CN110808681B - 一种无源pfc谐振变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及谐振变换器技术领域，具体涉及一种无源PFC谐振变换器及其控制方法，包括整流桥、无源PFC电路、母线电容C1、谐振电路、开关管S1、控制电路、变压器T1、整流电路和供电电容C2，整流桥输出端正极与母线电容C1正极连接，母线电容C1负极与无源PFC电路第二端连接，无源PFC电路第一端与整流桥输出端负极连接，开关管S1与无源PFC电路并联，控制电路控制开关管S1的通断，谐振电路第一端和第三端母线电容C1两端连接。本发明的有益效果是：通过谐振电路和无源PFC电路的连接实现PFC功能；缩短了谐振电流正向期间流入整流桥的时间，使母线电容更容易在较小的幅值范围内达到稳定，降低了Vin的宽范围的影响。

Description

一种无源PFC谐振变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及谐振变换器技术领域，具体涉及一种无源PFC谐振变换器及其控制方法。

背景技术

PFC，即功率因数补偿，对具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相而引起的供电效率低下的改善手段。例如对应感性负载，通过用电容器并连在感性负载，利用其电容上电流超前电压的特性用以补偿电感上电流滞后电压的特性来使总的特性接近于阻性，从而改善效率低下的方法叫功率因数补偿。

谐振电路以其工作频率高、损耗低、体积小等特性，被广泛使用在开关电源产品中。而大部分的开关电源产品需要具有PFC功能。目前采用谐振电路的开关电源产品，通常选用两级电路方案，即前级PFC电路，用于实现高PF值且输出稳定的母线电压Vbus，供给后级的谐振电路，后级谐振电路实现直流转换，输出所需的直流电压Vo或直流电流Io，如图1所示。而这样的两级电路方案，电路复杂成本高，也不利于电源产品的小型化。而且输入电压Vin为工频的交流电压，不同电网或不同的交流电压使输入电压Vin的幅值可能在一个较宽的范围内，这就需要开关电源产品满足能够在输入电压宽范围的条件下工作。因而需要对谐振电路作出进一步的改进。

如中国专利CN104012176B，公开日2017年7月14日，一种LED转换器,其用于操作具有至少一个LED,优选具有多个LED的至少一个LED线路中的负载,其中,所述LED转换器在初级侧包括供应有直流电压的谐振变换器,所述谐振变换器具有构造有两个交替计时开关的半桥，所述半桥通过连接到其中点处的串联/并联谐振电路提供用于所述LED线路的供电电压，其中，所述LED转换器具有控制单元,所述控制单元被设置用于对所述半桥的时钟频率进行调节,并且其中,为了控制或调节通过所述LED转换器传输到所述LED线路的功率，所述控制单元被设置成在至少一侧受限的频率通道内改变所述时钟频率,并且当负载的改变和/或功率理论值的改变可能会导致频率工作点位于频率通道外时，来改变向所述谐振变换器的直流电压的振幅。其虽然能够实现供电电压的稳定，且结合现有技术中的PFC技术改造能够实现PF功能，但其PF效果难以保证，电路复杂且成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前带有PFC功能的谐振电路开关电源的电路复杂的技术问题。提出了一种无源器件实现PFC的结构简单的无源PFC谐振变换器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种无源PFC谐振变换器，包括整流桥、无源PFC电路、母线电容C1、谐振电路、开关管S1、控制电路、变压器T1、整流电路和供电电容C2，所述整流桥输入端接入交流电压Vin，所述整流桥输出端正极与母线电容C1一端连接，所述无源PFC电路第一端与整流桥输出端负极连接，母线电容C1第二端与无源PFC电路第二端连接，所述开关管S1与无源PFC电路并联，所述控制电路采样母线电容C1两端电压以及谐振电流方向，所述控制电路根据母线电容C1两端电压以及谐振电流方向控制开关管S1的通断，所述谐振电路第一端和第三端分别与所述母线电容C1两端连接，所述谐振电路第二端与整流桥输出端负极连接，所述变压器T1的初级线圈串联接入所述谐振电路，所述变压器T1的次级线圈通过整流电路与供电电容C2连接，所述供电电容C2两端具有稳定的直流电压或直流电流输出。控制电路可以通过可编程逻辑控制器件实施。谐振电路的工作频率远高于工频，谐振电路不断消耗母线电容C1储存的电能，并通过变压器T1和整流电路为供电电容C2供电，供电电容C2驱动负载。

作为优选，所述控制电路包括电压采样单元、反馈调节单元、电流判断单元和驱动控制单元；所述电压采样单元两端连接在母线电容C1的两端并采样母线电容C1的电压，所述电压采样单元输出电压采样信号到反馈调节单元；所述反馈调节单元将接收电压采样信号与电压基准信号Vref比较，并将差值放大后作为反馈信号输出给驱动控制单元；所述电流判断单元检测谐振电路的谐振电流方向，当谐振电流的方向为流出无源PFC电路第一端时，输出信号给驱动控制单元；所述驱动控制单元的输出端连接开关管S1的控制端，使开关管S1在谐振电流的方向为流出无源PFC电路第一端期间内的某时刻或者该期间结束的时刻开始导通，所述驱动控制单元根据反馈信号控制开关管S1的导通时长，所述导通时长使开关管S1导通状态至少延续至谐振电流换向时刻后。

作为优选，所述谐振电路包括开关管S2、开关管S3、谐振电感Lr、谐振电容Cr和谐振控制器，所述开关管S2与开关管S3串联后与所述母线电容C1并联，所述谐振控制器控制开关管S2和开关管S3周期性轮流导通，所述谐振电感Lr一端与开关管S2以及开关管S3的连接点连接，谐振电感Lr另一端与谐振电容Cr一端连接，谐振电容Cr另一端与整流桥输出端负极连接。谐振控制器可以通过可编程逻辑控制器件实施。谐振电流的工作频率由开关管S2、开关管S3的轮流导通频率决定。

作为优选，所述反馈调节单元包括集成运放放大器A1、电阻R3和电容C4，集成运放放大器A1的反相输入端与电压采样单元输出端以及电容C4第一端连接，电容C4第二端通过电阻R3与集成运放放大器A1的输出端连接，集成运放放大器A1的同相输入端与电压基准信号Vref连接，集成运放放大器A1的输出端与驱动控制单元连接。集成运放放大器A1的反相输入端连接电压采样信号，同相输入端为电压基准信号Vref，将二者差值放大后，集成运放放大器A1的输出端输出反馈信号。

作为优选，所述电流判断单元包括电流互感器Ct、比较器A2、电容C5和二极管D2，电流互感器Ct一次线圈串联接入谐振电流中，电流互感器Ct二次线圈一端接地，电流互感器Ct二次线圈另一端与二极管D2阳极连接，二极管D2阴极与比较器A2反相输入端以及电容C5一端连接，电容C5另一端以及比较器A2同相输入端与电流基准信号Iref连接，比较器A2的输出端与驱动控制单元连接。

作为优选，所述驱动控制单元包括导通控制子单元和关断控制子单元，所述导通控制子单元接收电流判断单元输出的判断信号，所述导通控制子单元根据该判断信号输出控制开关管S1导通的信号；所述关断控制子单元接收反馈调节单元输出的反馈信号，根据该反馈信号确定开关管S1的导通时长，并根据开关管S1的导通时刻和该导通时长确定关断时刻，在关断时刻输出控制开关管S1关断的信号。

作为优选，所述整流电路包括二极管D3和二极管D4，二极管D3阳极与变压器T1的次级线圈一端连接，二极管D4阳极与变压器T1的次级线圈另一端连接，二极管D3阴极以及二极管D4阴极均与供电电容C2正极连接，供电电容C2负极与变压器T1的次级线圈中部的抽头连接。

作为优选，所述开关管S1为MOS管或IGBT管。开关管S需要具有双向导通的特性，可以选用MOS管或IGBT管。采用Mos管时，在负向期间为同步整流状态导通或者寄生二极管导通，在正向期间为开关状态导通。开关管S1为IGBT时，负向期间为寄生二极管导通，正向期间为开关状态导通。

一种如前述的无源PFC谐振变换器的控制方法，包括以下步骤：R1：开关管S1断开，所述电流判断单元检测谐振电路的谐振电流，并输出信号至驱动控制单元；R2：所述驱动控制单元判断谐振电流是否为流出无源PFC电路第一端的方向，若是，则进入步骤R3，并将该电流方向定义为负向，反之，则重复本步骤；R3：所述驱动控制单元控制开关管S1导通；R4：电压采样单元采样母线电容的电压并输出至反馈调节单元；R5：所述反馈调节单元比较电压采样信号与电压基准信号Vref，将差值放大后生成反馈信号至驱动控制单元；R6：所述驱动控制单元根据反馈信号设定开关管S1的导通时长，所述导通时长使开关管S1在谐振电流正向期间关断。

作为优选，所述开关管S1的导通时长小于谐振电流谐振周期的一半。

本发明的实质性效果是：本申请的无源PFC谐振变换器，通过谐振电路和无源PFC电路的连接实现PFC功能；并通过开关管S1及其控制电路，在谐振电流负向期间导通，并将开关管S1的导通状态延续到谐振电流正向期间，缩短了谐振电流正向期间流入整流桥的时间，而流入整流桥的谐振电流也同时也是流入母线电容的电流，母线电容的充电能量减小，使母线电容更容易在较小的幅值范围内达到稳定，降低了Vin的宽范围的影响。

附图说明

图1为现有技术中两级电路方案示意图。

图2为实施例一无源PFC谐振变换器电路原理图。

图3为实施例一谐振电流流出整流桥电流时序图。

图4为实施例一无源PFC谐振变换器控制方法流程框图。

图5为实施例二无源PFC谐振变换器电路原理图。

其中：100、整流桥，200、PFC电路，300、谐振电路，400、无源PFC电路，500、驱动控制单元，501、关断控制子单元，502、导通控制子单元，600、反馈调节单元，700、电压采样单元，800、电流判断单元。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种无源PFC谐振变换器，如图2所示，本实施例包括整流桥100、无源PFC电路400、母线电容C1、谐振电路300、开关管S1、控制电路、变压器T1、整流电路和供电电容C2，整流桥100输入端接入交流电压Vin，整流桥100输出端正极与母线电容C1正极连接，母线电容C1负极与无源PFC电路400第二端连接，无源PFC电路400第一端与整流桥100输出端负极连接，开关管S1与无源PFC电路400并联，控制电路采样母线电容C1两端电压以及谐振电流方向，控制电路根据母线电容C1两端电压以及谐振电流方向控制开关管S1的通断，谐振电路300第一端和第三端分别与母线电容C1两端连接，谐振电路300的第二端与整流桥100输出端负极连接，变压器T1的初级线圈串联接入谐振电路300，变压器T1的次级线圈通过整流电路与供电电容C2连接，供电电容C2两端具有稳定的直流电压输出。控制电路可以通过可编程逻辑控制器件实施。谐振电流的工作频率远高于工频，谐振电路300不断消耗母线电容C1储存的电能，并通过变压器T1和整流电路为供电电容C2供电，供电电容C2驱动负载。现有技术中的两级电路方案，整流桥100输入端与Vin连接，整流桥100与PFC电路200连接后输出母线电压Vbus，而后再连接谐振电路300，由谐振电路300输出供电电压Vo和供电电流Io，如图1所示。

控制电路包括电压采样单元700、反馈调节单元600、电流判断单元800和驱动控制单元500；电压采样单元700两端连接在母线电容C1的两端并采样母线电容C1的电压，电压采样单元700输出电压采样信号到反馈调节单元600；反馈调节单元600将接收电压采样信号与电压基准信号Vref比较，并将差值放大后作为反馈信号输出给驱动控制单元500；电流判断单元800检测谐振电路300的谐振电流方向，当谐振电流的方向为流出无源PFC电路400第一端时，输出信号给驱动控制单元500；驱动控制单元500的输出端连接开关管S1的控制端，使开关管S1在谐振电流的方向为流出无源PFC电路400第一端期间内的某时刻或者该期间结束的时刻开始导通，驱动控制单元500根据反馈信号控制开关管S1的导通时长，导通时长使开关管S1导通状态至少延续至谐振电流换向时刻后。

无源PFC电路400包括电容C6和二极管D5，二极管D5阴极与整流桥100输出端负极连接，二极管D5阴极作为无源PFC电路400第一端，二极管D5阳极与母线电容C1负极连接，二极管D5阳极极作为无源PFC电路400第二端，电容C6与二极管D5并联。

谐振电路300包括开关管S2、开关管S3、谐振电感Lr、谐振电容Cr和谐振控制器，开关管S2与开关管S3串联后与母线电容C1并联，谐振控制器控制开关管S2和开关管S3周期性轮流导通，谐振电感Lr一端与开关管S2以及开关管S3的连接点连接，谐振电感Lr另一端与谐振电容Cr一端连接，谐振电容Cr另一端与整流桥100输出端负极连接。谐振控制器可以通过可编程逻辑控制器件实施。谐振电流的频率由开关管S2、开关管S3的轮流导通频率决定。

整流电路包括二极管D3和二极管D4，二极管D3阳极与变压器T1的次级线圈一端连接，二极管D4阳极与变压器T1的次级线圈另一端连接，二极管D3阴极以及二极管D4阴极均与供电电容C2正极连接，供电电容C2负极与变压器T1的次级线圈中部的抽头连接。开关管S1为MOS管或IGBT管。开关管S需要具有双向导通的特性，可以选用MOS管或IGBT管。采用Mos管时，在负向期间为同步整流状态导通或者寄生二极管导通，在正向期间为开关状态导通。开关管S1为IGBT时，负向期间为寄生二极管导通，正向期间为开关状态导通。

如图3所示，谐振电路300的谐振电流Ir为周期性的正弦交流电流，谐振电流的周期为开关管S2与开关管S3轮流开关的周期T。谐振电流Ir的幅值大于零的电流为谐振电流的正向电流，小于零的电流为谐振电流的负向电流。本申请定义：正向电流指由电流由谐振电感Lr经开关管S3或开关管S2、流到二极管D5阴极并流入电容C6或者整流桥100输出端负极的方向；反之，则为负向电流。

当不连接开关管S1时，整流桥100的电流，即谐振电流流入整流桥100的电流，如图3中的Iin-1所示，在0-t0期间，谐振电流负向；在t0-t1期间，谐振电流正向，且流入无源PFC电路400，谐振电流为无源PFC电路400的电容充电，因此，此期间内没有电流流入整流桥100的负端；在t1到T期间，谐振电流正向，且流入整流桥100的负端，此期间没有电流流入无源PFC电路400。当不连接开关管S1时，当输入电压Vin的幅值升高时，母线电压Vbus将维持在一个较高的幅值，并随着输入电压Vin的升高而升高。

当连接开关管S1时，开关管S1在控制电路的控制下，在谐振电流负向期间内导通，即在0至0.5T期间为负向期间某时刻开始导通，或者在谐振电流在负向期间结束时刻导通，即0.5T时刻导通，并延续导通状态至至谐振电流正向期间，即在0.5T时刻为谐振电流换向时刻，开关管S1在此时刻下需要为导通状态，在0.5T时刻过后的某个时刻开关管S1关断。S1导通期间无源PFC电路400两端电压近似为零；在t0-t2之间的某一时刻开关管S1关断，开关管S1关断之后，谐振电流开始为无源PFC电路400的电容C6充电，充电结束时刻为t2，t2时刻之后，谐振电流流入整流桥100的输出端负极直至本周期结束时刻T，作为整流桥100的电流Iin。连接开关管S1后，Iin大于零的时间，即图3中t2-T时段，将随着输入电压Vin的升高而缩短，这样母线电容的充电能量不会随着Vin的升高而变化过大，使母线电容更容易在较小的幅值范围内达到稳定，降低了Vin的宽范围的影响。

一种如前述的无源PFC谐振变换器的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：R1：开关管S1断开，电流判断单元800检测谐振电路300的谐振电流，并输出信号至驱动控制单元500；R2：驱动控制单元500判断谐振电流是否为流出无源PFC电路400第一端的方向，若是，则进入步骤R3，并将该电流方向定义为负向，反之，则重复本步骤；R3：驱动控制单元500控制开关管S1导通；R4：电压采样单元700采样母线电容的电压并输出至反馈调节单元600；R5：反馈调节单元600比较电压采样信号与电压基准信号Vref，将差值放大后生成反馈信号至驱动控制单元500；R6：驱动控制单元500根据反馈信号设定开关管S1的导通时长，导通时长使开关管S1在谐振电流正向期间关断。开关管S1的导通时长小于谐振电流谐振周期的一半。

实施例二：

一种无源PFC谐振变换器，本实施例在实施例的基础上做出了进一步的改进，如图5所示，本实施例中，反馈调节单元600包括集成运放放大器A1、电阻R3和电容C4，集成运放放大器A1的反相输入端与电压采样单元700输出端以及电容C4第一端连接，电容C4第二端通过电阻R3与集成运放放大器A1的输出端连接，集成运放放大器A1的同相输入端与电压基准信号Vref连接，集成运放放大器A1的输出端与驱动控制单元500连接。集成运放放大器A1的反相输入端连接电压采样信号，同相输入端为电压基准信号Vref，将二者差值放大后，集成运放放大器A1的输出端输出反馈信号。电压采样单元700包括电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2串联后与母线电容C1并联，电阻R1和电阻R2的连接点与集成运放放大器A1的反相输入端连接。

电流判断单元800包括电流互感器Ct、比较器A2、电容C5和二极管D2，电流互感器Ct一次线圈串联接入谐振电流中，电流互感器Ct二次线圈一端接地，电流互感器Ct二次线圈另一端与二极管D2阳极连接，二极管D2阴极与比较器A2反相输入端以及电容C5一端连接，电容C5另一端以及比较器A2同相输入端与电流基准信号Iref连接，比较器A2的输出端与驱动控制单元500连接。

驱动控制单元500包括导通控制子单元502和关断控制子单元501，导通控制子单元502接收电流判断单元800输出的判断信号，导通控制子单元502根据该判断信号输出控制开关管S1导通的信号；关断控制子单元501接收反馈调节单元600输出的反馈信号，根据该反馈信号确定开关管S1的导通时长，并根据开关管S1的导通时刻和该导通时长确定关断时刻，在关断时刻输出控制开关管S1关断的信号。其余结构同实施例一。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种无源PFC谐振变换器，其特征在于，

包括整流桥、无源PFC电路、母线电容C1、谐振电路、开关管S1、控制电路、变压器T1、整流电路和供电电容C2，所述整流桥输入端接入交流电压Vin，所述整流桥输出端正极与母线电容C1第一端连接，所述无源PFC电路第一端与整流桥输出端负极连接，母线电容C1第二端与无源PFC电路第二端连接，所述开关管S1与无源PFC电路并联，所述控制电路采样母线电容C1两端电压以及谐振电流方向，所述控制电路根据母线电容C1两端电压以及谐振电流方向控制开关管S1的通断，所述谐振电路第一端和第三端分别与所述母线电容C1两端连接，所述谐振电路的第二端与整流桥输出端负极连接，所述变压器T1的初级线圈串联接入所述谐振电路，所述变压器T1的次级线圈通过整流电路与供电电容C2连接，所述供电电容C2两端具有稳定的直流电压或直流电流输出；

所述无源PFC电路包括二极管D5和电容C6，二极管D5阴极与整流桥输出端负极连接，二极管D5阴极作为无源PFC电路第一端，二极管D5阳极与母线电容C1第二端连接，二极管D5阳极作为无源PFC电路第二端，电容C6与二极管D5并联。

2.根据权利要求1所述的一种无源PFC谐振变换器，其特征在于，

所述控制电路包括电压采样单元、反馈调节单元、电流判断单元和驱动控制单元；

所述电压采样单元两端连接在母线电容C1的两端并采样母线电容C1的电压，所述电压采样单元输出电压采样信号到反馈调节单元；

所述反馈调节单元将接收电压采样信号与电压基准信号Vref比较，并将差值放大后作为反馈信号输出给驱动控制单元；

所述电流判断单元检测谐振电路的谐振电流方向，当谐振电流的方向为流出无源PFC电路第一端时，输出信号给驱动控制单元；

所述驱动控制单元的输出端连接开关管S1的控制端，使开关管S1在谐振电流的方向为流出无源PFC电路第一端期间内的某时刻或者该期间结束的时刻开始导通，所述驱动控制单元根据反馈信号控制开关管S1的导通时长，所述导通时长使开关管S1导通状态至少延续至谐振电流换向时刻后。

3.根据权利要求2所述的一种无源PFC谐振变换器，其特征在于，

所述反馈调节单元包括集成运放放大器A1、电阻R3和电容C4，所述集成运放放大器A1的反相输入端与所述电压采样单元输出端以及所述电容C4第一端连接，所述电容C4第二端通过所述电阻R3与所述集成运放放大器A1的输出端连接，所述集成运放放大器A1的同相输入端与电压基准信号Vref连接，所述集成运放放大器A1的输出端与所述驱动控制单元连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种无源PFC谐振变换器，其特征在于，

所述电流判断单元包括电流互感器Ct、比较器A2、电容C5和二极管D2，所述电流互感器Ct一次线圈串联接入所述谐振电流路中，所述电流互感器Ct二次线圈一端接地，所述电流互感器Ct二次线圈另一端与所述二极管D2阳极连接，所述二极管D2阴极与所述比较器A2反相输入端以及电容C5一端连接，电容C5另一端以及比较器A2同相输入端与电流基准信号Iref连接，比较器A2的输出端与所述驱动控制单元连接。

5.根据权利要求2或3所述的一种无源PFC谐振变换器，其特征在于，

所述驱动控制单元包括导通控制子单元和关断控制子单元，所述导通控制子单元接收所述电流判断单元输出的判断信号，所述导通控制子单元根据该判断信号输出控制开关管S1导通的信号；

所述关断控制子单元接收反馈调节单元输出的反馈信号，根据该反馈信号确定所述开关管S1的导通时长，并根据所述开关管S1的导通时刻和该导通时长确定关断时刻，在关断时刻输出控制开关管S1关断的信号。

6.根据权利要求2所述的一种无源PFC谐振变换器，其特征在于，所述开关管S1的导通时长小于所述谐振电路开关周期的一半。

7.根据权利要求2或3所述的一种无源PFC谐振变换器，其特征在于，

所述整流电路包括二极管D3和二极管D4，二极管D3阳极与变压器T1的次级线圈一端连接，二极管D4阳极与变压器T1的次级线圈另一端连接，二极管D3阴极以及二极管D4阴极均与供电电容C2正极连接，供电电容C2负极与变压器T1的次级线圈中部的抽头连接。

8.一种如权利要求2至7任一项所述的无源PFC谐振变换器的控制方法，其特征在于，

包括以下步骤：

R1：开关管S1断开，所述电流判断单元检测谐振电路的谐振电流，并输出信号至驱动控制单元；

R2：所述驱动控制单元判断谐振电流是否为流出无源PFC电路第一端的方向，若是，则进入步骤R3，并将该电流方向定义为负向，反之，则重复本步骤；

R3：所述驱动控制单元控制开关管S1导通；

R4：电压采样单元采样母线电容的电压并输出至反馈调节单元；

R5：所述反馈调节单元比较电压采样信号与电压基准信号Vref，将差值放大后生成反馈信号至驱动控制单元；

R6：所述驱动控制单元根据反馈信号设定开关管S1的导通时长，所述导通时长使开关管S1在谐振电流正向期间关断。

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