一种填谷和无频闪PFC变换器及控制方法

摘要

本发明公开了一种填谷和无频闪PFC变换器及控制方法，其特征在于，PFC单元，所述PFC单元设置有储能电容和至少一个开关管，所述PFC单元电连接在波动电路或变换器前面，并通过母线输入端和/或绕组反激进行充电；通过将PFC单元配合其他电路结合对应的控制方法，在某个时刻将峰值能量储存至PFC单元内提高PF值，而PFC单元根据需要来进行释放填谷防止输出波动；通过内部的开光管和/或二极管来控制PFC单元进行储能和释放控制，并且将PFC模块加在绕组间时候，PFC单元内的储能电容可以控制在较低的电压上，降低PFC电容的耐压；实现平稳输出和无频闪，减少内部使用的元器件，进而缩小变换器的整体体积，同时提高使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及到变换器设备领域，尤其涉及到一种填谷和无频闪PFC变换器及控制方法。

背景技术

现有的变换器为了提供稳定的能量输出，通常在交流整流后进行滤波，但是直接加电容的时候，随负载增加电容电压随着交流输入一起下降，降低了电容的作用；普通填谷电路，填谷需要电容串联充电，并联放电，电容数量起码要两个及以上，且普通填谷电路无法选择填谷时间。

再是在单级PFC电路中，为了提高PF值，需要电流和电压同相位，于是现有技术在正弦波低谷的时候，其设计的变换器输出功率低甚至是没输出，导致输出带载的时候电流电压纹波大，使得在LED灯上使用的时候有频闪。并且现有的变换器内部的元器件的使用寿命相对较短，整体体积较大，电容选择余地较少，对电路的有限控制较低，输出效率不高并且不够平稳。

因此，亟需一种能够解决以上一种或多种问题的填谷和无频闪PFC变换器及控制方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的一种或多种问题，本发明提供了一种填谷和无频闪PFC变换器及控制方法。本发明为解决上述问题采用的技术方案是：一种填谷和无频闪PFC变换器，其特征在于，分为以下单元：

输入单元，所述输入单元为输入电容、输入交流电整流后母线、交流电整流加滤波电容、波动电路中的任意一种；

变换器，所述变换器为电感或变压器；

控制单元，所述控制单元由二极管和/或开关管组成，所述控制单元用于控制各个模块、单元之间的连接；

所述输入单元和所述变换器电连接形成第一环路；

PFC单元，所述PFC单元设置有储能电容和至少一个开关管，所述PFC单元电连接在所述输入单元或所述变换器前面，并通过所述输入单元和/或所述变换器的绕组反激进行充电并形成的第二环路；

所述变换器经过整流滤波形成第三环路，即为输出单元；

所述PFC单元直接电连接变换器，PFC单元给变换器提供直连填谷供电形成第四环路或所述PFC单元与所述输入单元串联给变换器提供串联填谷供电的第五环路。

进一步地，还包括：串并组合填谷输出，在波动电路低压阶段所述PFC直接电连接变换器，或和所述输入单元串联或者直连、串联组合给所述变换器提供能量，再通过所述变换器给所述输出单元提供能量，使得输出稳定无频闪。

进一步地，所述PFC单元接在输入母线上，所述PFC单元在桥堆后或者连接在波动电路的充电方式：在电压上升或者高压阶段，由所述输入单元给所述PFC单元直接进行充电。

进一步地，所述PFC单元与所述变换器的绕组电连接：在输入电压高峰阶段，通过导通第一环路，将输入能量存储到所述变换器中，再由所述控制单元分配所述变换器的能量到所述PFC单元或者所述输出单元。

进一步地，还包括：叠压模块，所述PFC单元内的所述储能电容的能量等于0.5*C*V*V，为提升PFC单元能量，采用以下叠加绕组：

在所述变换器绕组上，叠加绕组然后再与所述PFC单元电连接；

叠加绕组设置在输入绕组的正端、负端和单独设置一高压绕组中的任意一种。

进一步地，各个元器件根据需要设置在不同的位置，实现对应的功能；二极管和开关管的设置为：负端连接、正端连接和不同的组合连接中的任意一种；二极管根据需要由开关管进行替代；开关管是：MOS管、三极管、可控硅、氮化镓中的任意一种或组合。

以及一种填谷和无频闪PFC变换器的控制方法，以整流后的正半周波的0到180度为一个循环周期划分以下节点：T0，T0为电压最低的低谷点；T1，T1设置在电压上升阶段，电压大于T0处，为低电压升压点；T2，T2设置在电压上升阶段，电压大于T1处，为升压高电压点；T3，T3为高电压点，T3处的电压大于T2处；T4，T4设置在电压下降阶段，T4处的电压小于T3处的电压，为降压高电压点；T5，T5设置在电压下降阶段，T5处的电压小于T4处的电压，为低电压降压点；当PFC单元加在波动电路后面电路，在升压或者高压阶段T0-T3、T0-T4、T1-T3、T1-T4、T2-T3、T2-T4阶段，PFC单元长期导通或间歇式导通进行充电；

当PFC单元加在绕组间的电路，在高压阶段T2-T4阶段，通过导通第一环路，将输入能量存储到所述变换器中，再由所述控制单元分配所述变换器的多余能量到所述PFC单元，对PFC单元进行充电；在低谷阶段T4-T2或T5-T1阶段，PFC单元进行填谷释放。

进一步地，当所述PFC单元设置在绕组间，输入高压阶段进行能量分配存储的控制方法在于，在T2-T4阶段，导通所述第一环路控制母线输入端给电感或变压器绕组存储能量，然后所述控制单元对电感或变压器绕组上存储的能量进行分配，分配方式采用以下任意一种方法：

方法一：整个周期能量都分配到输出单元或所述PFC单元内，并且根据需要控制周期次数；

方法二：通过控制将单个开关周期能量依次分配给所述PFC单元和所述输出单元。

进一步地，在低压阶段即T4-T2或T5-T1阶段，所述控制单元控制所述PFC单元给变换器直接填谷供电或与母线输入端进行串联再给变换器进行填谷输出，或两者结合，再给变换器进行填谷输出；所述PFC单元在低压阶段填谷输出，指在低压阶段通过将交流电供电、直连供电、串联供电进行一种或者多种组合供电以满足需要输入电流波形以及输出稳定性；

所述直连填谷供电，还包括给变换器正激供电和反激供电。

进一步地，所述PFC单元在高压的时候T2-T4阶段，除了常规变换峰值电流改变输入电路电流波形外，或采用固定峰值电流，调整频率从而改变等效电流；

所述PFC单元在低压的时候，除了常规变换峰值电流改变输入电路电流波形外，或采用导通频率降低或减少导通时间从而降低等效电流。

本发明取得的有益效果是：本发明通过将设置一个PFC单元并将PFC单元、和现有变换器结构巧妙连接在一起，实现了变换器在市电波形下降沿期间用交流电供电，在低谷时才打开PFC单元进行填谷输出，能够有效解决低谷输出不稳定的问题，并且用于填谷的电容可以减少容量；本发明在升压或高压阶段进行储能，低谷阶段进行填谷，巧妙的布局和设计减少了使用的元器件，缩小整体体积，同时能够保证PF值在较高的范围内，输出平稳的同时无频闪；降低能量的转换次数，提高输出效率，并且PFC模块加在绕组间时候，能够有效控制电路和PFC电容的耐压，能够选用低压的PFC电容，降低体积的同时有效提高使用寿命。以上极大地提高了本发明的实用价值。

附图说明

图1为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的基础电路图；

图2为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的独立直连电路图；

图3为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的可串可并电路图；

图4为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的非隔离输出升压、绕组储能串联填谷电路图；

图5为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的flyback绕组储能可串可并填谷的电路图；

图6为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的flyback绕组储能可串可并填谷、次级可控制的电路图；

图7为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的负压叠压存储、串并皆可填谷的电路图；

图8为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的正压叠压、串并皆可填谷的电路图；

图9为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的独立绕组存储、串并皆可填谷的电路图；

图10为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的正向叠压，且正激填谷的电路图；

图11为本发明PFC在输入单元低压并联填谷控制方法的示意波形图；

图12为本发明PFC在输入单元低压串联填谷控制方法的示意波形图；

图13为本发明PFC在输入单元低压串并组合填谷控制方法的示意波形图；

图14为本发明PFC在绕组间，低压串联填谷控制方法的示意波形图；

图15为本发明PFC在绕组间，低压串并组合填谷控制方法的示意波形图；

图16为本发明控制方法和有技术实现输入输出电流区别的示意波形图；

图17为本发明控制方法实现固定IPK电路的示意波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例限制。

本发明公开了一种填谷和无频闪PFC变换器，其特征在于，分为以下单元：

输入单元，所述输入单元为输入电容、输入交流电整流后母线、交流电整流加滤波电容、波动电路中的任意一种；

变换器，所述变换器为电感或变压器；

控制单元，所述控制单元由二极管和/或开关管组成，所述控制单元用于控制各个模块、单元之间的连接；

所述输入单元和所述变换器电连接形成第一环路；

PFC单元，所述PFC单元设置有储能电容和至少一个开关管，所述PFC单元电连接在所述输入单元或所述变换器前面，并通过所述输入单元和/或所述变换器的绕组反激进行充电并形成的第二环路；

所述变换器经过整流滤波形成第三环路，所述第三环路为输出单元；

所述PFC单元直接和变换器连接形成第四环路或所述PFC单元与所述输入单元串联形成第五环路。

图1是所述PFC单元设置在输入母线上，低谷采用并联填谷的电路图。如图1所示开关管KP和电容EC1P组成所述PFC单元，交流输入经过DB1整流后连续正半周交流电作为所述输入母线；所述变换器为电感LP，所述控制单元为开关管K1；开关管K1闭合后，所述输入单元和所述变换器（电感LP）通过开关管K1电连接成第一环路；所述PFC单元（电容EC1P和开关管KP）和所述输入单元电连接组成第二环路；所述变换器（电感LP）和二极管D7、电容EC3组成第三环路，所述第三环路既是所述输出单元；所述PFC单元和所述变换器（电感LP）通过开关管K1和开关管KP电连接组成第四环路（并联填谷电路）。

图11针对的是图1所示范的并联填谷控制方法的波形示意图。通过导通第一环路将所述输入单元的能量传递给所述变换器然后通过所述变换器传递给所述输出单元；并在升压或者高压阶段通过导通第二环路给所述PFC单元充电；在低谷时候通过导通第四环路和所述输入单元组合给所述变换器储能，并通过所述变换器传递给所述输出单元给负载提供稳定的能量。

图2是PFC单元设置在输入母线上，独立直连填谷的电路图。如图2所示，整流管DP和电容EC1P组成所述PFC单元；所述输入单元：交流输入经过二极管DB1整流后连续的正半周交流电经过电容EC1滤波；所述变换器为变压器T1，所述控制单元为开关管K1；开关管K1闭合后，所述输入单元和所述变换器变压器T1通过开关管K1和二极管DE电连接成第一环路；所述PFC单元（电容EC1P和整流管DP）和所述输入单元电连接组成第二环路；变压器T1输出绕组和二极管D7、电容EC3组成第三环路，所述第三环路既是所述输出单元；所述PFC单元的储能电容EC1P和所述变换器（变压器T1）通过开关管K1A电连接组成第四环路即并联填谷电路。

图12针对的是图2结构所示范一种并联填谷控制方法的波形示意图。通过导通第一环路将所述输入单元的能量传递给所述变换器，然后通过所述变换器传递给所述输出单元，并在升压或者高压阶段通过导通第二环路给所述PFC单元充电；在低谷时候通过导通第四环路、所述PFC单元并给所述变换器储能，并通过所述变换器传递给所述输出单元给负载提供稳定的能量。

图3是PFC单元设置在所述输入单元母线位置，低谷采用串并联组合填谷的电路图。如图3所示，开关管KP和电容EC1P组成所述PFC单元；所述输入单元：交流输入经过二极管DB1整流后，连续的正半周交流电经过电容EC1滤波；所述变换器为变压器T1，所述控制单元为开关管K1；所述输入单元和所述变压器T1通过开关管K1和二极管DP2电连接成第一环路；所述输入单元和所述PFC单元的电容EC1P通过开关管KP和开关管K1及二极管DP2电连接组成第二环路；所述变压器T1输出绕组经过二极管D7整流再经过电容EC3滤波组成第三环路，所述第三环路既是所述输出单元；所述PFC单元的储能电容EC1P和所述变换器（变压器T1）通过开关管KP1电连接组成第四环路即并联填谷电路；所述PFC单元的储能电容EC1P通过开关管KP2与所述输入单元串接，再和所述变换器（变压器T1）通过开关管K1电连接并组成第五环路即串联填谷电路。

图13针对的是图3结构所示范一种并串联组合填谷控制方法的波形示意图。通过导通第一环路将所述输入单元的能量传递给所述变换器，然后通过所述变换器传递给输出单元，并在升压或者高压阶段通过导通第二环路给PFC单元充电；在低谷时候控制第一环路、第四环路、第五环路的组合导通给变换器储能传递能量，并通过所述变换器传递能量给所述输出单元，进而给负载提供稳定的能量。

图4是所述PFC单元设置在绕组间，低谷采用串联填谷的电路图。如图4所示，开关管KP和电容EC1P组成所述PFC单元，交流输入经过二极管DB1整流后，连续正半周交流电作为所述输入单元；所述变换器为电感LP，所述控制单元为开关管K1；所述输入单元和所述变换器（电感LP）通过开关管K1和二极管DP2电连接成第一环路；所述PFC单元的电容EC1P和所述变换器的电感LP，通过开关管KP和二极管DP2、二极管D7电连接组成第二环路；所述变换器（电感LP）和所述输入单元和输出滤波电容EC3通过二极管D7、二极管DP2电连接组成第三环路，所述第三环路，既是所述输出单元；所述PFC单元和所述输入单元和所述变换器（电感LP）通过开关管K1及开关管KP2组成第五环路，即串联填谷电路。

图5是PFC单元设置在绕组间，低谷采用串并联填谷的电路图。如图5所示开关管KP和电容EC1P组成所述PFC单元，交流输入经过二极管DB1整流后，连续正半周交流电作为所述输入单元；所述变换器为变压器T1，所述控制单元为开关管K1；所述输入单元和所述变换器（变压器T1）通过开关管K1和二极管DP2电连接组成第一环路；所述PFC单元的电容EC1P和所述变换器（变压器T1），通过开关管KP、开关管KP2和二极管DP、二极管DP2电连接组成第二环路；变压器T1输出绕组和输出滤波电容EC3通过二极管D7电连接组成第三环路，所述第三环路既是所述输出单元；所述PFC单元和变压器T1初级绕组通过开关管K1、开关管KP1和二极管DP1组成第四环路，即并联填谷电路；所述PFC单元、所述输入单元、变压器T1通过开关管K1及开关管KP2组成第五环路，即串联填谷电路。

进一步根据储能电容的能量公式，电容存储的能量E=0.5*C*V*V，为提升所述PFC单元存储的能量，采用以下叠加绕组：其中图6-图9是在图5基础上叠压或者升压储能，具体的：

如图6所示，是在图5基础上，将次级整流管D7改为双向截止加开关管，通过控制K7，使得储能电容EC1P存储的能量等于初级绕组圈数NP*输出VOUT/输出绕组匝数NS，从而提升了PFC电容储能的能量。

如图7所示，是在图5基础上，在输入绕组的负端加入绕组，和输入绕组形成叠加电压，从而在导通第二环路的时候提升了PFC单元内的电容EC1P的储能能量。

如图8所示，是在图5基础上，在输入绕组的正端加入绕组，和输入绕组形成叠加电压，从而在导通第二环路的时候提升了PFC单元的电容EC1P的储能能量。

如图9所示，是在图5基础上，增加一绕组，并将绕组圈数增多，然后将PFC单元加在增多圈数的绕组上，从而在导通第二环路的时候提升了所述PFC单元的电容EC1P的储能能量。

如图10所示，图10是PFC单元设置在绕组间，低谷采用正激填谷的电路图。如图10所示开关管KP和电容EC1P组成所述PFC单元，交流输入经过DB1整流后，连续正半周交流电作为所述输入单元；所述变换器为变压器T1，所述控制单元为开关管K1；所述输入单元和变压器T1初级绕组NP通过开关管K1电连接成第一环路；所述PFC单元的电容EC1P和变压器T1叠压绕组（NP串ND），通过开关管KP电连接组成第二环路；变压器T1输出绕组NS和输出滤波电容EC3通过二极管D7、二极管D7A以及电感LS电连接组成第三环路，所述第三环路既是所述输出单元；所述PFC单元、变压器T1绕组NP，通过开关管K1、KP1电连接组成第四环路即正激填谷电路；

图10中所述PFC电容储能控制方法和图5-图9的控制方法相同；在低谷T4-T2或T5-T1填谷输出的方式有区别：在第一环路关闭后在退磁期间，或者第一环路能量退磁完成后，再打开第四环路，由所述PFC单元直接给变压器T1正激供电，其按照法拉第电磁感应原理，输出绕组NS电压高于输出电容EC3，变换器输出绕组经过二极管D7和电感LS、电容EC3形成第三环路，其NS绕组电压高于输出电容EC3需要的电压差，进而存到电感LS中；当第四环路关闭，绕组NS的能量截止，电感LS的电流由大变小形成反压，这时候二极管D7A导通续流给输出电容或负载供电，使得低谷期间保持能量稳定输出。

图14为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的控制方法，是针对所述PFC单元在绕组间，所述输入单元低谷时候，所述PFC单元直接给所述变换器提供填谷能量的控制方法；

图15是在所述输入单元低谷时候，所述PFC单元直接给所述变换器填谷提供能量和所述输入单元串联给所述变换器提供填谷能量的控制方法。

以及一种填谷和无频闪PFC变换器的控制方法，如图14-图15结合图1所示结合图4-9所示结构，具体方法如下

以整流后的正半周波的0到180度为一个循环周期划分以下节点： T0，T0为电压最低的低谷点；T1，T1设置在电压上升阶段，电压大于T0处，为低电压升压点；T2，T2设置在电压上升阶段，电压大于T1处，为升压高电压点；T3，T3为高电压点，T3处的电压大于T2处；T4，T4设置在电压下降阶段，T4处的电压小于T3处的电压，为降压高电压点；T5，T5设置在电压下降阶段，T5处的电压小于T4处的电压，为低电压降压点；当PFC单元加在波动电路后面，在升压或者高压阶段T0-T3、T0-T4、T1-T3、T1-T4、T2-T3、T2-T4阶段，PFC单元长期导通或间歇式导通进行充电；

当PFC单元加在绕组间的电路，在高压阶段T2-T4阶段，通过导通第一环路，将输入能量存储到所述变换器中，再由所述控制单元分配所述变换器的多余能量到所述PFC单元，对PFC单元进行充电；在低谷阶段T4-T2或T5-T1阶段，PFC单元进行填谷释放。

需要说明的是，结合图1和图10-图14，当所述PFC单元设置在绕组间，输入高压阶段进行能量分配存储的控制方法在于：在T2-T4阶段，导通所述第一环路控制母线输入端给电感或变压器绕组存储能量，然后所述控制单元对电感或变压器绕组上存储的能量进行分配，分配方式采用以下任意一种方法：

方法一：整个周期能量都分配到所述输出单元或所述PFC单元内，并且根据需要控制周期次数；

方法二：通过控制将单个开关周期能量依次分配给所述PFC单元和所述输出单元。

具体地，如图1-图9结合图10-图14，在低压阶段即T4-T2或T5-T1阶段，所述控制单元控制所述PFC单元与母线输入端进行串联、并联或两者结合，进行填谷输出；所述PFC单元在低压阶段填谷输出，指在低压阶段通过将交流电供电、并联供电、串联供电进行一种或者多种组合供电以满足需要输入电流波形以及输出稳定性。

具体地，如图10-图14所示，所述PFC单元在高压的时候T2-T4阶段，除了常规变换峰值电流改变输入电路电流波形外，或采用固定峰值电流，调整频率从而改变等效电流；

所述PFC单元在低压的时候，除了常规变换峰值电流实现输入电电流正弦波外，或采用频率降低或减少导通时间从而降低等效电流。

图16为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的控制方法和现有技术区别：其中图16上面部分是针对输出电流的对比，现有技术单级PFC输出交流电2倍的波动，本技术则实现了恒定输出；

图16下半部分是本技术可实现输入电流波形，其中带有尖峰是将PFC单元加在输入单元母线上的电流波形，根据需要也可以为馒头波；针对PFC单元设置在绕组间的，其输入波形通过直联和串联填谷供电的组合可以实现正弦波、馒头波和方波。

图17为本发明一种填谷和无频闪PFC变换器的控制方法实现固定IPK电路的示意波形图。本技术还提供一种固定IPK电流方式实现输入电流为正弦波：具体通过以下方法实现：在高压阶段通过增加频率方式提升有效电流；在低谷时候通过降低开关频率，或者通过串联填谷减少导通时间来减少输入有效电流，从而实现固定IPK峰值电流，也能实现输入电流为正弦波、馒头波或者方波。

需要指出的是，以上实施例只是针对性举例部分，各个元器件根据需要设置在不同的位置，实现对应的功能；二极管和开关管的设置为：负端连接、正端连接和不同地组合连接中的任意一种；二极管根据需要由开关管进行替代；开关管是：MOS管、三极管、可控硅、氮化镓中的任意一种或组合。

再是根据需要可以添加不同的EMC元件和安规元件，根据需要添加二极管、三极管、电阻、电容、光耦等元器件；并且开关管、VCC启动电路、分压检测电路、限流检测电路等可以外置，也可以集成到芯片内部。其中常规的势能变换单元包括隔离、非隔离、正激、反激等变换器，或按照以上思路采用其他方法进行串联或并联放电。以上赘述中和附图中的示范电路均可以增加元件使其同时具有并联填谷和串联填谷的功能，同样同时具有并联填谷和串联填谷的电路也可以去除相应的元件，减少填谷的方式。

配合本发明的控制方法，可以得出变换器内添加的所述PFC单元，能够在升压阶段进行储能，低谷阶段进行填谷，并且在减少元器件的前提下保证了PF值在较高的范围内，进而缩减变换器的整体体积，并且输出平稳的电流波，实现无频闪；再是由于有一半能量能够直接传递到输出，减少了能量的转换，提高了输出效率；通过所述控制单元来控制电路，有效地控制了电容的耐压值，可以选用低压电容，不仅缩减了体积还有效提高变换器的使用寿命。

综上所述，本发明通过将设置一个PFC单元并将PFC单元、所述控制单元与现有的升压电路、变压器、叠压电路等巧妙地连接在一起，实现了变换器在市电波形下降沿期间用交流电供电，在低谷时才打开PFC单元进行填谷输出，能够有效解决低谷输出不稳定的问题，并且用于填谷的电容可以减少容量；本发明在升压阶段进行储能，低谷阶段进行填谷，巧妙的布局和设计减少了使用的元器件，缩小整体体积，同时能够保证PF值在较高的范围内，输出平稳的同时无频闪；降低能量的转换次数，提高输出效率，并且能够有效控制电路和PFC电容的耐压，能够选用低压的PFC电容，降低体积的同时有效提高使用寿命。以上极大地提高了本发明的实用价值。

以上所述的实施例仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。