CN114744867A - 一种并联交错crm模式的pfc升压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联交错CRM模式的PFC升压电路，包括单片机和复数条PFC支路；PFC支路的输入电容接在直流输入端的正负极之间，PFC电感的主绕组接在输入电容的正极与第一二极管的阳极之间；第一二极管的阴极接直流输出端的正极，阳极接MOS管的漏极，MOS管的源极接直流输入端的负极，直流输入端的负极与直流输出端的负极连接；单片机的驱动信号输出端通过MOS管驱动电路接MOS管的栅极，PFC电感的感应绕组接ZCD信号电路的输入端，ZCD信号电路的输出端接单片机的ZCD信号输入端。本发明可以实现开关管的零电流开通，开关管损耗小，可以使用普通的二级管，电路成本低，电路结构简单，控制简单、寿命长，稳定性高，并适合在大功率电源中应用。

Description

一种并联交错CRM模式的PFC升压电路
技术领域
本发明涉及AC-DC变换器，尤其涉及一种并联交错CRM模式的PFC升压电路。
背景技术
伴随着开关电源技术的高速发展，大功率电源得到了广泛的应用。大量的电设备首先通过AC-DC电力电子变换器将交流50Hz的市电电能转换成直流电能，然后对转换得到的直流电加以使用，而传统的二极管或者晶闸管AC-DC电力电子变换器会产生大量的谐波，造成电力环境的谐波污染和电能的浪费，并影响电网的安全运行，成为电力公害。为了维护提高电能质量和保证电力系统的稳定安全，许多国家和国际组织制定了IEC1000-3-2，IEC555-2.IEEE519等标准，对接入电网的电力电气设备的电流谐波进行了严格的限制。为了使输入电流谐波满载要求，必须加功率因数校正电路。PFC电路根据电感中的电流可以分为DCM,CRM,CCM模式，每一种模式各有优缺点。
DCM模式，因为控制简单，开关频率稳定，不需要电流检测，简单的PWM控制，但是输入电流不连续，峰值高，输入电流畸变大，所以常用在小功率场合。
CCM（平均电流型控制）模式，频率稳定，不需要斜波补偿，控制回路有电流滤波而对转导噪声不敏感。占空比接近于1，减少输入电流的死角。输入电流连续，电流纹波小。要检测电感电流，适合大功率场合应用。
CRM模式，介于DCM和CCM之间，这种模式通常采用变频的控制方式，采集升压电感的电流的过零信号，在电流过零时开通MOS管，降低了MOS管的损耗。控制要检测开关电流，因此控制系统对转导噪声很敏感。这种类型的控制方式，一般用于中等功率。
但是，传统的CRM模式的PFC升压电路结构和控制较为复杂，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电路结构简单，控制简单，成本低廉的并联交错CRM模式的PFC升压电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种并联交错CRM模式的PFC升压电路，包括直流输入端、直流输出端、输出电容、单片机控制电路和由单片机控制电路交错开关的复数条PFC支路，输出电容接在直流输出端的正负极之间；PFC支路包括输入电容、PFC电感、第一二极管、MOS管、MOS管驱动电路和ZCD信号电路；输入电容接在直流输入端的正负极之间，PFC电感的主绕组的第一端接输入电容的正极，第二端接第一二极管的阳极；第一二极管的阴极接直流输出端的正极，第一二极管的阳极接MOS管的漏极，MOS管的源极接直流输入端的负极，直流输入端的负极与直流输出端的负极连接；单片机控制电路的驱动信号输出端通过对应的MOS管驱动电路接MOS管的栅极，PFC电感的感应绕组接ZCD信号电路的输入端，ZCD信号电路的输出端接单片机控制电路对应的ZCD信号输入端。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，PFC支路包括电流互感器和CS信号检测电路；第一二极管的阳极接电流互感器主绕组的第一端，电流互感器主绕组的第二端接MOS管的漏极；电流互感器的感应绕组接CS信号检测电路的输入端，CS信号检测电路的输出端接单片机控制电路对应的CS信号输入端。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，包括第二二极管，直流输入端的正极接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极接直流输出端的正极。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，MOS管驱动电路包括PNP三极管、第三二极管、栅极电阻、发射极电阻和信号电阻，MOS管的栅极通过栅极电阻接直流输入端的负极、PNP三极管的集电极接直流输入端的负极；单片机控制电路的驱动信号输出端通过信号电阻接PNP三极管的基极，PNP三极管的基极接第三二极管的阳极，第三二极管的阴极接MOS管的栅极；PNP三极管的发射极通过发射极电阻接MOS管的栅极。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，ZCD信号电路包括第一电阻分压电路、第二电阻分压电路和比较器；PFC电感的主绕组的第一端为同名端，第一电阻分压电路的一端接PFC电感感应绕组的同名端，另一端接地，第一电阻分压电路的输出端接比较器的同相输入端；第二电阻分压电路的一端接PFC电感感应绕组的异名端，另一端接地，第二电阻分压电路的输出端接比较器的反相输入端；比较器的输出端作为ZCD信号电路的信号输出端接单片机控制电路对应的ZCD信号输入端。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，电流互感器主绕组的第一端为异名端，第二端为同名端；C信号检测电路包括第四二极管、第一电阻、第三电阻分压电路和第四电阻分压电路，电流互感器感应绕组的异名端接第四二极管的阳极，第三电阻分压电路的第一端和第四电阻分压电路的第一端接第四二极管的阴极；第三电阻分压电路的第二端和第四电阻分压电路的第二端接电流互感器感应绕组的同名端，第三电阻分压电路的输出端接单片机控制电路的逐周期电流检测信号输入端，第四电阻分压电路的输出端接单片机控制电路的电流环路控制信号输入端。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，包括两个双串联开关二极管，电流互感器感应绕组的同名端接地，双串联开关二极管的阳极接地，阴极接低压直流电源的正极；第一双串联开关二极管的中间连接点接第三电阻分压电路的输出端，第二双串联开关二极管的中间连接点接第四电阻分压电路的输出端。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，并联交错CRM模式的PFC升压电路的工作过程包括以下步骤：
801）整流储能：单片机控制电路发出某一条PFC支路的驱动信号为高电平时，对应的MOS管导通，电流从直流输入端正极依次流过该PFC支路的PFC的电感主绕组、电流互感器主绕组和MOS管，回到直流输入端的负极，整流能量存储该PFC支路的PFC电感的主绕组中；
802）升压输出：当单片机控制电路发出的该 PFC支路的驱动信号转为低电平时，对应MOS管从导通变成截止；对应的MOS管关断时，对应PFC电感主绕组的续流电流经第一二极管向输出电容充电完成了一次PFC的升压输出的过程。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，当PFC电感感应绕组的同名端的电压为正，异名端的电压为负时比较器的输出端输出高电平信号，比较器的输出的高电平信号输送到单片机控制电路，单片机控制电路检测到ZCD的上升沿，通过计算来实现对MOS管的开通和关断。
以上所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，当MOS管的导通时，电流互感器感应绕组的同名端为负、异名端的电压为正，同名端的电压为负，CS信号检测电路向单片机控制电路输出两个电压信号，由单片机控制电路进行逐周期电流信号检测和电流环路控制。
本发明可以实现开关管的零电流开通，开关管损耗小，升压二极管不存在电流反向恢复，可以使用普通的二级管，降低成本；本发明电路结构简单，控制简单，成本低廉，效率高，PF值和电流谐波小，输入和输出电流纹波小，产品使用寿命长，产品的稳定性高，并适合在大功率电源中应用。
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PFC升压电路的主功率电路图。
图2是本发明实施例三条PFC支路的ZCD信号电路的电路图。
图3是本发明实施例三条PFC支路的CS信号检测电路的电路图。
具体实施方式
本发明实施例三相并联交错控制、CRM模式的PFC升压电路的结构和原理如图1至图3所示，包括直流输入端VIN+和VIN-，直流输出端VOUT+，第二二极管D2，4个输出大电解电容(输出电容)C117、C23、C63 和C60，单片机控制电路和由单片机控制电路按120°交错开关的三条PFC支路，输出电容C117、C23、C63和C60并接在直流输出端的正负极之间。直流输入端的正极VIN+接第二二极管(防浪涌二极管)D2的阳极，第二二极管D2的阴极接直流输出端的正极VOUT+。直流输入端的负极VIN-与直流输出端的负极连接。直流输入端VIN+和VIN-的电压由单相交流输入，经过EMI和桥式整流后得到。
三条PFC支路并接，虽然三条PFC支路元器件的命名不同，但它们的结构和控制方法相同，其区别仅在于单片机控制电路对三条PFC支路按120°的相位差进行交错开关控制，下面仅以第一PFC支路(A相)为例对三条PFC支路的结构和原理进行描述，另外两条PFC支路结构和原理的描述省略。
第一PFC支路包括输入电容C35、PFC电感、第一二极管D158、MOS管Q86、MOS管驱动电路、电流互感器、ZCD信号电路和和CS信号检测电路。
输入电容C35接在直流输入端的正极VIN+与负极VIN-的之间，PFC电感的主绕组L12-A的第一端（同名端）接输入电容C35的正极，第二端（异名端）接第一二极管D158的阳极。第一二极管D158的阴极接直流输出端的正极VOUT+，第一二极管D158的阳极接电流互感器主绕组CT2-B的第一端（异名端），电流互感器主绕组CT2-B的第二端（同名端）接MOS管Q86的漏极。MOS管Q86的源极接直流输入端的负极VIN-。单片机控制电路的驱动信号输出端通过对应的MOS管驱动电路接MOS管Q86的栅极，PFC电感的感应绕组L12-B接ZCD信号电路的输入端。
MOS管驱动电路包括PNP三极管Q75、第三二极管D26、栅极电阻R343、发射极电阻R329和信号电阻R299，MOS管Q86的栅极通过栅极电阻R343接直流输入端的负极VIN-、PNP三极管Q75的集电极接直流输入端的负极VIN-。单片机控制电路驱动信号PFCIRVAR的输出端通过信号电阻R299接PNP三极管Q75的基极，PNP三极管Q75的基极接第三二极管D26的阳极，第三二极管D26的阴极接MOS管Q86的栅极。PNP三极管Q75的发射极通过发射极电阻R329接MOS管Q86的栅极。
第一PFC支路的ZCD信号电路包括由电阻R251、R83、R257组成的第一电阻分压电路，由电阻R256、R101、R260组成的第二电阻分压电路和比较器U22-A。第一电阻分压电路的第一端（R251和R83）接PFC电感感应绕组L12-B的同名端，另一端（R257）接地，第一电阻分压电路的输出端（电阻R251、R83与电阻R257的连接点）接比较器U22-A的同相输入端。第二电阻分压电路的第一端（R256和R101）接PFC电感感应绕组L12-B的异名端，另一端（R260）接地，第二电阻分压电路的输出端（电阻R256、R101与R260的连接点）接比较器U22-A的反相输入端。比较器U22-A的输出端通过电阻R133,作为ZCD信号电路的信号输出端接单片机控制电路对应的ZCD信号输入端ZCDA。
第一PFC支路的CS信号检测电路包括第四二极管D50，由电阻R2和R5并联组成的第一电阻，由电阻R478和R479串联组成的第三电阻分压电路，由电阻R90和R98串联组成的第四电阻分压电路、双个双串联开关二极管D148和D62。电流互感器感应绕组CT2-A的异名端接第四二极管D50的阳极，电流互感器感应绕组CT2-A的同名端接地。第三电阻分压电路的第一端（电阻R478的一端）和第四电阻分压电路的第一端（电阻R90的一端）都接第四二极管D50的阴极。第三电阻分压电路的第二端（电阻R479的一端）和第四电阻分压电路的第二端（电阻R98的一端）接电流互感器感应绕组CT2-A的同名端（地），第三电阻分压电路的输出端（电阻R478与R479的连接点）接单片机控制电路的逐周期电流检测信号输入端PFCDRVA，第四电阻分压电路的输出端（电阻R90与R98的连接点）接单片机控制电路的电流环路控制信号输入端PFCISA。两个双串联开关二极管D148和D62的阳极接地，阴极接低压直流电源的正极PMCU_3.3V。第一双串联开关二极管D148的中间连接点接第三电阻分压电路的输出端，第二双串联开关二极管D62的中间连接点接第四电阻分压电路的输出端。
本发明以上实施例并联交错CRM模式的PFC升压电路的工作过程如下：
单片机发出的驱动信号经过驱动电路输出的PFCDRVA信号。当PFCDRVA为高电平时，可以驱动MOS管Q86导通，此时的电流流向为：直流输入端正极VIN+流到A相PFC电感主绕组L12-A的同名端1，再到异名端2，流过PFC电感主绕组L12-A后再流向电流互感器的主绕组CT-2B的异名端3，再从同名端4流出，电流流到MOS管 Q86的2脚漏极再从3脚源极流出回到直流输入端负极VIN-。这个过程为PFC的一个整流过程，整流能量存储在PFC电感的主绕组L12-A中。
以上所述的三相交错CRM模式的PFC升压电路的整流过程，当单片机停止发驱动信号，这个时刻PFCDRVA信号为低电平信号，MOS管Q86从导通变成截止状态，此时电流不能流过MOS管，也不能流过电流互感器CT2-B。在MOS导通的时候PFC电感主绕组L12-A的电感上同名端1为正，异名端2为负。由于MOS管的突然关断，电流不能突变，这个时候PFC电感主绕组L12-A的同名端1为负，异名端2为正。L12-A电感的异名端2流向第一二极管（整流二极管）D158的阳极1，从阴极2流出，到大电解电容C177、C23、C63、C60的正极储能和滤波，通过负载RL在到直流输入端负极VIN-,直流输入端负极VIN-再到直流输入端正极VIN+然后再到L12-A电感同名端1，这个过程就完成了一次PFC的升压的过程。
以上所述的三相交错CRM模式的PFC A相的整流和升压过程，B相PFC和C相PFC的整流和升压过程，与A相PFC的原理是一样的，也是通过单片机控制驱动信号来开通和关断B相的MOS管Q21和C相的MOS管Q8，不同点仅在于A相B相C相在空间上相位彼此之间相差120°。
以上所述的三相交错CRM模式的PFC整流和升压过程，现在需要一个检测零电电流信号ZCD,让ZCD信号来控制单片机的驱动发波与不波，从而进一步控制MOS管的开通和关断。
还是以第一PFC支路(A相)为例，L12-B为PFC电感的主绕组L12-A的感应绕组，用来感应主绕组上的电流流向以及电流过零点，这里主要是用来检测电流过零点，通过感应绕组L12-B同名端电流的变化，提供一个ZCD信号给到主控制单片机，单片机检测到ZCD的上升沿，通过计算来实现对MOS管的开通和关断。
当L12-B的同名端3脚为正，L12-B的异名端4脚为负时，L12-B的3脚的信号经过电阻R83和R257的分压，再经过电阻R233输入比较器U22-A的同相输入引脚3，比较器U22-A的3脚为高电平信号。L12-B的4脚的信号经过电阻R101和R260的分压，再经过电阻R237输入比较器U22-A的反相输入引脚2，比较器U22-A的2脚为低电平信号;比较器U22-A的同相输入引脚比反向输入引脚的电平高，比较器U22-A的输出引脚1为高电平，信号经过电阻R133送到单片机。单片机检测到ZCD的上升沿，通过计算来实现对MOS管的开通和关断。
A相ZCD信号电路、B相ZCD信号电路和C相ZCD信号电路，通过各自的感应绕组L12-B、L6-B和L30-B以及对应的电路，输出各自的ZCD信号，从而实现对应主功率MOS管的开通。
CS信号检测电路，实现电流CYCLE BY CYCLE（逐周期）检测。同样也以A相为例进行说明，CT2-A为电流互感器主绕组CT2-B的感应绕组，感应绕组与主绕组的匝比为200:1，CT2-A的1脚为异名端，2脚为同名端。当A相MOS管Q86导通时，CT2-B 3脚异名端为正，4脚同名端为负，所以CT2-B (A)1脚（异名端）为正，2脚（同名端）为负。1脚为正时，电流信号经过二极管D50,电阻R2和R5回到2脚，电流流过电阻R2和R5时产生一个电压信号，经过电阻R478和R479的分压，形成过功率电压信号，通过IPFCCS-OPP引脚信号送到单片机，单片机把采样到的IPFCCS-OPP信号与基准电压进行对比，如过功率电压信号高于基准电压，则停止发送驱动信号。 电流流过电阻R2和R5时产生的电压信号经过电阻R98和R90的分压，把PFCISA电压信号送入单片机，单片机将采集到的PFCISA信号送入进电流误差补偿器进行处理，将处理之后的结果给到PWM脉宽调制器模块，用来控制MOS管的驱动。
B相和C相CS信号检测电路的信号处理过程与A相一样，不同之处是，A相为主路，B相和C相从相。控制相位相差120°。A相与B相错开120°，B相与C错开120°，C相与A错开120°。
本发明以上实施例可以实现开关管的零电流开通，开关管损耗小，升压二极管（整流二极管）不存在电流反向恢复，可以不必使用价格较昂贵的碳化硅二极管，可以改用普通的二级管，降低成本。本发明以上实施例电路结构简单，控制简单，成本低廉，效率高，热处理容易，电路工作稳定，PF值高，电流谐波小，输入和输出电流纹波小，产品使用寿命长，产品的稳定性高。
传统的CRM模式的PFC升压电路采用一般的BOOST拓扑结构，能够满足一些中小功率的应用场合，但是随着电力电子技术的不断发展，各种大功率电源等大功率等级电力电子装置被广泛使用，这些设备的功率等级不断的提高，使得对大功率PFC变换器的需求越来越旺盛。然而传统的PFC变换器由于自身拓扑结构的缺陷，限制了在其大功率的应用场合。本发明以上实施例的三相并联交错控制、CRM模式的PFC升压电路，可以很好的解决上述问题，它通过将多个CRM模式的PFC单元模块进行交错并联，组合成一个并联交错CRM模式的PFC变换器，使流过单个CRM模式的PFC模块的功率开关管的电流仅为变换器的输入电流的一部分，减小了单个功率管开关管的电流应力，提升了整个变换器的功率等级。在采用交错并联CRM模式技术的BOOST PFC变换器中，每个开关管工作处于交错开关状态，流过每一个电感的纹波电流相互错开一定相位。当各个PFC单元模块的电感电流纹波叠加时会相互抵消一部分，使得总的输入电流纹波幅值减小，降低了EMI(电磁干扰)和滤波器的设计难度。

Claims (10)

1.一种并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，包括直流输入端、直流输出端、输出电容、单片机控制电路和由单片机控制电路交错开关的复数条PFC支路，输出电容接在直流输出端的正负极之间；PFC支路包括输入电容、PFC电感、第一二极管、MOS管、MOS管驱动电路和ZCD信号电路；输入电容接在直流输入端的正负极之间，PFC电感的主绕组的第一端接输入电容的正极，第二端接第一二极管的阳极；第一二极管的阴极接直流输出端的正极，第一二极管的阳极接MOS管的漏极，MOS管的源极接直流输入端的负极，直流输入端的负极与直流输出端的负极连接；单片机控制电路的驱动信号输出端通过对应的MOS管驱动电路接MOS管的栅极， PFC电感的感应绕组接ZCD信号电路的输入端，ZCD信号电路的输出端接单片机控制电路对应的ZCD信号输入端。
2.根据权利要求1所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，PFC支路包括电流互感器和CS信号检测电路；第一二极管的阳极接电流互感器主绕组的第一端，电流互感器主绕组的第二端接MOS管的漏极；电流互感器的感应绕组接CS信号检测电路的输入端，CS信号检测电路的输出端接单片机控制电路对应的CS信号输入端。
3.根据权利要求1所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，包括第二二极管，直流输入端的正极接第二二极管的阳极，第二二极管的阴极接直流输出端的正极。
4.根据权利要求2所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，MOS管驱动电路包括PNP三极管、第三二极管、栅极电阻、发射极电阻和信号电阻，MOS管的栅极通过栅极电阻接直流输入端的负极、PNP三极管的集电极接直流输入端的负极；单片机控制电路的驱动信号输出端通过信号电阻接PNP三极管的基极，PNP三极管的基极接第三二极管的阳极，第三二极管的阴极接MOS管的栅极；PNP三极管的发射极通过发射极电阻接MOS管的栅极。
5.根据权利要求4所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，ZCD信号电路包括第一电阻分压电路、第二电阻分压电路和比较器；PFC电感的主绕组的第一端为同名端，第一电阻分压电路的一端接PFC电感感应绕组的同名端，另一端接地，第一电阻分压电路的输出端接比较器的同相输入端；第二电阻分压电路的一端接PFC电感感应绕组的异名端，另一端接地，第二电阻分压电路的输出端接比较器的反相输入端；比较器的输出端作为ZCD信号电路的信号输出端接单片机控制电路对应的ZCD信号输入端。
6.根据权利要求4所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，电流互感器主绕组的第一端为异名端，第二端为同名端；CS信号检测电路包括第四二极管、第一电阻、第三电阻分压电路和第四电阻分压电路，电流互感器感应绕组的异名端接第四二极管的阳极，第三电阻分压电路的第一端和第四电阻分压电路的第一端接第四二极管的阴极；第三电阻分压电路的第二端和第四电阻分压电路的第二端接电流互感器感应绕组的同名端，第三电阻分压电路的输出端接单片机控制电路的逐周期电流检测信号输入端，第四电阻分压电路的输出端接单片机控制电路的电流环路控制信号输入端。
7.根据权利要求6所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，包括两个双串联开关二极管，电流互感器感应绕组的同名端接地，双串联开关二极管的阳极接地，阴极接低压直流电源的正极；第一双串联开关二极管的中间连接点接第三电阻分压电路的输出端，第二双串联开关二极管的中间连接点接第四电阻分压电路的输出端。
8.根据权利要求4所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，并联交错CRM模式的PFC升压电路的工作过程包括以下步骤：
801）整流储能：单片机控制电路发出某一条PFC支路的驱动信号为高电平时，对应的MOS管导通，电流从直流输入端正极依次流过该PFC支路的PFC的电感主绕组、电流互感器主绕组和 MOS管，回到直流输入端的负极，整流能量存储该PFC支路的PFC电感的主绕组中；
802）升压输出：当单片机控制电路发出的该 PFC支路的驱动信号转为低电平时，对应MOS管从导通变成截止；对应的MOS管关断时，对应PFC电感主绕组的续流电流经第一二极管向输出电容充电完成了一次PFC的升压输出的过程。
9.根据权利要求5所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，当PFC电感感应绕组的同名端的电压为正，异名端的电压为负时比较器的输出端输出高电平信号，比较器的输出的高电平信号输送到单片机控制电路，单片机控制电路检测到ZCD的上升沿，通过计算来实现对MOS管的开通和关断。
10.根据权利要求6所述的并联交错CRM模式的PFC升压电路，其特征在于，当MOS管的导通时，电流互感器感应绕组的同名端为负、异名端的电压为正，同名端的电压为负，CS信号检测电路向单片机控制电路输出两个电压信号，由单片机控制电路进行逐周期电流信号检测和电流环路控制。
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