CN111817547A - 一种多模式boost pfc控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式BOOST PFC控制器，属于BOOST PFC控制器设计领域。本发明的控制器引入了电流断续区间检测模块、限品模块和驱动信号产生模块，解决了传统的BOOST PFC控制器由于限频进入断续工作模式后，输入电流波形产生严重的畸变，不再是完美的正弦波，品质因数急剧减小给相关电气设备带来的危害。将本发明的多模式BOOST PFC控制器与常规的BOOST电路连接构成的PFC装置，工作在临界导通或断续模式时，输入交流电流波形都高度近似于正弦波，可以保持较高的品质因数，有效降低输入电流谐波，提高电路整体性能。

Description

一种多模式BOOST PFC控制器

技术领域

本发明涉及BOOST PFC控制器，特别是涉及一种适用于多种工作模式的BOOST PFC控制器。

背景技术

离线开关模式功率转换器产生的带高谐波含量的非正弦输入电流，会给电力设备和其相关联的电子设备带来危害。功率因数校正即PFC技术，可以解决此类问题，提高电力被有效利用的程度，降低输入谐波含量。因此，在现有电气产品中，都会在前级加入功率因数校正电路，其中以升压型即BOOST电路结构最为常见。

传统中小功率等级的BOOST PFC电路，为减小导通损耗，常工作在临界导通模式即BCM模式，在此条件下，电路的电感电流波形如图1所示，控制示意图如图2所示，电感电流表达式为：

其中，V_ac是输入电压的有效值，θ是输入电压相频率，L_m是BOOST变换器升压电感感量，T_on为一个周期内的导通时间。

交流输入电流的表达式为：

从公式(2)中可以看出，在保持导通时间T_on恒定的情况下，输入电流为正弦波，可以得到较高的功率因数PF。

但在电路中，当出现较轻负载或者高压输入的情况时，电路工作频率急剧上升，此时电路中的各部分损耗增大，整体效率降低，并且还会造成比较严重的EMI。因此，在现有产品中，针对BOOST PFC的这个缺陷，可通过限频技术来限制电路的最高工作频率。但限频之后电感电流进入断续模式即DCM模式，电感电流波形图如图3所示，此时其平均电流的表达式为：

其中i_pk(θ)为随相频率变化的电感电流尖峰值，D＇＝(T_on+T_Don)/T_s，T_on为开关管的导通时间，T_Don为电感电流从峰值下降到零的时间，T_s为开关周期。

当BOOST PFC电路采用恒导通时间控制，根据开关管导通时间T_on和补偿信号V_comp、充放电电容C_ramp、电流源I_ramp之间的关系，可以得到如下等式：

将式(4)代入式(3)中可以得到：

其中，V_ac(θ)是随相频率变化的交流输入电压瞬时值，通过式(5)可以得到，电感平均电流，也就是输入交流电流，不再是一个完美的正弦波，而与D＇相关，波形如图4所示。可以看到，当电路由于限频进入DCM后，输入电流波形出现严重的畸变，PF急剧减小，此时会对相关电气设备带来一定的危害。

发明内容

针对上述提到的现有技术的不足，本发明提出一种多模式BOOST PFC控制器，可以使得电路工作在不同模式下时依旧保持较高的PF，而不受输入电压及负载的影响。

具体发明内容如下：一种多模式BOOST PFC控制器，包括环路调节模块、过零信号产生模块、电流断续区间检测模块、复位信号产生模块、限频模块、选频模块、驱动信号产生模块。

所述环路调节模块，包括基准电压源V_ref、误差放大器和补偿网络。用于接收反映BOOST PFC电路输出电压的反馈信号V_{o_FB}，并与基准电压源进行后，输出通过误差放大器和补偿网络产生的误差放大信号V_comp；

作为优选，所述反映BOOST PFC电路输出电压的反馈信号V_{o_FB}由输出电压经过分压电阻获得。

所述过零信号产生模块，用于接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD，产生电流过零信号ZCD1；

作为优选，所述反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号为BOOST PFC电感辅助绕组的输出信号。

所述电流断续区间检测模块，用于接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD和驱动脉冲信号V_GS，输出脉冲信号V_gd；所述脉冲信号V_gd的占空比为D＇，D＇＝(T_on+T_Don)/T_s，T_on为BOOST PFC电路开关管的导通时间，T_Don为BOOST PFC电路电感电流从峰值下降到零的时间，T_s为BOOST PFC电路开关管的开关周期。脉冲信号V_gd的低电平时间等于BOOST PFC电感电流断续区间时间，脉冲信号V_gd的频率与BOOST PFC电路工作频率相同；

作为优选，所述电流断续区间检测模块为RS触发器，RS触发器的置位端S接收驱动脉冲信号V_GS，复位端R接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD。利用驱动脉冲信号V_GS的上升沿作为置位信号，反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD的第一个上升沿作为复位信号，产生占空比为D＇的脉冲信号V_gd。

所述复位信号产生模块，用于接收环路调节模块输出的误差放大信号V_comp和电流断续区间检测模块输出的脉冲信号V_gd，输出复位信号V_rst；

作为优选，所述复位信号产生模块包括除法器、电流源、充电电容、放电开关和比较器。除法器的除数端接收环路调节模块输出信号V_comp，被除数端接收脉冲信号V_gd，输出端接比较器的负输入端；比较器的正输入端连接到电流源、充电电容和放电开关的一端，电流源、充电电容和放电开关的另一端连接到地；放电开关的控制端接收驱动脉冲信号V_GS的反相信号。环路调节模块的输出信号V_comp经除法器后输出补偿信号V_comp1，V_comp1＝V_comp/D＇；

作为优选，所述复位信号产生模块包括受控电流源、充电电容、放电开关和比较器。受控电流源的输入端接收脉冲信号V_gd，输出大小与V_gd的占空比D＇成正比的受控电流信号；环路调节模块的输出端接比较器的负输入端，比较器的正输入端连接到电流源、充电电容和放电开关的一端，受控电流源、充电电容和放电开关的另一端连接到地，放电开关的控制端接收驱动脉冲信号V_GS的反相信号。

作为优选，所述受控电流源包括电压源、开关S_a1和S_a2构成的开关网络、电阻R_a1和电容C_a1构成的低通滤波器、压控电流源，电压源的正端接开关S_a1的一端，开关S_a1的另一端接开关S_a2的一端和电阻R_a1的一端，电阻R_a1的另一端接电容C_a1的一端和压控电流源I_a的控制端，电压源的负端、开关S_a2的另一端、电容C_a1的另一端和压控电流源的负端接地，开关S_a1的控制端接收输入的脉冲信号，开关S_a2的控制端接收输入的脉冲信号的反相信号，压控电流源的正端接正输出端，压控电流源的负端接负输出端。

所述限频模块，用于接收驱动信号V_GS，产生限频脉冲信号V_fl；

作为优选，所述限频模块包括RS触发器和延时模块，RS触发器的置位端S接收驱动脉冲信号V_GS，复位端R接延时模块的输入端，延时模块的输出端接RS触发器的同相输出端Q，RS触发器的反相输出端

作为限频模块的输出端；

作为优选，所述限频模块输出的限频脉冲信号V_fl为一低电平时间固定的脉冲信号，低电平的起始时间为驱动脉冲信号V_GS的上升沿；

所述选频模块，用于接收电流过零信号ZCD1和限频脉冲信号V_fl，产生置位信号V_set；

作为优选，所述选频模块为一个与门；

所述驱动信号产生模块，用于接收复位信号V_rst和置位信号V_set，产生开关管的驱动脉冲信号V_GS。

作为优选，所述多模式BOOST PFC控制器还包括其它功能模块，如驱动能力增强模块、保护模块等；

本发明通过限频模块，限制电路的最高频率。使得BOOST PFC电路工作频率低于最高频率时，电路工作在BCM模式，而工作频率达到设定的最高频率时，电路进入DCM模式。进一步，采用电流断续区间检测模块和复位信号产生模块，使得BOOST PFC电路工作在DCM时，将式(5)中的D＇消除，使得BOOST PFC电感电流的平均值在DCM时可以表示为：

而当电路工作在BCM时，电感电流平均值同样满足式(6)。因此，本发明的控制器可以使得BOOST PFC电路在全范围内的电感平均电流(输入电流)完全正比于正弦波，从而获得较高的PF。

本发明具有以下有益效果：

结构简单，可以实现加入限频技术之后的BOOST PFC电路工作在BCM和DCM模式时，输入交流电流波形都高度近似于正弦波，保持较高的PF，有效降低输入电流谐波，提高电路的整体性能。

附图说明

图1为传统的BOOST PFC电路在临界导通模式下的电感电流波形；

图2为采用传统恒定导通时间控制的控制器框图与BOOST变换器构成的PFC装置示意图；

图3为传统的BOOST PFC电路在断续模式下的电感电流波形；

图4为传统的BOOST PFC电路在断续模式下的电感平均电流即输入交流电流的波形；

图5为本发明的多模式BOOST PFC控制器框图；

图6为实施例一的多模式BOOST PFC控制器；

图7为实施例一在断续模式工作时的主要波形；

图8为实施例二的多模式BOOST PFC控制器；

图9为实施例二的受控电流源；

图10为多模式BOOST PFC控制器与常规BOOST电路连接构成的PFC装置示意图。

具体实施方式

本文没有详细描述公知的实施方式和操作手段，以免混淆本发明的各种技术实施方案，但是，对本领域的技术人员而言，缺乏一个或者多个具体的细节或者组件，不影响对本发明的理解以及实施。

以下结合附图对本发明做详细的描述。通过对本发明具体实施例的描述，可以更加易于理解本发明的特征和细节。

实施例一：

图5所示为本发明的多模式BOOST PFC控制器框图。其中控制器100包括过零信号产生模块101、环路调节模块102、电流断续区间检测模块103、复位信号产生模块104、限频模块105、选频模块106和驱动脉冲产生模块107。

过零信号产生模块101，用于接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD，和产生电流过零信号ZCD1；

环路调节模块102，用于接收反映BOOST PFC电路输出电压的反馈信号V_{o_FB}，产生误差放大信号V_comp；

电流断续区间检测模块103，用于接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD和驱动脉冲信号V_GS，输出脉冲信号V_gd；脉冲信号V_gd的低电平时间与BOOST PFC电感电流断续区间时间相同，频率与BOOST PFC电路工作频率相同；

复位信号产生模块104，接收环路调节模块102输出的误差放大信号V_comp以及电流断续区间检测模块输出的脉冲信号V_gd，输出复位信号V_rst；

限频模块105，接收驱动信号V_GS，产生限频脉冲信号V_fl；

选频模块106，接收电流过零信号ZCD1和限频脉冲信号V_fl，产生置位信号V_set；

驱动信号产生模块，接收复位信号V_rst和置位信号V_set，产生开关管的驱动脉冲信号V_GS。

图6为本实施例的多模式BOOST PFC控制器电路图，如图6所示：过零复位信号产生模块101由运算放大器U₄、RS触发器U₅和延时模块Td1组成。其中运算放大器U₄的负输入端接收反映BOOST PFC电感电流i_L过零信息的主电路反馈信号ZCD，正输入端接地，输出端接RS触发器U₅的置位端S；RS触发器U₅的复位端R接延时模块Td1的输入端，同相输出端Q接延时模块Td1的输出端，同相输出端Q输出电流过零信号ZCD1。延时模块Td1的延时时间决定ZCD1信号的高电平脉冲宽度。

环路调节模块102由运算放大器U₁、基准电压源V_ref以及补偿网络1021组成，其中补偿网络1021包括电容C₂、电容C₃和电阻R₁。运算放大器U₁的负输入端接收反映BOOST PFC输出电压的信号V_{o_FB}，正输入端接基准电压源V_ref的正极，输出端接电容C₂的一端和电容C₃的一端；电容C₂的另一端接地，电容C₃的另一端接电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端接地。V_{o_FB}与基准电压源V_ref经运算放大器U₁与补偿网络1021的比较放大后，在运算放大器U1的输出端得到误差放大信号V_comp。

电流断续区间检测模块103包括RS触发器U₆。RS触发器U₆的置位端S接收驱动脉冲信号V_GS，复位端R接收反应BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD，同相输出端输出占空比为D＇的脉冲信号V_gd。

复位信号产生模块104包括除法器1041、电流源I_ramp、充电电容C_ramp、放电开关S₁和比较器U₂。除法器1041的除数端接收环路调节模块102的输出信号V_comp，被除数端接收脉冲信号V_gd，输出端输出补偿信号V_comp1并连接到比较器U₂的负输入端，V_comp1＝V_comp/D＇；比较器U₂的正输入端连接到电流源I_ramp、充电电容C_ramp和放电开关S₁的一端；电流源I_ramp、充电电容C_ramp和放电开关S₁的另一端连接到地；放电开关S₁的控制端接收驱动脉冲信号V_GS的反相信号。电流源I_ramp、充电电容C_ramp和放电开关S₁构成了斜坡信号产生电路，产生的斜坡信号V_RAMP与除法器1041的输出信号V_comp1经比较器U₂进行比较，产生控制信号V_rst。

限频模块105由RS触发器U₇和延时模块Td2组成。RS触发器U₇的置位端S接收驱动脉冲信号V_GS，复位端R接延时模块Td2的输入端，延时模块Td2的输出端接RS触发器U₇的同相输出端Q，RS触发器的反相输出端Q作为限频模块105的输出端输出限频脉冲信号V_fl，V_f1的低电平的起始时间为驱动脉冲信号V_GS的上升沿，低电平时间由延时模块Td2确定，延时模块Td2的延时时间由最大限制频率f_smax决定，其数值关系式近似满足：Td2＝1/f_smax。

选频模块106为逻辑与门U₈。逻辑与门U₈的一个输入端接收限频模块105输出的限频脉冲信号V_fl，另一个输入端接收电流过零信号ZCD1，输出端输出置位信号V_set。

驱动信号产生模块107为RS触发器U₃，其S端接收选频模块106的输出信号V_set，R端接收复位信号产生模块104的输出信号V_rst，正向输出端Q产生驱动脉冲信号V_GS。

将V_comp1的表达式代入公式(5)，可得：

由公式(7)可知，本实施例的BOOST PFC电路工作在DCM模式时，电感电流平均值为纯正弦，可以获得较高的功率因数。图7展示了在DCM模式时，主要信号的波形。

本实施例的BOOST PFC电路工作在BCM模式时，V_gd一直为高电平，在逻辑中视为“1”，因此V_comp1＝V_comp，维持原值不变，工作在BCM时同样维持较高的功率因数。

实施例二：

图8所示为基于实施例一进行改进的多模式BOOST PFC控制器电路图。除复位信号产生模块以外，其他部分完全相同。

如图8所示，复位信号产生模块104由受控电流源I_s、比较器U₂、充电电容C_ramp和放电开关S₁组成。受控电流源I_s的输入端接收脉冲信号V_gd，输出与V_gd的占空比D'成正比的受控电流信号I′_ramp，即I′_ramp＝I_s·D'；环路调节模块输出信号V_comp接比较器U₂的负输入端，比较器U₂的正输入端连接到受控电流源I_s、充电电容C_ramp和放电开关S₁的一端，受控电流源I_s、充电电容C_ramp和放电开关S₁的另一端连接到地；放电开关S₁的控制端接收驱动脉冲信号V_GS的反相信号。受控电流源I_s、充电电容C_ramp和放电开关S₁构成了斜坡信号产生电路，其输出信号V_ramp与环路调节模块102的输出信号V_comp通过比较器U₂进行比较，产生控制信号V_rst。

将I′_ramp带入到公式(5)可得：

由公式(8)可知，本实施例的BOOST PFC电路工作在DCM模式时，电感电流平均值为纯正弦，因此可以获得较高的功率因数。

本实施例的BOOST PFC电路工作在BCM模式时，V_gd一直为高电平，在逻辑中视为“1”，因此I′_ramp＝I_s，BCM工作时同样维持较高的PF。

图9所示为本实施例中的受控电流源I_S，包括电压源U_s、开关S_a1和S_a2构成的开关网络901、电阻R_a1和电容C_a1构成的低通滤波器902和压控电流源I_a；电压源U_s的正端接开关S_a1的一端，开关S_a1的另一端接开关S_a2的一端和电阻R_a1的一端，电阻R_a1的另一端接电容C_a1的一端和压控电流源I_a的控制端，电压源U_s的负端、开关S_a2的另一端、电容C_a的另一端和压控电流源I_a的负端接地，开关S_a1的控制端接收输入的脉冲信号，开关S_a2的控制端接收输入的脉冲信号经反相器U_a后的反相信号，压控电流源I_a的正端接正输出端，负端接负输出端。

其中，压控电流源I_a作为本专业领域常用的器件，有多种常规的实现方式，这里不再详细描述。

本发明所述实施例中环路调节模块102的运算放大器U1也可以采用电压型运算放大器，补偿网络1021一端接运算放大器的负输入端，另一端接运算放大器输出。

图10为本发明的多模式BOOST PFC控制器与常规的BOOST电路连接构成的PFC校正装置。其中，多模式BOOST PFC控制器ZCD输入信号来自于BOOST电路电感的辅助绕组的异名端输出，BOOST电路电感的辅助绕组的同名端接地。

本发明的多模式BOOST PFC控制器的ZCD输入信号也可以通过直接检测BOOST电路的电感电流或者检测开关管的漏源之间绕组获得，这里不再详述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：其中多模式BOOST PFC控制器包括环路调节模块、过零信号产生模块、电流断续区间检测模块、复位信号产生模块、限频模块、选频模块、驱动信号产生模块；

所述环路调节模块，包括基准电压源V_ref、误差放大器和补偿网络；用于接收反映BOOSTPFC电路输出电压的反馈信号V_{o_FB}，并与基准电压源进行后，输出通过误差放大器和补偿网络产生的误差放大信号V_comp；

所述过零信号产生模块，用于接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD，产生电流过零信号ZCD1；

所述电流断续区间检测模块，用于接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD和驱动脉冲信号V_GS，输出脉冲信号V_gd；所述脉冲信号V_gd的占空比为D＇，D＇＝(T_on+T_Don)/T_s，T_on为BOOST PFC电路开关管的导通时间，T_Don为Boost PFC电路电感电流从峰值下降到零的时间，T_s为BOOST PFC电路开关管的开关周期；脉冲信号V_gd的低电平时间等于BOOST PFC电感电流断续区间时间，脉冲信号V_gd的频率与BOOST PFC电路工作频率相同；

所述复位信号产生模块，用于接收环路调节模块输出的误差放大信号V_comp和电流断续区间检测模块输出的脉冲信号V_gd，输出复位信号V_rst；

所述限频模块，用于接收驱动信号V_GS，产生限频脉冲信号V_fl；

所述选频模块，用于接收电流过零信号ZCD1和限频脉冲信号V_fl，产生置位信号V_set；

所述驱动信号产生模块，用于接收复位信号V_rst和置位信号V_set，产生开关管的驱动脉冲信号V_GS。

2.如权利要求1所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述反映BOOST PFC电路输出电压的反馈信号V_{o_FB}由输出电压经过分压电阻获得。

3.如权利要求1所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号为BOOST PFC电感辅助绕组的输出信号。

4.如权利要求1所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述电流断续区间检测模块为RS触发器；RS触发器的置位端S接收驱动脉冲信号V_GS，复位端R接收反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD；利用驱动脉冲信号V_GS的上升沿作为置位信号，反映BOOST PFC电感电流过零信息的主电路反馈信号ZCD的第一个上升沿作为复位信号，产生占空比为D＇的脉冲信号V_gd。

5.如权利要求1所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述复位信号产生模块包括除法器、电流源、充电电容、放电开关和比较器；除法器的除数端接收环路调节模块输出信号V_comp，被除数端接收脉冲信号V_gd，除法器输出端接比较器的负输入端；比较器的正输入端连接到电流源、充电电容和放电开关的一端，电流源、充电电容和放电开关的另一端连接到地；放电开关的控制端接收驱动脉冲信号V_GS的反相信号；环路调节模块的输出信号V_comp经除法器后输出补偿信号V_comp1，V_comp1＝V_comp/D＇。

6.如权利要求1所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述复位信号产生模块包括受控电流源、充电电容、放电开关和比较器；受控电流源的输入端接收脉冲信号V_gd，输出大小与V_gd的占空比D＇成正比的受控电流信号；环路调节模块的输出端接比较器的负输入端，比较器的正输入端连接到电流源、充电电容和放电开关的一端，受控电流源、充电电容和放电开关的另一端连接到地，放电开关的控制端接收驱动脉冲信号V_GS的反相信号。

7.如权利要求1所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述限频模块包括RS触发器和延时模块，RS触发器的置位端S接收驱动脉冲信号V_GS，复位端R接延时模块的输入端，延时模块的输出端接RS触发器的同相输出端Q，RS触发器的反相输出端

作为限频模块的输出端；输出的限频脉冲信号V_fl为一低电平时间固定的脉冲信号，低电平的起始时间为驱动脉冲信号V_GS的上升沿。

8.如权利要求1所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述选频模块为一个与门。

9.如权利要求6所述一种多模式BOOST PFC控制器，其特征在于：所述受控电流源包括电压源、开关S_a1和S_a2构成的开关网络、电阻R_a1和电容C_a1构成的低通滤波器、压控电流源，电压源的正端接开关S_a1的一端，开关S_a1的另一端接开关S_a2的一端和电阻R_a1的一端，电阻R_a1的另一端接电容C_a1的一端和压控电流源I_a的控制端，电压源的负端、开关S_a2的另一端、电容C_a1的另一端和压控电流源的负端接地，开关S_a1的控制端接收输入的脉冲信号，开关S_a2的控制端接收输入的脉冲信号的反相信号，压控电流源的正端作为受控电流源的正输出端，压控电流源的负端作为受控电流源的负输出端。

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