高功率因数的CRM Buck PFC变换器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电能变换装置的交流-直流变换器领域，特别是一种高功率因数的 CRM Buck PFC 变换器。
【背景技术】
[0002] 功率因数校正（Power Factor Correction, PFC)变换器可以减小输入电流谐波， 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变换器可以采用多种电路拓和控制方法，其中Buck PFC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，可将其分为三种工作模式，即电感电流连 续模式（Continuous Current Mode, CCM)，电感电流临界连续模式（Critical Continuous Current Mode, CRM)，电感电流断续模式（Discontinuous Current Mode, DCM)。
[0004] CRM Buck PFC变换器一般应用在中小功率场合，其优点是开关管零电流开通、升 压二极管无反向恢复等。但由于Buck变换器输入电流固有导通死区，功率因数值达不到1， 但也还有提高PF值的方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种高功率因数的CRM Buck PFC变换器，通过引入电压前 馈，进一步提高变换器的功率因数值。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种高功率因数的CRM Buck PFC变换器，包 括主功率电路和控制电路，所述主功率电路包括输入电压源Vin、EMI滤波器、二极管整流电 路RB、开关管Q b、二极管Db、电感Lb、滤波电容C。和负载Rtd，其中输入电压源V in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的输出正极与开关管Q b的源 极s连接，开关管QJI极d分别接入电感L b的一端和二极管D b的阴极，电感L b的另一端分 别与滤波电容C。的一端和负载R w的一端连接，二极管D b的阳极、滤波电容C。的另一端和 负载Ru的另一端均连接参考电位零点，负载R u两端的电压为输出电压V。；
[0007] 所述的控制电路包括CRM控制和驱动电路、第一分压跟随电路、第二峰值取样电 路、第三分压电路、第一乘法器、第一减法电路、第二加法电路、第三减法电路、第二乘法器、 输出电压反馈电路；其中CRM控制和驱动电路的输出端与开关管Qb的栅极g连接；第一分 压跟随电路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 压跟随电路的输出端A分别与第一乘法器的第二输入端v y、第二峰值取样电路的一个输入 端连接；第三分压电路的输入端与主功率电路的输出电压V。的正极连接，第二峰值取样电 路的输出端B与第一乘法器的第三输入端v z连接，第三分压电路的输出端C与第一乘法器 的第一输入端vx连接；第一乘法器的输出端D和第二加法电路的输出端E分别连接第一减 法电路的不同输入端；第二加法电路的输入端分别与第一分压跟随电路的输出端A和第三 分压电路的输出端C连接；第三减法电路两个输入端分别与第一分压跟随电路的输出端A 和第三分压电路的输出端C连接；第一减法电路的输出端F、第三分压电路的输出端C、第三 减法电路的输出端G分别与第二乘法器的三个输入端连接；第二乘法器的输出端P与CRM 控制和驱动电路的输入端3连接；输出电压反馈电路的输入端连接主功率电路的输出电压 V。的正极，输出电压反馈电路的输出端连接CRM控制和驱动电路的输入端2。
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点是：⑴在整个输入电压范围内，功率因数都 有所提高，特别是在低压段，90V处有1. 6 %的提高幅度；(2)输入电流谐波减少，在高压段， 3、5、7次谐波基本接近于零，而在90V处的3次谐波减少了 16. 1 %。
【附图说明】
[0009] 图1是Buck PFC变换器主电路示意图。
[0010] 图2是CRMBuckPFC变换器的电感电流波形图。
[0011] 图3是半个工频周期内CRM Buck PFC变换器的电感电流波形图。
[0012] 图4是传统控制的功率因数曲线图。
[0013]图5是传统控制奇次谐波与基波的比值随输入电压的变化曲线图。
[0014] 图6是注入三次谐波后功率因数与vyvjp:的三维图。
[0015] 图7是注入三次谐波后的导通时间曲线图，其中（a)是仏=90在的导通时间曲线 图，（b)是F；,"=178V^、264万的导通时间曲线图。
[0016]图8是功率因数值在不同输入电压下随k值变化的曲线关系图，其中（a)是输入 电压为90.万、丨丨9#、丨48.万、177V^的功率因数值随k值变化的曲线图，（b)是输入 电压为206 A、235万、264^/1的功率因数值随k值变化的曲线图。
[0017] 图9是两种控制方式下的功率因数曲线图。
[0018] 图10是两种控制方式的开关频率曲线图，其中（a)是低输入电压范围两种控制方 式的开关频率曲线图，（b)是高输入电压范围传统控制方式的开关频率曲线图，（C)是高输 入电压范围注入三次谐波的开关频率曲线图。
[0019]图11是两种控制方式的电感电流有效值随输入电压的变化曲线图。
[0020] 图12是两种方式下的瞬时输入功率标幺值在半个工频周期内的变化曲线图，其 中（a)是传统控制方式下输入电压为90 丨34 176^时瞬时输入功率标么值在半 个工频周期内的变化曲线图，（b)是传统控制方式下输入电压为220力、264v^时瞬时输 入功率标幺值在半个工频周期内的变化曲线图，（c)是变导通时间控制方式下输入电压为 90上、134VI、176?^时瞬时输入功率标幺值在半个工频周期内的变化曲线图，（d)是 变导通时间控制方式下输入电压为22〇VI、264^时瞬时输入功率标幺值在半个工频周 期内的变化曲线图。
[0021] 图13是两种控制方式下的输出电压纹波比值曲线图。
[0022] 图14是两种控制方式的低次奇次谐波含量曲线比较图，其中（a)是定导通时间控 制的低次奇次谐波含量曲线图，（b)是变导通时间控制的低次奇次谐波含量曲线图。
[0023] 图15是本发明高功率因数的CRM Buck PFC变换器的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0025] ICRMBuckPFC变换器的工作原理
[0026] 图1是Buck PFC变换器主电路。
[0027] 为了分析方便，先作如下假设：1.所有器件均为理想元件；2.输出电压纹波与其 直流量相比很小；3.开关频率远高于输入电压频率。
[0028] 图2给出了 CRM时一个开关周期中的电感电流波形。当Qb导通时，Db截止，升压 电感U两端的电压为v g-V。，其电流由零开始以（V^Vci)/Lb的斜率线性上升。当Qb 关断时，U通过D b续流，此时L b两端的电压为V。，itb以V yLb的斜率下降。由于Buck变换 器工作在CRM模式，因此在1下降到零时，开关管Q b开通，开始新的开关周期。
[0029] 不失一般性，定义输入交流电压Vin的表达式为
[0030] Vin=Vmsin〇t (1)
[0031] 其中Vn^P ?分别为输入交流电压的幅值和角频率。
[0032] 那么输入电压整流后的电压为
[0033] Vg= Vm ? |sin〇t (2)
[0034] 在一个开关周期内，电感电流峰值Lb pkS
[0036] 其中t。#Qb的导通时间。
[0037] 在每个开关周期内，Lb两端的伏秒面积平衡，那么Qb的关断时间为
[0039]从图2可以看出，每个开关周期内，电感电流的平均值ilb_av为其峰值的一半，由式 (3)可得
[0041] 由式（5)可知，如果在一个工频周期内，是固定的，那么输入电压大于输出电压 时电感电流的平均值为正弦形式。
[0042] 图3给出了在半个工频周期内电感电流、峰值包络线和平均值的波形。其中0 = arcsin(V〇/Vm)〇
[0043] 由式（5)和图1可以看出，输入电流为
[0045] 假设变换器的输出功率为P。，效率为1，由输入输出功率平衡可得
[0051] 由式⑶和（9)可知，传统控制为峰值电流控制，输入输出电压、输出功率确定时， 导通时间是恒定的，结合Buck输入输出电压关系Vm sin 0 = V。，不妨设
[0058] 选定参数，输入电压Vin ras范围为90~264V，输出电压V。为90V，输出功率P