专利名称：Pfc电路、通信电源设备和pfc电路的控制方法
技术领域：
本发明涉及通信技术，尤其涉及一种PFC电路、通信电源设备和PFC电路的控制方法。
背景技术：
节能减排是全球化发展的一种趋势，控制电源的转换效率是通信领域中节能减排的一个重要环节，而电源的转换效率的提高一方面依赖于功率器件的改善，另一方面依赖于电源拓扑的改进。目前，业界厂商纷纷致力于96%电源转换效率的整流模块开发，同时形成一些电源拓扑，同时，运营商也提高电源转换效率的准入标准，电源转换效率越来越成为高效节能和准入的核心竞争力要求。在现有的高效电源转换电路中，业界基本上使用无桥功率因素校正(Power Factor Correct ;以下简称PFC)和逻辑链路控制(Logical LinkControl ;以下简称LLC)电路。其中，LLC电路是由谐振电感、激磁电感和谐振电容组成的谐振网络直流(Direct Current ;以下简称DC)/DC变换电路，该电路采用通用的高效拓扑。而对于PFC电路来说，业界厂商从传统的无桥衍生出各种改进型的无桥PFC电路以及图腾柱结构的无桥PFC电路。图I为现有技术中的无桥PFC电路的电路结构示意图，如图I所示,LI和L2为升压(Boost)电路电感，SI和S2为PFC主开关管，Dl和D2为Boost电源整流二极管，D3和D4为续流二极管，D5和D6不参与正常工作，只在浪涌防护中起作用。图2为现有技术中无桥PFC电路中电感电流的波形示意图，如图2所示，现有技术中无桥PFC电路的工作原理如下在电源输入正半周时，SI导通，S2、D2、D3和L2不参与工作，电源通过SI和D4对电感LI进行充电储能；当LI的电流达到设定值时关断SI，LI电流反向，通过Dl和D4对储能电容充电，并对后级的变换电源传递能量；当电感电流下降到设定值后，再导通SI对LI再充电储能，如此周而复始。在电源输入负半周时，S2导通，S1、D1、D4和LI不参与工作，由于S2与S2、D3与D4、LI与L2互为对称，工作原理与正半周一致。可见，在正半周或负半周，电流均串联通过三个器件，因此效率较高。然而，现有技术中的无桥PFC电路的正负半周分别由不同的Boost电路完成，功率器件利用率低，即现有技术为了提高效率牺牲了电路成本。
发明内容
本发明实施例提供一种PFC电路、通信电源设备和PFC电路的控制方法，在提高PFC电路的效率的同时，降低电路成本。本发明实施例的第一方面是提供一种PFC电路,包括输入电源、PFC电感、输出电容、单向开关元件组件和零电压转换ZVT电路，其中，所述PFC电感的一端与所述输入电源连接，所述PFC电感的另一端通过所述单向开关元件组件连接到所述ZVT电路的一端，所述输出电容的一端与所述ZVT电路的另一端连接，所述输出电容的另一端与所述单向开关元件组件连接，所述ZVT电路的又一端与所述输入电源连接；
所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，以控制所述PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且控制所述PFC电路工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值后上升；所述ZVT电路用于在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前，将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零。结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，控制所述PFC电路工作在非连续模式和连续模式包括所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，当所述输入电源的电压小于预设的电压阈值时，控制所述PFC电路工作在非连续模式；当所述输入电源的电压大于或等于预设的电压阈值时，控制所述PFC电路工作在连续模式。 结合第一方面，或第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述单向开关元件组件包括第一单向开关元件、第二单向开关元件、第三单向开关元件和第四单向开关元件；所述ZVT电路包括第一二极管、第二二极管、谐振电感和双向开关管；其中所述第一单向开关元件的正极与所述第二单向开关元件的负极连接，所述第三单向开关元件的正极与所述第四单向开关元件的负极连接，所述第一单向开关元件的负极与所述第三单向开关元件的负极连接，所述第二单向开关元件的正极与所述第四单向开关元件的正极连接；所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接，所述第一二极管的负极与所述第一单向开关元件的负极连接，所述第二二极管的正极与所述第二单向开关元件连接，所述谐振电感的一端与所述第一单向开关元件的正极连接，所述谐振电感的另一端与所述第一二极管的正极连接，所述双向开关管的一端与所述第一二极管的正极连接，所述双向开关管的另一端与所述第三单向开关元件的正极连接；所述输出电容的一端与所述第一单向开关元件的负极连接，所述输出电容的另一端与所述第二单向开关元件的正极连接。结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，在输入电源的交流输入正半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述PFC电感中的电流降为零时，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述PFC电感中的电流降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流上升至预设的第三电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，在输入电源的交流输入负半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路 中一个工作周期的工作状态为当所述谐振电感中的电流降为零时，所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流的绝对值上升至预设的第一电流值时，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件导通，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件关断；当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述PFC电感中的电流的绝对值降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关兀件关断；当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流的绝对值上升至预设的第三电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，在输入电源的交流输入正半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述谐振电感中的电流降为零时，所述双向开关管导通，所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件、所述第三单向开关元件和所述第四单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为
当所述PFC电感中的电流的降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关兀件关断；当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流上升至预设的第三电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，在输入电源的交流输入负半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路 中一个工作周期的工作状态为当所述谐振电感中的电流降为零时，所述双向开关管和所述第四单向开关元件导通，所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述PFC电感中的电流的绝对值降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关兀件关断；当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流的绝对值上升至预设的第三电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述PFC电感的一端与所述输入电源的正极连接，所述PFC电感的另一端与所述第一单向开关元件的正极连接。结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述PFC电感的一端与所述输入电源的负极连接，所述PFC电感的另一端与所述第三单向开关元件的正极连接。本发明实施例的第二方面是提供一种PFC电路的控制方法，包括控制PFC电路中单向开关元件组件中的各单向开关元件交替地导通或关断，以将所述PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位控制为与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且将所述PFC电路控制为工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值后上升；控制ZVT电路在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前工作，以将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零。本发明实施例的第三方面是提供一种通信电源设备，包括直流转直流DC/DC变换器、DC/DC控制器、PFC电路和PFC控制器；所述PFC控制器的一端连接所述PFC电路的一端，所述PFC控制器的另一端与PFC电路的另一端连接，所述PFC控制器又一端与所述所述DC/DC变换器输入端连接，所述DC/DC控制器的一端与所述DC/DC变换器的控制端连接，所述DC/DC控制器的另一端与所述DC/DC变换器的输出端连接；
所述PFC控制器用于控制所述PFC电路工作；所述DC/DC变换器用于对所述PFC电路输出的电压和电流进行调整；所述DC/DC控制器用于控制所述DC/DC变换器工作；其中所述PFC电路包括输入电源、PFC电感、输出电容、单向开关元件组件和零电压转换ZVT电路，其中，所述PFC电感的一端与所述输入电源连接，所述PFC电感的另一端 通过所述单向开关元件组件连接到所述ZVT电路的一端，所述输出电容的一端与所述ZVT电路的另一端连接，所述输出电容的另一端与所述单向开关元件组件连接，所述ZVT电路的又一端与所述输入电源连接；所述DC/DC变换器的输入端连接所述输出电容中与所述单向开关元件组件连接的一端；所述PFC控制器的一端连接所述单向开关元件组件中与所述PFC电感相连的一端，所述PFC控制器的另一端连接所述ZVT电路中与所述输出电容相连的一端;所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，以控制所述PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且控制所述PFC电路工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值后上升；所述ZVT电路用于在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前，将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零。本发明实施例的技术效果是通过控制单向开关元件的导通或关断，将PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位控制为与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且控制PFC电路工作在非联系模式和连续模式交替的混合工作模式中，使得PFC电感中的电流峰值和波纹相对于现有技术明显减小，从而减小了电感体积；并通过ZVT电路将单向开关元件导通前的输出电容降为零，从而减小功率器件的导通损耗和关断损耗；且本实施例中的PFC电路在正负半周均采用相同的电路拓扑结构，使得功率器件得到充分利用，降低了电路成本。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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I为现有技术中无桥PFC电路的电路结构示意图；图2为现有技术中无桥PFC电路中电感电流的波形示意图；图3为本发明PFC电路实施例一的电路结构示意图；图4为本发明PFC电路实施例二的电路结构示意图；图5为本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图一；图6为本发明PFC电路实施例二中电感电流的波形示意图；图7为本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图二 ； 图8为本发明PFC电路实施例_■中的电流回路不意图二 ；图9为本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图四；图10为本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图五；图11为本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图六；图12为本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图七；图13为本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图八；图14为本发明PFC电路的控制方法实施例的流程图；图15为本发明通信电源设备实施例的结构示意图。图16为本发明通信电源设备实施例的另一结构示意图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。图3为本发明PFC电路实施例一的电路结构示意图，如图2所示，本实施例提供了一种PFC电路，该PFC电路可以包括输入电源1、PFC电感2、输出电容3、单向开关元件组件4和零电压转换(Zero Voltage Transition ;以下简称ZVT)电路5。其中，PFC电感2的一端与输入电源I连接，PFC电感2的另一端通过单向开关元件组件4连接到ZVT电路5的一端，输出电容3的一端与ZVT电路的另一端连接，输出电容3的另一端与单向开关元件组件4连接，另外，本实施例中的ZVT电路5的又一端与输入电源I连接。在本实施例中，单向开关元件组件4中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，从而对PFC电感2的瞬间电流进行控制，将PFC电感2的瞬间电流的电流波形的包络相位控制为与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，即使得电感平均电流与输入的交流电压的相位相同。为了减小电路中开关器件的导通损耗和关断损耗，同时也为了减小电感的体积，本实施例中通过控制单向开关元件组件4中各单向开关元件的导通或关断，使得PFC电路工作在混合模式。此处的混合模式可以具体包括非连续模式和连续模式，在非连续模式中，PFC电感中的电流的绝对值下降到零后再上升，而在连续模式中，PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值便上升。在本实施例中，ZVT电路5具体用于在单向开关元件组件4中各单向开关元件导通前，将单向开关元件组件4的输出电容的电压降为零，实现单向开关元件的零电压开关(ZeroVoltage Switch ;以下简称ZVS)导通,从而减小功率器件的导通损耗和关断损耗。具体地，继续参照上述图3，在本实施例提供的PFC电路中，单向开关元件组件4中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，以当输入电源I的电压小于预设的电压阈值时，控制PFC电路工作在非连续模式；当输入电源I的电压大于或等于预设的电压阈值时，控制PFC电路工作在连续模式。在本实施例提供的PFC电路中，在输入电压的低压段，PFC电感的电感平均电流较小时，通过控制单个开关元件的导通或关断，控制PFC电路工作在非连续模式，具体为控制PFC电路中PFC电感的电感平均电流每次回到O点然后再开始新的上升；在输入电压的高压段，PFC电感的电感平均电流较大时，通过控制单向开关元件的导通或关断，控制PFC电路工作在连续模式，具体为控制PFC电路中PFC电感的电感平均电流每次未回到O点就开始新的上升。本实施例通过控制PFC电感的电感平均电流的电路波形，将电流的峰值减小，从而可以减小PFC电感的体积，降低电路成本，提高PFC电路的效率。且本实施例中的PFC电路在正负半周均采用相同的电路拓扑结构，使得功率器件得到充分利用，降低了电路成本。图4为本发明PFC电路实施例二的电路结构示意图，如图4所示，本实施例提供了 一种具体的PFC电路，该PFC电路可以包括输入电源AC、PFC电感LI、输出电容Cl、第一单向开关元件SI、第二单向开关元件S2、第三单向开关元件S3、第四单向开关元件S4，该PFC电路还包括ZVT电路，该ZVT电路具体由第一二极管D1、第二二极管D2、谐振电感L2和双向开关元件S5组成。在本实施例中，PFC电感LI可以如图4所示设置在输入电源AC的一侦牝该PFC电感LI也可以设置在输入电源AC的另一侧，工作原理与图4类似，此处不再赘述。如图4所示，本实施例中的单向开关元件可以由二极管并联开关来实现，此处的开关可以具体为三极管、金属氧化物半导体管(Metal Oxide Semiconductor ;以下简称M0S)管、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor ;以下简称IGBT)等,二极管可以是器件本身集成的，也可以是外加的。如图4所示，第一单向开关元件SI的正极与第二单向开关元件S2的负极连接，第三单向开关元件S3的正极与第四单向开关元件S4的负极连接，第一单向开关元件SI的负极与第三单向开关元件S3的负极连接，第二单向开关元件S2的正极与第四单向开关元件S4的正极连接。第一二极管Dl的正极与第二二极管D2的负极连接，第一二极管Dl的负极与第一单向开关元件SI的负极连接，第二二极管D2的正极与第二单向开关元件S2连接，谐振电感L2的一端与第一单向开关元件SI的正极连接，谐振电感L2的另一端与第一二极管Dl的正极连接，双向开关管S5的一端与第一二极管Dl的正极连接，双向开关管S5的另一端与第三单向开关元件S3的正极连接。输出电容Cl的一端与第一单向开关元件SI的负极连接，输出电容Cl的另一端与第二单向开关元件S2的正极连接。本实施例中的PFC电路工作在混合模式，即工作在非连续模式和连续模式，其中，非连续模式可以具体包括临界导通模式和轻载模式两种类型，此处先以非连续模式为临界导通模式为例进行说明。此处以PFC电路的一个工作周期为例对本发明的电路工作原理进行说明，每个工作周期的工作原理类似，此处不再赘述。当输入电源在交流输入正半周时，先控制第二单向开关元件S2和第四单向开关元件S4导通，控制第一单向开关元件SI和第三单向开关元件S3关断，从而得到如图5所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图一。从图5中可以看出，当S2和S4导通后，形成L1、S2、S4和输入电源AC的回路，输入电压通过S2、S4、L1和输入电源AC组成的回路为PFC电感LI充电，使得LI的电流上升。图6为本发明PFC电路实施例二中电感电流的波形示意图，如图6所示，当PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，通过控制将第一单向开关元件SI和第四单向开关元件S4导通，第二单向开关元件S2和第三单向开关元件S3关断，从而得到如图7所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图二。从图7中可以看出，当SI和S4导通后，形成LI、SI、Cl、S4和输入电源AC的回路，存储在LI中的能量通过该回路存储到Cl中，使得LI的电流下降，当LI中的电流下降为O后，开始新的周期为LI充电，如此周而复始地工作。此处的第一电流值可以根据实际情况来设定，如图6所示，为了使得PFC电感的电感平均电流的输出波形与输入电源的输入波形的包络相吻合，可以通过控制S1-S4，将每次LI的电流上升到设定的电流值，该电流值具 体由同一时刻对应的输入电源的电源电压的值来决定。如图6所示，当PFC电路在临界导通模式下工作一段时间后，由于输入电压的电压值逐渐增大，相应地PFC电感的电流也逐渐增大，为了减小电感的体积以及功率器件的导通损耗和关断损耗，本实施例将PFC电路控制为工作在连续模式。当PFC电路工作在连续模式时，PFC电路中的ZVT电路开始工作。在交流输入正半周时，可以在PFC电感LI中的电流降为预设的第二电流值时，将双向开关管S5、第一单向开关元件SI和第四单向开关元件S4导通，第二单向开关元件S2和第三单向开关元件S3关断，即与上述非连续模式相比，在第二单向开关元件S2开通之前开通双向开关管S5，从而得到如图8所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图三。从图8可以看出，当S5和S4导通后，形成LI、L2、S5和输入电源AC的回路，通过LI的电流为L2进行充电，L2的电流线性增大。当L2的电流上升至预设的第三电流值时，此处的第三电流值可以具体为LI的电流，即LI的电流从大减小，L2的电流从O增大，在某一个时刻二者电流相等时，L2、SI的输出电容、S2的输出电容形成谐振，从而得到如图9所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图四。从图9可以看出，谐振过程中S2的输出电容的电压逐渐降低，直到将S2的输出电容的电压谐振至O时才开通S2并关断SI，这样可以实现S2的ZVS开通和SI的ZVS关断，从而减小了 S2的开通损耗和SI的关断损耗。从图6中可以看出，当本实施例的PFC电路工作在连续模式时，与图2所示的现有技术中图腾柱的PFC电感电路波形相比，电流波纹和电流的峰值明显减小，由此则大大减小了功率器件的导通损耗和关断损耗，从而提闻PFC电路的效率。或者，在本实施例中，PFC电路的非连续模式还可以具体为轻载模式，当PFC电路工作于轻载模式时，电感电流临界连续，此时第一单向开关元件SI和第二单向开关元件S2可以不参与工作，PFC电感LI和谐振电感L2可以串联组成一个新的PFC电感。当PFC电路工作在轻载模式时，在一个工作周期的开始，谐振电感L2中的电流为0，此时PFC电感LI中的电流也为0，此时控制将双向开关管S5导通，控制将第一单向开关元件SI、第二单向开关元件S2、第三单向开关元件S3和第四单向开关元件S4关断，从而得到如图10所示的本发明PFC电路实施例_■中的电流回路不意图五。从图10可以看出，当S5导通后，形成LI、L2、S5以及输入电源AC的回路，通过输入电源AC给LI和L2充电，LI和L2中的电流上升。如图6所示，当LI或L2中的电流上升至预设的某一电流值时，第四单向开关元件S4导通，双向开关管S5、第一单向开关元件SI、第二单向开关元件S2和第三单向开关元件S3关断，从而得到如图11所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图六。从图11可以看出，S5和S3关断后，形成LI、L2、Dl、Cl、S4以及输入电源AC的回路，存储在LI和L2上的能量通过该回路转移到输出电容Cl上，使得LI和L2上的电流下降为O。接着S5再次导通、Dl截止，从而开始一个新的LI和L2的充电周期。如图6所示，当PFC电路在轻载模式下工作一段时间后，由于输入电压的电压值逐渐增大，相应地PFC电感的电流也逐渐增大，为了减小电感的体积以及功率器件的导通损耗和关断损耗，本实施例将PFC电路控制为工作在连续模式。当PFC电路工作在连续模式时，PFC电路中的ZVT电路开始工作。在交流输入正半周时，可以在PFC电感LI中的电流降为预设的第二电流值时，将双向开关管S5、第一单向开关元件SI和第四单向开关元件S4导通，第二单向开关元件S2和第三单向开关元件S3关断，即与上述非连续模式相比，在第二单向开关元件S2开通之前开通双向开关管S5，从而得到如图8所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图三。从图8可以看出，当S5和S4导通后，形成LI、L2、S5和输入电源AC的回路，通过LI的电流为L2进行充电，L2的电流线性增大。当L2的电流上升至预设的第三电流值时，此处的第三电流值可以具体为LI的电流，即LI的电流从大减小，L2的电流从O增大，在某一个时刻二者电流相等时，L2、S1的输出电容、S2的输出电容形成谐振，从而得到如图9所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图四。从图9可 以看出，谐振过程中S2的输出电容的电压逐渐降低，直到将S2的输出电容的电压谐振至O时才开通S2并关断SI，这样可以实现S2的ZVS开通和SI的ZVS关断，从而减小了 S2的开通损耗和SI的关断损耗。从图6中可以看出，当本实施例的PFC电路工作在连续模式时，与图2所示的现有技术中图腾柱的PFC电感电路波形相比，电流波纹和电流的峰值明显减小，由此则大大减小了功率器件的导通损耗和关断损耗，从而提闻PFC电路的效率。进一步地，上述描述为PFC电路工作在交流输入正半周时的工作原理，当输入电源AC的交流输入为负半周时，PFC电路的工作特性与交流输入正半周时相同。在交流输入负半周时，本实施例中的PFC电路同样工作在混合模式，即工作在非连续模式和连续模式，其中，非连续模式可以具体包括临界导通模式和轻载模式两种类型，此处以非连续模式为临界导通模式为例进行说明。当输入电源在交流输入负半周时，先控制第一单向开关元件SI和第三单向开关元件S3导通，控制第二单向开关元件S2和第四单向开关元件S4关断，从而得到如图12所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图七。从图12中可以看出，当SI和S3导通后，形成LI、S I、S3和输入电源AC的回路，输入电压通过SI、S3、LI和输入电源AC组成的回路为PFC电感LI充电，使得LI的电流上升。如图6所示，当PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，通过控制将第二单向开关元件S2和第三单向开关元件S3导通，第一单向开关元件SI和第四单向开关元件S4关断，从而得到如图13所示的本发明PFC电路实施例二中的电流回路示意图八。从图8中可以看出，当S2和S3导通后，形成LI、S2、Cl、S3和输入电源AC的回路，存储在LI中的能量通过该回路存储到Cl中，使得LI的电流下降，当LI中的电流下降为O后，开始新的周期为LI充电，如此周而复始地工作。图14为本发明PFC电路的控制方法实施例的流程图，如图14所示，本实施例提供了一种PFC电路的控制方法，该方法具体为对上述图3或图4所示的PFC电路进行控制，该方法可以具体包括如下步骤步骤1401，控制PFC电路中单向开关元件组件中的各单向开关元件交替地导通或关断。
本步骤为对PFC电路中单向开关元件组件进行控制，控制单向开关元件组件中的各单向开关元件交替地导通或关断，从而对PFC电感2的瞬间电流进行控制，将PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位控制为与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，，即使得电感平均电流与输入的交流电压的相位相同。为了减小电路中开关器件的导通损耗和关断损耗，同时也为了减小电感的体积，本实施例通过对PFC电路中单向开关元件组件进行控制，以将PFC电路控制为工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值后上升。步骤1402，控制ZVT电路在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前工作，以将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零。本实施例还对ZVT电路也进行控制，以使得ZVT电路在单向开关元件组件中各单向开关元件导通前工作，将单向开关元件组件的输出电容的电压降为零，实现单向开关元件的ZVS导通，从而减小功率器件的导通损耗和关断损耗。
本实施例提供了一种PFC电路的控制方法，在输入电压的低压段，PFC电感的电感平均电流较小时，通过控制单个开关元件的导通或关断，控制PFC电路工作在非连续模式，具体为控制PFC电路中PFC电感的电感平均电流每次回到O点然后再开始新的上升；在输入电压的高压段，PFC电感的电感平均电流较大时，通过控制单向开关元件的导通或关断，控制PFC电路工作在连续模式，具体为控制PFC电路中PFC电感的电感平均电流每次未回到O点就开始新的上升。本实施例通过控制PFC电感的电感平均电流的电路波形，将电流的峰值减小，从而可以减小PFC电感的体积，降低电路成本，提高PFC电路的效率。且本实施例中的PFC电路在正负半周均采用相同的电路拓扑结构，使得功率器件得到充分利用，降低了电路成本。图15和图16为本发明通信电源设备实施例的结构示意图，如图15和图16所示，本实施例提供了一种通信电源设备，可以具体包括直流转直流(Direct Current-DirectCurrent;以下简称DC/DC)变换器11、DC/DC控制器12、上述图3或图4所示的PFC电路13和PFC控制器14。其中，DC/DC控制器12的一端与DC/DC变换器11的控制端连接，DC/DC控制器12的另一端与DC/DC变换器11的输出端连接。PFC控制器14用于控制PFC电路13工作，DC/DC变换器11用于对PFC电路13输出的电压和电流进行调整。DC/DC控制器12用于控制DC/DC变换器11工作。其中，PFC电路13包括输入电源、PFC电感、输出电容、单向开关元件组件和零电压转换ZVT电路，其中，所述PFC电感的一端与所述输入电源连接，所述PFC电感的另一端通过所述单向开关元件组件连接到所述ZVT电路的一端，所述输出电容的一端与所述ZVT电路的另一端连接，所述输出电容的另一端与所述单向开关元件组件连接，所述ZVT电路的又一端与所述输入电源连接。DC/DC变换器11的输入端与输出电容的与单向开关元件组件连接的一端连接；PFC控制器14的一端与所述单向开关元件组件的与所述PFC电感相连的一端连接，PFC控制器14的另一端与所述ZVT电路的与所述输出电容相连的一端连接。所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，以控制所述PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且控制所述PFC电路工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值后上升。ZVT电路用于在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前，将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零本领域普通技术人员可以理解实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括R0M、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。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。
权利要求
1.一种功率因素校正PFC电路，其特征在于，包括输入电源、PFC电感、输出电容、单向开关元件组件和零电压转换ZVT电路，其中，所述PFC电感的一端与所述输入电源连接，所述PFC电感的另一端通过所述单向开关元件组件连接到所述ZVT电路的一端，所述输出电容的一端与所述ZVT电路的另一端连接，所述输出电容的另一端与所述单向开关元件组件连接，所述ZVT电路的又一端与所述输入电源连接； 所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，以控制所述PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且控制所述PFC电路工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值后上升； 所述ZVT电路用于在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前，将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零。
2.根据权利要求I所述的电路，其特征在于，所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，控制所述PFC电路工作在非连续模式和连续模式包括 所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，当所述输入电源的电压小于预设的电压阈值时，控制所述PFC电路工作在非连续模式；当所述输入电源的电压大于或等于预设的电压阈值时，控制所述PFC电路工作在连续模式。
3.根据权利要求I或2所述的电路，其特征在于，所述单向开关元件组件包括第一单向开关元件、第二单向开关元件、第三单向开关元件和第四单向开关元件；所述ZVT电路包括第一二极管、第二二极管、谐振电感和双向开关管；其中 所述第一单向开关元件的正极与所述第二单向开关元件的负极连接，所述第三单向开关元件的正极与所述第四单向开关元件的负极连接，所述第一单向开关元件的负极与所述第三单向开关元件的负极连接，所述第二单向开关元件的正极与所述第四单向开关元件的正极连接； 所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接，所述第一二极管的负极与所述第一单向开关元件的负极连接，所述第二二极管的正极与所述第二单向开关元件连接，所述谐振电感的一端与所述第一单向开关元件的正极连接，所述谐振电感的另一端与所述第一二极管的正极连接，所述双向开关管的一端与所述第一二极管的正极连接，所述双向开关管的另一端与所述第三单向开关元件的正极连接； 所述输出电容的一端与所述第一单向开关元件的负极连接，所述输出电容的另一端与所述第二单向开关元件的正极连接。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，在输入电源的交流输入正半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为 当所述PFC电感中的电流降为零时，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为 当所述PFC电感中的电流降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电感中的电流上升至预设的第三电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，在输入电源的交流输入负半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为 当所述谐振电感中的电流降为零时，所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件关断；当所述PFC电感中的电流的绝对值上升至预设的第一电流值时，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件导通，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件关断；当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述PFC电感中的电流的绝对值降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关兀件关断； 当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电感中的电流的绝对值上升至预设的第三电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。
6.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，在输入电源的交流输入正半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为 当所述谐振电感中的电流降为零时，所述双向开关管导通，所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件、所述第三单向开关元件和所述第四单向开关元件关断； 当所述PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述PFC电感中的电流的降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电感中的电流上升至预设的第三电流值时，所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，在输入电源的交流输入负半周中，当所述PFC电路工作在非连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为 当所述谐振电感中的电流降为零时，所述双向开关管和所述第四单向开关元件导通，所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电感中的电流上升至预设的第一电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件、所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电路工作在连续模式时，所述PFC电路中一个工作周期的工作状态为当所述PFC电感中的电流的绝对值降为预设的第二电流值时，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关兀件关断； 当所述谐振电感中的电流等于所述PFC电感中的电流，且所述第二单向开关元件的输出电容的电压谐振至零后，所述第二单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述双向开关管、所述第一单向开关元件和所述第三单向开关元件关断； 当所述PFC电感中的电流的绝对值上升至预设的第三电流值时,所述第一单向开关元件和所述第四单向开关元件导通，所述第二单向开关元件和所述第三单向开关元件关断；其中，不同工作周期中预设的第一电流值各不相同，不同工作周期中预设的第二电流值各不相同，不同工作周期中预设的第三电流值各不相同。
8.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述PFC电感的一端与所述输入电源的正极连接，所述PFC电感的另一端与所述第一单向开关元件的正极连接。
9.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述PFC电感的一端与所述输入电源的负极连接，所述PFC电感的另一端与所述第三单向开关元件的正极连接。
10.一种PFC电路的控制方法，其特征在于，包括 控制PFC电路中单向开关元件组件中的各单向开关元件交替地导通或关断，以将所述PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位控制为与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且将所述PFC电路控制为工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到非零值后上升； 控制ZVT电路在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前工作，以将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零。
11.一种通信电源设备，其特征在于，包括直流转直流DC/DC变换器、DC/DC控制器、PFC电路和PFC控制器； 所述PFC控制器的一端连接所述PFC电路的一端，所述PFC控制器的另一端与PFC电路的另一端连接，所述PFC控制器又一端与所述所述DC/DC变换器输入端连接，所述DC/DC控制器的一端与所述DC/DC变换器的控制端连接，所述DC/DC控制器的另一端与所述DC/DC变换器的输出端连接； 所述PFC控制器用于控制所述PFC电路工作； 所述DC/DC变换器用于对所述PFC电路输出的电压和电流进行调整； 所述DC/DC控制器用于控制所述DC/DC变换器工作； 其中所述PFC电路包括输入电源、PFC电感、输出电容、单向开关元件组件和零电压转换ZVT电路，其中，所述PFC电感的一端与所述输入电源连接，所述PFC电感的另一端通过所述单向开关元件组件连接到所述ZVT电路的一端，所述输出电容的一端与所述ZVT电路的另一端连接，所述输出电容的另一端与所述单向开关元件组件连接，所述ZVT电路的又一端与所述输入电源连接；所述DC/DC变换器的输入端连接所述输出电容中与所述单向开关元件组件连接的一端；所述PFC控制器的一端连接所述单向开关元件组件中与所述PFC电感相连的一端，所述PFC控制器的另一端连接所述ZVT电路中与所述输出电容相连的一端; 所述单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，以控制所述PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位与所述输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且控制所述PFC电路工作在非连续模式和连续模式；其中，在所述非连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对值下降到零后上升，在所述连续模式中，所述PFC电感中的电流的绝对 值下降到非零值后上升； 所述ZVT电路用于在所述单向开关元件组件中各单向开关元件导通前，将所述单向开关元件组件的输出电容的电压降为零。
全文摘要
本发明实施例提供一种PFC电路、通信电源设备和PFC电路的控制方法，PFC电路包括输入电源、PFC电感、输出电容、单向开关元件组件和ZVT电路，PFC电感的一端与输入电源连接，PFC电感的另一端通过单向开关元件组件连接到ZVT电路的一端，输出电容的一端与ZVT电路的另一端连接，输出电容的另一端与单向开关元件组件连接，ZVT电路的又一端与所述输入电源连接；单向开关元件组件中的各单向开关元件用于交替地导通或关断，控制PFC电感的瞬间电流的电流波形的包络相位与输入电源的输入波形的包络相位相吻合，且控制PFC电路工作在非连续模式和连续模式。本发明实施例降低了电路成本。
文档编号H02M1/42GK102832802SQ201210332158
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者徐 明, 梁永涛, 顾琳琳 申请人:华为技术有限公司