电流采样电路、电流过零检测电路、图腾柱无桥PFC电路及其控制方法与流程

本发明涉及pfc电路，尤其涉及图腾柱无桥pfc电路的电流采样。

背景技术：

ac-dc功率变换器的输入级通常为整流桥，整流桥后通常接boost电路，由于整流桥具有2个二极管压降，限制了变换器本身效率的进一步提高。随着功率等级的增加以及变换器效率要求的提高，整流桥损耗是个很大的问题。一个解决办法是将二极管整流桥替换成mos管整流桥，但成本明显增加；另一个解决办法是去掉整流桥，从桥式整流的pfc切换到无桥pfc。图腾柱无桥pfc是目前性能最好的pfc拓扑，功率元器件较少，设计紧凑，半桥结构方便采用准zvs或zvs控制，可高频化，并且具有较低的emi，缺点是控制复杂，电流采样困难。

图1所示为一种现有的采用电流互感器采样的图腾柱无桥pfc电路，包括电感lboost、开关管q1、开关管q2，二极管da、二极管db，开关管q1与开关管q2串联组成开关桥臂，二极管da与二极管db串联组成整流桥臂，输入电源vin的一端通过电感lboost耦接到开关桥臂的中点、输入电源vin的另一端直接耦接到第二整流桥臂的中点，开关桥臂、整流桥臂、滤波电容以及输出负载并联，第一电流采样电路11a的两个输入端串入开关桥臂的上桥臂检测ac负半周期输入时的开关电流，第二电流采样电路11b的两个输入端串入开关桥臂的下桥臂检测ac正半周期输入时的开关电流。

第一电流采样电路11a和第二电流采样电路11b采用常规电路，结构相同，均为包括一电流互感器ct1/ct2、一去磁电路、一采样电阻rs1/rs2和一二极管d1/d2，电流互感器包括一原边绕组p1/p2与一副边绕组s1/s2，原边绕组p1/p2的两端为电流采样电路的两个输入端，副边绕组s1/s2与去磁电路并联后的一端连接二极管d1/d2的阳极、另一端接地，去磁电路由去磁电感lm与去磁电阻rs1/rs2并联组成，用来给电流互感器ct1/ct2去磁，二极管d1/d2的阴极同时连接采样电路的输出端和采样电阻rs1/rs2的一端，采样电阻rs1/rs2的另一端接地。

图1所示电路由于开关管q1与开关管q2在ac输入的正半周期与负半周期会发生对调，开关管中的电流也存在正负变化，这导致这种常规的互感器电流采样电路在图腾柱pfc电路中有明显的缺陷。

图2所示为图1所示图腾柱无桥pfc电路的驱动时序，图3a～图3b所示为ac输入正半周期内单个开关周期内图腾柱无桥pfc中的电流流向。图3a为开关管q1关断、开关管q2导通时的情况，正向电流流过互感器ct2，通过11b检测电感峰值电流；11a中互感器ct1的励磁电流通过二极管d1、电阻rs1去磁，电阻rs1上产生不需要的电压信号，这个电压信号可能引起误触发动作。图3b为开关管q2关断、开关管q1导通时的情况，开关管q1作为续流管续流，互感器ct2中励磁电流通过电阻rc2去磁，去磁电阻通常为kω级、取值通常为采样电阻的几十倍，互感器ct1中通过负向电流，由于二极管d1反向截止，这个负向电流在电阻rc1上产生很大的负向电压(通常能达几百v)，如果这个电压没有使二极管d1反向击穿损坏，就会在互感器ct1的励磁电感上形成较大的励磁电流，这个励磁电流将会通过二极管d1与电阻rs1去磁，存在去磁问题，互感器ct1不是一个周期内饱和就是几个周期内饱和，采样损耗也会增加，同时也会产生误触发信号。ac输入负半周期的工作过程描述与正半周期类似。总的来说图1所示的图腾柱无桥pfc的现有互感器电流采样方案存在互感器副边整流管应力过大、互感器饱和以及电流采样电阻上产生误触发电压信号的问题，因而从电流采样控制上来说需要能够避免上述问题的可替代方案。

技术实现要素：

有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供一种电流采样电路，应用于图腾柱无桥pfc电路，能够解决电流互感器副边电压应力大的问题，进一步地，还能解决互感器饱和以及产生误触发的电压信号电流采样电阻上产生误触发电压信号的问题；同时，本发明还提供应用该采样电路的电流过零检测电路、图腾柱无桥pfc电路及其控制方法。

为解决上述技术问题，本申请的发明构思为：在现有的应用于图腾柱无桥pfc电路的电流采样电路的电流互感器副边串入开关控制环节，当流过正向电流时进行正常采样，而当流过负向电流时提供一个低阻或低压路径，从而解决电流互感器副边电压应力大的问题；同时，低阻路径或低压路径的存在使互感器反向励磁小，反向励磁电流还具有一个去磁路径，使反向励磁电流积累少，从而不会使互感器饱和，也不会产生误触发的电压信号。

本发明提供的电流采样电路技术方案如下：

一种电流采样电路，包括：电流互感器、去磁电路、采样电阻、第一采样输入端、第二采样输入端以及采样输出端，电流互感器包括原边绕组与副边绕组，原边绕组的一端为第一采样输入端、另一端为第二采样输入端，副边绕组与去磁电路并联，并联后的一端同时与采样输出端和采样电阻的一端电连接、并联后的另一端同时与采样电阻的另一端和地电联接；

其特征在于：还包括采样开关，采样开关导通时具有双向导电性，关断时具有从阳极端子到阴极端子的单向导电性；采样开关的阳极端子与地相连、阴极端子与副边绕组与去磁电路并联后的另一端相连；采样开关受控于其控制端子输入的选通信号，在原边绕组流过正向电流时控制采样开关关断、在原边绕组流过负向电流时控制采样开关导通，为该负向电流提供一个流动路径。

作为采样开关的一种具体的实施方式，其特征在于：采样开关为n-mos管，n-mos管的源极为采样开关的的阳极端子、漏极为采样开关的阴极端子、栅极为采样开关的控制端子。

作为上述技术方案的改进，其特征在于：还包括钳位电路，钳位电路与采样电阻并联，用来钳位采样电阻上的负向电压。

作为钳位电路的具体的实施方式，其特征在于：

钳位电路包括一只二极管，二极管的阳极连接采样电阻的另一端、阴极连接采样电阻的一端；

或者钳位电路包括一只mos管，mos管的源极连接采样电阻的另一端、漏极连接采样电阻的一端。

为了实现两路电流采样电路的采样电阻可以合并，其特征在于：还包括一只二极管，二极管的阳极连接副边绕组与去磁电路并联后的一端，二极管的阴极连接采样输出端。

本发明提供的电流过零检测电路，其特征在于：包括两路上述任意一种电流检测电路，以及电压比较器，电压比较器的正向输入端连接电流检测电路的输出端、负向输入端用于输入参考电平、输出端用于输出电流过零检测信号；

各路电流检测电路中的电流互感器同名端、采样开关控制端子输入的选通信号配置如下：

电流互感器原边绕组正向电流流入的一端与电流互感器副边绕组与采样开关阴极端子相连的一端互为同名端；

当电流互感器原边通过正向电流时，选通信号为高，驱动采样开关导通；

当电流互感器原边通过负向电流时，选通信号为低，驱动采样开关关断。

优选地，参考电平为零电平或稍大于零电平的电平。

本发明提供的图腾柱无桥pfc电路，其特征在于：包括两路上述任意一种电流检测电路；第一路电流采样电路的两个采样输入端串入开关桥臂的上桥臂，检测ac输入负半周期输入时的开关电流；第二路电流采样电路的两个采样输入端串入开关桥臂的下桥臂，检测ac正半周期输入时的开关电流。

本发明还提供上述图腾柱无桥pfc电路的控制方法，其特征在于：

ac输入正半周期，开关桥臂的下桥臂开关管为主开关管、上桥臂开关管为续流开关管，第一路电流采样电路的采样开关的选通控制信号为高，驱动第一路电流采样电路的采样开关导通，给第一路电流采样电路的电流互感器提供一个并联的流动路径；第二路电流采样电路的采样开关的选通控制信号为低，控制第二路电流采样电路的采样开关关断，采样主开关管正向峰值电流；

ac输入负半周期，开关桥臂的上桥臂开关管为主开关管、下桥臂开关管为续流开关管，第二路电流采样电路的采样开关的选通控制信号为高，驱动第二路电流采样电路的采样开关导通，给第二路电流采样电路的电流互感器提供一个并联的流动路径；第一路电流采样电路的采样开关的选通控制信号为低，控制第一路电流采样电路的采样开关关断，采样主开关管正向峰值电流。

术语解释：

采样开关的阳极端子：直流电流从采样开关向内流入的端口；

采样开关的阴极端子：直流电流从采样开关向外流出的端口；

采样开关的控制端子：输入控制信号，控制采样开关导通与关断的端口；

第一路电流采样电路的两个采样输入端串入开关桥臂的上桥臂：指的是断开图1中开关管q1的漏极节点，两端分别连接第一路电流采样电路的两个采样输入端；

第二路电流采样电路的两个采样输入端串入开关桥臂的下桥臂：指的是断开图1中开关管q2的漏极节点，两端分别连接第二路电流采样电路的两个采样输入端；

电联接：代表的含义除了直接连接，还包括间接连接(即两个电联接对象之间还可以连接其它的元器件)，并且包括通过感应耦合等方式。

与现有技术相比，本发明提供的电流采样电路解决了图腾柱无桥pfc电路的现有互感器电流采样方案存在互感器副边整流管应力过大、互感器饱和以及电流采样电阻上产生误触发电压信号的问题，并且电路实现和控制方案都非常简单。

附图说明

图1为一种现有的采用电流互感器采样的图腾柱无桥pfc电路；

图2图1所示图腾柱无桥pfc电路的驱动时序；

图3-a为图1所示图腾柱无桥pfc电路在ac输入正半周期q1关闭、q2开通时的电流路径；

图3-b为图1所示图腾柱无桥pfc电路在ac输入正半周期q2关闭、q1开通时的电流路径；

图4-a为本发明的电流采样电路结构示意图；

图4-b采样开关的结构示意图；

图5-a为q1导通时图4所示电流采样电路检测正向电流时的工作过程；

图5-b为q1从导通切换到截至后图5-a所示电流采样电路互感器去磁路径示意图；

图5-c为q1导通时图4所示电流采样电路原边绕组通过负向电流时的工作过程示意图；

图5-d为q1关断时图4所示电流采样电路原边绕组通过负向电流减小到零后的去磁路径示意图；

图6为本发明第一实施例电流采样电路的原理图；

图7-a为q1导通时图6所示电流采样电路检测正向电流时的工作过程；

图7-b为q1从导通切换到截至后图7-a所示电流采样电路互感器去磁路径示意图；

图7-c为q1导通时图6所示电流采样电路原边绕组通过负向电流时的工作过程示意图；

图7-d为q1关断时图6所示电流采样电路原边绕组通过负向电流减小到零后的去磁路径示意图；

图8为采用6所示电流采样电路的图腾柱无桥pfc电路的原理图；

图9为根据图8所示图腾柱无桥pfc电路的采样控制时序；

图10为本发明第二实施例电流采样电路的原理图；

图11-a为q1导通时图10所示电流采样电路检测正向电流时的工作过程；

图11-b为q1从导通切换到截至后图10所示电流采样电路互感器去磁路径示意；

图11-c为q1导通时图10所示电流采样电路原边绕组通过负向电流时的工作过程示意；

图11-d为q1关断时图10所示电流采样电路原边绕组通过负向电流减小到零后的去磁路径示意图；

图12为采用图10电流采样电路的图腾柱无桥pfc电路的原理图；

图13为本发明第三实施例的电流采样电路应用于图腾柱无桥pfc电路时的原理图；

图14-a为q1导通时第三实施例电流采样电路检测正向电流时的工作过程；

图14-b为q1从导通切换到截至后图14-a所示电流采样电路互感器去磁路径示意；

图14-c为q1导通时第三实施例电流采样电路原边绕组通过负向电流时的工作过程示意；

图14-d为q1关断时第三实施例电流采样电路原边绕组通过负向电流减小到零后的去磁路径示意图；

图15为本发明第三实施例的电流采样电路应用于同步整流型的图腾柱无桥pfc电路时的原理图；

图16为图15所示图腾柱无桥pfc电路的采样控制时序；

图17为本发明电流采样电路用作过零检测时的互感器同名端配置方式；

图18为应用本发明电流过零检测电路的图腾柱无桥pfc电路；

图19为图18的图腾柱无桥pfc电路采样控制时序；

图20包含本发明电流采样电路以及电流过零检测电路的一种图腾柱无桥pfc电路框图。

具体实施方式

基于本申请的发明构思，本发明的电流采样电路结构示意图如图4-a所示，与图1中的电流采样电路11a/11b的不同点在于还包括采样开关s1，采样开关的结构如图4-b所示，具有阳极端子、阴极端子与控制端子，其中所述采样开关s1的阳极端子与地相连、阴极端子与副边绕组与去磁电路并联后的另一端相连、控制端子用于输入选通控制信号。

参照图5-a～图5-d对第一实施例的工作过程描述如下：

当第一电流互感器ct1原边流过正向电流时，第一采样电阻rs1上产生正的电压信号，当第一电流互感器ct1原边通过的正向电流减小到零时，第一采样开关s1截至，励磁电流通过第一去磁电路去磁；

当第一电流互感器ct1原边流过负向电流时，第一采样开关s1导通，第一采样电阻rs1通过第一采样开关s1与第一电流互感器ct1副边并联，第一采样电阻rs1上产生较小的反向电压，较小的反向电压加在第一电流互感器ct1副边绕组上，从而产生较小的反向励磁电流，当第一电流互感器ct1原边流过的负向电流减小到0时，励磁电流通过第一采样电阻rs1与第一采样开关s1去磁，第一采样电阻rs1上产生较小的正电压信号，不会引起误触发动作。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将结合附图对本发明实施例中的技术进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

第一实施例

本发明第一实施例中第一采样开关s1为n-mos管，参照图6，n-mos管s1的漏极连接副边绕组与去磁电路并联后的另一端，n-mos管s1的源极接地。

图7-a～图7-d为图6的工作过程时序图，本实施例n-mos管s1导通时具有双向导电性，关断时由于其体二极管的存在因此具有单向导电性，具体工作过程与图4相同，在此不赘述。

参照图8，为采用6所示电流采样电路的图腾柱无桥pfc电路的原理图，与图1不同之处在于将电流采样电路11a/11b替换为了图6所示的电路结构。

图9为根据图8所示图腾柱无桥pfc电路的采样控制时序：

ac输入正半周期，开关桥臂的下桥臂开关管q2为主开关管、上桥臂开关管q1为续流开关管，第一路电流采样电路11a的采样开关s1的选通控制信号cs1_select为高，驱动第一路电流采样电路11a的采样开关导通，给第一路电流采样电路11a的电流互感器提供一个并联的低阻或低压路径，从而避免第一路电流采样电路11a电流互感器副边绕组上的电压尖峰和互感器饱和；第二路电流采样电路11b的采样开关s2的选通控制信号cs2_select为低，控制第二路电流采样电路11b的采样开关s2关断，采样主开关管q2正向峰值电流，并能够使第二路电流采样电路11b的电流互感器在主开关管q2关断后通过去磁电路快速去磁；

ac输入负半周期，开关桥臂的上桥臂开关管q1为主开关管、下桥臂开关管q2为续流开关管，第二路电流采样电路11b的采样开关s2的选通控制信号cs2_select为高，驱动第二路电流采样电路11b的采样开关导通，给第二路电流采样电路11b的电流互感器提供一个并联的低阻或低压路径，从而避免第二路电流采样电路11b电流互感器副边绕组上的电压尖峰和互感器饱和；第一路电流采样电路11a的采样开关s1的选通控制信号cs1_select为低，控制第一路电流采样电路11a的采样开关s1关断，采样主开关管q1正向峰值电流，并能够使第一路电流采样电路11a的互感器在主开关管q1关断后通过去磁电路快速去磁。

第二实施例

本实施例在第一实施例的基础上，我们给第一采样电阻rs1并联第一钳位电路来钳位第一采样电阻rs1上的负向电压。

第二实施例中的第一钳位电路优选低导通压降的二极管或n-mos管。参照图10，当第一钳位电路优选为低导通压降的第一二极管时d1时，第一二极管d1的阳极接地，并且低导通压降二极管优选肖特基二极管。

参照图11-a～图11-d对图10的工作过程，与图4不同之处在于：

当第一互感器原边流过负向电流时，第一采样开关s1导通，第一互感器副边电流流过第一采样开关s1后再经第一钳位电路(此处为钳位二极管d1)回到第一互感器副边绕组的另一端；采样电阻rs上产生的负电压不大于第一钳位电路的导通压降，另外第一互感器副边绕组上的负电压为第一采样开关与钳位二极管d1的导通电压之和，产生较小的反向励磁电流。

当第一钳位电路优选n-mos管时，所述n-mos管为第一钳位开关s3，s3的源极接地，s3的漏极接采样输出，s3的门极与s1的门极相连，s3与s1同驱动时序。

参照图12，为采用图10电流采样电路的图腾柱无桥pfc电路的原理图，与图1不同之处在于将电流采样电路11a/11b替换为了图10所示的电路结构。

图12所示图腾柱无桥pfc电路的采样控制时序与图9相同，上面已详细说明，在此不赘述。需要说明的是，如果钳位电路为n-mos管，其控制信号与对应的采样开关同步。

第三实施例

第三实施例的电流采样电路原理图较第二实施例不同之处在于还有一只二极管d3，二极管的阳极连接副边绕组与去磁电路并联后的一端，二极管的阴极连接采样输出端。图13，本发明第三实施例的电流采样电路应用于图腾柱无桥pfc电路时的原理图，与图1不同之处在于将电流采样电路11a/11b替换为了本实施例所示的电路结构，第三实施例的电流采样电路较第一、第二实施例增加一只二极管的原因在于，由于第三二极管d3与第四二极管d4的反向截止作用，其中第一采样电阻rs1与第二采样电阻rs2可合并为采样电阻rs，采样信号cs1与cs2合并成采样信号cs。

参照图14-a～图14-d对本发明第三实施例的工作过，与第二实施例相同，在此不赘述。图13所示图腾柱无桥pfc电路的采样控制时序与图9相同，上面已详细说明，在此不赘述。

需要说明的是，上述三个实施例的电流采样电路同样适用于同步整流型的图腾柱无桥pfc电路，即将整流桥臂中的二极管da与二极管db替换为mos管即可。参考图15，为本发明第三实施例的电流采样电路在同步整流型的图腾柱无桥pfc电路中的应用。

具体实现中，参照图16，为图15所示图腾柱无桥pfc电路的采样控制时序，ac输入正半周期，选通信号cs1_select为高驱动第一采样开关s1导通，给第一互感器ct1提供一个并联的低阻路径；选通信号cs2_select为低，第二采样开关s2关断，采样q2正向峰值电流；负半周期，选通信号cs2_select为高驱动第二采样开关s2导通，给第二互感器ct2提供一个并联的低阻路径，选通信号cs1_select为低，第一采样开关s1关断，采样q1正向峰值电流。

对于本发明提供的电流采样电路，可以用于实现电流过零检测。实现该功能的电流过零检测电路包括两路电流采样电路和一个电压比较器，电压比较器的正向输入端连接电流检测电路的输出端、负向输入端用于输入参考电平、输出端用于输出电流过零检测信号；并且需要将互感器的同名端以及选通信号进行重新配置后。配置方式如下：

电流互感器原边绕组正向电流流入的的一端与电流互感器副边绕组与采样开关阴极端子相连的一端互为同名端；

当电流互感器原边通过正向电流时，选通信号为高，驱动采样开关导通，给电流互感器提供一个并联的低阻或低压流动路径，从而避免第一路电流采样电路电流互感器副边绕组上的电压尖峰和互感器饱和；

当电流互感器原边通过负向电流时，选通信号为低，驱动采样开关关断，续流电流在采样电阻上形成电压降，并能够使电流互感器在副边电流减小到零后通过去磁电路快速去磁。

图17为本发明电流采样电路用作过零检测时的互感器同名端配置方式；图18为应用本发明电流过零检测电路的图腾柱无桥pfc电路；图19为图18的图腾柱无桥pfc电路采样控制时序。

具体实现中，参照图19，ac输入正半周期，选通信号cs4_select为高驱动第四采样开关s4导通，给第四互感器ct4提供一个并联的低阻路径；选通信号cs3_select为低，第三采样开关s3关断，采样续流电流；负半周期，选通信号cs3_select为高驱动第三采样开关s3导通，给第三互感器ct3提供一个并联的低阻路径，选通信号cs4_select为低，第四采样开关s4关断，采样续流电流。采样到的续流电流在零电压采样电阻上形成电压降并与参考电平比较从而输出电流过零检测信号，当零电压电阻上的电压信号小于某个参考值时zcd信号为高。

本发明的电流检测电路和电流过零检测电路还可以同时应用于图腾柱无桥pfc电路，参考图20的电路框图，其中的电流采样电路可以选择任意一种电流检测电路，零电流检测电路也可以选择任意一种电流检测电路，采取峰值电流与过零检测信号来进行控制。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。另外，专利中涉及到的所有“电联接”、“接”和“连接”关系，均并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构，本发明中明确用“电联接”的地方只是为了强调此含义，但并不排除用“接”和“连接”的地方也具备这样的含义。