CN107919807A - 适于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的pfc母线调压控制电路及控制方法 - Google Patents

适于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的pfc母线调压控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的PFC母线调压控制电路及控制方法，最大限度实现全输出电压范围靠近谐振频率工作点，提升LLC转换电路效率；同时也缩小PFC电路输出电压和输入电压之间的差值，提升PFC电路效率，使整个电源模块的性能得到显著的提升。本发明通过采样输出电压Vout和输入电压Vin，计算对母线电压Vpfc的最优调节方案，从而最大限度的实现全输出电压范围靠近谐振频率工作点。

Description

适于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的PFC母线调压 控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及宽输入和输出电压范围的高效开关电源以及电池充电技术，具体涉及一种适于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的PFC母线调压控制电路及控制方法。
背景技术
目前AC/DC变换器转换电路，基本由PFC电路+DC/DC变换电路组成，前级PFC(powerfactor correction功率因数校正)能提供一个稳定的DC/DC输入电压，并实现功率因数校正；后级DC/DC变换电路采用LLC谐振变换器。具体拓扑电路如图1所示。
PFC电路一般采用BOOST电路拓扑或其他硬开关电路，对于BOOST硬开关电路而言，在相同的工作条件下，当输出电压与输入电压之间的差值越小，开关管的导通时间Ton越短，其导通损耗越小。同时BOOST电感的纹波电流也越小，磁芯损耗也将减小。由于BOOST电路的纹波电流减小，其输出滤波电容的ESR等效电阻上的损耗将减小，输出滤波电容的使用寿命也将增加。所以在设计时，减小BOOST电路输出电压与输入电压之间的差值，能有效的提高整个PFC部分电路的效率。
LLC谐振变换电路工作在谐振频率fr点时，可实现全负载范围内的原边MOS管ZVS(零电压关断)，副边整流二极管也能自动实现ZCS(零电流关断)，反向恢复损耗大大减小；电源效率将达到最大。
当开关电源模块应用于宽输出电压范围时，若采用固定PFC电压、或者在特定的输出电压时调高或降低PFC电压，会使转换电路工作频率跟随输出电压的变化而偏离谐振频率工作点，无法实现最大输出电压范围工作在谐振点附近，从而减弱LLC变换器具备的优势。同时也将导致PFC电路输出电压和输入电压之间差值一直很大，导致PFC电路的效率降低。
发明内容
本发明将给出一种全新的PFC电压控制方法，最大限度实现全输出电压范围靠近谐振频率工作点，提升LLC转换电路效率；同时也缩小PFC电路输出电压和输入电压之间的差值，提升PFC电路效率，使整个电源模块的性能得到显著的提升。
本发明提供一种适用于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的PFC母线调压控制电路，包括整流单元和滤波单元，该整流单元和滤波单元用于将市电交流输入整流成直流；该控制电路还包括：PFC功率校正单元，谐振变换单元、母线电容Cbus；其中整流单元与滤波单元连接，滤波单元与PFC功率校正单元连接，PFC功率校正单元与母线电容Cbus并联后，与谐振变换单元连接，输出负载输出电压Vout；该电路通过实时监控负载输出电压Vout和市电交流输入电压Vin的变化以调节母线电压Vpfc，使谐振变换单元最大限度的工作在谐振频率工作点。
本发明提供一种利用上述控制电路的PFC母线调压控制方法，包括：检测步骤、比较步骤，以及调节输出步骤，由此使负载输出电压Vout工作在不同区域。其中检测步骤包括检测负载输出电压Vout和交流输入电压Vin；比较步骤包括通过公式计算出电压增益等于1时的PFC母线电压Vpfc理论值，根据输入电压计算出母线电压允许最小电压Vpfc_min；通过母线电容的最大电压降额得出母线电压允许最大电压Vpfc_max，对比Vpfc与Vpfc_min、Vpfc_max之间的大小关系；调节输出步骤包括：当V pfc＜Vpfc_min时，母线电压实际值为Vpfc_min；当Vpfc_min≤Vpfc≤Vpfc_max时，母线电压实际值为Vpfc；当Vpfc＞Vpfc_max时，母线电压实际值为Vpfc_max。该方法大幅提高了宽输入和输出电压范围内的效率，同时不需要增加任何器件成本。
本发明通过采样负载输出电压Vout和输入电压Vin，计算对母线电压Vpfc的最优调节方案，从而最大限度的实现全输出电压范围靠近谐振频率工作点。
附图说明
图1是现有的AC/DC变换器基本拓扑图。
图2是根据本发明的PFC母线调压控制电路的拓扑图。
图3是根据本发明的PFC母线调压策略软件实现流程图。
图4是根据本发明的PFC母线调压方案。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图2所示，市电交流输入通过整流桥，滤波电容Cin，将交流整流成直流；再经过PFC功率校正电路，PFC电路采用BOOST电路结构，Lpfc为BOOST电路电感，Q3为BOOST电路开关管，D3为BOOST电路输出二极管；Cbus为母线电容；再通过LLC半桥谐振变换电路，输出指定的负载输出电压Vout，Q1和Q2为LLC电路的开关管，Lr1为谐振电感，Cr1为谐振电容，T1为LLC电路主变压器，D1和D2为LLC电路的输出二极管，Cout为输出滤波电容。
如图2市电输入电压为Vin；负载输出电压为Vout，最小负载输出电压Vout_min，最大负载输出电压Vout_max；母线PFC电压为Vpfc，母线电压允许最小电压Vpfc_min，母线电压允许最大电压Vpfc_max；变压器原副边匝比为Np/Ns，母线纹波电压为±Vsw，母线电容最大降额电压Vmax_cbus。LLC变化器开关管的占空比为D，输出二极管D1和D2的压降都为Vd，母线PFC电压Vpfc跟随Vin和Vout计算公式如下：
公式(1)是当负载输出电压与Vpfc母线电压增益为1时，LLC谐振变换器将工作在谐振点。同时Vpfc电压需要满足大于市电输入电压峰值和纹波电压之和，小于母线电容最大降额电压与纹波电压之差。
具体实施控制策略如图3所示，具体控制步骤为：检测负载输出电压Vout，通过公式(1)计算出电压增益等于1时的母线电压Vpfc理论值。检测输入电压Vin，计算出母线电压允许最小电压Vpfc_min。通过母线电容的最大电压降额得出母线电压允许最大电压Vpfc_max。对比Vpfc与Vpfc_min、Vpfc_max之间的大小关系。
当Vpfc＜Vpfc_min时：母线电压实际值为Vpfc_min；
当Vpfc_min≤Vpfc≤Vpfc_max时：母线电压实际值等于理论值；
当Vpfc＞Vpfc_max时，母线电压实际值为Vpfc_max。
如图4所示，负载输出电压Vout可分为三个工作区域：
1、输出电压工作在低压工作区I
母线电压Vpfc理论值小于母线电压允许最小电压Vpfc_min，此时LLC的工作频率fs略大于谐振频率fr，也是此输出条件下最接近谐振频率的控制方式。LLC谐振变换器的转换效率达到此输出电压下的最大值。同时PFC功率校正电路的输出电压Vpfc和输入电压Vin之间的差值达到最小，在该输出电压条件下PFC功率校正电路的效率明显提升。此控制策略将最大程度的提高低电压输出时整个电源模块的工作效率。
2、输出电压工作在线性调压区II；
此段输出电压范围内，母线电压实际值等于理论计算值，该工作电压范围内电压增益等于1，LLC谐振变换器的工作频率等于谐振频率，实现零电压开关，大大降低开关管的开关损耗。输出副边整流二极管自动实现零电流关断，没有反向恢复损耗。PFC功率校正电路的输出电压线性下降，使得输入电压和输出电压之间的差值线性下降，有效地提升PFC电路的效率，让整个电源模块在该输出电压范围内的效率大大提升。
3、输出电压工作在高压工作区III；
母线电压Vpfc理论值大于母线电压允许最大电压Vpfc_max，此时LLC的工作频率略小于谐振频率fr，同时也是该输出条件下最接近谐振频率的控制方式。此时LLC谐振变换器的转换效率达到此输出电压下的最大值。整个电源模块的在高压工作区也将达到最大值。
通过本发明的PFC母线调压策略，能实现宽电压范围输入和输出下电源模块保持更高的效率工作，在不增加任何器件成本的情况下整个开关电源模块的工作效率，降低模块的整体发热量，为后续的热设计节省了成本。有利于实现模块的高功率密度、高性价比。
本发明是一种适用于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的PFC母线调压策略，通过***MCU实时监控输出电压和输入电压的变化来调节母线电压Vpfc。实现最大限度的将LLC变换器工作在谐振频率工作点，减少LLC电路的调频宽度，在调节Vpfc的同时缩小了PFC电路输出电压与输入电压之间的差值，提高了PFC电路的效率。全面整个开关电源模块在宽电压范围输入和输出的性能。
本发明设计的PFC电路母线调节范围中最小值Vpfc_min并非是根据最大市电交流输入电压Vin_max计算出的固定值，而是实现Vpfc_min跟随电网波动实时更新的动态值。有利于最大范围内实现谐振频率点工作。
本发明在设计LLC谐振变换器主变压器原边与副边的匝比时需要结合输出电压范围(Vout_min，Vout_max)和母线电压范围(Vpfc_min，Vpfc_max)，合理的设计匝比NP/NS，最大限度的利用母线电压范围，实现最大范围内谐振频率点工作，全面提升电源模块的性能。
本发明可通过不同的应用需求，将开关电源的调压方式做一定的变更，例如：可设计将模块只工作在线性调压区II；或可设计将模块工作在低压工作区I和线性调压区II；或可设计将模块工作在线性调压区II和高压工作区III。

Claims (10)

1.一种适用于宽输入和输出电压范围的高效开关电源的PFC母线调压控制电路，包括整流单元和滤波单元，该整流单元和滤波单元用于将市电交流输入整流成直流；
该控制电路还包括：PFC功率校正单元，谐振变换单元、母线电容Cbus；
其中整流单元与滤波单元连接，滤波单元与PFC功率校正单元连接，PFC功率校正单元与母线电容Cbus并联后，与谐振变换单元连接；该电路通过实时监控负载输出电压Vout和市电交流输入电压Vin的变化以调节母线电压Vpfc，使谐振变换单元最大限度的工作在谐振频率工作点。
2.如权利要求1所述的控制电路，其中整流单元为整流桥，滤波单元为滤波电容Cin，滤波电容Cin跨接在整流桥两侧，谐振变换单元为LLC半桥谐振变换电路，包括开关管Q1和Q2，谐振电感Lr1，谐振电容Cr1，主变压器T1，输出二极管D1和D2，Cout为输出滤波电容，开关管Q1和Q2串联与母线电容Cbus电连接，Q1和Q2的公共端与谐振电感Lr1连接，Q2的另一端与谐振电容Cr1连接，谐振电感Lr1、谐振电容Cr1和主变压器T1原边串联，输出二极管D1和D2与主变压器T1副边串联，输出滤波电容Cout与T1副边连接。
3.如权利要求2所述的控制电路，其中PFC功率校正单元采用BOOST电路结构，包括BOOST电路电感Lpfc，BOOST电路开关管Q3，BOOST电路输出二极管D3；其中BOOST电路电感Lpfc，BOOST电路开关管Q3和滤波电容Cin串联，BOOST电路输出二极管D3一端与BOOST电路开关管Q3一端连接，D3另一端与母线电容Cbus一端连接，母线电容Cbus的另一端与BOOST电路开关管Q3的另一端连接。
4.如权利要求2所述的控制电路，其中负载最小输出电压为Vout_min，负载最大输出电压为Vout_max；母线电压允许最小电压为Vpfc_min，母线电压允许最大电压为Vpfc_max；变压器原副边匝比为Np/Ns，母线纹波电压为±Vsw，母线电容最大降额电压为Vmax_cbus，LLC变化器开关管的占空比为D，输出二极管D1和D2的压降都为Vd，PFC母线电压Vpfc跟随Vin和Vout计算公式如下：
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当负载输出电压与Vpfc电压增益为1时，LLC半桥谐振变换电路将工作在谐振点。
5.如权利要求4所述的控制电路，其中LLC半桥谐振变换电路主变压器原边与副边的匝比NP/NS根据负载输出电压范围(Vout_min，Vout_max)和母线电压范围(Vpfc_min，Vpfc_max)确定，以最大限度的利用母线电压范围，使谐振变换单元最大限度的工作在谐振频率工作点。
6.一种利用权利要求4或5的控制电路的PFC母线调压控制方法，包括：
检测步骤、比较步骤，以及调节输出步骤，由此使负载输出电压Vout工作在不同区域；
其中检测步骤包括检测负载输出电压Vout和交流输入电压Vin；
比较步骤包括通过公式(1)计算出电压增益等于1时的PFC母线电压Vpfc理论值，根据输入电压计算出母线电压允许最小电压Vpfc_min；通过母线电容的最大电压降额得出母线电压允许最大电压Vpfc_max，对比Vpfc与Vpfc_min、Vpfc_max之间的大小关系；
调节输出步骤包括：当V pfc＜Vpfc_min时，母线电压实际值为Vpfc_min；当Vpfc_min≤Vpfc≤Vpfc_max时，母线电压实际值为母线电压Vpfc理论值；当Vpfc＞Vpfc_max时，母线电压实际值为Vpfc_max。
7.如权利要求6所述的控制方法，其中负载输出电压的工作区域包括低压工作区I、线性调压区II、高压工作区III。
8.如权利要求7所述的控制方法，其中负载输出电压的工作区域可仅包括线性调压区II，或仅包括低压工作区I和线性调压区II，或仅包括线性调压区II和高压工作区III。
9.如权利要求7所述的控制方法，其中低压工作区I为母线电压Vpfc理论值小于母线电压允许最小电压Vpfc_min，此时LLC半桥谐振变换电路的转换效率达到此负载输出电压Vout下的最大值，同时PFC功率校正单元的母线电压Vpfc和输入电压Vin之间的差值达到最小；线性调压区II为母线电压Vpfc理论值大于母线电压允许最小电压Vpfc_min且小于母线电压允许最大电压Vpfc_max，在此负载输出电压范围内，母线电压实际值等于母线电压理论值，该工作电压范围内电压增益等于1，LLC半桥谐振变换电路的工作频率等于谐振频率，实现零电压开关；高压工作区III为母线电压Vpfc理论值大于母线电压允许最大电压Vpfc_max，此时LLC半桥谐振变换电路的工作频率略小于谐振频率fr，LLC半桥谐振变换电路的转换效率达到此负载输出电压下的最大值。
10.如权利要求7所述的控制方法，其中母线电压允许最小电压Vpfc_min是跟随电网波动实时更新的动态值。
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