单级无桥PFC变换器及控制方法

本发明涉及一种具有较宽输出电压范围的单级无桥pfc变换器，属于单级单相无桥pfc变换器拓扑领域。

背景技术：

1、在交直流ac/dc变换场合，图腾柱pfc、dual-boost无桥pfc以及三电平无桥pfc因其无桥结构具有较高的效率而得到广泛应用。然而，这些无桥pfc均是从boost型pfc变换器演变而来，其固有的升压特性使得该类电路的输出电压必须大于输入交流电压峰值。对于直流输出电压范围要求较宽的应用场合需要在其后面增加一级dc/dc变换电路以实现降压功能，两级变换必然会带来效率降低、功率密度降低等缺点。

2、为拓宽单级无桥pfc变换器的输出电压范围，基于sepic电路的单级pfc变换器被提出。该类变换器由sepic电路衍生得到，输出电压可实现灵活升降压，但由于其电路结构的复杂性，目前该类拓扑较少，主要有双sepic变换单元无桥pfc变换器以及其简化拓扑。双sepic变换单元无桥pfc变换器采用两组sepic电路分别工作于交流输入电压的正负半周以实现功率因数校正，采用两组并行结构必然会存在元器件较多、结构复杂的缺点。为此，对双sepic变换单元无桥pfc变换器的简化拓扑应运而生，两组sepic单元简化为一组、元器件利用率较高。然而，简化拓扑使用的变压器为副边双绕组，变压器的设计相对复杂；同时变换器工作在降压模式时，变换器的输入电流存在直流分量，严重影响输入电流正弦度，无法实现较好的pfc效果，限制了变换器输出电压的调节下限。

技术实现思路

1、针对单级pfc变换器结构复杂、输出电压范围受限的问题，本发明提供一种结构简单、输出电压范围较宽的单级无桥pfc变换器。

2、本发明的一种单级无桥pfc变换器，包括滤波电感、双向开关、储能电容、变压器t、二极管d1-d2和滤波电容cdc1-cdc2；

3、输入电源的正极与滤波电感的一端连接，滤波电感的另一端与双向开关的一端、储能电容的一端同时连接，储能电容的另一端与变压器t原边的同名端连接，双向开关的另一端与变压器t原边的异名端连接；

4、变压器t副边的同名端同时与二极管d1的阳极、二极管d2的阴极连接；

5、变压器t副边的异名端同时与滤波电容cdc1的负极和滤波电容cdc2的正极连接；

6、二极管d1的阴极、滤波电容cdc1的正极连接；

7、滤波电容cdc2的负极、二极管d2的阳极连接。

8、本发明的单级无桥pfc变换器的控制方法，包括:

9、变换器工作于临界导通模式；

10、若|vac|>nvdc/2，变换器工作于降压模式，按照降压模式控制方程vmton＝|vac|对变换器进行控制；若|vac|<nvdc/2，变换器工作于升压模式，按照升压模式控制方程vmton＝|vac|+nvdc/2对变换器进行控制；

11、ton表示一个开关周期内双向开关管的导通时间，变压器t的原副边匝数比n:1，vdc为负载电压，vac为输入电源的输入电压，rac为交流侧等效输入电阻；lm为变压器t的励磁电感参数，

12、本发明的变换器还包括控制电路，控制电路包括电压补偿器、复位积分器、过零检测电路、比较器和rs触发器；

13、负载电压vdc与电压给定值vdc_ref进行比较，差值经过电压补偿器闭环调节，电压补偿器的输出值vm作为复位积分器的被积信号，过零检测电路用于检测输出侧滤波电容中点电流id的zcd信号，并作为复位积分器的复位信号，为上升沿触发，所述zcd信号同时输入至rs触发器的s端；复位积分器的积分输出为vmton；

14、复位积分器的积分输出与比较值分别输入到比较器的正、负输入端，比较器的输出与rs触发器的r端连接，rs触发器的q端输出双向开关管的驱动信号；

15、当变换器工作于降压模式，所述比较值为|vac|；

16、当变换器工作于升压模式，所述比较值为|vac|+nvdc/2。

17、作为优选，若|vac|>nvdc/2，则认为工作于降压模式，若|vac|<nvdc/2，则认为工作于升压模式。

18、作为优选，降压模式的开关周期ts为：

19、

20、式中，pac为输入功率，vac_rms为交流输入电压有效值，lm为变压器t的励磁电感参数。

21、作为优选，升压模式的开关周期ts为：

22、

23、式中，pac为输入功率，vac_rms为交流输入电压有效值，lm为变压器t的励磁电感参数。

24、作为优选，变压器t的励磁电感参数lm为：

25、

26、其中，ts_max为开关周期ts的上限值。

27、作为优选，滤波电感的电感值l为：

28、

29、式中，α为电流纹波系数。

30、本发明的有益效果，本发明采用简单的电路结构和灵活的控制方法即可实现交流侧的功率因数校正以及直流侧的宽电压范围输出。变换器拓扑的优势主要表现在：电路结构简单且元器件利用率较高，相比于双sepic变换单元无桥pfc变换器6个开关器件、2个储能电容、2个储能电感，本拓扑采用4个半导体功率器件、1个储能电容、1个储能电感，开关器件数量减少，电感、电容数量减半；相比于双sepic变换单元无桥pfc变换器简化拓扑，变压器副边仅需要一个绕组，变压器结构简单且制造容易。此外，该变换器工作于临界导通状态，并可在降压模式与升压模式之间灵活切换，依据不同工作模式下的控制方程对变换器导通时间ton进行控制，降压模式下存在的输入电流畸变问题得以有效解决，输出电压范围显著拓宽。

技术特征：

1.单级无桥pfc变换器，其特征在于，包括滤波电感、双向开关、储能电容、变压器t、二极管d1-d2和滤波电容cdc1-cdc2；

2.根据权利要求1所述的单级无桥pfc变换器，其特征在于，所述变换器还包括控制电路，所述控制电路包括电压补偿器、复位积分器、过零检测电路、比较器和rs触发器；

3.根据权利要求2所述的单级无桥pfc变换器，其特征在于，降压模式的开关周期ts为：

4.根据权利要求2所述的单级无桥pfc变换器，其特征在于，升压模式的开关周期ts为：

5.根据权利要求3或4所述的单级无桥pfc变换器，其特征在于，变压器t的励磁电感参数lm为：

6.根据权利要求5所述的单级无桥pfc变换器，其特征在于，滤波电感的电感值l为：

7.权利要求1所述的单级无桥pfc变换器的控制方法，其特征在于，所述变换器工作于临界导通模式，所述控制方法包括:

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，降压模式的开关周期ts为：

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，变压器t的励磁电感参数lm为：

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，滤波电感的电感值l为：

技术总结
单级无桥PFC变换器及控制方法，解决了单级PFC变换器结构复杂、输出电压范围受限的问题，属于单级单相无桥PFC变换器拓扑领域。本发明的变换器包括滤波电感、双向开关、储能电容、变压器、二极管D<subgt;1</subgt;‑D<subgt;2</subgt;、滤波电容C<subgt;dc1</subgt;‑C<subgt;dc2</subgt;和控制电路；该变换器工作于临界导通状态，当工作于降压模式，控制电路按照降压模式控制方程V<subgt;m</subgt;T<subgt;on</subgt;＝|v<subgt;ac</subgt;|对变换器进行控制；当工作于升压模式，控制电路按照升压模式控制方程V<subgt;m</subgt;T<subgt;on</subgt;＝|v<subgt;ac</subgt;|+nV<subgt;dc</subgt;/2对变换器进行控制；可在降压模式与升压模式之间灵活切换，依据不同工作模式下的控制方程对变换器导通时间T<subgt;on</subgt;进行控制，降压模式下存在的输入电流畸变问题得以有效解决，输出电压范围显著拓宽。

技术研发人员：李浩昱,丁明远,邢延林,王鹏飞,叶一舟
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16