一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路和方法与流程

1.本发明属于保护电路领域，尤其涉及一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路和方法。


背景技术：

2.电子电路端口通常连接有大容量储能电容，特别是在功率因数校正场合，上电时储能电容初始电压为零，当发生浪涌时，储能电容直接承受高压，从而产生较大的冲击电流，容易造成器件的失效。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路和方法，以解决现有技术中的储能电容受到浪涌容易失效的技术问题。
4.一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路和方法，用于对功率校正电路进行防浪涌保护，所述功率校正电路的输出端设有储能电容，包括：
5.恒流充电模块，所述恒流充电模块的输入端与外部交流电源连接，所述恒流充电模块的输出端和采集端与所述储能电容连接；所述恒流充电模块用于根据交流电源信号对所述储能电容进行恒流充电，并用于采集所述储能电容的电压值，并用于将所述储能电容的电压值与预设的第一阈值进行比较，在所述储能电容的电压值上升至第一阈值时，停止对所述储能电容进行充电；
6.控制和比较模块，所述控制和比较模块的第一采集端与外部交流电源连接，所述控制和比较模块的第二采集端与所述储能电容连接；所述控制和比较模块用于在所述储能电容的电压值上升至第一阈值，且交流电源信号处于任意一个周期的下降区间时，对交流电源信号的值与所述储能电容的电压值进行求差运算，并在交流电源信号的值与所述储能电容的电压值的差值小于或者等于第二阈值时，生成第一控制信号；所述控制和比较模块还用于在所述储能电容上升至交流电源信号的峰值时，生成第二控制信号；
7.整流模块，所述整流模块的输入端与外部交流电源连接，所述整流模块的输出端与功率因素校正电路的输入端、所述储能电容连接，所述整流模块的控制端与控制和比较模块连接；所述整流模块用于根据所述第一控制信号对交流电源信号进行整流，获得第一直流信号，并根据所述第一直流信号对所述储能电容进行充电；所述整流模块还用于根据所述第二控制信号对交流电源信号进行整流，获得第二直流信号，并根据所述第二直流信号驱动所述功率因素校正电路。
8.在本发明一实施例中，所述功率因素校正电路具有第一输入端和第二输入端，所述整流模块包括第一二极管、第二二极管、第一晶闸管和第二晶闸管；
9.所述第一二极管的阳极与所述功率因素校正电路的第一输入端连接，所述第一二极管的阴极与所述第一晶闸管的阳极连接，所述第一晶闸管的阴极与所述功率因素校正电路的第二输入端连接；
10.所述第二二极管的阳极与所述功率因素校正电路的第一输入端连接，所述第二二极管的阴极与所述第二晶闸管的阳极连接，所述第二晶闸管的阴极与所述功率因素校正电路的第二输入端连接；
11.所述第一晶闸管的门极、所述第二晶闸管的门极与所述控制和比较模块连接，所述外部交流电源的一端连接至所述第一二极管的阴极、所述第一晶闸管的阳极之间，所述外部交流电源的另一端连接至所述第二二极管的阴极、所述第二晶闸管的阳极之间。
12.在本发明一实施例中，所述整流模块通过第三二极管与所述储能电容连接；所述第三二极管的阳极与所述第一晶闸管的阴极、所述第二晶闸管的阴极连接，所述第三二极管的阴极与所述储能电容的一端连接。
13.在本发明一实施例中，所述恒流充电模块包括：
14.第一比较单元，所述第一比较单元的采集端与所述储能电容连接，所述第一比较单元用于采集所述储能电容的电压值，并用于将所述储能电容的电压值与预设的第一阈值进行比较，在所述储能电容的电压值上升至第一阈值时，生成停止充电信号；
15.恒流充电单元，所述恒流充电单元的输入端与外部电源连接，所述恒流充电单元的输出端与所述储能电容连接，所述恒流充电单元的控制端与所述比较单元的输出端连接；所述恒流充电单元用于根据交流电源信号对所述储能电容进行恒流充电；所述恒流充电单元还用于根据所述停止充电信号停止对所述储能电容进行充电。
16.在本发明一实施例中，控制和比较模块包括：
17.第二比较单元，所述第二比较单元的第一采集端与外部交流电源连接，所述第二比较单元的第二采集端与所述储能电容连接，所述第二比较单元用于在所述储能电容的电压值上升至第一阈值，且交流电源信号处于任意一个周期的下降区间时，对交流电源信号的值与所述储能电容的电压值进行求差运算；
18.控制单元，所述控制单元与所述第二比较单元的输出端连接，所述控制单元用于在交流电源信号的当前周期的峰值与所述储能电容的电压值的差值小于或者等于第二阈值时，生成第一控制信号；所述控制单元还用于在所述储能电容上升至交流电源信号的峰值时，生成第二控制信号。
19.在本发明一实施例中，所述功率因素校正电路具有第一输出端和第二输出端，所述储能电容的一端与所述功率因素校正电路的第一输出端连接，所述储能电容的另一端与所述功率因素校正电路的第二输出端连接。
20.在本发明一实施例中，所述第一控制信号的持续时间小于所述交流电源信号的周期。
21.本发明还提供一种功率因素校正电路的防浪涌保护方法，包括：
22.根据交流电源信号对所述功率因素校正电路中预设的储能电容进行恒流充电，并采集所述储能电容的电压值，将所述储能电容的电压值与预设的第一阈值进行比较，在所述储能电容的电压值上升至第一阈值时，停止对所述储能电容进行充电；
23.在所述储能电容的电压值上升至第一阈值，且交流电源信号处于任意一个周期的下降区间时，对交流电源信号的值与所述储能电容的电压值进行求差运算，并在交流电源信号的值与所述储能电容的电压值的差值小于或者等于第二阈值时，生成第一控制信号；根据所述第一控制信号对交流电源信号进行整流，获得第一直流信号，并根据所述第一直
流信号对所述储能电容进行充电；
24.在所述储能电容上升至交流电源信号的峰值时，生成第二控制信号；根据所述第二控制信号对交流电源信号进行整流，获得第二直流信号，并根据所述第二直流信号驱动所述功率因素校正电路。
25.本发明提供一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路和方法，具有以下有益效果：通过设置恒流充电模块对储能电容进行充电，使得储能电容的电压到达第一阈值；在储能电容的电压到达第一阈值后，通过控制和比较模块在每个交流周期的下降区间比较电容电压值和交流电源信号的值，并在电容电压值与交流电源信号的值的差值小于或者等于第二阈值时生产脉冲形式的第一控制信号，每个周期都产生第一控制信号，因此整流模块根据第一控制信号对储能电容进行周期性、阶梯式充能，直至储能电容的电压上升至交流电源信号的峰值，通过控制和比较模块产生第二控制信号，整流模块根据第二控制信号对功率因素校正电路进行驱动；本发明通过多个阶段对储能电容进行阶梯式充能，避免储能电容直接承受高压，从而保护储能电容。
附图说明
26.图1是本发明的实施例中一示例性的传统串电阻法结构图；
27.图2是本发明的实施例中一示例性的功率因素校正电路的防浪涌保护电路的结构图；
28.图3是本发明的实施例中一示例性的恒流充电模块的结构示意图；
29.图4是本发明的实施例中一示例性的控制和比较模块的结构示意图；
30.图5是本发明的实施例中一示例性的功率因素校正电路的防浪涌保护电路的实施流程图；
31.图6是本发明的实施例中一示例性的功率因素校正电路的防浪涌保护电路的实施波形图。
具体实施方式
32.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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.需要说明的是，以下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。
34.在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的。
35.首先需要说明的是，功率因素校正电路又称fpc(powerfactorcorrection)电路，
功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。
36.如图1所示，一般的功率因素校正电路采用串电阻法，传统的串电阻法结构在启动阶段，储能电容直接承受高压，从而产生较大的冲击电流，容易造成电容器件的失效。
37.针对上述技术问题，本技术的目的是为了解决图1中所示的传统串电阻法等已有技术的不足，降低浪涌抑制电路的损耗，降低电路体积和重量，提高系统集成度；通过合理的控制逻辑，使得在上电时先通过恒流模块给储能电容充电，将储能电容的电压被充电到一定程度后可控整流模块脉冲式工作，待储能电容被充电到接近输入交流电压峰值时主电路才开始工作，从而降低启动时浪涌电流，提高电路效率和可靠性。
38.如图2所示，本发明中的提供的一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路，用于对功率校正电路进行防浪涌保护，所述功率校正电路的输出端设有储能电容co，包括：
39.恒流充电模块，所述恒流充电模块的输入端与外部交流电源连接，所述恒流充电模块的输出端和采集端与所述储能电容co连接；所述恒流充电模块用于根据交流电源信号vac对所述储能电容co进行恒流充电，并用于采集所述储能电容co的电压值，并用于将所述储能电容co的电压值与预设的第一阈值进行比较，在所述储能电容co的电压值上升至第一阈值时，停止对所述储能电容co进行充电；
40.控制和比较模块，所述控制和比较模块的第一采集端与外部交流电源连接，所述控制和比较模块的第二采集端与所述储能电容co连接；所述控制和比较模块用于在所述储能电容co的电压值上升至第一阈值，且交流电源信号vac处于任意一个周期的下降区间时，将交流电源信号vac的当前周期的峰值与所述储能电容co的电压值进行比较，并在交流电源信号vac的值与所述储能电容co的电压值的差值小于或者等于第二阈值时，生成第一控制信号；所述控制和比较模块还用于在所述储能电容co上升至交流电源信号vac的峰值时，生成第二控制信号；
41.具体地，控制和比较模块可采用通用型数字控制器，内部集成a/d转换、通用io控制等功能模块，可以实现状态监测，可集成灵活的控制算法，降低控制电路设计的复杂性。
42.整流模块采用晶闸管与二极管组成，可达到控制交流电压充电时刻的功能；
43.恒流充电模块为储能电容提供恒流充电，降低整流模块开始工作时储能电容与输入电压的压差；
44.整流模块，所述整流模块的输入端与外部交流电源连接，所述整流模块的输出端与功率因素校正电路的输入端、所述储能电容co连接，所述整流模块的控制端与控制和比较模块连接；所述整流模块用于根据所述第一控制信号对交流电源信号vac进行整流，获得第一直流信号，并根据所述第一直流信号对所述储能电容co进行充电；所述整流模块还用于根据所述第二控制信号对交流电源信号vac进行整流，获得第二直流信号，并根据所述第二直流信号驱动所述功率因素校正电路。
45.具体地，功率因数校正电路可使用包括升压电路、降压电路、反激等多种拓扑结构，可根据使用情况进行灵活配置；
46.本技术的实施步骤如下：
47.步骤一：交流电压上电后，整流模块不工作，恒流充电模块为储能电容co进行充
电，同时控制和比较模块对输入交流电压、储能电容电压进行检测；
48.步骤二：当输入电压与输出电压满足控制和比较模块内部集成算法条件时，控制和比较模块控制整流模块进行脉冲式工作，控制和比较模块在输入交流电压值与储能电容co电压差值较小(小于或者等于第二阈值)时开启整流模块进行周期性整流，从而减小每个周期的电流幅值；
49.步骤三：当整流模块脉冲工作将储能电容电压升高到与交流电压峰值一致时，控制和比较模块根据预设逻辑将整流模块完全导通，并使能功率因数校正电路，电路进行主功率工作状态。
50.三个步骤对应本技术工作的三个阶段，通过阶段性地对储能电容co进行充电，防止浪涌电流损坏储能电容co。
51.在本发明一实施例中，所述功率因素校正电路具有第一输入端和第二输入端，所述整流模块包括第一二极管d2、第二二极管d3、第一晶闸管d4和第二晶闸管d5；
52.所述第一二极管d2的阳极与所述功率因素校正电路的第一输入端连接，所述第一二极管d2的阴极与所述第一晶闸管d4的阳极连接，所述第一晶闸管d4的阴极与所述功率因素校正电路的第二输入端连接；
53.所述第二二极管d3的阳极与所述功率因素校正电路的第一输入端连接，所述第二二极管d3的阴极与所述第二晶闸管d5的阳极连接，所述第二晶闸管d5的阴极与所述功率因素校正电路的第二输入端连接；
54.所述第一晶闸管d4的门极、所述第二晶闸管d5的门极与所述控制和比较模块连接，所述外部交流电源的一端连接至所述第一二极管d2的阴极、所述第一晶闸管d4的阳极之间，所述外部交流电源的另一端连接至所述第二二极管d3的阴极、所述第二晶闸管d5的阳极之间。
55.具体地，交流电源通过l1、l2分别连接到整流模块中两个桥臂中点a和b，二极管阴极与晶闸管阳极连接点；整流模块的晶闸管阴极互相连接后与功率因数校正电路输入正端进行连接，同时与二极管d1的阳极相连，整流模块二极管阳极互相连接后与功率因数校正电路输入负端进行连接，晶闸管的驱动由数字控制发起后由专用电路进行隔离传递得到，功率因数校正电路的输出正与储能电容co正端进行连接，功率因数校正电路的输出负与储能电容负端和二极管d1阴极连接，储能电容正负端分别与后级负载正负端连接；输入交流输入端l1、l2分别连接到恒流充电电路的输入连接，恒流充电电路的输出与储能电容co正端连接。
56.在本实施例中，通过晶闸管和二极管形成整流桥，晶闸管开通时刻为交流电压值处于下降区间时，利用晶闸管关断特性，这可以极大减小脉冲电流阈值。
57.在本发明一实施例中，所述整流模块通过第三二极管d1与所述储能电容co连接；所述第三二极管d1的阳极与所述第一晶闸管d4的阴极、所述第二晶闸管d5的阴极连接，所述第三二极管d1的阴极与所述储能电容co连接。在本实施例中，当储能电容co的电压vo上升至交流电源信号vac的峰值时，旁路(第三二极管d1所在的支路)两端电势相同，旁路的短路效果失效，此时控制和比较模块控制整流模块持续工作时，可以将整流获得的直流信号直接作用于功率因素校正电路。
58.如图3所示，在本发明一实施例中，所述恒流充电模块包括：
59.第一比较单元，所述第一比较单元的采集端与所述储能电容co连接，所述第一比较单元用于采集所述储能电容co的电压值，并用于将所述储能电容co的电压值与预设的第一阈值进行比较，在所述储能电容co的电压值上升至第一阈值时，生成停止充电信号；
60.恒流充电单元，所述恒流充电单元的输入端与外部电源连接，所述恒流充电单元的输出端与所述储能电容co连接，所述恒流充电单元的控制端与所述比较单元的输出端连接；所述恒流充电单元用于根据交流电源信号vac对所述储能电容co进行恒流充电；所述恒流充电单元还用于根据所述停止充电信号停止对所述储能电容co进行充电。
61.如图4所示，在本发明一实施例中，控制和比较模块包括：
62.第二比较单元，所述第二比较单元的第一采集端与外部交流电源连接，所述第二比较单元的第二采集端与所述储能电容co连接，所述第二比较单元用于在所述储能电容co的电压值上升至第一阈值，且交流电源信号vac处于任意一个周期的下降区间时，将交流电源信号vac的当前周期的峰值与所述储能电容co的电压值进行比较；
63.控制单元，所述控制单元与所述第二比较单元的输出端连接，所述控制单元用于在交流电源信号vac的当前周期的峰值与所述储能电容co的电压值的差值小于或者等于第二阈值时，生成第一控制信号；所述控制单元还用于在所述储能电容co上升至交流电源信号vac的峰值时，生成第二控制信号。
64.在本发明一实施例中，所述功率因素校正电路具有第一输出端和第二输出端，所述储能电容co的一端与所述功率因素校正电路的第一输出端连接，所述储能电容co的另一端与所述功率因素校正电路的第二输出端连接。
65.在本发明一实施例中，所述第一控制信号的持续时间小于所述交流电源信号vac的周期。
66.在一些实施例中，一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路的具体选型如下所示：
67.控制和比较模块：adp32f035qp64s，及数字控制器必需的外围电路；
68.晶闸管：bt151d-800r；
69.二极管：s10m；
70.电容co：1000μf(根据实际工况可变化)；
71.恒流模块的电流值根据储能电容值灵活配置，实现对充电时间的调节。
72.通过本发明提出的浪涌抑制电路及控制算法，可以很好地对功率因数校正器启动时序的控制，有效解决启动冲击电流的问题，提高主电路的可靠性；同时，该电路可以平滑实现恒流源电路和主电路的切换，具有良好的动态和稳态性能。
73.如图5-图6所示，本发明的一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路的具体实施过程包括：
74.vac为输入电压，d1浪涌电流旁路二极管，实现对功率因数校正电路主功率管的保护，co为输出储能电容，i1为恒流充电电路输出电流，i2是流过旁路二极管d1电流，vo为输出电容co两端电压。
75.当交流电压vac上电时，恒流充电电路首先工作，为储能电容co充电，并且恒流充电模块设置有第一比较单元，当储能电容电压vo达到第一阈值时恒流充电模块停止工作，从而防止输出电压过冲；
76.控制和比较模块通过检测vac与vo值，当vo达到第一阈值，且vac处于下降区域，储能电容电压vo与交流电压信号的峰值的差值小于等于第二阈值时，控制和比较模块控制整流模块脉冲工作，为了减小脉冲电流i2，晶闸管开通时刻为交流电压值处于下降区间时，利用晶闸管关断特性，这可以极大减小脉冲电流阈值；
77.经过整流模块一定时间脉冲充电，输出电压vo上升到接近交流电压峰值，此时控制和比较模块完全打开整流模块，整流模块将交流电压整形为双半波直流电压，为功率因数校正电路提供输出，此时数字控制器使能功率因数校正电路，主功率开始工作。
78.此外，第一阈值可以根据实际需求进行调节，从而增加或者减少功率因素校正电路的启动时间。
79.本技术的一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路，实现了对储能电容充电电流的控制，解决了电路启动过程中的冲击问题，提高了功率器件可靠性。通过采用数字控制方式，实现了对输入电流的快速检测，实现限流保护功能，控制方法电路及方法简单。整流模块采用晶闸管与二极管组合，由于晶闸管自身特性，主电路工作时对控制信号要求低，可靠性高；利用通用数字控制器实现，简化了电路结构，降低了设计复杂性，该发明具有较好的实用价值，电路集成度高，一致性好，便于大规模生产。
80.本发明通过设计可控的整流模块、恒流充电模块和控制和比较模块，利用数字控制器对输入输出状态进行监控，并通过内置的数字控制算法实现对整流桥工作逻辑进行控制，最终大幅减小浪涌电流，降低功率器件的电流应力，提高电路可靠性。恒流充电模块用于为储能电容进行充电，提高储能电容初始电压；可控整流桥是功率因数电路主功率结构之一，实现将交流电压变换为双半波直流电压，相比传统不可控整流桥可实现开关时刻的控制，实现脉冲式充电，减小浪涌电流；控制和比较模块是浪涌电流控制的核心，可以集成灵活的控制算法，对电路工作时序进行控制，并且可以方便的实现过压、过流等保护功能。
81.本发明提供一种功率因素校正电路的防浪涌保护电路，通过设置恒流充电模块对储能电容进行充电，使得储能电容的电压到达第一阈值；在储能电容的电压到达第一阈值后，通过控制和比较模块在每个交流周期的下降区间比较电容电压值和交流电源信号的值，并在电容电压值与交流电源信号的值的差值小于或者等于第二阈值时生产脉冲形式的第一控制信号，每个周期都产生第一控制信号，因此整流模块根据第一控制信号对储能电容进行周期性、阶梯式充能，直至储能电容的电压上升至交流电源信号的峰值，通过控制和比较模块产生第二控制信号，整流模块根据第二控制信号对功率因素校正电路进行驱动；本发明通过多个阶段对储能电容进行阶梯式充能，避免储能电容直接承受高压，从而保护储能电容。
82.本发明还提供一种功率因素校正电路的防浪涌保护方法，包括步骤：
83.s1、根据交流电源信号对所述功率因素校正电路中预设的储能电容进行恒流充电，并采集所述储能电容的电压值，将所述储能电容的电压值与预设的第一阈值进行比较，在所述储能电容的电压值上升至第一阈值时，停止对所述储能电容进行充电；
84.s2、在所述储能电容的电压值上升至第一阈值，且交流电源信号处于任意一个周期的下降区间时，对交流电源信号的值与所述储能电容的电压值进行求差运算，并在交流电源信号的值与所述储能电容的电压值的差值小于或者等于第二阈值时，生成第一控制信号；根据所述第一控制信号对交流电源信号进行整流，获得第一直流信号，并根据所述第一
直流信号对所述储能电容进行充电；
85.s3、在所述储能电容上升至交流电源信号的峰值时，生成第二控制信号；根据所述第二控制信号对交流电源信号进行整流，获得第二直流信号，并根据所述第二直流信号驱动所述功率因素校正电路。
86.本发明提供一种功率因素校正电路的防浪涌保护方法，通过设置恒流充电模块对储能电容进行充电，使得储能电容的电压到达第一阈值；在储能电容的电压到达第一阈值后，通过控制和比较模块在每个交流周期的下降区间比较电容电压值和交流电源信号的值，并在电容电压值与交流电源信号的值的差值小于或者等于第二阈值时生产脉冲形式的第一控制信号，每个周期都产生第一控制信号，因此整流模块根据第一控制信号对储能电容进行周期性、阶梯式充能，直至储能电容的电压上升至交流电源信号的峰值，通过控制和比较模块产生第二控制信号，整流模块根据第二控制信号对功率因素校正电路进行驱动；本发明通过多个阶段对储能电容进行阶梯式充能，避免储能电容直接承受高压，从而保护储能电容。
87.在上述实施例中，尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变形对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。
88.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。