CN216981781U - 一种图腾柱pfc模拟控制电路、控制器、ac-dc变换器及充电桩 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种图腾柱PFC模拟控制电路、控制器、AC‑DC变换器及充电桩，原有图腾柱PFC的电感电流检测一般采用霍尔电流传感器、线性隔离放大器，而且还需要辅助电源，具有成本高、体积较大的问题，而实用新型所提供的图腾柱PFC模拟控制电路中采用一只分流电阻和由R3与C3构成时间常数很小的RC滤波器，即可检测分流电阻压降，然后合成电感电流整周波形，具有成本低、发热少和体积小的优点；所采用的模拟控制器IR1155S可以采用单周期控制策略，开关频率可以达到200kHz以上，功率因数校正效果好，而数字控制器难以实现高频单周期控制策略。本实用新型所提供的图腾柱PFC模拟控制电路、控制器具有开发时间短、成本低和功率因数校正效果好的优点。

Description

一种图腾柱PFC模拟控制电路、控制器、AC-DC变换器及充电桩

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，尤其是涉及一种图腾柱PFC模拟控制电路、控制器、AC-DC变换器及充电桩。

背景技术

随着新能源技术以及电动汽车技术的不断发展，单相或三相AC-DC变换器得到了广泛的应用，其中就包括基于单相功率因数校正器的充电桩。

对于单相交流电压供电的电力电子变换器，需要采用有源功率因数校正(PFC)技术，或采用单相有源电力滤波(APF)技术，以此抑制网侧谐波电流和提高网侧功率因数，满足IEC61000-3-2和IEC6100-3-12谐波电流抑制标注。

图腾柱PFC是一种有源功率因数校正电路，同其它PFC电路一样，输出电容电压控制可以采取PI控制器、跨导型单零单极控制器等，电感电流控制可以采用跟随控制、单周期控制和滞环控制等。图腾柱PFC中包含功率电路和控制电路，功率电路包括两个桥臂，一般情况下，一个为高频切换的GaN FET或IGBT桥臂，另一个为工频切换的SiC FET或二极管桥臂，控制电路包括模拟控制电路或数字控制电路。

现有的图腾柱PFC控制器均采用数字控制器，带来的问题是：(1)、输入电压与输入电流、输出电压检测电路复杂，增加电路板体积和成本；(2)、编程调试耗时，过程负载，需要考虑隔离、信号标定等实际问题；(3)、开发周期延长。

某些优秀的模拟控制策略不能采用数字控制器实现，因此，在一定程度上还需要模拟控制器，但是这些模拟控制器仅适合传统有桥PFC，因此，需要条件必要的模拟电路，配合使用这些模拟控制器，构成新的模拟控制器，用于图腾柱PFC的有效控制。

实用新型内容

本实用新型的第一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种图腾柱PFC模拟控制电路。

为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种图腾柱PFC模拟控制电路，包括功率电路和控制电路，所述功率电路用于完成AC-DC功率变换并为控制电路提供输入电流信号和输出电压信号，所述控制电路用于进行图腾柱PFC电压外环和电流内环控制；

所述功率电路包括八只电阻、两只GaN FET、两只功率二极管、一只电感和两只电容，所述功率电路中：第一电感的一端、第一电容的一端与交流火线L相连，第一电感的另一端与第一电阻、第八电阻的一端相连，第一电阻的另一端与地1和第一GaN FET的源极、第二GaN FET的漏极相连，第一电容的另一端与交流零线N相连并与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连，

第一GaN FET的漏极与第一二极管的阴极相连后与第二电容一端、第二电阻一端、第五电阻一端相连，形成输出正极DCP；

第二GaN FET的源极与第二二极管的阳极相连后与第二电容的另一端、第四电阻一端、第七电阻一端相连，形成输出负极DCN；

第二电阻的另一端与第三电阻一端相连，第三电阻的另一端与第四电阻的另一端相连，输出反馈电压VFB；

所述第五电阻的另一端与第六电阻一端相连，第六电阻的另一端与第七电阻的另一端相连，输出过压信号OVP；

所述控制电路包括八个功能单元以及线性隔离放大器、模拟控制器IR1155S的外围器件；所述控制电路中：第八电阻的一端与功率电路中第一电感的另一端、第一电阻一端相连，以电压形式引入电感电流信号；第八电阻的另一端与第三电容一端相连并与第一线性隔离放大器的VIN+端相连，第三电容的另一端接地1并与第一线性隔离放大器的VIN-端相连，第一线性隔离放大器初级VDD1连接+5V1，第一线性隔离放大器次级VDD2连接+5V2，其地为地2，第一线性隔离放大器引脚ABSVAL输出与第一反相器相连，第一反相器相连-5V2和+5V2，其地为地2，第一反相器的输出与跟随器相连，跟随器的输出与分压器相连，分压器的输出与第九电阻一端相连，第九电阻一端与第五电容一端相连后并与模拟控制器IR1155S的引脚3相连，第五电容另一端接地2，第四电容一端与模拟控制器IR1155S的引脚3相连，第四电容另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚1连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚5与第十电阻一端和第七电容一端相连，第七电容另一端连接地2，第十电阻的另一端与第六电容一端相连，第六电容的另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚7与第一电解电容的阳极和第八电容一端相连，第一电解电容的阴极和第八电容的另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚4与功率电路中第六电阻和第七电阻的公共端相连，模拟控制器IR1155S的引脚6与功率电路中第三电阻和第四电阻的公共端相连，模拟控制器IR1155S的引脚8与S2驱动器的输入端、第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出端与S1隔离驱动器的输入端相连，S2驱动器与+15V2和地2相连，S1隔离驱动器的输出端与+15V1和地2相连，S2驱动器的输出端与第二GaN FET的门极相连，S1隔离驱动器输出端与第一GaN FET的门极相连。

在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本实用新型的优选技术方案：所述第一电阻为分流电阻。

作为本实用新型的优选技术方案：所述S1隔离驱动器为单只Si8233电容隔离驱动器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述S2驱动器为单只Si8233电容隔离驱动器。

作为本实用新型的优选技术方案：所述地1和地2不同，分别代表第一GaN FET的漏极和图腾柱PFC的直流负极DCN。

作为本实用新型的优选技术方案：所述第一线性隔离放大器为HCPL788J线性隔离放大器。

本实用新型第二个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器。

为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器，所述图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器应用前文所述的图腾柱PFC模拟控制电路。

本实用新型第三个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种AC-DC变换器。

为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种AC-DC变换器，所述AC-DC变换器应用前文所述的图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器。

本实用新型还有一个目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种充电桩。

为此，本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种充电桩，所述充电桩应用前文所述的AC-DC变换器。

本实用新型提供一种图腾柱PFC模拟控制电路、控制器、AC-DC变换器及充电桩，原有图腾柱PFC的电感电流检测一般采用霍尔电流传感器、线性隔离放大器，而且还需要辅助电源，具有成本高、体积较大的问题，而实用新型所提供的图腾柱PFC模拟控制电路中采用一只分流电阻(水泥电阻或铜合金电阻)和由R3与C3构成时间常数很小的RC滤波器，即可检测分流电阻压降，然后合成电感电流整周波形，具有成本低、发热少和体积小的优点；所采用的模拟控制器IR1155S可以采用单周期控制策略，开关频率可以达到200kHz以上，功率因数校正效果好，而数字控制器难以实现高频单周期控制策略。本实用新型所提供的图腾柱PFC模拟控制电路、控制器具有开发时间短、成本低和功率因数校正效果好的优点，可以广泛用于充电桩AC-DC变换器领域。

附图说明

图1为本实用新型所提供的一种图腾柱PFC模拟控制电路的图示。

具体实施方式

参照附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细地描述。

如图1所示，图腾柱PFC模拟控制电路包括：功率电路和控制电路，功率电路见1所指示区块，控制电路见2所指示区块。

其中：功率电路包括八只电阻R1～R8、两只GaN FET S1～S2、两只功率二极管D1～D2、一只电感L1和两只电容C1～C2；

控制电路包括八个功能单元(U1～U8)以及线性隔离放大器、模拟控制器IR1155S的外围器件。

功率电路中：第一电感L1的一端、第一电容C1的一端与交流火线L相连，第一电感L1的另一端与第一电阻R1、第八电阻R8的一端相连，第一电阻R1的另一端与地1和第一GaNFET S1的源极、第二GaN FET S2的漏极相连，第一电容C1的另一端与交流零线N相连并与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极相连，

第一GaN FET S1的漏极与第一二极管D1的阴极相连后与第二电容C2一端、第二电阻R2一端、第五电阻R5一端相连，形成输出正极DCP；

第二GaN FET S2的源极与第二二极管D2的阳极相连后与第二电容C2的另一端、第四电阻R4一端、第七电阻R7一端相连，形成输出负极DCN；

第二电阻R2的另一端与第三电阻R3一端相连，第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的另一端相连，输出反馈电压VFB；

第五电阻R5的另一端与第六电阻R6一端相连，第六电阻R6的另一端与第七电阻R7的另一端相连，输出过压信号OVP；

控制电路中：第八电阻R8的一端与功率电路中第一电感L1的另一端、第一电阻R1一端相连，以电压形式引入电感电流信号；第八电阻R8的另一端与第三电容C3一端相连并与第一线性隔离放大器U1的VIN+端相连，第三电容C3的另一端接地1并与第一线性隔离放大器U1的VIN-端相连，第一线性隔离放大器U1的初级VDD1连接+5V1，第一线性隔离放大器U1的次级VDD2连接+5V2，其地为地2，第一线性隔离放大器引脚U1的ABSVAL输出与第一反相器U2相连，第一反相器U2相连-5V2和+5V2，其地为地2，第一反相器U2的输出与跟随器U3相连，跟随器U3的输出与分压器U4相连，分压器U4的输出与第九电阻R9一端相连，第九电阻R9的另一端与第五电容C5一端相连后并与模拟控制器IR1155S的引脚3相连，第五电容C5的另一端接地2，第四电容C4一端与模拟控制器IR1155S的引脚3相连，第四电容C4的另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚1连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚5与第十电阻R10一端和第七电容C7一端相连，第七电容C7的另一端连接地2，第十电阻R10的另一端与第六电容C6一端相连，第六电容C6的另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚7与第一电解电容E1的阳极和第八电容C8一端相连，第一电解电容E1的阴极和第八电容C8的另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚4与功率电路中第六电阻R6和第七电阻R7的公共端相连，模拟控制器IR1155S的引脚6与功率电路中第三电阻R3和第四电阻R4的公共端相连，模拟控制器IR1155S的引脚8与S2驱动器U6的输入端、第二反相U7的输入端相连，第二反相U7的输出端与S1隔离驱动器U8的输入端相连，S2驱动器U6与+15V2和地2相连，S1隔离驱动器U8的输出端与+15V1和地2相连，S2驱动器U6的输出端与第二GaN FET S2的门极相连，S1隔离驱动器U8的输出端与第一GaN FET S1的门极相连。

工作原理如下：

电阻R1为分流电阻，阻值为几mΩ～几十mΩ，与负载轻重有关。电阻R1端电压经过电阻R8与电容C3的滤波后得到交流电压信号，在经过线性隔离放大器HCPL-788J检测后，得到电感电流求绝对值后的电流信号，再经过第一反相器、电压跟随器、分压器作用后，得到幅值在0/-200mV以内的电流信号，适合模拟控制器IR1155S，通过电阻R9与电容C5滤波作用，送入模拟控制器IR1155S的电流输入端ISNS。电阻R10、电容C6与C7、模拟控制器IR1155S内部运放一起构成跨导运算放大器，属于具有单零点和单极点的I型控制器。电解电容E1与电容C8构成工作电源滤波后人稳压电路，为模拟控制器IR1155S提供+15V2工作电源。模拟控制器IR1155S第六引脚负载电压反馈输入，其第四引脚过压保护功能。模拟控制器IR1155S第八引脚输出原始驱动脉冲，经由S2驱动器、S1隔离驱动器产生驱动信号，二者之间设置合理的死区时间。S2驱动器、S1隔离驱动器可以采用单只Si8233电容隔离驱动器，Si8233电容隔离驱动器可以驱动一个桥臂的两只GaN FET，死区大小可调。

地1

与地2

不同，分别代表GaN S1的漏极和图腾柱PFC的直流负极DCN。

在本实用新型部分实施例中：

输入电压：220Vac@50Hz；输出电压：385V；输出功率：几百瓦～3.3kW；

开关频率：100kHz；

电阻R1：2mΩ；

电阻R2、R3、R5、R6：1MΩ；

电阻R4：25.8Ω；电阻R7：24.8Ω；

电阻R8、R9：100Ω；电阻R10：5kΩ；

二极管D1～D2：25A@85℃，600V；

电容C1：1.0μF；电容C2：3x470μF；

电容C3：1nF；电容C4：1nF；电容C5：1nF；

电容C6：100nF；电容C7：10nF；

电感L1：250μH；

GaN FET S1、S2：25A@85℃，650V；

第一功能单元U1：HCPL788J，线性隔离放大器；

第二功能单元U2：第一反相器，即反相放大器；

第三功能单元U3：跟随器，即电压放大器；

第四功能单元U4：分压器，即电阻放大器；

第五功能单元U5：模拟控制器，IR1155S；

第七功能单元U7：第二反相器，正负信号转换；

第六功能单元U6：S2驱动器；

第八功能单元U8：S1隔离驱动器；

可以将上述图腾柱PFC模拟控制电路应用于图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器，具有成本低廉、控制算法简单易行的优点。

此外，还可以将图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器应用至AC-DC变换器上，以及将该AC-DC变换器应用至充电桩上。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种图腾柱PFC模拟控制电路，其特征在于：所述图腾柱PFC模拟控制电路包括功率电路和控制电路，所述功率电路用于完成AC-DC功率变换并为控制电路提供输入电流信号和输出电压信号，所述控制电路用于进行图腾柱PFC电压外环和电流内环控制；

所述功率电路包括八只电阻、两只GaN FET、两只功率二极管、一只电感和两只电容，所述功率电路中：第一电感的一端、第一电容的一端与交流火线L相连，第一电感的另一端与第一电阻、第八电阻的一端相连，第一电阻的另一端与地1和第一GaN FET的源极、第二GaNFET的漏极相连，第一电容的另一端与交流零线N相连并与第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连，

第一GaN FET的漏极与第一二极管的阴极相连后与第二电容一端、第二电阻一端、第五电阻一端相连，形成输出正极DCP；

第二GaN FET的源极与第二二极管的阳极相连后与第二电容的另一端、第四电阻一端、第七电阻一端相连，形成输出负极DCN；

第二电阻的另一端与第三电阻一端相连，第三电阻的另一端与第四电阻的另一端相连，输出反馈电压VFB；

所述第五电阻的另一端与第六电阻一端相连，第六电阻的另一端与第七电阻的另一端相连，输出过压信号OVP；

所述控制电路包括八个功能单元以及线性隔离放大器、模拟控制器IR1155S的外围器件；所述控制电路中：第八电阻的一端与功率电路中第一电感的另一端、第一电阻一端相连，以电压形式引入电感电流信号；第八电阻的另一端与第三电容一端相连并与第一线性隔离放大器的VIN+端相连，第三电容的另一端接地1并与第一线性隔离放大器的VIN-端相连，第一线性隔离放大器初级VDD1连接+5V1，第一线性隔离放大器次级VDD2连接+5V2，其地为地2，第一线性隔离放大器引脚ABSVAL输出与第一反相器相连，第一反相器相连-5V2和+5V2，其地为地2，第一反相器的输出与跟随器相连，跟随器的输出与分压器相连，分压器的输出与第九电阻一端相连，第九电阻一端与第五电容一端相连后并与模拟控制器IR1155S的引脚3相连，第五电容另一端接地2，第四电容一端与模拟控制器IR1155S的引脚3相连，第四电容另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚1连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚5与第十电阻一端和第七电容一端相连，第七电容另一端连接地2，第十电阻的另一端与第六电容一端相连，第六电容的另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚7与第一电解电容的阳极和第八电容一端相连，第一电解电容的阴极和第八电容的另一端连接地2，模拟控制器IR1155S的引脚4与功率电路中第六电阻和第七电阻的公共端相连，模拟控制器IR1155S的引脚6与功率电路中第三电阻和第四电阻的公共端相连，模拟控制器IR1155S的引脚8与S2驱动器的输入端、第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出端与S1隔离驱动器的输入端相连，S2驱动器与+15V2和地2相连，S1隔离驱动器的输出端与+15V1和地2相连，S2驱动器的输出端与第二GaN FET的门极相连，S1隔离驱动器输出端与第一GaN FET的门极相连。

2.根据权利要求1所述的图腾柱PFC模拟控制电路，其特征在于：所述第一电阻为分流电阻。

3.根据权利要求1所述的图腾柱PFC模拟控制电路，其特征在于：所述S1隔离驱动器为单只Si8233电容隔离驱动器。

4.根据权利要求1所述的图腾柱PFC模拟控制电路，其特征在于：所述S2驱动器为单只Si8233电容隔离驱动器。

5.根据权利要求1所述的图腾柱PFC模拟控制电路，其特征在于：所述地1和地2不同。

6.根据权利要求1所述的图腾柱PFC模拟控制电路，其特征在于：所述第一线性隔离放大器为HCPL788J线性隔离放大器。

7.一种图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器，其特征在于：所述图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器应用权利要求1-6中任意一项所述的图腾柱PFC模拟控制电路。

8.一种AC-DC变换器，其特征在于：所述AC-DC变换器应用权利要求7所述的图腾柱PFC单周期控制的模拟控制器。

9.一种充电桩，其特征在于：所述充电桩应用权利要求8所述的AC-DC变换器。

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