CN103916001A

CN103916001A - 一种自主功率因数校正装置

Info

Publication number: CN103916001A
Application number: CN201210591232.XA
Authority: CN
Inventors: 母国永; 宋淑伟
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2012-12-30
Filing date: 2012-12-30
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明提出了一种自主功率因数校正装置，该装置包括：基板，基板的底面可与外部接触；引线框架，引线框架分布在基板的两侧；自主功率因数PFC控制芯片，PFC控制芯片粘贴在引线框架上，用于采样输入电压、输入电流和输出电压并生成控制信号；IGBT芯片，IGBT芯片焊接于基板上，用于接收PFC的控制信号，并根据控制信号控制导通或断开；二极管芯片，二极管芯片焊接于基板上，用于进行高频整流和低频整流；以及热敏电阻，热敏电阻焊接于基板上，用于检测IGBT芯片和二极管芯片的工作结温。该装置无需外加专门的PFC控制芯片或微控制器，便可实现自主功率因数校正功能，大大减少了设计电路时间。

Description

一种自主功率因数校正装置

技术领域

本发明涉及电源领域，特别涉及一种自主功率因数校正装置。

背景技术

在AC-DC电源或变频电源等领域中，一般都采用整流桥和电解电容滤波，如图1所示，不论与其连接的负载如何，整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用使得输出都为断续、短暂的高峰值电流脉冲，这将导致输出有功功率显著降低，并且电流波形中包含了大量的谐波分量。因此，通常需对这类电源进行功率因数校正。如图2所示，当前的有源功率因数校正通常是用整流二极管，快恢复二极管，IGBT及驱动电路（IGBT Driver）等分立器件，或是如图3所示，把这些分立器件集成封装的模块。

分立方案中分立器件封装互连，寄生电感较大，而且可靠性及性能不佳，并且在空间紧张的应用中处于劣势，而一般的功率因数校正模块是将这些分立器件集成封装，并未改善整个系统的尺寸大小，并且不管是分立方案还是将分立器件集成封装的模块，都需要另外加专用PFC控制芯片（PFC IC）或微控制器（MCU）以实现PFC功率因数校正目的，电路设计复杂，成本高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种无需外加专门的PFC控制芯片或微控制器的自主功率因数校正装置，该装置只需接PFC电感、输出滤波电容及少量设置PFC电路工作的一些阻容元件，便可实现自主PFC功率因数校正功能。

为达上述目的，本发明提出了一种自主功率因数校正装置，包括：基板，所述基板的底面可与外部接触；引线框架，所述引线框架分布在所述基板的两侧；自主功率因数PFC控制芯片，所述PFC控制芯片粘贴在所述引线框架上，用于采样输入电压、输入电流和输出电压并生成控制信号；IGBT芯片，所述IGBT芯片焊接于所述基板上，用于接收所述PFC的控制信号，并根据所述控制信号控制导通或断开；二极管芯片，所述二极管芯片焊接于所述基板上，且分别与分压电阻和电流感测电阻相连，其中，所述分压电阻和电流感测电阻分别与所述PFC控制芯片相连，并且，所述二极管芯片与PFC电感和所述IGBT芯片相连，且所述PFC电感与所述IGBT芯片相连，所述二极管芯片用于对所述PFC电感与所述IGBT芯片的连接处的电压进行高频整流，以及对所述分压电阻和所述电流感测电阻的连接处的电压进行低频整流；以及热敏电阻，所述热敏电阻焊接于所述基板上，用于检测所述IGBT芯片和所述二极管芯片的工作结温。

根据本发明实施例的自主功率因数校正装置将PFC控制芯片、二极管芯片、IGBT芯片封装在一起，并且集成了具有温度检测功能的热敏电阻，从而只需外接PFC电感、输出滤波电容及少量设置PFC电路工作的一些阻容元件便可实现自主PFC功率因数校正功能，大大减少了PFC设计电路时间，并且封装结构体积小，综合成本降低。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术中的桥式整流滤波电路图；

图2是现有技术中的功率因数校正分立方案的电路图；

图3是现有技术中的一般功率因数模块的结构框图；

图4是根据本发明实施例提出的自主功率因数校正装置的横截面示意图；

图5是根据本发明实施例提出的自主功率因数校正装置的内部结构示意图；

图6是根据本发明实施例提出的自主功率因数校正装置的等效应用电路连接图；以及

图7是根据本发明实施例提出的自主功率因数校正装置的透视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参照附图对根据本发明实施例提出的自主功率因数校正装置进行描述。

如图4所示，本发明的自主功率因数校正装置包括：基板110、引线框架120、自主功率因数PFC控制芯片IC1、IGBT芯片Q1、二极管芯片140以及热敏电阻130。

其中，基板110的底面与可外部接触。引线框架120分布在基板110的两侧。PFC控制芯片IC1粘贴在引线框架120上，用于采样输入电压、输入电流和输出电压并生成控制信号。IGBT芯片Q1焊接于基板110上，用于接收PFC IC1的控制信号，并根据控制信号控制导通或断开。二极管芯片140焊接于基板110上，且分别与分压电阻和电流感测电阻相连，其中，分压电阻和电流感测电阻分别与PFC控制芯片相连，并且二极管芯片140分别与PFC电感和IGBT芯片Q1相连，且PFC电感与IGBT芯片Q1相连，二极管芯片140用于对PFC电感与IGBT芯片Q1的连接处的电压进行高频整流，以及对分压电阻和电流感测电阻的连接处的电压进行低频整流。热敏电阻130焊接于基板110上，用于检测IGBT芯片Q1和二极管芯片140的工作结温。

具体地，如图4所示，基板110位于该封装的最底部，其最底面直接暴露在外面，由于基板110是将铜直接键合到陶瓷材料上的一种技术，为此，在本发明的一个示例中，可以通过焊料直接将热敏电阻130、IGBT芯片Q1和二极管芯片140焊接在该基板110上。其中，IGBT芯片Q1和二极管芯片140为功率芯片，由此，功率芯片在工作中所产生的大量热量就能直接通过基板110散发出去，从而解决了功率模块中重要的散热问题。并且，热敏电阻焊接在基板110上，可以近似检测功率芯片的工作结温。在本发明的一个示例中，热敏电阻130可以为NTCR(Negative Temperature Coefficient Resister,负温度系数热敏电阻)。其中，热敏电阻NTCR具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降，如果热敏电阻NTCR选择合适，在负载电流达到稳定状态时，其阻值最小，从而不会影响电源的效率。

在本发明的一个实施例中，引线框架120与基板110平行，且高于基板110，如图4所示，PFC控制芯片IC1粘贴在引线框架120上，引线框架120与基板110平行，并且比基板110高出一定高度。进一步地，引线框架120通过金属线与PFC控制芯片IC1、IGBT芯片Q1和二极管芯片140相连，从而实现电性连接。

进一步地，在本发明的一个示例中，如图4所示，引线框架120形成一定角度，具体而言，引线框架120的引脚与引线框架120的平面形成一定角度，从而增加引线框架120的机械强度及焊点的连接强度，且与基板110平行接触，并通过焊料将它们焊接起来，通过金属线将芯片和引线框架120引脚连接起来，实现电信号传输。

在本发明的一个实施例中，二极管芯片140包括：整流二极管和快恢复二极管。其中，整流二极管用于低频整流，快恢复二极管用于高频整流。具体地，如图5和图6所示，整流二极管包括二极管D1、D2、D3和D4，并且D1、D2、D3和D4相互连接组成桥式整流电路。整流二极管分别与分压电阻R2和电流感测电阻Rs相连。其中，分压电阻R2和电流感测电阻Rs分别与PFC控制芯片IC1相连，整流二极管用于对分压电阻R2和电流感测电阻Rs的连接处A点的电压进行低频整流。

快恢复二极管包括二极管D5，快恢复二极管D5的阳极分别与PFC电感L1相连和IGBT芯片Q1相连，其中，PFC电感L1分别与IGBT芯片Q1和整流二极管相连，快恢复二极管用于对PFC电感L1与IGBT芯片Q1的连接处B点的电压进行高频整流。

下面对本发明实施例提出的自主功率因数校正装置的实现功率校正的工过程进行描述。

如图4或图7所示，本发明实施例的自主功率因数校正装置采用裸芯片，DBC(Direct Bond to Copper,直接覆铜)基板110及压注模封装实现功率因数校正电路分立器件模块化。该装置的模块电路外围接PFC电感、输出滤波电容及少量设置PFC电路工作的一些阻容元件，便可实现自主PFC功率因数校正功能，由此大大减少PFC设计电路时间。该装置具有欠压、过流、过温等保护功能。

具体地，如图6所示，该装置外围接PFC电感L、输出滤波电容C1及设置PFC电路工作的电阻R1、R2、R3、R4以及Rs。

其中，相互串联电阻R1和R2用于分压，即言，当输入端交流电压AC的工频信号经过桥式整流电路整流输出直流脉动电压之后，通过由电阻R1和R2组成的电阻分压器进行分压，PFC控制芯片IC1通过电阻R1和R2之间的节点进行采样，得到输入交流电压信号Vac即输入电压,从而使PFC控制芯片IC1控制IGBT芯片Q1的峰值电流跟随输入电压Vac的变化轨迹。相互串联电阻R3和R4位于输出滤波电容C1之后且与负载RL并联，PFC控制芯片IC1通过下拉电阻R4进行采样，得到输出直流电压反馈信号Vdc即输出电压。电阻Rs为电流感测电阻，电阻Rs上交流电压信号经RC低通滤波器（图中未示出）输入到PFC控制芯片IC1的电流采样端，以使IC1得到输入交流电流采样信号Iac即输入电流。

另外，PFC控制芯片IC1利用与功率芯片IGBT芯片Q1和二极管芯片串联的热敏电阻NTCR对电路中温度参数进行采样。

PFC控制芯片IC1根据采样输入电压、输入电流和输出电压输出占空比可调的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）驱动信号控制IGBT芯片Q1导通和关断，确保输出电压稳定。

其中，当Q1导通时，PFC电感L开始充电进行储能，此时根据PFC电感L和IGBT芯片Q1的连接处B点的电压控制快恢复二极管D5关断，负载RL通过滤波电容C1存储的电能进行供电，当Q1关断时，电感L开始放电，此时快恢复二极管D5导通，此时输入端电压与电感L的自感电动势正向叠加，通过快恢复二极管D5高频整流后对负载RL进行供电，并对滤波电容C1进行充电。由此，得到高于输入电压的输出电压，并通过电感L的电流补偿，减小了输入电压与交流基波电流的相位差，从而提高功率因数，实现自主功率因数校正功能。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，引线框架120、PFC控制芯片IC1、IGBT芯片Q1、二极管芯片140和热敏电阻130通过塑封材料塑封定型。其中，塑封材料为环氧塑封料。具体而言，环氧塑封料制成的塑封材料，将引线框架120、PFC控制芯片IC1、IGBT芯片Q1、二极管芯片140和热敏电阻130全部塑封成特定的形状，从而保护该装置内部结构不受外力的冲击和振动，进而提高装置的可靠性及稳定性。

根据本发明实施例的自主功率因数校正装置将PFC控制芯片、二极管芯片、IGBT芯片封装在一起，并且集成了具有温度检测功能的热敏电阻，从而只需外接PFC电感、输出滤波电容及少量设置PFC电路工作的一些阻容元件便可实现自主PFC功率因数校正功能，大大减少了PFC设计电路时间，并且封装结构体积小，节省了引线框架的用量，从而降低了封装成本。此外，该装置的功率芯片IGBT芯片和二极管芯片通过焊料直接焊接在基板上，散热性能好。

另外，该装置的内部芯片采用裸片互连，寄生电感大大减小，可靠性及性能方面均优于现有技术中等同的分立元件产品。并且与一般的功率因数校正模块相比，无需外加专门的PFC控制芯片或微控制器（如MCU、DSP芯片等），应用不局限于电机控制领域（电机控制领域一般用MCU等作为主控，若资源有限配合硬件PFC方案），整个系统尺寸减小，综合成本降低。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种自主功率因数校正装置，其特征在于，包括：

基板，所述基板的底面可与外部接触；

引线框架，所述引线框架分布在所述基板的两侧；

自主功率因数PFC控制芯片，所述PFC控制芯片粘贴在所述引线框架上，用于采样输入电压、输入电流和输出电压并生成控制信号；

IGBT芯片，所述IGBT芯片焊接于所述基板上，用于接收所述PFC控制芯片的控制信号，并根据所述控制信号控制导通或断开；

二极管芯片，所述二极管芯片焊接于所述基板上，且分别与分压电阻和电流感测电阻相连，其中，所述分压电阻和电流感测电阻分别与所述PFC控制芯片相连，并且，所述二极管芯片分别与PFC电感和所述IGBT芯片相连，且所述PFC电感与所述IGBT芯片相连，所述二极管芯片用于对所述PFC电感与所述IGBT芯片的连接处的电压进行高频整流，以及对所述分压电阻和所述电流感测电阻的连接处的电压进行低频整流；以及

热敏电阻，所述热敏电阻焊接于所述基板上，用于检测所述IGBT芯片和所述二极管芯片的工作结温。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述引线框架与所述基板平行，且高于所述基板。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述引线框架通过金属线分别与所述PFC控制芯片、所述IGBT芯片和所述二极管芯片相连。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二极管芯片包括：

整流二极管，所述整流二极管与所述分压电阻和电流感测电阻相连，其中，所述分压电阻和电流感测电阻分别与所述PFC控制芯片相连，所述整流二极管用于对所述分压电阻和所述电流感测电阻的连接处的电压进行低频整流；

快恢复二极管，所述快恢复二极管与所述PFC电感相连和所述IGBT芯片相连，其中，所述PFC电感分别与所述IGBT芯片和所述整流二极管相连，所述快恢复二极管用于对所述PFC电感与所述IGBT芯片的连接处的电压进行高频整流。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述引线框架、所述PFC控制芯片、所述IGBT芯片、所述二极管芯片和所述热敏电阻通过塑封材料塑封定型。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述塑封材料为环氧塑封料。