CN104167914B - 高功率因数变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率因数变换器，涉及用于补偿或者调节变换器或者逆变器中的功率因数的装置技术领域。所述变换器包括主电路和控制电路，所述主电路上设有一个开关器件，所述开关器件用于控制主电路输出端的电压和电流，所述控制电路根据采集到的主电路的电压和电流值输出控制信号给开关器件，控制开关器件的导通和截止。相对于已有的两级功率因数校正变换器，本发明只采用一个开关器件和一个与之匹配的控制电路，减少了开关管与控制芯片的数量，降低成本，提高功率密度；采用本发明的可以通过对前级变换器的变压器的匝比的合理设计，扩展了该变换器的最大占空比范围。

Description

高功率因数变换器
技术领域
本发明涉及用于补偿或者调节变换器或者逆变器中的功率因数的装置技术领域，尤其涉及一种高功率因数变换器。
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。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。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和低纹波输出特性的变换器得到了广泛应用。
传统的有源功率因数校正变换器为实现功率因数校正和输出电压快速调节的功能，通常采用两个直-直变换器级联的方式，即前级通过一个独立的PFC(功率因数校正)变换器实现功率因数校正，后级通过DC-DC(直流-直流)变换器实现输出的快速调节，该方法使用了两个独立的变换器和控制电路，因而成本高，效率低，控制复杂。也有采用单级功率因数校正电路实现对输出电压或者电流的控制，但这种控制方法，输出电压/电流纹波大，对于某些负载，比如LED，其亮度和流过它的电流成比例，大的电流纹波会使LED出现闪烁，并且输出调节速度较慢。
传统的有源功率因数校正变换器为实现功率因数校正和输出电压快速调节的功能，通常采用两级方案(如图8所示)，即前级通过一个独立的PFC变换器实现功率因数校正，后级通过DC-DC变换器实现输出的快速调节。该方法使用了两个独立的变换器和控制电路，因而成本高，效率低，控制复杂
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高功率因数变换器，该变换器只采用一个开关管和一个控制器即可实现功率因数校正以及输出电压和电流的快速调节，从而降低了整个变换器的成本。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高功率因数变换器，包括主电路和控制电路，其特征在于：所述主电路上设有一个开关器件，所述开关器件用于控制主电路输出端的电压和电流，所述控制电路根据采集到的主电路的电压和电流值输出控制信号给开关器件，控制开关器件的导通和截止。
进一步的技术方案在于：所述开关器件为Mosfet管、三极管或者IGBT管。
进一步的技术方案在于：所述主电路包括整流桥D，整流桥D的输入端为所述变换器的交流输入端，整流桥D的输出端一端接地，另一端与变压器T原边的一端连接，变压器T原边的另一端与二极管VD6的阳极相连，二极管VD6的阴极接开关管V的漏极，开关管V的源极接地；变压器T副边的一端与二极管VD5的阳极相连，变压器T副边的另一端分为两路，其中第一路经二极管VD8与开关管V的漏极连接，第二路依次经电感L1、电阻R和电阻RS后与开关管V的源极连接，电容C2与电阻R并联，所述电阻R与电阻RS的结点接地；二极管VD5的阴极分为两路，第一路经二极管VD7与开关管V的漏极连接，第二路经电容C1与二极管VD8和电感L1的结点，所述开关管V的栅极接控制电路的信号输出端。
进一步的技术方案在于：所述控制电路包括误差放大器U1，所述误差放大器U1的反相输入端为电压采样输入端，接电阻RS与二极管VD8的结点，误差放大器U1把反相输入端采集到的电压与正相输入端输入的基准电压相比较，并经过补偿后得到误差信号Ves，误差信号输入比较器U2的反相输入端，与从比较器U1正相输入的锯齿波进行比较，比较结果作为RS触发器的复位端R的输入，RS触发器U3的置位端接固定频率的方波，比较器U2和RS触发器U3根据误差信号和锯齿波调节开关管V的占空比，稳定输出电流。
进一步的技术方案在于：所述主电路包括整流桥D，整流桥D的输入端为所述变换器的交流输入端，整流桥D的输出端一端接地，另一端与变压器T原边的一端连接，变压器T原边的另一端与二极管VD6的阳极相连，二极管VD6的阴极接开关管V的漏极，开关管V的源极接地；变压器T副边的一端与二极管VD5的阳极相连，变压器T副边的另一端分为两路，其中第一路经二极管VD8与开关管V的漏极连接，第二路依次经电感L1、电阻R1和电阻R2后与开关管V的源极连接，电容C2的一端接地，另一端接电阻R2与二极管VD8的结点；二极管VD5的阴极分为两路，第一路经二极管VD7与开关管V的漏极连接，第二路经电容C1与二极管VD8和电感L1的结点，所述开关管V的栅极接控制电路的信号输出端。
进一步的技术方案在于：所述控制电路包括误差放大器U1，所述误差放大器U1的反相输入端为电压采样输入端，接电阻R1与电阻R2的结点，误差放大器U1把反相输入端采集到的电压与正相输入端输入的基准电压相比较，并经过补偿后得到误差信号Ves1，误差信号Ves1输入给光耦U2的一个输入端，二极管VD8与电阻R2的结点经电阻R3与光耦U2的另一个输入端连接，误差信号Ves1经过光耦U2变成信号Vep，传送到比较器U3的反相输入端，信号Vep和从比较器U3正相输入端输入的锯齿波比较，比较结果作为RS触发器U4的复位端R的输入，RS触发器U4的置位端接固定频率的方波，比较器U3和RS触发器U4根据误差信号和锯齿波调节开关管V的占空比，稳定输出电压。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：相对于已有的两级功率因数校正变换器，本发明只采用一个开关器件和一个与之匹配的控制电路，减少了开关管与控制芯片的数量，降低成本，提高功率密度；此外，采用本发明的可以通过对前级变换器的变压器的匝比的合理设计，扩展了该变换器的最大占空比范围。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明中主电路的电路原理图；
图2是本发明中实施例一的电路原理图；
图3是实施例一的电流电压波形图；
图4是实施例一的电流纹波；
图5是本发明中实施例二的电路原理图；
图6是实施例二的电流电压波形图；
图7是实施例二的电流纹波；
图8是现有技术中的两级变换器的原理框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
为了实现功率因数校正和快速调节输出电压(电流)，在传统带有功率因数校正功能的系统中，通常采用两级变换器级联的方式，第一级变换器实现功率因数校正功能，第二级变换器实现快速调节输出电压(电流)，因此传统的带有功率因数校正功能的系统中至少含有两个控制器和两个开关管。本发明公开了一种高功率因数变换器，仅仅需要采用一个控制器和一个开关管就可以同时实现功率因数校正功能和快速调节输出电压(电流)。
下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步详细的描述。
实施例一高功率因数恒流输出变换器
如图2所示，一种高功率因数变换器，包括主电路和控制电路，所述主电路包括整流桥D，整流桥D的输入端为所述变换器的交流输入端，整流桥D的输出端一端接地，另一端与变压器T原边的一端连接，变压器T原边的另一端与二极管VD6的阳极相连，二极管VD6的阴极接开关管V的漏极，开关管V的源极接地；变压器T副边的一端与二极管VD5的阳极相连，变压器T副边的另一端分为两路，其中第一路经二极管VD8与开关管V的漏极连接，第二路依次经电感L1、电阻R和电阻RS后与开关管V的源极连接，电容C2与电阻R并联，所述电阻R与电阻RS的结点接地；二极管VD5的阴极分为两路，第一路经二极管VD7与开关管V的漏极连接，第二路经电容C1与二极管VD8和电感L1的结点，所述开关管V的栅极接控制电路的信号输出端。
所述控制电路包括误差放大器U1，所述误差放大器U1的反相输入端为电压采样输入端，接电阻RS与二极管VD8的结点，误差放大器U1把反相输入端采集到的电压与正相输入端输入的基准电压相比较，并经过补偿后得到误差信号Ves，误差信号输入比较器U2的反相输入端，与从比较器U1正相输入的锯齿波进行比较，比较结果作为RS触发器的复位端R的输入，RS触发器U3的置位端接固定频率的方波，比较器U2和RS触发器U3根据误差信号和锯齿波调节开关管V的占空比，稳定输出电流。
图3和图4为高功率因数变换器实施例一仿真波形图，测试条件为：输入电压有效值为220V，频率f＝50HZ，输出为1A恒流源，输出负载为5个LED串联，每个LED的电流为1A，单个LED正向电压为3.5V。从图中可以看出，变换器输入电流跟随输入电压，输入电流为正弦波，输入电压和输入电流基本没有相位差，实现了功率因数校正的功能，从输出电流可以看出，电流稳定在设定值1A,纹波约4mv，纹波很低。
实施例二高功率因数恒压输出变换器
如图5所示，一种高功率因数变换器，包括主电路和控制电路。所述主电路包括整流桥D，整流桥D的输入端为所述变换器的交流输入端，整流桥D的输出端一端接地，另一端与变压器T原边的一端连接，变压器T原边的另一端与二极管VD6的阳极相连，二极管VD6的阴极接开关管V的漏极，开关管V的源极接地；变压器T副边的一端与二极管VD5的阳极相连，变压器T副边的另一端分为两路，其中第一路经二极管VD8与开关管V的漏极连接，第二路依次经电感L1、电阻R1和电阻R2后与开关管V的源极连接，电容C2的一端接地，另一端接电阻R2与二极管VD8的结点；二极管VD5的阴极分为两路，第一路经二极管VD7与开关管V的漏极连接，第二路经电容C1与二极管VD8和电感L1的结点，所述开关管V的栅极接控制电路的信号输出端。
所述控制电路包括误差放大器U1，所述误差放大器U1的反相输入端为电压采样输入端，接电阻R1与电阻R2的结点，误差放大器U1把反相输入端采集到的电压与正相输入端输入的基准电压相比较，并经过补偿后得到误差信号Ves1，误差信号Ves1输入给光耦U2的一个输入端，二极管VD8与电阻R2的结点经电阻R3与光耦U2的另一个输入端连接，误差信号Ves1经过光耦U2变成信号Vep，传送到比较器U3的反相输入端，信号Vep和从比较器U3正相输入端输入的锯齿波比较，比较结果作为RS触发器的复位端R的输入，RS触发器的置位端接固定频率的方波，比较器U3和RS触发器U4根据误差信号和锯齿波调节开关管V的占空比，稳定输出电压。
图6和图7为高功率因数变换器实施例二仿真波形图，测试条件为：输入电压有效值为110V，频率f＝60HZ，输出为24V恒压源，负载电流1A。从图中可以看出，变换器输入电流跟随输入电压，输入电流基本为正弦波，输入电压和输入电流基本没有相位差，实现了功率因数校正的功能。从输出电压可以看出，电压稳定在设定值24V,纹波电压约30mV，纹波很低。
(1)所述变换器由前级变换器与后级变换器串联并合并开关管而成，采用一个开关管和一套控制电路实现输入电流的整形和输出电压的快速调节。
(2)开关管V不仅限于Mosfet管，也可以是三极管或者IGBT。
(3)输出负载R不仅限于电阻，也可以是LED、电池、电路系统负载。
(4)前级变换器电感电流工作在断续模式实现单位功率因数,后级变换器电感电流工作在断续模式或临界连续模式。
(5)其控制方法采用传统的DC-DC控制方式，如电压模式控制、峰值电流模式控制等。
(6)高功率因数变换器的输出可以为恒流输出，也可以为恒压输出。
综上，相对于已有的两级功率因数校正变换器，本发明只采用一个开关器件和一个与之匹配的控制电路，减少了开关管与控制芯片的数量，降低成本，提高功率密度；采用本发明的可以通过对前级变换器的变压器的匝比的合理设计，扩展了该变换器的最大占空比范围。

Claims (6)

1.一种高功率因数变换器，包括主电路和控制电路，其特征在于：所述主电路上设有一个开关器件，所述开关器件用于控制主电路输出端的电压和电流，所述控制电路根据采集到的主电路的电压和电流值输出控制信号给开关器件，控制开关器件的导通和截止；
所述主电路包括整流桥D，整流桥D的输入端为所述变换器的交流输入端，整流桥D的输出端一端接地，另一端与变压器T原边的一端连接，变压器T原边的另一端与二极管VD6的阳极相连，二极管VD6的阴极接开关管V的漏极，开关管V的源极接地；变压器T副边的一端与二极管VD5的阳极相连，变压器T副边的另一端分为两路，其中第一路经二极管VD8与开关管V的源极连接，第二路依次经电感L1、电阻R和电阻RS后与开关管V的源极连接，电容C2与电阻R并联，所述电阻R与电阻RS的结点接地；二极管VD5的阴极分为两路，第一路经二极管VD7与开关管V的漏极连接，第二路经电容C1与二极管VD8和电感L1的结点连接，所述开关管V的栅极接控制电路的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的高功率因数变换器，其特征在于：所述开关器件为Mosfet管、三极管或者IGBT管。
3.根据权利要求1所述的高功率因数变换器，其特征在于：所述控制电路包括误差放大器U1，所述误差放大器U1的反相输入端为电压采样输入端，接电阻RS与二极管VD8的结点，误差放大器U1把反相输入端采集到的电压与正相输入端输入的基准电压相比较，并经过补偿后得到误差信号Ves，误差信号输入比较器U2的反相输入端，与从比较器U1正相输入的锯齿波进行比较，比较结果作为RS触发器的复位端R的输入，RS触发器U3的置位端接固定频率的方波，比较器U2和RS触发器U3根据误差信号和锯齿波调节开关管V的占空比，稳定输出电流。
4.一种高功率因数变换器，包括主电路和控制电路，其特征在于：所述主电路上设有一个开关器件，所述开关器件用于控制主电路输出端的电压和电流，所述控制电路根据采集到的主电路的电压和电流值输出控制信号给开关器件，控制开关器件的导通和截止；
所述主电路包括整流桥D，整流桥D的输入端为所述变换器的交流输入端，整流桥D的输出端一端接地，另一端与变压器T原边的一端连接，变压器T原边的另一端与二极管VD6的阳极相连，二极管VD6的阴极接开关管V的漏极，开关管V的源极接地；变压器T副边的一端与二极管VD5的阳极相连，变压器T副边的另一端分为两路，其中第一路经二极管VD8与开关管V的源极连接，第二路依次经电感L1、电阻R1和电阻R2后与开关管V的源极连接，电容C2的一端接地，另一端接电阻R2与二极管VD8的结点；二极管VD5的阴极分为两路，第一路经二极管VD7与开关管V的漏极连接，第二路经电容C1与二极管VD8和电感L1的结点连接，所述开关管V的栅极接控制电路的信号输出端。
5.根据权利要求4所述的高功率因数变换器，其特征在于：所述开关器件为Mosfet管、三极管或者IGBT管。
6.根据权利要求4所述的高功率因数变换器，其特征在于：所述控制电路包括误差放大器U1，所述误差放大器U1的反相输入端为电压采样输入端，接电阻R1与电阻R2的结点，误差放大器U1把反相输入端采集到的电压与正相输入端输入的基准电压相比较，并经过补偿后得到误差信号Ves1，误差信号Ves1输入给光耦U2的一个输入端，二极管VD8与电阻R2的结点经电阻R3与光耦U2的另一个输入端连接，误差信号Ves1经过光耦U2变成信号Vep，传送到比较器U3的反相输入端，信号Vep和从比较器U3正相输入端输入的锯齿波比较，比较结果作为RS触发器U4的复位端R的输入，RS触发器U4的置位端接固定频率的方波，比较器U3和RS触发器U4根据误差信号和锯齿波调节开关管V的占空比，稳定输出电压。
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