CN112953190A - Pfc电源模块启动浪涌抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PFC电源模块启动浪涌抑制方法，包括如下步骤：选择或取得第一设定值；持续采集输出电压和输入电压的电压值；在输入电压达到峰值后，比较当前输入电压和输出电压的差值是否大于所述第一设定值，如大小于，执行下一步骤；输出控制信号，控制所述电源的整流器件接入整流电路，对第一电容充电；当前输入电压小于当前输出电压和第一设定值的差否，如是，断开所述整流器件，如否，维持控制信号。实施本发明的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，具有以下有益效果：不使用浪涌开关也能进行浪涌抑制且波形畸变较小。

Description

PFC电源模块启动浪涌抑制方法

技术领域

本发明涉及电力电子学领域，更具体地说，涉及一种PFC电源模块启动浪涌抑制方法。

背景技术

现有技术中PFC(功率因数校正)电源模块的主功率电路多数采用二极管做整流桥的整流器件(D1,D2,D3,D4)，同时，这种电源中还使用浪涌抑制电阻R1，浪涌开关Q3实现浪涌防护功能，如图1所示。在这种PFC电源模块的电路启动时，输入端的交流电压通过二极管整流桥(D1,D2,D3,D4)，旁路二极管D5给输出大电容C1充电,开机过程中浪涌开关Q3处于断开状态，将浪涌抑制电阻R1与输出大电容进行串联以达到限流的目的；待浪涌抑制完成后，作为控制单元的微控制器(控制单元也可以是分离元件构成的、实现相同功能的硬件电路)输出控制信号，闭合浪涌开关Q3，将浪涌抑制电阻R1短路屏蔽，从而进入环路控制阶段(即正常的电源工作状态)。但是，现有的技术方案在实际使用过程中，由于浪涌开关Q3处于一个高压通断的情况，极其容易被击穿；而且，浪涌开关Q3一般采用MOS管实现，其寄生电阻和寄生电容，在一定程度上将影响PFC电路的性能，导致电流畸变严重，功率因数降低。此外，上述方案中，若发生过流或输出短路故障，由于采用二极管整流的原因，整流部分依然会输出直流电压，所以并不能切断交流输入电压，短路产生的过温将直接导致电感漆包线熔化，造成匝间短路，从而将导致模块电源损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述浪涌开关容易被损坏、波形畸变较为严重的缺陷，提供一种不使用浪涌开关、波形畸变较小的PFC电源模块启动浪涌抑制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种PFC电源模块启动浪涌抑制方法，包括如下步骤：

A)使辅助电源工作，选择或取得第一设定值；

B)持续采集输出电压和输入电压的电压值；

C)在判断输入电压达到峰值后，比较当前输入电压和输出电压的差值是否大于所述第一设定值，如大于，执行下一步骤，如小于，返回步骤B)；

D)输出控制信号，控制所述电源的整流器件接入整流电路，对第一电容充电；

E)当前输入电压小于当前输出电压和第一设定值的差否，如是，断开所述整流器件并返回步骤C)，如否，返回步骤D)。

更进一步地，在执行所述步骤E)后，还包括如下步骤：

F)判断当前输入电压值和输出电压之差是否小于所述第一设定值，如是，则将所述整流器件一直打开，使得所述PFC电源模块进入正常的工作模式；如否，返回步骤C)，继续进行输入浪涌抑制。

更进一步地，还包括如下步骤：

控制器通过对输出电压和输出电流进行监测，发现负载短路或输出电流超过设定阈值时，断开所述控制信号，使得所述整流器件在下一个输入电压的交流周期停止工作，断开输入的交流电压。

更进一步地，所述步骤A)中，通过预充电电路为所述第一电容充电，使得所述辅助电源开始工作；所述预充电支路由所述交流输入端直接连接到所述第一电容一端。

更进一步地，所述预充电电路通过二极管由交流输入端取得电压，将输入电压由交流电压转换为直流电压并对所述第一电容进行小电流恒流充电。

更进一步地，所述步骤C)中通过比较当前采集的输入电压值和设定的峰值电压值的大小来判断输入电压是否达到峰值。

更进一步地，所述步骤D)中，通过旁路二极管为所述第一电容充电；所述旁路二极管由所述整流电路的输出端连接到所述第一电容一端。

更进一步地，通过隔离的电压传感器将输入的交流电压转换为直流电压，并取得所述输入电压的电压值；通过在输出端对输出电压分压后取得所述输出电压值。

更进一步地，所述输入整流器件包括晶闸管，所述控制信号包括连接到所述晶闸管的控制极的控制信号。

更进一步地，所述整流器件连接为全桥拓扑使得输入的交流信号转换为直流信号，所述全桥拓扑的两个桥臂上分别设置有一个晶闸管和一个整流二极管。

实施本发明的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，具有以下有益效果：由于在启动时使用预充电电路为第一电容充电，使得辅助电源能够为控制单元提供运行的电源，而控制单元的运行，使其能够检测输入、输出电压和输出控制信号，进而使得控制单元能够依据检测到的输入、输出电压的参数特性，控制整流器件，实现整流器件的接入或断开，从而使得该PFC电源模块在工作时能够避开或抑制启动浪涌。因此，其不使用浪涌开关也能进行浪涌抑制且波形畸变较小。

附图说明

图1是现有技术中PFC电源模块的结构示意图；

图2是本发明PFC电源模块启动浪涌抑制方法实施例中启动浪涌抑制方法的流程图；

图3是所述实施例中PFC电源模块的结构示意图；

图4是所述实施例中第一支路的电路图；

图5是所述实施例中交流输入和输入整流的输出波形示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

如图2所示，在本发明的PFC电源模块启动浪涌抑制方法实施例中，一种PFC电源模块启动浪涌抑制方法，包括如下步骤：

步骤S11辅助电源开始工作，选择第一设定值：在本步骤中，PFC电源模块上电，其辅助电源开始工作，为控制单元提供电源，当上述控制单元开始工作时，选择或调出第一设定值。在本实施例中，上述第一设定值是一个事先设置的常数，在本实施例中，上述第一设定值存储在控制单元中，在控制单元上电开始运行时由其存储位置调出。在本实施例中，上述第一设定值是一个设定的值，其表征了不会导致过大的浪涌电流出现的采集到的输入电压和输出电压之间压差。该第一设定值的取值范围一般在0-5之间选择，这是由于如果上述第一设定值偏大的话，输入电压减去输出电压再除以回路上的阻抗(主要有电网、晶闸管压降，旁路二极管压降，回路阻抗等组成)，冲击电流就会大，这样启动过程中，每个工频周波的浪涌电流就会很大，就不能实现对浪涌电流的抑制。

值得一提的是，在现有技术中，虽然也使用控制单元，但是现有技术中由于存在浪涌开关，同时也没有使用受控的整流单元(而是直接使用整流二极管)，所以，对于现有技术而言，其控制单元输出的控制信号和本实施例中是完全不同。例如，现有技术中需要输出上述浪涌开关的控制信号，使其断开，才能通过限流电阻R1(请参见图1)对电容充电；之后，需要使上述浪涌开关导通才能将经过变换的输入电压传输到电源模块的输出端。而在本实施例中，在输入电压的变换传输通道上，并不存在上述浪涌开关，也不需要控制单元输出对应的控制信号。相反，在本实施例中是通过对整流器件的控制来实现对浪涌的消除和抑制的。换言之，本实施例中的方法和现有技术中的方法相比，虽然都能够在一定程度上抑制输入浪涌，但是二者使用的抑制方法和电路结构都是完全不同的。

步骤S12控制单元持续取得采集的输入电压值和输出电压值：在本步骤中，通过对输入电压和输出电压的采样，得到输入电压值和输出电压值，并且这些采样值被传输到控制单元。在本实施例中，上述采样是持续进行的。值得一提的是，在本实施例中，输入电压是交流电压，因此，采用隔离的电压传感器将输入的交流电压转换为直流电压，并得到输入电压值。例如，可以通过使用霍尔电压传感器来取得输入电压值。而对于输出电压值来讲，由于输出电压值是直流电压，简单的分压采样就能够得到输出电压值。

步骤S13输入电压达到峰值否，如是，执行下一步骤；否则，返回上一步骤。在本实施例中，由于上述采样是持续进行的，也就是不管输入电压是否达到峰值，上述步骤S12的采样都是持续进行的，所以，在本步骤中，实际上就是不断地判断输入电压是否达到峰值，如达到，就执行下一步骤。在本实施例中，判断输入电压是否达到峰值的方式是通过和设定的峰值电压的有效值比较，如果采样得到的输入电压值达到上述设定的峰值电压有效值，则认为输入电压达到峰值。

步骤S14当前输入电压和输出电压的差值大于第一设定值否，如是，执行下一步骤，否则，返回步骤S12。在本步骤中，将当前取得的输入电压值和输出电压值相减，判断得到的差值是否大于第一设定值。实际上，本步骤是判断输入电压是否高于输出电压一个设定值，一旦符合这一条件，就执行下一步骤，否则，就返回步骤S12.

步骤S15输出控制信号，使得整流器件接入：在本步骤中，控制单元输出控制信号，使得整流器件接入该PFC电源模块的电压变换通道(或接入整流电路)，即使得整流器件能够实现将输入的交流电压整流的功能。当上述整流器件随输入的交流电压开始输出整流后的直流电平是，该直流电平通过旁路二极管对第一电容进行充电。

步骤S16当前输入电压小于当前输出电压和第一设定值的差值否，如是，返回步骤S15，继续保持上述控制信号，使得上述整流器件继续整流；如否，停止输出上述控制信号，使得上述整流器件与该PFC电源模块的电压变换通断断开，即使得该整流器件不能实现整流功能，并返回上述步骤S12。实际上，在本步骤中，也是在判断上述开通晶闸管的条件是不是还存在，如是，则继续保持对晶闸管的控制，否则，断开上述晶闸管。

值得一提的是，在本实施例中，在执行上述步骤S16后，还包括如下步骤：判断当前输入电压值和输出电压之差是否小于所述第一设定值，如是，则将所述整流器件一直打开，使得所述PFC电源模块进入正常的工作模式；如否，返回步骤S13，继续进行输入浪涌抑制。在本实施例中，上述判断步骤是该PFC电源模块停留在浪涌抑制模式还是进入正常的工作模式的关键，如果在执行本步骤后返回步骤S13，则该PFC电源模块仍然停留在浪涌抑制模式；而在进入正常工作模式时，控制单元不仅需要维持整流器件的接入(通过维持控制信号而实现)，还需要使得该PFC电源模块的功率开关器件工作，对整流输出的电压进行开关变换。换句话说，在执行上述步骤S13且进入工作模式之前，本实施例中的PFC电源模块的功率开关器件(例如，图3中的MOS管Q1)可以是不工作的，其控制单元也可以不输出功率开关器件的驱动波形或控制信号的。从整体上来看，所谓的输入浪涌无非是输入电压对电源的电压转换通道上的器件的冲击，即二者存在一定的电压差，使得器件收到电压或电流的冲击。而在输入电压和输出电压相差不大的情况下，这种冲击基本上不存在或者不会对器件或后级器件带来影响，所以，在上述输入电压和输出电压之间的实时压差变小到一定程度时，PFC电源模块也就能够由浪涌抑制模式转换为正常工作模式。

此外，在本实施例中，当该PFC电源模块进入工作模式后，上述方法还可以包括如下步骤：控制器通过对输出电压和输出电流进行监测，发现负载短路或输出电流超过设定阈值时，断开所述控制信号，使得所述整流器件在下一个输入电压的交流周期停止工作，断开输入的交流电压。

在本实施例中的一种情况下，上述控制信号在高电平时，上述整流器件接入PFC电源模块的电压变换通道，能够实现整流功能；在上述控制信号为低电平时，上述整流模块不工作，相当于从上述电压变换通道中断开。

图3示出了本实施例中一种情况下PFC电源的结构示意图。在图3中，该PFC电源模块包括受控的输入整流单元1、辅助电源2、控制单元3、输入电压采集电路4、输出电压采集电路5、第一电容C1和预充电支路6；所述控制单元3在该PFC电源模块启动时输出整流控制信号使得该PFC电源模块进入浪涌抑制模式，使所述受控的输入整流单元1对交流输入整流断开不输出直流电压，同时，不输出开关控制信号，使得所述PFC电源模块的开关器件不工作；也就是说，当PFC电源模块上电开始工作时，在多数情况下，是存在输入的浪涌电压或电流的。为了避开或抑制这种浪涌，在本实施例中，通过采用受控的输入整流单元1，并通过控制单元3使得该受控的输入整流单元1不工作，也就是将其由整个PFC电源模块的转换通道上断开，使得其不输出整流电压，同时，该控制单元3也不输出开关控制信号，这就使得该PFC电源模块的主开关器件也不工作，即整个PFC电源模块进入浪涌抑制模式，使得浪涌电压或电流对该PFC电源模块的冲击降到最低，从而实现对输入浪涌的抑制。在这种情况下，该PFC电源模块是没有电压输出的，但是为了维持对上述受控的输入整流单元1和开关器件的控制(例如，保持断开状态并在适当的时候使其开始工作)，又必须维持控制单元3的工作，于是，在本实施例中设置预充电支路6和辅助电源2，在上述浪涌抑制模式下，辅助电源2为控制单元提供电源供应，维持控制单元3的正常运转。在本实施例中，所述预充电支路6由交流输入端或所述受控的整流单元1的输出端取得电压并对所述第一电容C1充电，使得第一电容C1上存在一定的电压；由于所述第一电容C1并接在所述PFC电源模块的输出端上，，其一端与所述辅助电源2的输入端连接，另一端接地或等电位，因此可以在所述PFC电源模块处于浪涌抑制模式时为所述辅助电源2提供电源电压；所述输入电压采集电路4和输出电压采集电路5分别采集所述PFC电源模块的输入电压和输出电压并传输到所述控制单元3，控制单元3依据所述采集到的输入电压和输出电压分别输出整流控制信号或开关控制信号控制所述受控的输入整流单元1和所述PFC电源模块的开关器件(图3中的MOS管Q1)，使所述PFC电源模块停留在所述浪涌抑制模式或进入工作模式。

为了保证在上电时以及上电后一段时间内对于上述控制单元3的供电，所述预充电支路6包括第一支路和第二支路，所述第一支路一端连接在所述PFC电源模块的交流输入端，另一端连接在所述PFC电源模块的输出正端；也就是说，上述第一支路直接由交流输入端取得电压并未所述第一电容C1充电；而所述第二支路一端连接在所述受控的整流单元1的输出端，另一端连接在所述PFC电源模块的输出正端；也就说上述第二支路用于在上述受控的输入整流单元1具有整流输出而整个PFC电源模块还不存在直流输出时，为所述第一电容C1充电。

具体而言，在本实施例中，如图4所示，所述第一支路通过两个小电流二极管D7，D8和功率整流二极管D3，D4形成整流电路(图4中的D3和D4就是图3中的D3和D4)，从交流输入取电。第一支路的参考地为主电路输出正端，为悬浮端。上电之后，由启动芯片产生供电给运放供电，这样，上述第一支路按照设定的恒流小电流给输出端大电容充电，建立上电过程。若主电路输出短路或者正常工作之后，输出端电压高于整流电压，启动芯片都无法产生供电电压给运放，充电MOS管Q3都处于截止状态。上述启动芯片是能够以较宽范围的电压作为输入电压，并在主电源开始工作前提供设定的电压为控制器等器件供电的集成电路，例如，SCM9601A等；所述第二支路包括旁路二极管D5，所述旁路二极管D5的阳极连接在所述受控的整流单元1的输出端，其阴极连接在所述PFC电源模块的输出正端，也就是连接在上述第一电容C1的一端，当上述受控的整流单元1具有整流输出时，其整流输出的电压通过上述旁路二极管D5对上述第一电容C1进行充电；而在上述受控的整流单元1不具有整流输出时，也可以通过上述第一支路直接由交流输入端取得电压，对上述第一电容C1进行充电。

在本实施例中，所述受控的整流单元1包括由晶闸管构成的桥式整流电路，所述晶闸管的控制极连接在所述控制单元3的信号输出端，即晶闸管控制信号输出端上，所述晶闸管由所述控制单元3输出的控制信号控制其是否接入所述桥式整流电路中参与整流。请参见图3，在本实施例中，所述桥式整流电路的两个桥臂的上管为晶闸管，两个桥臂的下管为二极管，两个所述晶闸管的阴极连接到所述桥式整流电路的输出正端，两个所述晶闸管的阳极分别与其所在桥臂上的二极管的阴极连接，并分别与两个交流输入端连接。在图2中，晶闸管T1和二极管D3构成一个桥臂，晶闸管T2和二极管D4构成另外一个桥臂，输入的交流电压分别由上述两个桥臂的两个器件的连接点输入。在一个桥臂中，与整流输出端连接的器件为上管，与地电位或等电位连接的器件为下管。例如，在一个桥臂中，晶闸管T1为上管，二极管D3为下管。在图3中，当行数晶闸管的控制极的电平为低电平，晶闸管不会工作，不管施加到晶闸管两端的电压为何种状态，晶闸管的两端都呈现高阻状态，相当于由电路中断开。只有在上述晶闸管的控制信号为高电平时，该晶闸管才会表现出二极管的特性。即施加正向电压时导通，施加反向电压时截止，也就是说，只有在上述晶闸管的控制极电平为高信号，该晶闸管才作为单向导通元件参与输入整流，上述受控的输入整流单元1才会由整流电压输出。值得一提的是，本实施例中，输入的是交流电压，所以在每个交流周期上，上述晶闸管控制极上的电压都要保持高电平，该晶闸管才会在该周期中作为单向导通元件参与输入整流。

此外，在本实施例中，所述两个晶闸管的控制极由所述控制单元输出的同一个晶闸管控制信号控制。也就是说，图3中的两个晶闸管的控制信号是同一个信号，所以对于图3中的两个晶闸管而言，是同步参与或退出输入整流的。

在本实施例中，上述所述输出电压采集电路包括分压模块，所述分压模块包括两个串联后并接在所述PFC电源模块输出端上的电阻，所述控制单元由所述两个电阻的连接点处取得所述输出电压的采样值。在本实施例中，上述输出电压的采样值直接传送到上述控制单元3，由于上述分压模块的分压比(即两个分压电阻之间的比值)是确定的，因此在直接输入的情况下，只要在上述控制单元3中按照与所述分压比对应的值将输入的采样值扩大，就能还原得到输出的电压值。在本实施例中，所述输入电压采集电路包括

所述PFC电源模块的开关器件包括MOS管Q1，所述MOS管Q1的栅极与所述控制单元3的开关信号输出端电连接，所述MOS管Q1的源极接地电位或等电位(即图3中标注为-Vo的节点)，其漏极通过电感L1与所述桥式整流的输出正端连接，并通过一个整流二极管D6连接到所述PFC电源模块的输出端(即图3中标注为+Vo的节点)上。

图5示出了在本实施例中输入波形和整流的输出波形的对应关系，可以清楚地看到。在图5中，随着时间的增加，整流输出的波形中的电压值逐渐升高，也就是具体对于交流输入来讲，随着时间的增加，每个交流周期对应的整流输入逐渐增加，这种对输入整流的控制是通过对一个交流周期中的受控的输入整流单元的接入时间的控制实现的。由于在本实施例中晶闸管的开通关断，只发生在交流电峰值到过流时刻，也就是一个周期的90度-180度，和270度到360度这个区间，每个工频周期只开通一次，这样的控制使得开机瞬间的浪涌电压或电流得到较好的抑制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A)使辅助电源工作，选择或取得第一设定值；

B)持续采集输出电压和输入电压的电压值；

C)在判断输入电压达到峰值后，比较当前输入电压和输出电压的差值是否大于所述第一设定值，如大于，执行下一步骤，如小于，返回步骤B)；

D)输出控制信号，控制所述电源的整流器件接入整流电路，对第一电容充电；

E)当前输入电压小于当前输出电压和第一设定值的差否，如是，断开所述整流器件并返回步骤C)，如否，返回步骤D)。

2.根据权利要求1所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，在执行所述步骤E)后，还包括如下步骤：

F)判断当前输入电压值和输出电压之差是否小于所述第一设定值，如是，则将所述整流器件一直打开，使得所述PFC电源模块进入正常的工作模式；如否，返回步骤C)，继续进行输入浪涌抑制。

3.根据权利要求2所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

控制器通过对输出电压和输出电流进行监测，发现负载短路或输出电流超过设定阈值时，断开所述控制信号，使得所述整流器件在下一个输入电压的交流周期停止工作，断开输入的交流电压。

4.根据权利要求3所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，所述步骤A)中，通过预充电电路为所述第一电容充电，使得所述辅助电源开始工作；所述预充电支路由所述交流输入端直接连接到所述第一电容一端。

5.根据权利要求4所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，所述预充电电路通过二极管由交流输入端取得电压，将输入电压由交流电压转换为直流电压并对所述第一电容进行小电流恒流充电。

6.根据权利要求3所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，所述步骤C)中通过比较当前采集的输入电压值和设定的峰值电压值的大小来判断输入电压是否达到峰值。

7.根据权利要求3所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，所述步骤D)中，通过旁路二极管为所述第一电容充电；所述旁路二极管由所述整流电路的输出端连接到所述第一电容一端。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，通过隔离的电压传感器将输入的交流电压转换为直流电压，并取得所述输入电压的电压值；通过在输出端对输出电压分压后取得所述输出电压值。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，所述输入整流器件包括晶闸管，所述控制信号包括连接到所述晶闸管的控制极的控制信号。

10.根据权利要求9所述的PFC电源模块启动浪涌抑制方法，其特征在于，所述整流器件连接为全桥拓扑使得输入的交流信号转换为直流信号，所述全桥拓扑的两个桥臂上分别设置有一个晶闸管和一个整流二极管。

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