CN104852567A - 一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路 - Google Patents

一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，包括升压电感、输入电流采样、图腾柱无桥拓扑、谐振无源网路、滤波电路、输出电压采样、控制电路、电压过零检测。通过在图腾柱无桥拓扑主电路上增加电感、电容、二极管无源元件构成的谐振网络，控制两个开关器件在输入电源正负半周的每一个PWM占空比期间，一个作为主开关，一个作为谐振开关，本发明实现无需增加辅助功率开关可保证图腾柱无桥拓扑上两个开关器件均工作在零电压导通、零电流关断的软开关状态，电路效率得到了较大的提高，开关器件的额定值得到下降，电路可工作在电流断续、临界导通模式与电流连续模式，适合小、中、大等各种功率应用，且无需设置死区时间，避免了两个开关器件直通短路的可能，提高了电路的可靠性。

Description

一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路
技术领域
本发明涉及功率电子，特别是涉及一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路。
背景技术
图腾柱无桥功率因素校正电路(Toem-pole Bridgeless Power Factor Correction)是一种能实现高效率、低电磁干扰的拓扑，如图1所示，它由串联的两个开关器件S1、S2和串联的两个整流二极管D1、D2组成。由于两个开关器件S1、S2在一个桥臂上，为了防止直通短路，必须要设置死区时间，拓扑只能工作在电流断续和临界导通模式，不能工作在电流连续模式。同时两个开关器件S1、S2工作在硬性开关状态，损耗较大，在高频工作时需要使用较大额定值的功率器件，增加了电路的成本。因此，图腾柱柱无桥功率因素校正电路不适合中大功率的应用。
发明内容
本发明的主要目的是：针对现有技术存在的缺点，提出一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，提出的电路两个开关器件S1、S2均工作在软开关状态，无需使用较大额定值的功率器件，无需设置死区时间，可工作在电流断续、临界导通模式与电流连续模式，适合小、中、大等各种功率应用。
为达到上述目的，本发明的构思是：通过在现有图腾柱无桥功率因素校正电路的母线与输出之间加上电感、电容、二极管组成的谐振网络，控制两个开关器件在输入电源正负半周的每一个PWM占空比期间，一个作为主开关，一个作为谐振开关，如图2所示。图3为一个PWM期间的工作波形。
下面结合图2、3说明本发明所涉及的工作原理。
根据图2拓扑的对称性，正负半周的工作原理类同，此处只分析正半周的工作情况。
为了简化分析，假定升压电感L1、L2和滤波电容CO足够大，在每个PWM占空比期间，可以把输入电流Iin近似为与导通那个时刻输入电压Vac成正比的恒定值，输出电压视为恒直流电压源。
阶段1：(t0≤t≤t1)
假定t0前，谐振电感电流iLr为输入电流Iin，谐振电容电压Vcr等于零。在t＝t0时刻，开关S1导通，因初始电流为零，故S1为零电流开通。输入电流Iin通过升压电感L1、开关管S1流到电源，到t1时刻增大到Iin。谐振电感电流iLr通过DS2回到电源，到t1时刻下降为零。等效电路如图4(a)所示。
阶段2：(t1≤t≤t2)
在该阶段，输入电流Iin通过升压电感L1、开关管S1回到电源，电流恒定为Iin。谐振电感电流iLr、谐振电容电压Vcr均为零。等效电路如图4(b)所示。该阶段的输入电流Iin近似等于Vac(t1)/L1，使输入电流的波形跟随输入电压波形。实现功率因素校正。
阶段3：(t2≤t≤t3)
在t2时刻，S2导通，初始电流为零，故S2为零电流开通。电感Lr、电容Cr通过S1、S2产生谐振。谐振电流iLr从零反向流过S1、S2到最大值，在t3时刻变为零，而谐振电压Vcr在t3时刻到达最大值。在该阶段，输入电流Iin仍然通过升压电感L1、开关管S1回到电源。等效电路如图4(c)所示。
阶段4：(t3≤t≤t4)
在这个阶段，谐振通过Lr-Cr-VO-DS2-DS1进入另一个半周期，直到t4。在t4时刻，iLr＝Iin，通过S1的电流变为零。等效电路如图4(d)所示。
阶段5：(t4≤t≤t5)
在这个阶段，iLr继续按照Lr-Cr-VO-DS2-DS1谐振，而Iin通过D1-Lr-Cr-Vo-DS2回到电源。在t5时刻，S1、S2关断，由于Ds1、DS2导通，故S1、S2为零电压关断。等效电路如图4(e)所示。
阶段6：(t5≤t≤t6)
在这个阶段，S1、S2关断，谐振停止，在t5时刻，iLr＝Iin。Iin通过D1-Lr-Cr-Vo-DS2回到电源。谐振电压Vcr逐渐降到零。等效电路如图4(f)所示。
阶段7：(t6≤t≤t7)
在这个阶段，谐振电压Vcr等于零，D3开始导通。Iin通过D1-Lr-D3-Vo-DS2回到电源。直到S1再次导通，又开始重复上述阶段1～阶段7同样的工作过程。等效电路如图4(g)所示。
根据上述发明构思及工作原理，本发明采用下述技术方案：
一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路包括升压电感、输入电流采样、图腾柱无桥拓扑、谐振无源网路、滤波电路、输出电压采样、控制电路、电压过零检测，其特征在于：升压电感与220V工频交流电压Vac连接，输入电流采样与升压电感连接，图腾柱无桥拓扑与输入电流采样连接，谐振无源网络与图腾柱无桥拓扑连接，滤波电路与谐振无源网路连接，输出电压采样与滤波电路连接，控制电路与输出电压采样、输入电流采样、电压过零检测、图腾柱无桥拓扑连接，电压过零检测与输入220V工频交流电压Vac连接。
所述的升压电感包括升压电感L1与L2，升压电感L1的左端与220V工频交流电压Vac一端连接，升压电感L2的左端与220V工频交流电压Vac的另一端连接。
所述的输入电流采样包括电流传感器U3与U4、检测电阻R2，电流传感器U3的in端、电流传感器U4的out端、升压电感L1的右端汇接，电流传感器U3的M端、电流传感器U4的M端、检测电阻R2的上端汇接并输出采样电流Iins，检测电阻R2的下端接地。
所述的图腾柱无桥拓扑包括二极管D1与D2、开关器件S1与S2，二极管D1的左端与电流传感器U3的out端连接，二极管D1的右端与开关器件S1上端连接，二极管D2的左端与电流传感器U4的in端连接，二极管D2的右端与开关器件S2的下端连接，开关器件S1的下端、开关器件S2的上端、升压电感L2的右端汇接，开关器件S1内含寄生二极管DS1，开关器件S2内含寄生二极管DS2。
所述的谐振无源网络包括电感Lr、电容Cr、二极管D3，电感Lr的左端与D1的右端连接，电感Lr的右端、电容Cr的左端、二极管D3的左端汇接，电容Cr的右端与二极管D3的右端连接。
所述的滤波电路包括滤波电容Co，滤波电容Co的上端与D3的右端连接并输出直流电压Vout，滤波电容Co的下端接地。
所述的输出电压采样包括电阻Rout1与Rout2，电阻Rout1的上端与滤波电容Co的上端连接，电阻Rout1的下端与电阻Rout2的上端连接并输出采样电压Vouts，电阻Rout2的下端接地。
所述的控制电路包括功率因素校正控制芯片U5、单稳态触发器U6、或门U7与U11与U12、与门U9与U10、非门U8，功率因素校正控制芯片U5的ISNS端与采样电流Iins连接，功率因素校正控制芯片U5的VFB端与采样电压Vouts连接，功率因素校正控制芯片U5的out端与单稳态触发器U6触发端C、或门U7的一个输入端汇接，单稳态触发器U6的输出端Q与或门U7的另一个输入端、或门U11的一个输入端、或门U12的一个输入端汇接，或门U7的输出端和与门U9的一个输入端、与门U10的一个输入端汇接，非门U8的输入端和与门U9的另一个输入端连接，非门U8的输出端和与门U10的另一个输入端连接，与门U10的输出端与或门U12的另一个输入端连接，或门U11的输出Vgs1与开关器件S1的控制端Vgs1连接，或门U12的输出Vgs2与开关器件S2的控制端Vgs2连接。
所述的电压过零检测包括电压传感器U1、比较器U2、电阻R1，电压传感器U1的HT+、HT-端分别与输入电压Vac两端连接，电压传感器U1的M端与比较器U2的正端连接，电压传感器U1的负端、比较器U2的负端、电阻R1的上端汇接，电阻R1的下端接地，比较器U2的输出端与所述控制电路非门U8的输入端连接。
本发明与现有技术相比较，具有下列优点：
1、两个开关器件S1、S2在每个PWM期间均工作在零电压导通、零电流关断软开关状态，大大降低了开关器件的开关损耗，提高了功率因素校正电路的效率；
2、只有二极管D3需要使用快恢复二极管，而二极管D1、D2可使用普通二极管，降低了电路的制造成本；
3、只需在已有的图腾柱无桥功率因素校正电路上加上谐振电感和电容，无需增加辅助开关，电路结构十分简单；
4、两个开关器件S1、S2无需设置死区时间，避免了两个开关器件S1、S2直通短路的可能，提高了电路的可靠性。
5、电路可工作在电流断续、临界和连续模式，适用于小、中、大等各种功率应用。
附图说明
图1为图腾柱无桥PFC电路拓扑图；
图2为本发明的软开关图腾柱无桥PFC电路拓扑图；
图3为本发明的软开关图腾柱无桥PFC电路一个PWM周期工作波形图；
图4为本发明的软开关图腾柱无桥PFC电路不同工作阶段等效电路图；
图5为本发明的软开关图腾柱无桥PFC方框示意图；
图6为本发明的软开关图腾柱无桥PFC一个实施例的电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图5所示，本发明的一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，包括升压电感(1)、输入电流采样(2)、图腾柱无桥拓扑(3)、谐振无源网路(4)、滤波电路(5)、输出电压采样(6)、控制电路(7)、电压过零检测(8)，其特征在于：升压电感(1)与220V工频交流电压Vac连接，输入电流采样(2)与升压电感(1)连接，图腾柱无桥拓扑(3)与输入电流采样(2)连接，谐振无源网络(4)与图腾柱无桥拓扑(3)连接，滤波电路(5)与谐振无源网路(4)连接，输出电压采样(6)与滤波电路(5)连接，控制电路(7)与输出电压(6)采样、输入电流采样(2)、电压过零检测(8)、图腾柱无桥拓扑(3)连接，电压过零检测(8)与输入220V工频交流电压Vac连接。
如图6所示，升压电感(1)包括升压电感L1与L2，升压电感L1的左端与220V工频交流电压Vac一端连接，升压电感L2的左端与220V工频交流电压Vac的另一端连接；输入电流采样(2)包括电流传感器U3与U4、检测电阻R2，电流传感器U3的in端、电流传感器U4的out端、升压电感L1的右端汇接，电流传感器U3的M端、电流传感器U4的M端、检测电阻R2的上端汇接并输出采样电流Iins，检测电阻R2的下端接地；图腾柱无桥拓扑(3)包括二极管D1与D2、开关器件S1与S2，二极管D1的左端与电流传感器U3的out端连接，二极管D1的右端与开关器件S1上端连接，二极管D2的左端与电流传感器U4的in端连接，二极管D2的右端与开关器件S2的下端连接，开关器件S1的下端、开关器件S2的上端、升压电感L2的右端汇接，开关器件S1内含寄生二极管DS1，开关器件S2内含寄生二极管DS2；谐振无源网络(4)包括电感Lr、电容Cr、二极管D3，电感Lr的左端与D1的右端连接，电感Lr的右端、电容Cr的左端、二极管D3的左端汇接，电容Cr的右端与二极管D3的右端连接；滤波电路(5)包括滤波电容Co，滤波电容Co的上端与D3的右端连接并输出直流电压Vout，滤波电容Co的下端接地；输出电压采样(6)包括电阻Rout1与Rout2，电阻Rout1的上端与滤波电容Co的上端连接，电阻Rout1的下端与电阻Rout2的上端连接并输出采样电压Vouts，电阻Rout2的下端接地；控制电路(7)包括功率因素校正控制芯片U5、单稳态触发器U6、或门U7与U11与U12、与门U9与U10、非门U8，功率因素校正控制芯片U5的ISNS端与采样电流Iins连接，功率因素校正控制芯片U5的VFB端与采样电压Vouts连接，功率因素校正控制芯片U5的out端与单稳态触发器U6触发端C、或门U7的一个输入端汇接，单稳态触发器U6的输出端Q与或门U7的另一个输入端、或门U11的一个输入端、或门U12的一个输入端汇接，或门U7的输出端和与门U9的一个输入端、与门U10的一个输入端汇接，非门U8的输入端和与门U9的另一个输入端连接，非门U8的输出端和与门U10的另一个输入端连接，与门U10的输出端与或门U12的另一个输入端连接，或门U11的输出Vgs1与开关器件S1的控制端Vgs1连接，或门U12的输出Vgs2与开关器件S2的控制端Vgs2连接；电压过零检测(8)包括电压传感器U1、比较器U2、电阻R1，电压传感器U1的HT+、HT-端分别与输入电压Vac两端连接，电压传感器U1的M端与比较器U2的正端连接，电压传感器U1的负端、比较器U2的负端、电阻R1的上端汇接，电阻R1的下端接地，比较器U2的输出端与控制电路(7)非门U8的输入端连接。
本发明的或门U7与U11与U12采用一片集成芯片74LS32，与门U9与U10采用一片集成芯片74LS08，非门U8采用一片集成芯片74LS00，单稳态触发器U6采用一片集成芯片74HC123，功率因素校正控制芯片U5采用一片集成芯片UC3854A，电流传感器U3、U4采用LA28-P，电压传感器U1采用LV28-P。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：包括升压电感(1)、输入电流采样(2)、图腾柱无桥拓扑(3)、谐振无源网路(4)、滤波电路(5)、输出电压采样(6)、控制电路(7)、电压过零检测(8)，其特征在于：输入220V工频交流电压Vac与升压电感连接(1)，输入电流采样(2)与升压电感(1)连接，图腾柱无桥拓扑(3)与输入电流采样(2)连接，谐振无源网络(4)与图腾柱无桥拓扑(3)连接，滤波电路(5)与谐振无源网路(4)连接，输出电压采样(6)与滤波电路(5)连接，控制电路(7)与输出电压采样(6)、输入电流采样(2)、电压过零检测(8)、图腾柱无桥拓扑(3)连接，电压过零检测(8)与输入220V工频交流电压Vac连接。
2.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的升压电感(1)包括升压电感L1与L2，升压电感L1的左端与220V工频交流电压Vac一端连接，升压电感L2的左端与220V工频交流电压Vac的另一端连接。
3.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的输入电流采样(2)包括电流传感器U3与U4、检测电阻R2，电流传感器U3的in端、电流传感器U4的out端、升压电感L1的右端汇接，电流传感器U3的M端、电流传感器U4的M端、检测电阻R2的上端汇接并输出采样电流Iins，检测电阻R2的下端接地。
4.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的图腾柱无桥拓扑(3)包括二极管D1与D2、开关器件S1与S2，二极管D1的左端与电流传感器U3的out端连接，二极管D1的右端与开关器件S1上端连接，二极管D2的左端与电流传感器U4的in端连接，二极管D2的右端与开关器件S2的下端连接，开关器件S1的下端、开关器件S2的上端、升压电感L2的右端汇接，开关器件S1内含寄生二极管DS1，开关器件S2内含寄生二极管DS2。
5.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的谐振无源网络(4)包括电感Lr、电容Cr、二极管D3，电感Lr的左端与D1的右端连接，电感Lr的右端、电容Cr的左端、二极管D3的左端汇接，电容Cr的右端与二极管D3的右端连接。
6.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的滤波电路(5)包括滤波电容Co，滤波电容Co的上端与D3的右端连接并输出直流电压Vout，滤波电容Co的下端接地。
7.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的输出电压采样(6)包括电阻Rout1与Rout2，电阻Rout1的上端与滤波电容Co的上端连接，电阻Rout1的下端与电阻Rout2的上端连接并输出采样电压Vouts，电阻Rout2的下端接地。
8.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的控制电路(7)包括功率因素校正控制芯片U5、单稳态触发器U6、或门U7与U11与U12、与门U9与U10、非门U8，功率因素校正控制芯片U5的ISNS端与采样电流Iins连接，功率因素校正控制芯片U5的VFB端与采样电压Vouts连接，功率因素校正控制芯片U5的out端与单稳态触发器U6触发端C、或门U7的一个输入端汇接，单稳态触发器U6的输出端Q与或门U7的另一个输入端、或门U11的一个输入端、或门U12的一个输入端汇接，或门U7的输出端和与门U9的一个输入端、与门U10的一个输入端汇接，非门U8的输入端和与门U9的另一个输入端连接，非门U8的输出端和与门U10的另一个输入端连接，与门U10的输出端与或门U12的另一个输入端连接，或门U11的输出Vgs1与开关器件S1的控制端Vgs1连接，或门U12的输出Vgs2与开关器件S2的控制端Vgs2连接。
9.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的电压过零检测(8)包括电压传感器U1、比较器U2、电阻R1，电压传感器U1的HT+、HT-端分别与输入电压Vac两端连接，电压传感器U1的M端与比较器U2的正端连接，电压传感器U1的负端、比较器U2的负端、电阻R1的上端汇接，电阻R1的下端接地，比较器U2的输出端与所述控制电路(7)非门U8的输入端连接。
10.根据权利要求1所述的软开关图腾柱无桥功率因素校正电路，其特征在于：所述的或门U7与U11与U12采用一片集成芯片74LS32，与门U9与U10采用一片集成芯片74LS08，非门U8采用一片集成芯片74LS00，单稳态触发器U6采用一片集成芯片74HC123，功率因素校正控制芯片U5采用一片集成芯片UC3854A，电流传感器U3、U4采用LA28-P，电压传感器U1采用LV28-P。
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