CN105305807A - 一种新型无桥功率因数校正电路及实现临界电流模式crm工作的方法 - Google Patents

一种新型无桥功率因数校正电路及实现临界电流模式crm工作的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型无桥功率因数校正电路，包括：第一电感L1，第一开关K1，第一桥臂，第二桥臂，第一电容C1以及检测和控制单元；本发明通过开关管的密勒电容效应来检测电感电流过零点，进而控制主功率开关管导通，电感的电流为临界导通，功率器件在零电流条件下开关，减小了整个电路的开关损耗。

Description

一种新型无桥功率因数校正电路及实现临界电流模式CRM工作的方法
技术领域
本发明涉及无桥功率因数校正(PFC)技术领域，尤其涉及用于将单相交流(AC)电压转换成直流(DC)电压的，工作在临界模式的新型无桥功率因数校正电路及实现临界电流模式CRM工作的方法。
背景技术
功率因数校正电路是交流输入的功率变换器的前级，用于满足国际电网电流标准，诸如IEC-61000-3-12。在系统中使用PFC确保了正弦输入电流和稳定的输出DC电压，确保电网网络中的良好电能质量。
传统的PFC电路，使用二极管桥对电网电流和电压进行整流，然后一般采用升压变换器(BOOST)将电感电流整形成整流后的正弦电流，使得电网电流是正弦的且与电网电压同相。在电路中仅存在一个有源开关，因而简单且成本低，缺点是由于无论受控开关是接通还是断开电流路径中都存在三个半导体器件，具有高传导损耗。
近年来由于提升电源效率的需求，无桥功率因数校正(BridgelessPowerFactorCorrection)的研究成为热点，图1所示的维也纳结构无桥PFC(ViennabridgelessPFC)电路是一种最流行的无桥功率因数校正电路，因其只用了一个电感，因而相对其他的双电感无桥PFC电路，提升了电感的用率，减小了功率变换器的体积。但此电路一般工作在连续导通模式(CCM，ContinuousConductionMode)下，由于MOS管体内二极管的反向恢复问题，高频工作损耗过高；整流二极管一般需要选择恢复时间快的碳化硅(Sic)二极管，正向电压高，价格比较贵；必须的电感电流的检测电路也增加功率变换器的成本。
发明内容
本发明对图1所示的无桥PFC电路进行了改进，通过特殊的电感电流检测手段，提供了一种新型无桥功率因数校正电路，工作在临界导通模式(critical-conductionmode,CRM)，也称为边界导通模式(BoundaryConductionMode，BCM)。
本发明采用如下技术方案实现：
一种新型无桥功率因数校正电路，包括：第一电感L1，第一开关K1，第
一桥臂，第二桥臂，第一电容C1以及检测和控制单元；
所述第一电感L1的第一端连接电源的第一端，所述第一电感L1的第二端连接所述第一桥臂的中点A；
所述第一桥臂，包括第一上桥臂二极管D1和第一下桥臂二极管D2，所述第一上桥臂二极管D1的第一端与所述第一电容C1的第一端连接后作为所述无桥功率因数校正电路的第一输出端；所述第一上桥臂二极管D1的第二端连接所述第一桥臂的中点A；所述第一下桥臂二极管D2的第二端与所述第一电容C1的第二端连接后作为所述无桥功率因数校正电路的第二输出端；所述第一下桥臂二极管D2的第一端连接所述第一桥臂的中点A；
所述第二桥臂，包括第二上桥臂二极管D3和第二下桥臂二极管D4，所述第二上桥臂二极管D3的第一端连接至所述第一上桥臂二极管D1与所述第一电容C1相连的一端；所述第二上桥臂二极管D3的第二端连接所述第二桥臂的中点B；所述第二下桥臂二极管D4的第二端连接至所述第一下桥臂二极管D2与所述第一电容C1的第二端相连的一端；所述第二下桥臂二极管D4的第一端连接所述第二桥臂的中点B，所述第二桥臂的中点B还连接至所述电源的第二端；
所述第一开关K1，包括第一MOS管S1，第一驱动电阻R1，第二MOS管S2和第二驱动电阻R2；所述第一MOS管S1的漏极连接到所述第一桥臂的中点A，所述第一MOS管S1的源极和所述第二MOS管S2的漏极连接并作为信号和控制的参考地SGND，所述第二MOS管S2的源极连接所述第二桥臂的中点B，所述第一MOS管S1的栅极连接到所述第一驱动电阻R1的第一端，所述第二MOS管S2的栅极连接所述第二驱动电阻R2的第一端；所述第一驱动电阻R1的第二端和所述第二驱动电阻R2的第二端连接作为所述检测和控制单元控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通的驱动点。
优选地，所述第一上桥臂二极管D1和所述第一下桥臂二极管D2为快恢复二极管，所述快恢复二极管的工作频率与所述新型无桥功率因数校正电路的开关频率相同。
优选地，所述第二上桥臂二极管D3和第二下桥臂二极管D4为慢恢复二极管。
优选地，取消所述第一驱动电阻R1和所述第二驱动电阻R2的设置，将所述第一MOS管S1的栅极和所述第二MOS管S2的栅极连接作为所述检测和控制单元控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通的驱动点。
优选地，所述检测和控制单元，输出电压信号到所述驱动点驱动所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2的导通和关断，并检测出现在所述驱动点的电压跌落。
优选地，当所述第一电感L1的电流恢复到零的时刻，所述驱动点出现因MOS管的密勒电容效应而产生的电压跌落。
本发明还提供一种利用上述新型无桥功率因数校正电路实现临界电流模式CRM工作的方法，在每一个电源转换器的开关周期，所述检测和控制单元先控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通t1后，控制信号关闭，所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2关断，电感减小但继续保持原来的电流方向，当检测到所述驱动点的电压出现电压跌落时，所述检测和控制单元判定电感电流减小到零，再次导通所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2，如此往复，从而实现临界电流模式CRM工作状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的无桥功率因数校正电路，通过开关管的密勒电容效应来检测电感电流过零点，进而控制主功率开关管导通，电感的电流为临界导通，功率器件在零电流条件下开关，减小了整个电路的开关损耗。
附图说明
图1是现有技术的一种无桥功率因数校正电路；
图2是本发明实施例的一种新型无桥功率因数校正电路；
图3是图2所示电路在vin大于0状态下的工作波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明一种新型无桥功率因数校正电路作进一步的详细说明。
本发明提供一种新型无桥功率因数校正电路，包括：第一电感L1，第一开关K1，第一桥臂，第二桥臂，第一电容C1以及检测和控制单元；
所述第一电感L1的第一端连接电源的第一端，所述第一电感L1的第二端连接所述第一桥臂的中点A；
所述第一桥臂，包括第一上桥臂二极管D1和第一下桥臂二极管D2，所述第一上桥臂二极管D1的第一端与所述第一电容C1的第一端连接后作为所述无桥功率因数校正电路的第一输出端；所述第一上桥臂二极管D1的第二端连接所述第一桥臂的中点A；所述第一下桥臂二极管D2的第二端与所述第一电容C1的第二端连接后作为所述无桥功率因数校正电路的第二输出端；所述第一下桥臂二极管D2的第一端连接所述第一桥臂的中点A；
所述第二桥臂，包括第二上桥臂二极管D3和第二下桥臂二极管D4，所述第二上桥臂二极管D3的第一端连接至所述第一上桥臂二极管D1与所述第一电容C1相连的一端；所述第二上桥臂二极管D3的第二端连接所述第二桥臂的中点B；所述第二下桥臂二极管D4的第二端连接至所述第一下桥臂二极管D2与所述第一电容C1的第二端相连的一端；所述第二下桥臂二极管D4的第一端连接所述第二桥臂的中点B，所述第二桥臂的中点B还连接至所述电源的第二端；
所述第一开关K1，包括第一MOS管S1，第一驱动电阻R1，第二MOS管S2和第二驱动电阻R2；所述第一MOS管S1的漏极连接到所述第一桥臂的中点A，所述第一MOS管S1的源极和所述第二MOS管S2的漏极连接并作为信号和控制的参考地SGND，SGND是所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2驱动(Driver)的参考地，也是过零电流检测(ZCD)的参考地，所述第二MOS管S2的源极连接所述第二桥臂的中点B，所述第一MOS管S1的栅极连接到所述第一驱动电阻R1的第一端，所述第二MOS管S2的栅极连接所述第二驱动电阻R2的第一端；所述第一驱动电阻R1的第二端和所述第二驱动电阻R2的第二端连接作为所述检测和控制单元控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通的驱动点，同时也作为电感电流恢复到零的检测点。
所述检测和控制单元，控制所述第一开关K1的所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2的导通，在所述驱动点施加一个相对SGND超过所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通阀值的电压，使得所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通一定时间，然后再关闭所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2，在一段时间后，当检测到所述驱动点的电压出现电压跌落时，重新导通第一开关的所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2，周而复始。
作为一种优选方案，所述第一上桥臂二极管D1和所述第一下桥臂二极管D2为快恢复二极管，所述快恢复二极管的工作频率与所述新型无桥功率因数校正电路的开关频率相同；所述第二上桥臂二极管D3和第二下桥臂二极管D4为慢恢复二极管。
作为一种优选方案，取消所述第一驱动电阻R1和所述第二驱动电阻R2的设置，将所述第一MOS管S1的栅极和所述第二MOS管S2的栅极连接作为所述检测和控制单元控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通的驱动点。
作为一种优选方案，所述检测和控制单元，输出电压信号到所述驱动点驱动所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2的导通和关断，并检测出现在所述驱动点的电压跌落；当所述第一电感L1的电流恢复到零的时刻，所述驱动点出现因MOS管的密勒电容效应而产生的电压跌落。
在输入电源为正半周期时，输入电压Vin大于0，所述检测和控制单元先控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通，所述第一电感L1储能，电流流向为：L1、S1，S2、AC电源；Driver&ZCD上的电压为控制系统提供给所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2的驱动电压；t1后，控制信号关闭，所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2关断，所述第一电感L1经所述第一上桥臂二极管D1释放能量，电感电流开始减小，电流流向为L1、D1、LOAD、D4、AC电源；当电感电流减小到零时，所述第一电感L1和其并联的等效电容(MOS管的DS电容，密勒电容，电感的分布电容等等)谐振，MOS管的DS电压开始谐振下降，电感电流从零开始反相谐振增加，此时因所述第一MOS管S1的密勒电容效应，产生流入G极的电流，导致栅极上的电压产生一个跌落，当检测到此跌落时候，控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2重新导通，所述第一电感L1储能，新的一周期开始，如此往复，从而实现临界电流模式CRM工作状态。
在输入电源为负半周期时，其工作过程与正半周期类似，只是电感的电流方向反向，其余类似。
由于每一个开关周期，电感的电流都回到零后，第一上桥臂二极管D1和/或第一下桥臂二极管D2才开始反向关断，不存在二极管的关断损耗，因此第一上桥臂二极管D1和/或第一下桥臂二极管D2可以选用普通的快恢复二极管，而不用选择高速关断的碳化硅(SiC)二极管；同时第一MOS管S1和第二MOS管S2在此零电流情况下导通，降低了MOS的开通损耗；因此整体PFC变换器的效率得到了提高。
因此电路工作在临界导通模式，所述第一电感L1的上的电流峰值自动跟随了此时刻的输入交流的电压实际值，实现了功率因数校正的功能。
上述的实施方案，采用MOS管的密勒电容效应来检测电感电流的过零点，不需要额外的电流检测电路，因此器件少，成本低。由于电感电流的波动比较大，本发明更适用于中小功率的电源变换器。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种新型无桥功率因数校正电路，其特征在于，包括：第一电感L1，
第一开关K1，第一桥臂，第二桥臂，第一电容C1以及检测和控制单元；
所述第一电感L1的第一端连接电源的第一端，所述第一电感L1的第二端连接所述第一桥臂的中点A；
所述第一桥臂，包括第一上桥臂二极管D1和第一下桥臂二极管D2，所述第一上桥臂二极管D1的第一端与所述第一电容C1的第一端连接后作为所述无桥功率因数校正电路的第一输出端；所述第一上桥臂二极管D1的第二端连接所述第一桥臂的中点A；所述第一下桥臂二极管D2的第二端与所述第一电容C1的第二端连接后作为所述无桥功率因数校正电路的第二输出端；所述第一下桥臂二极管D2的第一端连接所述第一桥臂的中点A；
所述第二桥臂，包括第二上桥臂二极管D3和第二下桥臂二极管D4，所述第二上桥臂二极管D3的第一端连接至所述第一上桥臂二极管D1与所述第一电容C1相连的一端；所述第二上桥臂二极管D3的第二端连接所述第二桥臂的中点B；所述第二下桥臂二极管D4的第二端连接至所述第一下桥臂二极管D2与所述第一电容C1的第二端相连的一端；所述第二下桥臂二极管D4的第一端连接所述第二桥臂的中点B，所述第二桥臂的中点B还连接至所述电源的第二端；
所述第一开关K1，包括第一MOS管S1，第一驱动电阻R1，第二MOS管S2和第二驱动电阻R2；所述第一MOS管S1的漏极连接到所述第一桥臂的中点A，所述第一MOS管S1的源极和所述第二MOS管S2的漏极连接并作为信号和控制的参考地SGND，所述第二MOS管S2的源极连接所述第二桥臂的中点B，所述第一MOS管S1的栅极连接到所述第一驱动电阻R1的第一端，所述第二MOS管S2的栅极连接所述第二驱动电阻R2的第一端；所述第一驱动电阻R1的第二端和所述第二驱动电阻R2的第二端连接作为所述检测和控制单元控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通的驱动点。
2.根据权利要求1所述的新型无桥功率因数校正电路，其特征在于，优选地，所述第一上桥臂二极管D1和所述第一下桥臂二极管D2为快恢复二极管，所述快恢复二极管的工作频率与所述新型无桥功率因数校正电路的开关频率相同。
3.根据权利要求1所述的新型无桥功率因数校正电路，其特征在于，所述第二上桥臂二极管D3和第二下桥臂二极管D4为慢恢复二极管。
4.根据权利要求1所述的新型无桥功率因数校正电路，其特征在于，取消所述第一驱动电阻R1和所述第二驱动电阻R2的设置，将所述第一MOS管S1的栅极和所述第二MOS管S2的栅极连接作为所述检测和控制单元控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通的驱动点。
5.根据权利要求1所述的新型无桥功率因数校正电路，其特征在于，所述检测和控制单元，输出电压信号到所述驱动点驱动所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2的导通和关断，并检测出现在所述驱动点的电压跌落。
6.根据权利要求1所述的新型无桥功率因数校正电路，其特征在于，当所述第一电感L1的电流恢复到零的时刻，所述驱动点出现因MOS管的密勒电容效应而产生的电压跌落。
7.根据权利要求1所述的新型无桥功率因数校正电路实现临界电流模式CRM工作的方法，其特征在于，在每一个电源转换器的开关周期，所述检测和控制单元先控制所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2导通t1后，控制信号关闭，所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2关断，电感减小但继续保持原来的电流方向，当检测到所述驱动点的电压出现电压跌落时，所述检测和控制单元判定电感电流减小到零，再次导通所述第一MOS管S1和所述第二MOS管S2，如此往复，从而实现临界电流模式CRM工作状态。
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