CN104113210A - 一种pfc转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源装置领域，尤其涉及一种PFC转换器及其控制方法。本发明提供的PFC转换器，包括整流桥、电感、二极管、输入电压、电流和输出电压检测电路以及控制电路、驱动电路和第一开关管单元和第二开关管单元，第一开关管单元和第二开关管单元分别采用IGBT和MOSFET并联的拓扑结构。在控制方法中，使MOSFET先于IGBT导通、落后于IGBT关断,这种方法利用IGBT导通损耗低、MOSFET的开通与关断损耗低的特性，兼顾了两者优点，克服了两者不足，使IGBT具有零电压开通的软开关特性和小电流关断的近似软开关特性，提高了功率密度，降低了开关损耗，提高了PFC电路的效率。

Description

一种PFC转换器及其控制方法

技术领域

本发明属于电源装置领域，尤其涉及一种PFC转换器及其控制方法。

背景技术

空调器等电力电子设备在其内部都有把交流电压转换成直流电压的整流电路，以此形成直流电源，再把电力供到各电子电路中。这些整流电路大多数为电容输入型，其输入电流只在峰值电压波形附近流通、并呈脉冲状电流波形，从而产生出不同程度的谐波。谐波的出现会导致电压波形出现畸变、进相电容异常发热及电机或变压器的噪音增大、受电设备的容量降低等问题。另一方面，在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，功率因数越高，系统利用能量的效率越好。在一般的非纯电阻电路中，功率因数都小于1，原因是由于电路中电感和电容的存在，使得交流电压与交流电流之间的相位差不等于零。

为了提高功率因数、降低输入电流谐波含量，在电力电子设备中大多采用PFC（Power Factor Correction，功率因素校正）电路进行调节，使输入电流的波形和电网电压的波形吻合，也即通过PFC电路来控制输入电流，使输入电流的波形“正弦化”。在现有的PFC电路中，开关管一般采用IGBT，而且为了减小电感的体积，提高系统的功率密度，PFC电路的开关频率一般都比较高，而IGBT的开关损耗也随着开关频率的升高而增大，这样就降低了PFC电路的转换效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种PFC转换器及其控制方法，以提高系统的功率密度，降低系统的损耗，提高系统的整体效能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供的PFC转换器包括：

一种PFC转换器，包括整流桥B1、电感L1、二极管D1、输入电压检测电路、输入电流检测电路和输出电压检测电路，所述整流桥B1的两个输入端分别接交流电的火线和零线，所述整流桥B1的正极输出端接所述电感L1的第一端，所述整流桥B1的负极输出端接所述输入电流检测电路的第一端，所述输入电流检测电路的第二端接直流母线的负极端，所述输入电压检测电路连接在所述整流桥B1的正、负极输出端之间，所述电感L1的第二端接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极接直流母线的正极端，所述输出电压检测电路连接在直流母线的正、负极端之间，作为改进，所述PFC转换器还包括：

分别与所述输入电压检测电路的输出端、输入电流检测电路的输出端和输出电压检测电路的输出端相连的控制电路；以及

与所述控制电路的PWM控制信号输出端相连、用以驱动第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2的驱动电路；

其中，所述第一开关管单元VT1和所述第二开关管单元VT2并联在所述电感L1的第二端与直流母线的负极端之间，所述第一开关管单元VT1采用IGBT开关管，所述第二开关管单元VT2采用MOSFET开关管；所述第一开关管单元VT1的集电极和所述第二开关管单元VT2的漏极共接在所述电感L1的第二端，所述第一开关管单元VT1的发射极和所述第二开关管单元VT2的源极共接在所述直流母线的负极端，所述第一开关管单元VT1的栅极和所述第二开关管单元VT2的栅极分别接所述驱动电路的第一输出端和第二输出端。

另一方面，基于上述PFC转换器的控制方法为：

控制电路根据从所述输入电压检测电路、输入电流检测电路和输出电压检测电路获取的电压、电流信号，输出PWM控制信号控制所述第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2的通断；

并且，在每个PWM控制信号的周期内，所述第二开关管单元VT2先于所述第一开关管单元VT1导通、而落后于所述第一开关管单元VT1关断。

本发明提供的PFC转换器，包括整流桥B1、电感L1、二极管D1、输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电压检测电路以及控制电路、驱动电路和第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2，第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2分别采用IGBT和MOSFET并联的拓扑结构。在控制方法中，使第二开关管单元VT2的MOSFET先于第一开关管单元VT1的IGBT导通、落后于第一开关管单元VT1的IGBT关断,MOSFET为IGBT创造零电压开通（ZVS）和接近零电流关断（ZCS）的软开关工作条件，从而大大降低了IGBT的开关损耗；MOSFET全部导通后又为IGBT提供导通电流分流的通道，整体上降低了开关管的导通损耗。这种方法利用IGBT导通损耗低、功率MOSFET的开通与关断损耗低的特性，兼顾了两者的优点，克服了两者的不足，使IGBT具有零电压开通的软开关特性和小电流关断的近似软开关特性，提高了功率密度，降低了开关损耗，提高了PFC电路的效率。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的PFC转换器的结构图；

图2是本发明第二实施例提供的PFC转换器的结构图；

图3是本发明第三实施例提供的PFC转换器的结构图；

图4是本发明第四实施例提供的PFC转换器中驱动电路的结构示意图；

图5是本发明第五实施例提供的图4驱动电路产生的栅级驱动的PWM控制信号波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明第一实施例提供的PFC转换器的结构图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

一种PFC转换器，包括整流桥B1、电感L1、二极管D1、输入电压检测电路10、输入电流检测电路20、输出电压检测电路30，控制电路40、驱动电路50及第一开关管单元VT1、第二开关管单元VT2；

整流桥B1的两个输入端分别接交流电Vac的火线和零线，整流桥B1的正极输出端接电感L1的第一端，整流桥B1的负极输出端接输入电流检测电路20的第一端，输入电流检测电路20的第二端接直流母线的负极端VDC-，输入电压检测电路10连接在整流桥B1的正、负极输出端之间，电感L1的第二端接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接直流母线的正极端VDC+，输出电压检测电路30连接在直流母线的正极端VDC+与负极端VDC-之间；控制电路40分别与输入电压检测电路10的输出端、输入电流检测电路20的输出端和输出电压检测电路30的输出端相连，驱动电路50与控制电路40的PWM控制信号输出端相连、用以驱动第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2；

并且，第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2并联在电感L1的第二端与直流母线的负极端VDC-之间，第一开关管单元VT1采用IGBT开关管，第二开关管单元VT2采用MOSFET开关管；第一开关管单元VT1的集电极和第二开关管单元VT2的漏极共接在电感L1的第二端，第一开关管单元VT1的发射极和第二开关管单元VT2的源极共接在直流母线的负极端VDC-，第一开关管单元VT1的栅极和第二开关管单元VT2的栅极分别接驱动电路50的第一输出端和第二输出端。

作为一优选实施例，PFC转换器还包括一储能电容C1；储能电容C1连接在直流母线的正极端VDC+与负极端VDC-之间。

其中，第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2采用控制电路40输出的PWM控制信号进行通断控制，在每个PWM控制信号的周期内，第二开关管单元VT2先于第一开关管单元VT1导通、而落后于第一开关管单元VT1关断。进一步地，在本第一实施例中，第一开关管单元VT1采用的是一个IGBT开关管、第二开关管单元VT2采用的是一个MOSFET开关管，即该MOSFET开关管先于IGBT开关管导通，而落后于IGBT开关管关断。

实际上，在具体实现时，第一开关管单元VT1可以采用多个并联的IGBT开关管、第二开关管单元VT2也可以采用多个并联的MOSFET开关管。下面通过两个具体实施例来进行说明。

参见图2。图2是本发明第二实施例提供的PFC转换器的结构图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。与第一实施例所示的PFC转换器相比，本第二实施例提供的PFC转换器不同之处仅在于：第一开关管单元VT1采用多个并联的IGBT开关管，本图中以两个并联的IGBT开关管VT11和VT12为例。如图所示：VT11和VT12为并联的两个IGBT开关管，VT2为MOSFET开关管，VT11的栅极和VT12的栅极直接连接在一起，然后与驱动电路50的第一输出端连接。

参见图3。图3是本发明第三实施例提供的PFC转换器的结构图；同样的，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。与第一实施例所示的PFC转换器相比，本第三实施例提供的PFC转换器不同之处仅在于：第二开关管单元VT2采用多个并联的MOSFET开关管，本图中以两个并联的MOSFET开关管VT21和VT22为例。如图所示：VT21和VT22为并联的两个MOSFET开关管，VT1为IGBT开关管，VT21的栅极和VT22的栅极直接连接在一起，然后与驱动电路50的第二输出端连接。

不论第一开关管单元VT1是一个或多个IGBT开关管或者第二开关管单元VT2是一个或多个MOSFET开关管，其实际工作原理是一致的，在每个PWM控制信号的周期内，都是第二开关管单元VT2先于第一开关管单元VT1导通、而落后于第一开关管单元VT1关断。

为了更好地说明该PFC转换器的结构，图4示出了本发明第四实施例提供的驱动电路的结构示意图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

驱动电路50包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、NPN型三极管Q1、NPN型三极管Q3、PNP型三极管Q2、PNP型三极管Q4、稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管ZD3和稳压管ZD4；

控制电路40的控制信号PWM输出端同时接电阻R1的第一端和电阻R2的第一端，电阻R1的第二端同时接NPN型三极管Q1的基极和PNP型三极管Q2的基极，NPN型三极管Q1的集电极接正电源＋VCC，NPN型三极管Q1的发射极与PNP型三极管Q2的发射极共接在电阻R3的第一端，PNP型三极管Q2的集电极接负电源-VEE，电阻R3的第二端为驱动电路50的第一输出端、接第一开关管单元VT1的栅极G1，电阻R4接在电阻R3的第二端与地之间，稳压管ZD1的阴极接电阻R3的第二端，稳压管ZD1的阳极接稳压管ZD2的阳极，稳压管ZD2的阴极接地；

电阻R2的第二端同时接NPN型三极管Q3的基极和PNP型三极管Q4的基极，NPN型三极管Q3的集电极接正电源＋VCC，NPN型三极管Q3的发射极与PNP型三极管Q4的发射极共接在电阻R5的第一端，PNP型三极管Q4的集电极接负电源-VEE，电阻R5的第二端为驱动电路50的第二输出端、接第二开关管单元VT2的栅极G2，电阻R6接在电阻R5的第二端与地之间，稳压管ZD3的阴极接电阻R5的第二端，稳压管ZD3的阳极接稳压管ZD4的阳极，稳压管ZD4的阴极接地。

优选的，电阻R1与电阻R2的阻值相等、电阻R4和电阻R6的阻值相等，并且电阻R3的阻值大于电阻R4的阻值。

在此驱动电路中，电阻R4构成了第一开关管单元VT1中IGBT开关管的栅极下拉电阻，电阻R6构成了第二开关管单元VT2中MOSFET开关管的栅极下拉电阻。电阻R3构成了第一开关管单元VT1中IGBT开关管的栅极串联电阻，电阻R5构成了第二开关管单元VT2中MOSFET开关管的栅极串联电阻，在电路参数配置上，使电阻R3的阻值大于电阻R4的阻值，利用IGBT和MOSFET的栅极输入电容，构成驱动信号延迟电路，这样使第二开关管单元VT2中MOSFET开关管先于第一开关管单元VT1中IGBT开关管导通、而落后于第一开关管单元VT1中IGBT开关管关断，利用IGBT导通损耗低、而功率MOSFET的开通与关断损耗低的特性，兼顾了两者的优点，克服了两者的不足，使第一开关管单元VT1中IGBT开关管具有零电压开通的软开关特性和小电流关断的近似软开关特性。

具体说来，上述PFC转换器的控制方法，包括：

控制电路40根据从输入电压检测电路10、输入电流检测电路20获取的输入电电压和输入电流信号，输出PWM控制信号控制第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2的通断，使输入电流的波形跟踪输入电压的波形，达到输入功率因数为1；

控制电路40还通过输出电压检测电路30得到输出电压的检测信号，通过PID控制，使整个PFC转换器的输出电压等于设定的直流母线电压；

并且，在每个PWM控制信号的周期内，第二开关管单元VT2先于第一开关管单元VT1导通、而落后于第一开关管单元VT1关断。

图5为图4所示驱动电路产生的栅级驱动的PWM控制信号波形图。图中G1_PWM是第一开关管单元VT1中IGBT开关管的栅极PWM驱动波形，G2_PWM是第二开关管单元VT2中MOSFET开关管的栅极PWM驱动波形，MOSFET开关管始终先于IGBT开关管导通、而落后于IGBT开关管关断。

优选地，第二开关管单元VT2中MOSFET开关管先于第一开关管单元VT1中IGBT开关管导通的超前时间为td(on)2+tr2，其中td(on)2为第二开关管单元VT2中MOSFET开关管的开通延迟时间，tr2为第二开关管单元VT2中MOSFET开关管的开通电流上升时间。

优选地，第二开关管单元VT2中MOSFET开关管落后于第一开关管单元VT1中IGBT开关管关断的滞后时间为td(off)1+tf1，其中td(off)1为第一开关管单元VT1中IGBT开关管的关断延迟时间，tf1为第一开关管单元VT1中IGBT开关管的关断电流下降时间。

比如，IGBT开关管采用Infineon公司的IKW50N60T，MOSFET开关管采用Infineon公司的IPW60R041C6，其中MOSFET开关管IPW60R041C6的开通延迟时间td(on)2为23ns，开通电流上升时间tr2为10ns，IGBT开关管IKW50N60T的关断延迟时间td(off)1为341ns，关断电流下降时间tf1为55ns。因此，优选地，MOSFET开关管先于IGBT开关管导通的超前时间设置为td(on)2+tr2=23ns+10ns=33ns，MOSFET开关管落后于IGBT开关管导通的滞后时间可设置为td(off)1+tf1=341ns+55ns=396ns。

这样，在IGBT开关管的开通过程中，当MOSFET开关管完全导通后再开通IGBT开关管，从而使IGBT开关管在零电压情况下开通。在IGBT开关管的关断过程中，当IGBT开关管完全关断后再关闭MOSFET开关管，此时由于MOSFET开关管一直导通实现分流作用，从而使IGBT开关管以较小的拖尾电流实现关断。

从而，上述控制方法即保证了IGBT开关管的零电压开通的软开关特性和小电流关断的近似软开关特性，又充分发挥了MOSFET开关管自身的电流导通能力。

综上所述，本发明提供的PFC转换器，包括整流桥B1、电感L1、二极管D1、输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电压检测电路以及控制电路、驱动电路和第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2，第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2分别采用IGBT和MOSFET并联的拓扑结构。在控制方法中，使第二开关管单元VT2的MOSFET先于第一开关管单元VT1的IGBT导通、落后于第一开关管单元VT1的IGBT关断,MOSFET为IGBT创造零电压开通（ZVS）和接近零电流关断（ZCS）的软开关工作条件，从而大大降低了IGBT的开关损耗；MOSFET全部导通后又为IGBT提供导通电流分流的通道，整体上降低了开关管的导通损耗。这种方法利用IGBT导通损耗低、功率MOSFET的开通与关断损耗低的特性，兼顾了两者的优点，克服了两者的不足，使IGBT具有零电压开通的软开关特性和小电流关断的近似软开关特性，提高了功率密度，降低了开关损耗，提高了PFC电路的效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种PFC转换器，包括整流桥B1、电感L1、二极管D1、输入电压检测电路、输入电流检测电路和输出电压检测电路，所述整流桥B1的两个输入端分别接交流电的火线和零线，所述整流桥B1的正极输出端接所述电感L1的第一端，所述整流桥B1的负极输出端接所述输入电流检测电路的第一端，所述输入电流检测电路的第二端接直流母线的负极端，所述输入电压检测电路连接在所述整流桥B1的正、负极输出端之间，所述电感L1的第二端接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极接直流母线的正极端，所述输出电压检测电路连接在直流母线的正、负极端之间，其特征在于，所述PFC转换器还包括：

分别与所述输入电压检测电路的输出端、输入电流检测电路的输出端和输出电压检测电路的输出端相连的控制电路；以及

与所述控制电路的PWM控制信号输出端相连、用以驱动第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2的驱动电路；

其中，所述第一开关管单元VT1和所述第二开关管单元VT2并联在所述电感L1的第二端与直流母线的负极端之间，所述第一开关管单元VT1采用IGBT开关管，所述第二开关管单元VT2采用MOSFET开关管；所述第一开关管单元VT1的集电极和所述第二开关管单元VT2的漏极共接在所述电感L1的第二端，所述第一开关管单元VT1的发射极和所述第二开关管单元VT2的源极共接在所述直流母线的负极端，所述第一开关管单元VT1的栅极和所述第二开关管单元VT2的栅极分别接所述驱动电路的第一输出端和第二输出端。

2.如权利要求1所述的PFC转换器，其特征在于，所述PFC转换器还包括储能电容C1；

所述储能电容C1连接在所述直流母线的正、负极端之间。

3.如权利要求1所述的PFC转换器，其特征在于，所述第一开关管单元VT1包括两个以上并联的IGBT开关管。

4.如权利要求1所述的PFC转换器，其特征在于，所述第二开关管单元VT2包括两个以上并联的MOSFET开关管。

5.如权利要求1所述的PFC转换器，其特征在于，所述驱动电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、NPN型三极管Q1、NPN型三极管Q3、PNP型三极管Q2、PNP型三极管Q4、稳压管ZD1、稳压管ZD2、稳压管ZD3和稳压管ZD4；

所述控制电路的控制信号PWM输出端同时接所述电阻R1的第一端和电阻R2的第一端，所述电阻R1的第二端同时接所述NPN型三极管Q1的基极和PNP型三极管Q2的基极，所述NPN型三极管Q1的集电极接正电源＋VCC，所述NPN型三极管Q1的发射极与所述PNP型三极管Q2的发射极共接在所述电阻R3的第一端，所述PNP型三极管Q2的集电极接负电源-VEE，所述电阻R3的第二端为所述驱动电路的第一输出端、接所述第一开关管单元VT1的栅极，所述电阻R4接在所述电阻R3的第二端与地之间，所述稳压管ZD1的阴极接所述电阻R3的第二端，所述稳压管ZD1的阳极接所述稳压管ZD2的阳极，所述稳压管ZD2的阴极接地；

所述电阻R2的第二端同时接所述NPN型三极管Q3的基极和PNP型三极管Q4的基极，所述NPN型三极管Q3的集电极接所述正电源＋VCC，所述NPN型三极管Q3的发射极与所述PNP型三极管Q4的发射极共接在所述电阻R5的第一端，所述PNP型三极管Q4的集电极接所述负电源-VEE，所述电阻R5的第二端为所述驱动电路的第二输出端、接所述第二开关管单元VT2的栅极，所述电阻R6接在所述电阻R5的第二端与地之间，所述稳压管ZD3的阴极接所述电阻R5的第二端，所述稳压管ZD3的阳极接所述稳压管ZD4的阳极，所述稳压管ZD4的阴极接地。

6.如权利要求5所述的PFC转换器，其特征在于，所述电阻R1与电阻R2的阻值相等，所述电阻R4和电阻R6的阻值相等，所述电阻R3的阻值大于所述电阻R4的阻值。

7.一种基于权利要求1所述的PFC转换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

控制电路根据从所述输入电压检测电路、输入电流检测电路获取的输入电电压和输入电流信号，输出PWM控制信号控制所述第一开关管单元VT1和第二开关管单元VT2的通断，使输入电流的波形跟踪输入电压的波形；

并且，在每个PWM控制信号的周期内，所述第二开关管单元VT2先于所述第一开关管单元VT1导通、而落后于所述第一开关管单元VT1关断。

8.如权利要求7所述的PFC转换器的控制方法，其特征在于：

所述第二开关管单元VT2先于所述第一开关管单元VT1导通的超前时间为td(on)2+tr2，其中td(on)2为第二开关管单元VT2中MOSFET开关管的开通延迟时间，tr2为第二开关管单元VT2中MOSFET开关管的开通电流上升时间。

9.如权利要求7所述的PFC转换器的控制方法，其特征在于：

所述第二开关管单元VT2落后于所述第一开关管单元VT1关断的滞后时间为td(off)1+tf1，其中td(off)1为第一开关管单元VT1中IGBT开关管的关断延迟时间，tf1为第一开关管单元VT1中IGBT开关管的关断电流下降时间。

10.如权利要求7-9任一项所述的PFC转换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

控制电路通过所述输出电压检测电路得到输出电压的检测信号，通过PID控制，使整个PFC转换器的输出电压等于设定的直流母线电压。