一种全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(PFC)变换器的制作方法

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一种全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(PFC)变换器的制造方法与工艺

本发明涉及一种功率因数校正(pfc)变换器,尤其涉及一种全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(pfc)变换器。



背景技术:

通常,电力电子装置通过整流桥接入电网,而传统的二极管或晶闸管整流装置会产生大量的谐波电流,使得功率因数很低,对电网造成污染。有源功率因数校正技术能够有效的消除整流装置的谐波、降低能源消耗、减小电源设备的体积和重量,因此具有广泛的应用前景。为满足国家以及国际组织制定的谐波标准,开关模式有源功率因数校正变换器得到广泛的应用。

提高ac/dc电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法是采用功率因数校正(pfc)技术。功率因数校正(pfc)技术的两种主要方法分别是无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正技术是在电路的输入整流桥和电容之间串联一个滤波电感,或在交流侧接入谐振滤波器。其主要优点是简单、成本低、可靠性高以及emi小,主要缺点是体积重量大、难以得到较高的功率因数,工作性能与频率、负载变化及输入变化有关等。目前,应用最多、效果最好的是有源功率因数校正技术,有源功率因数校正技术可以分为单级型和传统两级型两种,传统两级型有源功率因数校正的主要优点是:各级可以单独设计,通用性好;缺点是:电路复杂,电能经过两级处理,转换效率较低,功率密度低且成本较高。而单级型隔离型功率因数校正(pfc)变换器,具有能量经一次转换、结构简单、成本较低、效率较高且动态响应较快等典型优点,适用于中大功率应用场合。在面对工业界某些应用场合对电网输入端功率因数校正(pfc)变换器提出高功率等级以及输入输出电气隔离的要求更具有优势,有很大的发展潜力。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种适用于中大功率、成本较低、结构简单、效率高、具有较高功率因数,并能实现宽范围输出和多路输出的全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(pfc)变换器。

本发明的目的是这样实现的:该变换器包括单相输入整流桥v1、输入电容cin、软启动电路、输入电感lin、主开关管s1~s4、高频变压器tr、单相输出整流桥v2、输出滤波电容co、负载电阻ro和一个全数字控制系统。

所述单相输入整流桥v1的正极端与所述输入电容cin的上端、所述软启动电路的输入上端相汇接,所述输入电容cin的下端与单相输入整流桥v1的负极端、软启动电路的输入下端相汇接。

所述软启动电路的正极输出端与输入电感lin的前端相连接,输入电感lin的后端与所述开关管s1的漏极和开关管s4的漏极相汇接,所述开关管s1的源极与所述开关管s2的漏极相连接,所述开关管s4的源极与所述开关管s3的漏极相连接,所述开关管s2的源极和所述开关管s3的源极与所述软启动电路负极输出端相汇接。

所述开关管s1和所述开关管s2的连接点的引出线与所述高频变压器tr初级绕组的一端相连接,所述开关管s4和所述开关管s3的连接点的引出线与所述高频变压器tr初级绕组的另一端相连接。

所述高频变压器tr次级绕组的两端分别与所述单相输出整流桥v2的两个输入端相连接,所述输出滤波电容co并联在所述单相输出整流桥v2的两个输出端之间,所述负载电阻ro并联在所述滤波电容co的两个端点之间。

采集变换器输出电压vout、输入电流iin与所述单相输入整流桥v1的输出电压vin一同输入全数字控制器,构成电压外环电流内环的全数字控制系统,数字控制器根据采样信号进行pi调制,对四个主开关的开通与关断进行控制。

本发明的优点是使用单级电路实现了功率因数校正(pfc)和功率变换,使得输入输出电气隔离,能够实现在中大功率场合进行功率因数校正(pfc)获得较高的功率因数,且实现了电压的宽范围输出和多路输出,在不增加额外电路的同时使用全数字控制技术获得良好的动态和稳态调节特性,并解决了模拟控制中出现的变压器偏磁问题。

附图说明

图1为全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(pfc)变换器。

图2为图1功率因数校正(pfc)变换器的工作波形。

图3为全数字控制系统框图。

图4为主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示,本发明是一种全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(pfc变换器,包括单相输入整流桥v1、输入电容cin、软启动电路、输入电感lin、主开关管s1~s4、高频变压器tr、单相输出整流桥v2、输出滤波电容co、负载电阻ro和数字控制器构成的全数字控制系统。

在本实施例中,所述单相输入整流桥v1的正极端与所述输入电容cin的上端、所述软启动电路的输入上端相汇接,所述输入电容cin的下端与单相输入整流桥v1的负极输出端、软启动电路的输入下端相汇接。

在本实施例中,所述软启动电路的正极输出端与输入电感lin的前端相连接,输入电感lin的后端与所述开关管s1的漏极和开关管s4的漏极相汇接,所述开关管s1的源极与所述开关管s2的漏极相连接,所述开关管s4的源极与所述开关管s3的漏极相连接,所述开关管s2的源极和所述开关管s3的源极与所述软启动电路负极输出端相汇接。

在本实施例中,所述开关管s1和所述开关管s2的连接点的引出线与所述高频变压器tr初级绕组的一端相连接,所述开关管s4和所述开关管s3的连接点的引出线与所述高频变压器tr级绕组的另一端相连接。

在本实施例中,所述高频变压器tr次级绕组的两端分别与所述单相输出整流桥v2的两个输入端相连接,所述输出滤波电容co并联在所述单相输出整流桥v2的两个输出端之间,所述负载电阻ro并联在所述滤波电容co的两个端点之间。

采集变换器输出电压vout、输入电流iin与所述单相输入整流桥v1的输出电压vin一同输入数字控制器,构成电压外环电流内环的全数字控制系统,数字控制器根据采样信号进行pi调制,对四个主开关的开通与关断进行控制。

所述的数字控制器采用dsp控制器,dsp的资源分配为:功率因数校正(pfc)工作模式时,驱动波形如下分配,pwm3、pwm4、pwm7、pwm8分别给出s1、s2、s3与s4的驱动信号。信号分配如下,pwm3与pwm4驱动s1与s3,pwm7与pwm8驱动s2与s4;软启动工作模式时,dsp的输出pwm3、pwm4、pwm7、pwm8均工作在io口输出模式,分别给出主开关s1、s2、s3与s4的驱动信号。

本发明一种全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(pfc)变换器的工作原理:为了便于分析,作以下假定:变压器原副边变比为n∶1,所有器件均为理想状态。下文所述的工作原理分析是以上述假定为基础的,主要工作波形图如图2所示。图中vgs1、vgs2、vgs3和vgs4分别为主开关s1-s4的驱动信号,其中s1与s3的驱动信号一致,s2与s4的驱动信号一致。vp为变压器原边电压波形,vo为变压器副边输出电压,il为输入电感电流波形,t定义为功率因数校正(pfc)的工作周期,即电感工作周期,tsw为开关频率,即变压器工作周期。图2所示波形表明了开关管的工作模式与电感电流工作模式的关系。当电路的四个主开关全部开通,即如图2所示四个管子的驱动信号重叠的区域,整流桥之后的输入电压对电感进行充电,电感存储能量,因此该区域定义为本实施例的占空比。在本实施例中开关管s1与s3或者s2与s4同时开通的时候,即图2中所示的t1或t2期间,变压器的副边整流桥工作,电感电流下降,输入电感通过变压器向输出端输送能量。

图3为本实施例的全数字控制系统框图,vout为一种全数字式全桥隔离型单相单级功率因数校正(pfc)变换器的输出电压,vin是单相输入整流桥v1的输出电压,iin是变换器的输入电流,vref为变换器的参考输出电压。dsp数字控制器在工作时通过a/d对输入电压、电流和输出电压进行采样,然后控制程序先进行图3的电压外环调制,再进行电流内环的调制:将采样得到输出电压vout与变换器参考输出电压vref做比较,进行pi控制,再将pi的输出值与单相输入整流桥v1的输出电压vin通过乘法器相乘;将乘法器的输出iref作为电流内环的参考与输入电流iin做比较,进行pi控制,并对该pi控制的输出通过算法进行补偿,将补偿后的值经过一个pwm模块输出pwm波,然后去控制主开关管的开通和关断。

如图4所示为主程序流程图,根据此图解释数字控制过程如下:

1.主程序完成初始化工作,包括系统初始化,ad初始化,ev模块初始化,capture初始化。

2.功率因数校正(pfc)进行软启动,进入软启动工作模式。

3.判断软启动是否成功,若成功则进入功率因数校正(pfc)工作模式,若软启动失败,则关机进入循环为不可恢复关机操作。

4.在进入功率因数校正(pfc)模式后,在a/d中断服务中,对采样值进行了实时的更新,在主程序循环中,对输入电流以及输出电压进行实时检测,进行输入电流的过流保护,输出电压的过压保护以及欠压保护。软启动以后,在投载之前,需要保证输出电压稳定在一定的范围内,因此输出电压的保护有两个值点,即输出电压的保护点以及输出电压的恢复点。

若过流,则关机进入循环为不可恢复关机操作,电感不再充电,直接对副边进行放电,即整个变换器工作在全桥dc/dc模式,直到电感电流最大值减小到约为5a时,电感不再对输出端放电,即主开关驱动信号全部设为低。电感电流由原边的卸放部分卸放掉。

若过压,则进入过压保护,主开关的驱动波形变低,即电感不再充电,同时变压器原边不向副边传递能量,并循环判断输出电压是否到达恢复值,若恢复则重新进入功率因数校正(pfc)工作模式。

若欠压,则进入欠压保护启动,主开关的驱动波形重新恢复,电感充电并且变压器原边向副边传输能量,重新进行软启动。

以上所述仅为本发明的较佳实施方案而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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