CN103066873A - 新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型降压式无桥Cuk功率因数校正PFC变换器,包括一功率开关管S1、一功率开关管S2、一二极管D1、一二极管D2、一二极管D3、一二极管D4、一中间电容C1、一中间电容C2、一输出电解电容Co1、一输出电解电容Co2、一电感L1、一电感L2、一电感L3和一电感L4。本发明通过构造无桥降压式Cuk PFC电路，实现高效、高功率因数以及稳定的直流输出等功能。

Description

新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC电路
技术领域
本发明涉及一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，特别是一种满载与轻载都具有高效率的低纹波单相功率因数校正电路。
背景技术
开关电源等电力电子装置已经广泛应用于电力系统、工业、交通以及家庭等领域，由此产生的电网侧输入功率因数降低以及谐波污染等问题也日趋严重。高效的功率因数校正变换器成为了抑制谐波污染的主要手段。
功率因数校正变换器可分为无源功率因数校正变换器以及有源功率因数校正变换器，有源功率因数校正变换器因其体积小重量轻，可得到稳定输出电压与高的功率因数，广泛应用于开关电源等电力电子装置。
目前Boost电路因其输入电流连续、拓扑结构简单、变换效率高、功率开关管落地以及容易控制等优点，在工业界得到了广泛应用，然而Boost电路存在着输出电压必须高于输入电压，轻载时变换效率偏低等不足；采用降压型的PFC方案可以改进在某些场合下Boost PFC的不足。
降压Cuk电路是在典型的Cuk电路的基础上发展起来的，它不仅具有Cuk电路输入输出都具有电感，容易实现输入输出电流连续、脉动小、EMI效果好等特点，同时它也具有一部分Buck电路的特性，且功率器件的电压应力、输出输入电压变比关系与Buck电路相同，因此采用降压Cuk电路实现PFC可取代Buck电路，而采用倍压式的无整流桥结构降压Cuk电路不仅拓宽了电路的输出电压范围，还提高了变换器的变换效率以及功率因数。
目前，为了保护环境、节约能源，美国环境保护局（EPA）推出的能源之星和计算产业气候拯救行动计算产业气候拯救行动（CSCI）对照明电源以及计算机电源的满载、半载或轻载时的效率要求进行了规定。本发明在保证高功率因数、低总谐波畸变率的前提要求下，具有从轻载到满载都保持高的变换效率的优点，且电路的电压电流应力低，EMI特性好，更容易满足相关标准。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有倍压结构的无桥降压式Cuk PFC电路，实现高效直流输出，输出电压可升可降，拓宽了降压式 PFC电路的输出电压范围，降低主电路的导通损耗并能同时达到功率因数校正功能。
本发明采用的第一方案是：一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，包括一输入交流电压源，其特征在于：所述输入交流电压源的一端连接一二极管VD1阳极和一二极管VD3的阴极；所述二极管VD1的阴极连接一电感L1的一端；所述电感L1的另一端连接一功率开关管S1的漏极和一中间电容C1的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一PWM控制信号，源极连接到一输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述输出电解电容Co1的负极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C1的另一端连接一二极管VD2的阳极和一电感L2的一端；所述二极管VD2的阴极连接输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述电感L2的另一端连接输入交流电压源的另一端；所述二极管VD3的阳极连接一电感L4的一端；所述电感L4的另一端连接一功率开关管S2的源极和一中间电容C2的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一PWM控制信号，漏极连接到一输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述输出电解电容Co2的正极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C2的另一端连接一二极管VD4的阴极和一电感L3的一端；所述二极管VD4的阳极连接输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述电感L3的另一端连接输入交流电压源的另一端。
在本发明一实施例中，所述开关管S1、开关管S2是功率MOSFET开关管。
在本发明一实施例中，所述二极管VD1、二极管VD3是慢速功率二极管。
在本发明一实施例中，所述二极管VD2、二极管VD4是快恢复二极管。
在本发明一实施例中，所述中间电容C1、中间电容C2是高频电容。
在本发明一实施例中, 所述电感L1和L4共用一个磁芯，用以提高变换器的功率密度。
本发明采用的第二方案是：一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，包括一输入交流电压源，其特征在于：所述输入交流电压源的一端连接一电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接一二极管VD1阳极和一二极管VD3的阴极；所述二极管VD1的阴极连接一功率开关管S1的漏极和一中间电容C1的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一第一PWM控制信号，源极连接到一输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述输出电解电容Co1的负极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C1的另一端连接一二极管VD2的阳极和一电感L2的一端；所述二极管VD2的阴极连接输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述电感L2的另一端连接输入交流电压源的另一端；所述二极管VD3的阳极连接一功率开关管S2的源极和一中间电容C2的一端；所述功率开关管S2的栅极连接一第二PWM控制信号，漏极连接到一输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述输出电解电容Co2的正极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C2的另一端连接一二极管VD4的阴极和一电感L3的一端；所述二极管VD4的阳极连接输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述电感L3的另一端连接输入交流电压源的另一端。
在本发明一实施例中，所述功率开关管S1、功率开关管S2是功率MOSFET开关管。
在本发明一实施例中，所述二极管VD2、二极管VD4是快恢复二极管。
本发明提供的技术方案有效益处是：
1.采用无整流桥结构，减少了主回路的导通半导体器件数目，降低了电路的导通损耗，提高了变换器的转换效率；
2．与Boost PFC相比，电路在轻载时具有更低的开关损耗，具有更高的轻载变换效率；
3.输入输出都有一个电感，与Buck PFC电路相比，具有更小的输入电流纹波及更好的EMI特性；
4.在整个开关周期，输入电源都向负载提供能量，提高了变换器的工作效率；
本发明能实现高效无电气隔离的直流电压输出，拓展输出电压范围，实现高功率因数校正，省去整流桥，具有低导通损耗以及高的轻载变换效率，具有低的输入输出电流纹波以及优良的EMI特性。
附图说明
图1是本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路原理图。
图2是本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路在电感电流连续模式工作，输入交流电压正半周、功率开关管S1导通时的工作模态示意图。
图3是本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路在电感电流连续模式工作，输入交流电压正半周、功率开关管S1关断时的工作模态示意图。
图4是本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路在电感电流连续模式工作，输入交流电压负半周、功率开关管S2导通时的工作模态示意图。
图5是本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路在电感电流连续模式工作，输入交流电压负半周、功率开关管S2关断时的工作模态示意图。
图6是本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路改进的一种实施例。
图7是本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路改进的另一种实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
请参见图1，图1为本发明的具体实施例的电路连接示意图。本实施例提供一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，包括一输入交流电压源，其特征在于：所述输入交流电压源的一端连接一二极管VD1阳极和一二极管VD3的阴极；所述二极管VD1的阴极连接一电感L1的一端；所述电感L1的另一端连接一功率开关管S1的漏极和一中间电容C1的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一第一PWM控制信号，源极连接到一输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述输出电解电容Co1的负极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C1的另一端连接一二极管VD2的阳极和一电感L2的一端；所述二极管VD2的阴极连接输出电解电容Co1的正极；所述电感L2的另一端连接输入交流电压源的另一端；所述二极管VD3的阳极连接一电感L4的一端；所述电感L4的另一端连接一功率开关管S2的源极和一中间电容C2的一端；所述功率开关管S2的栅极连接一第二PWM控制信号，漏极连接到一输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述输出电解电容Co2的正极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C2的另一端连接一二极管VD4的阴极和一电感L3的一端；所述二极管VD4的阳极连接输出电解电容Co2的负极；所述电感L3的另一端连接输入交流电压源的另一端。在本实施例中，所述第一、二PWM控制信号由一PWM控制驱动器产生；所述二极管VD2和二极管VD4为功率半导体快恢复二极管；所述开关管S1、开关管S2是功率MOSFET开关管；所述二极管VD1、二极管VD3是慢速功率二极管；所述中间电容C1、中间电容C2是高频电容；所述电感L1和L4可以共用一个磁芯，用以提高变换器的功率密度。
在本发明另一实施例中，可采取的另一种形式是在原有基础上进一步提高电路功率密度，请参见图6，本实施例提供一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，包括一输入交流电压源，其特征在于：所述输入交流电压源的一端连接一二极管VD1阳极和一二极管VD3的阴极；所述二极管VD1的阴极连接一电感L1的一端；所述电感L1的另一端连接一功率开关管S1的漏极和一中间电容C1的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一第一PWM控制信号，源极连接到一输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述输出电解电容Co1的负极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C1的另一端连接一二极管VD2的阳极和一电感L2的一端；所述二极管VD2的阴极连接输出电解电容Co1的正极；所述电感L2的另一端连接输入交流电压源的另一端；所述二极管VD3的阳极连接一电感L4的一端；所述电感L4的另一端连接一功率开关管S2的源极和一中间电容C2的一端；所述功率开关管S2的栅极连接一第二PWM控制信号，漏极连接到一输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述输出电解电容Co2的正极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C2的另一端连接一二极管VD4的阴极和一电感L3的一端；所述二极管VD4的阳极连接输出电解电容Co2的负极；所述电感L3的另一端连接输入交流电压源的另一端。在本实施例中，所述PWM控制信号由PWM控制驱动器产生；所述二极管VD2和二极管VD4为功率半导体快恢复二极管。所述电感L1与所述电感L2共用一个磁芯，耦合同名端为所述电感L1的一端和所述电感L4的另一端，提高电路的功率密度并减小体积。
在本发明另一实施例中，可采取的另一种形式是在原有基础上进一步简化结构、提高电路功率密度、降低器件应力，请参见图7，本实施例提供一种新型降压式无桥Cuk PFC变换器，包括一输入交流电压源，其特征在于：所述输入交流电压源的一端连接一电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接一二极管VD1阳极和一二极管VD3的阴极；所述二极管VD1的阴极连接一功率开关管S1的漏极和一中间电容C1的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一第一PWM控制信号，源极连接到一输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述输出电解电容Co1的负极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C1的另一端连接一二极管VD2的阳极和一电感L2的一端；所述二极管VD2的阴极连接输出电解电容Co1的正极；所述电感L2的另一端连接输入交流电压源的另一端；所述二极管VD3的阳极连接一功率开关管S2的源极和一中间电容C2的一端；所述功率开关管S2的栅极连接一第二PWM控制信号，漏极连接到一输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述输出电解电容Co2的正极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C2的另一端连接一二极管VD4的阴极和一电感L3的一端；所述二极管VD4的阳极连接输出电解电容Co2的负极；所述电感L3的另一端连接输入交流电压源的另一端。在本实施例中，所述PWM控制信号由PWM控制驱动器产生；所述二极管VD2和二极管VD4为功率半导体快恢复二极管。
需要说明的是，本发明中的输出负载既可以是电阻负载，也可以是其他任意形式的负载，并不限于某一种具体负载。
通过采用倍压结构的无桥降压式Cuk PFC电路，实现高效直流输出，输出电压可升可降，拓宽了降压式PFC电路的输出电压范围，降低主电路的导通损耗并能同时达到功率因数校正功能。下面结合图1中的具体实施例具体说明本发明新型降压式无桥Cuk PFC变换器电路在电感电流连续模式（CCM模式）下的具体工作模态，如图2至图5所示。
参照图2，输入交流电压为正半周期，二极管VD3承受反压截止，在功率MOSFET开关管S1导通时，输入的输入交流电压源Uin通过功率MOSFET开关管S1对电感L1进行充电，同时提供给输出负载RL输出电压并对输出电容Co1充电。中间电容C1通过功率MOSFET开关管S1对输出负载RL放电，同时对电感L2进行充电。此时，快恢复二极管VD2承受反向电压而截止。
参照图3，输入交流电压为正半周期,在功率MOSFET开关管S1截止时，输入的输入交流电压源Uin和电感L1上的能量通过快恢复二极管VD2传递到负载RL上，同时对中间电容C1进行充电。电感L2通过快恢复二极管VD2对负载RL和输出电容Co1放电。
参照图4，输入交流电压为负半周期，二极管VD1承受反压截止，在功率MOSFET开关管S2导通时，输入的输入交流电压源Uin通过功率MOSFET开关管S2对电感L4进行充电，同时提供给输出负载RL输出电压并对输出电容Co2充电。中间电容C2通过功率MOSFET开关管S2对输出负载RL放电，同时对电感L3进行充电。此时，快恢复二极管VD4承受反向电压而截止。
参照图5，输入交流电压为负半周期,在功率MOSFET开关管S2截止时，输入的输入交流电压源Uin和电感L4上的能量通过快恢复二极管VD4传递到负载RL上，同时对中间电容C2进行充电。电感L3通过快恢复二极管VD4对负载RL和输出电容Co2放电。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的几个具体实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，包括一输入交流电压源，其特征在于：所述输入交流电压源的一端连接一二极管VD1阳极和一二极管VD3的阴极；所述二极管VD1的阴极连接一电感L1的一端；所述电感L1的另一端连接一功率开关管S1的漏极和一中间电容C1的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一第一PWM控制信号，源极连接到一输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述输出电解电容Co1的负极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C1的另一端连接一二极管VD2的阳极和一电感L2的一端；所述二极管VD2的阴极连接输出电解电容Co1的正极；所述电感L2的另一端连接输入交流电压源的另一端；所述二极管VD3的阳极连接一电感L4的一端；所述电感L4的另一端连接一功率开关管S2的源极和一中间电容C2的一端；所述功率开关管S2的栅极连接一第二PWM控制信号，漏极连接到一输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述输出电解电容Co2的正极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C2的另一端连接一二极管VD4的阴极和一电感L3的一端；所述二极管VD4的阳极连接输出电解电容Co2的负极；所述电感L3的另一端连接输入交流电压源的另一端。
2.根据权利要求书1所述的一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，其特征在于：所述功率开关管S1、功率开关管S2是功率MOSFET开关管。
3.根据权利要求书1所述的一种新型降压式无桥Cuk PFC变换器，其特征在于：所述二极管VD1、二极管VD3是慢速功率二极管。
4.根据权利要求书1所述的一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，其特征在于：所述二极管VD2、二极管VD4是快恢复二极管。
5.根据权利要求书1所述的一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，其特征在于：所述中间电容C1、中间电容C2是高频电容。
6.根据权利要求书1所述的一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，其特征在于：所述新型降压式Cuk无桥倍压变换器电路的工作模式是电感电流连续CCM。
7.根据权利要求书1所述的一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，其特征在于：所述电感L1和L4共用一个磁芯，用以提高变换器的功率密度。
8.一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，包括一输入交流电压源，其特征在于：所述输入交流电压源的一端连接一电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接一二极管VD1阳极和一二极管VD3的阴极；所述二极管VD1的阴极连接一功率开关管S1的漏极和一中间电容C1的一端；所述功率开关管S1的栅极连接一第一PWM控制信号，源极连接到一输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述输出电解电容Co1的负极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C1的另一端连接一二极管VD2的阳极和一电感L2的一端；所述二极管VD2的阴极连接输出电解电容Co1的正极和输出负载的一端；所述电感L2的另一端连接输入交流电压源的另一端；所述二极管VD3的阳极连接一功率开关管S2的源极和一中间电容C2的一端；所述功率开关管S2的栅极连接一第二PWM控制信号，漏极连接到一输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述输出电解电容Co2的正极连接输入交流电压源的另一端；所述中间电容C2的另一端连接一二极管VD4的阴极和一电感L3的一端；所述二极管VD4的阳极连接输出电解电容Co2的负极和输出负载的另一端；所述电感L3的另一端连接输入交流电压源的另一端。
9.根据权利要求书8所述的一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，其特征在于：所述功率开关管S1、功率开关管S2是功率MOSFET开关管。
10.根据权利要求书8所述的一种新型降压式无桥Cuk 功率因数校正PFC变换器，其特征在于：所述二极管VD2、二极管VD4是快恢复二极管。
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