CN109842286A - 一种pfc电路 - Google Patents

Abstract

在本发明涉及一种机载计算机产品的功率因数校正(PFC)电路，利用升压电感与结电容的谐振特点，实现主开关管的零电压开通，并降低了整流二极管的关断损耗，实现了零电压开通，属于机载计算机电源领域。本发明设计了一种低谐波电流的软开关PFC电路，该电路采用临界电流模式CRM架构，兼顾输出纹波的同时消除了整流管反向恢复损耗，电路设计了零电流检测ZCD电路，并人为设置了延迟电路，巧妙利用升压电感与主开关管的谐振特性实现主开关管的零电压开通；电路特别设计了基波补偿网络，创新性的将馒头波电压采样补偿到输出电压环路中，消除了电压环中的基波振荡，显著降低了电流谐波。本发明设计了一种低谐波电流的软开关PFC电路，电路通过CRM型BOOST升压拓扑，提高了产品功率因数PF。

Description

一种PFC电路

在技术领域

本发明属于机载计算机电源领域，特别是涉及一种功率因数校正电路。

背景技术

在当前的机载计算机产品中，产品集成化程度高，整机功率大，因而采用115V交流供电的设备日益增多。相比于传统的28V直流供电设备，115V交流设备首先就必须满足供电特性标准中功率因数PF的要求，所以交流设备中均采用功率因数校正PFC电路来满足要求。

BOOST型升压电路是业界最常用的一种PFC电路，作为功率转换电路的第一级电路，依据升压电感电流的连续与否一般分为连续电流模式CCM和断续电流模式DCM，大功率设备PFC电路大多采用CCM，小功率设备则采用DCM，两种拓扑各有优缺点和适用场合。在300W左右的中功率设备中，这两种拓扑的缺点就比较明显，CCM的开关损耗和二极管的关断损耗非常显著，而DCM的输出纹波又无法忽略。需要寻找一种新的拓扑，在300W功率应用场合下，最大程度降低开关损耗和二极管关断损耗，同时降低系统的输出纹波指标。此外，常规的PFC电路在电压过零处畸变明显，需要对其进行特别的设计来降低电流谐波指标。

鉴于以上所述现有电路局限性和缺陷性，本发明人针对现有技术深入研究，并有本案产生。

发明内容

本发明研制出一种低谐波电流的软开关PFC电路，该电路采用变频的临界电流模式CRM架构，适合300W左右中等功率的应用场合，不同于CCM或DCM的模式，CRM的电感电流最小值值恰好为零，随即进入下一个开关周期，这样不仅可以消除二极管的关断损耗，而且输出侧不会因为断流而产生较大的电压纹波，另外，电路利用升压电感与主开关管结电容的谐振特点，通过对ZCD进行控制，实现主开关管的ZVS零电压开通，降低了主开关管的开关损耗，电路的工作效率极高。

一种低谐波电流的软开关PFC电路，该电路包括：整流桥电路、BOOST功率回路、ZCD检测电路、控制器电路，其中，

整流桥电路通过将输入交流电压整流为馒头波，为提高PF值，整流桥后级不设置大容量滤波电容，仅放置高频滤波电容，以免电流波形畸变；

BOOST功率回路采用BOOST型升压电路拓扑，主开关管采用cool MOS型场效应管，开关速度块，通态损耗小，整流二极管采用低VF的超快恢复二极管，较低的VF可以进一步降低导通损耗，电路采用峰值电流检测，动态相应速度块，而且便于限制起机过程中的冲击电流；

零电流检测ZCD电路通过在升压电感上耦合电流互感器检测升压电感电流，当电感电流降低为0，电流互感器次边采样电阻上电压降低为0V，触发ZCD信号，为实现电路主功率管的软开关，在ZCD信号设置延迟电路，电感电流降低为0后，升压电感与主功率管的结电容开始谐振，电流为负值，导致主功率管的体二极管导通，将D-S电压钳位在0V，此后ZCD发低，开关管导通，从而实现了零电压开通；

控制器电路外围还设置有电压追踪电路通过对整流桥后端馒头波进行采样，并与电压环输出进行乘法操作，作为电流环的指令送入控制器，实现电流波形对电压的追踪，控制器内环的电流环为峰值电流模式，电流环输出与乘法器指令比较，给定控制器的关断Toff点，而开通Ton点则由ZCD电路检测后送入控制器。相比于传统的PFC控制器，该电路特别设计了基波补偿网络，通过将馒头波的采样接入电压环路中，消除了电压环中的基波振荡，显著降低了高次谐波。

附图说明

图1为电路原理图。

图2为基波补偿网络电路原理图。

具体实施方式

1.整流桥电路

整流桥电路主要是桥式整流电路，通过整流将输入的交流电压变为馒头波，为提高PF值，整流桥后级不设置大容量滤波电容，仅放置小容值高频滤波电容，避免电容带来的电流相位超前，以减小电流波形的畸变。

2.BOOST功率回路

BOOST功率回路采用BOOST型升压电路拓扑，通过对输出额定功率、工作电压范围、最大开关频率的计算设定升压电感值，因为主开关管T1为零电压开通，其损耗主要是关断损耗和导通损耗，主开关管采用cool MOS型场效应管IPP60R099CP，开关速度块，通态损耗小，整流二极管采用低VF的超快恢复二极管，因为本身电路拓扑为CRM，没有关断损耗，所以较低的VF可以进一步降低导通损耗，电路采用峰值电流检测，动态相应速度块，在起机的过程中，电流环额外设置有过流保护门槛，超过门槛就立刻关闭PWM驱动，从而限制其峰值电流，降低电源起机过程中的冲击电流。

3.ZCD检测电路

CRM模式的驱动信号开通需要依零电流检测靠ZCD信号，ZCD电路通过在升压电感上耦合电流互感器检测升压电感电流，当电感电流降低为0，电流互感器次边采样电阻上电压降低为0V，触发ZCD信号。传统的CRM型变换器将该型号作为PWM开通的依据，本电路中，PWM驱动不会立刻开通，仍然后继续持续一小段时间(大约500ns)，在此过程中升压电感与主功率管的结电容开始谐振，储能电容向升压电感放电，电感电流反向，同时结电容电压迅速下降，当结电容两端电压降低到0V后，主功率管的体二极管导通，将其D-S电压钳位在0V，此后ZCD发低，开关管导通，从而实现了零电压开通。

电路中为实现ZCD信号的延迟，在电路的ZCD采样处设置了R1和C2的延迟波形，对控制器送入的ZCD信号进行人为延迟，另外在PWM驱动信号的输出驱动器增加延迟，PWM信号由地发高同样人为增加延迟，通过这两个手段，延迟了PWM的开通时间，主开关管实现了ZVS软开关。

4.控制器电路

控制器电路外围还设置有电压追踪电路通过对整流桥后端馒头波进行采样，并与电压环输出进行乘法操作，作为电流环的指令送入控制器，实现电流波形对电压的追踪，控制器内环的电流环为峰值电流模式，电流环输出与乘法器指令比较，给定控制器的关断Toff点，而开通Ton点则由ZCD电路检测后送入控制器。传统的PFC控制器，因为电流指令是电压与输入馒头波的乘积的结果，输入电流与输入电压成比例，在一定的负载条件下，输出功率保持不变，据此在一个基波周期内，波峰处输入功率大于输出功率，而波谷处输入功率小于输出功率，所以在电压环上会叠加一个基波频率的低频振荡，该振荡与馒头波采样相乘后，产生了大量的谐波，导致谐波分量指标超标。

根据以上问题，该电路特别设计了基波补偿网络，巧妙将通过将馒头波的采样接入电压环路中，输入电压波谷处，输出电压偏低，将馒头波采样接入电压环，可以减小电压环的误差，消除了基波振荡，从而显著的降低电流谐波。基波补偿网络原理图见图2。

本发明的低谐波电流的软开关PFC电路已经成功应用于某型信息系统计算机产品。该电路设计巧妙，效果明显，通用性强，可以扩展到所有交流机载计算机用电设备中，应用前景良好。

Claims (5)

1.一种PFC电路，所述的电路包括整流桥电路、BOOST功率回路、ZCD检测电路和控制器电路，其特征为:在控制器电路中的驱动输出侧设置有延迟电路，将ZCD检测电路给出的开通指令延迟。

2.根据权利要求1所述的一种PFC电路，其特征为：在BOOST功率回路的主功率管D-S端并联有谐振电容。

3.根据权利要求1所述的一种PFC电路，其特征为：在ZCD检测电路的输出端设置有RC延迟网络。

4.根据权利要求1所述的一种PFC电路，其特征为：在控制器电路中的整流桥电压采样电路和输出电压采样电路之间设置基波补偿网络。

5.根据权利要求1所述的一种PFC电路，其特征为：电路采用临界电流模式CRM，BOOST功率回路中的主功率管采用COOL MOS功率开关管，BOOST功率回路中的整流二极管采用低VF超快恢复二极管，在控制器电路的峰值电流检测中设置过流保护门槛，限制起机过程中的峰值电流。