CN102946188A - 一种整合电感式多输出单相功率因数校正变换器拓扑及其控制方法 - Google Patents

一种整合电感式多输出单相功率因数校正变换器拓扑及其控制方法 Download PDF

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刘雪山
王楠
陈章勇
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Abstract

本发明公开了一种整合电感式多输出单相功率因数校正变换器拓扑及其控制方法。采用一套电感和多个开关管即可实现多路无交叉影响的恒流或恒压输出，其中电感电流工作在断续模式。通过分时复用方法，实现了部分开关器件的软开通与软关断，从而提升了效率。该装置相对传统方法减少了电感与控制器的使用数量，进而降低了成本。该发明为需要多路恒流或恒压并且需要功率因数校正的应用提供了一种高效率、低成本的解决方案。

Description

一种整合电感式多输出单相功率因数校正变换器拓扑及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力输送，尤其多路恒流或恒压输出PFC变换器技术领域。
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。开关电源以其效率高、功率密度高而确立了其在电源领域中的主流地位，但其通过整流器接入电网时会存在一个致命的弱点：功率因数较低(一般仅为0.45～0.75)，且在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网。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。现有Buck、Boost、Buck-Boost等多种功率因数校正电路拓扑结构。近年来，随着消费电子、照明等领域的发展，具有功率因数校正功能的多路输出变换器得到了广泛应用。
传统的有源功率因数校正变换器实现多路输出是分别通过多个独立的变换器实现的，即使有些变换器，如变压器耦合方式，虽可实现多路恒压输出，但无法实现多路恒流输出。这种通过多个变换器实现多路输出的方法虽然可以实现功率因数校正，但使用电感及控制芯片的数量随着输出路数增加而增多，所以成本高，体积大。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种整合电感式多输出PFC的控制方法，通过各路分时复用一套电感实现功率因数校正及多路恒流或恒压输出，减少了电感的数量，从而降低了多输出变换器的成本和体积。
本发明为实现其发明目的所采用的技术方案是：采用一套电感或变压器和多个开关管实现多路恒流或恒压输出PFC变换器，通过对电感电流分时复用控制实现各路独立调节多路输出PFC，具体做法是：
对多个独立输出相同拓扑或者不同拓扑变换器的电感进行整合，形成电感整合单元IIU；控制器CON分别从每路输出进行采样，采样信号为SA1，SA2到SAn，采样方式可以为输出电流采样或输出电压采样；在一个工作周期内，控制器为每路分配一定的电感复用时间，对应的脉冲信号为DR1，DR2到DRn，此脉冲信号用来控制各路输出的开关管SW1，SW2，到SWn；其中每一路电感电流上升与下降的时间和小于各路的复用时间，确保电感电流工作在断续模式。
本发明的目的还在于，提出一类采用如上控制方法的变换器拓扑。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、相对于已有的多输出功率因数校正变换器，采用本发明的多输出功率因数校正变换器可以减少电感与控制芯片的数量，降低成本，提高功率密度；
2、采用本发明的多输出功率因数校正变换器单级即可实现多路恒压或恒流输出控制，具有效率优势；
3、本发明的多输出功率因数校正变换器电感电流工作在断续模式，各路输出分时复用控制开关管可实现零电流开通与零电流关断，降低了开关损失。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为现有单级多路输出功率因数校正器方案，需要多个电感和多个控制器。
图2为现有两级多路输出功率因数校正器方案，需要多个电感和多个控制器。
图3为本发明实施的结构框图，仅需单个电感和单个控制器即可实现多路恒流或恒压输出。
图4为本发明的第一个实施例装置：电感整合单元IIU为Buck-boost形式的多输出功率因数校正器。
图5为对应图4的电感电流控制时序及复用方式图解。
图6为本发明的第二实施例拓扑：电感整合单元IIU为Buck形式的多输出功率因数校正器。
图7为本发明的第三实施例拓扑：电感整合单元IIU为Boost形式的多输出功率因数校正器。
图8为本发明的第四实施例拓扑：电感整合单元IIU为Cuk形式的多输出功率因数校正器。
图9为本发明的第五实施例拓扑：电感整合单元IIU为Sepic形式的多输出功率因数校正器。
图10为本发明的第六实施例拓扑：电感整合单元IIU为Flyback形式的多输出功率因数校正器。
图11为本发明的第七实施例拓扑：电感整合单元IIU为Buck与Buck-boost混合形式的双输出功率因数校正器。
具体实施方式：
图4为本发明的一个具体实施方式，如图4所示为电压型PWM控制多输出单级Buck-boost多路恒流输出功率因数校正拓扑及控制实现，其控制时序如图5所示。1、2…n路输出电流的采样电压信号SA1、SA2、…SAn分别与参考电压Vref进行比较，通过误差放大器(EA1、EA2、…EAn)产生误差信号Ve1、Ve2、…Ven。锯齿波信号Vsaw同时与误差信号进行比较产生C1、C2、…Cn信号。由分时复用控制器产生的分时复用信号TM给选择器S提供选择信号，进而决定在一个周期内控制器选择每路的占空比信号C1、C2…Cn。各路控制开关管(SW1、SW2、…SWn)的驱动信号也由分时复用控制器产生。为了实现定占空比控制，误差放大器的带宽必须要小于2倍工频，一般为10～20Hz左右，这样设置的误差放大网络对输出工频纹波及输入的正弦电压不会很敏感，即可实现定占空比要求，从而实现PFC。
图5为对应图4的电感电流控制时序图解，由于各路均是Buck-boost结构，通过输入滤波，对应各路的输入电流(Iin1_av，Iin2_av，…Iinn_av)均有天然1的功率因数校正能力，因此，各路输入电流的总和(Iin)也具有天然1的功率因数校正能力。
由于电感电流工作在断续模式，图4中SW1，SW2，…SWn可实现零电流开通与零电流关断，从而降低了损耗。
其他控制方法如峰值电流模式控制等传统控制方法，电感的分时复用方式与上述电压模式控制类似，也在本发明保护范围内。
图6、图7、图8、图9与图10均为本发明的实施例，对同类型拓扑进行了电感整合，对应不同的应用场合，有各自不同的特点，其中图8所示的多输出结构具有低输出纹波的特点。
图11为电感整合单元IIU为Buck与Buck-boost混合形式的双输出功率因数校正器，属于整合电感式混合拓扑形式，对多个独立输出不同拓扑的PFC变换器进行电感整合，每个支路分别使用开关管对整合电感进行分时复用控制。
图6、图7、图8、图9、图10与图11实施例中的整合电感式多输出功率因数校正变换器的输出路数可以为两路恒流或恒压输出，也可以为多路恒流或恒压输出。

Claims (5)

1.一种整合电感式多输出功率因数校正控制方法，其特征在于：
采用一套电感或变压器和多个开关管实现多路恒流或恒压输出PFC变换器，通过对电感电流分时复用控制实现各路独立调节多路输出PFC，具体做法是：
对多个独立输出相同拓扑或者不同拓扑变换器的电感进行整合，形成电感整合单元IIU；控制器CON分别从每路输出进行采样，采样信号为SA1，SA2到SAn，采样方式可以为输出电流采样或输出电压采样；在一个工作周期内，控制器为每路分配一定的电感复用时间，对应的脉冲信号为DR1，DR2到DRn，此脉冲信号用来控制各路输出的开关管SW1，SW2，到SWn；其中每一路电感电流上升与下降的时间和小于各路的复用时间，确保电感电流工作在断续模式。
2.采用权利要求1所述方法的整合电感式多输出的功率因数校正变换器拓扑，其特征在于，IIU结构可以采用Buck形式、Boost形式、Buck-Boost形式、Cuk形式、Sepic以及反激等形式，对多个独立输出相同拓扑的PFC变换器进行电感整合，每个支路分别使用开关管对整合的电感电流进行分时复用控制。
3.如权利要求2所述的整合电感式多输出的功率因数校正变换器拓扑，其特征在于，其中包含整合电感式混合拓扑形式，对多个独立输出不同拓扑的PFC变换器进行电感整合，每个支路分别使用开关管对整合电感进行分时复用控制。
4.如权利要求2所述的整合电感式多输出功率因数校正变换器拓扑，其特征在于，控制方法采用传统的PFC控制方式，如电压模式控制、峰值电流模式控制，并通过对电感的分时复用控制实现各路输出的独立调节。
5.如权利要求2所述的整合电感式多输出功率因数校正变换器拓扑，其特征在于，整合电感式多输出功率因数校正变换器的输出路数可以为两路恒流或恒压输出，也可以为多路恒流或恒压输出。
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