一種應(yīng)用于高頻pfc功率變換器的功率管自適應(yīng)關(guān)斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高頻PFC功率變換器的功率管驅(qū)動(dòng)電路領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今，電力電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染，這使得很多電力電子產(chǎn)品的前級(jí)部分必須采用功率因素校正技術(shù)(PFC)。目前，大部分PFC功率變換器的驅(qū)動(dòng)電路均采用傳統(tǒng)的電壓源驅(qū)動(dòng)方法，該驅(qū)動(dòng)方法下的功率管的關(guān)斷速度在變換器工作運(yùn)行中均保持不變，然而，功率管的關(guān)斷速度，關(guān)斷電壓應(yīng)力及關(guān)斷損耗是息息相關(guān)的，它們之間存在相互矛盾的關(guān)系，關(guān)斷速度越快可以很好的減小關(guān)斷損耗，提高變換器的效率，但會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷電壓應(yīng)力增加。在實(shí)際變換器工作中，當(dāng)流過(guò)PFC變換器電感電流越大時(shí)，功率管流過(guò)的電流也越大，這同樣會(huì)使得功率管關(guān)斷電壓應(yīng)力增大。因此，在傳統(tǒng)電壓源驅(qū)動(dòng)方法下PFC變換器的功率管選型時(shí)，一般按照PFC變換器工作在額定負(fù)載時(shí)輸入電壓峰值電壓階段功率管所承受的電壓電流應(yīng)力不超過(guò)器件額定值的要求來(lái)設(shè)計(jì)。這就使得PFC變換器工作在輸入低電壓低電流階段時(shí)，功率管的關(guān)斷電壓應(yīng)力小，電壓裕量大，這就表明，在低于輸入峰值電壓階段時(shí)，可以加快功率管的關(guān)斷速度，尤其是在輸入低電壓階段，功率管的關(guān)斷速度完全可以設(shè)計(jì)的比輸入高電壓階段快，并且保證功率管關(guān)斷電壓應(yīng)力不超過(guò)器件本身的額定值，這樣帶來(lái)的好處是可以提高PFC變換器的效率且可保證功率管的安全可靠工作。因?yàn)楣β使艿年P(guān)斷速度越快，關(guān)斷損耗就越小，而關(guān)斷損耗是開關(guān)損耗的一大部分。為此，本次發(fā)明提出了一種應(yīng)用于高頻PFC功率變換器的功率管自適應(yīng)關(guān)斷方法，以提高PFC變換器的工作效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種高頻PFC功率變換器的功率管自適應(yīng)關(guān)斷方法。
[0004]本發(fā)明所述的一種高頻PFC功率變換器的功率管自適應(yīng)關(guān)斷方法的技術(shù)方案是:在一個(gè)高頻PFC功率變換器的功率管驅(qū)動(dòng)電路中，構(gòu)造一個(gè)電壓控制電流源(VCCS)，將VCCS串接在功率管驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷回路中，VCCS根據(jù)輸入電壓的變化實(shí)時(shí)調(diào)整功率管關(guān)斷電流的大小以實(shí)現(xiàn)PFC變換器功率管的自適應(yīng)速度關(guān)斷，減小關(guān)斷損耗，提高變換器的效率。
[0005]所述的高頻PFC功率變換器包括高頻非隔離型PFC變換器與隔離型PFC變換器。
[0006]所述的功率管是上述高頻PFC功率變換器的主功率管。
[0007]所述的功率管是全控型功率開關(guān)器件，主要包括功率MOSFET，IGBT,但不限于這兩類。
[0008]所述的功率管自適應(yīng)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路，如附圖1所示，由驅(qū)動(dòng)電源V。。，三極管1\和T2，驅(qū)動(dòng)電阻R1和&，驅(qū)動(dòng)信號(hào)源u_，電壓控制電流源(VCCS)以及控制信號(hào)調(diào)節(jié)器G構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電源V。。接三極管T i的集電極，T i的發(fā)射極接三極管T 2的發(fā)射極以及驅(qū)動(dòng)電阻R2的左端，R2的右端接高頻PFC功率變換器主功率管Q的柵極；驅(qū)動(dòng)電阻R:的左端接驅(qū)動(dòng)信號(hào)源Upwn, &的右端接三極管T JP三極管T 2的基極，T 2的集電極接VCCS的上輸出端，VCCS下輸出端接地，VCCS的輸入控制端接調(diào)節(jié)器G的輸出信號(hào)u。，調(diào)節(jié)器的輸入端則接PFC變換器不可控整流橋輸出的正弦半波信號(hào)Uf。附圖1中的其他部分為典型的Boost型PFC變換器結(jié)構(gòu)，其中電容Cgs、Cgd, Cds為被驅(qū)動(dòng)主開關(guān)管Q的結(jié)電容。
[0009]所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源1!_是PFC控制電路產(chǎn)生的高頻控制脈沖信號(hào)，由調(diào)制信號(hào)u a與載波信號(hào)ub比較產(chǎn)生。若采用平均電流控制法，根據(jù)PFC平均電流控制原理調(diào)制信號(hào)可表示為:ua= U J sincot |，載波信號(hào)Ub為三角波脈沖或鋸齒波脈沖，如附圖2所示，當(dāng)調(diào)制信號(hào)Ua大于載波信號(hào)U !3時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)U _為低電平，反之U _為高電平。
[0010]所述的調(diào)制信號(hào)1由PFC變換器的控制器環(huán)路產(chǎn)生，一般為電流環(huán)的輸出。
[0011 ] 所述的電壓控制電流源VCCS輸入端接調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)U。，，VCCS的上輸出端接三極管1~2的集電極，下輸出端接；由于U。是一個(gè)交變信號(hào)，這要求VCCS響應(yīng)速度快，延時(shí)小，因此VCCS可利用MOSFET放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但不限于這種方法。
[0012]所述的調(diào)節(jié)器G，如附圖3所示，由一個(gè)恒定的參考電壓減去PFC變換器不可控整流橋輸出的正弦半波信號(hào)Uf構(gòu)成，且恒定參考電壓的值Uraf必須大于u f的幅值，以確保功率管的關(guān)斷。實(shí)際應(yīng)用中Uf為不可控整流橋輸出電壓的一個(gè)分壓值，這樣U 可直接從控制器中引入一個(gè)恒定的參考電壓，實(shí)現(xiàn)方便。
[0013]所述的MOSFET放大電路由控制信號(hào)uc，電阻R4以及MOSFET管Q i構(gòu)成。電阻1?4的右端接MOSFET的柵極，電阻R4的左端接控制信號(hào)u。，Q1管的漏極為VCCS輸出端的上端，Q ι管的源極接地，受控電流ij MOSFET管Q i的漏極流進(jìn)、源極流出至地，如附圖4所示。
[0014]以下結(jié)合附圖1?附圖6說(shuō)明本發(fā)明的工作原理。
[0015]根據(jù)所述調(diào)節(jié)器的原理可得高頻PFC功率變換器穩(wěn)態(tài)工作下VCCS輸入端的控制信號(hào)U。與u f的關(guān)系曲線圖，如附圖5所示。其中D點(diǎn)對(duì)應(yīng)于PFC功率變換器輸入端不可控整流輸出正弦半波峰值電壓，C點(diǎn)為1/4個(gè)市電周期內(nèi)任選一個(gè)電壓值，而B點(diǎn)與A點(diǎn)分別為D點(diǎn)和C點(diǎn)電壓所對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器輸出電壓和u C(A)，在1/4個(gè)市電周期內(nèi)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)從Uraf逐漸減小至最小控制電壓u C(B)，然后再逐漸增大至Uref,這樣得到的控制電壓U。信號(hào)送入附圖4所示的MOSFET放大電路后，所述的控制電壓u。信號(hào)即為u ss信號(hào)，從而有< u GS{C)，再根據(jù)附圖6所述的MOSFET輸入輸出特性曲線，可得到輸出電流iD(B)< iDW，又由于流過(guò)MOSFET集電極的電流iD即為PFC功率變換器功率管的關(guān)斷放電電流，所以有i?！盯?，這就意味著變換器工作在B點(diǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷電流小于工作在C點(diǎn)時(shí)的關(guān)斷電流，同時(shí)也意味著在1/4個(gè)市電周期內(nèi)，隨著PFC功率變換器輸入的正弦半波電壓從峰值逐漸減小到零時(shí)，功率管驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷電流隨之而增大，開關(guān)管關(guān)斷速度越快，其他時(shí)間段與此類似，呈現(xiàn)出周期性變化。這樣就獲得了 PFC功率變換器的功率管自適應(yīng)關(guān)斷方法。而在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，只要保證PFC變換器工作在滿載時(shí)功率管的關(guān)斷速度與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一樣即可，這樣就能夠自適應(yīng)的加快其他時(shí)間段的功率管關(guān)斷速度，尤其是輸入電壓小于峰值電壓階段，從而提高了整個(gè)PFC功率變換器的工作效率。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)效果是:高頻PFC功率變換器的功率管的關(guān)斷速度可以根據(jù)輸入電壓的變化而自適應(yīng)調(diào)整，降低了開關(guān)管的關(guān)斷損耗，提高了 PFC功率變換器的工作效率。
[0017]本發(fā)明易行可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于高頻PFC功率變換器領(lǐng)域，以提高整個(gè)變換器的工作效率。
【附圖說(shuō)明】
[0018]附圖1 一種高頻PFC功率變換器功率管的自適應(yīng)關(guān)斷方法結(jié)構(gòu)原理圖。
[0019]附圖2驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的產(chǎn)生原理。
[0020]附圖3調(diào)節(jié)器G結(jié)構(gòu)原理圖。
[0021 ]附圖4 MOSFET放大電路。
[0022]附圖5控制信號(hào)U。與u f的關(guān)系曲線。
[0023]附圖6 MOSFET管的輸入輸出特性曲線。
[0024]附圖7具體實(shí)施例電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，如附圖7所示，其為采用了本發(fā)明的一種功率管自適應(yīng)關(guān)斷方法的高頻PFC功率變換器原理圖。其主要由四部分結(jié)構(gòu)組成:UBoost型PFC功率變換器；2、PFC控制電路；3、驅(qū)動(dòng)電路；4、電壓控制電流源電路。
[0026]所述I Boost型PFC電路屬于非隔離型高頻PFC功率變換電路，由輸入市電電壓uin, 二極管DM?0。4構(gòu)成的不可控整流橋，輸入濾波電容Cm，濾波電感L，主功率管Qm，續(xù)流二極管Dffi,輸出濾波電容Cra，負(fù)載電阻Ry電壓檢測(cè)電阻‘和R。2及電流檢測(cè)電阻R s構(gòu)成。
[0027]所述的市電電壓Uin的陽(yáng)極接不可控整流橋二極管D ?^的陽(yáng)極與D。2的陰極，u…的陰極與不可控整流橋二極管0。3的陽(yáng)極和D。4的陰極相連；不可控整流橋二極管D M的陽(yáng)極接二極管0。2的陰極，二極管D。3的陽(yáng)極接二極管D。4的陰極，二極管D ?^與D。3的陰極共同與輸入濾波電容Cm的上端及濾波電感L的左端相連，二極管D。2與D。4的陽(yáng)極共同與輸入濾波電容Cm的下端及電流檢測(cè)電阻Rs的左端相連；濾波電感L的右端接二極管D。5的陽(yáng)極和主功率管(^的漏極，Qm的柵極接驅(qū)動(dòng)電阻1?。6的右端，Qm的源極與電流檢測(cè)電阻Rs的右端、輸出電容Cra的負(fù)極、負(fù)載電阻L的下端和電壓檢測(cè)電阻Rffi的下端相連；電流檢測(cè)電阻札的左端接不可控整流橋二極管D。2與D。4的陽(yáng)極；二極管D。5陽(yáng)極接L的右端以及主功率管Qm的漏極，二極管0。5陰極接輸出電容Cra的正極、輸出負(fù)載L的上端以及電壓檢測(cè)電阻‘的上端；RM的下端接電壓檢測(cè)電阻Rra的上端，電阻Rra的下端、輸出負(fù)載I的下端、輸出濾波電容Cra的負(fù)極、主功率管Qm的源極以及電流檢測(cè)電阻Rs的左端共同接地。
[0028]所述的Boost型PFC主電路輸入電壓Uin為50Hz的220VAC市電，輸出電壓為385VDC，額定輸出功率為2KW，采用的不可控整流橋型號(hào)為GSIB1580，輸入濾波電容CqiSI μ F，主功率管Qm型號(hào)為SPW35N60C3功率M0SFET，二極管D。5采用RHRP1560超快恢復(fù)二極管，濾波電感L為600 μ H，輸出濾波電容(:。2為470 μ F的電解電容，電流檢測(cè)電阻R 3為
0.05Ω，電壓檢測(cè)電阻&和R6分別為511k Ω和1kQ 0
[0029]所述2 PFC控制電路是一個(gè)對(duì)Boost型PFC功率變換器的平均電流控制器，它由常用的PFC平均電流控制芯片UC3854 (ICl)及其外圍電路構(gòu)成。
[0030]所述的UC3854 (ICl)及其外圍電路如下所示:
[0031]1)UC3854(IC1)的 GND 引腳接地。
[0032]2)UC3854(IC1)的PKLMT引腳接電阻Rq4的右端、電容C。3的左端以及電阻R 16的左端；電阻Rm的左端接電阻R%的左端、不可控整流橋二極管D。2與D。4的陽(yáng)極、電流檢測(cè)電阻札的左端及輸入濾波電容(^的下端，電阻1?。8的右端接UC3854的MULTOUT引腳；電容Cq3的右端接地；電阻R16的右端接電容C ^的上端、電阻R 15的右端、UC3854 (ICl)的VREF引腳及ENA引腳，電阻R15的左端接電阻R:。的右端及UC3854 (ICl)的IAC引腳，電容C n的下端接地。
[0033]3) UC3854 (ICl)的CAOUT引腳與電容(:。4和電容C。5的右端相連；電容C。5的左端接電阻1?。7的右端，電阻Rw的左端接電阻Rm的下端、電容(:。4的左端及UC3854(IC1)的ISENSE引腳；電容Cq4的左端與電阻Rq3的下端、電阻R。7的左端及UC3854 (ICl)的ISENSE引腳連接；其中，電阻&3、電阻Rot、電容Cm與電容C。5構(gòu)成電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器。
[0034]4)UC3854(IC1)的ISENSE引腳與電阻Rq7的左端、電容C。4的左端及電阻R。3的下端相連；電阻Rw