專利名稱：一種低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸出串聯(lián)DC-DC實現(xiàn)低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法及其裝置，尤其涉及消除工頻紋波的高功率因數(shù)單級AC/DC隔離和非隔離式開關(guān)變換方法。
背景技術(shù)：
近年來，電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，作為電力電子領(lǐng)域重要組成部分的電源技術(shù)逐漸成為應(yīng)用和研究的熱點。電源作為各種電子設(shè)備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)安全性和可靠性的高低。隨著電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源以其效率高、功率密度高而確立了其在電源領(lǐng)域中的主流地位。開關(guān)電源多數(shù)是通過整流器接入電網(wǎng)的，傳統(tǒng)的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個非線性電路。因此，傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在一個致命的弱點，即功率因數(shù)較低(一般僅為0. 45 0. 75)，它在電網(wǎng)中會產(chǎn)生大量的電流諧波和無功功率而污染電網(wǎng)，開關(guān)電源現(xiàn)已成為電網(wǎng)中最主要的諧波源之一。針對高次諧波的危害，從1992年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波， 傳統(tǒng)整流器因諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)而面臨前所未有的挑戰(zhàn)。抑制開關(guān)電源產(chǎn)生諧波的方法主要有兩種一是被動法，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或消除諧波；二是主動法，即設(shè)計新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低以及功率因數(shù)高等特點，即具有功率因數(shù)校正功能。開關(guān)電源功率因數(shù)校正研究的重點，主要是功率因數(shù)校正電路拓?fù)涞难芯亢凸β室驍?shù)校正控制集成電路的開發(fā)?，F(xiàn)有BuCk、B00St、BuCk-B00St等多種功率因數(shù)校正電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。功率因數(shù)校正控制集成電路負(fù)責(zé)檢測變換器的工作狀態(tài)，并產(chǎn)生脈沖信號控制開關(guān)裝置，調(diào)節(jié)傳遞給負(fù)載的能量以穩(wěn)定輸出；同時保證開關(guān)電源的輸入電流跟蹤電網(wǎng)輸入電壓，實現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。傳統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正變換器其直流輸出電壓包含有二倍工頻紋波，若二倍工頻輸出電壓紋波被引入功率因數(shù)校正控制器中，會使功率因數(shù)校正變換器的輸入電流含有三次諧波電流成分，降低了功率因數(shù)校正變換器的輸入功率因數(shù)。因此傳統(tǒng)有源功率因數(shù)校正變換器的直流輸出電壓反饋控制環(huán)截止頻率低(一般僅為10 20Hz)，這嚴(yán)重影響功率因數(shù)校正變換器對負(fù)載變化的動態(tài)響應(yīng)能力。此外，由于有源功率因數(shù)校正變換器的直流輸出電壓紋波較大，需在功率因數(shù)校正變換器輸出端再接一個DC/DC變換器來提高負(fù)載直流輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度和對負(fù)載變化的動態(tài)響應(yīng)能力。

發(fā)明內(nèi)容
在高功率因數(shù)的應(yīng)用電路中，輸入電流嚴(yán)格跟蹤輸入交流電壓，交流輸入側(cè)的輸入功率也是變化的，其變化頻率為交流輸入電壓頻率的兩倍，經(jīng)過功率變換后，直流輸出端濾波器上會有兩倍工頻紋波；并且實現(xiàn)了高功率因數(shù)的AC/DC變換器帶寬較小，動態(tài)性能差，紋波通常是額定輸出的2% 20 %。本發(fā)明的目的是提供一種輸出串聯(lián)DC/DC實現(xiàn)低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器設(shè)計方法，且其動態(tài)響應(yīng)性能好、效率高，適用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單相PFC變換器。所采用的技術(shù)方案是一種低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法，單相PFC變換器的直流輸出電容與DC/DC變換器的輸出電容串聯(lián)，控制DC/DC變換器的輸出電壓來補償單相PFC變換器直流輸出電壓的二倍工頻紋波，進(jìn)而降低甚至消除單相PFC變換器直流輸出電壓的紋波成分，并提高PFC變換器的動態(tài)響應(yīng)速度。單相PFC變換器的直流輸出電容與DC/DC變換器的直流輸出電容串聯(lián)后，再與負(fù)載并聯(lián)。其中，PFC變換器拓?fù)錇槌Ｒ姷腂oost變換器、全橋變換器、反激變換器等隔離型與非隔離型PFC變換拓?fù)?，控制策略包括平均電流控制、單周控制等；DC/DC拓?fù)錇锽uck， Boost等拓?fù)洌刂撇呗钥梢詾榉逯惦娏髂Ｊ娇刂?、電壓模式控制等。通過采樣單相PFC變換器直流輸出電壓與DC/DC變換器直流輸出電容地之間的電壓差，作為DC/DC變換器的參考信號，控制DC/DC變換器的輸出電壓，用于補償單相PFC變換器的直流輸出電容上的二倍工頻紋波。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1、相對于已有的功率因數(shù)校正變換器，采用本發(fā)明的功率因數(shù)校正變換器工作于穩(wěn)態(tài)時，有效地減小了負(fù)載的直流輸出電壓紋波，有利于變換器整流濾波電路選用較小的輸出電容。2、采用發(fā)明的功率因數(shù)校正變換器可提高輸出電壓反饋控制環(huán)的截止頻率，因此負(fù)載發(fā)生突變時，補償DC/DC變換器可快速的響應(yīng)，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。3、采用發(fā)明的功率因數(shù)校正變換器無需后級的DC/DC變換器，僅需要一個小功率的直流輸出紋波補償變換器，提高了變換器整機的效率，降低了變換器整機的成本。本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)以上控制方法的裝置。所采用的技術(shù)方案是低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正控制裝置，其特征在于單相PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負(fù)載R的上端，單相PFC變換器直流輸出電容Cl的下端接DC/DC 變換器直流輸出電容C2的上端，DC/DC變換器直流輸出電容C2的下端接負(fù)載R的下端，同時負(fù)載R的下端接地。這樣，單相PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負(fù)載R的上端，單相PFC變換器直流輸出電容Cl的下端接DC/DC變換器直流輸出電容C2的上端，DC/DC變換器直流輸出電容C2的下端接負(fù)載R的下端，同時負(fù)載R的下端接地。DC/DC變換器控制單元的參考電壓Vrefl是相對于Vout-的直流電壓，反饋電壓為Vout+。其中Vout+和Vout-是最終負(fù)載側(cè)兩端的電壓。DC/DC變換器的輸入電壓為儲能電容C3電壓，儲能電容C3通過單相PFC 變換器的電感耦合繞組方式，利用C4、D3、D2來獲得能量，其中D3的陽極接DC/DC變換器的參考地Vout-。其控制方式可以是峰值電流模式控制等，得到功率開關(guān)Q2的控制脈沖信號。單相PFC變換器控制單元的參考電壓Vref2是相對于Cl與C2的連接點PFC_GND，也是 PFC控制器的相對參考地。其反饋電壓為Vout+與PFC_GND之間的壓差。其控制方式可以是平均電流模式控制、單周期控制等，得到功率開關(guān)Ql的控制脈沖信號。采用以上裝置可以方便可靠地實現(xiàn)本發(fā)明以上方法。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明實施例一非隔離型AC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)示意3，4，5為實施例一的一種應(yīng)用電路的仿真波形，仿真條件輸入電壓 110Vac/50HZ，最大負(fù)載200W。Boost PFC工作在CCM模式，采用平均電流模式控制；紋波補償DC/DC變換器為峰值電流模式控制。圖3為滿載情況下O00W)紋波補償DC/DC變換器輸出電壓(PFC_GND_ (Vout-))、 Boost PFC變換器輸出電壓((Vout+) -PFC_GND)、及最終負(fù)載端電壓((Vout+) - (Vout-))。 可見DC/DC變換器的輸出電壓紋波與Boos t PFC變換器的輸出電壓紋波反向，幅值相等， 從而在負(fù)載端實現(xiàn)了低的輸出二倍工頻紋波電壓。圖4為滿負(fù)載情況下Q00W)交流輸入電壓與交流輸入電流的波形，可見輸入電流很好的跟蹤了輸入電壓。圖5為輸出功率從IOOW突變到200W時，負(fù)載電流(I_R)和負(fù)載電壓(Vout+)的波形，可見該發(fā)明很好的提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。圖6為本發(fā)明實施例二隔離型AC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例一圖2示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種開關(guān)電源的控制方法，采用非隔離型AC/DC變換方式，其具體作法是交流輸入Vac經(jīng)過EMI和整流橋Dbridge，接Boost PFC電路。單相Boost PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負(fù)載R的上端，單相Boost PFC變換器直流輸出電容Cl的下端接Buck DC/DC變換器輸出電容C2的上端，Buck DC/DC變換器輸出電容C2的下端接負(fù)載 R的下端，同時負(fù)載R的下端接地。Buck DC/DC變換器控制單元的參考電壓Vrefl是相對于Vout-的直流電壓；反饋電壓為Vout+。其中Vout+和Vout-是最終負(fù)載側(cè)兩端的電壓。 Buck DC/DC變換器的輸入電壓為儲能電容C3電壓，儲能電容C3利用單相Boost PFC變換器的電感耦合繞組，通過C4、D3、D2來獲得能量，其中D3的陽極接BuckDC/DC變換器的參考地Vout-。其控制方式可以是峰值電流模式控制等，得到功率開關(guān)Q2控制脈沖信號。單相 Boost PFC變換器參考電壓Vref2是相對于Cl與C2的連接點PFC_GND，也是Boost PFC控制器的相對參考地。其反饋電壓為Vout+與PFC_GND之間的壓差。其控制方式可以是平均電流模式控制、單周期控制等，得到功率開關(guān)Ql控制脈沖信號。實施例二圖6示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種開關(guān)電源的控制方法，采用隔離型單相全橋PFC變換器，其具體作法是本例中，采用隔離型的AC/DC單相全橋功率因數(shù)校正電路，并設(shè)計獨立的隔離反饋控制通道。補償用DC/DC變換器采用Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單相全橋PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負(fù)載R的上端，單相全橋PFC變換器直流輸出電容 Cl的下端接Buck DC/DC變換器輸出電容C2的上端，Buck DC/DC變換器輸出電容C2的下端接負(fù)載R的下端，同時負(fù)載R的下端接地。參考電壓與反饋電壓的通路與實施案例一類似。BuckDC/DC變換器的輸入電壓E1，可以由單獨的隔離變換器供電，如flyback等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 顯然，以上的以單相PFC變換器的直流輸出電容與DC/DC變換器的輸出電容串聯(lián)， 控制DC/DC變換器的輸出電壓來補償單相PFC變換器直流輸出電壓的二倍工頻紋波的方法，可以用單相PFC變換器的直流輸出電容與DC/DC變換器的輸出電容并聯(lián)，控制DC/DC變換器的輸出電流來補償單相PFC變換器直流輸出電流的二倍工頻紋波的方法對稱的實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，單相PFC變換器的直流輸出電容與DC/DC變換器的輸出電容串聯(lián)，控制DC/DC變換器的輸出電壓來補償單相PFC變換器直流輸出電壓的二倍工頻紋波，進(jìn)而降低甚至消除單相PFC變換器直流輸出電壓(電流)的紋波成分，并提高PFC變換器的動態(tài)響應(yīng)速度。
2.如權(quán)利要求1所述的低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，所述的DC/DC變換器的控制方法是DC/DC變換器控制單元的參考電壓Vrefl是相對于Vout-的直流電壓，反饋電壓為 Vout+ ；其中Vout+和Vout-是最終負(fù)載側(cè)兩端的電壓；DC/DC變換器的輸入電壓為儲能電容C3，通過單相PFC變換器的電感耦合繞組方式，利用C4、D3、D2來取電，其中D3的陽極接 DC/DC變換器的參考地Vout-；其控制方式可以是峰值電流模式控制等，得到功率開關(guān)Q2的控制脈沖信號。
3.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，所述的DC/DC變換器的控制方法是DC/DC變換器控制單元的參考電壓Vrefl是相對于Vout-的直流電壓，反饋電壓為Cl 與C2連接點PFC_GND與Vout-之間的壓差；檢測單相PFC變換器的交流輸入電壓，經(jīng)過倍頻電路倍頻后與負(fù)載電流相乘，再經(jīng)過直流偏置電路后得到DC/DC變換器的控制參考電壓； 其控制方式可以是峰值電流模式控制，得到功率開關(guān)Q2的控制脈沖信號。
4.如權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，所述的DC/DC變換器的控制方法是DC/DC變換器控制單元的參考電壓Vrefl是相對于Vout-的直流電壓，反饋電壓為Cl 與C2連接點PFC_GND與Vout-之間的壓差；檢測單相PFC變換器的直流輸出電壓，經(jīng)過隔直電路后，再經(jīng)過直流偏置電路后得到DC/DC變換器的控制參考電壓；其控制方式可為峰值電流模式控制，得到功率開關(guān)Q2的控制脈沖信號。
5.如權(quán)利要求1所述的低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，所述的單相PFC變換器的控制方法是單相PFC變換器控制單元的參考電壓Vref2是相對于Cl與C2的連接點PFC_GND，也是 PFC控制器的相對參考地；其反饋電壓為Vout+與PFC_GND之間的壓差；其控制方式可以是平均電流模式控制、單周期控制，得到功率開關(guān)Ql的控制脈沖信號。
6.一種實現(xiàn)權(quán)利要求或1或2或3或4或5所述的低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法的低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換裝置，由整流濾波器，單相PFC 變換器，DC/DC變換器組成，其特征在于單相PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負(fù)載R 的上端，單相PFC變換器直流輸出電容Cl的下端接DC/DC變換器直流輸出電容C2的上端， DC/DC變換器直流輸出電容C2的下端接負(fù)載R的下端，同時負(fù)載R的下端接地。
7.如權(quán)利要求6所述的低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換裝置，其中單相 PFC變換器拓?fù)錇槌Ｒ姷腂oost變換器、Buck變換器、全橋變換器、反激變換器；控制策略包括平均電流控制、峰值電流控制、單周控制；DC/DC變換器可以為Buck，Boost變換器拓?fù)洹?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法及其裝置。單相PFC變換器的直流輸出電容與DC/DC變換器的輸出電容串聯(lián)，控制DC/DC變換器的輸出電壓來補償單相PFC變換器直流輸出電壓的二倍工頻紋波，進(jìn)而降低甚至消除單相PFC變換器直流輸出電壓的紋波成分，并提高PFC變換器的動態(tài)響應(yīng)速度。本發(fā)明在實現(xiàn)了高功率因數(shù)的同時消除了單相PFC變換器的輸出工頻紋波電壓(電流)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，同時也克服了傳統(tǒng)兩級功率因數(shù)校正變換器效率低、成本高的問題。
文檔編號H02M1/42GK102545565SQ20121000713
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者張斐, 許建平, 閻鐵生, 高建龍 申請人:西南交通大學(xué)