CN108768146B - 功率变换器及其控制电路和控制方法 - Google Patents

功率变换器及其控制电路和控制方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种功率变换器及其控制电路和控制方法。本发明实施例的技术方案通过使得第一控制器和第二控制器不共地以隔离第一晶体管和第二晶体管的驱动信号，从而控制第一晶体管和第二晶体管交替导通和关断以实现功率变换，且电路结构简单，易于实现，具有较低的成本。同时，通过设置功率变换器的桥臂中点作为控制电路中的第一控制器的参考地以便于采样获取反馈信号，从而实现了对功率变换器的闭环控制。

Description

功率变换器及其控制电路和控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术，更具体地，涉及一种功率变换器及其控制电路和控制方法。
背景技术
现有技术所采用的电荷泵式半桥谐振功率变换器如图1所示，主要应用于大功率LED照明。其原边为半桥逆变电路，交流源AC经整流电路11整流后输入。电容Cr'和电感Lr'为谐振电容和谐振电感，同时，电容Cr'和电感Lr'与二极管D1'、D2'、电容C1'和电容C2'共同组成了电荷泵式PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路12。半桥逆变电路的开关Q1’和Q2’交替导通和关断激发出高频交流信号，通过变压器传递到副边。在副边一侧，高频交流信号经整流电路14整流后给LED负载供电。其中，半桥逆变电路的晶体管Q1’和Q2’的驱动信号必须相互隔离。
在现有技术中，如图1所示，谐振电流反馈信号送入控制电路15以产生PWM(脉宽调制)信号，PWM信号经驱动变压器13将晶体管Q1'与Q2'的驱动信号隔离。
但是，通过采用驱动变压器来使得晶体管Q1'和Q2'的驱动信号相隔离的方式大大增加了电路的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种功率变换器及其控制电路和控制方法，以简化电路，节约成本。
第一方面，提供一种功率变换器的控制电路，所述功率变换器包括第一晶体管与第二晶体管相互串联构成的桥臂，所述控制电路包括：
第一控制器，以所述功率变换器的桥臂中点为参考地，被配置为根据反馈信号生成第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于控制所述第一晶体管；以及
第二控制器，被配置为根据所述第二控制信号控制所述第二晶体管。
进一步地，所述第一控制器包括：
误差放大器，被配置为根据所述反馈信号和第一参考信号生成误差信号；
控制信号生成电路，被配置为根据所述误差信号生成所述第一控制信号和所述第二控制信号；以及
第一驱动电路，被配置为根据所述第一控制信号生成第一驱动信号以控制所述第一晶体管的导通与关断。
进一步地，所述第一控制器还包括：
信号转换电路，被配置为根据所述第二控制信号生成中间信号。
进一步地，所述信号转换电路被配置为在所述第二控制信号无效时，使得所述中间信号的值等于上拉电压端的电压值，在所述第二控制信号有效时，使得所述中间信号的值等于所述功率变换器的桥臂中点的电压值。
进一步地，所述信号转换电路包括：
反相器，被配置为将所述第二控制信号反相；
第一开关，第一端连接至所述上拉电压端，控制端接收经反相的所述第二控制信号；
第二开关，第一端连接至所述功率变换器的桥臂中点，控制端接收所述第二控制信号；
所述第一开关的第二端与所述第二开关的第二端连接至公共连接端，所述公共连接端作为所述信号转换电路的输出端以输出所述中间信号。
进一步地，所述第二控制器包括：
比较器，被配置为根据所述中间信号和第二参考信号生成第三控制信号；
第二驱动电路，被配置为根据所述第三控制信号生成第二驱动信号以控制所述第二晶体管的导通与关断。
进一步地，所述第二控制器以所述功率变换器的接地端为参考地。
进一步地，所述反馈信号用于表征所述功率变换器的谐振电流。
进一步地，所述第二参考信号的值由所述上拉电压端的电压值和所述第二晶体管的体二极管的导通压降决定。
第二方面，提供一种功率变换器，包括：
一组桥臂，包括相互串联的第一晶体管和第二晶体管；
谐振电路，包括电感元件和电容元件；以及
如上所述的控制电路。
进一步地，所述功率变换器还包括：
电荷泵电路，被配置为与所述谐振电路共同进行功率因数校正。
第三方面，提供一种功率变换器的控制方法，所述功率变换器包括第一晶体管和第二晶体管相互串联构成的桥臂，所述控制方法包括：
根据反馈信号生成第一控制信号和第二控制信号；其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号以所述功率变换器的桥臂中点为参考地；
根据所述第一控制信号产生第一驱动信号控制所述第一晶体管；
根据所述第二控制信号产生第二驱动信号控制所述第二晶体管；
其中，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号不共地。
进一步地，根据所述第二控制信号控制所述第二晶体管包括：
根据所述第二控制信号生成中间信号；
根据所述中间信号生成所述第三控制信号；
根据所述第三控制信号产生所述第二驱动信号控制所述第二晶体管。
进一步地，在所述第二控制信号无效时，所述中间信号的值等于上拉电压端的电压值，在所述第二控制信号有效时，所述中间信号的值等于所述功率变换器的桥臂中点的电压值。
本发明实施例的技术方案通过使得第一控制器和第二控制器不共地以隔离第一晶体管和第二晶体管的驱动信号，从而控制第一晶体管和第二晶体管交替导通和关断以实现功率变换，且电路结构简单，易于实现，具有较低的成本。同时，通过设置功率变换器的桥臂中点作为控制电路中的第一控制器的参考地以便于采样获取反馈信号，从而实现对功率变换器的反馈控制。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是现有技术的功率变换器的电路图；
图2是本发明实施例的功率变换器的电路图；
图3是本发明实施例的一个实施方式的控制电路的电路图；
图4是本发明实施例的控制电路的工作波形图；
图5是本发明实施例的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图2是本发明实施例的功率变换器的电路图。图3是本发明实施例的一个实施方式的控制电路的电路图。如图2所示，本实施例的功率变换器2包括整流电路21、电荷泵电路22、谐振电路23、控制电路24、桥臂25和整流电路26。其中，整流电路21连接在交流电源AC和电荷泵电路22之间，被配置为将交流电转换为直流电后输出给电荷泵电路22。整流电流26接收来自副边Lo的交流电并将其转换为直流电后给负载供电。桥臂25为一个半桥逆变电路，包括晶体管Q1和晶体管Q2。应理解，晶体管Q1和Q2可以采用金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)、双极性晶体管(BJT)以及绝缘栅型晶体管(IGBT)等电控开关元件。
电荷泵电路22被配置为接收整流电路21输出的直流电并对其进行直流-直流变换以与谐振电路23共同实现功率因数的校正。其中，电荷泵电路22包括二极管D1、二极管D2、电容C1和电容C2。二极管D1的阳极连接至整流电路21的一端，阴极连接至二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接至晶体管Q1的漏极。电容C1连接在二极管D2的阳极和整流电路21的另一端之间，电容C2连接在二极管D2的阴极和整流电路21的另一端之间。谐振电路23包括电容Cr和电感Lr。其中，电容Cr和电感Lr串联连接至二极管D2的阳极和原边线圈Li的一端a之间。容易理解，电荷泵电路22和谐振电路23的组合只是实现功率因数校正的一种实施方法，其他能够实现上述作用的电路结构均可应用于本实施例中。
控制电路24包括第一控制器241和第二控制器242。第一控制器241以桥臂25的中点HB(也即晶体管Q1和Q2的公共连接端)为参考地，以便于采样获取反馈信号FB，从而对功率变换器进行反馈控制。第二控制器242以功率变换器2的接地端为参考地。第一控制器241被配置为根据反馈信号FB生成第一控制信号和第二控制信号。优选地，反馈信号FB用于表征功率变换器2的谐振电流。第一控制信号用于控制晶体管Q1。第二控制器242被配置为根据第二控制信号控制晶体管Q2。在本实施例中，通过使得第一控制器241和第二控制器242不共地，从而隔离晶体管Q1和Q2的驱动信号以同时控制晶体管Q1和Q2的导通和关断。应理解，本实施例的控制电路也可应用于全桥逆变电路中。
具体地，如图3所示，第一控制器241包括误差放大器CA、控制信号生成电路3a和第一驱动电路3b。误差放大器CA被配置为根据反馈信号FB和第一参考信号REF生成误差信号VC。其中，第一参考信号REF用于表征功率变换器2的谐振电流的期望值。控制信号生成电路3a配置为根据误差信号VC生成第一控制信号PH和第二控制信号PL。第一驱动电路3b被配置为根据第一控制信号PH生成第一驱动信号GH以控制晶体管Q1的导通和关断。在本实施例中，控制信号生成电路3a采用PWM(也即脉宽调制)调制方法生成第一控制信号PH和第二控制信号PL。应理解，其他调制方法，例如PFM(Pulse frequency modulation，脉冲频率调制)等调制方法也可以应用于本发明实施例中。
进一步地，第一控制器241还包括信号转换电路3c。信号转换电路3c被配置为根据第二控制信号PL生成中间信号L_PM。其中，在第二控制信号PL无效时，中间信号L_PM的值等于上拉电压端的电压值VB。在第二控制信号PL有效时，中间信号L_PM的值等于桥臂中点HB处的电压值。
在一个可选的实施方式中，信号转换电路3c包括反相器HC、开关S1和开关S2。反相器HC被配置为接收第二控制信号PL并将第二控制信号PL反相后输出以控制开关S1的导通和关断。开关S1的第一端连接至上拉电压端VB，控制端接收反相后的第二控制信号PL(也即开关S1的控制信号GS1)。开关S2的第一端连接至桥臂中点HB，控制端接收第二控制信号PL(也即开关S2的控制信号GS2)。开关S1的第二端与开关S2的第二端连接至公共端LX。其中，公共端LX作为信号转换电路3c的输出端将中间信号L_PM输出至第二控制器242。
第二控制器242包括比较器cmp和第二驱动电路3d。其中，比较器cmp被配置为根据中间信号L_PM和第二参考信号L_REF生成第三控制信号L_PR。第二参考信号L_REF为预先设定的值。第二参考信号L_REF的值由上拉电压端的电压值和晶体管Q2的体二极管的导通电压决定，例如晶体管Q2的体二极管的导通电压为0.7V，则第二参考信号L_REF的值可以在-0.7V和上拉电压端的电压值VB之间。第二驱动电路3d被配置为根据第三控制信号L_PR生成第二驱动信号GL以控制晶体管Q2的导通和关断。
其中，信号转换电路3c与第二控制器242存在公共端LX，也即信号转换电路3c与第二控制器242只由一个电路支路连接，并且通过信号转换电路可以将用于控制第一晶体管的控制信号传递给第二晶体管，能够同时控制第一晶体管和第二晶体管，从而简化了电路。
在本实施例中，功率变换器2通过信号转换电路3c使得第一控制器241和第二控制器242不共地(第一控制器241以桥臂中点HB为参考地，第二控制器242以功率变换器的接地端为参考地)，从而隔离晶体管Q1和Q2的驱动信号以控制晶体管Q1和Q2交替导通和关断，电路结构简单，易于实现，具有较低的成本。同时，功率变换器2通过设置桥臂中点HB作为第一控制器241的参考地以便于采样获取表征谐振电流的反馈信号，从而实现了对功率变换器进行反馈控制。
本领域技术人员应理解，本实施例中的控制电路24用于隔离半桥逆变电路(也即桥臂25)中晶体管Q1和Q2的驱动信号以控制晶体管Q1和Q2交替导通和关断，从而实现功率变换。因此，控制电路24并不仅仅适用于电荷泵式半桥谐振功率变换器，还可以应用于包含半桥逆变电路的其他功率变换器中。
图4是本发明实施例的控制电路的工作波形图。如图4所示，在t0时刻-t1时刻，第一控制信号PH为低电平，此时第一驱动信号GH为低电平，晶体管Q1开始关断。此时，由于电感电流作用，晶体管Q2的体二极管导通，桥臂中点HB的电压值下降至-0.7V(假设体二极管的导通电压为0.7V)。此时第二控制信号PL也为低电平，因此开关S1的控制信号GS1为高电平，开关S2的控制信号GS2为低电平，也即开关S1导通，开关S2关断。信号转换电路3c和第二控制器242的公共端LX的电压被上拉电压端箝位，也即公共端LX的电压VLX(也即中间信号L_PM)等于上拉电压端的电压值VB。由于电压值VB大于第二参考信号L_REF，因此第三控制信号L_PR为低电平，第二驱动信号GL为低电平，晶体管Q2仍然处于关断状态。
在t1时刻-t2时刻，第一控制信号PH为低电平，此时第一驱动信号GH为低电平，晶体管Q1处于关断状态。第二控制信号PL为高电平，因此开关S1的控制信号GS1为低电平，开关S2的控制信号GS2为高电平，也即开关S1关断，开关S2导通，因此信号转换电路3c和第二控制器242的公共端LX的电压VLX等于桥臂中点的电压值(也即-0.7V)。此时，公共端LX的电压值VLX小于第二参考信号L_REF，因此第三控制信号L_PR为高电平，第二驱动信号GL为高电平，晶体管Q2开始导通。
在t2时刻-t3时刻，第一控制信号PH为低电平，此时第一驱动信号GH为低电平，晶体管Q1仍然处于关断状态。第二控制信号PL也为低电平，因此开关S1的控制信号GS1为高电平，开关S2的控制信号GS2为低电平，也即开关S1导通，开关S2关断。信号转换电路3c和第二控制器242的公共端LX的电压被上拉电压端箝位，也即公共端LX的电压VLX(也即中间信号L_PM)等于上拉电压端的电压值VB。由于电压值VB大于第二参考信号L_REF，因此第三控制信号L_PR为低电平，第二驱动信号GL为低电平，晶体管Q2开始关断。
在t3时刻-t0'时刻，第一控制信号PH为高电平，此时第一驱动信号GH为高电平，晶体管Q1导通。桥臂中点HB的电压持续升高直至被输入电压箝位(也即桥臂中点HB的电压等于输入电压)。第二控制信号PL为低电平，开关S1导通，开关S2关断。信号转换电路3c和第二控制器242的公共端LX的电压被上拉电压端箝位，也即公共端LX的电压VLX(也即中间信号L_PM)等于上拉电压端的电压值VB。由于电压值VB大于第二参考信号L_REF，因此第三控制信号L_PR为低电平，第二驱动信号GL为低电平，晶体管Q2处于仍然关断状态。在t0'时刻，进入下一周期的循环。
本实施例的技术方案通过信号转换电路3c使得第一控制器241和第二控制器242不共地，从而隔离晶体管Q1和Q2的驱动信号以同时控制晶体管Q1和Q2交替导通和关断。同时，功率变换器2通过设置桥臂中点PH作为第一控制器241的参考地以便于采样获取表征谐振电流的反馈信号，从而实现了对功率变换器进行反馈控制。
图5是本发明实施例的控制方法的流程图。如图5所示，在步骤S100，根据反馈信号生成第一控制信号和第二控制信号。优选地，反馈信号用于表征功率变换器的谐振电流。其中，第一控制信号和第二控制信号以功率变换器的桥臂中点为参考地。
具体地，第一控制器中的误差放大器根据反馈信号和第一参考信号生成误差信号，控制信号生成电路根据误差信号生成第一控制信号和第二控制信号。其中，第一参考信号用于表征谐振电流的期望值。控制信号生成电路可以采用PWM或PFM等调制方法生成第一控制信号和第二控制信号。
在步骤S200，根据第一控制信号控制第一晶体管。具体地，第一控制器中的第一驱动电路根据第一控制信号生成第一驱动信号以控制第一晶体管的导通与关断。
在步骤S300，根据第二控制信号控制第二晶体管。具体地，信号转换电路根据第二控制信号生成中间信号，第二控制器根据中间信号生成第三控制信号，并根据第三控制信号生成第二驱动信号以控制第二晶体管的导通与关断。其中，在第二控制信号无效时，中间信号的值等于上拉电压端的电压值，在第二控制信号有效时，中间信号的值等于桥臂中点的电压值。应理解，上述步骤并不代表执行的前后顺序。
本实施例的技术方案通过控制第一控制器与第二控制器不共地(也即第一晶体管和第二晶体管的驱动信号不共地)以隔离第一晶体管和第二晶体管的驱动信号，从而控制第一晶体管和第二晶体管交替导通和关断以实现功率变换。同时，通过设置桥臂中点HB作为第一控制器的参考地以便于采样获取表征谐振电流的反馈信号，从而实现了对功率变换器进行反馈控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种功率变换器的控制电路，所述功率变换器包括第一晶体管与第二晶体管相互串联构成的桥臂，其特征在于，所述控制电路包括：
第一控制器，以所述功率变换器的桥臂中点为参考地，被配置为根据反馈信号生成第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于控制所述第一晶体管；以及
第二控制器，以所述功率变换器的接地端为参考地，被配置为根据所述第二控制信号控制所述第二晶体管。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一控制器包括：
误差放大器，被配置为根据所述反馈信号和第一参考信号生成误差信号；
控制信号生成电路，被配置为根据所述误差信号生成所述第一控制信号和所述第二控制信号；以及
第一驱动电路，被配置为根据所述第一控制信号生成第一驱动信号以控制所述第一晶体管的导通与关断。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一控制器还包括：
信号转换电路，被配置为根据所述第二控制信号生成中间信号。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述信号转换电路被配置为在所述第二控制信号无效时，使得所述中间信号的值等于上拉电压端的电压值，在所述第二控制信号有效时，使得所述中间信号的值等于所述功率变换器的桥臂中点的电压值。
5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述信号转换电路包括：
反相器，被配置为将所述第二控制信号反相；
第一开关，第一端连接至所述上拉电压端，控制端接收经反相的所述第二控制信号；
第二开关，第一端连接至所述功率变换器的桥臂中点，控制端接收所述第二控制信号；
所述第一开关的第二端与所述第二开关的第二端连接至公共连接端，所述公共连接端作为所述信号转换电路的输出端以输出所述中间信号。
6.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第二控制器包括：
比较器，被配置为根据所述中间信号和第二参考信号生成第三控制信号；
第二驱动电路，被配置为根据所述第三控制信号生成第二驱动信号以控制所述第二晶体管的导通与关断。
7.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述反馈信号用于表征所述功率变换器的谐振电流。
8.根据权利要求6所述的控制电路，其特征在于，所述第二参考信号的值由所述上拉电压端的电压值和所述第二晶体管的体二极管的导通压降决定。
9.一种功率变换器，其特征在于，包括：
一组桥臂，包括相互串联的第一晶体管和第二晶体管；
谐振电路，包括电感元件和电容元件；以及
如权利要求1-8中任一项所述的控制电路。
10.根据权利要求9所述的功率变换器，其特征在于，所述功率变换器还包括：
电荷泵电路，被配置为与所述谐振电路共同进行功率因数校正。
11.一种功率变换器的控制方法，所述功率变换器包括第一晶体管和第二晶体管相互串联构成的桥臂，其特征在于，所述控制方法包括：
根据反馈信号生成第一控制信号和第二控制信号；其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号以所述功率变换器的桥臂中点为参考地；
根据所述第一控制信号产生第一驱动信号控制所述第一晶体管；
根据所述第二控制信号产生第二驱动信号控制所述第二晶体管；
其中，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号不共地。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，根据所述第二控制信号控制所述第二晶体管包括：
根据所述第二控制信号生成中间信号；
根据所述中间信号生成第三控制信号；
根据所述第三控制信号产生所述第二驱动信号控制所述第二晶体管。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，在所述第二控制信号无效时，所述中间信号的值等于上拉电压端的电压值，在所述第二控制信号有效时，所述中间信号的值等于所述功率变换器的桥臂中点的电压值。
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