CN106059294A - 可调输出功率的有源pfc+软开关功率变换器及变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与现行的LLC谐振模式、移相全桥软开关模式完全不一样的且适于双极型晶体管应用的软开关模式的可调输出功率的有源PFC +桥式软开关功率变换器及变换方法，特别是中、大功率的高效开关电源，由可调输出功率的有源PFC及功率变换器构成；可调输出有源PFC用于PFC控制并调节输出功率，功率变换器用于PFC至负载的能量转换及隔离，输出采样反馈至有源PFC。优点：一是实施成本低，开发简单，性能可靠；二是电源转换效率高‑‑‑‑达90%以上，并可根据负载的变化自动调节电源转换器的输出功率。

Description

可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器及变换方法

技术领域

本发明涉及一种与现行的LLC谐振模式、移相全桥软开关模式完全不一样的且适于双极型晶体管应用的软开关稳压模式的可调输出功率的有源PFC+桥式软开关功率变换器及变换方法，特别是中、大功率的高效开关电源，属开关电源制造领域。

背景技术

现有的中、大功率高效开关电源，以LLC谐振模式、移相全桥软开关模式居多，然而，LLC谐振模式输入电压范围不宽、动态差、谐振漏感不易控制(产品一致性差)，技术远未成熟；移相全桥软开关模式原边环流损耗大，轻载时滞后臂难以实现软开关(需附加较复杂的辅助电路)，占空比丢失，功率管利用率低，损耗上升。

在功率器件方面，虽然双极型晶体管芯片利用率高、价格低廉、技术成熟、负载能力强，但由于其驱动困难(开关速度慢且随负载变化)，加之现有软开关电源控制芯片均以成本较高的MOSFET(或IGBT)为驱动对象，所以，中、大功率的高效开关电源成了MOSFET的舞台。然而，由于功率MOSFET导通损耗大(大电流时尤为突出P＝Id²*Ron)，使之成为进一步提高电源效率的瓶颈。

桥式(半桥或全桥)功率变换器通过控制，可以很好的工作于软开关状态，也适合双极型晶体管的应用，然而，由于不能调节占空比以控制输出电压，因而只能简单的应用于电子变压器。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种与现行的LLC谐振模式、移相全桥软开关模式完全不一样的且适于双极型晶体管应用的软开关稳压模式：可调输出功率的有源PFC+桥式软开关功率变换器。

设计方案：为了实现上述设计目的。本发明在电路结构的设计上，开关电源包括可调输出功率的有源PFC及软开关功率变换器，其中可调输出功率的有源PFC接受反馈据以输出PWM信号驱动开关器件调节输出功率，功率变换器用于能量转换。参见图1，当输出电压降低，反馈电路将信号送到PFC，PFC占空比上升，PFC输出电压上升，软开关变换器输入电压上升，使输出电压上升，实现稳压。参见图2，当输出电压升高，反馈电路将信号送到PFC，PFC占空比下降，PFC输出电压下降，软开关变换器输入电压下降，使输出电压下降，实现稳压。所谓随动控制，即是通过单片机检测半桥或全桥的关键节点，获得开关管的开关状态，进而控制双极型晶体管在最佳导通时间内导通，使开关器件进入软开关状态，减小开关器件的开关损耗，使开关电源更为高效。所谓动态驱动，即是双极型晶体管的驱动功率能跟随负载电流的增大而增大。

技术方案：一种可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，由可调输出功率的有源PFC及功率变换器构成；可调输出有源PFC用于PFC控制并调节输出功率，功率变换器用于PFC至负载的能量转换及隔离，输出采样反馈至有源PFC。

可调输出有源PFC为数字PFC。功率变换器为桥式软开关变换器。桥式软开关变换器是具有开关状态检测电路的随动控制功率变换器。随动控制功率变换器接受反馈电路的交流分量，并控制功率变换器占空比，达到消除纹波的目的。桥式软开关变换器的开关器件为双极型晶体管。双极型晶体管设有动态驱动电路，可根据负载电流大小动态驱动。数字PFC由单片机或DSP构成。单片机或DSP，其内置模数转换器可接受反馈信号，实现数字控制。

本发明与背景技术相比，一是实施成本低，开发简单，性能可靠；二是电源转换效率高----达90％以上，并可根据负载的变化自动调节电源转换器的输出功率。

附图说明

图1和图2是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器稳压方法示意图。

图3是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第一种实施例的示意图。

图4是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第二种实施例的示意图。

图5是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第三种实施例的示意图。

图6是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第四种实施例的示意图。

图7是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第五种实施 例的示意图。

图8是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第六种实施例的示意图。

图9是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第七种实施例的示意图。

图10是可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器第八种实施例的示意图。

具体实施方式

实施例1：参照图3。前级采用可调输出有源PFC电路，本实施例的PFC电路采用BOOST电路。功率因数校正的目的是要使电流I的波形跟随输入电压V，同时输出电压V_pfc。若满足了输入电流与输入电压相位相等，则负载可以等效为电阻R。因此：V＝I×R，对于BOOST电路来说，其输入电压Vin与输出电压V_pfc及占空比D的关系为：

$V\_pfc=\frac{V}{1-D}$

将V＝I×R代入：

V_pfc*(1-D)＝I*R

因此：

$V\_pfc=\frac{I*R}{(1-D)}$

其中：D为占空比，I为BOOST电路电流，R为等效电阻，V_pfc为PFC的输出电压。因此，调节占空比可以实现功率因数校正，同时控制PFC的输出电压。

本实施例功率变换器采用公知技术，令功率变换器的占空比及开关频率不变，则功率变换器的增益G不变。输出电压Vo＝V_pfc*G。

输出采样电压反馈至PFC。PFC根据输出采样改变占空比，调节V_pfc，从而调节Vo，实现恒压控制；若采样输出电流，则可以实现恒流控制。

实施例2：参照附图4。在实施例1的基础上，利用现有的利用数字处理器单价便宜，开发简单，多路输入输出，可进行逻辑运算，可时序控制的特点，将有源PFC前级中的PFC控制器用数字处理器代替。

反馈电路和电流采样通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号传递给数字处理器，数字处理器根据反馈数据，通过计算，得出PFC电路占空比，使有源PFC前级调节输出电压的同时完成功率因素校正功能。其中，模数转换器可以利用数字处理器内部自带的模数转换器。

实施例3：参照附图5。本实施例功率变换器采用随动控制的半桥电路，功率器件工作在软开关状态。

设开关管导通时间为t。有源PFC前级输出电压V_pfc，半桥中点电压为V_mid。假定Q2导通，中点电压V_mid等于V_pfc。

状态一：根据设定的时间t，控制电路使Q1关断，同时内部计时器开始计时，由于谐振电容C3的存在，中点电压V_mid等于V_pfc，Q1零电压关断。谐振电容C3通过变压器T1放电，电路进入谐振状态。

状态二：中点电压V_mid谐振到零，由于T1的漏感能量尚未放尽，故T1电流依然从左到右，二极管D2续流导通，控制电路检测到中点电压过零，控制电路使Q2导通，Q2零电压开通。同时计时器停 止计时记录Q1的关断时间t1。

状态三：根据设定的时间t，控制电路使Q2关断，由于谐振电容C3的存在，中点电压V_mid等于0，Q2零电压关断。

状态四：根据电路对称特点，利用记录的关断时间t1确定Q1的导通时间，使Q1零电压开通。回到状态一重新循环。

以上开关管可以使用双极型晶体管、MOS管、IGBT等开关器件等效替换。

实施例4：参见图6。本实施例功率变换器采用随动控制的全桥电路，功率器件工作在软开关状态。

设开关管导通时间为t。有源PFC前级输出电压V_pfc，全桥中开关器件(Q1、Q2)中点为V_mid1，开关器件(Q3、Q4)中点为V_mid2，假定Q1、Q4导通，中点电压V_mid1等于V_pfc，中点电压V_mid2等于0。

状态一：根据设定的时间t，控制电路使Q1、Q4关断，由于谐振电容C1的存在，中点电压V_mid1等于V_pfc，Q1零电压关断。由于谐振电容C2的存在，中点电压V_mid2等于0，Q4零电压关断。谐振电容C1放电,C2充电，电路进入谐振状态。

状态二：V_mid1谐振到0，V_mid2谐振到V_pfc，由于T1的漏感能量尚未放尽，故T1电流依然从左到右，二极管D2、D3续流导通，控制电路检测到中点V_mid1电压过零，使Q2、Q3导通，此时V_mid1＝0V，Q2零电压开通。V_mid2＝V_pfc，Q3零电压开通。

状态三：根据设定的时间t，控制电路使Q2、Q3关断，由于谐振 电容C1的存在，Q2零电压关断。由于谐振电容C2的存在，Q3零电压关断。

状态四：V_mid1谐振到V_pfc，V_mid2谐振到0，由于T1的漏感能量尚未放尽，故T1电流依然从右到左，二极管D1、D4续流导通，控制电路检测到中点V_mid2电压过零，使Q1、Q4导通，此时V_mid2＝0V，Q4零电压开通。V_mid1＝V_pfc，Q1零电压开通。回到状态一重新循环。

实施例5：参照附图7。

状态一：根据设定的时间，控制电路使Q1关断，由于谐振电容C3的存在，中点电压V_mid等于V_pfc，Q1零电压关断。谐振电容C3通过变压器T1放电，电路进入谐振状态。

状态二：中点电压V_mid谐振到零，由于T1的漏感能量尚未放尽，故T1电流依然从左到右，二极管D2续流导通，电流互感器T3同名端为正，控制电路检测到电流互感器T3同名端正脉冲，控制电路使Q2导通，Q2零电压开通。

状态三：根据设定的时间，控制电路使Q2关断，由于谐振电容C3的存在，中点电压V_mid等于0，Q2零电压关断。

状态四：中点电压V_mid谐振到V_pfc，由于T1的漏感能量尚未放尽，故T1电流依然从右到左，二极管D1续流导通，电流互感器T2同名端为正，控制电路检测到电流互感器T2同名端正脉冲，控制电路使Q1导通，Q1零电压开通。回到状态一重新循环。

实施例6：参照附图8。在半桥中点V_mid和变压器T1之间串入 一个电流互感器T2，T2的二次侧经过全波整流的电压作为驱动电路的电源，当负载电流增大，变压器T2输出功率增加，驱动功率得到补偿，实现双极型晶体管的动态驱动。

实施例7：参照附图9。本实施例将实施例7的T2、T3和实施例8的T2合并为一个电流互感器，控制电路可以从A获得二极管D1续流导通时的正脉冲信号，控制上半桥零电压开通；从B可以获得二极管D2续流导通时的正脉冲信号，控制下半桥零电压开通；同时，T2的二次侧经过全波整流作为驱动电源，实现双极型晶体管的动态驱动。

实施例8：参照附图10。反馈电路将反馈信号分为分为直流和交流两个分量，其中直流分量送往PFC控制电路，交流分量送往功率变换器驱动电路。直流分量控制PFC占空比，调节PFC输出，达到调节输出电压的目的。交流分量控制变换器增益，控制电路根据接收到的交流分量，通过改变功率变换器的占空比或频率调节输出电压，达到消除工频纹波的作用。功率变换器参与输出电压调节的部分仅限于调节工频纹波。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是由可调输出功率的有源PFC及功率变换器构成；可调输出有源PFC用于PFC控制并调节输出功率，功率变换器用于PFC至负载的能量转换及隔离，输出采样反馈至有源PFC。

2.根据权利要求1所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：可调输出有源PFC为模拟PFC，或可调输出有源PFC为数字PFC。

3.根据权利要求1所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：功率变换器为桥式软开关变换器。

4.根据权利要求3所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：桥式软开关变换器是具有开关状态检测电路的随动控制功率变换器。

5.根据权利要求4所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：随动控制功率变换器接受反馈电路的交流分量，并控制功率变换器占空比，达到消除纹波的目的。

6.根据权利要求3所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：桥式软开关变换器的开关器件为双极型晶体管。

7.根据权利要求6所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：双极型晶体管设有动态驱动电路，可根据负载电流大小动态驱动。

8.根据权利要求2所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：数字PFC由单片机或DSP构成。

9.根据权利要求8所述的可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器，其特征是：单片机或DSP，其内置模数转换器可接受反馈信号，实现数字控制。

10.一种可调输出功率的有源PFC+软开关功率变换器的变换方法，其特征是：当输出电压降低，反馈电路将信号送到PFC，PFC占空比上升，PFC输出电压上升，软开关变换器输入电压上升，使输出电压上升，实现稳压；当输出电压升高，反馈电路将信号送到PFC， PFC占空比下降，PFC输出电压下降，软开关变换器输入电压下降，使输出电压下降，实现稳压。