一种图腾柱无桥PFC电路系统及电流采样电路的制作方法

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种图腾柱无桥pfc电路系统及电流采样电路。

背景技术：

随着半导体的技术快速发展，电力电子技术已经广泛用于供电系统、电力系统、邮电通讯和航空航天等领域。如今，笨重型、低效的电源装置已经被轻小、高效电源取代，而其中绝大多数直流电源都是通过对交流电整流而来，然而，整流变换器的性能将直接影响到公共电网的质量。目前，为了减少直流电源系统对电网的污染，大部分中大功率直流电源装置均有功率因数校正(pfc)电路，如双向电源转换电路、图腾柱无桥pfc电路等。对于这类电路，主要是通过控制桥臂上的两个主开关管的开通和关断，从而达到功率因数校正的目的。而需要有效的控制两个主开关管开通和关断，关键的地方在于对pfc电感的电流采样，然而，如何快速准确的采集到pfc电感的电流，却是这类电路的重点和难点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明意在解决上述的技术问题，提出一种图腾柱无桥pfc电路系统及电流采样电路。

本发明的实施例提出一种图腾柱无桥pfc电路系统，包括：并联连接于第一并联连接点和第二并联连接点的第一桥臂和第二桥臂，以及电流采样电路和控制电路，所述第一桥臂包括同相串联的两个二极管，所述第二桥臂包括同相串联的第一开关管和第二开关管，位于两个二极管间的第一连接点与位于两个开关管间的第二连接点之间连接有pfc电感和交流电源；所述第一并联连接点和所述第二并联连接点用于连接负载两端；

所述电流采样电路包括分别设有两个副边绕组的第一电流互感器和第二电流互感器、去磁单元、全波整流单元、第一采样开关、第二采样开关和采样电阻；

所述第一电流互感器的原边绕组位于所述第一并联连接点和所述第二连接点之间且与所述第一开关管串联，所述第二电流互感器的原边绕组位于所述第二并联连接点和所述第二连接点之间且与所述第二开关管串联；

每一电流互感器的每一副边绕组的两端并联一所述去磁单元；每一电流互感器的所述两个副边绕组的第一输出端和第二输出端分别连接所述全波整流单元的不同输入端，第三公共输出端连接控制地；

所述全波整流单元的不同输出端分别连接所述第一采样开关和所述第二采样开关的第一端，所述第一采样开关和所述第二采样开关的第二端并联后连接所述采样电阻；

所述控制电路分别连接所述第一开关管、所述第二开关管、所述第一采样开关、所述第二采样开关各自的控制端。

进一步地，在上述的图腾柱无桥pfc电路系统中，所述第一电流互感器的原边绕组的同名端和异名端分别连接所述第一开关管的一端和所述第二连接点；

所述第二电流互感器的原边绕组的同名端和异名端分别连接所述第二连接点和所述第二开关管的一端。

进一步地，在上述的图腾柱无桥pfc电路系统中，所述第二电流互感器与所述第一电流互感器具有相同的结构，每一电流互感器的两个副边绕组分别为第一副边绕组和第二副边绕组；

每一电流互感器的所述第一副边绕组的同名端和所述第二副边绕组的异名端分别作为所述第一输出端和所述第二输出端，所述第一副边绕组的异名端和所述第二副边绕组的同名端连接后作为所述第三公共输出端。

进一步地，在上述的图腾柱无桥pfc电路系统中，所述全波整流单元包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管；

所述第一电流互感器的所述第一输出端连接所述第一整流二极管的阳极且所述第二输出端连接所述第二整流二极管的阳极；

所述第二电流互感器的所述第一输出端连接所述第三整流二极管的阳极且所述第二输出端连接所述第四整流二极管的阳极；

所述第一整流二极管和所述第四整流二极管各自的阴极均连接所述第一采样开关的所述第一端；

所述第二整流二极管和所述第三整流二极管各自的阴极均连接所述第二采样开关的所述第一端。

进一步地，在上述的图腾柱无桥pfc电路系统中，所述去磁单元为去磁电阻或稳压管。

进一步地，在上述的图腾柱无桥pfc电路系统中，所述第一开关管和所述第二开关管具有相同的结构，所述第一开关管为绝缘栅场效应管、绝缘栅双极晶体管或碳化硅场效应管。

进一步地，在上述的图腾柱无桥pfc电路系统中，所述电流采样电路用于当所述第一开关管导通时通过所述第一电流互感器对所述第一开关管进行电流采样，并当所述第一开关管断开时所述第一电流互感器对应的所述去磁单元对所述第一电流互感器去磁；

所述电流采样电路还用于当所述第二开关管导通时通过所述第二电流互感器对所述第二开关管进行电流采样，并当所述第二开关管断开时所述第二电流互感器对应的所述去磁单元对所述第二电流互感器去磁。

进一步地，在上述的图腾柱无桥pfc电路系统中，所述控制电路用于当所述交流电源处于正半周期时，控制所述第二采样开关导通，所述第一采样开关断开，以使所述电流采样电路采集所述pfc电感的正向电流；

所述控制电路还用于当所述交流电源处于负半周期时，控制所述第一采样开关导通，所述第二采样开关断开，以使所述电流采样电路采集所述pfc电感的负向电流。

可选地，所述第一桥臂中的所述两个二极管替换为两个开关管。

本发明的实施例还提出一种电流采样电路，包括：采用上述的图腾柱无桥pfc电路系统中的电流采样电路，其中，所述第一电流互感器和所述第二电流互感器各自的原边绕组分别用于连接被采样电路中的主开关管，所述电流采样电路用于采集所述主开关管的电流。

本发明的实施例具有如下优点：

本发明实施例的图腾柱无桥pfc电路系统通过在包含两个开关管的第二桥臂上设有电流采样电路，利用包含有两个副边绕组的两个电流互感器、去磁单元和全桥整流单元、两个采样单元及采样电阻等构成器件的电流采样电路，可以有效地采集到开关管的任意时刻下的工作电流，经过合成即可以得到pfc电感电流，实现了对图腾柱无桥pfc电路的全周期电流采样。并且，电流采样电路中的两个采样开关为工频控制，该控制简单且容易实现，降低了图腾柱无桥pfc电路的电流采样难度，提高了图腾柱无桥pfc电路的应用等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本发明实施例的图腾柱无桥pfc电路系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的图腾柱无桥pfc电路系统的电流采样电路在当交流电源为正半周期时采集主开关管电流的示意图；

图3示出了本发明实施例的图腾柱无桥pfc电路系统的电流采样电路在当交流电源为正半周期时采集续流开关管电流的示意图；

图4示出了本发明实施例的图腾柱无桥pfc电路系统的电流采样电路在当交流电源为负半周期时采集主开关管电流的示意图；

图5示出了本发明实施例的图腾柱无桥pfc电路系统的电流采样电路在当交流电源为负半周期时采集续流开关管电流的示意图；

图6示出了本发明实施例的电流采样电路的结构示意图。

主要元件符号说明：

100-图腾柱无桥pfc电路系统；10-第一桥臂；20-第二桥臂；30-电流采样电路；40-控制电路；1-第一连接点；2-第二连接点；n1-第一并联连接点；n2-第二并联连接点；d1-第一二极管；d2-第二二极管；ct1-第一电流互感器；ct2-第二电流互感器；q1-第一开关管；q2-第二开关管；s1-第一采样开关；s2-第二采样开关；r1-第一去磁电阻；r2-第二去磁电阻；r3-第三去磁电阻；r4-第四去磁电阻；d11-第一整流二极管；d12-第二整流二极管；d13-第三整流二极管；d14-第四整流二极管；vac-交流电源；rs-采样电阻；l1-pfc电感；c1-电容；rf-负载电阻。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

请参照图1，本实施例提出一种图腾柱无桥pfc电路系统100，该图腾柱无桥pfc电路系统100包括第一桥臂10和第二桥臂20，通过在第二桥臂20上增加电流采样电路30可以对第二桥臂20上的两个开关管进行全周期电流采样，进而用于控制第一开关管和第二开关管的通断，从而实现功率因数的较正等。下面对该图腾柱无桥pfc电路系统100进行详细说明。

示范性地，该图腾柱无桥pfc电路系统100包括第一桥臂10、第二桥臂20、电流采样电路30和控制电路40，其中，第一桥臂10和第二桥臂20并联连接于第一并联连接点n1和第二并联连接点n2之间；该第一并联连接点n1和第二并联连接点n2用于连接负载两端，如负载电阻rf等。通常地，该第二并联连接点n2还用于接地。进一步地，如图1所示，对于上述的该第一并联连接点n1和第二并联连接点n2，在连接负载前还可两者之间先并联一电容c1以用于滤波等。

本实施例中，第一桥臂10包括同向串联的第一二极管d1和第二二极管d2(或者也可将这两个二极管替换为两个开关管)；第二桥臂20包括两个同相串联的开关管，分别记为第一开关管q1和第二开关管q2；位于第一桥臂10中的两个二极管间的第一连接点1与位于第二桥臂20中的两个开关管间的第二连接点2之间连接有pfc电感l1和交流电源vac，其中，交流电源vac与pfc电感l1串联连接。该电流采样电路30与第二桥臂20连接，用于当图腾柱无桥pfc电路工作时采集第二桥臂20上的第一开关管q1和第二开关管q2的电流。优选地，第一开关管q1和第二开关管q2采用相同型号的开关管。示范性地，该开关管可包括但不限于为绝缘栅场效应管(mos管)、绝缘栅双极晶体管(igbt管)或碳化硅场效应管等。

示范性地，如图1所示，该电流采样电路30主要包括第一电流互感器ct1和第二电流互感器ct2、去磁单元、全波整流单元、第一采样开关s1、第二采样开关s2和采样电阻rs。本实施例中，该第一电流互感器ct1和第二电流互感器ct2各自包括一个原边绕组和两个副边绕组。其中，该第一电流互感器ct1的原边绕组位于该第一并联连接点n1和第二连接点之间且与第二桥臂20中的第一开关管q1串联，而该第二电流互感器ct2的原边绕组则位于该第二并联连接点n2和第二连接点之间且与第二开关管q2串联。

在一种实施例中，如图1所示，第一电流互感器ct1位于第二连接点和第一开关管q1之间，而第二电流互感器ct2同样位于第二连接点和第二开关管q2之间，此时的第一电流互感器ct1的一端、第二电流互感器ct2的一端和第二连接点均连接至同一电位点。进一步地，该第一电流互感器ct1的原边绕组的同名端和异名端分别连接第一开关管q1的一端和上述的第二连接点；第二电流互感器ct2的原边绕组的同名端和异名端分别连接第二连接点和第二开关管q2的一端。当然，该第一电流互感器ct1和第二电流互感器ct2也可以是位于并联连接点和开关管之间，具体可根据实际布局需求来设定，在此并不作限定。

优选地，该第一电流互感器ct1和第二电流互感器ct2可以采用完全相同的结构。本实施例中，对于该第一电流互感器ct1和第二电流互感器ct2各自的两个副边绕组，每一副边绕组的两端均并联一去磁单元以用于去磁。示范性地，该去磁单元可包括但不限于为去磁电阻或串联反接的两个稳压二极管等，优选地采用相同的去磁电阻。

为方便后续描述，每一电流互感器的两个副边绕组将分别记为第一副边绕组和第二副边绕组。本实施例中，每一电流互感器的这两个副边绕组总共包括三个输出端，分别是第一输出端、第二输出端和第三公共输出端。示范性地，可将每一电流互感器的第一副边绕组的同名端作为该第一输出端，第二副边绕组的异名端作为该第二输出端；以及将第一副边绕组的异名端和第二副边绕组的同名端连接后作为上述的第三公共输出端。

本实施例中，每一电流互感器的第一输出端和第二输出端分别连接全波整流单元的不同输入端，而这两个电流互感器各自的第三公共输出端将连接至同一控制地。可以理解，上述的控制地是指控制电路40板中的电源地。

示范性地，上述的全波整流单元主要包括四个整流二极管，分别为第一整流二极管d11、第二整流二极管d12、第三整流二极管d13和第四整流二极管d14。上述的两个电流互感器将对应连接这四个整流二极管。以第一电流互感器ct1为例，如图1所示，该第一电流互感器ct1的第一副边绕组的同名端(即第一输出端)连接该第一整流二极管d11的阳极，第二副边绕组的异名端(即第二输出端)连接第二整流二极管d12的阳极，而第一副边绕组与第二副边绕组的第三公共输出端则连接控制地。同理，第二电流互感器ct2的第一输出端连接该第三整流二极管d13的阳极，第二输出端连接第四整流二极管d14的阳极，第三公共输出端同样连接该控制地。

本实施例中，全波整流单元的两个输出端分别连接第一采样开关s1和第二采样开关s2各自的第一端。示范性地，如图1所示，第一整流二极管d11和第四整流二极管d14各自的阴极均连接第一采样开关s1的第一端；第二整流二极管d12和第三整流二极管d13各自的阴极均连接第二采样开关s2的第一端。

本实施例中，第一采样开关s1和第二采样开关s2的第二端并联后连接至采样电阻rs。示范性地，该采样电阻rs包括一个或多个串联的采样电阻。例如，如图1所示，两个采样开关的第二端并联后连接该采样电阻rs的一端，该采样电阻rs的另一端连接上述控制地。

本实施例中，控制电路40分别连接上述第二桥臂20中的第一开关管q1和第二开关管q2，此外，该控制电路40还连接第一采样开关s1和第二采样开关s2各自的控制端，以用于对这两个采样开关进行控制。

示范性地，当接入的交流电源vac处于正半周期时，控制电路40将控制第二采样开关s2导通而第一采样开关s1断开；当交流电源vac处于负半周期时，控制第一采样开关s1导通而第二采样开关s2断开。值得注意的是，第一采样开关s1和第二采样开关s2不能同时导通。其中，控制电路40在控制该第一采样开关s1和第二采样开关s2采用50hz或60hz的工频频率即可。通过该电流采样电路30，控制电路40对采样开关为工频控制，可降低对上述两开关管的电流采样难度。

由于第一开关管q1与第一电流互感器串联，而第二开关管q2与第二电流互感器串联，本实施例中，电流采样电路30用于当第一开关管q1导通时通过第一电流互感器ct1对该第一开关管q1进行电流采样，并当第一开关管q1断开时第一电流互感器ct1通过对应的去磁单元进行去磁。此外，电流采样电路30还用于当第二开关管q2导通时通过第二电流互感器ct2对该第二开关管q2进行电流采样，并当第二开关管q2断开时第二电流互感器ct2通过对应的去磁单元进行去磁。

通过对电流采样电路30中的两个采样开关进行工频控制，可以采集到图腾柱无桥pfc电路中第二桥臂20的两个开关管的电流，由于两个开关管的电流之和等于pfc电感电流，从而得到pfc电感l1的电流，最终实现功率因数校正。

下面结合图1所示的图腾柱无桥pfc电路系统100，对电流采样过程中的电流流向进行分析。

(1)当交流电源vac处于正半周期的时候，第二采样开关s2处于闭合状态，第一采样开关s1处于断开状态，通过电流采样电路30将采集该pfc电感l1的正向电流。此时，该第二开关管q2作为主开关管而该第一开关管q1作为续流管，于是，工作过程包括第二开关管q2导通或者断开两种情况，具体工作过程分析如下：

a.当第二开关管q2处于导通，第一开关管q1处于断开时，该电流采样电路30的电流流向如图2所示：

pfc电感l1的电流为正向增大，电流流向是从左往右。此时，电流从第二电流互感器ct2的原边绕组的同名端流入，异名端流出并流过第二开关管q2。同时，电流耦合到第二电流互感器ct2的副边绕组，由于第一采样开关s1处于断开状态，其第二副边绕组无法形成电流回路，而该第一副边绕组的电流流向为同名端流出，异名端流入，即电流从该第二电流互感器ct2的第一副边绕组的同名端流出，依次经过第三整流二极管d13、第二采样开关s2和采样电阻rs，最后从该第一副边绕组的异名端流入，从而形成第一电流采样路径。

进一步地，通过采集采样电阻rs的电压信号，可以得到第二电流互感器ct2的副边绕组的电流，进而通过绕组关系换算，计算出第二电流互感器ct2的原边绕组的电流，从而得到第二开关管q2导通时的电流大小。

而在这一时刻，由于第一开关管q1处于断开状态，流过第一开关管q1的电流为零；而该第一电流互感器ct1保存有上一个周期第一开关管q1导通时采集到的能量，因此，需要利用第一电流互感器ct1中的第一去磁电阻r1和第二去磁电阻r2消耗掉其采集的能量，以避免第一电流互感器ct1出现饱和的现象，去磁的工作回路如图2所示。

b.当第一开关管q1处于导通，第二开关管q2处于断开时，该电流采样电路30的电流流向如图3所示：

电流从第一电流互感器ct1的原边绕组的异名端流入，同名端流出并流过第一开关管q1。同时，电流耦合到第一电流互感器ct1的副边绕组，由于第一采样开关s1处于断开状态，其第一副边绕组无法形成电流回路，而该第二副边绕组的电流流向为异名端流出，同名端流入，即有电流从该第一电流互感器ct1的第二副边绕组的异名端流出，依次经过第二整流二极管d12、第二采样开关s2和采样电阻rs，最后从该第二副边绕组的同名端流入，从而形成第二电流采样路径。

同理，通过采集采样电阻rs的电压信号，可以得到第一电流互感器ct1的副边绕组的电流，通过换算，计算出第一电流互感器ct1的原边绕组的电流，从而得到第一开关管q1导通时的电流大小。同样，为避免第二电流互感器ct2出现饱和现象，其去磁工作回路如图3所示，即通过第二电流互感器ct2中的第三去磁电阻r3和第四去磁电阻r4进行去磁，其去磁原理同上述第一电流互感器ct1的去磁原理类似，故不再重复描述。

(2)当接入的交流电源vac处于负半周期的时候，第一采样开关s1处于闭合状态，第二采样开关s2处于断开状态，通过电流采样电路30将采集该pfc电感l1的负向电流。此时，该第一开关管q1作为主开关管而该第二开关管q2作为续流管。于是，工作过程同样包括第一开关管q1导通或者断开两种情况，具体工作过程分析如下：

c.当第一开关管q1处于导通，第二开关管q2处于断开时，该电流采样电路30的电流流向如图4所示：

pfc电感l1的电流为负向增大，电流流向是从右往左。此时，电流从第一电流互感器ct1的原边绕组的同名端流入，异名端流出并流过第一开关管q1。同时，电流耦合到第一电流互感器ct1的副边绕组，由于第二采样开关s2处于断开状态，其第二副边绕组无法形成电流回路，而该第一副边绕组的电流流向为同名端流出，异名端流入，即电流从该第一电流互感器ct1的第一副边绕组的同名端流出，依次经过第一整流二极管d11、第一采样开关s1和采样电阻rs，最后从该第一副边绕组的异名端流入，从而形成第三电流采样路径。

同理，通过采集采样电阻rs的电压信号，可以得到第一电流互感器ct1的副边绕组的电流，通过换算，计算出第一电流互感器ct1的原边绕组的电流，从而得到第一开关管q1导通时的电流大小。对应的，为避免第二电流互感器ct2出现饱和现象，其去磁工作回路如图4所示。

d.当第二开关管q2处于导通，第一开关管q1处于断开时，该电流采样电路30的电流流向如图5所示：

电流从第二电流互感器ct2的原边绕组的异名端流入，同名端流出并流过第二开关管q2。同时，电流耦合到第二电流互感器ct2的副边绕组，由于第二采样开关s2处于断开状态，其第一副边绕组无法形成电流回路，而该第二副边绕组的电流流向为异名端流出，同名端流入，即电流从该第二电流互感器ct2的第二副边绕组的异名端流出，依次经过第四整流二极管d14、第一采样开关s1和采样电阻rs，最后从该第二副边绕组的同名端流入，从而形成第四电流采样路径。

同理，通过采集采样电阻rs的电压信号，可以得到第二电流互感器ct2的副边绕组的电流，通过换算，计算出第二电流互感器ct2的原边绕组的电流，从而得到第二开关管q2导通时的电流大小。对应的，为避免第一电流互感器ct1出现饱和现象，其去磁工作回路如图5所示。

本实施例提出的图腾柱无桥pfc电路系统中设有电流采样电路，并通过对该电流采样电路中的两个采样开关进行工频控制，可以有效地采集到两个开关管的工作电流，经过合成可以得到pfc电感的电流；由于采样开关的是工频控制，相对于现有方案，控制简单且易于实现。本实施例的电流采样电路可以对图腾柱无桥pfc电路任意时刻的开关管的工作电流进行采样，可以很好地解决图腾柱无桥pfc电路的电流采集难的问题，提高了图腾柱无桥pfc电路的应用等等。

可以理解，通过如图6所示的电流采样电路30可以有效地采集到开关管的电流。应当注意的是，除了运用于上述的图腾柱无桥pfc电路中，该电流采样电路30还可以作为模块，运用于如一些电力电子的交流整流电路、双向电源转换电路等，其中，该电流采样电路30的第一电流互感器ct1和第二电流互感器ct2各自的原边绕组将分别用于连接被采样电路中的主开关管，进而用于采集主开关管的电流。该电流采样电路30控制简单且容易实现，可以很好地解决电流采样难而导致对开关管控制难的问题。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的实施例的装置、方法的可能实现的体系架构、功能和操作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。