单控双级升压式PFC电路及浪涌抑制电路的制作方法

单控双级升压式pfc电路及浪涌抑制电路
技术领域
1.本发明涉及一种基于新型宽禁带半导体器件的单控双级升压式pfc电路及浪涌抑制电路。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，电能的质量问题已深入人心。在电源电路中，由于高容值储能电容的存在，导致整流桥导通角变小，交流输入侧的电流脉动成份高，电流峰值大，引入了丰富的谐波干扰，这严重影响了电能的质量。因此，功率因素矫正电路(pfc)被广泛用来矫正交流输入电流的波形，使之与交流输入电压一样成为较为完美的正弦波。常见的输入侧解决方案如图1所示，其中pfc解决方案如图3所示的单级升压结构。然而，采用一级升压拓扑电路，输出滤波电容尺寸大，输出电压约380v。一般情况下，该级电路输出电压越低，其工作效率越高。但后级电路正好相反，越高的pfc输出电压其工作效率越高。采用单级升压式pfc解决方案难以在pfc电路和pfc后一级电路之间做到最优化的设计，只能取一个折中的pfc输出电压值。因此，包含主pfc电路和子pfc电路的两级升压电路构成的pfc解决方案被提出，如图2和图4所示，前一级为主pfc，后一级为子pfc，主pfc电路的输出滤波电容的容值小，子pfc电路的输出滤波电容的容值大。起初，两级结构的设想仅仅是为了减小储能电容的尺寸，因为前一级能够扩展后一级电路的输入电压范围。然而，两级升压电路需要两个独立的控制芯片控制，这大大增加了电路的复杂性与成本。
3.另一方面，传统的浪涌抑制电路串联在桥式整流与储能电容之间，采用一个浪涌抑制限制电阻rt并联一个继电器，电路放置于位置a、b或者c处，该电路简单、驱动容易、成本低，控制亦不复杂，但继电器尺寸大，导通后的电阻也在50mω以上，工作损耗仍然偏大，不利于大功率高密度高效率电源的设计。rt常用热敏电阻抑制电源开机瞬间产生的浪涌电流，在电源正常工作后，由继电器将限流电流延时短路，以降低功耗，如图5所示。但是，由于继电器100毫欧左右的导通电阻仍然很大，而该浪涌抑制电路串联在主功率回路中，其导通电流很大，继电器产生的损耗仍然不容忽视，而且，继电器的尺寸还很大，不利于高功率密度电源的设计需要，继电器也需要额外的驱动和第三方供电，电路复杂、成本高。因此，如何简化电路并实现原有功效成为首要考虑的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种单控双级升压式pfc电路。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种单控双级升压式pfc电路，其特征在于包括：子pfc电路和主pfc电路，交流输入信号经整流电路整流后输入子pfc电路；
7.所述子pfc电路包括升压电路、cz电容网络及电容c4，2-8个电容串联并接地，然后与c4并联，共同构成cz电容网络，所述升压电路与主pfc电路的电感耦合，升压电路由控制芯片控制；
8.所述主pfc电路包括电感lpfc：b、两个二极管dpfc2和dpfc3，以及电容c5，所述电感lpfc：b一端连接dpfc2的阳极，另一端连接到cz电容网络的任一串联电容，dpfc2的阴极连接到电容c5的上端，dpfc3的阳极连接到升压电路，阴极同样连接到电容c5的上端，c4上端连接在升压电路与dpfc3的阳极之间，下端连接c5的下端且接地；
9.还包括输出电压监控模块和输出功率监控模块，对dpfc2和dpfc3的阴极输出的信号进行监测，监测信号输入控制芯片；
10.还包括输入功率监控模块，对交流输入信号进行监测，监测信号输入控制芯片。
11.优选的，所述升压电路包括电感lpfc：a、二极管dpfc1、开关管qpfc，以及开关管qpfc的驱动电路，所述电感lpfc：a与电感lpfc：b耦合，电感lpfc：a一端接入经整流电路整流后的交流输入信号，另一端连接二极管dpfc1的阳极，二极管dpfc1阴极连接dpfc2的阳极，所述开关管qpfc的正向端接入经整流电路整流后的交流输入信号且接地，负向端连接到二极管dpfc1的阳极，控制芯片通过驱动电路控制驱动qpfc。
12.优选的，所述c4为高压电解电容。
13.优选的，所述场效应晶体管为第三代宽禁带半导体功率mosfet或hemt。
14.优选的，还包括第二输出功率监控模块，对后一级电路的输出功率进行监测，并将监测信号输入控制芯片。
15.本发明还公开了一种浪涌抑制电路，与上述的单控双级升压式pfc电路配合使用，包括开关管qr、开关管qr的控制与驱动电路、二极管din和浪涌抑制电阻rt，所述qr的负向端与c5的下端连接，qr的正向端连接到qpfc的正向端且接地，控制与驱动电路连接到qr以实现对qr的控制与驱动，所述rt并联在qr的正向端与负向端之间，整流电路的输出端与din的阳极连接，din的阴极与c5的上端连接。
16.本发明涉及一种新型宽禁带半导体器件的电路应用，包含双级升压式功率因素矫正(pfc)电路和浪涌抑制电路。该pfc电路采用一个控制芯片控制两级升压电路，且只需要一个功率电感。其前一级为子pfc，后一级为主pfc，后一级电路的功率输入来源于前一级升压电感的耦合电感。子pfc采用cz电容网络替代传统的单电容滤波，为后一级提供更为灵活的输出电压。控制部分还通过调整功率电路的工作频率和工作占空比，实现pfc电路工作效率最优化，同时实现pfc电路和pfc后一级电路的整体效率达到一个动态最优化。另外，浪涌抑制电阻由传统串在主功率回路移至储能电容下端，与储能电容串联，同时采用晶体管延时短路，使其功耗大大降低，且不再需要继电器。该解决方案电路简单、控制容易、成本低。
17.本发明的有益效果如下：
18.1、主+子双升压拓扑电路结构，但与传统方案不同，该结构前一级为子pfc，后一级为主pfc(传统方案前一级为主pfc，后一级为子pfc)，控制主体在后一级。
19.2、子pfc采用cz电容网络替代传统的单电容滤波，为后一级提供更为灵活的输出电压。
20.3、该电路只需一个耦合电感和一个控制芯片，控制简单。
21.4、加入效率优化智能控制，通过调整功率电路的工作频率和工作占空比，实现pfc电路工作效率最优化，同时实现pfc电路和pfc后一级电路的整体效率达到动态最优化。
22.5、浪涌抑制电阻由传统串在主功率回路移至储能电容下端，与储能电容串联，同时采用晶体管延时短路，使其功耗大大降低，且不再需要继电器。
附图说明
23.图1为电源输入侧单pfc解决方案示意图。
24.图2为电源输入侧双pfc解决方案示意图。
25.图3为传统单级升压式pfc解决方案。
26.图4为传统双级升压式pfc解决方案。
27.图5为传统浪涌抑制解决方案。
28.图6为本发明的单控双级升压式pfc电路示意图。
29.图7为本发明的单控双级升压式pfc电路实施方案。
30.图8为本发明的浪涌抑制实施方案。
具体实施方式
31.实施例1
32.本单控双级升压式pfc电路，包括：子pfc电路和主pfc电路，交流输入信号经整流电路整流后输入子pfc电路；
33.所述子pfc电路包括升压电路、cz电容网络及电容c4，所述cz电容网络由3个电容c1、c2和c3串联而成并接地，cz电容网络与c4并联，所述升压电路与主pfc电路的电感耦合，升压电路由控制芯片控制；
34.所述主pfc电路包括电感lpfc：b、两个二极管dpfc2和dpfc3，以及电容c5，所述电感lpfc：b一端连接dpfc2的阳极，另一端连接到cz电容网络的任一串联电容c1、c2或c3的上端，dpfc2的阴极连接到电容c5的上端，dpfc3的阳极连接到升压电路，阴极同样连接到电容c5的上端，c4上端连接在升压电路与dpfc3的阳极之间，下端连接c5的下端且接地；
35.还包括输出电压监控模块和输出功率监控模块，对dpfc2和dpfc3的阴极输出的信号进行监测，监测信号输入控制芯片；
36.还包括输入功率监控模块，对交流输入信号进行监测，监测信号输入控制芯片。
37.所述升压电路包括电感lpfc：a、二极管dpfc1、开关管qpfc，以及开关管qpfc的驱动电路，所述电感lpfc：a与电感lpfc：b耦合，电感lpfc：a一端接入经整流电路整流后的交流输入信号，另一端连接二极管dpfc1的阳极，二极管dpfc1阴极连接dpfc2的阳极，所述开关管qpfc的正向端接入经整流电路整流后的交流输入信号且接地，负向端连接到二极管dpfc1的阳极，控制芯片通过驱动电路控制驱动qpfc。
38.所述c4为高压电解电容。
39.所述场效应晶体管为第三代宽禁带半导体功率mosfet或hemt。
40.还包括第二输出功率监控模块，对后一级电路的输出功率进行监测，并将监测信号输入控制芯片。
41.工作原理和过程解释：
42.c1-c3串联(c1-c3的串联可以是2-8个电容串联，不局限于3个串联，均为高压瓷片电容)，然后与c4并联，c4选用容值较大的高压电解电容，这些串并联的电容共同构成cz电容网络系统。
43.q
pfc
开通时，l
pfc:a
储能，耦合线圈l
pfc:b
同样也会储能，此时，d
pfc1
和d
pfc2
均反向截止，cz电容网络和c5共同向输出负载供电，但主体是c5向输出负载供电，因为在交流输入正
常提供能量时，c5上的电压高于cz电容网络上的电压，使得d
pfc3
反向截止。只有当交流输入移除时或者c5电压异常时，c5电压下降，直到c5上电压低于cz电容网络上的电压，此时d
pfc3
导通，cz电容网络和c5才会共同向输出负载供电。
44.q
pfc
关断时，l
pfc:a
储能产生反向电动势，使得d
pfc1
导通，l
pfc:a
电感能量向cz电容网络充电，实现第一级升压功能(子pfc)。l
pfc：b
线圈的一端连接与串联电容网络的a点、b点、c点或者d点，取决于c5上所需输出电压的高低，当连接至a点，c5上的电压最高，依次下降，连接至d点时，c5上的电压最低。l
pfc:b
储能产生反向电动势，使得d
pfc2
导通，l
pfc:b
电感能量向c5充电，实现第二级升压功能(主pfc)
45.第一级子pfc电压va＝vin/(1-d)，0《d《1，因此，实现升压功能，此时电感l
pfc:a
的有效能量为0.5
·
l
pfc:a
·i12
，稳态工作时，电感l
pfc:a
的能量一小部分在q
pfc
关断时给cz电容网络充电，大部分能量在q
pfc
关断时传递给副边线圈l
pfc:b
即0.5
·
l
pfc:b
·i22
。此时两端的电压差为(va-vin)。假设l
pfc:a
和l
pfc:b
的匝比为1:2，那么，vo＝vc+2(va-vin)＝vc+2(vin/(1-d)-vin)＝vc+2vin
·
d/(1-d)。则，vo和va的差值vo-va＝vc+vin/(1-d)
·
(2d-1)。
46.控制芯片同时监测输出功率1和输入功率，并计算工作效率，通过控制芯片调节pfc功率电路的工作频率，使效率达到最优化。当输出效率偏低时，降低工作频率，提升工作效率。该调节可以使pfc级功率电路效率最优化。
47.控制芯片还同时监测输出功率1和后一级电路的输出功率2，计算后一级电路的工作效率，通过控制芯片调节pfc功率电路的工作占空比，使pfc电路的效率和pfc后一级电路的效率达到一个动态最优化，即一个最优的折中值。
48.实施例2
49.本浪涌抑制电路，与上述的单控双级升压式pfc电路配合使用，包括开关管qr、开关管qr的控制与控制电路、二极管din和浪涌抑制电阻rt，所述qr的负向端与c5的下端连接，qr的正向端连接到qpfc的正向端且接地，控制与控制电路连接到qr以实现对qr的控制与驱动，所述rt并联在qr的正向端与负向端之间。
50.工作原理和过程解释：
51.该方案将浪涌抑制电阻rt放置于c5的下端，另一端接地。在开机瞬间，由于rt与c5串联，因而起到了抑制电流的作用。当c5充电完成，浪涌电流回归正常，qr由控制与驱动电路控制开通，将rt短路，电流改从qr经过，rt不再有功耗，而qr的导通内阻很小，其功耗也很低。同时，由于qr和rt均不在主功率回路上，流经的电流仅为主功率回路的3％-20％，进一步降低了功耗。
52.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单控双级升压式pfc电路，其特征在于包括：子pfc电路和主pfc电路，交流输入信号经整流电路整流后输入子pfc电路；所述子pfc电路包括升压电路、cz电容网络，2-8个电容串联并接地，然后与c4并联，共同构成cz电容网络，所述升压电路与主pfc电路的电感耦合，升压电路由控制芯片控制；所述主pfc电路包括电感lpfc：b、两个二极管dpfc2和dpfc3，以及电容c5，所述电感lpfc：b一端连接dpfc2的阳极，另一端连接到cz电容网络的任一串联电容，dpfc2的阴极连接到电容c5的上端，dpfc3的阳极连接到升压电路，阴极同样连接到电容c5的上端，c4上端连接在升压电路与dpfc3的阳极之间，下端连接c5的下端且接地；还包括输出电压监控模块和输出功率监控模块，对dpfc2和dpfc3的阴极输出的信号进行监测，监测信号输入控制芯片；还包括输入功率监控模块，对交流输入信号进行监测，监测信号输入控制芯片。2.根据权利要求1所述的单控双级升压式pfc电路，其特征在于：所述升压电路包括电感lpfc：a、二极管dpfc1、开关管qpfc，以及开关管qpfc的驱动电路，所述电感lpfc：a与电感lpfc：b耦合，电感lpfc：a一端接入经整流电路整流后的交流输入信号，另一端连接二极管dpfc1的阳极，二极管dpfc1阴极连接dpfc2的阳极，所述开关管qpfc的正向端接入经整流电路整流后的交流输入信号且接地，负向端连接到二极管dpfc1的阳极，控制芯片通过驱动电路控制驱动qpfc。3.根据权利要求1所述的单控双级升压式pfc电路，其特征在于：所述c4为高压电解电容。4.根据权利要求1-3中任一项所述的单控双级升压式pfc电路，其特征在于：所述场效应晶体管为第三代宽禁带半导体功率mosfet或hemt。5.根据权利要求1-3中任一项所述的单控双级升压式pfc电路，其特征在于：还包括第二输出功率监控模块，对后一级电路的输出功率进行监测，并将监测信号输入控制芯片。6.一种浪涌抑制电路，与权利要求1-5中任一项所述的单控双级升压式pfc电路配合使用，其特征在于包括开关管qr、开关管qr的控制与驱动电路、二极管din和浪涌抑制电阻rt，所述qr的负向端与c5的下端连接，qr的正向端连接到qpfc的正向端且接地，控制与驱动电路连接到qr以实现对qr的控制与驱动，所述rt并联在qr的正向端与负向端之间，整流电路的输出端与din的阳极连接，din的阴极与c5的上端连接。

技术总结
本发明包含单控双级升压式PFC电路和浪涌抑制电路。该PFC电路采用一个控制芯片控制两级升压电路，且只需要一个功率电感。其前一级为子PFC，后一级为主PFC，后一级电路的功率输入来源于前一级升压电感的耦合电感。子PFC采用Cz电容网络替代传统的单电容滤波，为后一级提供更为灵活的输出电压。控制部分还通过调整功率电路的工作频率和工作占空比，实现PFC电路工作效率最优化，同时实现PFC电路和PFC后一级电路的整体效率达到一个动态最优化。另外，浪涌抑制电阻由传统串在主功率回路移至储能电容下端，与储能电容串联，同时采用晶体管延时短路，使其功耗大大降低，且不再需要继电器。且不再需要继电器。且不再需要继电器。


技术研发人员：周祥兵 高潮 郭慧 韩佳乐 顾裕谭 汪瑞
受保护的技术使用者：扬州江新电子有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/8/14