CN116404865B - 功率因数校正电路的控制方法及该功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率因数校正电路的控制方法及该功率因数校正电路，所述功率因数校正电路包括整流电路和第一电路，交流输入电压经所述整流电路和输入电容后得到母线电压；所述第一电路包括相连接的上开关管、下开关管、第一开关管及谐振电路，所述上开关管和所述下开关管的公共连接端连接谐振电路第一端，所述谐振电路第二端连接所述第一开关管和所述整流电路的公共连接端；将输出反馈信号和参考信号进行误差放大得到第一误差信号，根据所述母线电压和所述交流输入电压经整流后得到的半波电压产生第一系数，根据所述第一误差信号和所述第一系数得到第一补偿信号以控制所述第一开关管。本发明可以实现较好的功率因数校正，降低电力器件的应力。

Description

功率因数校正电路的控制方法及该功率因数校正电路

技术领域

本发明涉及PFC控制领域，特别涉及一种PFC电路的控制方法及该PFC电路。

背景技术

如图1所示，无源电荷泵PFC技术中，包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和谐振电容C1所在的谐振电路，假定谐振电路电流的平均值为Ires=Io/Nps，其中，Io为输出电流，Nps为图1中变压器的匝比；谐振电容C1每次要从0V充电至Vbus-Vin(x)之后钳位在Vbus-Vin(x)，直至输入电流换相。平均充电电流为Ic=C1×(Vbus-Vin(x))×Fs，很容易推得：

Iin=Ires-Ic=Io/Nps-C1×(Vbus-Vin(x))×Fs；

当C1的容值满足Io/Nps=C1×Vbus×Fs时，Iin=C1×Vin(x)×Fs，输入电流为正弦波，能获得好的功率因数效果；

根据输入输出功率Pin=Virms×Iinrms=Po/Effi，

即C1×Virms×Fs×Virms=C1×Vbus×Fs×Nps×Vo/Effi，Vo=Virms^2/Vbus/Nps×Effi；

其中，Vin(x)、Vbus分别为输入电压和母线电压，Virms、Iinrms分别为输入电压的有效值和输入电流的有效值，Fs为电容C1的充电频率，Effi为输出效率。

根据上述分析，在同样的输入电压条件下，Vbus和Vo成反比关系，这就意味着当输出电压较低时，母线电压将会非常高，器件应力非常大，这是无源电荷泵的致命缺陷。另外，当输入电压变化，Iin会变化，Vbus会变化，那么输入电流就无法继续维持正弦，影响功率因数校正的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率因数校正电路的控制方法及该功率因数校正电路，可以调节输入电流的大小使得输入电流接近正弦波，达到较好的功率因数校正的目的，还可以调节稳定母线电压，避免功率器件应力过大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种功率因数校正电路的控制方法，所述功率因数校正电路包括整流电路、输入电容和第一电路，交流输入电压经所述整流电路和所述输入电容后得到母线电压；所述第一电路包括相连接的上开关管、下开关管、第一开关管及谐振电路，所述上开关管和所述下开关管的公共连接端连接谐振电路第一端，所述谐振电路第二端连接所述第一开关管和所述整流电路的公共连接端，

将输出反馈信号和参考信号进行误差放大得到第一误差信号；

根据所述母线电压和所述交流输入电压经整流后得到的半波电压产生第一系数，根据所述第一误差信号和所述第一系数得到第一补偿信号以控制所述第一开关管。

可选的，根据所述第一误差信号和所述第一系数的乘积得到所述第一补偿信号。

可选的，根据所述母线电压和所述半波电压的差值与所述母线电压的比值得到第一比值，根据所述第一比值产生所述第一系数。

可选的，根据所述第一比值与所述第二系数的乘积得到所述第一系数；其中，根据所述母线电压、母线参考电压和偏离系数得到所述第二系数。

可选的，所述第二系数设置为，其中，Vbus为母线电压，Vbus_ref为母线参考电压，Kd为所述偏离系数。

可选的，所述偏离系数设置为小于1的常数。

可选的，所述第二系数的峰值大于0.5且小于2。

可选的，将所述第一补偿信号和第一斜坡信号进行比较以控制所述第一开关管；将所述第一误差信号和所述第一斜坡信号进行比较以控制所述上开关管和所述下开关管。

可选的，将母线电压和母线参考电压进行误差放大得到第二误差信号；根据所述第二误差信号和所述半波电压的乘积产生第二补偿信号以控制所述上开关管和所述下开关管；根据所述第二补偿信号产生所述第一系数，根据所述第一系数、所述第一误差信号、所述半波电压和所述母线电压得到所述第一补偿信号。

可选的，根据所述第二误差信号和所述半波电压的乘积与第一电压之和得到所述第二补偿信号；其中，根据所述第一误差信号和偏置电压的差值得到所述第一电压。

可选的，设置所述第一补偿信号为，其中，Lm为谐振电感值、Lr为漏感值、Cr为谐振电容值、Vbus为母线电压、Vcr为谐振电容值、Vre为半波电压、Vc1为第一误差信号、Vc2为第二误差信号、ic为给定的第一电流。

可选的，将所述第一补偿信号和第一斜坡信号进行比较以控制所述第一开关管；将所述第二补偿信号和所述第二斜坡信号进行比较以控制所述上开关管和所述下开关管，其中，根据母线电流产生所述第二斜坡信号。

本发明还提供一种功率因数校正电路，包括，相连接的上开关管和下开关管、第一开关管及谐振电路，所述上开关管和所述下开关管的公共连接端连接谐振电路第一端，所述谐振电路第二端连接所述第一开关管和所述整流电路的公共连接端；

所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容和变压器原边绕组，所述谐振电感、所述谐振电容和所述变压器原边绕组串联；

控制电路，采用以上任意一种所述的控制方法，控制所述第一开关管、所述上开关管和下开关管的开关状态。

与现有技术相比，本发明之技术方案具有以下优点：引入有源的第一开关管设置功率因数校正电路，在工频输入的不同位置，可以控制第一开关管的导通时间，使得输入电流接近正弦波，达到较好的功率因数校正的目的；可以通过控制第一开关管的平均导通时间来调节稳定母线电压，避免器件应力过大。

附图说明

图1为现有的一种功率因数校正电路原理图；

图2为本发明的一种功率因数校正电路原理图；

图3为本发明功率因数校正电路的控制电路实施例一原理图；

图4为本发明功率因数校正电路的控制电路实施例二原理图；

图5为本发明另一种功率因数校正电路原理图；

图6为本发明功率因数校正电路的电流波形图。

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范围上做的替代、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，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图2所示，示意了本发明功率因数校正电路实施例一原理图，包括整流电路、输入电容Cbus、第一电路和第一开关管M3；第一电路包括桥式开关管和谐振电路，所述桥式开关管包括相连接的上开关管M1和下开关管M2，谐振电路包括谐振电感Lr、谐振电容Cr和变压器T原边绕组连接成的串联电路，所述上开关管M1和所述下开关管M 2的公共连接端连接所述谐振电路第一端；第一开关管M3第一端连接谐振电路第二端与整流电路的公共连接端，第一开关管M3第二端连接参考地；变压器T副边连接二极管D2、输出电容Cout和负载。该功率因数校正电路的工作原理如下，以交流输入电压位于正半波电压时为例，该校正电路有以下几个工作阶段：

第一阶段：上开关管M1导通，下开关管M2关断，第一开关管M3导通，输入电容Cbus放电，谐振电感Lr、谐振电容Cr充电，电流流经输入电容Cbus、上开关管M1、谐振电感Lr、变压器原边、谐振电容Cr、第一开关管M3、参考地；

第二阶段：上开关管M1导通，下开关管M2关断，第一开关管M3关断，谐振电感Lr续流，电流流经上开关管M1、谐振电感Lr、变压器原边、谐振电容Cr、整流桥、电网；

第三阶段，上开关管M1关断，下开关管M2导通，第一开关管M3关断，谐振电感Lr继续续流，电流流经下开关管M2、谐振电感Lr、变压器原边、谐振电容Cr、整流桥、电网、输入电容Cbus、参考地；

第四阶段，上开关管M1关断，下开关管M2导通，第一开关管M3关断，电感电流续流到零，电流反向，电流流经第一开关管M3的体二极管、谐振电容Cr、变压器原边、谐振电感Lr、下开关管M2、参考地；

第五阶段，上开关管M1导通，下开关管M2关断，第一开关管M3导通，电流反向，电感电流续流，电流流经第一开关管M3、谐振电容Cr、变压器原边、谐振电感Lr、上开关管M1、输入电容Cbus、参考地。

根据功率因数校正电路以上的工作方式可知，当谐振电感Lr电流充电时，控制第一开关管M3的导通时间，可以控制通过整流桥和输入电网Vin给输入电容Cbus的电流大小，开关管M3导通时间越长，给电容Cbus充电的电流越小，反之，开关管M 3导通时间越短，给电容Cbus充电的电流越大。当开关管M 3的导通时间处于某个值，输入电容Cbus的充电和放电电流相等，输入电容Cbus电压处于稳态。因此，控制开关管M3的导通时间，可以限制和稳定输入电容Cbus的电压，避免电路器件过应力。本发明设置控制电路来控制第一开关管M3和桥式整流管协同工作，控制电路根据母线电压Vbus和交流输入电压Vin整流后得到的半波电压Vre得到第一系数K，将输出反馈信号FB和第一参考电压进行误差放大得到所述第一误差信号Vc1，根据第一系数K与第一误差信号Vc1控制第一开关管M3的导通时间；本发明具体的控制电路有两个实施例分别见图3和图4。

如图3所述，示意了本发明的控制电路的其中一个实施例，包括第一控制电路、第二控制电路和误差放大电路U101，第一控制电路包括乘法器U103 、第一系数产生电路U102、斜坡发生器U104、比较器U105和驱动器U106，第二控制电路包括比较器U107和驱动器U108；误差放大电路U101将输出反馈电压FB和参考电压Vref误差放大得到第一误差信号Vc1，第一系数产生电路U102产生第一系数K，乘法器U103将第一系数K和第一误差信号Vc1相乘，得到补偿信号Vcomp；斜坡发生器U104产生斜坡信号Vramp，比较器U105将补偿信号Vcomp和斜坡信号Vramp进行比较，当斜坡信号Vramp上升到补偿信号Vcomp时控制第一开关管M3关断。比较器U107将第一误差信号Vc1和斜坡信号Vramp进行比较，用于控制桥式开关管M1和M2，当斜坡信号Vramp上升到第一误差信号Vc1时，控制上开关管M1关断；上开关管M1和下开关管M2互补工作，下开关管M2关断后，上开关管M1导通，上开关管M1关断后时，下开关管M2导通。

本发明的第一系数产生电路U102产生的第一系数K决定了第一开关管M3的导通时长，通过设定第一系数K的大小使得输入电容Cbus的充电和放电电流平衡，输入电容Cbus电压处于稳态，避免母线电压Vbus过大，电力器件应力过大而损坏器件，同时避免母线电压过小不满足输出需求；关于第一系数K可根据母线电压Vbus和交流输入电压整流后得到的半波电压Vre进行设置，具体的有如下设置方式：

采用单环控制，结构简单；给定第一开关管M3和桥式开关管之上开关管M1的导通时间关系：Ton_3=K×Ton_1，其中，Ton_3为开关管M3的导通时间，Ton_1为上开关管M1的导通时间；

对第一开关管M3和上开关管M1的控制可均有输出环路直接参与，因此可以具有很好的输出纹波和动态特性；为简化控制，给定第一系数K满足以下关系式：

K=(Vbus-Vre)/Vbus（1）；

其中，，为交流输入电压整流后的半波电压，Virms为交流输入电压的峰值电压。

在电网电压过零附近，交流输入电压接近零电压，此时，K=1，第一开关管M3的导通时长与上开关管M1的导通时长相等，输入电流可以近似正弦波，可以满足谐波标准要求。也可以对整流后的半波电压进行适应性的的调整，例如将整流后的半波电压与一个调节系数K1相乘得到新的半波电压Vre，有，可以将Vre代入的到式（1）中；

根据式（1），当母线电压Vbus过高时，第一系数K会增大，相应的输入电流的导通时长就会减少，进而平衡母线电压，反之亦然。

为了进一步限制母线电压的变化范围，可以对式（1）的得到的第一系数进行进一步的调整，即进一步放大母线电压对第一系数的修正，得到：

（2）；

其中，，Kd为设定的小于1母线偏离系数如25%，同时Kb有幅值限定，可设置介于0.5-2之间，具体根据需要进行设置，如此设置的Kb可进一步压缩母线电压的变化范围；

该实例例采用单环控制，控制策略简单，母线电压受控，可以限制母线电压范围，降低电路器件的应力；给定第一开关管M3和上开关管M1的导通时间关系，中包含输入电压正弦波信息，在此控制方案下，输入电压接近正弦波，实现较好的功率因数校正效果。

如图4所示，示意了本发明控制电路的第二个实施例，该实施例采用包括电流环和电压环在内的双环控制，包括第一误差放大电路U101、第二误差放大电路U102、第一控制电路和第二控制电路，第一控制电路包括运算电路U103、比较器U105和驱动器U107，第二控制电路包括乘法器U104、加法器U108、比较器U109和驱动器U110；

第一误差放大电路U101将输出反馈电压FB和第一参考电压Vref误差放大得到第一误差信号Vc1，运算电路U103根据第一误差信号Vc1和第二补偿信号Vcomp2（第二补偿信号作为第一系数K）得到第一补偿信号Vcomp1；在第一开关管M3导通后，给定电流ic给一个电容C充电产生第一斜坡信号Vramp1；比较器U105将第一补偿信号Vcomp1和第一斜坡信号Vramp1进行比较，当第一斜坡信号Vramp1上升到第一补偿信号Vcomp1时控制第一开关管M3关断。第二误差放大电路U102将母线电压Vbus和母线参考电压Vbus_ref进行误差放大得到第二误差信号Vc2，输入电压Vin整流后得到的半波电压Vre，对该半波电压进行调整得到K2×Vre（K2为调节系数），乘法器U102将K2×Vre与第二误差信号Vc2相乘得到第三电压V3=Vc2×K2×Vre，将第三电压V3叠加第四电压V4得到第二补偿信号Vcomp2，母线电流i_b给电容充电产生第二斜坡信号Vramp2，比较器U109将第二补偿信号Vcomp2和第二斜坡信号Vramp2进行比较通过驱动器控制桥式开关管的上开关管M1和下开关管M2。关于对桥式开关管上开关管M1的控制，使得输入电荷满足Qin=i_b×Ton1_3=Cr×Vcomp2=Cr×Vc2×K2×Vre，其中，Ton1_3为第一电路中t1-t3时间段（参见图6），Cr为谐振电容大小，由于输入电流Iin=Qin/Ts，假设开关周期Ts基本固定，则输入电流跟踪输入电压，进而实现较好的功率因数校正；

该控制电路实例2中，对第四电压V4的产生方式做如下说明：一种实施例中，第四电压V4设置为0，即第三电压V3作为第二补偿信号Vcomp2；另一种实施例中，为改善输出特性，对桥式开关管上开关管M1和下开关管M2的控制引入输出环路控制量第一误差信号Vc1，可以抑制输出纹波和改善动态特性，即设置V4=Vc1-Vc1_th，则有

Vcomp2=Vc2×K2×Vre+Vc1-Vc1_th（3）；

其中，Vc1_th为第一误差信号的偏置量。

该控制电路实例2中，对运算电路U103的运算方式做如下说明：根据功率因数校正电路的工作过程和器件参数对功率因数校正的影响，通过引入电路器件参数来设置第一开关管M3的导通时间，使得输入电容Cbus的充电和放电电流平衡，输入电容Cbus电压处于稳态，避免母线电压Vbus过大，电力器件应力过大而损坏器件，同时避免母线电压过小不满足输出需求，具体的，运算电路U103的依照以下公式进行运算：

（4）；

其中，Lr、Lm分别为励磁电感和谐振电感的大小，Vbus、Vcr分别为母线电压和谐振电容的电压，ic为给定的电流、Cr为谐振电容的大小，Vc1为第一误差信号，Vre为输入电压Vin整流后得到的半波电压，Vc2为第二误差信号；

该实例采用双环控制，母线电压控制和输出电压控制，可以稳定母线电压，降低电路器件的应力；通过控制桥式开关管可以使得输入电荷跟踪输入电压正弦波，在频率基本等同的条件下，输入电流基本能跟踪输入电压，实现较好的功率因数校正效果。本发明的上述控制对一定范围的输入电压和全输出负载范围均有效。

如图5所示，示意了本发明功率因数校正电路的另一种实施方式，电路的连接关系参照附图和关于对图2的说明，其工作原理与图2的工作原理一致，其工作方式再做简单的说明：

第一阶段：上开关管M1关断，下开关管M2导通，第一开关管M3导通，输入电容Cbus放电，谐振电感Lr、谐振电容Cr充电，电流流经输入电容Cbus、第一开关管M3、谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边、下开关管M2、参考地；

第二阶段：上开关管M1关断，下开关管M2导通，第一开关管M3关断，谐振电感Lr续流，电流流经谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边、下开关管M2、整流桥、电网；

第三阶段，上开关管M1导通，下开关管M2关断，第一开关管M3关断，谐振电感Lr继续续流，电流流经谐振电容Cr、谐振电感Lr、变压器原边、上开关管M1、输入电容Cbus、整流桥、电网；

第四阶段，上开关管M1导通，下开关管M2关断，第一开关管M3关断，电感电流续流到零，电流反向，电流流经第一开关管M3的体二极管、上开关管M1、变压器原边、谐振电感Lr、谐振电容Cr；

第五阶段，上开关管M1关断，下开关管M2导通，第一开关管M3导通，电感电流反向，电感电流续流，电流流经第一开关管M3、输入电容Cbus、下开关管M2、变压器原边、谐振电感Lr、谐振电容Cr。

如图6所示，示意了本发明功率因数校正电路的电流波形图，iLm为励磁电流，iLr为谐振电流，第一开关管M3和上开关管M1在t0时刻导通，第一开关管M3在t1时刻关断，t0-t1时刻iLm电流为输入电容Cbus的放电电流；上开关管M1在t2时刻关断，输入电流对应t1至t3区间的谐振电流；上开关管M1和第一开关管M3的开通同时，上开关管M1和下开关管M2为带死区的互补驱动；上开关管M1和第一开关管M3的关断受上述环路关系控制；M2的关断可以受频率周期控制或励磁电流到零。

除此之外，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 (9)

1.一种功率因数校正电路的控制方法，所述功率因数校正电路包括整流电路、输入电容和第一电路，交流输入电压经所述整流电路和所述输入电容后得到母线电压；所述第一电路包括相连接的上开关管、下开关管、第一开关管及谐振电路，所述上开关管和所述下开关管的公共连接端连接谐振电路第一端，所述谐振电路第二端连接所述第一开关管和所述整流电路的公共连接端，其特征在于：包括，

将输出反馈信号和参考信号进行误差放大得到第一误差信号；

根据所述母线电压和所述交流输入电压经整流后得到的半波电压产生第一系数，根据所述第一误差信号和所述第一系数的乘积得到第一补偿信号以控制所述第一开关管；

根据所述母线电压和所述半波电压的差值与所述母线电压的比值得到第一比值，根据所述第一比值与第二系数的乘积得到所述第一系数；其中，根据所述母线电压、母线参考电压和偏离系数得到所述第二系数；所述第二系数设置为，其中，Vbus为母线电压，Vbus_ref为母线参考电压，Kd为所述偏离系数。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述偏离系数设置为小于1的常数。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述第二系数的峰值大于0.5且小于2。

4.根据权利要求1-3任意一种所述的控制方法，其特征在于：将所述第一补偿信号和第一斜坡信号进行比较以控制所述第一开关管；将所述第一误差信号和所述第一斜坡信号进行比较以控制所述上开关管和所述下开关管。

5.一种功率因数校正电路的控制方法，所述功率因数校正电路包括整流电路、输入电容和第一电路，交流输入电压经所述整流电路和所述输入电容后得到母线电压；所述第一电路包括相连接的上开关管、下开关管、第一开关管及谐振电路，所述上开关管和所述下开关管的公共连接端连接谐振电路第一端，所述谐振电路第二端连接所述第一开关管和所述整流电路的公共连接端，其特征在于：包括，

将输出反馈信号和参考信号进行误差放大得到第一误差信号；

将母线电压和母线参考电压进行误差放大得到第二误差信号；

根据所述第二误差信号和所述交流输入电压经整流后得到的半波电压的乘积产生第二补偿信号以控制所述上开关管和所述下开关管；

根据所述第二补偿信号产生第一系数，根据所述第一系数、所述第一误差信号、所述半波电压和所述母线电压得到第一补偿信号以控制所述第一开关管。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：根据所述第二误差信号和所述半波电压的乘积与第一电压之和得到所述第二补偿信号；其中，根据所述第一误差信号和偏置电压的差值得到所述第一电压。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：设置所述第一补偿信号为，其中，Lm为谐振电感值、Lr为漏感值、Cr为谐振电容值、Vbus为母线电压、Vcr为谐振电容值、Vin_rc为半波电压、Vc1为第一误差信号、Vc2为第二误差信号、ic为给定的第一电流。

8.根据权利要求5-7任意一种所述的控制方法，其特征在于：将所述第一补偿信号和第一斜坡信号进行比较以控制所述第一开关管；将所述第二补偿信号和第二斜坡信号进行比较以控制所述上开关管和所述下开关管，其中，根据母线电流产生所述第二斜坡信号。

9.一种功率因数校正电路，其特征在于：包括，

相连接的上开关管和下开关管、第一开关管及谐振电路，所述上

开关管和所述下开关管的公共连接端连接谐振电路第一端，所述谐振电路第二端连接所述第一开关管和所述整流电路的公共连接端；

所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容和变压器原边绕组，所述谐振电感、所述谐振电容和所述变压器原边绕组串联；

控制电路，采用权利要求1-8任意一种所述的控制方法，控制所述第一开关管、所述上开关管和下开关管的开关状态。