采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电能变换装置的交流-直流变换器技术领域，特别是一种采用开关周 期最优利用率控制的断续升压变换器。
【背景技术】
[0002] 功率因数校正（PowerFactorCorrection,PFC)变换器可W减小输入电流谐波， 提高输入功率因数，已得到广泛应用。PFC变换器分为有源和无源两种方式，相对于无源方 式来说，有源方式具有输入功率因数高、体积小、成本低等优点。
[0003] 有源PFC变换器可W采用多种电路拓和控制方法，其中BoostPFC变换器是常用 的几种PFC变换器之一，根据电感电流连续与否，可将其分为S种工作模式，即电感电流连 续模式（ContinuousQirrentMode,CCM)，电感电流临界连续模式（CriticalContinuous QirrentMode,CRM),电感电流断续模式值iscontinuousQirrentMode,DCM)。
[0004] 其中电流断续模式升压功率因数校正变换器具有开关管零电流开通、二极管无反 向恢复和开关频率恒定等优点，但由于工作在断续模式，能量的传输未占满整个开关周期， 其电感电流峰值及有效值较大，开关管和二极管亦然，在加重功率器件电流应力的同时，也 带来导通损耗和开关管关断损耗的增加，影响效率的提高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，通 过一种新的开关周期最优利用率控制，大大提高了临界电感值，减小了电感电流峰值及有 效值。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为；一种采用开关周期最优利用率控制的断续 升压变换器，包括变换器主功率电路和控制电路；所述变换器主功率电路包括输入电压源 Vi。、EMI滤波器、二极管整流电路RB、Boost电感Lb、开关管斯、二极管Db、储能电容C。、负载 Ru;其中输入电压源V1。与Effl滤波器的输入端口连接，Effl滤波器的输出端口与二极管整 流电路RB的输入端口连接，二极管整流电路RB的输出负极为参考电位零点，二极管整流电 路RB的输出正极与Boost电感Lb的一端连接，Boost电感Lb的另一端分别与开关管Qb的 漏极及二极管Db的阳极连接，开关管Qb的源极与参考电位零点连接，二极管Db的阴极分别 与储能电容C。的阳极及负载Ru的一端连接，储能电容C。的阴极及负载Ru的另一端均与参 考电位零点连接；
[0007] 所述的控制电路包括第一分压电路、减法电路、第二分压电路、乘法器、误差调节 电路、巧片UC3525A;其中第一分压电路的输入端与输入电压义样点Vg即二极管整流电路 RB的输出正极连接，第一分压电路的输出端A与减法电路的反相输入端连接，第二分压电 路的输入端连接主功率电路的输出电压V。的正极，第二分压电路的输出端B分别与减法电 路的正相输入端和乘法器的第二输入端V,连接，减法电路的输出端C与乘法器的第一输入 端V,相连接，误差调节电路的反相输入端连接输出电压V。的正极，误差调节电路的正相输 入端连接电压基准信号Vm，误差调节电路的输出端与乘法器的第=输入端Vy连接，乘法器 的输出端P与巧片UC3525A的输入端连接。
[000引本发明与现有技术相比，其显著优点是；（1)临界电感值大幅增大，电感电流峰值 及有效值减小，主功率器件电流应力降低，变换器的效率提高；（2)输入电流谐波满足IEC 61000-3-2ClassD标准要求；(3)输出电压纹波减小，尤其在输入电压较高时。若保持输出 电压最大纹波不变，则储能电容值可分别减小为原先的48. 6%。
【附图说明】
[0009] 图1是BoostPFC变换器主电路。
[0010] 图2是DCMBoostPFC变换器开关周期内电感电流波形。
[0011] 图3是半个工频周期内DCMBoostPFC变换器电感电流及其平均值和峰值波形。
[0012] 图4是半个工频周期内标么化后的输入电流波形。
[001引图5是不同情况下的PF曲线图。
[0014] 图6是不同输入电压下的临界电感值。
[0015] 图7是半个工频周期内的开关周期利用率曲线。
[001引图8是31/2和0角度附近开关周期内的电感电流波形，其中（a)是31/2角度附 近开关周期内的电感电流波形图，化）是0角度附近开关周期内的电感电流波形图。
[0017] 图9是临界电感值与M和a的关系图，其中（a)是曲面图，化）是曲线图。
[0018] 图10是本发明采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器的电路结构图。 [001引图11是开关管驱动信号和电感电流波形图，其中（a)是定占空比控制，化）是开 关周期最优利用率控制（Lb2= 92UH)，（C)是开关周期最优利用率控制（Lb2= 599UH)。
[0020] 图12是半个工频周期中的输入电流波形。
[0021] 图13是3、5、7次谐波与基波之比。
[0022] 图14是3、5、7次谐波与功率之比。
[0023] 图15是不同输入电压下的电感电流有效值。
[0024] 图16是半个工频周期中的电感电流峰值。
[00巧]图17是半个工频周期中的瞬时输入功率标么值和输出电压波形。
[0026] 图18是两种控制方式下的输出电压纹波之比。
【具体实施方式】
[0027] 1DCMBoostPFC变换器的工作原理
[002引图1是主电路。图2给出了工作于DCM时的电感电流波形。图3为半个工频周期 内，电感电流及其平均值和峰值波形。
[0029] 输入交流电压的表达式为：
[0030] V化=Vmsin?t (1)
[00扣工频周期内，当占空比Dy固定时，假设变换器的效率为100% (后同），[0-31]内， 一个开关周期中电感电流峰值i^jk、电感电流平均值即输入电流i1。、占空比Dy、电感 电流下降时间恥和功率因数PF分别为
【主权项】
1. 一种采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，其特征在于，包括变换器主 功率电路（1)和控制电路：所述变换器主功率电路（1)包括输入电压源Vin、EMI滤波器、二 极管整流电路RB、Boost电感Lb、开关管Qb、二极管Db、储能电容C。、负载R u;其中输入电压 源vin与EMI滤波器的输入端口连接，EMI滤波器的输出端口与二极管整流电路RB的输入 端口连接，二极管整流电路RB的输出负极为参考电位零点，二极管整流电路RB的输出正极 与Boost电感Lb的一端连接，Boost电感Lb的另一端分别与开关管Qb的漏极及二极管D b的 阳极连接，开关管Qb的源极与参考电位零点连接，二极管D b的阴极分别与储能电容C。的阳 极及负载Ru的一端连接，储能电容C。的阴极及负载Rw的另一端均与参考电位零点连接； 所述的控制电路包括第一分压电路（2)、减法电路（3)、第二分压电路（4)、乘法器（5)、 误差调节电路（6)、芯片UC3525A(7);其中第一分压电路（2)的输入端与输入电压采样点Vg即二极管整流电路RB的输出正极连接，第一分压电路（2)的输出端A与减法电路（3)的反 相输入端连接，第二分压电路（4)的输入端连接主功率电路（1)的输出电压V。的正极，第 二分压电路（4)的输出端B分别与减法电路（3)的正相输入端和乘法器（5)的第二输入端 Vz连接，减法电路⑶的输出端C与乘法器（5)的第一输入端Vx相连接，误差调节电路（6) 的反相输入端连接输出电压V。的正极，误差调节电路（6)的正相输入端连接电压基准信号 Vtjg，误差调节电路（6)的输出端与乘法器（5)的第三输入端Vy连接，乘法器（5)的输出端P 与芯片UC3525A(7)的输入端连接。
2. 根据权利要求1所述的采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，其特征在 于，所述的第一分压电路（2)包括第一运算放大器A1、第一电阻R1、第二电阻R2;输入电压采 样点Vg与第一电阻R :的一端连接，第一电阻R:的另一端分别与第一运算放大器A i的正相 输入端和第二电阻R2的一端连接，第二电阻1?2的另一端与参考电位零点连接，第一运算放 大器4的反向输入端与输出端A直接连接，构成同相电压跟随器。
3. 根据权利要求1所述的采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，其特征在 于，所述减法电路（3)包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R 6、第二运算放 大器A2，其中第三电阻馬一端与第一分压电路（2)的输出端A连接，另一端连接到第二运 算放大器A2的反相输入端，第六电阻R 6串接于第二运算放大器A 2的反相输入端和输出端 之间，第四电阻R4-端连接到第二分压电路（4)的输出端B，第四电阻1?4的另一端分别与 第一运算放大器A2的正相输入端和第五电阻R 5的一端连接，第五电阻R 5的另一端与参考 电位零点连接。
4. 根据权利要求1所述的采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，其特征在 于，所述的第二分压电路（4)包括第三运算放大器A3、第七电阻R7、第八电阻R8;输出电压V。 正极与第七电阻R7的一端连接，第七电阻R 7的另一端分别与第三运算放大器A 3的正相输 入端和第八电阻R8的一端连接，第八电阻R 8的另一端与参考电位零点连接，第三运算放大 器^的反向输入端与输出端A直接连接，构成同相电压跟随器。
5. 根据权利要求1所述的采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，其特征在 于，所述误差调节电路（6)包括第九电阻R9、第十电阻Rltl、第十一电阻Rn、第一电容(^、第四 运算放大器A4;其中第九电阻R9-端与第二分压电路（4)的输出端B连接，另一端分别与 第四运算放大器A4的反相输入端、第十电阻Rltl的一端、第十一电阻R11的一端连接，第十电 阻Rltl的另一端与参考点位零点连接，第十一电阻R n的另一端与第一电容C广端连接，第 一电容C1的另一端与第四运算放大器A4的输出端连接，第四运算放大器A4的正相输入端 连接电压基准信号Vtjg。
6.根据权利要求2所述的采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，其特征在 于，所述芯片UC3525A(7)由TI公司生产，包括第五运算放大器、、第六放大器A6、PWM Latch 电路和分频器，该芯片是一种电压型PWM集成控制器，集成了进行脉宽调制所需的功能。
【专利摘要】本发明公开了一种采用开关周期最优利用率控制的断续升压变换器，包括主功率电路和控制电路，控制电路结构如下：第一分压电路的输入端与输入电压采样点连接，第一分压电路的输出端与减法电路的反相输入端连接，第二分压电路的输入端连接主功率电路的输出电压正极，第二分压电路的输出端分别与减法电路的正相输入端和乘法器的第二输入端连接，减法电路的输出端与乘法器的第一输入端vx相连接，误差调节电路的反相输入端连接输出电压的正极，误差调节电路的正相输入端连接电压基准信号，误差调节电路的输出端与乘法器的第三输入端连接，乘法器的输出端与芯片UC3525A的输入端连接。本发明增大了临界电感值，提高了变换效率，同时也减小了输出电压纹波或输出储能电容。
【IPC分类】H02M1-14, H02M7-217
【公开号】CN104836461
【申请号】CN201510126637
【发明人】姚凯, 李强, 周旭峰, 王祎, 李辉
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年3月20日