CN207869008U - 交错并联pfc电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交错PFC电源，包括PFC功率电路、采样单元、控制器以及驱动电路；采样单元用于采集PFC功率电路的输入电压值、电感电流值以及输出电压值；控制器用于根据采样单元采集的输入电压值、电感电流值、输出电压值以及参考电压值生成PWM脉宽调制信号；驱动电路用于根据PWM脉宽调制信号控制PFC功率电路的功率控制元件的PWM占空比值以控制PFC功率电路的输入电流值。从而使交错并联PFC电源在空载或者轻载时或者采用不同工作模式时，提高交错并联PFC电源的运行效率。解决了现有技术中的并联交错并联PFC电源在输出功率较小时，电源运行效率较低的问题。

Description

交错并联PFC电源

技术领域

本实用新型涉及电源设备领域，具体而言，涉及一种交错并联PFC电源。

背景技术

交错并联PFC电源能够实现较高的功率因数，降低对电网的谐波污染从而被广泛应用。单相交错并联PFC电源适用于中小功率，而两相交错并联的交错并联PFC电源通过并联的功率模块能够实现较大功率的输出。

在传统的交错并联PFC电源供电系统中，当负载变化范围比较大，电源会工作于不同的输出功率，在满载或者重载时，由于输出功率较大，电源中的驱动及开关损耗在总功率中比重较小，电源效率较高。而当输出功率减小时，电源工作于空载或者轻载时，电源中的驱动损耗、开关损耗等在电源总功率中所占比重增大，造成电源运行效率较低，不经济节能。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种交错并联PFC电源，以至少解决现有技术中的并联交错并联PFC电源在输出功率较小时，电源运行效率较低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种交错并联PFC电源，包括：PFC功率电路；采样单元，与PFC功率电路连接，用于采集PFC功率电路的输入电压值、电感电流值以及输出电压值；控制器，与采样单元连接，控制器用于根据采样单元采集的输入电压值、电感电流值、输出电压值以及参考电压值生成PWM脉宽调制信号；驱动电路，与控制器以及PFC功率电路的功率控制元件连接，用于根据PWM脉宽调制信号控制PFC功率电路的功率控制元件的PWM占空比值以控制PFC功率电路的输入电流值。

进一步地，PFC功率电路包括：整流桥，整流桥的输入端与交流电源连接，用于将输入的交流电压转换为直流电压；升压电路，与整流桥的输出端连接，用于将整流桥转换的直流电压进行升压；滤波电容，与升压电路的输出端以及负载连接，经过升压电路升压后的直流电压加载在滤波电容并为负载提供稳定电压。

进一步地，升压电路包括：两组升压支电路，两组升压支电路相互交错并联；其中，每组升压支电路包括一个电感和两个MOSFET晶体管，两个MOSFET晶体管与电感串联。

进一步地，采样单元包括：输入电压采样模块，与整流桥的输出端连接，用于采集PFC功率电路的输入电压值。

进一步地，采样单元包括：电流采样模块，与升压电路连接，用于采集PFC功率电路的电感电流值。

进一步地，采样单元包括：输出电压采样模块，与滤波电容的输出端连接，用于采集PFC功率电路的输出电压值。

进一步地，控制器包括：电压控制单元，用于根据输出电压值以及参考电压值生成电压环控制信号。

进一步地，电压控制单元包括：电压比较模块，电压比较模块用于根据输出电压值以及参考电压值得到电压误差值；电压环PI调节模块，与电压比较模块连接，用于根据电压误差值得到电压环控制信号。

进一步地，控制器还包括：电流控制单元，与电压控制单元连接，用于根据电压环控制信号、输入电压值以及电感电流值生成PWM脉宽调制信号。

进一步地，电流控制单元包括：乘法模块，用于将电压环控制信号与输入电压值相乘以得到参考电流值；电流比较模块，电流比较模块用于将乘法模块得到的参考电流值与电感电流值比较得到电流误差值；电流环PI调节模块，与电流比较模块连接，用于根据电流误差值得到电流环控制信号；PWM模块，与电流环PI调节模块以及驱动电路连接，用于根据电流环控制信号生成PWM脉宽调制信号并发送至驱动电路。

应用本实用新型技术方案的交错并联PFC电源，包括：PFC功率电路、采样单元、控制器以及驱动电路；采样单元与PFC功率电路连接，用于采集PFC功率电路的输入电压值、电感电流值以及输出电压值；控制器与采样单元连接，控制器用于根据采样单元采集的输入电压值、电感电流值、输出电压值以及参考电压值生成PWM脉宽调制信号；驱动电路与控制器以及PFC功率电路的功率控制元件连接，用于根据PWM脉宽调制信号控制PFC功率电路的功率控制元件的PWM占空比值以控制PFC功率电路的输入电流值。从而使交错并联PFC电源工作于空载或者轻载时或者采用不同工作模式时，有效提高交错并联PFC电源的运行效率。解决了现有技术中的并联交错并联PFC电源在输出功率较小时，电源运行效率较低的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例可选的第一种交错并联PFC电源的结构框图；

图2是根据本实用新型实施例可选的交错并联PFC电源的电路图；

图3是根据本实用新型实施例可选的交错并联PFC电源的驱动电路的电路图；

图4是根据本实用新型实施例可选的第二种交错并联PFC电源的结构框图；

图5是根据本实用新型实施例可选的交错并联PFC电源的电压采样模块的电路图；

图6是根据本实用新型实施例可选的交错并联PFC电源的电流采样模块的电路图；

图7是根据本实用新型实施例可选的第三种交错并联PFC电源的结构框图；以及

图8是根据本实用新型实施例可选的第一种交错并联PFC电源的负载管理工作流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、PFC功率电路；20、采样单元；21、输入电压采样模块；22、电流采样模块；23、输出电压采样模块；30、控制器；31、电压控制单元；32、电压比较模块；33、电压环PI调节模块；34、电流控制单元；35、乘法模块；36、电流比较模块；37、电流环PI调节模块；38、PWM模块；40、驱动电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型实施例的交错并联PFC电源，如图1所示，包括PFC功率电路10、采样单元20、控制器30以及驱动电路40；采样单元20与PFC功率电路10连接，用于采集PFC功率电路10的输入电压值、电感电流值以及输出电压值；控制器30与采样单元20连接，控制器30用于根据采样单元20采集的输入电压值、电感电流值、输出电压值以及参考电压值生成PWM脉宽调制信号；驱动电路40与控制器30以及PFC功率电路10的功率控制元件连接，用于根据PWM脉宽调制信号控制PFC功率电路10的功率控制元件的PWM占空比值以控制PFC功率电路10的输入电流值。

应用本实用新型技术方案的交错并联PFC电源，包括PFC功率电路10、采样单元20、控制器30以及驱动电路40；采样单元20与PFC功率电路10连接，用于采集PFC功率电路10的输入电压值、电感电流值以及输出电压值；控制器30与采样单元20连接，控制器30用于根据采样单元20采集的输入电压值、电感电流值、输出电压值以及参考电压值生成PWM脉宽调制信号；驱动电路40与控制器30以及PFC功率电路10的功率控制元件连接，用于根据PWM脉宽调制信号控制PFC功率电路10的功率控制元件的PWM占空比值以控制PFC功率电路10的输入电流值。从而使交错并联PFC电源工作于空载或者轻载时或者采用不同工作模式时，有效提高交错并联PFC电源的运行效率。解决了现有技术中的并联交错并联PFC电源在输出功率较小时，电源运行效率较低的问题。

具体实施时，如图2所示，PFC功率电路10包括整流桥、升压电路和滤波电容，整流桥由四个二极管D1、D2、D3和D4组成，整流桥的输入端与交流电源连接，用于将输入的交流电压转换为直流电压；升压电路与整流桥的输出端连接，用于将整流桥转换的直流电压进行升压；滤波电容与升压电路的输出端以及负载连接，经过升压电路升压后的直流电压加载在滤波电容并为负载提供稳定电压。

具体地，升压电路为BOOST升压电路，升压电路包括两组升压支电路，两组升压支电路相互交错并联；每组升压支电路包括一个电感和两个MOSFET晶体管，两个MOSFET晶体管与电感串联。其中，第一组升压支电路包括电感L1以及与电感L1相互串联的MOSFET晶体管Q1和Q3

；第二组升压支电路包括电感L2以及与电感L2相互串联的MOSFET晶体管Q2和Q4。上述部件在结构上并联形成交错并联的PFC功率电路10的主电路，实现低压到高压、交流到直流的变换。BOOST升压电路结构中不再使用二极管，取而代之的是功率MOSFET晶体管，构成同步整流电路。由于二极管导通压降较大，在电源大功率输出时，流过二极管的电流较大，从而二极管产生的损耗较大。而MOSFET晶体管具有极低的导通电阻，在流过大电流时并未产生大量损耗，从而可以大大提高电源的工作效率。滤波电容为电容C1，电容C1与两组升压支电路的输出端连接，通过滤波电容能够保证输出电压的稳定。

图2中对Q1和Q3、Q2和Q4MOSFET晶体管的控制规律为：Q1和Q3控制相位相差180°，Q2和Q4控制相位相差180°，Q1和Q3、Q2和Q4交替导通。由于Q1和Q3、Q2和Q4均不共地，对Q3和Q4采用浮驱。在本申请实施例中，将控制器30和PFC功率电路10完全隔离开，可保护控制器30的安全可靠运行，驱动电路40选用光耦隔离驱动芯片TLP250。其中，每相的驱动电路40如图3所示，图中，C1是自举电容，C2和C3为驱动电源12V的滤波电容。D1是给自举电容C1充电的快速二极管，PWM1A和PWM1B是DSP输出的两路互补驱动信号，该信号经过限流电阻R1和R2后接到光耦TLP250的2脚。PWM1H接到BOOST电路整流MOSFET的栅极，VS1接整流MOSFET的源极，PWM1L接到储能MOSFET的栅极。PWM驱动信号为高电平时，TLP250输出高驱动信号，MOSFET导通；反之当为第电平时，输出低驱动信号。

进一步地，如图4所示，采样单元20包括：输入电压采样模块21、电流采样模块22和输出电压采样模块23。输入电压采样模块21与整流桥的输出端连接，用于采集PFC功率电路10的输入电压值；电流采样模块22与升压电路连接，用于采集PFC功率电路10的电感电流值，具体地，电流采样模块22与升压电路中的两个电感的输出端连接，采集两个电感的电感电流，以两个电感的电感电流作为PFC功率电路10的电感电流值；输出电压采样模块23与滤波电容的输出端连接，用于采集PFC功率电路10的输出电压值。

交错并联PFC电路的交流电压、直流电压采样原理图如图5所示。图中隔离采样芯片选择TI的电容隔离器件AMC1204。该芯片隔离工作电压可达1200Vpeak，瞬间隔离电压达4000Vpeak，共模瞬态抑制在15KV/us以上。电容隔离器件具有同电感隔离器件相比更高的磁场抗干扰性及可靠性，同光耦隔离器件相比更低的功耗等这些显著的优点，同时AMC1204内部集成了高精度的Delta-Sigma调制器，AMC1204具有出色的直流和交流特性，电路设计简单。将交流电压整流后到采样电路的VP和VN引脚，设置R4和R5电阻阻值，通过电阻分压将信号送给AMC1204的VINP和VINN引脚，C6电容完成对输入信号的滤波。C5电容对芯片供电电压模拟电源5V进行滤波，C4电容对芯片数字电源3.3V进行滤波。AMC1204的13引脚输入DSP的时钟信号，11引脚DATA输出采样数据送给DSP，从而实现对交流输入电压、直流输出电压的采样。

电流采样电路由电流传感器和差分放大电路组成，差分放大原理图如图6所示。运算放大器选择TLV2464，电流互感器输出接到差分放大电路的输入Iin_P和Iin_N，同相端串接电阻R9接到1.65V电压，为采样电压提供直流偏置。图中R6和R9阻值一致，R7和R8阻值一致，设置合适R6和R7比值，可将输入信号放大固定倍数，最终送给DSP的AD输入引脚，完成对电流信号的采样。C8电容用来改善差分放大电路的高频特性。

可选地，控制器30选择TI的C2000系列DSP处理器TMS320F28335，产生四路驱动PWM信号。进一步地，如图7所示，控制器30包括：电压控制单元31，电压控制单元31用于根据输出电压值以及参考电压值生成电压环控制信号；电压控制单元31包括电压比较模块32和电压环PI调节模块33，电压比较模块32用于根据输出电压值以及参考电压值得到电压误差值；电压环PI调节模块33与电压比较模块32连接，用于根据电压误差值得到电压环控制信号。

控制器30还包括：电流控制单元34，电流控制单元34与电压控制单元31连接，用于根据电压环控制信号、输入电压值以及电感电流值生成PWM脉宽调制信号。

进一步地，电流控制单元34包括：乘法模块35、电流比较模块36、电流环PI调节模块37和PWM模块38，乘法模块35用于将电压环控制信号与输入电压值相乘以得到参考电流值；电流比较模块36用于将乘法模块35得到的参考电流值与电感电流值比较得到电流误差值；电流环PI调节模块37与电流比较模块36连接，用于根据电流误差值得到电流环控制信号；PWM模块38与电流环PI调节模块37以及驱动电路40连接，用于根据电流环控制信号生成PWM脉宽调制信号并发送至驱动电路40。

控制器30整体采用电压外环、电流内环构成的双闭环控制结构。电压外环实现输出电压稳定的目的，电流内环控制输入电流跟踪输入电压变化，实现对输入电流校正。该电路的工作过程如下：

参考电压值为Vref，Vref决定了输出电压值的大小，Vref和输出电压值进行比较之后得到误差，误差经过电压环PI调节模块33得到电压环控制信号。为保证输入电流跟随输入电压，采集输入电压值和电压环控制信号相乘之后得到电流环的参考电流值。再将参考电流值分别作为电流内环的参考给定信号，该信号和两相电感电流分别进行比较得到电流内环误差信号，再经过电流环PI调节模块37得到电流环控制信号，电流环控制信号决定了各支路PWM的占空比值，从而达到控制两相电感电流均流的目的。

为实现电源在全负载变换范围内均具有较高的效率，负载大小通过检测输出电流的大小来确定。负载电流和电压环输出控制器成正比例关系，因此可以通过电压环输出反应电源的输出功率，令满载时电压环输出为V0，设计三种工作模式(任一模式，当任一相BOOST电路工作时，均工作于同步整流状态)：

模式一：当电压环输出Vc小于V0/10，交错并联PFC电源单相BOOST电路工作，且工作于跳周期模式，即PFC输入电流间歇性周期存在，且跳跃周期数和负载电流大小有关，负载电流越大，跳周期数越小。由于另一相BOOST电路不工作，基本不产生损耗，且跳周期PFC电路工作，使得轻载损耗降低，效率提高。

模式二：当电压环输出Vc小于V0/4大于V0/10，交错并联PFC电源单相BOOST电路工作，工作于连续导通模式，输入电流周期性存在。由于另一相BOOST电路不工作，基本不产生损耗，使得在这个负载范围内满足负载供电要求而具有较高的效率。

模式三：当电压环输出Vc大于V0/4，交错并联PFC电源工作于两相交错模式。此时，由于输出功率较大，两相BOOST电路各承担一半的输出功率，且由于工作于同步整流模式，产生的损耗较低，在总电源功率所占比较小，电源整机具有较高的工作效率。

其工作过程流程图如图8所示。通过DSP得到电压环输出V0，根据V0的大小确定电源工作于何种模式，产生相应模式的的PWM脉冲，实现对负载供电。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种交错并联PFC电源，其特征在于，包括：

PFC功率电路(10)；

采样单元(20)，与所述PFC功率电路(10)连接，用于采集所述PFC功率电路(10)的输入电压值、电感电流值以及输出电压值；

控制器(30)，与所述采样单元(20)连接，所述控制器(30)用于根据所述采样单元(20)采集的所述输入电压值、所述电感电流值、所述输出电压值以及参考电压值生成PWM脉宽调制信号；

驱动电路(40)，与所述控制器(30)以及所述PFC功率电路(10)的功率控制元件连接，用于根据所述PWM脉宽调制信号控制所述PFC功率电路(10)的功率控制元件的PWM占空比值以控制所述PFC功率电路(10)的输入电流值。

2.根据权利要求1所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述PFC功率电路(10)包括：

整流桥，所述整流桥的输入端与交流电源连接，用于将输入的交流电压转换为直流电压；

升压电路，与所述整流桥的输出端连接，用于将所述整流桥转换的直流电压进行升压；

滤波电容，与所述升压电路的输出端以及负载连接，经过所述升压电路升压后的直流电压加载在所述滤波电容并为所述负载提供稳定电压。

3.根据权利要求2所述的交错并联PFC电源，其特征在于，升压电路包括：

两组升压支电路，两组所述升压支电路相互交错并联；

其中，每组所述升压支电路包括一个电感和两个MOSFET晶体管，两个所述MOSFET晶体管与所述电感串联。

4.根据权利要求2所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述采样单元(20)包括：

输入电压采样模块(21)，与所述整流桥的输出端连接，用于采集所述PFC功率电路(10)的所述输入电压值。

5.根据权利要求2所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述采样单元(20)包括：

电流采样模块(22)，与所述升压电路连接，用于采集所述PFC功率电路(10)的所述电感电流值。

6.根据权利要求2所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述采样单元(20)包括：

输出电压采样模块(23)，与所述滤波电容的输出端连接，用于采集所述PFC功率电路(10)的所述输出电压值。

7.根据权利要求1所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述控制器(30)包括：

电压控制单元(31)，用于根据所述输出电压值以及所述参考电压值生成电压环控制信号。

8.根据权利要求7所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述电压控制单元(31)包括：

电压比较模块(32)，所述电压比较模块(32)用于根据所述输出电压值以及所述参考电压值得到电压误差值；

电压环PI调节模块(33)，与所述电压比较模块(32)连接，用于根据所述电压误差值得到所述电压环控制信号。

9.根据权利要求7所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述控制器(30)还包括：

电流控制单元(34)，与所述电压控制单元(31)连接，用于根据所述电压环控制信号、所述输入电压值以及所述电感电流值生成所述PWM脉宽调制信号。

10.根据权利要求9所述的交错并联PFC电源，其特征在于，所述电流控制单元(34)包括：

乘法模块(35)，用于将所述电压环控制信号与所述输入电压值相乘以得到参考电流值；

电流比较模块(36)，所述电流比较模块(36)用于将所述乘法模块(35)得到的所述参考电流值与所述电感电流值比较得到电流误差值；

电流环PI调节模块(37)，与所述电流比较模块(36)连接，用于根据所述电流误差值得到所述电流环控制信号；

PWM模块(38)，与所述电流环PI调节模块(37)以及所述驱动电路(40)连接，用于根据所述电流环控制信号生成所述PWM脉宽调制信号并发送至所述驱动电路(40)。