基于氮化镓基器件的无桥双级PFC电路及浪涌抑制电路的制作方法

本发明涉及一种基于氮化镓基器件的无桥双级pfc电路及浪涌抑制电路。

背景技术：

1、随着科技的高速发展和技术的更新换代，电网的谐波问题必须要控制好。在电源产品中，由于需要高容值、高压储能电容以维持保持20ms左右的时间，导致交流输入侧的电流因整流桥导通角变小而呈现尖脉冲形态，在相同功率的情况下，脉冲电流的峰值增大数倍，高的di/dt产生丰富的谐波干扰，进而影响电网的质量。为了提高电网质量，主动式功率因素矫正电路(pfc)被广泛用来矫正交流输入电流的波形，使之与交流输入电压一样成为较为完美的正弦波。常见的输入侧解决方案如图1所示，其中pfc解决方案如图2所示的单级升压结构。然而，这种升压结构的pfc电路首先需要采用桥堆进行整流，整流桥产生很高的损耗，严重影响pfc的工作效率。因此，无桥pfc方案被推出，其中图腾柱式无桥pfc电路是典型的代表，如图3所示，其中q1、q2工作频率为工频，俗称“慢管”，而q3、q4工作频率为高频，常见50khz-200khz，俗称“快管”。该拓扑电路尤其适合新一代高频特性好且没有反向恢复问题的氮化镓基(gan)半导体器件。

2、采用一级升压拓扑电路，输出滤波电容尺寸大，输出电压约380v。一般情况下，该级电路输出电压越低，其工作效率越高。但后级电路正好相反，越高的pfc输出电压其工作效率越高。采用单级升压式pfc解决方案难以在pfc电路和pfc后一级电路之间做到最优化的设计，只能取一个折中的pfc输出电压值。因此，包含主pfc电路和子pfc电路的两级升压电路构成的pfc解决方案被提出，如图4所示，其实现电路原理图如图5所示，前一级为主pfc，后一级为子pfc，主pfc电路的输出滤波电容容值小，子pfc电路的输出滤波电容容值大。起初，两级结构的设想仅仅是为了减小储能电容的尺寸，因为前一级能够扩展后一级电路的输入电压范围。然而，两级升压电路需要两个独立的控制芯片控制，这大大增加了电路的复杂性与成本。而且目前这种两级pfc结构电路只有采用两级升压电路，其工作效率较低，还没有采用双级无桥pfc的电路。

3、另一方面，传统的浪涌抑制电路串联在桥式整流与储能电容之间，采用一个浪涌抑制限制电阻rt并联一个继电器，电路放置于位置a、b或者c处，该电路简单、驱动容易、成本低，控制亦不复杂，但继电器尺寸大，导通后的电阻也在50mω以上，工作损耗仍然偏大，不利于大功率高密度高效率电源的设计。rt常用热敏电阻抑制电源开机瞬间产生的浪涌电流，在电源正常工作后，由继电器将限流电流延时短路，以降低功耗，如图5所示。但是，由于继电器100毫欧左右的导通电阻仍然很大，而该浪涌抑制电路串联在主功率回路中，其导通电流很大，继电器产生的损耗仍然不容忽视，而且，继电器的尺寸还很大，不利于高功率密度电源的设计需要，继电器也需要额外的驱动和第三方供电，电路复杂、成本高。因此，设计一款不带继电器的pfc电路及浪涌抑制电路意义重大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于氮化镓基器件的无桥双级pfc电路。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种基于氮化镓基器件的无桥双级pfc电路，其特征在于包括：子pfc电路和主pfc电路；

4、所述子pfc电路包括图腾柱无桥pfc功率电路及cz电容网络，2-8个电容串联并接地，然后与c4并联，共同构成cz电容网络，图腾柱无桥pfc功率电路与cz电容网络并联；

5、所述主pfc电路包括一对耦合的电感器lpfc：a和lpfc：b、两个二极管dpfc2和dpfc3，以及电容器c5，交流输入信号一端输入主pfc电路的lpfc：a的第一端，另一端输入子pfc电路的图腾柱无桥pfc功率电路，lpfc：a的第二端连接到图腾柱无桥pfc功率电路，所述电感lpfc：b第一端连接dpfc2的阳极，第二端连接到cz电容网络的任一串联电容，dpfc2的阴极连接到电容c5的上端，dpfc3的阳极连接到图腾柱无桥pfc功率电路，阴极同样连接到电容c5的上端，c4上端连接在图腾柱无桥pfc功率电路与dpfc3的阳极之间，下端连接c5的下端且接地；

6、还包括控制芯片、输出电压监控模块和输出功率监控模块，输出电压监控模块和输出功率监控模块对dpfc2和dpfc3的阴极输出的信号进行监测，监测信号输入控制芯片，控制芯片控制并驱动图腾柱无桥pfc功率电路；

7、还包括输入功率监控模块，对交流输入信号进行监测，监测信号输入控制芯片。

8、优选的，所述图腾柱无桥pfc功率电路包括四个开关管q1、q2、q3和q4，开关管q1、q3的负向端连接于cz电容网络的上端，开关管q2、q4的正向端连接于cz电容网络的下端且接地，q1、q2工作频率为工频，q3、q4工作频率为高频，电感lpfc：a第二端与q3的正向端、q4的负向端连接；

9、正半周时，q2在工频周期内导通，当q4导通，lpfc:a通过q4、q2储能；q4关断后，q3导通，lpfc:a通过q3、cz电容网络、q2释放能量；

10、负半周时，q1在工频周期内导通，当q3导通，lpfc:a通过q3、q1储能；q3关断后，q4导通，lpfc:a通过q4、cz电容网络、q1释放能量。

11、优选的，还包括第二输出功率监控模块，对后一级电路的输出功率进行监测，并将监测信号输入控制芯片。

12、优选的，所述cz电容网络中的串联电容为高压瓷片电容，c4为高压电解电容。

13、优选的，所述cz电容网络中的串联电容为三个电容串联。

14、优选的，所述开关管为氮化镓基mosfet或hemt。

15、本发明还公开了一种浪涌抑制电路，与上述的无桥双级pfc电路配合使用，其特征在于包括整流电路、开关管qr、开关管qr的控制与驱动电路、二极管din和浪涌抑制电阻rt，所述qr的负向端与c5的下端连接，qr的正向端连接到上述的无桥双级pfc电路且接地，所述rt与qr并联，交流输入信号的输入端与整流电路连接，整流电路的一个输出端与二极管din的阳极和无桥双级pfc电路连接，另一个输出端与无桥双级pfc电路连接，二极管din的阴极与c5的上端连接。

16、本发明涉及一种新型宽禁带半导体器件的电路应用，包含无桥双级升压式功率因素矫正(pfc)电路和浪涌抑制电路。该无桥pfc电路采用一个控制芯片控制两级pfc电路，且只需要一个功率电感。其前一级为子pfc，后一级为主pfc，后一级电路的功率输入来源于前一级升压电感的耦合电感。子pfc采用cz电容网络替代传统的单电容滤波，为后一级提供更为灵活的输出电压。控制部分还通过调整功率电路的工作频率和工作占空比，实现pfc电路工作效率最优化，同时实现pfc电路和pfc后一级电路的整体效率达到一个动态最优化。另外，浪涌抑制电阻由传统串在主功率回路移至储能电容下端，与储能电容串联，同时采用晶体管延时短路，使其功耗大大降低，且不再需要继电器。该解决方案电路简单、控制容易、成本低。

17、本发明的有益效果如下：

18、1、主+子无桥双级拓扑电路结构，且后一级为主控pfc(传统方案前一级为主控pfc)；

19、2、子pfc采用cz电容网络替代传统的单电容滤波，为后一级提供更为灵活的输出电压；

20、3、该电路只需一个耦合电感和一个控制芯片，控制简单；

21、4、加入效率优化智能控制，通过调整功率电路的工作频率和工作占空比，实现pfc电路工作效率最优化，同时实现pfc电路和pfc后一级电路的整体效率达到一个动态最优化；

22、5、浪涌抑制电阻由传统串在主功率回路移至储能电容下端，与储能电容串联，同时采用晶体管延时短路，使其功耗大大降低，且不再需要继电器。