CN113252972A - 一种无桥pfc电感电流过零检测电路 - Google Patents

一种无桥pfc电感电流过零检测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无桥PFC电感电流过零检测电路，包括电感感应电压检测电路、信号处理电路和信号选择电路；信号处理电路包括两个与门电路和或门电路，信号选择电路包括三极管；两个电压检测信号输出端分别接两个与门电路的第一输入端；三极管的集电极接第一与门电路的第二输入端，三极管的基极和第二与门电路的第二输入端接单片机的控制信号输出端；两个与门电路的输出端分别接或门电路的两个输入端，或门电路的输出端作为信号处理电路的输出端接单片机的信号输入端。本发明适用于CRM工作模式的无桥PFC电感电流过零检测，电路结构简单，成本低廉，便于推广。

Description

一种无桥PFC电感电流过零检测电路
技术领域
本发明涉及无桥PFC开关电源，尤其涉及一种无桥PFC电感电流过零检测电路。
背景技术
随着社会和科技的不断发展，电力电子设备已被广泛用于人们的生产生活中，因此谐波污染、输入电流波形畸变、功率因数降低的问题日益严重。应运而生的一些国际标准对电力电子设备注入电网的谐波电流进行限制；这也使功率因数校正技术（PFC）不断发展，PFC可根据电感电流是否连续可分为CCM、CRM、DCM三种工作模式，相比于CCM和DCM模式，CRM模式具有无反向恢复，开关损耗低、器件应力小的优点，被广泛用于中小功率的电力电子设备中。变换器工作在CRM模式中，也可分为无桥CRM和有桥CRM，由于无桥PFC比传统的有桥PFC在功率回路上少了一个二极管，无桥PFC可以提高变换器的效率。目前在CRM模式中通常应用电流互感器来检测电感电流，或者检测功率开关管的漏源电压等来产生开关管的驱动信号。但这些方法比较适用于CRM有桥PFC中，对于CRM无桥PFC，这些方法都略有不足:如有些方法只能检测单向的电感电流过零，有些方法通过采样电阻来检测电感电流过零，增加了损耗；有的检测方法在软启动阶段，输出电压到达输入电压的峰值，此时电感续流时，此时电感电压为输出电压和输入电压的差值，电感电流过零信号很微弱，导致电路无法正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于CRM工作模式的无桥PFC电感电流过零检测电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种无桥PFC电感电流过零检测电路，包括电感感应电压检测电路、信号处理电路和信号选择电路，电感感应电压检测电路包括两个电压检测信号输出端；信号处理电路包括两个与门电路和或门电路，信号选择电路包括三极管；第一电压检测信号输出端接第一与门电路的第一输入端，第二电压检测信号输出端接第二与门电路的第一输入端，第一与门电路的第一输入端通过第一上拉电阻接芯片电源正极；三极管的集电极接第一与门电路的第二输入端，并通过第二上拉电阻接芯片电源正极；三极管的发射极接地，基极接无桥PFC控制电路单片机的控制信号输出端；第二与门电路的第二输入端接单片机的控制信号输出端，并通过下拉电阻接地；两个与门电路的输出端分别接或门电路的两个输入端，或门电路的输出端作为信号处理电路的输出端接单片机的信号输入端。
以上所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，电感感应电压检测电路包括与无桥PFC升压电感耦合的辅助绕组和两个比较器，辅助绕组的第一端接第一比较器的第二输入端和第二比较器的第一输入端，辅助绕组的第二端接第一比较器的第一输入端和第二比较器的第二输入端；第一比较器的输出端作为所述的第一电压检测信号输出端接第一与门电路的第一输入端，第二比较器的输出端作为所述的第二电压检测信号输出端接第二与门电路的第一输入端。
以上所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，电感感应电压检测电路包括两个滤波电路，辅助绕组的第一端通过第一滤波电路接第一比较器的第二输入端和第二比较器的第一输入端，辅助绕组的第二端通过第一滤波电路接第一比较器的第一输入端和第二比较器的第二输入端。
以上所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，滤波电路包括滤波电容、快恢复二极管、串联电阻和并联电阻，快恢复二极管的阳极接地，阴极接串联电阻的第一端和辅助绕组，滤波电容的第一端接串联电阻的第二端，滤波电容的第二端接地；并联电阻与滤波电容并接。
以上所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，电感感应电压检测电路包括保护电路，保护电路包括4组钳位二极管，比较器的每个输入端通过一组钳位二极管接芯片电源正极和地。
本发明的无桥PFC电感电流过零检测电路适用于CRM工作模式的无桥PFC电感电流过零检测，电路结构简单，成本低廉，便于推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例无桥PFC电感电流过零检测电路的原理图。
图2是本发明实施例CRM无桥PFC电感电流过零检测电路单片机选择信号正常工作波形图。
图3是本发明实施例CRM无桥PFC电感电流过零检测电路正常工作波形图。
图4是本发明实施例CRM无桥PFC电感电流正常工作波形图。
具体实施方式
本发明实施例无桥PFC电感电流过零检测电路的结构和原理如图1至图4所示，包括电感感应电压检测电路、信号处理电路和信号选择电路。无桥PFC电感电流过零检测电路可实现交流电的正负半周的电感电流过零检测，适用于CRM无桥PFC拓扑，同样也适用于CRM有桥PFC拓扑。
信号处理电路包括两个与门电路（芯片SN74LVC2G08DCTR）和或门电路U10-B（芯片SN74LVC2G08DCTR），信号选择电路包括NPN三极管Q7。
电感感应电压检测电路包括与无桥PFC升压电感L6-C耦合的辅助绕组L6-B、两个滤波电路和两个比较器U18-A和U18-B（运放芯片SGM8700XS8G/TR），辅助绕组L6-B的3脚通过第一滤波电路接第一比较器U18-B的反相输入端和第二比较器U18-A的同相输入端，辅助绕组L6-B的4脚接通过第二滤波电路第一比较器U18-B的同相输入端和第二比较器U18-A的反相输入端。
第一比较器U18-B的输出端作为电感感应电压检测电路的第一电压检测信号输出端接第一与门电路U1-A的1脚，第二比较器U18-A的输出端作为电感感应电压检测电路的第二压检测信号输出端接第二与门电路U1-B的5脚。
第一与门电路U1-A的1脚通过第一上拉电阻R147接芯片电源正极PMCU3.3V。NPN三极管Q7的集电极接第一与门电路U1-A的2脚，并通过第二上拉电阻R176接芯片电源正极PMCU3.3V。NPN三极管Q7的发射极接地，基极接无桥PFC控制电路单片机的控制信号输出端PHA-SELECT。第二与门电路U1-B的6脚接单片机的控制信号输出端PHA-SELECT，并通过下拉电阻R150接地。两个第一与门电路U1-A和U1-B的输出端分别接或门电路U10-B的两个输入端5脚和6脚，或门电路的输出端ZCDA作为信号处理电路的输出端接单片机的信号输入端。
电感感应电压检测电路包括两个滤波电路，辅助绕组L6-B的3脚通过第一滤波电路接第一比较器U18-B的反相输入端和第二比较器U18-A的同相输入端，辅助绕组L6-B的4脚通过第一滤波电路接第一比较器U18-B的同相输入端和第二比较器U18-A的反相输入端。
第一滤波电路包括滤波电容C339、快恢复二极管D137、串联电阻(并联的R522和R1)和并联电阻R123，快恢复二极管D137的阳极接地，阴极接串联电阻(并联的R522和R1)的第一端和辅助绕组L6-B的3脚，滤波电容C339的第一端接串联电阻(并联的R522和R1)的第二端，滤波电容C339的第二端接地。并联电阻R123与滤波电容C339并接。
第二滤波电路包括滤波电容C340、快恢复二极管D136、串联电阻(并联的R503和R101)和并联电阻R128，快恢复二极管D136的阳极接地，阴极接串联电阻(并联的R503和R101)的第一端和辅助绕组L6-B的4脚，滤波电容C340的第一端接串联电阻(并联的R503和R101)的第二端，滤波电容C340的第二端接地。并联电阻R128与滤波电容C340并接。
电感感应电压检测电路包括保护电路，保护电路包括4组钳位二极管D16、D19、D37和D38，钳位二极管的1脚接地，2脚接芯片电源正极PMCU3，比较器U18-A和U18-B的每个输入引脚接其中一组钳位二极管的第3脚。
在交流电正半周时，假设电流方向从无桥PFC的升压电感L6-C的5脚流向6脚，电感电流上升，此时升压电感L6-C上感应电压方向为6脚正，5脚负，当电感电流充到阈值时，开始放电；由法拉第电磁感应定律可知此时升压电感L6-C上感应电压方向为6脚负，5脚正。由于此PFC工作在CRM模式，当电流降到0时，由于升压电感L6-C与功率开关管上的结电容发生谐振，使开关管上漏源极电压震荡到零，且会改变升压电感L6-C上感应电压方向，即6脚正，5脚负，与无桥PFC升压电感L6-C耦合的的辅助绕组L6-B也会产生感应电压，其方向为3脚正，4脚负，通过阻容电路C339和R123滤波后传入比较器U18，两组钳位二极管将进入U18信号的信号幅值钳位在0和3.3V，通过简单的分析可知比较器U18-B输出低电平，而比较器U18-A的1脚输出高电平，与单片机选择信号一起进入第二与门电路U1-B。由图2可知，在交流电正半周时，单片机选择信号为高电平，一方面将信号传到U1-B的6脚,同时将信号传到NPN三极管Q7。通过简单的电路分析可知:进入第二与门电路U1-B的5脚和6脚均为高电平，U1-B的3脚从而输出高电平；而进入第一与门电路U1-A的1脚和2脚均为低电平。U1-A的7脚从而输出低电平，最后U1-A和U1-B将信号传入或门电路U10-B，即U10-B的5脚和6脚为一高一低，则U10-B3脚输出高电平，其信号就是ZCD信号。如图3所示，三角波为电感电流波形，方波为ZCD信号，由图可知电感电流降为0时，ZCD信号动作即为高电平。
如图4所示，当单片机接受到ZCD的上升沿时，开关管的驱动信号就会为高电平，上面的方波为功率开关管的驱动信号，由图4可知，当ZCD信号每次置高时，驱动也为高电平，此时功率开关管导通，电感电流上升，也就实现了功率开关管的ZVS(零电压开通）或VS（谷底导通）以及ZCS(零电流关断)。
具体地，在电感电流上升的过程中升压电感L6-C上感应电压方向会改变为6脚负，5脚正，其L6上的辅助绕组L6-B也会产生感应电压，其方向也会改变为3脚负，4脚正。通过上述的分析可以得到比较器U18-B的7脚输出高电平，而比较器U18-A的1脚输出低电平，但其仍在交流电正半周时，其单片机选择信号未改变，则进入U1-A的1脚和2脚为一高一低，则U1-A的7脚输出仍为低电平，而进入U1-B的5脚和6脚也为一高一低，U1-B的3脚输出也为低电平，则U10-B的输入信号脚5脚和6脚均为低电平，U10-B的3脚输出未低电平，即ZCD信号为低电平，则单片机不动作。单片机下一次动作仍在电感电流过零点，由于此电感电流检测电路具有单片机选择信号，加上逻辑门电路的规则，因此变换器即便周而复始的工作，ZCD也不会发生误动作，从而使整个变换器工作稳定、可靠。
进一步地，在交流电负半周时，由于CRM无桥PFC电路的对称性，交流输入电压正负半周的工作原理相同，所以以上实施例只需分析交流电正半周即可。
上述CRM无桥PFC电感电流过零检测电路中，所述电感电流过零检测电路其上下对称的结构加上特定的单片机选择信号与逻辑门电路的组合，可分别用于交流电的正负半周电感电流过零检测。不但适用于CRM有桥PFC拓扑中的电感电流过零检测,其具有交流电的负半周电感电流过零检测的功能使其也适用于CRM无桥PFC拓扑中。使无桥PFC同样可以工作在CRM模式中，大大提高了变换器的效率与可靠性。
本发明涉以上实施例的无桥PFC电感电流过零检测电路通过检测升压电感上辅助绕组的感应电压，并且将辅助绕组感应电压的正负两个信号传入比较器中，其结果与单片机选择信号通过与门电路后再进入或门电路，最后传到单片机。其结果作为临界连续模式下开关管控制触发信号（ZCD）。此电感电流过零检测电路上下几乎对称，分别用于交流电的正负半周电感电流过零检测。不但适用于CRM有桥PFC拓扑中的电感电流过零检测,而且其特有的单片机选择信号与逻辑门电路的组合，使其可用于CRM无桥PFC拓扑中。为CRM无桥PFC电感电流过零检测增加了新的检测方法；经实验的验证，此检测电路可完全跟踪电感电流过零点，能控制开关管的驱动信号在电感电流降为零时开启；实现了CRMPFC拓扑中功率开关管的ZVS(零电压开通）或VS（谷底导通）以及ZCS(零电流关断),从而减小开关管的开关损耗以及反向恢复损耗。此检测电路具有极低的检测损耗，不但可进一步提高CRMPFC拓扑的效率，而且其上下对称的特殊逻辑门电路检测结构具有很强的抗干扰性，可提高电路正常工作的稳定性和可靠性。本发明以上实施例的电感电流过零检测电路原理简单，易于理解，成本低廉，便于推广。
需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种无桥PFC电感电流过零检测电路，无桥PFC的控制电路包括单片机，其特征在于，包括电感感应电压检测电路、信号处理电路和信号选择电路，电感感应电压检测电路包括两个电压检测信号输出端；信号处理电路包括两个与门电路和或门电路，信号选择电路包括三极管；第一电压检测信号输出端接第一与门电路的第一输入端，第二电压检测信号输出端接第二与门电路的第一输入端，第一与门电路的第一输入端通过第一上拉电阻接芯片电源正极；三极管的集电极接第一与门电路的第二输入端，并通过第二上拉电阻接芯片电源正极；三极管的发射极接地，基极接单片机的控制信号输出端；第二与门电路的第二输入端接单片机的控制信号输出端，并通过下拉电阻接地；两个与门电路的输出端分别接或门电路的两个输入端，或门电路的输出端作为信号处理电路的输出端接单片机的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，其特征在于，电感感应电压检测电路包括与无桥PFC升压电感耦合的辅助绕组和两个比较器，辅助绕组的第一端接第一比较器的第二输入端和第二比较器的第一输入端，辅助绕组的第二端接第一比较器的第一输入端和第二比较器的第二输入端；第一比较器的输出端作为所述的第一电压检测信号输出端接第一与门电路的第一输入端，第二比较器的输出端作为所述的第二电压检测信号输出端接第二与门电路的第一输入端。
3.根据权利要求2所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，其特征在于，电感感应电压检测电路包括两个滤波电路，辅助绕组的第一端通过第一滤波电路接第一比较器的第二输入端和第二比较器的第一输入端，辅助绕组的第二端通过第一滤波电路接第一比较器的第一输入端和第二比较器的第二输入端。
4.根据权利要求3所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，其特征在于，滤波电路包括滤波电容、快恢复二极管、串联电阻和并联电阻，快恢复二极管的阳极接地，阴极接串联电阻的第一端和辅助绕组，滤波电容的第一端接串联电阻的第二端，滤波电容的第二端接地；并联电阻与滤波电容并接。
5.根据权利要求2所述的无桥PFC电感电流过零检测电路，其特征在于，电感感应电压检测电路包括保护电路，保护电路包括4组钳位二极管，比较器的每个输入端通过一组钳位二极管接芯片电源正极和地。
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