CN112165247A - 一种无桥pfc电路的零电流采样方法及其电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无桥PFC电路的零电流检测方法及其电路，本发明利用检测绕组耦合到无桥PFC电路的电感，产生感应电压，再通过绕组和电阻设置，产生两个中点，取一中点为ZCD触发信号检测点，取另一中点为ZCD触发信号检测点的参考地，ZCD触发信号检测点和参考地之间的电压为零电流检测所需的ZCD触发信号：电感去磁时，通过开关器件控制ZCD触发信号检测点和另一中点无电流经过，使导通的开关器件和其对应电阻处于浮地状态；电感激磁时，通过开关器件控制ZCD触发信号检测点和另一中点的电压值相等。利用本发明方法或电路能实现对无桥PFC电路的电感的零电流检测，进而完成对无桥PFC电路的控制，并且本发明电路结构简单、成本低、信号处理简单。

Description

一种无桥PFC电路的零电流采样方法及其电路
技术领域
本发明涉及无桥PFC电路领域，更具体地，涉及零电流检测方法及其电路。
背景技术
有源功率因素校正(APFC，ActivePowerFactorCorrection)在通信电源中应用广泛，APFC的控制中需要对交流输入电流进行采样。目前无桥PFC电路结构减少了整流桥，使得系统损耗显著降低、效率上显著提升，因而受到广泛的关注。但在无桥PFC电路，特别是图腾柱无桥PFC电路中，直接进行电感零电流检测比较困难，目前尚无比较简单、方便和有效的对无桥PFC电路的零电流进行采样的方案。
为解决这个难点广大研究者发明了诸如以下专利：
公开号为US9189004B2的专利公开了一种PFC电路中使用的控制电路、控制方法及其电源系统，其中的信号转换电路如图1所示(来源于该专利附图9)，信号转换电路包括：
第一模拟开关，其具有：第七电阻器，第七电阻器的一端连接到第三辅助绕组的第一端；第九二极管，第九二极管的阳极连接至第七电阻的另一端，第九二极管的阴极连接至信号转换电路的输出端，以输出模拟信号；第七开关，第七开关的第一端连接至第七电阻的另一端和第九二极管的阳极，第七开关的第二端连接至接地端，第七开关的控制端用于接收第二数字信号；
第二模拟开关，具有：第八电阻，第八电阻的一端连接至第三辅助绕组的第二端；第十二极管，第十二极管的阳极连接至第八电阻的另一端，第十二极管的阴极连接至信号转换电路的输出端，以输出模拟信号；第八开关，第八开关的第一端连接至第八电阻的另一端和第十二极管的阳极，第八开关的第二端连接至接地端，第八开关的控制端用于接收第一数字信号；第十二极管的阴极连接至信号转换电路的输出端，以输出模拟信号；第八开关，第八开关的第一端连接至第八电阻的另一端和第十二极管的阳极，第八开关的第二端连接至接地端，第八开关的控制端用于接收第一数字信号；第十二极管的阴极连接至信号转换电路的输出端，以输出模拟信号；第八开关，第八开关的第一端连接至第八电阻的另一端和第十二极管的阳极，第八开关的第二端连接至接地端，第八开关的控制端用于接收第一数字信号。
该专利方案是通过第七、第八开关管的工频互补切换，再通过第九、第十二极管的反向截止功能来进行零电流检测，该方案存在一个非常重要的缺陷，就是VZCD(零电流检测信号)电压由于二极管的存在会下降得非常慢，会引起检测延时，使电源系统工作在DCM(断续模式)状态，峰值电流大，效率差。详细解释如下：
当电路处于负半工频周期时，第七开关关断，第八开关导通。且当电感去磁完成后，VAUX1上的电压快速下降到0V，VZCD处的电压由于第九二极管的存在而不能通过第七电阻、第三辅助绕组、第八绕组进行放电，且由于控制芯片内部的ZCD检测引脚会存在一定大小的寄生电容，VZCD电压的下降速度非常慢，会引起检测延时，使电源系统工作在断续工作状态，峰值电流大，效率差。而如果通过减小第九电阻的阻抗来加速VZCD电压的下降，又需要将第七电阻和第八电阻的阻抗等比减小，以满足全范围输入电压的情况下，电感去磁未完成前VZCD电压需要足够高，以免误触发零电流检测的要求，所以电阻等比减小后，其损耗又会增加。
当电路处于正半工频周期时，情形类似，不作重复说明。
公开号为US9899909B2的专利公开了一种图腾柱无桥功率因数校正(PFC)软开关控制装置和方法，如图2a、图2b、图2c所示(分别来源于该专利附图4、附图7、附图8)，从其附图中可以直观看出，该专利方案需要至少三个逻辑门器件和一个比较器，硬件电路复杂，电子元器件较多，成本也会比较高。
如上分析，目前实现无桥PFC电路中的零电流检测电路，都还是存在一定的缺陷的。
发明内容
有鉴如此，本发明要解决的技术问题是，针对上述缺陷，提出一种无桥PFC电路的零电流检测方法及其电路，以解决现有技术中存在的问题，提出的电路结构简单、成本低。
为解决上述技术问题，本发明提出的无桥PFC电路的零电流检测电路的技术方案如下：
一种无桥PFC电路的零电流检测方法，利用检测绕组耦合到PFC电路的电感的磁芯，从而产生感应电压；通过绕组和电阻设置，产生两个中点，取一中点为ZCD触发信号检测点，取另一中点为ZCD触发信号检测点的参考地，ZCD触发信号检测点和参考地之间的电压为零电流检测所需的ZCD触发信号：
电感去磁时，通过开关器件控制ZCD触发信号检测点和另一中点无电流经过，使导通的开关器件和与其连接的电阻处于浮地状态；电感激磁时，通过开关器件控制ZCD触发信号检测点和另一中点的电压值相等。
优选地，开关器件为串联的两个半导体开关器件。
优选地，串联的两个半导体开关器件由一对工频互补的驱动信号驱动。
本发明还提供一种无桥PFC电路的零电流检测电路，包括第一检测绕组Ns1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第三开关管Q3、第四开关管Q4；第一检测绕组Ns1耦合到无桥PFC电路的电感，第一检测绕组Ns1的同名端分别连接第一电阻R1的第一端和第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端和第四电阻R4的第二端相连得到ZCD触发信号检测点，第一电阻R1的第二端连接至第三开关管Q3的漏极，第三开关管Q3的源极和第四开关管Q4的源极都连接至参考地，第四开关管的漏极连接至第二电阻R2的第一端，第一检测绕组Ns1的异名端分别连接第二电阻的第二端和第四电阻的第一端。
优选地，第三开关管Q3的栅极驱动信号和第四开关管Q4的栅极驱动信号工频互补。
优选地，第一电阻R1和第二电阻R2，阻值相等。
优选地，第三电阻R3和第四电阻R4，阻值相等。
本发明的工作原理结合具体的实施例进行详细说明，在此不赘述，本发明的有益效果具体如下：
1、本发明的无桥PFC电路的零电流检测电路通过两个工频互补导通的开关管及若干电阻器就能完成对电感零电流的检测，Uzcd(零电流检测信号)电压信号下降时响应速度快，电路方案简单；
2、本发明的无桥PFC电路的零电流检测电路比之现有技术方案的产品成本更低，控制更加简单，可靠性更高。
附图说明
图1为现有无桥PFC电路的零电流检测电路的电路原理图；
图2a为现有无桥PFC电路的零电流检测电路的电路原理图；
图2b为现有无桥PFC电路的零电流检测电路的电路原理图；
图2c为现有无桥PFC电路的零电流检测电路的电路原理图；
图3为本发明电路应用于图腾柱PFC电路的原理图；
图4为本发明第一实施例无桥PFC电路的零电流检测电路的应用原理图；
图5A为本发明第一实施例处于AC正相输入、电感去磁时的电流路径示意图；
图5B为本发明第一实施例处于AC正相输入、电感激磁时的电流路径示意图；
图6A为本发明第一实施例处于AC负相输入、电感去磁时的电流路径示意图；
图6B为本发明第一实施例处于AC负相输入、电感激磁时的电流路径示意图；
图7为本发明第一实施例无桥PFC电路的零电流检测电路的波形示意图。
具体实施方式
本发明电路的构思是，通过一个检测绕组耦合到无桥PFC电路的电感的磁芯，从而产生感应电压，接着利用一对工频互补的驱动信号进一步对检测绕组的感应电压进行相应处理，然后得到零电流检测所需的ZCD触发信号，从而完成无桥PFC电路的零电流控制。
如图3所示，为本发明电路应用于某一种无桥PFC电路的原理图，此无桥PFC电路为现有的图腾柱PFC电路，现有的图腾柱PFC电路包括电感L1、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一整流管D1、第二整流管D2、输出电容Co。电感L1的第一端用于连接交流输入源AC的第一端，电感L1的第二端同时连接第一开关管Q1的第一端和第二开关管Q2的第二端，第一开关管Q1的第二端同时连接输出电容Co的负端和第一整流管D1的阳极，第二开关管Q2的第一端同时连接输出电容Co的正端和第二整流管D2的阴极，交流输入源AC的第二端同时连接第一整流管D1的阴极和第二整流管D2的阳极。本发明电路通过检测绕组耦合到电感L1，如发明构思所述进行工作。
为了使本发明更加清楚明白，以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行更加清楚、完整地描述。
第一实施例
本发明第一实施例无桥PFC电路的零电流检测电路的应用原理图如图4所示，采用一个检测绕组耦接至电感L1的磁芯上，通过其产生的感应电压来实现零电流检测。第一实施例无桥PFC电路的零电流检测电路包括：第一检测绕组Ns1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第三开关管Q3和第四开关管Q4。其连接关系是：第一检测绕组Ns1的第一端分别连接第一电阻R1的第一端和第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端和第四电阻R4的第二端相连得到ZCD触发信号检测点，第一电阻R1的第二端连接至第三开关管Q3的漏极，第三开关管Q3的源极和第四开关管Q4的源极都连接至参考地，第四开关管的漏极连接至第二电阻R2的第一端，第一检测绕组Ns1的第二端分别连接第二电阻的第二端和第四电阻的第一端。第一检测绕组Ns1的第一端和电感L1的第二端为同名端。第三开关管Q3和第四开关管Q4的栅极驱动信号为工频互补的驱动信号。第一电阻R1和第二电阻R2，第三电阻R3和第四电阻R4，阻值相等。
结合图3，本发明第一实施例无桥PFC电路的零电流检测电路的工作原理如下：
交流输入源AC工作在工频正半周期：第三开关管Q3的栅极驱动为低电平，第四开关管Q4的栅极驱动为高电平。此时，
当电感L1去磁时，第一检测绕组Ns1产生正压Us1＝(Vout-Vin)*Ns1/Np，第三开关管Q3体二极管承受正偏电压(Us1)而截止，第一电阻R1、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第二电阻R2上无电流经过，第四开关管Q4和第二电阻R2处于浮地状态，第一检测绕组Ns1通过串联连接的第三电阻R3和第四电阻R4产生电流回路，第二电阻R2上无电流回路，其电压为0V，ZCD信号检测通过第三电阻R3和第四电阻R4分压来进行，所以ZCD触发信号检测点处电压Uzcd＝Us1/2＝(Vout-Vin)*Ns1/(Np*2)，其电流路径示意图如图5A所示，当电感L1去磁完成、电感电流下降到0A时，ZCD触发信号检测点的电压快速下降到0V，可通过Uzcd信号来进行零电流检测，进而完成对无桥PFC电路的控制。
当电感L1激磁时，第一检测绕组Ns1产生负压-Us1＝-Vin*Ns1/Np，第三开关管Q3体二极管导通，第一电阻R1和第二电阻R2通过第三开关管Q3的体二极管和第四开关管Q4串联，第三电阻R3和第四电阻R4串联，第一检测绕组Ns1通过两组串联的电阻产生电流回路，其电流路径示意图如图5B所示，由于第一电阻R1和第二电阻R2阻值相等，第三电阻R3和第四电阻R4阻值相等，所以两组串联电阻电流回路的中点电压相等，此时Uzcd＝0V。
交流输入源AC工作在工频负半周期：第三开关Q3的栅极驱动为高电平，第四开关管Q4的栅极驱动为低电平。此时，
当电感L1去磁时，第一检测绕组Ns1产生负压-Us1＝-(Vout-Vin)*Ns1/Np，第四开关管Q4体二极管承受正偏电压(Us1)而截止，第四开关管Q4、第二电阻R2、第三开关管Q3和第一电阻R1上无电流流过，第三开关管Q3和第一电阻R1处于浮地状态，第一检测绕组Ns1通过串联连接的第三电阻R3和第四电阻R4产生电流回路，第一电阻R1无电流回路，其电压为0V，ZCD信号检测通过第三电阻R3和第四电阻R4分压来进行，所以ZCD触发信号检测点处电压Uzcd＝Us1/2＝(Vout-Vin)*Ns1/(Np*2)，其电流路径示意图如图6A所示，当电感L1去磁完成、电感电流下降到0A时，ZCD触发信号检测点的电压快速下降到0V，可通过Uzcd信号来进行零电流检测，进而完成对无桥PFC电路的控制。
当电感L1激磁时，第一检测绕组Ns1产生正压Us1＝Vin*Ns1/Np，第四开关管Q4体二极管导通，第一电阻R1和第二电阻R2通过第三开关管Q3和第四开关管Q4的体二极管串联，第三电阻R3和第四电阻R4串联，第一检测绕组Ns1通过两组串联的电阻产生电流回路，其电流路径示意图如图6B所示，由于第一电阻R1和第二电阻R2阻值相等，第三电阻R3和第四电阻R4阻值相等，所以两组串联电阻电流回路的中点电压相等，此时Uzcd＝0V。
由上述工作模态可知，本发明第一实施例无桥PFC电路的零电流检测电路只需要两路工频互补的驱动信号，就能实现对无桥PFC电路的整个工频周期内的零电流检测，无需额外的信号处理电路，电路简单、可靠、成本低，零电流检测迅速、无延时。
本发明第一实施例无桥PFC零电流检测电路在交流输入源AC工作在工频正半周期时的单个高频开关周期的工作波形图如图7所示，其中第一开关管Q1的栅极驱动波形为Ugs_Q1，第一开关管Q1的漏极对地的波形为Uds_Q1，流过电感L1的电流波形为IL_L1，电感L1两端的电压波形为Up_L1，第一检测绕组两端的电压波形为Us1，ZCD触发信号检测点的电压波形为Uzcd。从图7中可以看出：
当Ugs_Q1从高电平转变为低电平时，第一开关管Q1关断，电感开始去磁，第三开关管Q3体二极管截止，第四开关管Q4和第二电阻R2处于浮地状态，电感电流IL_L1线性下降到0A，去磁完成，电感L1两端电压Up_L1迅速下降到0V，第一检测绕组两端的电压Us1也跟随着迅速下降到0V，此时Uzcd信号也快速下降到0V，通过Uzcd电平的变化，可以完成电感的零电流检测功能，再延时td(延时时间)后，重新开通第一开关管Q1，完成无桥PFC控制。在td时刻内，Up_L1下降到0V后第一检测绕组两端电压Us1转换为负压，此时第三开关管Q3体二极管开通，第一电阻R1和第二电阻R2通过第三开关管Q3的体二极管和第四开关管Q4串联，第三电阻R3和第四电阻R4串联，第一检测绕组Ns1通过两组串联的电阻产生电流回路，由于第一电阻R1和第二电阻R2阻值相等，第三电阻R3和第四电阻R4阻值相等，所以两组串联电阻电流回路的中点电压相等，所以在td时刻内，Uzcd＝0V。
当Ugs_Q1从低电平转变为高电平时，第一开关管Q1开通，电感开始激磁，第一检测绕组两端电压Us1转换为负压，此时第三开关管Q3体二极管开通，第一电阻R1和第二电阻R2通过第三开关管Q3的体二极管和第四开关管Q4串联，第三电阻R3和第四电阻R4串联，第一检测绕组Ns1通过两组串联的电阻产生电流回路，由于第一电阻R1和第二电阻R2阻值相等，第三电阻R3和第四电阻R4阻值相等，所以两组串联电阻电流回路的中点电压相等，所以在激磁阶段刻内，Uzcd＝0V。
从上述单个高频开关周期的分析可以看出，本发明专利的电路方案简单，控制方法简单，成本低，且Uzcd电压下降迅速，是一种非常好的零电流检测方案。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优先方案中的开关管还可以是MOS管、IGBT、SiCMOS或GaN，以及其他可以实现本发明电路控制的半导体开关器件。上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。本发明电路还可适用于多种无桥PFC电路中，并不限于图腾柱PFC电路。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干等同变换、改进和润饰，这些等同变换、改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种无桥PFC电路的零电流检测方法，其特征在于：
利用检测绕组耦合到PFC电路的电感的磁芯，从而产生感应电压；
通过绕组和电阻设置，产生两个中点，取一中点为ZCD触发信号检测点，取另一中点为ZCD触发信号检测点的参考地，ZCD触发信号检测点和参考地之间的电压为零电流检测所需的ZCD触发信号：
电感去磁时，通过开关器件控制ZCD触发信号检测点和另一中点无电流经过，使导通的开关器件和与其连接的电阻处于浮地状态；电感激磁时，通过开关器件控制ZCD触发信号检测点和另一中点的电压值相等。
2.根据权利要求1所述的无桥PFC电路的零电流检测方法，其特征在于：所述的开关器件为串联的两个半导体开关器件。
3.根据权利要求2所述的无桥PFC电路的零电流检测方法，其特征在于：所述的串联的两个半导体开关器件由一对工频互补的驱动信号驱动。
4.一种无桥PFC电路的零电流检测电路，其特征在于：包括第一检测绕组Ns1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第三开关管Q3、第四开关管Q4；
第一检测绕组Ns1耦合到无桥PFC电路的电感，第一检测绕组Ns1的同名端分别连接第一电阻R1的第一端和第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端和第四电阻R4的第二端相连得到ZCD触发信号检测点，第一电阻R1的第二端连接至第三开关管Q3的漏极，第三开关管Q3的源极和第四开关管Q4的源极都连接至参考地，第四开关管的漏极连接至第二电阻R2的第一端，第一检测绕组Ns1的异名端分别连接第二电阻的第二端和第四电阻的第一端。
5.根据权利要求4所述的无桥PFC电路的零电流检测电路，其特征在于：所述的第三开关管Q3的栅极驱动信号和第四开关管Q4的栅极驱动信号工频互补。
6.根据权利要求4所述的无桥PFC电路的零电流检测电路，其特征在于：所述的第一电阻R1和第二电阻R2，阻值相等。
7.根据权利要求4所述的无桥PFC电路的零电流检测电路，其特征在于：所述的第三电阻R3和第四电阻R4，阻值相等。
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