專利名稱：一種低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及輸出串聯(lián)DC-DC實現(xiàn)低輸出エ頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換方法及其裝置，尤其涉及消除エ頻紋波的高功率因數(shù)單級AC/DC隔離和非隔離式開關變換方法。
背景技術：
近年來，電カ電子技術迅速發(fā)展，作為電カ電子領域重要組成部分的電源技術逐漸成為應用和研究的熱點。電源作為各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)安全性和可靠性的高低。隨著電力電子器件制造技術和變流技術的進步，開關電源以其效率高、功率密度高而確立了其在電源領域中的主流地位。開關電源多數(shù)是通過整流器接入電網(wǎng)的，傳統(tǒng)的整流器是由ニ極管或晶閘管組成的一個非線性電路。因此，傳統(tǒng)的開關電源存在ー個致命的弱點，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)整流器因諧波遠遠超標而面臨前所未有的挑戰(zhàn)。抑制開關電源產(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；ニ是主動法，即設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)校正電路拓撲的研究和功率因數(shù)校正控制集成電路的開發(fā)?，F(xiàn)有BucKBoost.Buck-Boost等多種功率因數(shù)校正電路拓撲結(jié)構(gòu)。功率因數(shù)校正控制集成電路負責檢測變換器的工作狀態(tài)，并產(chǎn)生脈沖信號控制開關裝置，調(diào)節(jié)傳遞給負載的能量以穩(wěn)定輸出；同時保證開關電源的輸入電流跟蹤電網(wǎng)輸入電壓，實現(xiàn)接近于I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エ頻紋波，若二倍エ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)，這嚴重影響功率因數(shù)校正變換器對負載變化的動態(tài)響應能力。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ー個DC/DC變換器來提高負載直流輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度和對負載變化的動態(tài)響應能力。在高功率因數(shù)的應用電路中，輸入電流嚴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エ頻紋波；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%。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供ー種輸出串聯(lián)DC/DC實現(xiàn)低輸出エ頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器，使其具有動態(tài)響應性能好、效率高，適用于各種拓撲結(jié)構(gòu)的単相PFC變換器。所采用的技術方案是一種低輸出エ頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器，単相PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負載R的上端，単相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的下端接負載R的下端，同時負載R的下端接地。這樣，単相PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負載R的上端，単相PFC變換器直流輸出電容C1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的下端接負載R的下端，同時負載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)本實用新型以上方法。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進ー步詳細的說明。
圖I為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實用新型實施例一非隔離型AC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖圖3，4，5為實施例一的ー種應用電路的仿真波形，仿真條件輸入電壓110Vac/50Hz，最大負載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(200W)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)、及最終負載端的電壓((Vout+)-(Vout-)) 可見DC/DC變換器的輸出電壓紋波與Boost PFC變換器的輸出電壓紋波反向，幅值相等，從而在負載端實現(xiàn)了低的輸出二倍エ頻紋波電壓。圖4為滿負載情況下(200W)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吋，負載電流(I_R)和負載電壓(Vout+)的波形，可見該實用新型很好的提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。圖6為本實用新型實施例ニ隔離型AC/DC變換器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
在圖I中為本實用新型的基本方案低輸出エ頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器由整流濾波器，単相PFC變換器，DC/DC變換器組成。単相PFC變換器(單級AC/DC)直流輸出電容C1的上端接負載R的上端，単相PFC變換器直流輸出電容C1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的下端接負載R的下端，同時負載R的下端接地。實施例一圖2示出，本實用新型的ー種具體實施方式
為，一種開關電源的控制方法，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的上端接負載R的上端，単相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的下端接負載R的下端，同時負載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利用単相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Q2控制脈沖信號。単相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Ql控制脈沖信號。實施例ニ圖6示出，本實用新型的ー種具體實施方式
為，一種開關電源的控制方法，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単相全橋功率因數(shù)校正電路，并設計獨立的隔離反饋控制通道。補償用DC/DC變換器采用Buck拓撲結(jié)構(gòu)。單相全橋PFC變換器直流輸出電容Cl的上端接負載R的上端，単相全橋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的下端接負載R的下端，同時負載R的下端接地。參考電壓與反饋電壓的通路與實施案例ー類似。Buck DC/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等拓撲結(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エ頻紋波的方法，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エ頻紋波的方法対稱的實現(xiàn)。単相PFC變換器拓撲可為Boost變換器、Buck變換器、全橋變換器、反激變換器；DC/DC變換器可為Buck，Boost變換器拓撲。
權(quán)利要求1.一種低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器，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的下端接負載R的下端，同時負載R的下端接地。
2.如權(quán)利要求I所述的低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器，其中單相PFC變換器拓撲為Boost變換器、Buck變換器、全橋變換器、反激變換器；DC/DC變換器為Buck，Boost變換器拓撲。
專利摘要本實用新型公開了一種低輸出工頻紋波的單級高功率因數(shù)校正變換器。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)響應速度。本實用新型在實現(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，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H02M1/42GK202424506SQ20122001007
公開日2012年9月5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