CN220492862U - 一种功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种功率因数校正电路，包括升压电感、防雷电感、第一整流电路、第二整流电路、第三整流电路、第四整流电路和母线电容；升压电感L1的第一端连接至交流输入电网的第一端，升压电感L1的第二端分别与所述第二整流电路桥臂中点相连；防雷电感L1T的第一端分别与交流输入电网的第二端、第三整流电路桥臂中点相连，防雷电感的第二端与所述第四整流电路桥臂中点相连，本实用新型利用第三整流电路将防雷电感两端电压钳位至母线电容电压或0V，从而限制流过第四整流电路的峰值电流，提升第四整流电路的可靠性，保证抗雷性能。并且本实用新型电路结构简单、成本低、无需额外的防雷控制逻辑。

Description

一种功率因数校正电路

技术领域

本实用新型涉及无桥PFC电路领域，更具体地，涉及一种功率因数校正电路。

背景技术

常用的高效图腾柱无桥功率因数校正电路采用工频二极管整流技术，如图1a所示，其中的二极管D3和二极管D4为工频二极管，常采用临界控制模式或者连续控制模式。该方案由工频二极管D1、D2、D3和D4组成钳位电路，能够及时钳位各种雷击下的电压应力，且工频二极管具有耐大电流的能力，产品可靠性也非常高，但其缺陷是不能逆变，并且目前超高效率的一次整流模块技术要求峰值效率达到98％左右，为了使效率进一步提升，通常采用有源开关管来替代工频二极管整流，且双向电源也需要采用有源开关管来进行工频整流，因此现有技术提出了如图1b所示的方案。

以交流输入正半周为例，图1b方案的工作原理为：MOS管Q1L为主管，MOS管Q1H为续流管；升压电感L1激磁时：MOS管Q1L导通、MOS管Q1H关断，电感L1的电流流向为：电感L1→MOS管Q1L→MOS管QT2→AC源→电感L1；升压电感L1去磁时：MOS管Q1H导通、MOS管Q1L关断，电感L1的电流流向为：电感L1→MOS管Q1H→母线电容C1→MOS管QT2→AC源→电感L1。图1b的方案虽然能提升效率，且可以实现逆变功能，但由于常规有源开关管的电流抗冲击能力远低于二极管，因此会导致抗雷击性能下降，电路失效可能性增大，同样以交流输入正半周为例：若产生一同为正半周期的雷击，雷击电流流向为：二极管D1→母线电容C1→MOS管QT2→AC源,雷击电流非常大，会导致MOS管QT2损坏；若此时产生一负半周期的雷击，雷击电流流向为：MOS管QT2→二极管D2→AC源,雷击电流非常大，也会导致MOS管QT2损坏。

较传统的解决方式为选择多颗低内阻、大耐流的有源开关管并联，但成本很高，可靠性较差。也有通过在输入端增加防雷电感以及钳位二极管进行峰值电流限制的方案，但其会导致雷击产生时PFC电感不能得到良好的钳位，会导致PFC电感瞬间承受一个极高电压而导致电感饱和，依然有一定的固有缺陷。

公开号为CN109067167A的专利公开了一种功率因数校正防雷电路，如图2所示(来源于该专利附图3)，从其记载的内容“当雷击时，输入电流被采样到异常电流值，关闭第一整流电路、和第二整流电路的所有半导体功率管”中可以看出，虽然第一和第二整流电路的半导体功率管关断了，且通过电感L2来承受该浪涌电压可以有效抑制流过第一整流电路体二极管的峰值电流，但正因为电感L2的原因，导致电感L1两端电压不能被钳位，最终也存在饱和以及开关管Q1功率管击穿的风险。以正半周期为例，在雷击信号来之前，电源A端电压为+，B端电压为-，在正向雷击浪涌到来之后，A端和母线电容C1正端会存在一个极大的电压差，该电压差同样直接加在电感L1和开关管Q1体二极管两端，从而导致电感L1上也会产生一个极大峰值电流。而且在电源上电时刻，输出电容从0V上升至输入电压的最大值的过程中，电感L1和L2上都会有一个极大的电流，同样会导致电感L1饱和以及开关管Q1功率管的击穿。

如上分析，目前实现无桥PFC电路中的防雷电路，都还是存在一定的缺陷的。

实用新型内容

有鉴如此，本实用新型要解决的技术问题是提供了一种功率因数校正电路，至少在一定程度上能解决上述现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的功率因数校正电路实施例的技术方案如下：

一种功率因数校正电路，其中，包括：

第一工频整流电路、第二工频整流电路、第三工频整流电路、第一高频整流电路和母线电容，均并联在所述功率因数校正电路的正输出端与负输出端之间，其中所述第一工频整流电路、所述第二工频整流电路、所述第三工频整流电路和所述第一高频整流电路均包括两个开关管形成的桥臂；

升压电感，其第一端同时与所述功率因数校正电路的第一输入端和所述第一工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与所述第一高频整流电路的桥臂中点相连；

防雷电感，其第一端同时与所述功率因数校正电路的第二输入端和所述第二工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与所述第三工频整流电路的桥臂中点相连；

其中，所述第一工频整流电路、所述第二工频整流电路、所述第三工频整流电路，所述防雷电感和所述母线电容在所述第三工频整流电路处于工频开关下能形成回路，用于限制流过所述第三工频整流电路中开关管的电流尖峰。

优选地，所述第一高频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂。

优选地，所述第一工频整流电路包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂。

优选地，所述第二工频整流电路包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂。

优选地，所述第三工频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，从而所述功率因数校正电路为双向整流图腾无桥电路。

优选地，所述第一工频整流电路和所述第三工频整流电路均包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂，所述第一高频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，从而所述功率因数校正电路为单向整流图腾无桥电路。

进一步地，所述功率因数校正电路包括N个所述升压电感和N个所述第一高频整流电路，所述N为大于或等于2的自然数，各所述升压电感第一端均同时与所述功率因数校正电路的第一输入端和所述第一工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与所述N个第一高频整流电路之一的桥臂中点相连。

本实用新型的工作原理结合具体的实施例进行详细说明，在此不赘述，本实用新型的有益效果具体如下：

1、本实用新型的功率因数校正电路通过增加防雷电感和第二工频整流电路，可以同时将升压电感和防雷电感两端电压钳位至母线电容两端电压内，靠母线电容来吸收浪涌能量，通过对防雷电感设置合适的电感值，将峰值电流限制在半导体功率管安全阈值以内，提升产品可靠性；

2、本实用新型的功率因数校正电路中的防雷电感和第二工频整流电路无需额外的控制电路，在双向电源中第四整流的功率管可以选择较高阻抗的管子，比之现有技术方案的产品成本更低；

3、本实用新型的功率因数校正电路既可以应用在仅整流的功率因数校正电路中，也可以应用在可逆变的功率因数校正电路中，适用性广泛。

附图说明

图1a为现有工频二极管整流的无桥功率因数校正电路的电路原理图；

图1b为现有工频有源开关管整流的无桥功率因数校正电路的电路原理图；

图2为现有功率因数校正防雷电路的电路原理图；

图3为本实用新型功率因数校正电路的原理图；

图4为图3电路带控制器后的原理图；

图5为本实用新型两相功率因数校正电路的原理图；

图6为本实用新型多相功率因数校正电路的原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中描述的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列元器件、单元电路或控制时序不必限于清楚地列出的那些元器件、单元电路或控制时序，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些电路固有的元器件、单元电路或控制时序。

另外，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应该理解的是，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件；当描述有步骤接续至另一步骤时，该步骤可直接接续至该另一步骤，或者通过第三步骤接续至该另一步骤。

图3为本实用新型功率因数校正电路的原理图，图4为图3电路带控制器后的原理图，请参见图3和图4，其中的功率因数校正电路包括：第一工频整流电路、第二工频整流电路、第三工频整流电路、第一高频整流电路和母线电容C1，均并联在功率因数校正电路的正输出端与负输出端之间，其中第一工频整流电路、第二工频整流电路、第三工频整流电路和第一高频整流电路均包括两个开关管形成的桥臂；升压电感L1，其第一端同时与功率因数校正电路的第一输入端和第一工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与第一高频整流电路的桥臂中点相连；防雷电感LT1，其第一端同时与功率因数校正电路的第二输入端和第二工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与第三工频整流电路的桥臂中点相连；其中，第一工频整流电路、第二工频整流电路、第三工频整流电路，防雷电感和母线电容C1在第三工频整流电路处于工频开关下能形成回路，用于限制流过第三工频整流电路中开关管的电流尖峰。

其中，第一高频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，具体地，两个有源半导体功率管分别为SiMOS管Q1H和SiMOS管Q1L，也可以将开关管类型选择为IGBT、SIC、GAN等，本领域的技术人员可以根据需要进行选择，本实用新型不做限制。

其中，第一工频整流电路包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂，具体地，两个有源半导体功率管分别为二极管D1和二极管D2。

其中，第二工频整流电路包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂，具体地，两个有源半导体功率管分别为二极管D3和二极管D4。

其中，第三工频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，从而功率因数校正电路为双向整流图腾无桥电路，具体地，两个有源半导体功率管分别为SiMOS管QT1和SiMOS管QT2，也可以将开关管类型替换为IGBT、SIC、GAN等，本领域的技术人员可以根据需要进行选择，本实用新型不做限制。

作为本实用新型的功率因数校正电路的一种实施方式，第一工频整流电路和第三工频整流电路均包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂，第一高频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，从而功率因数校正电路为单向整流图腾无桥电路。

本实用新型功率因数校正电路通过第二工频整流电路中的两个开关管，第三工频整流电路中的两个开关管以及母线电容来对防雷电感L1T两端的电压进行钳位，在第三工频整流电路处于工频开关下，第一工频整流电路、第二工频整流电路、第三工频整流电路，防雷电感和母线电容能形成回路，可以将防雷电感L1T两端的电压钳位至母线电容C1的电压值或0V，通过调节防雷电感L1T的感量值来限制流过第三工频整流电路中对应开关管的电流，防止第三工频整流电路中的开关管受冲击电流而损坏，提升电路的可靠性。

以下结合图4进行详细分析，其中在正半周期时，控制器输出控制信号使得MOS管QT2一直导通，MOS管QT1一直关断；在负半周期时，控制器输出控制信号使得MOS管QT1一直导通，MOS管QT2一直关断；在正负半周期，MOS管Q1H以及MOS管Q1L均做高频的开关动作，且MOS管Q1H以及MOS管Q1L的控制信号为中间带死区的互补信号。

以正半周期为例，此时101处电压为正，102处电压为负：在MOS管Q1L导通，MOS管Q1H关断期间，电感L1激磁，电流流向为：101→电感L1→MOS管Q1L→MOS管QT2→电感L1T→102；在MOS管Q1H导通，MOS管Q1L关断期间，感L1去磁，电流流向为：101→电感L1→MOS管Q1H→负载Rload→MOS管QT2→电感L1T→102；当产生正向雷击信号时，此时101处为正压，102处为负压，电流流向为：101→二极管D1→母线电容C1→二极管D4→102，此时防雷电感L1T与MOS管QT2两端电压被钳位至二极管D4的导通压降，从而限制流过MOS管QT2的电流，保护MOS管QT2不被浪涌电流击穿；当产生负向雷击信号时，此时102处为负压，102处为正压，电流流向为102→二极管D3→母线电容C1→二极管D2→101，此时防雷电感L1T与开关管MOS管QT2两端电压被钳位至母线电容C1两端的电压，从而限制流过MOS管QT2的电流，保护MOS管QT2被浪涌电流击穿，电感L1以及MOS管Q1L被钳位至0V，限制流过MOS管Q1L的电流。

图3和图4的功率因数校正电路为单相，该电路还可以拓展为两相及多相交错功率因数校正电路，拓展为两相及多相交错的目的在于能够进一步的提升功率因数校正电路的功率等级以及减低母线电容C1的电流纹波，此时，在图3和图4的基础上进一步地包括N个升压电感(为方便下文描述，从第二个所述升压电感开始逐一重命名为第二升压电感、第三升压电感、…、第N升压电感)和N个第一高频整流电路(为方便下文描述，从第二个所述第一高频整流电路开始逐一重命名为第二高频整流电路、第三高频整流电路、…、第N高频整流电路)，N为大于或等于2的自然数，各升压电感第一端均同时与功率因数校正电路的第一输入端和第一工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与N个第一高频整流电路之一的桥臂中点相连。

图5为本实用新型两相功率因数校正电路的原理图，其工作原理与图3类似，不同之处在于增加第二升压电感L2以及第二高频整流电路，其中第二高频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，具体地，两个有源半导体功率管分别为SiMOS管Q2H和SiMOS管Q2L，也可以将开关管类型选择为IGBT、SIC、GAN等。其中的MOS管Q1H与MOS管Q2H的控制信号相位差为180°，MOS管Q1L与MOS管Q2L的控制信号相位差为180°。

图6为本实用新型多相功率因数校正电路的原理图，其工作原理也与图3类似，不同之处在于增加第二至第n升压电感Ln以及第2至第n高频整流电路，其中第2至第n高频整流电路均包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，具体地，两个有源半导体功率管分别为SiMOS管QnH和SiMOS管QnL，也可以将开关管类型选择为IGBT、SIC、GAN等。其中的MOS管Q1H至MOS管QnH的控制信号相位差依次相差360°/n，MOS管Q1L至MOS管QnL的控制信号相位差依次相差360°/n。

以上仅是本实用新型的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本实用新型的限制，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的精神和范围内，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 (7)

1.一种功率因数校正电路，其特征在于，包括：

第一工频整流电路、第二工频整流电路、第三工频整流电路、第一高频整流电路和母线电容，均并联在所述功率因数校正电路的正输出端与负输出端之间，其中所述第一工频整流电路、所述第二工频整流电路、所述第三工频整流电路和所述第一高频整流电路均包括两个开关管形成的桥臂；

升压电感，其第一端同时与所述功率因数校正电路的第一输入端和所述第一工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与所述第一高频整流电路的桥臂中点相连；

防雷电感，其第一端同时与所述功率因数校正电路的第二输入端和所述第二工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与所述第三工频整流电路的桥臂中点相连；

其中，所述第一工频整流电路、所述第二工频整流电路、所述第三工频整流电路，所述防雷电感和所述母线电容在所述第三工频整流电路处于工频开关下能形成回路，用于限制流过所述第三工频整流电路中开关管的电流尖峰。

2.根据权利要求1所述功率因数校正电路，其特征在于：所述第一高频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂。

3.根据权利要求1所述功率因数校正电路，其特征在于：所述第一工频整流电路包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂。

4.根据权利要求1所述功率因数校正电路，其特征在于：所述第二工频整流电路包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂。

5.根据权利要求1所述功率因数校正电路，其特征在于：所述第三工频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，从而所述功率因数校正电路为双向整流图腾无桥电路。

6.根据权利要求1所述功率因数校正电路，其特征在于：所述第一工频整流电路和所述第三工频整流电路均包含两个同向串联的无源半导体功率管形成的桥臂，所述第一高频整流电路包含两个有源半导体功率管形成的桥臂，从而所述功率因数校正电路为单向整流图腾无桥电路。

7.根据权利要求1至6任一项所述功率因数校正电路，其特征在于，所述功率因数校正电路包括N个所述升压电感和N个所述第一高频整流电路，所述N为大于或等于2的自然数，各所述升压电感第一端均同时与所述功率因数校正电路的第一输入端和所述第一工频整流电路的桥臂中点相连、第二端与所述N个第一高频整流电路之一的桥臂中点相连。