CN201726326U - 一种带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，包括电源输入滤波电路、市电输入整流器、无源功率因数校正电路、DC/DC开关变换级。其中，无源功率因数校正电路包括储能电容C1、充电支路和放电支路，充电支路和放电支路分别为储能电容C1提供充电和放电回路。当市电输入整流器输出的单向正弦波电压V[t]低于给定值V时，放电支路开启，充电支路关闭，储能电容C1开始对DC/DC变换级放电，当V[t]高于给定值V时，充电支路开启，放电支路关闭，储能电容C1结束放电，等待充电。控制给定值V，便可控制市电输入整流器的导通时间，从而控制输入功率因数值。本实用新型可以同时满足多种国际规范要求，并且电路简单、效率高、可靠性强、成本低。

Description

一种带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源
技术领域
本实用新型涉及电源技术领域，具体地说是一种带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源。
背景技术
目前，在电源技术领域中，相关的国际规范对于电源能效要求越来越高，例如，EPA(Environmental Protection Agency，美国环保署)制定的并于2008年11月1日开始生效的EPA2.0版规范，将大于49瓦的外部电源的效率从EPA1.0版的0.84提高到0.87；已于2009年7月1日开始生效的EPA5.0版规范，要求内部电源在50％负载下的效率要大于85％。
按国际规范EN61000-3-2对电源输入谐波失真要求，大于100瓦的电源输入功率因数不得低于0.9。为满足此项要求，现在的开关电源都单独增加一级功率因数校正电路，其特点是有单独的控制芯片IC，及其相应的有源开关器件和升压电感，此方法被称作APFC(Active Power Factor Correction，有源功率因数校正)，可以将输入功率因数提高到0.99甚至更高。其缺点除了成本偏高外，还由于其开关频率通常在100KHz左右，使得过高的开关损耗降低了整机效率。
显然，若要同时满足上述两项国际规范要求是很难的。假定APFC级和其后的DC/DC变换级效率均高达92％，则整机效率也才只有0.846，所以到目前为止，还没有真正可以同时满足上述两项国际规范要求的带有PPFC(Passive power factor correction，无源功率因数校正)的开关电源。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种带有PPFC电路的半桥软开关电源，在满足功率因数必须大于0.9的相应国际规范要求的条件下，适当降低对功率因数校正电路的要求，来满足开关电源整体效率能满足相应的国际规范要求，达到简化电路、降低成本、降低开关损耗、提高可靠性的目的。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，包括电源输入滤波电路，市电输入整流器，无源功率因数校正电路，DC/DC开关变换级；所述电源输入滤波电路的输出端与市电输入整流器的输入端电连接，市电输入整流器的输出端与DC/DC开关变换级的输入端电连接；所述无源功率因数校正电路包括储能电容C1、充电支路和放电支路；所述储能电容C1的正极与市电输入整流器的正极输出端和DC/DC开关变换级的正极输入端电连接；所述充电支路与放电支路并联，所述储能电容C1的负极与充电支路和放电支路的一个结点电连接，充电支路和放电支路的另一个结点与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端的结点电连接。
本实用新型的有益效果是：在满足功率因数必须大于0.9的相应国际规范要求的条件下，适当地降低对功率因数校正电路的要求，从而满足开关电源整体效率能满足相应的国际规范要求，使电路简化、成本降低，并且降低了开关损耗、提高了开关电源的可靠性。
所述充电支路可以采用如下结构：其包括二极管D2、可控开关器件Sch；二极管D2的正极与储能电容C1的负极电连接；二极管D2的负极与可控开关器件Sch除控制极g1外的一个极电连接；可控开关器件Sch除控制极g1外的另一个极与市电输入整流器的负极输出端和DC/DC开关变换级的负极输入端电连接。
可控开关器件Sch可以选用N-MOSFET(N-type Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，N型半导体场效应晶体管)，N-MOSFET的漏极与二极管D2的负极电连接，N-MOSFET的源极与市电输入整流器的负极输出端和DC/DC开关变换级的负极输入端电连接，N-MOSFET的栅极为控制极g1。
所述放电支路可以采用如下结构：其包括二极管D1、绕组Na、可控开关器件Sdi；二极管D1的负极与储能电容C1的负极电连接，二极管D1的正极与绕组Na的一端电连接；绕组Na的另一端与可控开关器件Sdi的除控制极g2外一个极电连接；可控开关器件Sdi除控制极g2外的另一个极与市电输入整流器的负极输出端和DC/DC开关变换级的负极输入端电连接。
可选择DC/DC开关变换级中主变压器的辅助绕组作为绕组Na。
可控开关器件sdi可以选用P-MOSFET(P-type Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，P型半导体场效应晶体管)，P-MOSFET的漏极与绕组Na电连接，P-MOSFET的源极与市电输入整流器的负极输出端和DC/DC开关变换级的负极输入端电连接，P-MOSFET的栅极为控制极g2。
在选用N-MOSFET和P-MOSFET分别作为可控开关器件Sch和可控开关器件sdi时，还包括COM(comparator，比较器)，控制极g1所对应的N-MOSFET的栅极和控制极g2所对应的P-MOSFET的栅极均与COM的输出端电连接。
附图说明
图1为本实用新型开关电源框图；
图2为本实用新型开关电源实施例一框图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、电源输入滤波电路，2、市电输入整流器，3、无源功率因数校正电路，4、DC/DC开关变换级
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，本实用新型带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，包括电源输入滤波电路1，市电输入整流器2，无源功率因数校正电路3，DC/DC开关变换级4；其中，电源输入滤波电路1的输出端与市电输入整流器2的输入端电连接，市电输入整流器2的输出端与DC/DC开关变换级4的输入端电连接；无源功率因数校正电路3包括储能电容C1、充电支路和放电支路；其中，储能电容C1的正极与市电输入整流器2的正极输出端和DC/DC开关变换级4的正极输入端电连接；充电支路与放电支路并联，并且该两条支路的一个结点均与储能电容C1的负极电连接，该两条支路的另一个结点均与市电输入整流器2的负极输出端和DC/DC开关变换级4的负极输入端电连接。充电支路由二极管D2、可控开关器件Sch串联而成；二极管D2的正极与储能电容C1的负极电连接；二极管D2的负极与可控开关器件Sch除控制极g1外的一个极电连接；可控开关器件Sch除控制极g1外的另一个极与市电输入整流器2的负极输出端和DC/DC开关变换级4的负极输入端电连接。放电支路由二极管D1、绕组Na、可控开关器件Sdi依次串联而成，其中，绕组Na为DC/DC开关变换级4中主变压器的辅助绕组；二极管D1的负极与储能电容C1的负极电连接，二极管D1的正极与绕组Na的一端电连接；绕组Na的另一端与可控开关器件Sdi的除控制极g2外一个极电连接；可控开关器件Sdi除控制极g2外的另一个极与市电输入整流器2的负极输出端和DC/DC开关变换级4的负极输入端电连接。
本实用新型带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源工作原理如下：
当可控开关器件Sdi开启时，可控开关器件Sch关闭；当可控开关器件Sdi的关闭时，可控开关器件Sch开启。当市电输入整流器输出的单向正弦波电压V[t]低于给定值V时，控制极g2打开开关器件Sdi，储能电容C1开始对其后的DC/DC开关变换级4放电；当V[t]高于给定值V时，开关器件sdi关闭，储能电容C1结束放电，等待充电。
当市电输入整流器输出的单向正弦波电压V[t]达到幅值附近时，时间约为2.5毫秒，经充电支路的二极管D2、可控开关器件Sch开始对储能电容C1充电，充电后等待放电。
假定市电输入整流器2输出的单向正弦波电压V[t]幅值为310伏，给定V值电压约为207伏，对应的相位角约为42度、138度，即在180度对应周期为10毫秒的单向正弦波中，从42度到138度，时间约为5.3毫秒的时间段中，由市电经整流后直接对后面的DC/DC开关变换级4供电，这既可以提高整机的工作效率，又将市电输入整流器的二极管导通时间由不加功率因数校正电路的大约2.5毫秒增加到大约5.3毫秒，从而使功率因数由0.7左右提高到约0.93。通过对给定值V大小的设定，可以控制市电输入整流器的导通时间，从而进一步控制输入功率因数值。另外，开关器件Sdi、Sch都运行在100Hz的低频下，并且开关器件Sch为零流开关状态，所以开关损耗很小，从而保证了本实用新型带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源可以同时满足环保和整机能效的国际规范要求。
当单向正弦波电压V[t]由幅值电压下降到给定值V时，储能电容C1开始放电。在储能电容C1开始放电瞬间的电压是市电输入整流器输出的单向正弦波电压V[t]的幅值电压，所以开始放电瞬间，后边的DC/DC开关变换级4的主变压器的原边输入电压值将由V突变到V[t]的幅值电压，这将影响系统的稳定性，因此，将DC/DC开关变换级(4)中主变压器的原边加入一个辅助绕组Na，并将该辅助绕组Na串联在二极管D1的正极与可控开关器件Sdi之间，从而将主变压器的原边绕组由Np增加到Np+Na，借以减少闭环放大倍数，保证了系统的稳定性。
工作时，经电源输入滤波电路1滤波，再经市电输入整流器2整流后的单向正弦波电压V[t]，加到无源功率因数校正电路3的输入端与其后的DC/DC开关变换级4输入端上。当电压V[t]处在正弦波幅值电压附近时，充电支路开始对储能电容C1进行充电，同时电压V[t]以正弦规律开始下降，当电压V[t]低于储能电容C1的电压时，充电停止，储能电容C1等待放电；当电压V[t]下降到某一给定值V时，可控开关器件Sdi开启，储能电容C1开始放电，主变压器的原边绕组由原来的Np变为了Np+Na，同时可控开关器件Sch关闭。经过波谷，V[t]电压开始上升，当V[t]高于给定值V时，开关器件Sdi被g1关闭，C1放电结束。当V[t]再次上升到正弦波幅值电压附近时，再次经充电支路对储能电容C1进行充电。
实施例一
如图2所示，无源功率因数校正电路3中，选用N-MOSFET作为可控开关器件Sch，N-MOSFET的漏极与二极管D2的负极电连接，源极与市电输入整流器2的负极输出端和DC/DC开关变换级4的负极输入端电连接；选用P-MOSFET作为可控开关器件Sdi，P-MOSFET的漏极与绕组Na电连接，P-MOSFET的源极与市电输入整流器2的负极输出端和DC/DC开关变换级4的负极输入端电连接；N-MOSFET和P-MOSFET的栅极g1、g2作为控制级接COM的输出端。
当V[t]高于给定值V时COM输出为正电平，此时关闭P-MOSFET，结束放电，打开N-MOSFET，等待充电；当电压V[t]处在正弦波幅值电压附近时，经N-MOSFET和二极管D2对储能电容C1充电，充电后V[t]开始下降，当V[t]低于给定值V时，COM输出为负电平，此时打开P-MOSFET，关闭N-MOSFET，储能电容C1开始对DC/DC开关变换级4供电。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：包括电源输入滤波电路(1)，市电输入整流器(2)，无源功率因数校正电路(3)，DC/DC开关变换级(4)；所述电源输入滤波电路(1)的输出端与市电输入整流器(2)的输入端电连接，市电输入整流器(2)的输出端与DC/DC开关变换级(4)的输入端电连接；所述无源功率因数校正电路(3)包括储能电容C1、充电支路和放电支路；所述储能电容C1的正极与市电输入整流器(2)的正极输出端和DC/DC开关变换级(4)的正极输入端电连接；所述充电支路与放电支路并联，所述储能电容C1的负极与充电支路和放电支路的一个结点电连接，充电支路和放电支路的另一个结点与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端的结点电连接。
2.根据权利要求1所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：所述充电支路包括二极管D2、可控开关器件Sch；二极管D2的正极与储能电容C1的负极电连接；二极管D2的负极与可控开关器件Sch除控制极g1外的一个极电连接；可控开关器件Sch除控制极g1外的另一个极与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端电连接。
3.根据权利要求2所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：所述可控开关器件Sch是一个N型半导体场效应晶体管，N型半导体场效应晶体管的漏极与二极管D2的负极电连接，N型半导体场效应晶体管的源极与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端电连接，N型半导体场效应晶体管的栅极为控制极g1。
4.根据权利要求1所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：所述放电支路包括二极管D1、绕组Na、可控开关器件Sdi；二 极管D1的负极与储能电容C1的负极电连接，二极管D1的正极与绕组Na的一端电连接；绕组Na的另一端与可控开关器件Sdi的除控制极g2外一个极电连接；可控开关器件Sdi除控制极g2外的另一个极与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端电连接。
5.根据权利要求4所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：所述绕组Na为DC/DC开关变换级(4)中主变压器的辅助绕组。
6.根据权利要求5所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：所述可控开关器件Sdi是一个P型半导体场效应晶体管，P型半导体场效应晶体管的漏极与绕组Na电连接，P型半导体场效应晶体管的源极与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端电连接，P型半导体场效应晶体管的栅极为控制极g2。
7.根据权利要求6所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：所述充电支路包括二极管D2、可控开关器件Sch；二极管D2的正极与储能电容C1的负极电连接；二极管D2的负极与可控开关器件Sch除控制极g1外的一个极电连接；可控开关器件Sch除控制极g1外的另一个极与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端电连接。
8.根据权利要求7所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：所述可控开关器件Sch是一个N型半导体场效应晶体管，N型半导体场效应晶体管的漏极与二极管D2的负极电连接，N型半导体场效应晶体管的源极与市电输入整流器(2)的负极输出端和DC/DC开关变换级(4)的负极输入端电连接，N型半导体场效应晶体管的栅极为控制极g1。
9.根据权利要求8所述的带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源，其特征在于：还包括比较器，所述控制极g1和控制极g2均与比较器的输出端电连接。 
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