信息，所述控制电路根据所述采样电阻的电流信息和所述第二电感的电流过零信息产生驱动信号，所述驱动信号经由输出端传输至所述开关管的控制端。
根据本发明的一个实施例，所述控制电路的电流采样端连接所述采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端接地；或者所述控制电路的电流采样端连接所述采样电阻的第二端，所述采样电阻的第一端接地。
根据本发明的一个实施例，所述控制电路通过过零检测端获取所述第二电感的电流过零信息，所述过零检测端经由电阻分压网络与所述第二电感的第二端相连，其中，所述电阻分压网络的输入端连接所述第二电感的第二端，所述电阻分压网络的输出端连接所述控制电路的过零检测端。
根据本发明的一个实施例，所述控制电路通过过零检测端获取所述第二电感的电流过零信息，所述过零检测端连接辅助绕组的第一端，所述辅助绕组的第二端接地，所述辅助绕组与所述第二电感耦合。
根据本发明的一个实施例，所述控制电路用于输出负载恒流控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的高功率因数恒流电路和装置为准单级结构，主电路结构为共用一个功率开关管的两级电路，只需要一套控制电路，相比两级式结构，电路结构更简单，有利于电路成本；相比单级式结构，大大降低了输出负载的纹波电流，无频闪。
此外，本发明的高功率因数恒流电路的第二级电路为Buck电路，除可以实现高效率之外，控制电路可直接接收采样电阻上的电流信息（等同于输出电感电流）来实现输出负载恒流控制，进一步简化电路结构。
附图说明
图1是现有技术中一种单级Buck型高功率因数恒流电路的电路结构示意图；
图2是本发明第一实施例的准单级高功率因数恒流装置的电路结构示意图；
图3是源极驱动的组合开关器件的结构示意图；
图4是本发明第一实施例的准单级高功率因数恒流装置在第一工作状态下的等效电路示意图；
图5是本发明第一实施例的准单级高功率因数恒流装置在第二工作状态下的等效电路示意图；
图6是本发明第二实施例的准单级高功率因数恒流装置的电路结构示意图；
图7是本发明第三实施例的准单级高功率因数恒流装置的电路结构示意图；
图8是本发明第四实施例的准单级高功率因数恒流装置的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
第一实施例
参考图2，图2示出了第一实施例的准单级高功率因数恒流装置，包括准单级高功率因数恒流电路以及控制电路200，其中，准单级高功率因数恒流电路包括整流桥B1、输入电容Cin、第一电感L1、母线电容C1、第一二极管D1、开关管Q1、第二二极管D2、采样电阻Rsen、第二电感L2、输出二极管Do以及输出电容Co。
进一步而言，整流桥B1的输入端接交流电源信号并对其进行整流，整流桥B1的正输出端连接输入电容Cin的第一端、第一电感L1的第一端，整流桥B1的负输出端接输入电容Cin的第二端、第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阴极，第一电感L1的第二端接开关管Q1的第一功率端和母线电容C1的第一端，开关管Q1的第二功率端接采样电阻Rsen的第一端、第二二极管D2的阳极和输出二极管Do的阴极，采样电阻Rsen的第二端接第二电感L2的第一端并接地，第二电感L2的第二端接输出电容Co的第一端，输出电容Co的第二端接输出二极管Do的阳极、母线电容C1的第二端以及第一二极管D1的阳极，输出电容Co的两端连接负载。
第一实施例中，控制电路200的电流采样端CS连接采样电阻Rsen的第一端，控制电路200的地端GND接地，控制电路200的输出端DRV接开关管Q1的控制端，控制电路200的过零检测端ZCD通过电阻分压网络连接第二电感L2的第二端。作为一个非限制性的例子，图2中的电阻分压网络包括电阻R1和电阻R2，其中过零检测端ZCD接电阻R1的第一端和电阻R2的第一端，电阻R1的第二端接第二电感L2的第二端，电阻R2的第二端接地。
控制电路200根据电流采样端CS采样到的采样电阻Rsen的电流信息以及过零检测端ZCD检测到的第二电感L2的电流过零信息（由电阻R1和电阻R2对第二电感L2的第二端的电压进行分压检测得到）产生驱动信号，该驱动信号经由输出端DRV传输至开关管Q1的控制端。
控制电路200优选为本领域技术人员公知的恒流控制电路，开关管Q1在控制电路200产生的驱动信号控制下周期性地导通和截止以实现输出负载电流恒流。
开关管Q1可以是功率MOSFET晶体管，其中，开关管Q1的第一功率端为MOSFET晶体管的漏极，第二功率端为MOSFET晶体管的源极，控制端为MOSFET晶体管的栅极；或者，开关管Q1可以是功率三极管，开关管Q1的第一功率端为功率三极管的集电极，第二功率端为所述功率三极管的发射极，控制端为所述功率三极管的基极。
另外，开关管Q1还可以是图3所示的源极驱动的组合开关器件，该源极驱动的组合开关器件包括第一MOS晶体管Qa和第二MOS晶体管Qb，其中，第一功率端为第一MOS晶体管Qa的漏极，第二功率端为第二MOS晶体管Qb的源极，控制端为第二MOS晶体管Qb的栅极，第一MOS晶体管Qa的源极连接第二MOS晶体管Qb的漏极，第一MOS晶体管的栅极接收预设的直流电压。作为一个非限制性的例子，该预设的直流电压可以由直流电压源VDC提供，例如直流电压源VDC的一端与第一MOS晶体管的栅极连接，另一端接地。
图4为图2所示的准单级高功率因数恒流装置在第一工作状态时的等效电路图，图中虚线部分表示该线路不参与工作。在第一工作状态，开关管Q1导通，输入交流电源信号经整流桥B1整流之后的正弦半波电压经开关管Q1、第二二极管D2和第一电感L1构成的回路给第一电感L1充电，流经第一电感L1的电流iL1上升；同时，母线电容C1经开关管Q1、采样电阻Rsen、第二电感L2和输出电容Co构成的回路给第二电感L2充电，第二电感L2的电流iL2上升。
图5为图2所示的准单级高功率因数恒流装置在第二工作状态时的等效电路图，图中虚线部分表示该线路不参与工作。在第二工作状态，开关管Q1断开，流经第一电感L1的电流iL1经输入电容Cin、第一电感L1、母线电容C1和第一二极管D1构成的回路续流，电流iL1下降；与此同时，流经第二电感L2的电流iL2经开关管Q1、采样电阻Rsen、第二电感L2、输出电容Co和输出二极管Do构成的回路续流，电流iL2下降。
由上述分析可见，流经采样电阻Rsen的电流即为第二电感L2电流iL2，因此只需要将采样电阻Rsen的电流信息送入控制电路200，通过一些现有技术的恒流控制电路即可实现对输出负载的恒流控制；此外，通过将第二电感L2电流iL2的过零信息（检测第二电感L2的第二端的电压过零信息）送入控制电路200，可实现电流iL2为临界连续模式。与此同时，只需通过合理的参数设计使得流经第一电感L1的电流iL1控制为电流断续模式，即可自然实现交流输入电流的功率因数校正。此外，通过较大容量的母线电容C1可以降低母线电容C1两端的电压纹波，从而获得较小的输出负载电流纹波，消除100Hz频闪。
第二实施例
参考图6，图6所示为第二实施例的准单级高功率因数恒流装置。本实施例的主电路与前述的第一实施例基本相同，工作原理也基本相同，所以不再详述。本实施例的主电路与图2所示第一实施例不同之处在于控制电路300和主电路接点发生变化，在本实施例中，采样电阻Rsen的第一端接地，采样电阻Rsen的第二端接控制电路300的电流采样端CS，因此送入控制电路300的电流信息为负的第二电感电流信息，在控制电路300内部经反向之后同样可以实现与图2所示第一实施例的基本功能，如功率因数校正、输出恒流等。
第三实施例
参考图7，图7所示为第三实施例的准单级高功率因数恒流装置。本实施例主电路与图2所示第一实施例不同之处在于第二电感L2的电流过零检测方式不同。在本实施例中，增加了与第二电感L2耦合的辅助绕组Wa，辅助绕组Wa用于检测第二电感L2的电流过零信息，第二电感L2相当于和辅助绕组Wa耦合形成变压器，第二电感L2的辅助绕组Wa的同名端接地，辅助绕组Wa的异名端接控制电路200的过零检测端ZCD。本实施例主电路与图2所示第一实施例基本相同，工作原理也基本相同，所以不再详述。
第四实施例
参考图8，图8所示为第四实施例的准单级高功率因数恒流装置。本实施例主电路与图7所示的第三实施例基本相同，工作原理也基本相同。本实施例主电路与图7所示第三实施例不同之处在于控制电路300和主电路接点发生变化，在本实施例中，采样电阻Rsen的第一端接地，采样电阻Rsen的第二端接控制电路300的电流采样端CS，因此送入控制电路300的电流信息为负的第二电感L2的电流信息，在控制电路300内部经反向之后同样可以实现与图7所示第三实施例的基本功能，如功率因数校正、输出恒流等。
另外，需要说明的是，虽然以上四个实施例中都是通过控制电路都用到了过零检测端，通过检测第二电感L2的电流过零点来实现第二级Buck电路工作在电流临界连续导通模式，但是并不限于此，本领域技术人员应当理解，当所述准单级高功率因数恒流电路的第二级Buck电路工作在某些工作模式如定频时，控制电路也可以不需要用到过零检测端。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，只是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种准单级高功率因数恒流电路，其特征在于，包括：
整流桥，对输入的交流电源信号整流；
输入电容，其第一端连接所述整流桥的正输出端，其第二端连接所述整流桥的负输出端；
第一电感，其第一端连接所述输入电容的第一端；
母线电容，其第一端连接所述第一电感的第二端；
第一二极管，其阳极连接所述母线电容的第二端，其阴极连接所述整流桥的负输出端；
开关管，其第一功率端连接所述第一电感的第二端，其控制端接收外部的驱动信号；
第二二极管，其阳极连接所述开关管的第二功率端，其阴极连接所述整流桥的负输出端；
采样电阻，其第一端连接所述开关管的第二功率端；
第二电感，其第一端与所述采样电阻的第二端相连；
输出二极管，其阴极与所述开关管的第二功率端相连，其阳极与所述母线电容的第二端相连；
输出电容，其第一端与所述第二电感的第二端相连，其第二端与所述输出二极管的阳极相连，所述输出电容配置为与负载并联。
2.根据权利要求1所述的准单级高功率因数恒流电路，其特征在于，所述开关管为功率MOSFET晶体管，所述第一功率端为所述MOSFET晶体管的漏极，所述第二功率端为所述MOSFET晶体管的源极，所述控制端为所述MOSFET晶体管的栅极。
3.根据权利要求1所述的准单级高功率因数恒流电路，其特征在于，所述开关管为功率三极管，所述第一功率端为所述功率三极管的集电极，所述第二功率端为所述功率三极管的发射极，所述控制端为所述功率三极管的基极。
4.根据权利要求1所述的准单级高功率因数恒流电路，其特征在于，所述开关管为源极驱动组合开关器件，包括第一MOS晶体管和第二MOS晶体管，其中，所述第一功率端为所述第一MOS晶体管的漏极，所述第二功率端为所述第二MOS晶体管的源极，所述控制端为所述第二MOS晶体管的栅极，所述第一MOS晶体管的源极连接所述第二MOS晶体管的漏极，所述第一MOS晶体管的栅极接收预设的直流电压。
5.一种准单级高功率因数恒流装置，其特征在于，包括：
权利要求1至4中任一项所述的准单级高功率因数恒流电路；
控制电路，其电流采样端采样获得所述采样电阻的电流信息，所述控制电路根据所述采样电阻的电流信息和所述第二电感的电流过零信息产生驱动信号，所述驱动信号经由输出端传输至所述开关管的控制端。
6.根据权利要求5所述的准单级高功率因数恒流装置，其特征在于，所述控制电路的电流采样端连接所述采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端接地；或者所述控制电路的电流采样端连接所述采样电阻的第二端，所述采样电阻的第一端接地。
7.根据权利要求5所述的准单级高功率因数恒流装置，其特征在于，所述控制电路通过过零检测端获取所述第二电感的电流过零信息，所述过零检测端经由电阻分压网络与所述第二电感的第二端相连，其中，所述电阻分压网络的输入端连接所述第二电感的第二端，所述电阻分压网络的输出端连接所述控制电路的过零检测端。
8.根据权利要求5所述的准单级高功率因数恒流装置，其特征在于，所述控制电路通过过零检测端获取所述第二电感的电流过零信息，所述过零检测端连接辅助绕组的第一端，所述辅助绕组的第二端接地，所述辅助绕组与所述第二电感耦合。
9.根据权利要求5所述的准单级高功率因数恒流装置，其特征在于，所述控制电路用于输出负载恒流控制。
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