*CN102545582A*
(10)申请公布号 CN 102545582 A(43)申请公布日 2012.07.04
(12)发明专利申请
(21)申请号 201210028511.5(22)申请日 2012.02.09
(71)申请人华为技术有限公司
地址518129 广东省深圳市龙岗区坂田华为
总部办公楼(72)发明人陈文彬 代胜勇 黄伯宁(74)专利代理机构北京龙双利达知识产权代理
有限公司 11329
代理人王君 肖鹂(51)Int.Cl.
H02M 1/42(2007.01)
权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页权利要求书2页 说明书5页 附图4页
(54)发明名称
无桥功率因数校正电路及其控制方法(57)摘要
本发明实施例提供了一种无桥功率因数校正PFC电路，包括交流电源模块、功率模块和控制模块，其中交流电源模块与功率模块连接以便为功率模块提供电能，功率模块包括一路或多路交错PFC电路，其中每路交错PFC电路包括一个电感、一对第一开关元件和至少一个电容，其中电感的第一端与交流电源模块连接，电感的第二端分别通过一对第一开关元件连接到每个电容的两端，控制模块采样功率模块中的每个第一开关元件的电流，并关断其中流经负电流的第一开关元件。本发明实施例采用三角形电流模式TCM控制方法，从而让所有第一开关元件工作在软开关状态，最大程度的减小了损耗，提高了整机的效率。CN 102545582 ACN 102545582 A
权 利 要 求 书
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1.一种无桥功率因数校正PFC电路，其特征在于，包括交流电源模块、功率模块和控制模块，其中所述交流电源模块与所述功率模块连接以便为所述功率模块提供电能，所述功率模块包括一路或多路交错PFC电路，其中每路交错PFC电路包括一个电感、一对第一开关元件和至少一个电容，所述电感的第一端与所述交流电源模块连接，所述电感的第二端分别通过所述一对第一开关元件连接到每个所述电容的两端，所述控制模块采样所述功率模块中的每个所述第一开关元件的电流，并关断其中流经负电流的第一开关元件。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述至少一个电容包括多个并联的电容。3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述控制模块包括电流采样元件和三角形电流模式TCM控制器，所述电流采样元件的一端连接到所述功率模块中的每个第一开关元件的漏极或源极且所述电流采样元件的另一端连接到所述TCM控制器的输入端，所述TCM控制器的输出端连接到所述功率模块中的每个第一开关元件的栅极。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述TCM控制器设置负电流的阈值，所述阈值指示所述TCM控制器关断其采样的第一开关元件的负电流的值，当所述电流采样元件获得的采样电流达到所述阈值，所述TCM控制器关断其采样电流达到所述阈值的第一开关元件。
5.根据权利要求3或4所述的电路，其特征在于，所述电流采样元件包括电阻或电流互感器CT。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电路，其特征在于，所述TCM控制器由分立元件组成或者是逻辑器件。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述逻辑器件包括复杂可编程逻辑器件CPLD或现场可编程门阵列FPGA。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电路，其特征在于，所述交流电源模块包括交流电源和两个第二开关元件，每个所述第二开关元件连接所述交流电源与所述功率模块的所述一对第一开关元件中的一个。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电路，其特征在于，所述第一开关元件是绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应管MOSFET。
10.一种无桥功率因数校正PFC电路的控制方法，其中所述无桥PFC电路包括交流电源模块、功率模块和控制模块，所述交流电源模块与所述功率模块连接以便为所述功率模块提供电能，所述功率模块包括一路或多路交错PFC电路，其中每路交错PFC电路包括一个电感、一对第一开关元件和至少一个电容，所述电感的第一端与所述交流电源模块连接，所述电感的第二端分别通过所述一对第一开关元件连接到每个所述电容的两端，所述控制模块用于所述功率模块中第一开关元件的关断，其特征在于，所述方法包括：
所述控制模块检测流经所述功率模块中的每个所述第一开关元件的电流；当检测到所述电流达到预设电流时，所述控制模块关断其中流经所述预设电流的第一开关元件。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制模块检测流经所述功率模块中的每个所述第一开关元件的电流包括：
所述控制模块采样所述功率模块中的每个所述第一开关元件的电流，并检测采样得到的电流。
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12.根据权利要求10或11所述的控制方法，其特征在于，所述预设电流为负电流。13.根据权利要求10至12中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述控制模块包括三角形电流模式TCM控制器。
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说 明 书
无桥功率因数校正电路及其控制方法
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技术领域
本发明实施例涉及电子电路领域，并且更具体地，涉及采用三角形电流模式
(Triangular Current Mode，TCM)的无桥功率因素矫正(Power Factor Correction，PFC)电路及其控制方法。
[0001]
背景技术
传统的有桥PFC电路中导通器件多，通态损耗大，不适于中大功率场合的应用。而
无桥PFC电路可以减少通态损耗并且提高效率，随着市场对高效率、高功率密度需求的增加，无桥PFC电路取代传统的有桥PFC电路已经成为了一种趋势。图1示出了无桥PFC电路的拓扑，其为两路交错的无桥PFC电路。
[0003] 现有的无桥PFC电路通常采用临界模式(Critical Mode，CRM)控制方法。即当电感电流接近零时关断开关元件(例如金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET))，电流继续流经开关元件的体二极管，依靠开关元件的体二极管的反向恢复电流实现零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)。
[0004] 在图1所示的两路交错的无桥PFC电路中，2个桥臂错相180度工作。同理，如果无桥PFC电路中有3个桥臂，则3个桥臂错相120度工作。这里简单介绍单个桥臂(即电感L1连接的桥臂)的工作原理：在交流输入的正半周，MOSFET Q2充当主管，在MOSFET Q2的导通时间Ton内，电流回路经过电感L1、MOSFET Q2以及二极管D2，此时电感L1进行储能；在MOSFET Q2的关断时间Toff内，电流回路经过电感L1、MOSFET Q1、电容C以及二极管D2，此时电感L1输出能量。同理，在交流输入的负半周，MOSFET Q1充当主管，在MOSFET Q1的导通时间Ton内，电流回路经过二极管D1、MOSFET Q1及电感L1，此时电感L1进行储能；在MOSFET Q1的关断时间Toff内，电流回路经过二极管D1、电容C、MOSFET Q2及电感L1，此时电感L1输出能量。
[0005] 下面仍以电感L1连接的桥臂为例，说明CRM控制方式的原理。为了简单起见，这里只介绍交流输入的正半周的工作原理。[0006] 在交流输入的正半周，MOSFET Q2充当主管，在MOSFET Q2的导通时间Ton内，电流回路经过电感L1、MOSFET Q2及二极管D2，而在MOSFET Q2的关断时间Toff内，电流回路经过电感L1、MOSFET Q1、电容C及二极管D2。此时，MOSFET Q1充当同步整流管，在这段时间内MOSFET Q1会有驱动，从而MOSFET Q1被导通，流经电感L1的电流会线性下降。当检测到电感L1的电流下降到接近0安培(A)的时候，关断MOSFET Q1，使得电流继续流过MOSFET Q1的体二极管，由于MOSFET Q1的体二极管的反向恢复特性，会存在一定的反向恢复电流，利用这个反向恢复电流去拉通MOSFET Q2的体二极管，从而实现MOSFET Q2的零电压导通。图2分别示出了电感L1的电流波形(三角形波)以及MOSFET Q1的驱动电压波形(方波)。交流输入负半周的原理和交流输入正半周的原理类似。[0007] 但是，流过开关元件(例如MOSFET)的体二极管的反向恢复电流是不可控的，并且
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该反向恢复电流会随着输入电压和负载而变化，同时又会影响开关元件的软开关状态。另外，在高压输入的情况下，电感不能得到负电流，因此也无法实现开关元件(即MOS管)的零电压导通。
发明内容
[0008] 本发明实施例提供一种无桥PFC电路，它能够解决现有的无桥PFC电路引入不可控的反向恢复电流进而影响开关元件的软开关状态的问题。[0009] 一方面，提供了一种无桥PFC电路，其特征在于，包括交流电源模块、功率模块和控制模块，其中该交流电源模块与该功率模块连接以便为该功率模块提供电能，该功率模块包括一路或多路交错PFC电路，其中每路交错PFC电路包括一个电感、一对第一开关元件和至少一个电容，该电感的第一端与该交流电源模块连接，该电感的第二端分别通过该一对第一开关元件连接到每个该电容的两端，该控制模块采样该功率模块中的每个该第一开关元件的电流，并关断其中流经负电流的第一开关元件。[0010] 另一方面，提供了一种无桥PFC电路的控制方法，其中该无桥PFC电路包括交流电源模块、功率模块和控制模块，该交流电源模块与该功率模块连接以便为该功率模块提供电能，该功率模块包括一路或多路交错PFC电路，其中每路交错PFC电路包括一个电感、一对第一开关元件和至少一个电容，该电感的第一端与该交流电源模块连接，该电感的第二端分别通过该一对第一开关元件连接到每个该电容的两端，该控制模块用于该功率模块中第一开关元件的关断，该方法包括：该控制模块检测流经该功率模块中的每个该第一开关元件的电流；当检测到该电流达到预设电流时，该控制模块关断其中流经该预设电流的第一开关元件。
[0011] 本发明实施例的无桥PFC电路由于采用不同于CRM的TCM控制方法，从而在无桥PFC电路中消除了不可控的反向恢复电流，从而减小开关元件的体二极管的反向恢复电流引起的损耗，利用这个负电流去拉通开关元件的体二极管，从而实现开关元件的零电压导通。
附图说明
[0012] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013] 图1是现有的两路交错的无桥PFC电路的结构图。
[0014] 图2是现有的无桥PFC电路中电感L1的电流波形以及MOSFET Q1的驱动波形。[0015] 图3是根据本发明实施例的无桥PFC电路的结构示意图。
[0016] 图4是根据本发明实施例的两路交错的无桥PFC电路的结构图。[0017] 图5是根据本发明实施例的无桥PFC电路的第一电流流向图。[0018] 图6是根据本发明实施例的无桥PFC电路的第二电流流向图。[0019] 图7是根据本发明实施例的无桥PFC电路的第三电流流向图。[0020] 图8是根据本发明实施例的无桥PFC电路的第四电流流向图。
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图9是根据本发明实施例的无桥PFC电路的第五电流流向图。
[0022] 图10是根据本发明实施例的无桥PFC电路中电感L1的电流波形以及MOSFET Q1和MOSFET Q2的驱动波形。
[0023] 图11是根据本发明实施例的N路交错的无桥PFC电路的结构图。
具体实施方式
[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025] 下面结合图3描述根据本发明实施例的无桥PFC电路。[0026] 如图3所示，无桥PFC电路30包括交流电源模块31、功率模块32和控制模块33，其中交流电源模块31与功率模块32连接并为功率模块32提供电能，此外，功率模块32至少包括一对第一开关元件Q1和Q2，控制模块33采样功率模块中Q1和Q2的电流，并关断其中流经负电流的第一开关元件。由此可见，无桥PFC电路30中通过控制模块33引入TCM控制方法，即在开关元件中流经负电流时才关断该开关元件，因而避免了开关元件的体二极管中的反向恢复电流。
[0027] 交流电源模块31包括交流电源和两个第二开关元件，其中每个第二开关元件分别连接交流电源与功率模块的一对第一开关元件Q1和Q2中的一个。[0028] 一般而言，第一开关元件Q1、Q2可以是绝缘栅器件，例如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)或金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)；第二开关元件可以是二极管、MOSFET或IGBT等。[0029] 此外，功率模块32包括一路或多路交错PFC电路。以一路交错PFC电路为例，如图3所示，一路交错PFC电路包括一个电感L1、一对第一开关元件Q1和Q2，以及至少一个电容C。电感L1的第一端与交流电源模块31连接，电感L1的第二端分别通过第一开关元件Q1连接到每个电容C的一端，再通过第一开关元件Q2连接到每个电容C的另一端。应理解，由于电容C是储能元件，因此当一路交错PFC电路包括多个电容C时，这些电容C可以并联。也就是说，该多个电容C并联后，其并联的一端连接到第一开关元件Q1，而并联的另一端连接到第一开关元件Q2。
另外，控制模块33包括电流采样元件和TCM控制器，电流采样元件的一端连接到
功率模块32中的每个第一开关元件Q1(或Q2)的漏极或源极且电流采样元件的另一端连接到TCM控制器的输入端，而TCM控制器的输出端连接到功率模块32中的每个第一开关元件Q1(或Q2)的栅极。由于TCM控制器设置负电流的阈值，当电流采样元件获得的采样电流达到该阈值，TCM控制器将关断其采样电流达到阈值的第一开关元件Q1(或Q2)。[0031] 例如，电流采样元件包括电阻或电流互感器(Current Transform，CT)。TCM控制器由分立元件组成或者是逻辑器件，例如复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)或现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)。[0032] 本发明实施例的无桥PFC电路采用TCM控制器引入TCM控制方法，从而在无桥PFC
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电路中消除了不可控的反向恢复电流，从而减小开关元件的体二极管的反向恢复电流引起的损耗，利用这个负电流去拉通开关元件的体二极管，从而实现开关元件的零电压导通[0033] 以下将具体说明TCM控制方法的实现原理。
[0034] 以第一开关元件为MOSFET的两路交错的无桥PFC电路为例，说明本发明实施例的无桥PFC电路的TCM控制方法，如图4所示。首先，检测4个MOSFET(即Q1、Q2、Q3、Q4)中流过的电流，并将检测结果作为电流采样信息送至三角电路模式(Triangular Current Mode，TCM)控制器；然后，TCM控制器根据电流采样信息中电流的方向和大小来控制4个MOSFET(即Q1、Q2、Q3、Q4)的导通与关断；最终实现4个MOSFET(即Q1、Q2、Q3、Q4)的软开关。
[0035] 以下结合图5和图6，仍以交流输入的正半周、电感L1连接的桥臂为例介绍TCM控制方法的原理。在交流输入的正半周，MOSFET Q2充当主管，在MOSFET Q2的导通时间Ton内，电流回路经过电感L1、MOSFET Q2和二极管D2，如图5所示；在MOSFET Q2的关断时间Toff内，电流回路经过电感L1、MOSFET Q1、电容C及二极管D2，如图6所示，此时MOSFET Q1充当同步整流管，MOSFET Q1在关断时间Toff时间内会一直导通，从而电感L1的电流会线性下降。
[0036] 在电感L1的电流下降到负电流的时候，会存在三种情景：[0037] 第一种情况——如果此时另外一个MOSFET Q3也在导通，则电流在电感L1、电感L2、MOSFET Q3及MOSFET Q1之间形成回路，如图7所示，使得电感L1上有负电流产生；[0038] 第二种情况——如果此时另外一个MOSFET Q3关断，但MOSFET Q4处于导通状态，则电流在MOSFET Q1、电感L1、电感L2、MOSFET Q4及电容C之间形成回路，如图8所示，同样可以使得电感L1上有负电流产生；
[0039] 第三种情况——如果此时MOSFET Q3和MOSFET Q4都不导通，则电流在MOSFET Q1、电感L1、电感L2及MOSFET Q3的体二极管之间形成回路，如图9所示，同样可以使得电感L1上有负电流产生。
[0040] 当TCM控制器检测到电感电流下降到一定的负电流的时候(此负电流可以通过TCM控制器进行设置)，此时TCM控制器再关断MOSFET Q1，这样电流就不会流过MOSFET Q1的体二极管，从而减小MOSFET的体二极管的反向恢复电流引起的损耗，利用这个负电流去拉通MOSFET Q2的体二极管，从而实现MOSFET Q2的零电压导通。[0041] 图10示出了的三角形波形为电感L1的电流波形，方波分别为MOSFETQ1和MOSFET Q2的驱动波形。从图10中可以看出，MOSFET Q2导通期间，电感L1的电流上升，然而在MOSFET Q2关断后，MOSFET Q1一直导通，直到TCM控制器检测到流经MOSFET Q1的电流为负电流时，TCM控制器才关断MOSFET Q1，这样电流就不会流过MOSFET Q1的体二极管，从而减小体MOSFET的体二极管的反向恢复电流引起的损耗，利用这个负电流去拉通MOSFET Q2的体二极管，这样就实现了MOSFET Q1和MOSFET Q2软开关。
[0042] 图11为根据本发明实施例的具有N路交错PFC电路的无桥PFC电路。应理解，图11的无桥PFC电路的工作原理与上述只有2路交错PFC电路的无桥PFC电路的工作原理相同。
[0043] 综上所述，根据本发明实施例的无桥PFC电路包括交流电源模块、功率模块和控制模块，其中交流电源模块与功率模块连接以便为功率模块提供电能，功率模块包括一路
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或多路交错PFC电路，其中每路交错PFC电路包括一个电感、一对第一开关元件和至少一个电容。具体而言，电感的第一端与交流电源模块连接，电感的第二端分别通过一对第一开关元件连接到每个电容的两端。控制模块用于功率模块中第一开关元件的关断。因此，根据本发明实施例的无桥功率因数校正PFC电路的控制方法的特征在于：控制模块检测流经功率模块中的每个第一开关元件的电流，当检测到有电流达到预设电流时，控制模块关断其中流经预设电流的第一开关元件。其中，预设电流应为负电流。控制模块因此可以包括TCM控制器。
[0044] 以上，控制模块检测流经功率模块中的每个第一开关元件的电流也可以是：控制模块采样功率模块中的每个第一开关元件的电流，并检测采样得到的电流。[0045] 本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0046] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。[0047] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0048] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0049] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0050] 所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。[0051] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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