CN102457174A - 一种功率因数校正电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率因数校正(PFC)电路及控制方法，根据工频周期，控制可控开关器件(S1)或(S2)的导通与关闭，在工频正半周，第一可控开关器件(S1)关闭，第二可控开关器件(S2)导通；在工频负半周，第二可控开关器件(S2)关闭，第一可控开关器件(S1)导通。通过可控开关器件S1或S2的低阻抗通路提供持续导通的主功率电流回路。本发明利用可控开关器件代替缓慢恢复二极管，消除了结电容效应的影响，显著减小了每个开关周期的反向电流，降低了线路的高频损耗，提升了PFC电路的效率。本发明还可改善电磁干扰EMI效果，减少使用元器件数量，提升了效率和功率密度。

Description

一种功率因数校正电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种功率因数校正电路及控制方法。
背景技术
桥式整流PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路在电源产品中被广泛应用，如图1所示，显示了一种典型单相PFC电路示意图。桥式整流PFC电路，在每个开关周期都有三个开关器件参与工作，通态损耗较大。为降低通态损耗，可采用无桥PFC电路，如图2所示，显示了传统无桥PFC电路示意图。无桥PFC电路省掉了整流桥，在每个开关周期内只有两个开关器件参与工作，所以通态损耗降低，在提升效率方面具有突出的优势。但图2所示的无桥PFC电路EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)共模噪声干扰严重，因而产生了各种改进的无桥PFC电路。
目前提升无桥PFC拓扑效率和改善无桥PFC拓扑EMI的改善方案包括以下几种：
第一种，无桥PFC二极管改善方案
如图3所示，给出了在无桥PFC电路上增加EMI改善二极管方案的示意图。该二极管改善方案通过串接两个缓慢恢复二极管将直流母线低压侧与市电L、N之间短接起来，起到降低EMI共模噪声干扰的作用，电路拓扑如图3所示。但每个开关周期仅有一个升压电感参与PFC工作，另一个电感闲置，电感利用率低，功率密度低。
第二种，申请号为CN200510134317的中国专利申请的改进方案
如图4所示，该专利通过在市电输入L、N和直流母线低压侧分别接入一个滤波电容来旁路EMI噪声。此改善方案在每个开关周期仅有一个升压电感参与PFC工作，另一个电感闲置，电感利用率低，功率密度低。
第三种，申请号为CN200610088683.6的中国专利申请的改进方案
如图5所示，该专利中利用快恢复二极管和缓慢恢复二极管的特性改善EMI，仅使用一个PFC电感，电感利用率较高。但由于缓慢恢复二极管的PN结电容特性，其PN结电容效应导致在每个开关周期产生较大的反向电流，此反向电流增加了线路的高频损耗，不利于效率提升，同时对EMI产生了不利影响，该专利中同时指出的进一步改善方案中，额外增加了开关器件数量，不利于提升功率密度。
第四种，图腾式无桥PFC电路
如图6所示，图腾式无桥PFC电路中，利用MOS管的体二极管作为PFC电路的升压二极管，一般适用于断续和临界连续模式的小功率场合。图腾式无桥PFC电路所使用器件少，功率密度较大，但很难在大功率场合应用。
针对上述改善方案所存在的这些问题，就需要一种高效率、高功率密度的功率因数校正(PFC)电路和控制方法，用于减小或消除因缓慢恢复二极管PN结电容特性产生的高频反向电流，减小了电路的高频损耗，同时大幅降低功率回路的通态损耗，从而进一步提升了无桥PFC拓扑的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种功率因数校正(PFC)电路及控制方法，用于降低线路的高频损耗和通态损耗，提升效率和功率密度，改善EMI共模干扰。
为了解决上述问题，本发明提出了一种功率因数校正电路，包括由电感器(L1)和主开关器件(SW)串接构成的连接在交流电源的火线(L线)和零线(N线)之间的主开关支路，由电容器(C)和负载(R)并联组成的并联支路，第一、第二开关器件(T1、T2)、第一、二可控开关器件(S1、S2)；
在工频正半周，当主开关器件(SW)导通时，电流由L线经电感器(L1)、主开关器件(SW)回到N线；当主开关器件(SW)断开时，由电感器(L1)、第一开关器件(T1)、并联支路、第二可控开关器件(S2)依次串联组成正半周通路，所述正半周通路连接在火线(L线)和零线(N线)之间；
在工频负半周，当主开关器件(SW)导通时，电流由N线经主开关器件(SW)、电感器(L1)回到L线；当主开关器件SW断开时，由第一可控开关器件(S1)、并联支路、第二开关器件(T2)、电感器(L1)依次串联组成负半周通路，所述负半周通路连接在火线(L线)和零线(N线)之间。
所述第一可控开关器件(S1)和第二可控开关器件(S2)的开关频率为市电频率。
若市电输入处于工频正半周，则第二可控开关器件(S2)导通，第一可控开关器件(S1)关闭。若市电输入处于工频正半周，第二可控开关器件(S2)导通，则第一开关器件(T1)处于脉宽调制(PWM)状态，第二开关器件(T2)关闭。
若市电输入处于工频负半周，则第一可控开关器件(S1)导通，第二可控开关器件(S2)关闭。若市电输入处于工频负半周，第一可控开关器件(S1)导通，则第二开关器件(T2)处于脉宽调制(PWM)状态，第一开关器件(T1)关闭。
所述第一开关器件(T1)和第二开关器件(T2)是不可控开关器件，或者是可控开关器件。
所述主开关器件(SW)是可控开关器件、或者可控开关器件的组合。
本发明还提供一种功率因数校正电路的控制方法，包括：
根据市电侦测信号判断市电输入处于工频正半周或负半周；
在工频正半周驱动第二可控开关器件(S2)导通，第一可控开关器件(S1)关闭；
在工频负半周驱动第一可控开关器件(S1)导通，第二可控开关器件(S2)关闭。
若市电输入处于工频正半周，第二可控开关器件(S2)导通，则第一开关器件(T1)处于脉宽调制(PWM)状态，第二开关器件(T2)关闭；若市电输入处于工频负半周，第一可控开关器件(S1)导通，则第二开关器件(T2)处于脉宽调制(PWM)状态，第一开关器件(T1)关闭。
本发明的功率因数校正(PFC)电路，利用可控开关器件S1或S2的低阻抗通路提供持续导通的主功率电流通路，减小或消除了因缓慢恢复二极管PN结电容特性产生的高频反向电流，减小了电路的高频损耗，同时大幅降低功率回路的通态损耗，从而进一步提升了无桥PFC拓扑的效率；此功率因数校正(PFC)电路还克服了传统无桥PFC拓扑EMI共模噪声干扰严重的问题，可在保持与现有技术相同的EMI改善效果的同时，减少使用元器件的数量，提升了率密度。
附图说明
图1是现有技术的典型单相PFC电路示意图；
图2是现有技术的传统无桥PFC电路示意图；
图3是现有技术在无桥PFC电路上增加EMI改善二极管方案的示意图；
图4是专利CN200510134317改善方案的示意图；
图5是专利CN200610088683.6改善方案的示意图；
图6是现有技术图腾式无桥PFC电路示意图；
图7是本发明的功率因数校正(PFC)电路原理示意图；
图8是本发明的第一种具体实施例示意图；
图9是针对图8具体实施例的控制方法示意图；
图10是本发明的第二种具体实施例示意图；
图11是针对图10具体实施例的控制方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
针对现有无桥PFC电路所存在的问题，本发明提出了一种高效率、高功率密度的功率因数校正(PFC)电路和控制方法，利用可控开关器件S1或S2的低阻抗通路提供持续导通的主功率电流回路，减小或消除了因缓慢恢复二极管PN结电容特性产生的高频反向电流，减小了电路的高频损耗，同时大幅降低功率回路的通态损耗，从而进一步提升了无桥PFC拓扑的效率。同时，此电路还克服了传统无桥PFC拓扑EMI共模噪声干扰严重的问题，在与现有技术保持相同的EMI改善效果的同时，使用元器件数量减少，提升了率密度。
本发明的无桥PFC电路的原理如图7所示，在该无桥PFC电路中，由电感器L1和主开关器件SW串接构成主开关支路，该主开关支路连接在交流电源的火线(L线)和零线(N线)之间。在该无桥PFC电路中，由电容器C和负载R并联组成了并联支路。
在工频正半周，当主开关器件SW导通时，电流由L线经电感器L1、主开关器件SW回到N线。当主开关器件SW断开时，由电感器L1、第一开关器件T1、并联支路、第二可控开关器件S2依次串联组成正半周通路，所述正半周通路连接在火线(L线)和零线(N线)之间。
在工频负半周，当主开关器件SW导通时，电流由N线经主开关器件(SW)、电感器(L1)回到L线；当主开关器件SW断开时，由第一可控开关器件S1、并联支路、第二开关器件T2、电感器L1依次串联组成负半周通路，所述负半周通路连接在火线(L线)和零线(N线)之间。
针对本发明的PFC电路，其控制方法是根据市电侦测信号，判断市电输入处于工频正半周或负半周，工频正半周驱动S2导通，S1关闭；工频负半周驱动S1导通，S2关闭，以实现S1和S2的驱动与市电工频正负半周切换同步控制；同时以PWM信号驱动PFC电路主开关支路SW，以保证PFC电路正常工作。
下面以工作在工频正半周的情形为例说明该电路的控制方法，在主开关器件SW导通时，电流由L线流出，经过电感器L1和主开关器件SW回到N线；在主开关器件SW关闭时，电流由L线流出，经过电感器L1、第一开关器件T1、由电容器C和负载R组成的并联支路以及第二可控开关器件S2回到N线。此时，第一可控开关器件S1关闭，第二可控开关器件S2导通。同理可分析工频负半周的工作过程。
其中，所述第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2的开关频率为市电频率，这就可以根据市电侦测信号判断市电输入处于工频正半周或负半周，若市电处于工频正半周则驱动S2导通，S1关闭；若市电处于工频负半周则驱动S1导通，S2关闭，以实现S1和S2的驱动与市电工频正负半周切换同步控制。由于可控开关器件S1和S2的开关频率为市电频率，因而该PFC电路具有控制简单、可靠性高的特点。
其中，所述第一开关器件T1和第二开关器件T2可以是不可控开关器件，例如二极管，也可以是可控开关器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT。
其中，所述主开关器件SW是可控开关器件，或者是可控开关器件的组合，可以脉宽调制PWM信号驱动PFC电路主开关支路SW，以保证PFC电路正常工作。
其中，所述第一可控开关器件S1和第二可控开关器件S2，在工频正负半周中，一个导通时而另一个关闭，从而在工频正负半周能够分别提供持续的导通路径，将直流母线侧与市电输入侧短接起来，起到改善无桥PFC拓扑EMI的效果。
本发明的PFC电路利用可控开关器件S1和S2提供持续导通的功率电流通路，减少线路的高频损耗和通态损耗、减少元器件数量以及降低EMI干扰。可控开关器件S1和S2的低阻抗通路提供持续导通的功率电流回路，减少或消除了缓慢恢复二极管PN结电容特性产生的高频反向电流，降低了功率回路的高频损耗，同时降低主功率回路的通态损耗，提升了无桥PFC的效率；在相同EMI改善水平的前提下，所使用器件数量减小，有利于无桥PFC拓扑功率密度的提升。
如图8所示，显示了本发明的第一种具体实施例示意图，第一开关器件T1和第二开关器件T2采用二极管D1和D2，其中D1和D2可以采用快恢复二极管等。图9是对应于图8实施例的控制方法示意图。下面对具体实施例电路及控制方法做简要说明。
在图8所示实施例中，工频正负半周工作过程对称，以工频正半周为例进行分析。在图8所示电路中，当可控开关器件SW导通时，电流由L线流出，经过PFC电感器L1和可控开关器件SW，回到N线；当可控开关器件SW关闭时，电流由L线流出，经过PFC电感器L1、二极管D1、电容器C和负载R的并联支路，再经过可控开关器件S2，回到N线，在此过程中可控开关器件S1关闭，可控开关器件S2导通。同理可分析工频负半周的工作过程。
由于在工频正半周S2处于持续导通状态(在工频负半周S1处于持续导通状态)，电流通路一直存在，通过可控开关器件S2提供的持续通路，消除直流母线侧相对于N线的高频电位浮动，从而改善EMI共模干扰；由于可控开关器件S1和S2的器件特性不同于缓慢恢复二极管，不存在缓慢恢复二极管的等效结电容效应，因而减小或消除了每个开关周期内因缓慢恢复二极管而产生的反向电流，降低了高频损耗，同时减小了因使用缓慢恢复二极管而产生的较大的通态损耗，提升了无桥PFC效率；同时与现有技术保持相同的EMI改善效果时，减少了器件数量，有利于功率密度提升。
图10是本发明的第二个具体实施例示意图，其中T1和T2采用可控开关器件，可以是MOSFET和IGBT等。图11是对应于图10所示实施例的控制方法示意图。下面对具体实施例电路及控制方法做简要说明。
由于在图10所示实施例中，工频正负半周工作过程对称，以工频正半周为例进行分析。在图10所示电路中，当可控开关器件SW导通时，电流由L线流出，经过PFC电感器L1和可控开关器件SW，回到N线；当可控开关器件SW关闭时，电流由L线流出，经过PFC电感器L1、可控开关器件T1、电容器C和负载R的并联支路，再经过可控开关器件S2，回到N线，在此过程中可控开关器件S1关闭，可控开关器件S2导通。同理可分析工频负半周的工作过程。
由于在工频正半周S2处于持续导通状态(在工频负半周S1处于持续导通状态)，电流通路一直存在，通过可控开关器件S2提供的持续通路，消除直流母线侧相对于N线的高频电位浮动，从而改善EMI共模干扰；由于可控开关器件S1和S2的器件特性不同于缓慢恢复二极管，不存在缓慢恢复二极管的等效结电容效应，因而减小或消除了每个开关周期内因缓慢恢复二极管而产生的反向电流，降低了高频损耗，且减小了因使用缓慢恢复二极管而产生的较大的通态损耗，提升了无桥PFC电路的效率；由于利用可控开关器件T1和T2，通过控制器件开通，利用其低阻抗本体替代原有的高导通压降二极管通路，可能进一步提升无桥PFC电路效率；同时与现有技术保持相同的EMI改善效果时，减少了器件数量，有利于功率密度提升。
在本发明中所涉及的主开关器件SW可以是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等任意的可控半导体开关器件，或者可控半导体开关器件的各种组合。开关管的驱动控制信号由***的控制电路生成。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种功率因数校正电路，包括由电感器(L1)和主开关器件(SW)串接构成的连接在交流电源的火线(L线)和零线(N线)之间的主开关支路，由电容器(C)和负载(R)并联组成的并联支路，第一、第二开关器件(T1、T2)、第一、二可控开关器件(S1、S2)；
在工频正半周，当主开关器件(SW)导通时，电流由L线经电感器(L1)、主开关器件(SW)回到N线；当主开关器件(SW)断开时，由电感器(L1)、第一开关器件(T1)、并联支路、第二可控开关器件(S2)依次串联组成正半周通路，所述正半周通路连接在火线(L线)和零线(N线)之间；
在工频负半周，当主开关器件(SW)导通时，电流由N线经主开关器件(SW)、电感器(L1)回到L线；当主开关器件SW断开时，由第一可控开关器件(S1)、并联支路、第二开关器件(T2)、电感器(L1)依次串联组成负半周通路，所述负半周通路连接在火线(L线)和零线(N线)之间。
2.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，
所述第一可控开关器件(S1)和第二可控开关器件(S2)的开关频率为市电频率。
3.如权利要求2所述的功率因数校正电路，其特征在于，
若市电输入处于工频正半周，则第二可控开关器件(S2)导通，第一可控开关器件(S1)关闭。
4.如权利要求3所述的无桥功率因数校正电路，其特征在于，
若市电输入处于工频正半周，第二可控开关器件(S2)导通，则第一开关器件(T1)处于脉宽调制(PWM)状态，第二开关器件(T2)关闭。
5.如权利要求2所述的功率因数校正电路，其特征在于，
若市电输入处于工频负半周，则第一可控开关器件(S1)导通，第二可控开关器件(S2)关闭。
6.如权利要求5所述的功率因数校正电路，其特征在于，
若市电输入处于工频负半周，第一可控开关器件(S1)导通，则第二开关器件(T2)处于脉宽调制(PWM)状态，第一开关器件(T1)关闭。
7.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，
所述第一开关器件(T1)和第二开关器件(T2)是不可控开关器件，或者是可控开关器件。
8.如权利要求1所述的无桥功率因数校正电路，其特征在于，
所述主开关器件(SW)是可控开关器件、或者可控开关器件的组合。
9.一种基于权利要求1的功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，包括：
根据市电侦测信号判断市电输入处于工频正半周或负半周；
在工频正半周驱动第二可控开关器件(S2)导通，第一可控开关器件(S1)关闭；
在工频负半周驱动第一可控开关器件(S1)导通，第二可控开关器件(S2)关闭。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，
若市电输入处于工频正半周，第二可控开关器件(S2)导通，则第一开关器件(T1)处于脉宽调制(PWM)状态，第二开关器件(T2)关闭；
若市电输入处于工频负半周，第一可控开关器件(S1)导通，则第二开关器件(T2)处于脉宽调制(PWM)状态，第一开关器件(T1)关闭。
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