CN109525107A - 一种pfc控制及保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种PFC控制和保护电路，包括：PFC主电路，检测流经功率开关管电流的采样模块；基于流经功率开关管的电流控制流经PFC主电路中电抗器电流的电流控制模块；基于流经功率开关管的电流输出相应的故障控制信号的检测保护模块；以及基于电流控制模块及检测保护模块输出信号驱动功率开关管导通和关断的驱动模块。本发明的PFC控制和保护电路仅通过设置一个电阻就可实现闭环控制及全面故障检测，在降低成本的同时确保系统可靠性；且本发明的采样电阻上流经的电流是断续的，有效降低了PFC主电路的损耗，提高了PFC主电路的效率；同时可以减小本发明的采样电阻的功率和体积，从而有效提高PFC主电路的功率密度。

Description

一种PFC控制及保护电路

技术领域

本发明涉及电路设计领域，特别是涉及一种PFC控制和保护电路。

背景技术

功率变换技术是一门新兴的应用于电子电力领域的电子技术，通过功率开关管对电能进行变换和控制。为了抑制谐波的产生，同时提高功率因数，功率变换器被引入变频驱动系统中。由于变频驱动系统的工作环境复杂多样，具有运行功率宽、频率高及负载波动大等特点，因此，对功率变换器的可靠性提出了很高的要求。

如图1所示，通常功率变换器1中设置有第一电阻R1，第一电阻R1的一端连接功率变换器1的输入负极，另一端连接参考地。所述第一电阻R1既可以检测流经电感Lpfc的电流，也可以检测由于电感Lpfc故障导致的流过功率开关管Q1的过冲电流。但是，第一电阻R1不能检测由于二极管D1故障导致的流过功率开关管Q1的过冲电流，检测性能不够全面。

为了解决这一问题，现有技术中增加第二电阻R2，如图2所示。所述的第二电阻R2的一端连接所述功率开关管Q1的源极，另一端连接参考地。所述第二电阻R2可检测由二极管D1故障导致的流过功率开关管Q1的过冲电流，同时还可以检测由于电感Lpfc故障导致的流过功率开关管Q1的过冲电流。并且保留第一电阻R1。以此可在闭环控制的同时全面检测所述功率变换器1，确保功率变换器的可靠性。但是，设置两个电阻(第一电阻R1及第二电阻R2)会相应增加成本。

因此，如何兼顾成本与可靠性已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种PFC控制和保护电路，用于解决现有技术中功率变换器成本与可靠性不能兼顾的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种PFC控制和保护电路，所述PFC控制和保护电路至少包括：

PFC主电路、采样模块、电流控制模块、检测保护模块及驱动模块；

所述采样模块与所述PFC主电路中的功率开关管连接，检测流经所述功率开关管的电流；

所述检测保护模块的输入端连接所述采样模块，基于流经所述功率开关管的电流输出相应的故障控制信号；

所述电流控制模块的输入端连接所述采样模块，基于流经所述功率开关管的电流控制流经所述PFC主电路中电抗器的电流；

所述驱动模块的输入端连接所述电流控制模块及所述检测保护模块的输出端，所述驱动模块的输出端连接所述PFC主电路中的功率开关管的控制端，基于所述电流控制模块及所述检测保护模块的输出信号驱动所述功率开关管的导通和关断。

可选地，所述采样模块包括采样电阻，所述采样电阻与所述功率开关管串联，所述电流控制模块及所述检测保护模块接收所述采样电阻上的电压。

可选地，所述电流控制模块包括微控制单元。

可选地，所述检测保护模块包括过流检测保护单元和/或短路检测保护单元；所述过流检测保护单元的输入端连接所述采样模块的输出端，所述过流检测保护单元的输出端连接所述驱动模块，基于所述采样模块检测到的信号输出相应过流控制信号；所述短路检测保护单元的输入端连接所述采样模块的输出端，所述短路检测保护单元的输出端连接所述驱动模块，基于所述采样模块检测到的信号输出相应短路控制信号。

更可选地，所述过流检测保护单元包括第一比较器，所述第一比较器的输入端分别连接所述采样模块及第一参考信号，基于所述采样模块检测到的信号及所述第一参考信号的比较结果输出相应过流控制信号。

更可选地，所述短路检测保护单元包括第二比较器，所述第二比较器的输入端分别连接所述采样模块及第二参考信号，基于所述采样模块检测到的信号及所述第二参考信号的比较结果输出相应短路控制信号。

可选地，所述PFC主电路包括电抗器、功率开关管及升压二极管；

所述电抗器的一端连接所述PFC主电路的输入端，另一端连接所述升压二极管的正极，所述升压二极管的负极连接直流母线电压的输出端；

所述功率开关管连接于所述升压二极管的正极与参考地之间，控制端连接所述驱动模块。

如上所述，本发明的PFC控制和保护电路，具有以下有益效果：

本发明的PFC控制和保护电路仅通过设置一个电阻就可实现闭环控制及全面故障检测，在降低成本的同时确保系统可靠性。

本发明的采样电阻上流经的电流是断续的，因而有效降低了PFC主电路的损耗，提高了PFC主电路的效率；同时，可以减小本发明的采样电阻的功率和体积，从而有效提高PFC主电路的功率密度。

附图说明

图1显示为现有技术的功率变换系统的一种实施方式示意图。

图2显示为现有技术的功率变换系统的另一种实施方式示意图。

图3显示为本发明的PFC控制和保护电路的结构示意图。

元件标号说明

1 功率变换器

2 PFC控制和保护电路

21 PFC主电路

22 采样模块

23 电流控制模块

24 检测保护模块

241 过流检测保护单元

242 短路检测保护单元

25 驱动模块

3 整流电路

4 交流电

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图3所示，本发明提供一种PFC控制和保护电路2，所述PFC控制和保护电路2包括：

PFC主电路21、采样模块22、电流控制模块23、检测保护模块24及驱动模块25。

如图3所示，所述PFC主电路21的输入端接收经过整流后的交流输入电压，用于将所述经过整流后的交流输入电压转换为直流母线电压。

具体地，所述PFC主电路21包括升压电路，降压电路或升降压电路，可根据需要设定不同的功率变换结构，不以本实施例列举为限。如图3所示，在本实施例中，所述PFC主电路21为升压电路中的一种，具体包括电抗器L1、功率开关管Q1及升压二极管D1。所述PFC主电路21的输入端连接整流电路3，所述整流电路3对输入的交流电4进行整流。

更具体地，所述电抗器L1的一端连接所述PFC主电路21的输入端Vi，另一端连接所述升压二极管D1的正极，所述升压二极管D1的负极连接所述PFC主电路21的输出端Vo即直流母线电压；所述功率开关管Q1的集电极连接所述升压二极管D1的正极，发射极连接所述采样模块22，门极连接驱动模块(图中未显示)。

需要说明的是，在本实施例中，所述功率开关管Q1为绝缘栅双极型晶体管；在实际使用中可根据需要设定所述功率开关管Q1的类型，包括但不限于金属-氧化物半导体场效应晶体管，此时，所述功率开关管Q1的漏极连接所述升压二极管D1的正极、源极连接所述采样模块22，栅极连接所述驱动模块。

作为本实施例的一种实现方式，在本实施例中，所述PFC主电路21的输入端还连接滤波电容C1，所述滤波电容C1连接于所述PFC主电路21的输入端Vi与参考地PGND之间，用于对所述整流电路3的输出电压进行滤波。

作为本实施例的一种实现方式，在本实施例中，所述PFC主电路21的输出端还连接平滑电容Cbus，所述平滑电容Cbus连接于所述PFC主电路21的输出端Vo与参考地PGND之间。

需要说明的是，在本实施例中，所述平滑电容Cbus为一个电容，在实际使用中，所述平滑电容Cbus可以是多个电容的串、并联或串并联，不以本实施例为限。

如图3所示，所述采样模块22与所述PFC主电路21中功率开关管Q1连接，检测流经所述功率开关管Q1的电流。

需要说明的是，所述采样模块22与所述功率开关管Q1的连接包括直接连接及间接连接，所述采样模块22能检测到流经所述功率开关管Q1的电流即可。

更具体地，所述采样模块22包括采样电阻Rcs。所述采样电阻Rcs与所述功率开关管Q1串联，采集流经所述功率开关管Q1的电流，进而通过流经所述功率开关管Q1的电流监测所述PFC主电路21的故障。在本实施例中，所述采样电阻Rcs的一端连接所述功率开关管Q1的发射极，另一端连接参考地PGND。

需要说明的是，在实际应用中，所述采样电阻Rcs可连接于所述功率开关管Q1的集电极与所述升压二极管D1的正极之间，不限于本实施例。

需要说明的是，在实际应用中，所述采样模块22除了使用采样电阻，还可以通过其他方式实现而不限于本实施例，例如传感器或者互感器进行采样，在此不一一赘述。

如图3所示，所述电流控制模块23连接于所述采样模块22的输出端，基于流经所述功率开关管Q1的电流控制流经所述电抗器L1的电流。

具体地，区别于图1中采样电阻R1能够实时采集并控制流经所述电抗器L1的电流，本发明的所述采样模块22只有在所述功率开关管Q1开通时才能采集流经所述功率开关管Q1的电流并控制流经所述电抗器L1的电流。所述电流控制模块23产生一个频率为所述功率开关管Q1的开关频率的三角波或锯齿波，在三角波每个周期的底点或顶点处，或在锯齿波每个周期的底点处，开通所述功率开关管Q1，在采集到的流经所述功率开关管Q1的电流大于预设阈值时关断所述功率开关管Q1，以此控制流经所述电抗器L1的电流，使其跟踪预设阈值，进而实现闭环控制。需要说明的是，上述预设阈值是所述电抗器L1的电流给定，其相位与PFC主电路输入端的电压同相。所述电流控制模块23可采用数字方式或模拟方式实现，数字方式就是通过微控制单元(Micro Control Unit，MCU)实现；模拟方式就是通过硬件电路实现。在本实施例中，所述电流控制模块23采用微控制单元实现。

具体地，当所述PFC主电路21处于电流连续工作模式时，图1中流经采样电阻R1的电流是连续的，而本发明的流经采样电阻Rcs的电流是断续的(只有在所述功率开关管Q1开通时，才有电流流经采样电阻Rcs)，即流经采样电阻Rcs的电流有效值小于流经采样电阻R1的电流有效值，因此采样电阻Rcs上产生的损耗较小，从而有效降低了PFC主电路的损耗，提高了PFC主电路的效率。同时，由于采样电阻Rcs上产生的损耗较小，因此可以适当选择较小功率的采样电阻Rcs，功率减小后体积也相应减小，从而有效提高PFC主电路的功率密度。

如图3所示，所述检测保护模块24连接于所述采样模块22的输出端，基于流经所述功率开关管Q1的电流对所述PFC主电路21的故障进行检测，并输出相应的故障控制信号。

具体地，在本实施例中，所述检测保护模块24的输入端连接所述功率开关管Q1的发射极，包括过流检测保护单元241及短路检测保护单元242。

需要说明的是，在实际应用中，所述检测保护模块24包括但不限于过流检测及短路检测，任意能通过流经所述功率开关管Q1电流检测的故障均适用于本实施例的检测保护模块24，所述检测保护模块24可包括其中一种检测功能或多种检测功能的组合，在此不一一赘述。

更具体地，所述过流检测保护单元241用于在流经所述功率开关管Q1的电流大于过流保护阈值时输出过流控制信号。所述过流检测保护单元241包括第一比较器(图中未显示)，所述第一比较器的输入端分别连接所述采样模块22的输出端及第一参考信号(所述第一参考信号与所述过流保护阈值相对应)，并输出比较结果。基于所述第一比较器输出的比较结果可判断是否过流，当所述采样模块22的输出信号大于等于所述第一参考信号时，判定过流；当所述采样模块22的输出信号小于所述第一参考信号时，判定不过流。

更具体地，所述短路检测保护单元242用于在所述功率开关管Q1所在回路短路时输出短路控制信号。所述短路检测保护单元242包括第二比较器(图中未显示)，所述第二比较器的输入端分别连接所述采样模块22的输出端及第二参考信号，并输出比较结果。基于所述第二比较器输出的比较结果可判断是否短路，进而采取保护措施。当所述采样模块22的输出信号大于等于所述第二参考信号时，判定短路；当所述采样模块22的输出信号小于所述第二参考信号时，判定没有短路。

需要说明的是，所述第一比较器及所述第二比较器的输入端极性与输入信号的对应关系可根据需要设定，符合逻辑关系即可，在此不具体限定。

如图3所示，所述驱动模块25的输入端分别连接所述电流控制模块23及所述检测保护模块24的输出端，所述驱动模块25的输出端连接所述功率开关管Q1的控制端，基于所述电流控制模块23及所述检测保护模块24的输出信号控制所述功率开关管Q1的导通和关断。

具体地，所述驱动模块25根据所述检测保护模块24输出的过流控制信号或短路控制信号，在过流或短路时将所述功率开关管Q1的控制端拉低，进而关断所述功率开关管Q1，以保护所述PFC主电路21，提高电路可靠性。所述驱动模块25将所述电流控制模块23输出的PWM控制信号进行功率放大，进而控制所述功率开关管Q1的导通和关断，实现闭环控制。

通过本发明的采样模块，既可实现电流闭环控制，又可检测由所述电抗器L1故障及由所述升压二极管D1故障导致的流过功率开关管Q1的过冲电流，实现过流及短路控制和保护，进而实现对功率开关管以及PFC主电路的保护。

综上所述，本发明提供一种PFC控制和保护电路，包括：PFC主电路、采样模块、电流控制模块、检测保护模块及驱动模块；所述采样模块与所述PFC主电路中功率开关管连接，检测流经所述功率开关管的电流；所述电流控制模块的输入端连接所述采样模块，基于流经所述功率开关管的电流控制流经所述PFC主电路中电抗器的电流；所述检测保护模块的输入端连接所述采样模块，基于流经所述功率开关管的电流对所述PFC主电路的故障进行检测；所述驱动模块的输入端连接所述电流控制模块及所述检测保护模块的输出端，所述驱动模块的输出端连接所述功率开关管的控制端，基于所述电流控制模块及所述检测保护模块的输出信号驱动所述功率开关管的导通和关断。本发明的PFC控制和保护电路仅通过设置一个电阻就可实现闭环控制及全面故障检测，在降低成本的同时确保系统可靠性。且本发明的采样电阻上流经的电流是断续的，因而有效降低了PFC主电路的损耗，提高了PFC主电路的效率；同时，可以减小本发明的采样电阻的功率和体积，从而有效提高PFC主电路的功率密度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种PFC控制和保护电路，其特征在于，所述PFC控制和保护电路至少包括：

PFC主电路、采样模块、电流控制模块、检测保护模块及驱动模块；

所述采样模块与所述PFC主电路中的功率开关管连接，检测流经所述功率开关管的电流；

所述检测保护模块的输入端连接所述采样模块，基于流经所述功率开关管的电流输出相应的故障控制信号；

所述电流控制模块的输入端连接所述采样模块，基于流经所述功率开关管的电流控制流经所述PFC主电路中电抗器的电流；

所述驱动模块的输入端连接所述电流控制模块及所述检测保护模块的输出端，所述驱动模块的输出端连接所述PFC主电路中的功率开关管的控制端，基于所述电流控制模块及所述检测保护模块的输出信号驱动所述功率开关管的导通和关断。

2.根据权利要求1所述的PFC控制和保护电路，其特征在于：所述采样模块包括采样电阻，所述采样电阻与所述功率开关管串联，所述电流控制模块及所述检测保护模块接收所述采样电阻上的电压。

3.根据权利要求1所述的PFC控制和保护电路，其特征在于：所述电流控制模块包括微控制单元。

4.根据权利要求1所述的PFC控制和保护电路，其特征在于：所述检测保护模块包括过流检测保护单元和/或短路检测保护单元；所述过流检测保护单元的输入端连接所述采样模块的输出端，所述过流检测保护单元的输出端连接所述驱动模块，基于所述采样模块检测到的信号输出相应过流控制信号；所述短路检测保护单元的输入端连接所述采样模块的输出端，所述短路检测保护单元的输出端连接所述驱动模块，基于所述采样模块检测到的信号输出相应短路控制信号。

5.根据权利要求4所述的PFC控制和保护电路，其特征在于：所述过流检测保护单元包括第一比较器，所述第一比较器的输入端分别连接所述采样模块及第一参考信号，基于所述采样模块检测到的信号及所述第一参考信号的比较结果输出相应过流控制信号。

6.根据权利要求4所述的PFC控制和保护电路，其特征在于：所述短路检测保护单元包括第二比较器，所述第二比较器的输入端分别连接所述采样模块及第二参考信号，基于所述采样模块检测到的信号及所述第二参考信号的比较结果输出相应短路控制信号。

7.根据权利要求1所述的PFC控制和保护电路，其特征在于：所述PFC主电路包括电抗器、功率开关管及升压二极管；

所述电抗器的一端连接所述PFC主电路的输入端，另一端连接所述升压二极管的正极，所述升压二极管的负极连接直流母线电压的输出端；

所述功率开关管连接于所述升压二极管的正极与参考地之间，控制端连接所述驱动模块。