PFC电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及变换器领域，尤其涉及一种PFC电路及其控制方法。

背景技术

PFC电路，可理解为采用功率因数校正电路，其中，PFC电路具体可实现升压型的功率因数校正。同时，PFC电路可具有多种工作模式，例如CRM模式、DCM模式。

其中，PFC电路可包括Boost电感与主开关管；在CRM模式下，在PFC电路的母线电压较高时（例如大于输出电压的一半时），通过对主开关管的控制，只能实现谷底开关的作用（即在主开关管的源漏电压处于谷底时控制主开关管打开），因母线电压较高，源漏电压处于谷底时未到达零点，进而，通过对主开关管的控制并不能实现零电压开关的作用（即在主开关管的源漏电压处于零点时控制主开关管打开）。

进而，由于无法在母线的全电压范围实现零电压开关的作用，PFC电路的转换效率将会受到不利的影响，可能会达到较低的转换效率。

发明内容

本发明提供一种PFC电路及其控制方法，以解决PFC电路的转换效率将会受到不利的影响，可能会达到较低的转换效率的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种PFC电路，包括：Boost电感、辅助绕组、辅助开关管、主开关管、钳位电容、串联电阻与控制模块；

所述Boost电感与所述辅助绕组互感，所述辅助绕组的第一端连接所述辅助开关管的第一端，所述辅助开关管的第二端连接所述钳位电容的第一端，所述钳位电容的第二端连接所述串联电阻的第一端，所述串联电阻的第二端连接所述辅助绕组的第二端；所述主开关管连接于所述Boost电感与地之间；所述控制模块分别连接所述主开关管的控制端与所述辅助开关管的控制端；其中，所述辅助开关管的状态变化关联于所述主开关管的状态变化。

可选的，所述的PFC电路，还包括：整流模块、输入电容、输出二极管与输出电容；

所述整流模块的输入侧用于接入电源；所述整流模块的输出侧连接所述Boost电感的第一端，以及所述输入电容的第一端，所述输入电容的第二端接地，所述Boost电感的第二端连接所述输出二极管的正极，以及所述主开关管的漏极，所述主开关管的源极经采样电阻接地，所述输出二极管的负极接输出电容与负载；

所述控制模块的检测端还连接至所述主开关管与所述Boost电感之间，以采集对应的过零检测电压。

可选的，所述控制模块的供电是所述辅助绕组获取到的电能提供的。

可选的，所述控制模块用于：

在所述辅助开关管保持关断时，根据所述主开关管的关断动作，控制所述辅助开关管打开；并在所述辅助开关管保持打开时，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断。

可选的，所述控制模块具体用于：

若所述PFC电路处于CRM模式，则：

在所述辅助开关管保持关断，且控制所述主开关关断之后，等待第一时长，控制所述辅助开关管打开；

在所述主开关管保持关断，所述辅助开关管保持打开的情况下，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断。

可选的，处于所述CRM模式的情况下，所述控制模块根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断时，具体用于：

检测到所述Boost电感的电流过零之后，等待第二时长，控制所述辅助开关管关断。

可选的，所述控制模块具体用于：

若所述PFC电路处于DCM模式，则：

在所述辅助开关管保持关断，且控制所述主开关关断之后，根据所述主开关管的源漏电压，控制所述辅助开关管打开；

在所述主开关管保持关断，所述辅助开关管保持打开的情况下，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断。

可选的，所述控制模块在根据所述主开关管的源漏电压，控制所述辅助开关管打开时，具体用于：

检测到所述源漏电压振荡经过了N个波谷，并上升至阈值电压时，控制所述辅助开关管打开。

可选的，所述阈值电压匹配于输入至所述Boost电感的输入电压。

可选的，处于所述DCM模式的情况下，所述控制模块根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断时，具体用于：

检测到所述Boost电感的电流过零之后，等待第三时长，控制所述辅助开关管关断。

根据本发明的第二方面，提供了一种第一方面及其可选方案涉及的PFC电路的控制方法，包括：

在所述辅助开关管保持关断时，根据所述主开关管的关断动作，控制所述辅助开关管打开；

在所述辅助开关管保持打开时，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断。

可选的，在所述辅助开关管保持关断时，根据所述主开关管的关断动作，控制所述辅助开关管打开，包括：

若所述PFC电路处于CRM模式，则：

在所述辅助开关管保持关断，且控制所述主开关管关断之后，等待第一时长，控制所述辅助开关管打开。

可选的，在所述辅助开关管保持打开时，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断，包括：

若所述PFC电路处于CRM模式，则：

在所述主开关管保持关断，所述辅助开关管保持打开的情况下，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断。

可选的，在所述PFC电路处于CRM模式时，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断，包括：

检测到所述Boost电感的电流过零之后，等待第二时长，控制所述辅助开关管关断。

可选的，在所述辅助开关管保持关断时，根据所述主开关管的关断动作，控制所述辅助开关管打开，包括：

若所述PFC电路处于DCM模式，则：

在所述辅助开关管保持关断，且控制所述主开关关断之后，根据所述主开关管的源漏电压，控制所述辅助开关管打开。

可选的，根据所述主开关管的源漏电压，控制所述辅助开关管打开，包括：

检测到所述源漏电压振荡经过了N个波谷，并上升至阈值电压时，控制所述辅助开关管打开。

可选的，在所述辅助开关管保持打开时，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断，包括：

检测到所述Boost电感的电流过零之后，等待第三时长，控制所述辅助开关管关断。

本发明提供的PFC电路及其控制方法中，通过辅助绕组与Boost电感之间的互感，可将Boost电感的电能耦合到辅助绕组中，通过合适的控制（例如采用本发明可选方案的控制方法），可有效保障零电压开关的功能，在全电压范围内保障较高的转换效率，可见，本发明为这种功能的实现提供了电路基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是不同于本发明的一种FPC电路中的波形示意图；

图2是本发明一实施例中PFC电路的局部电路示意图；

图3是本发明一实施例中PFC电路的电路示意图一；

图4是本发明一实施例中PFC电路的电路示意图二；

图5是本发明一实施例中PFC电路的控制方法的流程示意图一；

图6是本发明一实施例中PFC电路的控制方法的流程示意图二；

图7是本发明一实施例中CRM模式下的波形图；

图8是本发明一实施例中PFC电路的控制方法的流程示意图三；

图9是本发明一实施例中DCM模式下的波形示意图。

附图标记说明：

11-控制模块；

12-EMI滤波器；

13-整流模块；

Lb-Boost电感；

Qb-主开关管；

Laux-辅助绕组；

Qaux-辅助开关管；

Caux-钳位电容；

Raux-串联电阻；

Cin-输入电容；

Db-输出二极管；

Co-输出电容；

Rs-采样电阻；

C1-电容；

D1-二极管；

RL-负载。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

本发明实施例提供了一种PFC电路及其控制方法。

对比于本发明实施例的方案，请参考图1，在部分技术中， PFC电路的母线电压较高时（例如大于输出电压的一半时）的情况下，当PFC电路中主开关管的电流iLb过零，主开关管的源漏电压Vds到达谷底时，可通过控制主开关管的栅极电压（即栅源电压Vgs），打开主开关管，此时，主开关管的源漏电压Vds并未到达0点电压，其差距可例如图1所示的2Vin-Vo。

进而，该方案中，在PFC电路中Boost电感的输入电压Vin超出输出电压Vo的一半时，无法实现零电压开关的作用，可见，该类方案中，无法在母线的全电压范围实现零电压开关的作用，PFC电路的转换效率将会受到不利的影响，可能会达到较低的转换效率。

对比于本方案，本发明实施例提供了图2所示的方案，并进一步提供了图3至图7所示的方案。

请参考图2与图3，提供了一种PFC电路，包括：Boost电感Lb、辅助绕组Laux、辅助开关管Qaux、主开关管Qb、钳位电容Caux、串联电阻Raux与控制模块11。

所述Boost电感Lb与所述辅助绕组Laux互感，其可理解为：Boost电感Lb的电能能够感应至辅助绕组Laux，辅助绕组Laux的电能也可感应至Boost电感Lb，通过合适的充放电控制（例如配置适于充放电的电路，以及相应的控制过程），可实现所需的控制目的。

本发明实施例中，所述辅助绕组Laux的第一端连接所述辅助开关管Qaux的第一端，所述辅助开关管Qaux的第二端连接所述钳位电容Caux的第一端，所述钳位电容Caux的第二端连接所述串联电阻Raux的第一端，所述串联电阻Raux的第二端连接所述辅助绕组Laux的第二端。

其中的辅助开关管Qaux，可以采用NMOS管，其第一端为漏极，第二端为源极，控制端为栅极，同时，辅助开关管Qaux可具有体二极管。在其他可选方案中，辅助开关管Qaux也可采用三极管或其他形式的开关器件。钳位电容Caux的第一端可以为钳位电容Caux的负极，其第二端可以为钳位电容Caux的正极。

所述主开关管Qb连接于所述Boost电感Lb与地之间（具体为Boost电感Lb的输出端与地之间）。所述控制模块11分别连接所述主开关管的控制端与所述辅助开关管的控制端。

其中的主开关管Qb，可以采用NMOS管，其第一端为漏极，第二端为源极，控制端为栅极，同时，主开关管Qb可具有体二极管。在其他可选方案中，主开关管Qb也可采用三极管或其他形式的开关器件。

其中，所述辅助开关管的状态变化关联于所述主开关管的状态变化。其具体的关联性可参考后文有关控制方法的相关说明理解。

可见，以上方案中，通过辅助绕组与Boost电感之间的互感，可将Boost电感的电能耦合到辅助绕组中，通过合适的控制（例如采用本发明可选方案的控制方法），可有效保障零电压开关的功能，在全电压范围内保障较高的转换效率，可见，本发明实施例为这种功能的实现提供了电路基础。

其中一种实施方式中，请参考图3，所述的PFC电路，还包括：整流模块13、输入电容Co、输出二极管Db（其也可理解为Boost二极管）与输出电容Co。

所述整流模块13的输入侧用于接入电源；所接入的电源可例如为交流电Vac经EMI滤波器12滤波之后所输入的。该整流模块13可以采用全波整流桥，同时，本发明实施例也不排除不实施滤波，或采用其他方式滤波、整流的手段。

所述整流模块13的输出侧连接所述Boost电感Lb的第一端，以及所述输入电容Cin的第一端，所述输入电容Cin的第二端接地，对应的，输入至Boost电感Lb的电压可表征为Vin，其电流可表征为iLb，作用于Boost电感Lb而形成的电压为VLb。

所述Boost电感Lb的第二端连接所述输出二极管Db的正极，以及所述主开关管Qb的漏极，所述主开关管Qb的源极经采样电阻Rs接地，所述输出二极管Db的负极接输出电容Co与负载RL（图中以电阻表征）。输出电容Co的负极可接地，其可以为极性电容,一般采用电解电容。

所述控制模块11的检测端还连接至所述主开关管Qb与所述Boost电感Lb之间（具体连接于主开关管Qb的漏极），以采集过零检测电压VZCD。

通过以上电路，可以为后文所涉及的控制过程提供基础。

进一步的一种方案中，请参考图4，所述控制模块11的供电是所述辅助绕组Laux获取到的电能提供的。具体地，钳位电容Caux的第一端（例如其负极）可接地，钳位电容Caux的第二端（例如其正极）可经二极管D1连接至控制模块的供电端，具体的，二极管D1的正极连接钳位电容Caux的第二端，同时，可通过二极管D1在钳位电容Caux两端并联电容C1，从而形成供电电压VCC为控制模块11供电。

在非图4所示的电路中，控制模块11的供电电压VCC也可以并非是辅助绕组提供的，例如可以自Boost电感Lb的输入侧或输出侧取电为控制模块11供电，也可自其他外部电路取电给控制模块11供电。

其中一种实施方式中，所述控制模块11可用于实施一种PFC电路的控制方法，请参考图5，可以包括：

S20：在所述辅助开关管保持关断时，根据所述主开关管的关断动作，控制所述辅助开关管打开；

S30：在所述辅助开关管保持打开时，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断。

请参考图6，控制方法具体可以包括：

S40：所述PFC电路是否处于CRM模式；

若所述PFC电路处于CRM模式，则可实施：

S21：在所述辅助开关管保持关断，且控制所述主开关关断之后，等待第一时长，控制所述辅助开关管打开；其可理解为：在CRM模式下，步骤S20包含步骤S21；

S31：在所述主开关管保持关断，所述辅助开关管保持打开的情况下，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断；其可理解为：在CRM模式下，步骤S30包含步骤S31。

以上步骤S31，具体可以包括：检测到所述Boost电感的电流过零之后，等待第二时长，控制所述辅助开关管关断。在其他举例中，也可不等待或者：基于电流过零的检测结果，以及其他检测结果控制辅助开关管关断。

其中的CRM，具体为Critical Conduction Mode，CRM模式可理解为临界导通模式。

在图7所示波形图中：

Vo可理解为Boost电感输出的电压，也可理解为输出电容Co的电压；

Vin可理解为Boost电感输入的电压，也可理解为输入电容Cin的电压；

VLaux可理解为辅助绕组Laux的电压；

VLb可理解为Boost电感Lb的电压；

iLaux可理解为辅助绕组Laux的电流；

iLb可理解为Boost电感Lb的电流；

N可理解为Boost电感与辅助绕组之间的线圈匝数比，也可理解为表征了其电压的比例关系；

VZCD可理解为过零检测电压；

Vgs可理解为主开关管的栅极信号，也可理解为主开关管的栅源电压；

Vgs_aux可理解为辅助开关管的栅极信号，也可理解为辅助开关管的栅源电压。

针对于其中的步骤S21，结合图7可见：

在t0时刻，主开关管Qb关断，此时Boost电感Lb释放能量，Boost电感Lb电流经输出二极管Db流向负载RL，此时辅助开关管Qaux的体二极管导通，经过死区时间td2（即以上所涉及的第一时长），辅助开关管Qaux打开。

在t0~t1期间，辅助绕组Laux给钳位电容Caux充电，当钳位电容Caux电压上升到等于辅助绕组Laux的电压时停止充电。其中，t0~t1持续的时间为时长toff，其可理解为主开关管Lb关断之后，主开关管Lb的电流iLb过零之前的一段时间。

以上第一时长（死区时间td2）的取值可以在主开关管的电流iLb未到达零点之前所取的一段时间（例如大于0.3μs小于时长toff的一段时间），其作用可例如：使得辅助开关管先体二极管导通，再将其打开，进而，可有效起到降低损耗，提高效率。

针对于其中的步骤S31，结合图7可见：

在t1时刻，Boost电感Lb电流下降到0，Boost电感Lb的能量释放完，辅助开关管Qaux开始延时关断，延时时间Td可理解为以上所涉及的第二时长，亦即t1~t2期间，在该延时时间Td内，钳位电容Caux释放能量给辅助绕组Laux充电，此时Boost电感Lb的电流近似保持在0。

在t2时刻，辅助开关管Qaux关断，Boost电感Lb的电流开始流向输入侧，在辅助开关管Qaux关断后，主开关管Qb输出结电容放电，主开关管Qb的源漏电压Vds减小，源漏电压Vds减小到一定值时触发ZCD信号（即过零检测电压VZCD中由低转高），当控制模块11检测到ZCD信号后，主开关管Qb再延时一段时间开通。

在t2~t3期间，主开关管Qb的输出结电容放完电后体二极管导通，主开关管Qb实现ZVS（即零电压开关的功能），t2~t3持续的时间为主开关管Qb和辅助开关管Qaux之间的死区时间td1。

以上第二时长的取值（也可理解为死亡时间td1的取值），其作用可例如：由于开关管的打开、关闭均需要时间，通过其取值，可尽量避免主开关管Qb与辅助开关管Qaux同时打开，从而达到较高的转换效率，基于此目的而配置的任意延时时间Td与死亡时间td1，均不脱离以上方案的范围。

在t3时刻，主开关管Qb开通，输入电压重新给Boost电感Lb充电，Boost电感Lb电流开始上升，此时辅助绕组回路断开，辅助绕组电流为0。其中，t3~t4持续的时间可例如为ton，该持续时间ton可基于对主开关管的一般控制原理进行配置。

在t4时刻，主开关管Qb关断，Boost电感Lb释放能量，电感电流开始下降，辅助绕组通过辅助开关Qaux的体二极管给钳位电容Caux充电，经过死区时间td2后，辅助开关管Qaux开通实现ZVS（即零点电压开关功能）。t5时刻新的重复周期开始。

进而，t4至t8的处理过程，可参照t0至t3的处理过程理解。此外，辅助开关管的控制周期可理解为图中所示的周期Ts_aux，主开关管的控制周期可理解为图中所示的周期Ts。

可见，以上方案中，可利用有源钳位技术可以实现单相Boost PFC变换电路（即以上所涉及的PFC电路）全输入电压范围内的ZVS（即零点电压开关功能），进一步地提高PFC电路在高压输入时的转换效率。

其中一种实施方式中，请参考图8，所述控制模块所实施的控制方法，还可包括：

S50：所述PFC电路是否处于DCM模式；

若所述PFC电路处于DCM模式，则可实施：

S22：在所述辅助开关管保持关断，且控制所述主开关关断之后，根据所述主开关管的源漏电压，控制所述辅助开关管打开；其可理解为：在DCM模式下，步骤S20包含步骤S22；

S32：在所述主开关管保持关断，所述辅助开关管保持打开的情况下，根据所述Boost电感的电流，控制所述辅助开关管关断；其可理解为：在DCM模式下，步骤S30包含步骤S32。

其中的DCM，具体为Discontinuous Conduction Mode，DCM模式可理解为非连续导通模式。

步骤S22具体可以包括：检测到所述源漏电压振荡经过了N个波谷，并上升至阈值电压时，控制所述辅助开关管打开。其中的N可以为大于或等于0的整数（例如N可以取2），其他举例中，也可在检测到多个波峰，多次过零，并上升至阈值电压之后，控制辅助开关管打开。

其中的阈值电压匹配于输入至所述Boost电感的输入电压，例如可以为图中所示的输入电压Vin，也可以为高于该输入电压Vin或低于该输入电压Vin的任意电压（例如形成一定差值、比值的电压）。此外，也可检测辅助绕组的电压VLaux作为判断依据控制辅助开关管打开，例如：检测主开关管源漏电压振荡经过了N个波谷，并上升至阈值电压的判断过程，可以通过检测辅助开关管源漏电压振荡经过N个波峰，并下降至0的判断过程来实现。

针对于其中的步骤S22，结合图9可见：

在t0时刻，主开关管Qb关断，此时辅助开关管Qaux也处于关闭状态，Boost电感Lb的电流iLB开始下降，此时辅助绕组Laux通过辅助开关管Qaux的体二极管给电容Caux充电；

在t1时刻，Boost电感Lb的电流iLB下降到0，Boost电感Lb与主开关管Qb输出结电容以及boost二极管DLb结电容开始进入谐振过程；

在t2时刻，辅助开关管Qaux开通，此时钳位电容Caux给辅助绕组Laux充电，辅助绕组Laux的能量会耦合到Boost电感Lb中，由于能量注入到Boost电感Lb中，使得主开关管Qb输出结电容的电压充到输出电压Vo并被输出二极管Do（即Boost二极管）钳位在Vo，Boost电感Lb会提前谐振到负电流。

其中，t2与t0之间的时间可基于以上步骤S31的方式实施检测、控制。

其中一种实施方式中，步骤S32的过程，具体可以包括：检测到所述Boost电感的电流过零之后，等待第三时长，控制所述辅助开关管关断。其中对第三时长的选择逻辑，可以参照前文对第二时长的选择逻辑理解。

针对于其中的步骤S32，结合图9可见：

在t3时刻，辅助开关管Qaux关断，主开关管Qb结电容开始放电直到电压下降到0，体二极管导通；

在 t4时刻，主开关管Qb开通，Boost电感Lb的电流开始上升；

在t5时刻，主开关管Qb关闭，新的重复周期开始。

其中，辅助开关管Qaux的打开时长可表征为ton_aux，主开关管Qb的打开时长可表征为ton。

本发明实施例提供了一种PFC电路的控制方法，其为以上可选方案所提及的控制方法。

此外，以上步骤S20、S21、S22、S30、S31、S32中，对主开关管Qb的控制过程可参照现有相关技术理解，本领域任意已有或改进的方式，均不脱离本发明实施例的范围。

综上可见，本发明实施例提供的PFC电路及其控制方法中，通过辅助绕组与Boost电感之间的互感，可将Boost电感的电能耦合到辅助绕组中，通过合适的控制（例如采用本发明可选方案的控制方法），可有效保障零电压开关的功能，在全电压范围内保障较高的转换效率，可见，本发明实施例为这种功能的实现提供了电路基础。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。