CN102437728A - 一种利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法及其装置 - Google Patents

一种利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法及其装置。在AC/DC单相PFC变换器中并入一个额外的双向DC/DC变换器，在单相PFC变换器的输出高于参考电压或者参考电流的时候，用来存储和吸收多余的能量到能量缓冲储能电容；在单相PFC变换器的输出低于参考电压或参考电流的时候，释放储能电容的能量到到负载；以此方式补偿单相PFC变换器输出的交流纹波能量，从而消除单相PFC变换器直流输出端滤波器上的二倍工频纹波。本发明实现了消除功率因数校正变换器工频纹波电压或者纹波电流的问题，克服了使用大容量电容来降低功率因数校正变换器工频纹波而引起的成本高和使用级联的两级变换器带来效率低等问题。

Description

一种利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种消除功率因数校正变换器工频纹波的方法及其装置，尤其涉及消除工频纹波的AC/DC，隔离和非隔离式开关变换方法。
背景技术
近年来，电力电子技术迅速发展，作为电力电子领域重要组成部分的电源技术逐渐成为应用和研究的热点。电源作为各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统安全性和可靠性的高低。随着电力电子器件制造技术和变流技术的进步，开关电源以其高效率、高功率密度等优点确立了其在电源领域中的主流地位。开关电源多数是通过整流器接入电网的，传统的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路。因此，传统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低(一般仅为0.45～0.75)，它在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率进而污染电网，目前开关电源现已成为电网中最主要的谐波源之一。针对高次谐波的危害，从1992年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或消除谐波；二是主动法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即具有功率因数校正功能。开关电源功率因数校正研究的重点，主要是功率因数校正电路拓扑的研究和功率因数校正控制集成电路的开发。现有Buck、Boost、Buck-Boost等多种功率因数校正电路拓扑结构。功率因数校正控制集成电路负责检测变换器的工作状态，并产生脉冲信号控制开关装置，调节传递给负载的能量以稳定输出；同时保证开关电源的输入电流跟踪电网输入电压，实现接近于1的功率因数。
传统的有源功率因数校正变换器其直流输出电压包含有二倍工频纹波，若二倍工频输出电压纹波被引入功率因数校正控制器中，会使功率因数校正变换器的输入电流含有三次谐波电流成分，降低了功率因数校正变换器的输入功率因数。因此传统有源功率因数校正变换器的直流输出电压反馈控制环截止频率低(一般仅为10～20Hz)，这严重影响功率因数校正变换器对负载变化的动态响应能力。此外，由于有源功率因数校正变换器的直流输出电压纹波较大，需在功率因数校正变换器输出端再接一个DC/DC变换器来提高负载直流输出电压的稳态精度和对负载变化的动态响应能力。在传统高功率因数的应用电路中，输入电流严格跟踪输入交流电压，交流输入侧的输入功率也是变化的，其变化频率为交流输入电压频率的两倍，经过功率变换后，直流输出端滤波器上会有两倍工频纹波；且高功率因数的AC/DC变换器带宽小、动态性能差，输出纹波通常是额定输出的2％～20％。
发明内容
本发明的目的是提供一种可消除工频纹波的PFC变换器设计方法，且其动态响应性能好、效率高，适用于各种拓扑结构的单相PFC变换器。其中双向DC/DC变换器能量缓冲装置电压反馈的方法，还可用在消除输入电流含有二倍工频纹波的DC/AC转换器中，用来设定双向DC/DC变换器能量缓冲装置上的平均电压值。
所采用的技术方案是：利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法，其具体作法是：
通过在AC/DC单相PFC变换器中并入一个额外的双向DC/DC变换器，在单相PFC变换器的输出高于参考电压或者参考电流的时候，用来存储和吸收多余的能量到能量缓冲储能电容；在单相PFC变换器的输出低于参考电压或参考电流的时候，释放储能电容的能量到负载。用上述的方式补偿单相PFC变换器输出的交流纹波能量，从而消除单相PFC变换器直流输出端滤波器上的二倍工频纹波；同时利用该双向DC/DC变换器的高带宽特性提升单相PFC变换器的输出动态性能。
单相PFC变换器的直流输出电容与双向DC/DC变换器输入端及负载并联。其中，PFC变换器拓扑为常见的Boost变换器、全桥变换器、反激变换器等非隔离型与隔离型PFC变换拓扑，控制策略包括平均电流模式控制、单周控制等；双向DC/DC变换器拓扑为双向Buck-Boost等拓扑，控制策略可以为峰值电流模式控制、电压模式控制等。通过采样单相PFC变换器直流输出电压，作为DC/DC变换器的参考信号，控制双向DC/DC变换器的工作模式，用于补偿单相PFC变换器直流输出电容上的二倍工频纹波；并且引入双向DC/DC变换器储能电容的电压到反馈控制，使得储能电容的平均电压为恒定值，双向DC/DC变换器工作在稳定状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、相对于已有的功率因数校正变换器，采用本发明的功率因数校正变换器处于稳态时，有效地减小了负载的直流输出电压纹波，有利于变换器整流滤波电路选用较小的输出电容。2、采用发明的功率因数校正变换器可提高输出电压反馈控制环的截止频率，因此负载发生突变时双向DC/DC变换器可快速响应，提高系统的动态性能。3、采用发明的功率因数校正变换器无需后级的DC/DC变换器，仅需要一个小功率的双向DC/DC变换器来补偿输出纹波补偿，提高了变换器整机的效率，降低了变换器整机的成本。
本发明的另一目的是提供一种实现以上开关电源设计方法的装置。
利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换装置，由滤波整流器，单相PFC变换器等组成，在AC/DC单相PFC变换器中并入一个额外的双向DC/DC变换器，单相PFC变换器的直流输出电容C1连接到双向DC/DC变换器的输入端，并与负载R并联；双向DC/DC变换器的另一端接能量缓冲电容C2。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明实施案例一，一种隔离型AC/DC恒流输出变换器电路结构示意图。
图3，4本发明为实施例一的仿真波形，仿真条件输入电压110Vac/50Hz，300mA恒流负载。flyback PFC工作在临界连续导电模式，采用电压模式控制；纹波补偿双向DC/DC变换器采用Buck-Boost结构，控制方式为电压模式控制。
图3为稳态情况下，双向DC/DC变换器输出电压储能电容C2上的电压Vout in C2、单相PFC变换器输出电容C1上的电压Vout in
C1、以及最终负载电流I_out。可见由于双向变换器输出电容C2储存和释放能量，C2上形成了二倍工频纹波，而与负载R并联的电容C1上得到了稳定的直流输出电压。
图4为满负载情况下交流输入电压Vin_ac与交流输入电流Iin_ac的波形，可见输入电流Iin_ac很好的跟踪了输入电压Vin_ac。
图5为本发明实施案例二，一种非隔离型DC/AC恒压输出变换器电路结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图2示出，本发明的一种具体实施方式为，一种开关电源的控制方法，采用隔离型AC/DC恒流输出的变换方式，其具体作法是：
交流输入Vac经过EMI和整流桥Dbridge，接flyback电路。通过单级具有PFC功能的flyback变换器，其直流输出电容C1的上端接LED串的上端，LED串的下端接电流检测电阻RS，RS的下端接C1的下端。单相flyback PFC变换器直流输出电容C1与双向Buck-BoostDC/DC变换器具有升压输出的输入端并联，储能电容C2接双向Buck-Boost DC/DC变换器的降压输出端。单相flyback PFC变换器工作于临界连续导电模式。Vref1是相对于Vout-的参考电压，作为恒流输出的设定值，Rs用来检测流过LED灯的电流，电流检测电压Vrs与Vref1进入环路控制模块，通过误差放大器EA1，光耦隔离到SPFC控制器，通过调制形成开关管Q1的控制脉冲信号。双向Buck-Boost变换器也以Vrs作为反馈信号并与设定值Vref1进入误差放大器EA1，Rc与Cc是双向DC/DC变换器的环路补偿网络。Vref2是相对于Vout-的参考电压，用来设定储能电容C2上的稳态平均电压，C2上的电压与Vref2通过误差放大器EA2后与EA1共用环路补偿网络。控制器根据补偿网络输出信号形成开关管Q2，Q3的脉冲控制信号。
实施例二
图5示出，本发明的一种具体实施方式为，一种开关电源的控制方法，采用非隔离型DC/AC恒压输出的变换方式，其具体作法是：直流输入E1接Boost升压电路的电感L1，由L1、Q1、Q2组成非隔离升压电路。Vref1是相对于Vout-的参考电压，用来设定逆变器的前级电容C1上的直流电压Vout+。Vout+与Vref1通过误差放大器EA产生占空比控制电平信号，经过控制器1的调制形成开关管Q1、Q2的脉冲控制信号。电容C1接双向DC/DC变换器的输入端(降压端)，双向DC/DC变换器的输出端接储能电容C2。Vout+与Vref1通过误差放大器EA1产生占空比控制电平信号，接环路补偿网络Rc、Cc。Vref2是相对于Vout-的参考电压，用来设定储能电容C2上的直流电压VC2，VC2与Vref2通过误差放大器EA2产生占空比控制电平信号，并与EA1的输出共用补偿网络。经过控制器2的调制形成开关管Q3、Q4的脉冲控制信号。

Claims (6)

1.一种利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法，其特征在于：在AC/DC单相PFC变换器中并入一个额外的双向DC/DC变换器，在单相PFC变换器的输出高于参考电压或者参考电流的时候，用来存储和吸收多余的能量到能量缓冲储能电容；在单相PFC变换器的输出低于参考电压或参考电流的时候，释放储能电容的能量到负载；以此方式补偿单相PFC变换器输出的交流纹波能量，从而消除单相PFC变换器直流输出端滤波器上的二倍工频纹波。
2.如权利要求1所述利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法，其特征在于，单相PFC变换器的控制方法是：单相PFC变换器控制单元的参考电压Vref1是相对于Vout-的直流电压，恒流控制的反馈信号为Vrs，其中(Vrs-Vout-)/Rs是最终负载侧的电流信号；由反馈信号Vrs与Vref1的差值经过控制环路产生决定功率开关Q1占空比的信号，经过PWM调制从而得到功率开关Q1的脉冲控制信号。
3.如权利要求1所述利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法，其特征在于，双向DC/DC变换器的控制方法是：双向DC/DC变换器控制单元的参考电压Vref1是相对于Vout-的直流电压，恒流控制的反馈信号为Vrs，其中(Vrs-Vout-)/Rs是最终负载侧的电流信号；由反馈信号Vrs与Vref1的差值经过误差放大信号EA1来产生决定功率开关Q2、Q3占空比的信号，经过PWM调制从而得到功率开关Q2、Q3的脉冲控制信号。
4.如权利要求1所述利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法，其特征在于，双向DC/DC变换器的控制方法是：双向DC/DC变换器控制单元的参考电压Vref2是相对于Vout-的直流电压，双向DC/DC变换器能量缓冲电容C2两端的电压与控制单元参考电压Vref2的差值经过误差放大器EA2后，其输出与权利要求3中的EA1共用补偿网络，产生决定功率开关Q2、Q3占空比的信号，经过PWM调制从而得到功率开关Q2、Q3的脉冲控制信号。
5.如权利要求4所述利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法，其特征在于，双向DC/DC变换器的控制方法是：引入误差放大器EA2，EA2与双向DC/DC变换器的误差放大器EA1共用补偿网络。
6.一种实现权利要求1或2或3或4或5所述利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法的装置，由滤波整流器，单相PFC变换器等组成，其特征在于，在AC/DC单相PFC变换器中并入一个额外的双向DC/DC变换器，单相PFC变换器的直流输出电容C1连接到双向DC/DC变换器的输入端，并与负载R并联；双向DC/DC变换器的另一端接能量缓冲电容C2。
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