CN113162391A - 降低图腾柱pfc电路中工频尖刺的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，包括如下步骤：在交流输入电压过零时设置有维持设定时间的死区；死区结束后，所述低频开关桥臂上的一个开关管过零启动，且控制该低频开关管实现完全导通的速度，使该低频开关管在其有效的驱动电平到来后在设定的导通时间内实现完全导通；所述高频开关桥臂上的高频开关管的开始软启动，通过设定个数的高频开关周期，得到高频开关管的驱动信号的占空比，并使所述高频开关桥臂上的两个高频开关管进入同步模式。实施本发明的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，具有以下有益效果：其工频尖刺较低、容易实现。

Description

降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法
技术领域
本发明涉及电力电子学领域，更具体地说，涉及一种降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法。
背景技术
图腾柱PFC电路因采用SIC或者GAN器件作为高频开关管，硅MOS作为低频开关管替代工频整流二极管以适应交流输入的正负半周转换，所以其传输损耗较小，转换效率高，在中大功率AC/DC应用场合普遍使用。但是，现有的图腾柱PFC电路，实际应用中在交流过零的时候，容易产生工频尖刺，这种工频尖刺不仅影响输入电流THD，在母线上也会产生尖刺电压；后级DC/DC通常没有办法处理或很难处理这类工频尖刺，导致低压输出端也存在工频尖刺，影响设备使用。现有的图腾柱PFC电路中产生工频尖刺的原因非常复杂，但其主要原因在于：在交流输入的正负半周切换时，低频开关桥臂的中点电平由于两个低频开关管的切换，在0V和较高电压(例如400V)之间切换，且切换速度很快；这种情况产生很强的工频尖刺。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述工频尖刺较强的缺陷，提供一种降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，所述图腾柱PFC电路包括低频开关桥臂和高频开关桥臂；所述低频开关桥臂用于改变所述图腾柱PFC电路中储能电感和储能电容与输入电压端的连接关系以适应所述图腾柱电路的输入电压的正负半周转换；所述高频开关桥臂用于改变所述输入电压端、储能电感和储能电容之间的连接关系以实现储能电感的充电和所述储能电感对所述储能电容放电；所述方法包括如下步骤：
在交流输入电压过零时设置有维持第一设定时间的死区；在所述死区中，不输出所述高频开关桥臂和低频开关桥臂上的开关管的驱动信号，使其均不导通；
死区结束后，所述高频开关桥臂上的一个高频开关管的开始软启动，通过设定个数的高频开关周期，得到高频开关管的驱动信号的当前占空比，并使所述高频开关桥臂上的两个高频开关管进入同步模式；
所述低频开关桥臂上的一个开关管过零启动，且控制该低频开关管实现完全导通的速度，使该低频开关管在其有效的驱动电平到来后在第二设定时间内实现完全导通。
更进一步地，所述低频开关桥臂包括两个低频开关管，所述两个低频开关管通过各自的一个开关端连接，所述两个低频开关管未连接的两个开关端分别形成所述低频开关桥臂的两端，连接的两个开关端为所述低频开关桥臂的中点。
更进一步地，所述低频开关管包括场效应管，一个所述场效应管的源极和另一个所述场效应管的漏极连接得到所述低频开关桥臂的中点；通过在所述低频开关管的漏极和栅极之间并接一个设定容值的电容来实现对其完全导通的时间或第二设定时间的控制。
更进一步地，通过在所述低频开关管的栅极上串联一个电阻，使得所述电阻和所述延迟电容配合，调节所述第二设定时间的范围。
更进一步地，所述高频开关桥臂上的高频开关管通过逐步增加该高频开关管的导通时间实现软启动。
更进一步地，所述高频开关桥臂上的高频开关管的软启动包括：
一个高频开关管以最小的占空比开始导通，并在其后的设定数量个高频开关周期中，均匀加大上述占空比；
同时，计算得到高频开关驱动信号的环路计算占空比D；
使得所述高频开关桥臂上的两个高频开关管进入同步模式。
更进一步地，所述同步模式包括一个高频开关管的驱动信号的当前占空比为环路计算占空比D，另一个高频开关管的驱动信号的当前占空比为1-D。
更进一步地，所述高频开关支路包括两个高频开关管，一个高频开关管的一个开关端和另一个高频开关管的开关端相互连接形成高频开关桥臂的中点，所述高频开关桥臂的中点和所述储能电感的一端连接，一个高频开关管的另一个开关端和所述储能电容的正端连接，另一个高频开关管的另一个开关端和所述储能电容的负端连接；与所述储能电容正端连接的高频开关管为高频开关上管，与所述储能电感负端连接的高频开关管为高频开关下管。
更进一步地，交流输入电压由其正半周向负半周过零转换时，所述高频开关上管以最小占空比导通，并使得所述高频开关下管进入同步模式；交流输入电压由其负半周向正半周过零转换时，所述高频开关下管以最小占空比导通，并使得所述高频开关上管进入同步模式。
更进一步地，所述死区的维持时间包括四个高频开关周期，所述高频开关管的软启动时间包括9个高频开关周期。
实施本发明的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，具有以下有益效果：由于在交流输入电压过零时设置有死区，且在低频开关管过零切换时，使得导通的低频开关管在设定的时间内才实现完全导通，即加大了导通的低频开关管的导通时间，使得低频桥臂的中间电平变化缓慢，0-400V之间的转换时间控制在100us以内，不会产生很强的dv/dt干扰；更为具体的是，上述转换时间可以通过调节低频开关管外部并联的电容以及驱动电阻(低频开关管栅极串联的电阻)的参数来实现；而对于高频开关上下管，则分别引入软启动策略，通常在5-10个高频开关周期内达到环路计算的占空比。于是，通过对高频开关周期的选择或设置，加上对低频桥臂的中间电平(中点电平)的变化速度的控制，能够明显抑制各种条件下产生的工频尖刺，降低电流的THD；而由于死区时间可控，能够获得很好的过流电流波形，进一步提高THD；此外，整个方案易于实现。所以，其工频尖刺较低、容易实现。
附图说明
图1是本发明降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法实施例的方法流程图；
图2是所述实施例中图腾柱PFC电路的逻辑框图；
图3是所述实施例低频开关管的驱动信号和输入交流电压的波形图；
图4是所述实施例中高频开关管同步状态下驱动波形示意图；
图5是所述实施例中一种情况下高频开关管的软启动阶段驱动波形的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。
如图2所示，在本发明的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法实施例中，所述图腾柱PFC电路包括低频开关桥臂和高频开关桥臂；所述低频开关桥臂用于改变所述图腾柱PFC电路中储能电感和储能电容与输入电压端的连接关系以适应所述图腾柱电路的输入电压的正负半周转换；所述高频开关桥臂用于改变所述输入电压端、储能电感L和储能电容Co之间的连接关系，以实现储能电感L的充电和所述储能电感L对所述储能电容Co放电；如图1所示，所述低频开关桥臂包括两个低频开关管(Q1、Q2)，所述两个低频开关管通过各自的一个开关端(Q1的源极和Q2的漏极)相互连接，所述两个低频开关管未连接的两个开关端(Q1的漏极和Q2的源极)分别形成所述低频开关桥臂的两端，上述连接的两个开关端(Q1的源极和Q2的漏极)为所述低频开关桥臂的中点；所述高频开关支路包括两个高频开关管(Q3和Q4)，一个高频开关管的一个开关端和另一个高频开关管的开关端相互连接形成高频开关桥臂的中点(图1中Q3的源极和Q4的漏极相互连接处)，所述高频开关桥臂的中点和所述储能电感L的一端连接，一个高频开关管(Q3)的另一个开关端(Q3的漏极)和所述储能电容Co的正端连接，另一个高频开关管(Q4)的另一个开关端(Q4的源极)和所述储能电容Co的负端连接；与所述储能电容Co正端连接的高频开关管(Q3)为高频开关上管，与所述储能电容Co负端连接的高频开关管(Q4)为高频开关下管。
图1示出了本实施例中降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法的具体步骤，包括：
步骤S11交流输入电压过零时设置死区：在本步骤中，在交流输入电压过零时设置有维持设定时间的死区(Dead Time)；所述死区中，不输出所述高频开关桥臂和低频开关桥臂上的开关管的驱动信号，使其均不导通；更具体来讲，交流输入过零可以分为由正半周向负半周转换时过零和由负半周向正半周转换时过零，任何一种情况下，都会涉及低频开关管的状态切换，也涉及低频开关管的状态切换后高频开关管的状态建立和切换，所以，在上述两种过零情况下，都需要设置死区，等待低频开关管的反向特性恢复，以稳定电路状态，保证开关管不会因为反向恢复较慢而出现同时导通的情况。在本实施例中，上述死区的持续时间为第一设定时间，该第一设定时间是事先设定的，其实现也较为简单，使得控制单元或者驱动信号产生单元在该时间段内不输出任何开关管的驱动信号即可。
步骤S12一个低频开关管进行设定时间内完全导通的过零启动：当上述死区结束后，控制单元输出控制信号，使得所述低频开关桥臂上的一个开关管过零启动，且控制该低频开关管实现完全导通的速度，使该低频开关管在其有效的驱动电平到来后在设定的导通时间内实现完全导通；在本步骤中，对于上述由正半周过零和由负半周过零的情况而言，进行过零启动的低频开关管不同；例如，由正半周过零时，进行软启动的低频开关管是负半周导通的低频开关管，即图2中的Q1；而由负半周过零时，本步骤中进行软启动的低频开关管是正半周导通的低频开关管，即图2中的Q2。但不管是哪种情况，当死区时间过后，都会进行低频开关管过零启动，在该过零启动中，该低频开关管由截止到完全导通的时间可控，使得其延续设定的时间，即第二设定时间。具体来讲，在本实施例中，所述低频开关管包括场效应管，一个所述场效应管(例如，图2中的Q1)的源极和另一个所述场效应管(例如，图2中的Q2)的漏极连接，得到所述低频开关桥臂的中点；通过在所述低频开关管(包括Q1和Q2)的漏极和栅极之间并接一个设定容值的电容(例如，图2中的电容C1和电容C2)来实现对其(该低频开关管)完全导通时间的控制。这样，当上述低频开关管上的栅-漏之间的电压发生变化时，由于上述电容C1或电容C2的存在，会延迟该低频开关管由截止到完全导通或饱和导通的时间。这种延迟的存在，使得上述低频开关桥臂的中点电位变化不会出现阶跃特性，而是呈一定角度缓慢上升(由于该时间较短，图中均未示出)，这样该低频开关桥臂的中点电位的变化趋dv/dt较小，不会出现较大的工频尖刺或工频过冲；与此同时，这种设置还使得上述低频开关桥臂的中点电位较快进入稳定状态，为高频开关桥臂上的高频开关管的软启动创造较好的条件，也减少了高频开关管软启动所需要的时间。
在本实施例中，为了进一步增加对上述低频开关管的导通持续时间(设定时间实现完全导通)，通过在所述低频开关管的栅极上串联一个电阻(或驱动电阻)，使得所述电阻和所述延迟电容配合，使得所述低频开关管在设定的完全导通时间范围内导通。也就是说，可以在上述低频开关管的栅极上串联一个电阻，使其与上述电容(电容C1或电容C2)配合，以调节第二设定时间(即该低频开关管完全导通的时间)的长度。
步骤S13高频开关桥臂上一个高频开关管软启动，得到环路计算占空比：在本步骤中，为了维持对负载的连续供电，需要对储能电感L进行充电并使得该储能电感L对储能电容Co进行放电，使得该储能电容Co能够对负载连续地供电。为此，所述高频开关桥臂上的高频开关管的开始软启动，通过设定个数的高频开关周期，得到高频开关管的驱动信号的环路计算占空比；在本实施例中的具体情况，将在稍后说明。在本步骤中，是通过先对一个高频开关管进行软启动，经过几个高频驱动信号周期之后得到上述环路计算占空比的。
步骤S14高频开关管进入同步模式：在本步骤中，使所述高频开关桥臂上的两个高频开关管进入同步模式；即在上一步骤中，得到一个高频开关管的环路计算占空比的数值为D，则在本步骤中，将另一个高频开关管的驱动信号占空比设置为1-D，使得两个高频开关管在一个高频开关周期内轮流导通。
值得一提的是，在本实施例中，上述低频开关管的过零启动和上述高频开关管的软启动可以是同步进行的，也可以是高频开关管在死区结束后马上开始软启动，随后低频开关管开始过零启动(此时，低频开关管并未完全导通，距其完全导通还需要第二设定时间)，请参见图5；还可以是低频开关在死区结束后开始过零启动，当低频开关臂的中点电压稳定后，高频开关管开始软启动，如图3所示。由于上述过零启动和软启动的时间较短，故不会对整体性能带来太大的影响，但是，这些步骤之间相互作用，对于消除工频尖刺起到了较好的作用。例如，在本实施例的一种情况下，所述死区的维持时间包括四个高频开关周期，所述高频开关管的软启动时间包括9个高频开关周期，而第二设定时间控制在100us之内，显然，上述9个高频开关周期的软启动时间是小于或等于100us的，请参见图3。
在本实施例中，请参见图5，所述高频开关桥臂上的高频开关管的软启动包括：首先，一个高频开关管以最小的占空比开始导通，并在其后的设定数量个高频开关周期中，均匀加大上述占空比；同时，计算得到高频开关驱动信号的环路计算占空比D；然后，使得所述高频开关桥臂上的两个高频开关管进入同步模式；所述同步模式包括一个高频开关管的驱动信号的环路计算占空比为D，另一个高频开关管的驱动信号的环路计算占空比为1-D。
由于在上述高频开关桥臂上设置有两个高频开关管，在上述软启动过程中，具体由哪个高频开关管首先进行环路计算占空比计算，也是和当前的过零点是由正半周进入到负半周或者是由负半周进入到正半周的情况是相关的。具体来讲，交流输入电压由其正半周向负半周过零转换时，所述高频开关上管Q3以最小占空比导通，并使得所述高频开关下管进入同步模式；交流输入电压由其负半周向正半周过零转换时，所述高频开关下管Q4以最小占空比导通，并使得所述高频开关上管进入同步模式。
在本实施例中的一种情况下，所述死区的维持时间包括四个高频开关周期，所述死区设置在交流输入电压的过零点的前方，在过零点到来时，低频开关管立即进行过零启动，而高频开关管的软启动则在上述低频开关管导通且低频开关桥臂的中点电位稳定后立即开始。所述高频开关管的软启动时间包括9个高频开关周期，例如，第一个高频开关周期中，该高频开关管的驱动信号的占空比为1/9，第二个高频开关周期中，该高频开关管的驱动信号的占空比为2/9，并以此类推，直到第9个高频开关周期中，该高频开关管的驱动信号为1，如此就能够通过计算得到上述环路计算占空比D。
图5示出了在本实施例中，一种情况下高频开关管的软启动的驱动信号的变化过程。在死区结束后，高频开关上管Q3以一个非常窄(例如，最大占空比的九分之一)的脉冲宽度导通，在随后的几个高频开关周期中，该高频开关上管Q3的导通宽度逐渐加大，直到其驱动信号的占空比为1，在此过程中，控制单元(通常是微处理器或DSP处理器)通过对该高频开关上管Q3的电流电压和交流输入电压的检测，计算得到环路计算占空比D；并在本半周的后续高频开关周期中，使用上述计算环路占空比D驱动上述高频开关上管Q3，同时，采用占空比1-D的驱动信号驱动高频开关下管Q4，如图4所示，使得高频开关上管Q3和高频开关下管Q4进入同步开关状态。值得一提的是，在该半周即将结束并进入下一个过零点时，上述高频开关下管Q4的驱动信号占空比组件减小，而高频开关上管Q3则在上述减小过程开始时关断；当高频开关下管Q4的占空比减小到最下时，高频开关下管Q4和低频开关管同关断，进入下一个死区。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，所述图腾柱PFC电路包括低频开关桥臂和高频开关桥臂；所述低频开关桥臂用于改变所述图腾柱PFC电路中储能电感和储能电容与输入电压端的连接关系以适应所述图腾柱电路的输入电压的正负半周转换；所述高频开关桥臂用于改变所述输入电压端、储能电感和储能电容之间的连接关系以实现储能电感的充电和所述储能电感对所述储能电容放电；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
在交流输入电压过零时设置有维持第一设定时间的死区；在所述死区中，不输出所述高频开关桥臂和低频开关桥臂上的开关管的驱动信号，使其均不导通；
死区结束后，所述高频开关桥臂上的一个高频开关管的开始软启动，通过设定个数的高频开关周期，得到高频开关管的驱动信号的当前占空比，并使所述高频开关桥臂上的两个高频开关管进入同步模式；
所述低频开关桥臂上的一个开关管过零启动，且控制该低频开关管实现完全导通的速度，使该低频开关管在其有效的驱动电平到来后在第二设定时间内实现完全导通。
2.根据权利要求1所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，所述低频开关桥臂包括两个低频开关管，所述两个低频开关管通过各自的一个开关端连接，所述两个低频开关管未连接的两个开关端分别形成所述低频开关桥臂的两端，连接的两个开关端为所述低频开关桥臂的中点。
3.根据权利要求2所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，所述低频开关管包括场效应管，一个所述场效应管的源极和另一个所述场效应管的漏极连接得到所述低频开关桥臂的中点；通过在所述低频开关管的漏极和栅极之间并接一个设定容值的电容来实现对其完全导通的时间或第二设定时间的控制。
4.根据权利要求3所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，通过在所述低频开关管的栅极上串联一个电阻，使得所述电阻和所述延迟电容配合，调节所述第二设定时间的范围。
5.根据权利要求4所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，所述高频开关桥臂上的高频开关管通过逐步增加该高频开关管的导通时间实现软启动。
6.根据权利要求5所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，所述高频开关桥臂上的高频开关管的软启动包括：
一个高频开关管以最小的占空比开始导通，并在其后的设定数量个高频开关周期中，均匀加大上述占空比；
同时，计算得到高频开关驱动信号的环路计算占空比D；
使得所述高频开关桥臂上的两个高频开关管进入同步模式。
7.根据权利要6所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，所述同步模式包括一个高频开关管的驱动信号的当前占空比为环路计算占空比D，另一个高频开关管的驱动信号的当前占空比为1-D。
8.根据权利要求7所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，所述高频开关支路包括两个高频开关管，一个高频开关管的一个开关端和另一个高频开关管的开关端相互连接形成高频开关桥臂的中点，所述高频开关桥臂的中点和所述储能电感的一端连接，一个高频开关管的另一个开关端和所述储能电容的正端连接，另一个高频开关管的另一个开关端和所述储能电容的负端连接；与所述储能电容正端连接的高频开关管为高频开关上管，与所述储能电感负端连接的高频开关管为高频开关下管。
9.根据权利要求8所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，交流输入电压由其正半周向负半周过零转换时，所述高频开关上管以最小占空比导通，并使得所述高频开关下管进入同步模式；交流输入电压由其负半周向正半周过零转换时，所述高频开关下管以最小占空比导通，并使得所述高频开关上管进入同步模式。
10.根据权利要求9所述的降低图腾柱PFC电路中工频尖刺的方法，其特征在于，所述死区的维持时间包括四个高频开关周期，所述高频开关管的软启动时间包括9个高频开关周期。
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