技术领域 本发明实施例涉及电子电路领域， 并且更具体地， 涉及釆用三角形电流 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。

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电路的拓朴， 其为两路交错的无桥 PFC 电路。

现有的无桥 PFC电路通常釆用临界模式（ 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 )。

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 Ll、 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 Ll、 MOSFET Ql、 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 Dl、 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 Dl、 电容 C、 MOSFET Q2及电感 L1 , 此时电感 L1输出能量。

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。

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 LI、 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 Ll、 MOSFET Ql , 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 Ql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 Ql的体二极管， 由于 MOSFET Ql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 Ql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。

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 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。

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， 该控制模块釆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。

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。 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

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。

图 1是现有的两路交错的无桥 PFC电路的结构图。

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。

图 3是根据本发明，施例的无桥 PFC电路的结构示意图。 ^ - 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。

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。

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。

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。

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。

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。 具体实施方式

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。

下面结合图 3描述根据本发明实施例的无桥 PFC电路。

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 釆样功率模块中 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。 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。

一般而言， 第一开关元件 Ql、 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。

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 Ll、 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包括电流釆样元件和 TCM控制器， 电流釆样元件的 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 电流釆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阔值，当电流釆样元件获 得的釆样电流达到该阔值， TCM 控制器将关断其釆样电流达到阔值的第一开关 元件 Q1 (或 Q2 )。

例如， 电流釆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 )。

本发明实施例的无桥 PFC电路釆用 TCM控制器引入 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

以下将具体说明 TCM控制方法的实现原理。

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 Ql、 Q2、 Q3、 Q4 ) 中流过的电流， 并将检测结果作为电流釆 样信息送至三角电路模式（Triangular Current Mode, TCM )控制器； 然后， TCM控制器根据电流釆样信息中电流的方向和大 小来控制 4个 MOSFET (即 Ql、 Q2、 Q3、 Q4 ) 的导通与关断； 最终实现 4个 MOSFET (即 Ql、 Q2、 Q3、 Q4 ) 的软开关。

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 Ll、 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 Ll、 MOSFET Ql、 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。

在电感 L1的电流下降到负电流的时候， 会存在三种情景：

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 Ll、 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；

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 Ql、 电感 Ll、 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； 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。

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。

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 MOSFET Q1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。

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。

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。

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： 控制模块釆样功率模块中的每个第一开关元件 的电流， 并检测釆样得到 的电流。

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。

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。

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。 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。

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。

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。

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。