一种用于低压大电流场合的高增益无桥PFC变换器的制作方法

本发明涉及AC/DC变换领域，尤其涉及一种用于低压大电流场合的高增益无桥PFC变换器。

背景技术：
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随着全球能源危机和环境污染的日益严重，太阳能、风能、海洋能等可再生能源越来越受到全世界的关注。波浪能是海洋能的一种形式，合理有效利用波浪能对解决能源危机、保护环境具有重要意义。磁流体发电机是一种将波浪能转化为电能的装置，然而，磁流体发电机输出的电能功率因数低，且其输出电压低、输出电流大，在实际应用中需要一种高增益的无桥PFC变换器对其进行升压和功率因数校正。

传统的无桥PFC变换器可以实现升压以及功率因数校正的功能，但是只有在极限占空比的条件下才能输出较高的电压。为了达到较高的输出母线电压，会导致占空比一直处在极限状态，极限占空比会带来一系列的不利影响：较大的电流纹波、变换器更易受寄生参数的影响、输出电压达不到预设值、同时导通损耗增加导致变换器效率降低。在输入电压较低、输入电流较大的情况下，传统无桥PFC的二极管导通损耗所占的比例增加，也会导致变换器效率降低。

为了解决上述的问题，本发明提出了一种用于低压大电流场合的高增益无桥PFC变换器。

技术实现要素：
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本发明针对传统无桥PFC变换器的电压增益不高、高增益时无桥PFC变换器一直工作于极限占空比状态、输入输出电流纹波大等问题，提出了一种用于低压大电流场合的高增益无桥PFC变换器，解决了传统无桥PFC应用在高增益场合所遇到的问题，且该变换器结构简单，损耗低，效率高。

本发明采用如下技术方案：一种用于低压大电流场合的高增益无桥PFC变换器，包括带有第一绕组L₁、第二绕组L₂的耦合电感，第一主功率开关管S₃，第二主功率开关管S₄，第一辅助开关管S₁，第二辅助开关管S₂和电容C_o，所述耦合电感的第一绕组L₁的同名端与输入交流电源V_in的一端连接，第一绕组L₁的异名端分别与第一辅助开关管S₁的源极和第一主功率开关管S₃的漏极连接；耦合电感的第二绕组L₂的同名端分别与第一辅助开关管S₁的漏极和第二辅助开关管S₂的漏极连接，第二绕组L₂的异名端与负载的一端连接；输入交流电源V_in的另一端分别与第二辅助开关管S₂的源极和第二主功率开关管S₄的漏极连接；负载的另一端分别与第一主功率开关管S₃的源极和第二主功率开关管S₄的源极连接。

进一步地，当输入交流电源V_in在正半周时，第一主功率开关管S₃的漏源极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制它的导通和关断；当工作在交流正半周时，耦合电感的第一绕组L₁、第二绕组L₂、第一辅助开关管S₁、第一主功率开关管S₃、第二主功率开关管S₄共同组成一个高增益Boost PFC回路。

进一步地，当输入交流电源V_in在负半周时，第二主功率开关管S₄的漏源极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制它的导通和关断；当工作在交流负半周时，耦合电感的第一绕组L₁、第二绕组L₂、第二辅助开关管S₂、第一主功率开关管S₃、第二主功率开关管S₄共同组成一个高增益Boost PFC回路。

进一步地，当输入交流电源V_in在正半周时，第二主功率开关管S₄处于一直导通的状态，第二辅助开关管S₂处于一直关断的状态；当输入交流电源V_in在负半周时，第一主功率开关管S₃处于一直导通的状态，第一辅助开关管S₁处于一直关断的状态，即在输入交流电源V_in正负半周时，均有一个桥臂的开关频率与输入交流电源V_in的频率相同。

进一步地，所述高增益无桥PFC变换器包含一个升压耦合电感，匝比为N＝N₂：N₁，其中N₁为耦合电感的第一绕组L₁的匝数，N₂为耦合电感的第二绕组L₂的匝数。

进一步地，所述高增益无桥PFC变换器使用第一辅助开关管S₁，第二辅助开关管S₂代替二极管，采用同步整流策略。

本发明具有如下有益效果：本发明在传统的无桥PFC变换器的基础上，使用耦合电感代替升压电感，提升升压效果，解决了在高增益条件下，变换器工作于极限占空比的问题；同时，本发明使用两个辅助开关管代替二极管，采用同步整流策略，降低了导通损耗，提高了变换器效率。

附图说明：

图1为用于低压大电流场合的高增益无桥PFC变换器拓扑结构图。

图2为功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动波形图。

图3(a)、图3(b)分别是图1所示电路在输入交流电压V_in正半周时第一主功率开关管S₃开通和关断时的工作模态图。

图4(a)、图4(b)分别是图1所示电路在输入交流电压V_in负半周时第二主功率开关管S₄开通和关断时的工作模态图。

图5为本发明又一实施例的高增益无桥PFC变换器。

具体实施方式：

以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明。

如图1所示，本发明用于低压大电流场合的高增益无桥PFC变换器，包括带有第一绕组L₁、第二绕组L₂的耦合电感，第一主功率开关管S₃，第二主功率开关管S₄，第一辅助开关管S₁，第二辅助开关管S₂和电容C_o，所述耦合电感的第一绕组L₁的同名端与输入交流电源V_in的一端连接，第一绕组L₁的异名端分别与第一辅助开关管S₁的源极和第一主功率开关管S₃的漏极连接；耦合电感的第二绕组L₂的同名端分别与第一辅助开关管S₁的漏极和第二辅助开关管S₂的漏极连接，第二绕组L₂的异名端与负载的一端连接；输入交流电源V_in的另一端分别与第二辅助开关管S₂的源极和第二主功率开关管S₄的漏极连接；负载的另一端分别与第一主功率开关管S₃的源极和第二主功率开关管S₄的源极连接。

本发明在传统的无桥PFC变换器的基础上做出改进，将耦合电感应用到无桥PFC拓扑上，利用耦合电感的升压特性实现输出电压的高增益。所述的带有两个绕组L₁、L₂的耦合电感在工作时，低压交流输入端的能量存储在第一绕组L₁，在耦合电感释放能量阶段，储存在第一绕组L₁的部分能量瞬间转移到第二绕组L₂上，并共同向负载和输出电容C_o传递能量。因为本发明采用的是同向耦合电感，所以能够起到提升输出电压的作用，并且耦合电感的引入可以减小两个主功率开关管S₃、S₄和两个辅助开关管S₁、S₂的电压应力。由于输入电压较低、输入电流较大，所以本发明将传统无桥PFC变换器中的二极管替换为开关管，减小其导通损耗，提高变换器的效率。

如图2所示为功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动波形图，其中g₁为开关管S₁的驱动信号，g₂为开关管S₂的驱动信号，g₃为开关管S₃的驱动信号，g₄为开关管S₄的驱动信号。

如图3(a)、图3(b)所示，当输入交流电源V_in在正半周时，第二辅助开关管S₂一直关断；第一主功率开关管S₃的漏源极之间承受正向电压，通过给定栅极信号可以控制它的导通和关断；当工作在交流正半周时，耦合电感的第一绕组L₁、第二绕组L₂、第一辅助开关管S₁、第一主功率开关管S₃、第二主功率开关管S₄共同组成一个高增益Boost PFC回路。当第一主功率开关管S₃开通时，第一辅助开关管S₁关断，电流经过耦合电感的第一绕组L₁、第一主功率开关管S₃、第二主功率开关管S₄，为第一绕组L₁储能，第二绕组L₂感应电压，但没有电流，输出电容C_o向负载供电；当第一主功率开关管S₃关断时，第一辅助开关管S₁开通，电流经过耦合电感的第一绕组L₁、第一辅助开关管S₁、耦合电感的第二绕组L₂，向输出电容C_o和负载提供能量，其中耦合电感的第一绕组L₁的部分能量瞬间转移到耦合电感的第二绕组L₂。

如图4(a)、图4(b)所示，当输入交流电源V_in在负半周时，第一辅助开关管S₁一直关断；第二主功率开关管S₄的漏源极之间承受正向电压，通过给定栅极信号可以控制它的导通和关断；当工作在交流负半周时，耦合电感的第一绕组L₁、第二绕组L₂、第二辅助开关管S₂、第一主功率开关管S₃、第二主功率开关管S₄共同组成一个高增益Boost PFC回路。当第二主功率开关管S₄开通时，第二辅助开关管S₂关断，电流经过耦合电感的第一绕组L₁、第二主功率开关管S₄、第一主功率开关管S₃，为第一绕组L₁储能，第二绕组L₂感应电压，但没有电流，输出电容C_o向负载供电；当第二主功率开关管S₄关断时，第二辅助开关管S₂开通，电流经过耦合电感的第一绕组L₁、第二辅助开关管S₂、耦合电感的第二绕组L₂，向输出电容C_o和负载提供能量，耦合电感的第一绕组L₁的部分能量瞬间转移到耦合电感的第二绕组L₂。

因此，当输入交流电源V_in在正半周时，第二主功率开关管S₄处于一直导通的状态，第二辅助开关管S₂处于一直关断的状态；当输入交流电源V_in在负半周时，第一主功率开关管S₃处于一直导通的状态，第一辅助开关管S₁处于一直关断的状态，即在输入交流电源V_in正负半周时，均有一个桥臂的开关频率与输入交流电源V_in的频率相同。

如图5所示为本发明的另一实施例，为一种用于低压大电流场合的高增益双二极管无桥PFC变换器，包括：一个带有两个绕组的耦合电感、两个主功率开关管，两个辅助开关管、两个二极管和一个输出电容。与第一个实施例相同，也采用耦合电感来实现输出电压的高增益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。