CN113708614A - 有源功率因素校正电路及电源设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有源功率因素校正电路及电源设备，包括第一交流电源模块、磁件模块以及第一开关模块。第一交流电源模块用于输出第一交流电源，磁件模块包括第一变压器以及第一电感线圈，第一开关模块包括第一开关支路以及第二开关支路，第二开关支路与第一开关支路并联，第二开关支路的驱动脉冲与第一开关支路的驱动脉冲在时序上不同。该功率因素校正电路中磁件模块基于电感与变压器搭配设计形成双层耦合功能，与传统的独立式电感设计相比，能够采用体积小的第一电感线圈以适用于高功率使用场景。从而本发明的功率因素校正电路能应用于体积小的电源设备上，并且基于磁性元器件的体积较小，能够降低成本以及电源的整机损耗。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子电源技术领域，具体涉及一种有源功率因素校正电路及柔性键盘。
背景技术
目前，功率因素校正(以下简称PFC)电路在大功率交流变直流电源中应用较为广泛。大功率的功率因素校正电路一般采用图1所示的电路。随着电源的应用和电力电子技术的进步，特别是在大功率交流变直流电源场合，多路交错并联的应用越来越多，比如大功率汽车充电电源、大功率通讯机房电源等等。当PFC电路的功率比较大的时候，比如超过10kW，该PFC电路基于采用独立的电感La作为磁性结构，因此电感La体积会比较大，而且损耗比较高，成本比较高。
因此，现有技术有待于改善。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种功率因素校正电路及电源设备，以至少解决背景技术中所提及的在应用于高功率场景时存在损耗大的技术问题。
本发明的第一方面，提供了一种有源功率因素校正电路，所述有源功率因素校正电路包括单相有源功率因素校正电路，所述单相有源功率因素校正电路包括：
第一交流电源模块，所述第一交流电源模块用于输出第一交流电源；
磁件模块，所述磁件模块包括：
第一变压器，
第一电感线圈，所述第一电感线圈与所述第一变压器电连接；
第一开关模块，所述第一开关模块包括：
第一开关支路，
第二开关支路，所述第二开关支路与所述第一开关支路并联，所述第二开关支路的驱动脉冲与所述第一开关支路的驱动脉冲在时序上不同；
其中，所述第一交流电源经所述磁件模块传输至所述第一开关支路以及所述第二开关支路。
在第一方面的基础上，所述第一主开关器件和所述第二主开关器件均为双向可控的电力电子器件。
在第一方面的基础上，所述单相有源功率因素校正电路的数量为三个。
本发明的第二方面，提供了一种电源设备，包括如第一方面的有源功率因素校正电路。
本发明提供的功率因素校正电路以及电源设备，通过第一变压器电连接于第一电感线圈形成磁件模块，以及搭配上呈并联关系的第一开关支路和第二开关支路，同时第一开关支路的驱动脉冲与第二开关支路的驱动脉冲在时序上不同，使第一交流电源经磁件模块后传输至第一开关支路和第二开关支路。该功率因素校正电路中磁件模块基于电感与变压器搭配设计形成双层耦合功能，与传统的独立式电感设计相比，能够采用体积小的第一电感线圈以适用于高功率使用场景。从而本发明的功率因素校正电路能应用于体积小的电源设备上，并且基于磁性元器件的体积较小，能够降低成本、降低EMI干扰、降低电源设备的整机损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中功率因素校正电路的示意图；
图2为本发明功率因素校正电路的原理框图；
图3为本发明功率因素校正电路的电路连接示意图；
图4为本发明中第一主开关器件的一种电路结构示意图；
图5为本发明中第一主开关器件的一种电路结构示意图；
图6为本发明中第一主开关器件的驱动脉冲、第二主开关器件的驱动脉冲的时序图；
图7为本发明中第一节点的电压波形和第二节点的电压波形的示意图；
图8为本发明中第一变压器中第一变压器绕组电压波形的示意图；
图9为图8中A区所对应的波形图；
图10为图8中B区所对应的波形图；
图11为本发明中第一电感线圈La的第一电感绕组电压V_La(t)的波形图；
图12为本发明功率因素校正电路应用于三相交流场景的电路连接示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，相关术语如“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件，但是这些术语并不限制该组件。这些术语仅用于区分一个组件和另一组件。例如，不脱离本发明的范围，第一组件可以被称为第二组件，并且第二组件类似地也可以被称为第一组件。术语“和/或”是指相关项和描述项的任何一个或多个的组合。
请参见图2-图3，本发明所提供的功率因素校正电路，该功率因素校正电路包括第一交流电源模块10、磁件模块20和第一开关模块。
该第一交流电源模块10具有第一输出端，该第一输出端用于输出第一交流电源。该第一交流电源模块10可以是第一交流电压装置Va，第一交流电源为该第一交流电压装置Va所输出的交流电压信号。
该磁件模块20包括第一变压器Ta和第一电感线圈La，第一电感线圈La与第一变压器Ta电连接。其中，第一变压器Ta为反向耦合的变压器，第一电感线圈La为正向耦合的电感线圈。
该第一开关模块包括第一开关支路31和第二开关支路32，第二开关支路32与第一开关支路31并联。其中，第一开关支路31的驱动脉冲时序与第二开关支路的驱动脉冲时序不同，即第一开关支路31所输出的第一交流电压与第二开关支路32所输出的第二交流电压在幅值、频率上相同，但第一交流电压与第二交流电压在相位上不同。
对于第一交流电源模块10、磁件模块20和第一开关模块的连接关系。磁件模块20连接于第一交流电源模块10与第一开关模块之间。
其中，第一交流电源模块10所输出的第一交流电源经磁件模块20传输至第一开关支路31以及第二开关支路32。本实施例中功率因素校正电路中磁件模块20基于第一电感线圈La与第一变压器Ta搭配设计，能够提供双层耦合处理的作用，与传统的独立式电感设计相比，能够采用体积小的第一电感线圈La以适用于高功率使用场景。在高功率使用场景中，配合双开关支路的不同驱动脉冲的时序，能够使得双开关支路自然自然等分负载电流的效果。从而本发明的功率因素校正电路能应用于体积小的电源设备上，并且基于磁性元器件的体积较小，能够降低成本以及电源的整机损耗。
如图3所示，第一变压器Ta具有第一变压器绕组、第一磁芯和第二变压器绕组，第一变压器绕组的匝数N1等同于第二电感绕组的匝数N2，即N1：N2＝1。第一变压器绕组和第二变压器绕组在第一磁芯上的耦合方式为反向耦合。即以第一电流ia1和第二电流ia2为正方向，第一电流ia1和第二电流ia2在磁芯上产生的磁通是相互抵消的。同时，第一变压器Ta两个绕组的磁耦合是强耦合。
在一实施方式中，第一变压器Ta的磁芯为高磁导率的高频软磁磁芯，如铁氧体、非晶合金、取向硅钢等材质均可，提供更高的磁导率。
如图3所示，第一电感线圈La具有第一电感绕组、第二磁芯和第二电感绕组，第一电感绕组的匝数N3等同于第二电感绕组的匝数N4，即N3：N4＝1。第一电感绕组和第二电感绕组在第二磁芯上的耦合方式为正向耦合。即以第一电流ia1和第二电流ia2为正方向，第一电流ia1和第二电流ia2在第二磁芯上产生的磁通是相互加强的。同时，第一电感线圈La中第一电感绕组、第二电感绕组的磁耦合可以是弱耦合，因此第一电感线圈La中第一电感绕组、第二电感绕组之间的寄生电容相较于第一变压器Ta的第一变压器绕组、第二变压器绕组之间的寄生电容小。较小的寄生电容可以避免第一开关模块的损耗以及较大的额外EMI干扰。第一电流ia1和第二电流ia2表示第一交流电源所产生的两个分支电流。
在一实施方式中，第一电感线圈La的第二磁芯为有气隙的高频软磁磁芯，可由铁硅粉芯、铁硅铝粉芯、铁粉芯或其他带均匀气隙的高频软磁磁芯构成，也可有高磁导率的软磁磁芯(铁氧体、非晶合金、取向硅钢等等)在磁路中增加气隙。
在一实施方式中，该第一变压器绕组的异名端与第二压器绕组的同名端以及第一交流模块相接，第一变压器绕组的同名端与第一电感绕组的异名端相接，第二变压器绕组的异名端与第二电感绕组的异名端相接；第一电感绕组的同名端与第一开关支路相接，第二电感绕组的同名端与第二开关支路相接。即第一变压器Ta与第一交流电压装置Va连接，从而第一交流电压装置Va所传输的第一交流电源经第一变压器Ta以及第一电感线圈La后传输至第一开关支路31和第二开关支路32。第一交流电源经两次耦合处理后才分别传输至两个开关支路，因此对于开关支路的损耗小，并由两个开关支路自然等分负载电流的效果。
在一实施方式中，第一电感线圈La连接于第一交流电压装置Va和第一变压器Ta之间。从而第一交流电压装置Va所传输的第一交流电源经经第一电感线圈La以及第一变压器Ta后传输至第一开关支路31和第二开关支路32。第一交流电源经两次耦合处理后才分别传输至两个开关支路，因此对于开关支路的损耗小，并由两个开关支路自然等分负载电流的效果。
在一实施方式中，第一开关支路包括第一二极管Da1、第二二极管Da2和第一主开关器件Sa1。该第一二极管Da1的阳极同时与第一电感绕组的同名端、第二二极管Da2的阴极和第一主开关器件Sa1的第一端电连接，第一主开关器件Sa1的第二端同时与第一二极管Da1的阴极、第二二极管Da2的阳极、第一直流输出端BUS+和第二直流输出端BUS-电连接。第一开关支路通过第一二极管Da1、第二二极管Da2以及第一主开关器件Sa1，第一二极管Da1、第二二极管Da2起到一定保护作用，以防止第一电流ia1未经第一主开关器件Sa1直接传输至第一直流输出端BUS+，实现对于第一电流ia1流向的控制功能。
在一实施方式中，第二开关支路包括第三二极管Da3、第四二极管Da4和第二主开关器件Sa2，第三二极管Da3的阳极同时与第二电感绕组的同名端、第四二极管Da4的阴极、第二主开关器件Sa2的第一端电连接，第二主开关器件Sa2的第二端同时与第四二极管Da4的阳极、第一主开关器件Sa1的第二端和第三二极管Da3的阴极电连接。第二开关支路通过第三二极管Da3、第四二极管Da4以及第二主开关器件Sa2，第一二极管Da1、第二二极管Da2起到一定保护作用，以防止第一电流ia1未经第一主开关器件Sa1直接传输至第二直流输出端BUS-，实现对于第二电流ia2的流向的控制功能。
如图4所示，该第一主开关器件Sa1可以是双向可控的电力电子器件，比如双向开关。即第一主开关器件Sa1包括第一MOS管以及与所述第一MOS管串接的第二MOS管。其中，第一MOS管可以是第一P沟道增强型MOS管P1，第二MOS管可以是第二P沟道增强型MOS管P2，该第一P沟道增强型MOS管的源极与该第二P沟道增强型MOS管的源极连接。通过双P沟道增强型MOS管的串接形成双向开关，从而达到双向控制的技术效果。具体的，第一P沟道增强型MOS管的源极与第一P沟道增强型MOS管的漏极之间连接有第十二极管D10，以提供保护第一P沟道增强型MOS管的功能。对于第二P沟道增强型MOS管的源极与第二P沟道增强型MOS管的漏极之间连接有第十一二极管D11，以提供保护第二P沟道增强型MOS管的功能。
如图5所示，该第一主开关器件Sa1包括第一双极型晶体管以及与所述第一双极型晶体管串接的第二双极型晶体管。其中，第一双极型晶体管可以是第一绝缘栅双极型晶体管E1，第二双极型晶体管可以是第二绝缘栅双极型晶体管E2。通过两个绝缘栅双极型晶体管的串接形成一种双向开关，从而来达到双向控制的技术效果。具体的，具体的，第一绝缘栅双极型晶体管E1的源极与第一绝缘栅双极型晶体管E1的漏极之间连接有第十二二极管D12，以提供保护第一绝缘栅双极型晶体管E1的功能。对于第二绝缘栅双极型晶体管E2的源极与第二绝缘栅双极型晶体管E2的漏极之间连接有第十三二极管D13，以提供保护第二绝缘栅双极型晶体管E2的功能。
图4、图5示出第一主开关器件Sa1的两种不同实施方式。而第二主开关器件Sa2与第一主开关器件Sa1在结构组成上并无差别，也就是说该第二主开关器件Sa2也可以是双向可控的电力电子器件，所以第二主开关器件Sa2也可适用图4、图5的两者实施方式，这里不再赘述。
如图3所示，功率因素校正电路还包括第一母线电容C1和第二母线电容C2，该第一母线电容C1的第二端同时与第一主开关器件Sa1的第二端、第二主开关器件Sa2的第二端和第二母线电容C2的第一端电连接，第一母线电容C1的第一端同时与第一二极管Da1的阴极、第三二极管Da3的阴极和第一直流输出端BUS+电连接，第二母线电容C2的第二端同时与第二二极管的阳极、第四二极管Da4的阳极和第二直流输出端BUS-电连接。通过第一母线电容C1、第二母线电容C2设置，提供直流滤波功能。其中，第一母线电容C1、第二母线电容C2可以由铝电解电容、金属膜电容或其他类型电容或电容组合实现。第一母线电容C1的法拉值等同于第二母线电容C2的法拉值，可以理解为两个电容的规格相同。即在充电过程中，第一母线电容C1和第二母线电容C2上的电压相同，幅值均为Vbus。
如图6所示，第一开关支路31的驱动脉冲与第二开关支路的驱动脉冲在时序上不同(Z1表示第一开关支路31的驱动脉冲的时序，Z2表示第二开关支路的驱动脉动的时序)。具体的，第一开关支路31的第一主开关器件Sa1的驱动脉冲与第二开关支路32的第二主开关器件Sa2的驱动脉冲之间相位差为180度，即180度交错。基于第一主开关器件Sa1的驱动脉冲与第二主开关器件Sa2的驱动脉冲为180度交错，所以在第一节点A1和第二节点A2处产生出幅值相同、频率相同、相位相差180度的高频交流电压(即180度交错的高频交流电压)。其中，第一节点A1表示第一开关支路31中与第一电感线圈La的第三副边输出端17所相连接的一个节点，第二节点A2表示第二开关支路32中与第一电感线圈La的第四副边输出端18所相连接的一个节点。第一节点A1的电压V_A1波形和第二节点A2的电压V_A2波形如图7所示。
图8示出第一变压器Ta中第一变压器绕组电压V_Ta(t)波形，图9为图8中A区所展开的波形图，图10为图8中B区所展开的波形图。第一变压器Ta的电压是一个高频交变的波形，高频变化的频率为第一主开关器件Sa1的开关频率fs，幅值为近似±Vbus/2。从图9、图10中可以看出，时间从0到10ms，第一变压器绕组电压V_Ta(t)波形的有效占空比从0上升到50％，然后又从50％降低到0；并且第一变压器绕组电压V_Ta(t)波形以10ms为一个大周期再进行周期性变化。由于有第一变压器Ta，使第一电感线圈La上的电压波形产生一些有益的变化：1、第一电感线圈La的电压频率相对于第一主开关器件Sa1、第二主开关器件Sa2的开关频率fs增加了一倍；2、第一电感线圈La的电压幅值相对于直流母线电压(直流母线电压表示第一母线电容C1和第二母线电容C2之间的电压)缩减了一半。因此第一主开关器件Sa1、第二主开关器件Sa2的开关频率fs不变的情况下，第一电感线圈La的感量可以大幅减小，可选用小体积的电感线圈。图11是第一电感线圈La的第一电感绕组电压V_La(t)的波形图，从图中可以看到上述变化。其中，直流母线电压表示第一母线电容C1和第二母线电容C2之间的电压。
综述，本发明中基于第一开关支路31的第一主开关器件Sa1的驱动脉冲与第二开关支路32的第二主开关器件Sa2的驱动脉冲之间相位差为180度。在配合上基于第一电感线圈与第一变压器搭配所形成的磁件模块，与传统的独立式电感设计相比，在应用于高功率场景时对第一电感线圈体积要求低。因此本发明的功率因素校正电路能应用于体积小的电源设备上，并且基于磁性元器件的体积较小、双开关支路自然等分负载电流，从而能够降低成本、减小电源设备的EMI干扰以及电源的整机损耗。
在一实施例中，如图12所示，该单相有源功率因素校正电路的数量为三个。即该功率因素校正电路还包括第二交流电压装置Vb、第三交流电压装置Vc、第二变压器Tb、第三变压器Tc、第二电感线圈Lb、第三电感线圈Lc、第三开关支路、第四开关支路、第五开关支路以及第六开关支路。第二交流电压装置Vb、第二变压器Tb、第三开关支路、第四开关支路构成一个单相有源功率因素校正电路；第三交流电压装置Vc、第三变压器Tc、第五开关支路、第六开关支路构成一个单相有源功率因素校正电路。其中，第三开关支路包括第五二极管Db1、第六二极管Db2以及第三主开关器件Sb1；第四开关支路包括第七二极管Db3、第八二极管Db4以及第四主开关器件Sb2。第五开关支路包括第十四二极管Dc1、第十五二极管Dc2以及第五主开关器件Sc1，第六开关支路包括第十六二极管Dc3、第十七二极管Dc4以及第六主开关器件Sc2。也就是说三个单相有源功率因素校正电路并分成A/B/C三相接入三相交流电源，且三个独立的单相有源功率因素校正电路共用第一母线电容及第二母线电容、共用所述第一直流输出端及第二直流输出端。通过三个单相有源功率因素校正电路构成三相有源功率因素校正电路，以应用于三相功率场景中。
本发明还提供了一种电源设备，包括各实施例中提及的有源功率因素校正电路。在应用于高功率场景时对第一电感线圈体积要求低，从而能够选用体积小的第一电感线圈，即减小了磁性元器件体积。因此能够实现小型化应用，并且在降低成本的基础上减少该电源设备整机损耗。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种有源功率因素校正电路，其特征在于，所述有源功率因素校正电路包括单相有源功率因素校正电路，所述单相有源功率因素校正电路包括：
第一交流电源模块，所述第一交流电源模块用于输出第一交流电源；
磁件模块，所述磁件模块包括：
第一变压器，
第一电感线圈，所述第一电感线圈与所述第一变压器电连接；
第一开关模块，所述第一开关模块包括：
第一开关支路，
第二开关支路，所述第二开关支路与所述第一开关支路并联，所述第二开关支路的驱动脉冲与所述第一开关支路的驱动脉冲在时序上不同；
其中，所述第一交流电源经所述磁件模块传输至所述第一开关支路以及所述第二开关支路。
2.如权利要求1所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述第一变压器具有第一变压器绕组、独立变压器磁芯和第二变压器绕组，
其中，所述第一变压器绕组和所述第二变压器绕组在所述变压器磁芯上的耦合方式为反向耦合。
3.如权利要求2所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述第一电感线圈具有第一电感绕组、独立电感磁芯和第二电感绕组；
其中，所述第一电感绕组和所述第二电感绕组在所述电感磁芯上的耦合方式为正向耦合。
4.如权利要求3所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述第一变压器绕组的异名端与所述第二压器绕组同名端以及所述第一交流模块相接，所述第一变压器绕组的同名端与所述第一电感绕组的异名端相接，所述第二变压器绕组的异名端与所述第二电感绕组的异名端相接；所述第一电感绕组的同名端与所述第一开关支路相接，所述第二电感绕组的同名端与所述第二开关支路相接。
5.如权利要求4所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述第一开关支路包括第一二极管、第二二极管和第一主开关器件，所述第一二极管的阳极同时与所述第一电感绕组的同名端、所述第二二极管的阴极和所述第一主开关器件的第一端电连接，所述第一主开关器件的第二端同时与所述第一二极管的阴极、第二二极管的阳极、第一直流输出端和第二直流输出端电连接。
6.如权利要求5所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述第二开关支路包括第三二极管、第四二极管和第二主开关器件，所述第三二极管的阳极同时与所述第二电感绕组的同名端、第四二极管的阴极、所述第二主开关器件的第一端电连接，所述第二主开关器件的第二端同时与所述第四二极管的阳极、所述第一主开关器件的第二端和所述第三二极管的阴极电连接。
7.如权利要求6所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述第一主开关器件和所述第二主开关器件均为双向可控的电力电子器件。
8.如权利要求7所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述单相有源功率因素校正电路还包括第一母线电容和第二母线电容，所述第一母线电容的第二端同时与所述第一主开关器件的第二端、所述第二主开关器件的第二端和所述第二母线电容的第一端电连接，所述第一母线电容的第一端同时与所述第一二极管的阴极、所述第三二极管的阴极和所述第一直流输出端电连接，所述第二母线电容的第二端同时与所述第二二极管的阳极、所述第四二极管的阳极和所述第二直流输出端电连接。
9.如权利要求1所述有源功率因素校正电路，其特征在于，所述单相有源功率因素校正电路的数量为三个。
10.一种电源设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述有源功率因素校正电路。
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