PFC变换器的过流保护电路及方法与流程
本发明涉及电路设计领域，特别是涉及一种pfc变换器的过流保护电路及方法。
背景技术：
在有源功率因数校正pfc(powerfactorcorrection，功率因数校正)变换器中，通常会用到功率开关管(例如igbt，insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)，为了保护igbt在过流情况下不至于因为电流过大而烧毁，传统的保护线路中会设置有电流检测传感器和过流保护措施。
如图1所示，rs为电流检测电阻，其采集到的电流信号送给过流保护线路u1，u1为一正反馈锁死比较器线路，当rs上的电流信号大于设定的过流保护门槛值vref时，比较器u1输出翻转并保持锁死状态，此保护信号传送给pfc控制器u2后，会使得igbt功率管qb迅速关断，以避免qb由于电流过大而失效。
此线路虽然能够起到保护igbt过流的作用，但是有比较严重的缺陷。
首先，采样电阻rs放置在输入回路，是用输入回路的电流来近似等效igbt上的电流，实际上，这两个电流是不完全等效的，igbt上的电流只是输入回路电流的一部分。因此，会存在如下两种情况：第一，当交流输入端vin电压超过pfc输出端电压vc时，igbt基本上处于关断状态，但是流过采样电阻rs的电流却很大，这样就会导致u1过流保护线路即使在igbt电流很小的情况下也会误触发过流保护。第二，当pfc线路中二极管db失效短路的时候，pfc输出端电解电容cb上的能量会通过db反灌回igbt，此时igbt上的电流很大，但是通过采样电阻rs的电流却很小，这样使得igbt在需要过流保护的时候保护线路却检测不到过流，从而失去保护作用。
其次，传统的过流保护线路中，一般采用图1所示的正反馈锁死线路(即比较器u1的输出端与正相输入端连接)，此线路的特点是一旦触发过流保护，输出就会翻转并保持锁死状态，直至系统干预复位。因此，当交流输入端vin由于存在瞬态的操作过电压或者浪涌过电压而导致igbt出现瞬时大电流的时候，就会触发过流保护而导致pfc停止工作，从而导致系统的emc抗干扰能力变差了。
因此，如何提出一种可靠性高、emc抗干扰能力强的过流保护电路及方法已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种pfc变换器的过流保护电路及方法，用于解决现有技术中pfc变换器的过流保护方法可靠性差、导致系统emc抗干扰能弱等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种pfc变换器的过流保护电路，所述pfc变换器的过流保护电路至少包括：
pfc主电路，采样模块，过流检测模块、pfc控制模块及驱动模块；
所述采样模块与所述pfc主电路的功率开关管串联，检测流经所述功率开关管的电流；
所述过流检测模块连接于所述采样模块的输出端，基于流经所述功率开关管的电流输出相应过流控制信号，所述过流控制信号的有效状态持续设定时间；
所述pfc控制模块连接于所述pfc主电路的输出端，基于所述pfc主电路的输出信号控制所述功率开关管的脉冲调制信号的占空比；
所述驱动模块连接于所述过流检测模块及所述pfc控制模块的输出端，基于所述过流控制信号及所述脉冲调制信号控制所述功率开关管的通断。
可选地，所述过流检测模块包括比较单元及保持单元；所述比较单元的输入端分别连接所述采样模块的输出端及过流保护阈值，将所述采样模块的输出信号与所述过流保护阈值进行比较，并输出比较结果；所述保持单元连接于所述比较单元的输出端，将所述过流控制信号的有效状态保持设定时间。
更可选地，所述保持单元包括d触发器；所述d触发器的时钟输入端连接所述比较单元的输出端，数据输入端连接电源，复位端连接所述pfc控制模块的输出端，反相输出端输出所述过流控制信号。
更可选地，所述保持单元包括rc滤波器，所述rc滤波器的输入端连接所述比较单元的输出端，所述rc滤波器的输出端输出所述过流控制信号。
更可选地，所述rc滤波器包括第一电阻、第一电容及开关管；所述第一电阻的一端连接电源，另一端连接所述第一电容后接地，所述第一电阻与所述第一电容的连接节点连接所述驱动模块，输出所述过流控制信号；所述开关管并联于所述第一电容的两端，所述开关管的控制端连接所述比较单元的输出端。
更可选地，所述保持单元还包括检波器，所述检波器连接于所述rc滤波器的输出端与所述pfc控制模块的输入端之间，所述检波器基于所述rc滤波器的输出信号产生过流保护模式控制信号，以控制所述pfc控制模块进入过流保护模式。
更可选地，所述检波器包括稳压二极管、第二电阻及第二电容；所述稳压二极管的负极连接所述过流控制信号，正极连接所述第二电阻后接地，所述稳压二极管与所述第二电阻的连接节点输出所述pfc控制模块的模式控制信号；所述第二电容并联于所述第二电阻的两端。
更可选地，所述pfc主电路包括、电抗器、功率开关管及升压二极管；
所述电抗器的一端连接所述功率变换器的输入正极，另一端连接所述升压二极管的正极，所述升压二极管的负极连接直流母线电压的输出端；
所述功率开关管连接于所述升压二极管的正极与参考地之间，控制端连接所述驱动模块。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种pfc变换器的过流保护方法，所述pfc变换器的过流保护方法至少包括：
设置过流保护阈值，采集流经pfc主电路的功率开关管的电流，并将所述功率开关管的电流采样信号与所述过流保护阈值进行比较；
当所述功率开关管的电流采样信号大于所述过流保护阈值时，过流控制信号生效并持续设定时间；当所述过流控制信号生效时，封锁所述功率开关管的驱动信号；
当所述功率开关管的电流采样信号小于所述过流保护阈值，且所述过流控制信号失效时，所述功率开关管的驱动信号恢复。
可选地，所述pfc变换器的过流保护方法还包括：当所述过流控制信号连续若干次生效且各生效状态持续设定时间时，pfc控制模块进入过流保护模式。
如上所述，本发明的pfc变换器的过流保护电路及方法，具有以下有益效果：
1、本发明的pfc变换器的过流保护电路及方法将电流采样模块放置在功率开关管支路上，因此，采集的电流和流过功率开关管的电流是同一个电流，从而电流采样信号可以完全真实地反映功率开关管的实际电流，可避免传统方案中存在的不应保护时误保护和应该保护时未能保护的情况，大大提高了功率开关管过流保护的可靠性。
2、本发明的pfc变换器的过流保护电路及方法采用开环比较器方式，因此，可以对由于电网交流电源瞬态的操作过电压或者浪涌过电压引起的功率开关管上瞬间的大电流进行及时保护，减小pfc损耗，并且当过电流消失后，功率开关管又能及时恢复正常工作，而不会导致pfc停止工作的情况，大大提高了系统的emc抗干扰能力。
3、本发明的pfc变换器的过流保护电路及方法中过流控制信号的保持单元成本低廉，可靠性高。可以采用单d触发器，也可以采用rc滤波器；还可以通过在rc滤波器线路的基础上增加检波器线路，进一步提高过流保护线路的可靠性。
附图说明
图1显示为现有技术中的过流保护电路的结构示意图。
图2显示为本发明的pfc变换器的过流保护电路的结构示意图。
图3显示为本发明的过流检测模块的一种结构示意图。
图4显示为本发明的pfc变换器的过流保护方法的一种流程示意图。
图5显示为本发明的pfc变换器的过流保护电流的工作原理示意图。
图6显示为本发明的过流检测模块的另一种结构示意图。
图7显示为本发明的保持单元的一种结构示意图。
图8显示为本发明的pfc变换器的过流保护方法的另一种流程示意图。
元件标号说明
1pfc变换器的过流保护电路
11pfc主电路
12采样模块
13过流检测模块
131比较单元
132保持单元
1321d触发器
1322rc滤波器
1323检波器
14pfc控制模块
15驱动模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种pfc变换器的过流保护电路1，所述pfc变换器的过流保护电路1包括：
pfc主电路11，采样模块12，过流检测模块13、pfc控制模块14及驱动模块15。
如图2所示，所述pfc主电路11用于将输入电压转换为直流母线电压。
具体地，所述pfc主电路11包括但不限于升压电路，降压电路或升降压电路，可根据需要设定不同的功率变换结构，不以本实施例列举为限。如图2所示，在本实施例中，所述pfc主电路11为升压电路中的一种，具体包括电抗器l1、功率开关管q1及升压二极管d1。作为本实施例的一种实现方式，所述pfc主电路11的输入端连接交流电的整流电路(图中未显示)；所述pfc主电路11的输入正极vi+与输入负极vi-之间并联滤波电容ci；所述直流母线电压的输出端vo与参考地pgnd之间连接储能电容co，在本实施例中，所述储能电容co为一个电容，在实际使用中，所述储能电容co可以是多个电容的串、并联或串并联，不以本实施例为限。
更具体地，所述电抗器l1的一端连接所述pfc主电路11的输入正极vi+，另一端连接所述升压二极管d1的正极，所述升压二极管d1的负极连接直流母线电压的输出端vo；所述功率开关管q1的集电极连接所述升压二极管d1的正极，发射极连接所述采样模块12，门极连接所述驱动模块15。在本实施例中，所述直流母线电压的正极为所述直流母线电压的输出端vo，所述直流母线电压的负极为所述参考地pgnd。
需要说明的是，在本实施例中，所述功率开关管q1为绝缘栅双极型晶体管；在实际使用中可根据需要设定所述功率开关管q1的类型，包括但不限于金属-氧化物半导体场效应晶体管，此时，所述功率开关管q1的漏极连接所述升压二极管d1的正极、源极连接所述采样模块12，栅极连接所述驱动模块15。
如图2所示，所述采样模块12与所述功率开关管q1串联，检测流经所述功率开关管q1的电流。
需要说明的是，所述采样模块12与所述功率开关管q1的连接包括直接连接及间接连接，所述采样模块12能检测到实际流经所述功率开关管q1的电流即可。
具体地，在本实施例中，所述采样模块12包括采样电阻rs。所述采样电阻rs与所述功率开关管q1串联，采集流经所述功率开关管q1的电流。在本实施例中，所述采样电阻rs的一端连接所述功率开关管q1的发射极，另一端连接所述参考地pgnd。
需要说明的是，在实际应用中，所述采样电阻rs可连接于所述功率开关管q1的集电极与所述升压二极管d1的正极之间，不限于本实施例。
需要说明的是，在实际应用中，所述采样模块12除了使用采样电阻，还可以通过其他方式实现而不限于本实施例，例如传感器或者互感器进行采样，在此不一一赘述。
如图2所示，所述过流检测模块13连接于所述采样模块12的输出端，基于流经所述功率开关管q1的电流输出相应过流控制信号，所述过流控制信号的有效状态持续设定时间。
具体地，在本实施例中，所述过流检测模块13包括比较单元131及保持单元132。所述比较单元131的输入端分别连接所述采样模块12的输出端及过流保护阈值vref，将所述采样模块12的输出信号与所述过流保护阈值vref进行比较，并输出比较结果。所述保持单元132连接于所述比较单元131的输出端，将所述过流控制信号的有效状态保持设定时间。
更具体地，在本实施例中，所述比较单元131的正相输入端连接于所述功率开关管q1与采样电阻rs的连接节点，所述比较单元131的反相输入端连接所述过流保护阈值vref；在实际应用中，所述比较单元131的输入极性与输入信号的连接关系可互换，通过反相器调整极性以实现相同的逻辑即可，不以本实施例为限。在本实施例中，所述过流保护阈值vref设置为所述功率开关管q1允许工作的最高电流值，在实际使用中可根据需要设定所述过流保护阈值vref，不以本实施例为限。
更具体地，如图3所示，作为本实施例的一种实现方式，所述保持单元132包括d触发器1321。所述d触发器1321的时钟输入端clk连接所述比较单元131的输出端，数据输入端d连接电源vcc，复位端
如图2所示，所述pfc控制模块14连接于所述pfc主电路11的输出端vo，基于所述pfc主电路11的输出信号控制所述功率开关管q1的脉冲调制信号pwm的占空比。
具体地，所述pfc控制模块14基于所述直流母线电压调整所述功率开关管q1的脉冲调制信号pwm，所述pfc控制模块14可基于硬件或软件实现，在此不一一赘述。
如图2所示，所述驱动模块15连接于所述过流检测模块13及所述pfc控制模块14的输出端，基于所述过流控制信号ocp及所述脉冲调制信号pwm控制所述功率开关管q1的通断。
具体地，所述过流控制信号ocp连接所述驱动模块15的使能端，所述脉冲调制信号pwm连接所述驱动模块15的输入端，所述驱动模块15的输出端连接所述功率开关管q1的门极。正常工作状态下，所述驱动模块15基于所述脉冲调制信号pwm控制所述功率开关管q1的通断；所述过流控制信号ocp有效时，所述驱动模块15基于所述过流控制信号ocp将所述功率开关管q1关断，进而实现过流保护。
如图4所示，本实施例还提供一种pfc变换器的过流保护方法，基于本实施例的pfc变换器的过流保护电路1实现，所述pfc变换器的过流保护方法包括：
1)设置过流保护阈值vref，采集流经pfc主电路11的功率开关管q1的电流，并将所述功率开关管q1的电流采样信号vsample与所述过流保护阈值vref进行比较。
2)当所述功率开关管q1的电流采样信号vsample大于所述过流保护阈值vref时，过流控制信号ocp生效并持续设定时间；当所述过流控制信号ocp生效时，封锁所述功率开关管的q1驱动信号。
3)当所述功率开关管q1的电流采样信号vsample小于所述过流保护阈值vref，且所述过流控制信号ocp失效时，所述功率开关管q1的驱动信号恢复。
具体包括如下流程：
如图2及图4～图5所示，在本实施例中，所述过流保护阈值vref设置为所述功率开关管q1允许工作的最高电流值，在实际使用中可根据需要设定所述过流保护阈值vref，不以本实施例为限。采集所述功率开关管q1支路的电流，即流过所述功率开关管q1的实际电流，得到电流采样信号vsample。将所述电流采样信号vsample与所述过流保护阈值vref进行比较，以得到比较结果。
作为本实施例的一种实现方式，如图2～图5所示，当所述脉冲调制信号pwm信号为高电平时，所述功率开关管q1导通，此时若所述功率开关管q1的电流采样信号vsample小于所述过流保护阈值vref，则没有发生过流，所述比较单元131输出端输出低电平，所述d触发器1321的时钟端未检测到上升沿，因此所述d触发器1321不触发，所述d触发器1321的正相输出端q输出低电平，所述d触发器1321的反相输出端
实施例二
如图6所示，本实施例提供一种pfc变换器的过流保护电路，与实施例一的不同之处在于，所述保持单元132包括rc滤波器1322。
具体地，如图6所示，所述保持单元132包括rc滤波器1322，所述rc滤波器1322的输入端连接所述比较单元131的输出端，所述rc滤波器1322的输出端输出所述过流控制信号ocp。
作为本实施例的一种实现方式，所述rc滤波器1322包括第一电阻r1、第一电容c1及开关管q2。所述第一电阻r1的一端连接电源vcc，另一端连接所述第一电容c1后接地，所述第一电阻r1与所述第一电容c1的连接节点连接所述驱动模块15，输出所述过流控制信号ocp。所述开关管q2并联于所述第一电容c1的两端，所述开关管q1的控制端连接所述比较单元131的输出端。
本实施例的pfc变换器的过流保护电路与实施例一的其它结构一致，在此不一一赘述。
本实施例还提供一种pfc变换器的过流保护方法，基于本实施例的pfc变换器的过流保护电路实现，所述pfc变换器的过流保护方法与实施例一的不同之处在于：
当所述功率开关管q1的电流采样信号vsample大于所述过流保护阈值vref时，所述功率开关管q1发生过流，所述比较单元131输出高电平，所述开关管q2导通，所述rc滤波器1322输出端输出的所述过流控制信号ocp由高电平跳变为低电平(过流控制信号生效)，直接封锁所述驱动模块15，使得所述功率开关管q1迅速关断。所述功率开关管q1关断后，采样电流消失，所述比较单元131的输出信号从高电平跳变回低电平，所述开关管q2关断，电源通过所述第一电阻r1向所述第一电容c1充电(过流控制信号生效持续)，当所述过流控制信号ocp由低电平逐渐升高至高电平(过流控制信号失效)时，所述过流控制信号ocp解除对所述驱动模块15的封锁，所述驱动模块15基于所述脉冲调制信号pwm的控制工作。在本实施例中，通过调整所述第一电阻r1及所述第一电容c1的参数调节过流保护的时间常数(即所述过流控制信号ocp的生效状态持续的时间)，在本实施例中，所述流控制信号ocp的生效状态持续的时间设定为2～5个所述脉冲调制信号pmw的周期，在实际使用中可根据需要进行设定。
实施例三
如图7所示，本实施例提供一种pfc变换器的过流保护电路，与实施例二的不同之处在于，所述保持单元132还包括检波器1323。所述检波器1323连接于所述rc滤波器1322的输出端与所述pfc控制模块14的输入端之间，所述检波器1323基于所述rc滤波器1322的输出信号产生过流保护模式控制信号ctl，以控制所述pfc控制模块14进入过流保护模式。
具体地，作为本实施例的一种实现方式，所述检波器1323包括稳压二极管d2、第二电阻r2及第二电容c2。所述稳压二极管d2的负极连接所述过流控制信号ocp，正极连接所述第二电阻r2后接地，所述稳压二极管d2与所述第二电阻r2的连接节点输出所述过流保护模式控制信号ctl；所述第二电容c2并联于所述第二电阻r2的两端。
本实施例的pfc变换器的过流保护电路与实施例二的其它结构一致，在此不一一赘述。
如图8所示，本实施例还提供一种pfc变换器的过流保护方法，基于本实施例的pfc变换器的过流保护电路实现，所述pfc变换器的过流保护方法与实施例二的不同之处在于：
当所述过流控制信号ocp连续若干次生效且各生效状态持续设定时间时，所述pfc控制模块14进入过流保护模式。
具体地，当所述功率开关管q1未发生过流时，所述过流控制信号ocp为高电平，所述检波器1323中的所述稳压二极管d2导通，因此输出至所述pfc控制模块14的模过流保护模式控制信号ctl也为高电平(正常工作模式)，所述pfc控制模块14不做任何动作。当所述功率开关管q1发生过流时，所述过流控制信号ocp为低电平，所述检波器1323中的所述稳压二极管d2截止，因此所述第二电容c2通过所述第二电阻r2放电，若短时过流，则所述过流控制信号ocp恢复为高电平，则输出至所述pfc控制模块14的过流保护模式控制信号ctl仍为高电平(正常工作模式)，pfc控制器不做任何动作；若长时间过流，则所述第二电容c2通过所述第二电阻r2持续放电，使得输出至所述pfc控制模块14的过流保护模式控制信号ctl翻转为低电平(过流保护模式)，所述pfc控制模块14在接收到此信号后进入过流保护模式，所述pfc控制模块14进入过流保护模式后根据不同的保护策略，在控制信号上做进一步的保护动作，包括但不限于：封锁所述功率开关管q1的脉冲调制信号pwm，关断所述功率开关管q1，从而避免igbt长时间运行在上述循环过流检测模式，提高系统的可靠性；也可以在关断所述功率开关管q1的同时关闭后续压缩机；或在关断所述功率开关管q1的同时关闭整个系统；以此进一步实现对不同部件的保护。在本实施例中，通过调整所述第二电阻r2及所述第二电容c2的参数调节所述pfc控制模块14进入过流保护模式的时间常数(即所述过流控制信号ocp的连续出现的次数)。
本发明的pfc变换器的过流保护电路及方法将电流采样模块放置在功率开关管的支路上，并将功率开关管的电流采样信号传送给比较单元，比较单元实现开路比较，当电流采样信号大于过流保护阈值时，过流保护模块输出低电平的过流控制信号，过流控制信号直接封锁功率开关管的驱动信号，从而使得功率开关管迅速关断。当功率开关管关断后，由于采样模块上的采样信号消失，过流控制信号保持设定时间后返回原始状态，消除对驱动信号的封锁，功率开关管重新进入正常工作方式。
综上所述，本发明提供一种pfc变换器的过流保护电路及方法，包括：采样模块，与pfc主电路的功率开关管串联，检测流经所述功率开关管的电流；过流检测模块，连接于所述采样模块的输出端，基于流经所述功率开关管的电流输出相应过流控制信号，所述过流控制信号的有效状态持续设定时间；pfc控制模块，连接于所述pfc主电路的输出端，基于所述pfc主电路的输出信号控制所述功率开关管的脉冲调制信号的占空比；驱动模块，连接于所述过流检测模块及所述pfc控制模块的输出端，基于所述过流控制信号及所述脉冲调制信号控制所述功率开关管的通断。设置过流保护阈值，采集流经pfc主电路的功率开关管的电流，并将所述功率开关管的电流采样信号与所述过流保护阈值进行比较；当所述功率开关管的电流采样信号大于所述过流保护阈值时，过流控制信号生效并持续设定时间；当所述过流控制信号生效时，封锁所述功率开关管的驱动信号；当所述功率开关管的电流采样信号小于所述过流保护阈值，且所述过流控制信号失效时，所述功率开关管的驱动信号恢复。本发明的pfc变换器的过流保护电路及方法将电流采样模块放置在功率开关管支路上，因此，采集的电流和流过功率开关管的电流是同一个电流，从而电流采样信号信号可以完全真实地反映功率开关管的实际电流，可避免传统方案中存在的不应保护时误保护和应该保护时未能保护的情况，大大提高了功率开关管过流保护的可靠性；且本发明采用开环比较器方式，因此，可以对功率开关管上瞬间的大电流进行及时保护，当过电流消失后，功率开关管又能及时恢复正常工作，不会导致pfc线路停止工作的情况，大大提高了系统的emc抗干扰能力；此外，本发明的过流控制信号的保持单元成本低廉，可靠性高，可以采用单d触发器，也可以采用rc滤波器，还可以通过在rc滤波器线路的基础上增加检波器线路，进一步提高过流保护线路的可靠性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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