專利名稱：一種功率因數(shù)校正電路及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電源技術領域，尤其涉及一種功率因數(shù)校正電路及控制方法。
背景技術：
橋式整流PFC(Power Factor Correction，功率因數(shù)校正)電路在電源產(chǎn)品中被廣泛應用，如圖1所示，顯示了一種典型單相PFC電路示意圖。橋式整流PFC電路，在每個開關周期都有三個開關器件參與工作，通態(tài)損耗較大。為降低通態(tài)損耗，可采用無橋PFC電路， 如圖2所示，顯示了傳統(tǒng)無橋PFC電路示意圖。無橋PFC電路省掉了整流橋，在每個開關周期內(nèi)只有兩個開關器件參與工作，所以通態(tài)損耗降低，在提升效率方面具有突出的優(yōu)勢。但圖2所示的無橋PFC電路EMI (Electromagnetic Interference,電磁干擾)共模噪聲干擾嚴重，因而產(chǎn)生了各種改進的無橋PFC電路。目前提升無橋PFC拓撲效率和改善無橋PFC拓撲EMI的改善方案包括以下幾種第一種，無橋PFC 二極管改善方案如圖3所示，給出了在無橋PFC電路上增加EMI改善二極管方案的示意圖。該二極管改善方案通過串接兩個緩慢恢復二極管將直流母線低壓側與市電L、N之間短接起來， 起到降低EMI共模噪聲干擾的作用，電路拓撲如圖3所示。但每個開關周期僅有一個升壓電感參與PFC工作，另一個電感閑置，電感利用率低，功率密度低。第二種，申請?zhí)枮镃N200510134317的中國專利申請的改進方案如圖4所示，該專利通過在市電輸入L、N和直流母線低壓側分別接入一個濾波電容來旁路EMI噪聲。此改善方案在每個開關周期僅有一個升壓電感參與PFC工作，另一個電感閑置，電感利用率低，功率密度低。第三種，申請?zhí)枮镃N200610088683. 6的中國專利申請的改進方案如圖5所示，該專利中利用快恢復二極管和緩慢恢復二極管的特性改善EMI，僅使用一個PFC電感，電感利用率較高。但由于緩慢恢復二極管的PN結電容特性，其PN結電容效應導致在每個開關周期產(chǎn)生較大的反向電流，此反向電流增加了線路的高頻損耗，不利于效率提升，同時對EMI產(chǎn)生了不利影響，該專利中同時指出的進一步改善方案中，額外增加了開關器件數(shù)量，不利于提升功率密度。第四種，圖騰式無橋PFC電路如圖6所示，圖騰式無橋PFC電路中，利用MOS管的體二極管作為PFC電路的升壓二極管，一般適用于斷續(xù)和臨界連續(xù)模式的小功率場合。圖騰式無橋PFC電路所使用器件少，功率密度較大，但很難在大功率場合應用。針對上述改善方案所存在的這些問題，就需要一種高效率、高功率密度的功率因數(shù)校正(PFC)電路和控制方法，用于減小或消除因緩慢恢復二極管PN結電容特性產(chǎn)生的高頻反向電流，減小了電路的高頻損耗，同時大幅降低功率回路的通態(tài)損耗，從而進一步提升了無橋PFC拓撲的效率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于，提供一種功率因數(shù)校正(PFC)電路及控制方法，用于降低線路的高頻損耗和通態(tài)損耗，提升效率和功率密度，改善EMI共模干擾。為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種功率因數(shù)校正電路，包括由電感器(Li)和主開關器件(SW)串接構成的連接在交流電源的火線(L線)和零線(N線)之間的主開關支路，由電容器(C)和負載(R)并聯(lián)組成的并聯(lián)支路，第一、第二開關器件(Tl、T2)、第一、 二可控開關器件(S1、S2)；在工頻正半周，當主開關器件(SW)導通時，電流由L線經(jīng)電感器(Li)、主開關器件 (Sff)回到N線；當主開關器件(SW)斷開時，由電感器(Li)、第一開關器件(Tl)、并聯(lián)支路、 第二可控開關器件(S2)依次串聯(lián)組成正半周通路，所述正半周通路連接在火線(L線)和零線(N線)之間；在工頻負半周，當主開關器件(SW)導通時，電流由N線經(jīng)主開關器件(SW)、電感器 (Li)回到L線；當主開關器件SW斷開時，由第一可控開關器件(Si)、并聯(lián)支路、第二開關器件(T2)、電感器(Li)依次串聯(lián)組成負半周通路，所述負半周通路連接在火線(L線)和零線 (N線)之間。所述第一可控開關器件(Si)和第二可控開關器件(S2)的開關頻率為市電頻率。若市電輸入處于工頻正半周，則第二可控開關器件(S2)導通，第一可控開關器件
(51)關閉。若市電輸入處于工頻正半周，第二可控開關器件(S2)導通，則第一開關器件 (Tl)處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第二開關器件(T2)關閉。若市電輸入處于工頻負半周，則第一可控開關器件(Si)導通，第二可控開關器件
(52)關閉。若市電輸入處于工頻負半周，第一可控開關器件(Si)導通，則第二開關器件 (T2)處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第一開關器件(Tl)關閉。所述第一開關器件(Tl)和第二開關器件(T2)是不可控開關器件，或者是可控開關器件。所述主開關器件(SW)是可控開關器件、或者可控開關器件的組合。本發(fā)明還提供一種功率因數(shù)校正電路的控制方法，包括根據(jù)市電偵測信號判斷市電輸入處于工頻正半周或負半周；在工頻正半周驅(qū)動第二可控開關器件(S2)導通，第一可控開關器件(Si)關閉；在工頻負半周驅(qū)動第一可控開關器件(Si)導通，第二可控開關器件(S》關閉。若市電輸入處于工頻正半周，第二可控開關器件(S2)導通，則第一開關器件(Tl) 處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第二開關器件(T2)關閉；若市電輸入處于工頻負半周，第一可控開關器件(Si)導通，則第二開關器件(T2)處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第一開關器件(Tl) 關閉。本發(fā)明的功率因數(shù)校正(PFC)電路，利用可控開關器件Sl或S2的低阻抗通路提供持續(xù)導通的主功率電流通路，減小或消除了因緩慢恢復二極管PN結電容特性產(chǎn)生的高頻反向電流，減小了電路的高頻損耗，同時大幅降低功率回路的通態(tài)損耗，從而進一步提升了無橋PFC拓撲的效率；此功率因數(shù)校正(PFC)電路還克服了傳統(tǒng)無橋PFC拓撲EMI共模噪聲干擾嚴重的問題，可在保持與現(xiàn)有技術相同的EMI改善效果的同時，減少使用元器件的數(shù)量，提升了率密度。
圖1是現(xiàn)有技術的典型單相PFC電路示意圖；圖2是現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)無橋PFC電路示意圖；圖3是現(xiàn)有技術在無橋PFC電路上增加EMI改善二極管方案的示意圖；圖4是專利CN200510134317改善方案的示意圖；圖5是專利CN200610088683. 6改善方案的示意圖；圖6是現(xiàn)有技術圖騰式無橋PFC電路示意圖；圖7是本發(fā)明的功率因數(shù)校正(PFC)電路原理示意圖；圖8是本發(fā)明的第一種具體實施例示意圖；圖9是針對圖8具體實施例的控制方法示意圖；圖10是本發(fā)明的第二種具體實施例示意圖；圖11是針對圖10具體實施例的控制方法示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，以下結合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細說明。針對現(xiàn)有無橋PFC電路所存在的問題，本發(fā)明提出了一種高效率、高功率密度的功率因數(shù)校正(PFC)電路和控制方法，利用可控開關器件Sl或S2的低阻抗通路提供持續(xù)導通的主功率電流回路，減小或消除了因緩慢恢復二極管PN結電容特性產(chǎn)生的高頻反向電流，減小了電路的高頻損耗，同時大幅降低功率回路的通態(tài)損耗，從而進一步提升了無橋 PFC拓撲的效率。同時，此電路還克服了傳統(tǒng)無橋PFC拓撲EMI共模噪聲干擾嚴重的問題， 在與現(xiàn)有技術保持相同的EMI改善效果的同時，使用元器件數(shù)量減少，提升了率密度。本發(fā)明的無橋PFC電路的原理如圖7所示，在該無橋PFC電路中，由電感器Ll和主開關器件SW串接構成主開關支路，該主開關支路連接在交流電源的火線(L線)和零線 (N線)之間。在該無橋PFC電路中，由電容器C和負載R并聯(lián)組成了并聯(lián)支路。在工頻正半周，當主開關器件SW導通時，電流由L線經(jīng)電感器Li、主開關器件SW 回到N線。當主開關器件SW斷開時，由電感器Li、第一開關器件Tl、并聯(lián)支路、第二可控開關器件S2依次串聯(lián)組成正半周通路，所述正半周通路連接在火線(L線)和零線(N線)之間。在工頻負半周，當主開關器件SW導通時，電流由N線經(jīng)主開關器件(SW)、電感器 (Li)回到L線；當主開關器件SW斷開時，由第一可控開關器件Si、并聯(lián)支路、第二開關器件 T2、電感器Ll依次串聯(lián)組成負半周通路，所述負半周通路連接在火線(L線)和零線(N線) 之間。針對本發(fā)明的PFC電路，其控制方法是根據(jù)市電偵測信號，判斷市電輸入處于工頻正半周或負半周，工頻正半周驅(qū)動S2導通，Sl關閉；工頻負半周驅(qū)動Sl導通，S2關閉， 以實現(xiàn)Sl和S2的驅(qū)動與市電工頻正負半周切換同步控制；同時以PWM信號驅(qū)動PFC電路主開關支路SW，以保證PFC電路正常工作。下面以工作在工頻正半周的情形為例說明該電路的控制方法，在主開關器件SW導通時，電流由L線流出，經(jīng)過電感器Ll和主開關器件SW回到N線；在主開關器件SW關閉時，電流由L線流出，經(jīng)過電感器Li、第一開關器件Tl、由電容器C和負載R組成的并聯(lián)支路以及第二可控開關器件S2回到N線。此時，第一可控開關器件Sl關閉，第二可控開關器件S2導通。同理可分析工頻負半周的工作過程。其中，所述第一可控開關器件Sl和第二可控開關器件S2的開關頻率為市電頻率， 這就可以根據(jù)市電偵測信號判斷市電輸入處于工頻正半周或負半周，若市電處于工頻正半周則驅(qū)動S2導通，Sl關閉；若市電處于工頻負半周則驅(qū)動Sl導通，S2關閉，以實現(xiàn)Sl和 S2的驅(qū)動與市電工頻正負半周切換同步控制。由于可控開關器件Sl和S2的開關頻率為市電頻率，因而該PFC電路具有控制簡單、可靠性高的特點。其中，所述第一開關器件Tl和第二開關器件T2可以是不可控開關器件，例如二極管，也可以是可控開關器件，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT。其中，所述主開關器件SW是可控開關器件，或者是可控開關器件的組合，可以脈寬調(diào)制PWM信號驅(qū)動PFC電路主開關支路SW，以保證PFC電路正常工作。其中，所述第一可控開關器件Sl和第二可控開關器件S2，在工頻正負半周中，一個導通時而另一個關閉，從而在工頻正負半周能夠分別提供持續(xù)的導通路徑，將直流母線側與市電輸入側短接起來，起到改善無橋PFC拓撲EMI的效果。本發(fā)明的PFC電路利用可控開關器件Sl和S2提供持續(xù)導通的功率電流通路，減少線路的高頻損耗和通態(tài)損耗、減少元器件數(shù)量以及降低EMI干擾?？煽亻_關器件Sl和 S2的低阻抗通路提供持續(xù)導通的功率電流回路，減少或消除了緩慢恢復二極管PN結電容特性產(chǎn)生的高頻反向電流，降低了功率回路的高頻損耗，同時降低主功率回路的通態(tài)損耗， 提升了無橋PFC的效率；在相同EMI改善水平的前提下，所使用器件數(shù)量減小，有利于無橋 PFC拓撲功率密度的提升。如圖8所示，顯示了本發(fā)明的第一種具體實施例示意圖，第一開關器件Tl和第二開關器件T2采用二極管Dl和D2，其中Dl和D2可以采用快恢復二極管等。圖9是對應于圖8實施例的控制方法示意圖。下面對具體實施例電路及控制方法做簡要說明。在圖8所示實施例中，工頻正負半周工作過程對稱，以工頻正半周為例進行分析。 在圖8所示電路中，當可控開關器件SW導通時，電流由L線流出，經(jīng)過PFC電感器Ll和可控開關器件SW，回到N線；當可控開關器件SW關閉時，電流由L線流出，經(jīng)過PFC電感器Li、 二極管D1、電容器C和負載R的并聯(lián)支路，再經(jīng)過可控開關器件S2，回到N線，在此過程中可控開關器件Sl關閉，可控開關器件S2導通。同理可分析工頻負半周的工作過程。由于在工頻正半周S2處于持續(xù)導通狀態(tài)(在工頻負半周Sl處于持續(xù)導通狀態(tài))， 電流通路一直存在，通過可控開關器件S2提供的持續(xù)通路，消除直流母線側相對于N線的高頻電位浮動，從而改善EMI共模干擾；由于可控開關器件Sl和S2的器件特性不同于緩慢恢復二極管，不存在緩慢恢復二極管的等效結電容效應，因而減小或消除了每個開關周期內(nèi)因緩慢恢復二極管而產(chǎn)生的反向電流，降低了高頻損耗，同時減小了因使用緩慢恢復二極管而產(chǎn)生的較大的通態(tài)損耗，提升了無橋PFC效率；同時與現(xiàn)有技術保持相同的EMI改善效果時，減少了器件數(shù)量，有利于功率密度提升。圖10是本發(fā)明的第二個具體實施例示意圖，其中Tl和T2采用可控開關器件，可以是MOSFET和IGBT等。圖11是對應于圖10所示實施例的控制方法示意圖。下面對具體實施例電路及控制方法做簡要說明。由于在圖10所示實施例中，工頻正負半周工作過程對稱，以工頻正半周為例進行分析。在圖10所示電路中，當可控開關器件SW導通時，電流由L線流出，經(jīng)過PFC電感器 Ll和可控開關器件SW，回到N線；當可控開關器件SW關閉時，電流由L線流出，經(jīng)過PFC電感器Li、可控開關器件Tl、電容器C和負載R的并聯(lián)支路，再經(jīng)過可控開關器件S2，回到N 線，在此過程中可控開關器件Sl關閉，可控開關器件S2導通。同理可分析工頻負半周的工作過程。由于在工頻正半周S2處于持續(xù)導通狀態(tài)(在工頻負半周Sl處于持續(xù)導通狀態(tài))， 電流通路一直存在，通過可控開關器件S2提供的持續(xù)通路，消除直流母線側相對于N線的高頻電位浮動，從而改善EMI共模干擾；由于可控開關器件Sl和S2的器件特性不同于緩慢恢復二極管，不存在緩慢恢復二極管的等效結電容效應，因而減小或消除了每個開關周期內(nèi)因緩慢恢復二極管而產(chǎn)生的反向電流，降低了高頻損耗，且減小了因使用緩慢恢復二極管而產(chǎn)生的較大的通態(tài)損耗，提升了無橋PFC電路的效率；由于利用可控開關器件Tl和 T2，通過控制器件開通，利用其低阻抗本體替代原有的高導通壓降二極管通路，可能進一步提升無橋PFC電路效率；同時與現(xiàn)有技術保持相同的EMI改善效果時，減少了器件數(shù)量，有利于功率密度提升。在本發(fā)明中所涉及的主開關器件SW可以是金屬氧化物半導體場效應晶體管 M0SFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT等任意的可控半導體開關器件，或者可控半導體開關器件的各種組合。開關管的驅(qū)動控制信號由外圍的控制電路生成。以上所述僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、 等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的權利要求范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種功率因數(shù)校正電路，包括由電感器(Li)和主開關器件(SW)串接構成的連接在交流電源的火線(L線)和零線(N線)之間的主開關支路，由電容器(C)和負載(R)并聯(lián)組成的并聯(lián)支路，第一、第二開關器件(Tl、T2)、第一、二可控開關器件(S1、S2)；在工頻正半周，當主開關器件(SW)導通時，電流由L線經(jīng)電感器(Li)、主開關器件 (Sff)回到N線；當主開關器件(SW)斷開時，由電感器(Li)、第一開關器件(Tl)、并聯(lián)支路、 第二可控開關器件(S2)依次串聯(lián)組成正半周通路，所述正半周通路連接在火線(L線)和零線(N線)之間；在工頻負半周，當主開關器件(SW)導通時，電流由N線經(jīng)主開關器件(SW)、電感器 (Li)回到L線；當主開關器件SW斷開時，由第一可控開關器件(Si)、并聯(lián)支路、第二開關器件(T2)、電感器(Li)依次串聯(lián)組成負半周通路，所述負半周通路連接在火線(L線)和零線 (N線)之間。
2.如權利要求1所述的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述第一可控開關器件(Si)和第二可控開關器件(S》的開關頻率為市電頻率。
3.如權利要求2所述的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，若市電輸入處于工頻正半周，則第二可控開關器件(S2)導通，第一可控開關器件(Si) 關閉。
4.如權利要求3所述的無橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于，若市電輸入處于工頻正半周，第二可控開關器件(S2)導通，則第一開關器件(Tl)處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第二開關器件(T2)關閉。
5.如權利要求2所述的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，若市電輸入處于工頻負半周，則第一可控開關器件(Si)導通，第二可控開關器件(S2) 關閉。
6.如權利要求5所述的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，若市電輸入處于工頻負半周，第一可控開關器件(Si)導通，則第二開關器件(T2)處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第一開關器件(Tl)關閉。
7.如權利要求1所述的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述第一開關器件(Tl)和第二開關器件(T2)是不可控開關器件，或者是可控開關器件。
8.如權利要求1所述的無橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述主開關器件(SW)是可控開關器件、或者可控開關器件的組合。
9.一種基于權利要求1的功率因數(shù)校正電路的控制方法，其特征在于，包括根據(jù)市電偵測信號判斷市電輸入處于工頻正半周或負半周；在工頻正半周驅(qū)動第二可控開關器件(S2)導通，第一可控開關器件(Si)關閉；在工頻負半周驅(qū)動第一可控開關器件(Si)導通，第二可控開關器件(S》關閉。
10.如權利要求9所述的控制方法，其特征在于，若市電輸入處于工頻正半周，第二可控開關器件(S2)導通，則第一開關器件(Tl)處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第二開關器件(T2)關閉；若市電輸入處于工頻負半周，第一可控開關器件(Si)導通，則第二開關器件(T2)處于脈寬調(diào)制(PWM)狀態(tài)，第一開關器件(Tl)關閉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種功率因數(shù)校正(PFC)電路及控制方法，根據(jù)工頻周期，控制可控開關器件(S1)或(S2)的導通與關閉，在工頻正半周，第一可控開關器件(S1)關閉，第二可控開關器件(S2)導通；在工頻負半周，第二可控開關器件(S2)關閉，第一可控開關器件(S1)導通。通過可控開關器件S1或S2的低阻抗通路提供持續(xù)導通的主功率電流回路。本發(fā)明利用可控開關器件代替緩慢恢復二極管，消除了結電容效應的影響，顯著減小了每個開關周期的反向電流，降低了線路的高頻損耗，提升了PFC電路的效率。本發(fā)明還可改善電磁干擾EMI效果，減少使用元器件數(shù)量，提升了效率和功率密度。
文檔編號H02M1/42GK102457174SQ20101052142
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權日2010年10月26日
發(fā)明者羅勇, 金亮亮 申請人:中興通訊股份有限公司