CN114039476A - 无桥变换器功率因数校正方法及校正电路 - Google Patents

无桥变换器功率因数校正方法及校正电路 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种无桥变换器功率因数校正方法及校正电路，选择第一控制信号和第一电压中的较大值作为峰值参考信号；选择所述第一控制信号和第二电压中的较小值作为谷值参考信号；根据所述峰值参考信号、所述谷值参考信号和输入电流采样信号控制所述上管和所述下管的开关状态。本发明无桥变换器外围结构简单，应用方便，电路工作效率高。

Description

无桥变换器功率因数校正方法及校正电路
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种无桥变换器功率因数校正方法及校正电路。
背景技术
几乎每个电力电子设备都需要通过整流变换技术将交流电转换成直流电，为了减小负载谐波对电网及其它设备的相互影响，每个电子设备的输入电流谐波含量和功率密度都需要满足交流用电设备电流谐波要求。因此研究高效率和高功率密度的PFC(功率因数校正，PowerFactor Corrector)变换器具有重要意义。
现有的无桥图腾柱式PFC电路的外围器件较多，比如高压自举驱动、隔离电流采样等，实现成本也比较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种无桥变换器功率因数校正方法及校正电路，解决了现有技术中无桥PFC电路外围器件复杂，实现成本较高的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种无桥变换器功率因数校正方法，所述无桥变换器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的中间节点和所述第二桥臂的中间节点之间连接交流输入电源和输入电感，所述第一桥臂包括相连的上管和下管，其公共连接端为所述第一桥臂的中间节点，
根据交流输入电源的电压信号和所述下管的开关时间获得第一控制信号；
选择所述第一控制信号和第一电压中的较大值作为峰值参考信号；
选择所述第一控制信号和第二电压中的较小值作为谷值参考信号；
根据所述峰值参考信号、所述谷值参考信号和输入电流采样信号控制所述上管和所述下管的开关状态。
可选的，当所述输入电流采样信号上升到到所述峰值参考信号时，控制所述上管关断；当所述输入电流采样信号下降到所述谷值参考信号时，控制所述上管导通；所述下管和所述上管互补导通。
可选的，所述第一电压和所述第二电压为预设的电压值，其中，所述第一电压的值设为大于零，所述第二电压的值设为小于零。
可选的，所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值设为相等。
可选的，检测交流输入电源其中一端的电压并进行滤波，得到交流检测信号；
在所述下管导通期间，对无桥变换器母线电压进行采样保持，得到母线电压采样信号；
将所述母线电压采样信号和参考电压进行误差放大，得到误差放大信号；
根据所述交流检测信号和所述误差放大信号得到所述第一控制信号。
可选的，将所述交流检测信号相移180度得到第一交流电压；将所述第一交流电压和所述误差放大信号相乘，得到所述第一控制信号。
可选的，所述第一桥臂的中间节点设置为参考地，在所述第一桥臂中间节点和输入电源之间连接第一电阻，通过采样第一电阻电压可得到所述输入电流采样信号。
本发明还提供一种无桥变换器功率因数校正电路，所述无桥变换器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的中间节点和所述第二桥臂的中间节点之间连接交流输入电源和输入电感，所述第一桥臂包括相连的上管和下管，其公共连接端为所述第一桥臂的中间节点，交流输入电源经第一桥臂和第二桥臂整流后得到整流电压，包括：
第一控制信号产生电路，接收所述交流输入电源的电压信号和所述下管的开关时间，以产生第一控制信号；
峰值参考信号产生电路，接收第一电压和所述第一控制信号，选出其中的较大值最为峰值参考信号；
谷值参考信号产生电路，接收第二电压和第一控制信号，选出其中的较小值最为谷值参考信号；
比较电路，接收所述峰值参考信号、所述谷值参考信号和输入电流采样信号，根据所述峰值参考信号、所述谷值参考信号和输入电流采样信号控制所述上管和所述下管的开关状态。
可选的，所述比较电路包括：
第一比较器，接收所述峰值参考信号和输入电流采样信号，输出第一比较信号；当所述输入电流采样信号上升到到所述峰值参考信号时，所述第一比较信号控制所述上管关断；
第二比较器，接收所述谷值参考信号和输入电流采样信号，输出第二比较信号；当所述输入电流采样信号下降到所述谷值参考信号时，所述第二比较信号控制所述上管导通；
所述下管和所述上管互补导通。
可选的，所述第一控制信号产生电路包括：
采样保持电路，在所述下管导通期间，采样母线电压并保持，输出母线电压采样信号；
滤波电路，输入端连接交流输入电源其中一端，检测交流输入电压并进行滤波，输出交流检测信号；
误差放大器，接收所述母线电压采样信号和参考信号，输出误差放大信号；
第一控制电路，接收所述误差放大信号和所述交流检测信号，输出所述第一控制信号，所述第一控制信号控制开关管上管的开关状态。
可选的，所述第一控制电路包括移相电路和乘法器，所述移相电路接收所述交流检测信号，将其相移180度后输出第一交流信号；所述乘法器将所述第一交流信号和所述误差放大信号相乘输出所述第一控制信号。
可选的，所述第一桥臂的中间节点设置为参考地，在所述第一桥臂中间节点和输入电源之间连接第一电阻，通过采样第一电阻电压可得到所述输入电流采样信号。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明设计得到第一控制信号，选出第一控制信号和第一电压中的较大值作为峰值电流参考信号，选出第一控制信号和第二电压中的较小值作为谷值电流参考信号，根据峰值电流参考信号和谷值电流参考信号控制上管。本发明不需要判断输入交流电压的正负半周相位和极性，不需要根据电网极性区分主动开关管和从动开关管，不需要切换控制逻辑。通过设置合适的第一和第二电压，能够实现上管和下管的零电压ZVS开通，提高了电路转换效率高。
附图说明
图1为本发明无桥变换器控制框图；
图2为本发明无桥变换器上管控制器原理图；
图3为本发明峰值参考信号产生电路原理图；
图4为本发明谷值参考信号产生电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和区间上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，示意了本发明无桥变换器控制框图，本发明无桥变换器采用图腾柱式无桥变换器，包括输入电感L，第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂包括相连的上管M1和下管M2，这里上管和下管以MOS开关管为例，上管作为主功率管，下管为续流开关管，其公共连接端为第一桥臂的中间节点。所述第二桥臂包括相连的二极管D1和D2，其公共连接端为第二桥臂的中间节点。第一桥臂中间节点和输入电源之间连接所述输入电感L0，第一桥臂的中间节点设为参考地，在输入电感L0和参考地之间连接第一电阻R0，检测第一电阻R0的电压以得到输入电流采样信号VCS，具体是通过第一电阻R0采样电感电流，采样的电感电流通过输入滤波得到上述输入电流采样信号。上管控制器接受母线电压VBUS、交流输入电压Vac和输入电流采样信号VCS，以控制上管M1的开关状态，下管控制器U02根据上管控制器的开关信号以产生开关信号控制下管M2的开关状态，其中，上管控制器和/或下管控制器可通过自举供电获得供电电压。
如图2所示，示意了本发明上管控制器的电路原理图，包括采样保持电路U100、滤波电路U101、第一运放U102、移相电路U103、乘法器U104、峰值参考信号产生电路U105、谷值参考信号产生电路U106、第一比较器U107 和第二比较器U108和驱动电路U109。下管M2导通时，采样保持电路U100 对母线电压采样和保持，输出母线电压采样保持信号VBUS_cs，所述第一运放U102同相输入端接收第一参考电压VREF1，其反相输入端接收母线电压采样保持信号VBUS1，输出误差放大信号VC1；交流输入电压采样电路U101 采样N线电压得到交流采样信号Vac_cs，所述移相电路接收所述交流采样信号Vac_cs，将其相移180度后输出第一交流电压Vac1，所述相移电路为超前校正器或者滞后校正器；所述乘法器U104将误差放大信号VC1和交流信号 Vac1，输出第一控制信号，如此，第一控制信号为与交流输入电压相关联的正弦波信号。峰值参考信号产生电路U105接收第一控制信号Vth和第一电压 V1，选取其中的较大值作为峰值参考信号Vth1，第一比较器U107将峰值参考信号Vth1和输入电流采样信号VCS进行比较，当输入电流采样信号VCS 上升到峰值参考信号Vth1时，控制上管M1关断。谷值参考信号产生电路U106 接收第一控制信号Vth和第二电压V2，选取其中的较小值作为谷值参考信号 Vth2，第二比较器U108将谷值参考信号Vth2和输入电流采样信号VCS进行比较，当输入电流采样信号VCS下降到谷值参考信号Vth2时，控制上管M1 导通。所述驱动电路U109接收第一比较器U107的输出信号VH和第二比较器的输出信号VL，输出驱动信号VG驱动上管M1。可根据上管M1的驱动信号VG驱动下管M2与上管M1互补导通。
本实施例中，设置合适的第一电压V1和第二电压V2的电压值大小可实现ZVS，这里，第一电压V1的值为大于零，第二电压V2的值为小于零，第一电压的绝对值和第二电压的绝对值可以为相等，在设为相等的情况下，峰值参考信号和谷值参考信号为比较对称的形状，可得到较好的PF效果。本申请中第一电压和第二电压过大，会影响整体的PF情况，过小则达不到过来导通的目的，因此，通过对第一电压和第二电压电压值的合理设定，既不影响PF也能实现ZVS，大大提高了系统的效率。
如图3所示，示意了峰值参考信号产生电路原理图，包括第一电压源V1、第一二极管D1、电阻R1和第二二极管D2，第一电压源V1电压记为第一电压，第一二极管D1阳极连接第一电压源V1，第二二极管D2阳极接收第一控制信号Vth，第一二极管D1阴极和第二二极管D2阴极连接，电阻R1一端连接其公共连接端，另一端接地，第一电阻R1的电压为峰值参考信号Vth1。第一电压源V1电压大于第一控制信号Vth时，第一二极管D1导通，第二二极管D2截止，若忽略第一二极管D1导通压降，峰值参考信号Vth1为第一电压源V1电压；反之，第一二极管D1导通，第二二极管D2截止，若忽略第二二极管D2导通压降，峰值参考信号Vth1为第一控制信号。本发明也可以采用比较器选出第一电压源电压V1和第一控制信号Vth中的较大值作为峰值参考信号。
如图4所示，示意了谷值参考信号产生电路原理图，图4示意的电路原理与图3示意的电路原理类似，第二电压源V1电压记为第二电压，根据上述的原理，忽略二极管导通压降，选出第二电压源V2电压和第一控制信号Vth 中的较小值作为谷值参考信号。
虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种无桥变换器功率因数校正方法，所述无桥变换器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的中间节点和所述第二桥臂的中间节点之间连接交流输入电源和输入电感，所述第一桥臂包括相连的上管和下管，其公共连接端为所述第一桥臂的中间节点，其特征在于：
根据交流输入电源的电压信号和所述下管的开关时间获得第一控制信号；
选择所述第一控制信号和第一电压中的较大值作为峰值参考信号；
选择所述第一控制信号和第二电压中的较小值作为谷值参考信号；
根据所述峰值参考信号、所述谷值参考信号和输入电流采样信号控制所述上管和所述下管的开关状态。
2.根据权利要求1所述的无桥变换器功率因数校正方法，其特征在于：
当所述输入电流采样信号上升到到所述峰值参考信号时，控制所述上管关断；当所述输入电流采样信号下降到所述谷值参考信号时，控制所述上管导通；所述下管和所述上管互补导通。
3.根据权利要求1所述的无桥变换器功率因数校正方法，其特征在于：
所述第一电压和所述第二电压为预设的电压值，其中，所述第一电压的值设为大于零，所述第二电压的值设为小于零。
4.根据权利要求3所述的无桥变换器功率因数校正方法，其特征在于：所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值设为相等。
5.根据权利要求1所述的无桥变换器功率因数校正方法，其特征在于：
检测交流输入电源其中一端的电压并进行滤波，得到交流检测信号；
在所述下管导通期间，对无桥变换器母线电压进行采样保持，得到母线电压采样信号；
将所述母线电压采样信号和参考电压进行误差放大，得到误差放大信号；
根据所述交流检测信号和所述误差放大信号得到所述第一控制信号。
6.根据权利要求5所述的无桥变换器功率因数校正方法，其特征在于：将所述交流检测信号相移180度得到第一交流电压；将所述第一交流电压和所述误差放大信号相乘，得到所述第一控制信号。
7.根据权利要求1或2所述的无桥变换器功率因数校正方法，其特征在于：所述第一桥臂的中间节点设置为参考地，在所述第一桥臂中间节点和输入电源之间连接第一电阻，通过采样第一电阻电压可得到所述输入电流采样信号。
8.一种无桥变换器功率因数校正电路，所述无桥变换器包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的中间节点和所述第二桥臂的中间节点之间连接交流输入电源和输入电感，所述第一桥臂包括相连的上管和下管，其公共连接端为所述第一桥臂的中间节点，交流输入电源经第一桥臂和第二桥臂整流后得到整流电压，其特征在于，包括：
第一控制信号产生电路，接收所述交流输入电源的电压信号和所述下管的开关时间，以产生第一控制信号；
峰值参考信号产生电路，接收第一电压和所述第一控制信号，选出其中的较大值最为峰值参考信号；
谷值参考信号产生电路，接收第二电压和第一控制信号，选出其中的较小值最为谷值参考信号；
比较电路，接收所述峰值参考信号、所述谷值参考信号和输入电流采样信号，根据所述峰值参考信号、所述谷值参考信号和输入电流采样信号控制所述上管和所述下管的开关状态。
9.根据权利要求8所述的无桥变换器功率因数校正电路，其特征在于：所述比较电路包括：
第一比较器，接收所述峰值参考信号和输入电流采样信号，输出第一比较信号；当所述输入电流采样信号上升到到所述峰值参考信号时，所述第一比较信号控制所述上管关断；
第二比较器，接收所述谷值参考信号和输入电流采样信号，输出第二比较信号；当所述输入电流采样信号下降到所述谷值参考信号时，所述第二比较信号控制所述上管导通；
所述下管和所述上管互补导通。
10.根据权利要求8所述的无桥变换器功率因数校正电路，其特征在于：所述第一电压和所述第二电压为预设的电压值，其中，所述第一电压的值设为大于零，所述第二电压的值设为小于零。
11.根据权利要求10所述的无桥变换器功率因数校正电路，其特征在于：所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值设为相等。
12.根据权利要求8所述的无桥变换器功率因数校正电路，其特征在于：所述第一控制信号产生电路包括：
采样保持电路，在所述下管导通期间，采样母线电压并保持，输出母线电压采样信号；
滤波电路，输入端连接交流输入电源其中一端，检测交流输入电压并进行滤波，输出交流检测信号；
误差放大器，接收所述母线电压采样信号和参考信号，输出误差放大信号；
第一控制电路，接收所述误差放大信号和所述交流检测信号，输出所述第一控制信号，所述第一控制信号控制开关管上管的开关状态。
13.根据权利要求12所述的无桥变换器功率因数校正电路，其特征在于：所述第一控制电路包括移相电路和乘法器，所述移相电路接收所述交流检测信号，将其相移180度后输出第一交流信号；所述乘法器将所述第一交流信号和所述误差放大信号相乘输出所述第一控制信号。
14.根据权利要求8或9所述的无桥变换器功率因数校正电路，其特征在于：所述第一桥臂的中间节点设置为参考地，在所述第一桥臂中间节点和输入电源之间连接第一电阻，通过采样第一电阻电压可得到所述输入电流采样信号。
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