CN105337488A - 一种具有正向电压输出的新型无桥Cuk PFC变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有正电压输出的新型无桥Cuk？PFC变换器，其特征在于：包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二级管、第四二极管、第五二极管及滤波电路。该变换器工作在电流断续模式，具有自动实现良好的开关管散热及抑制启动和过载冲击电流，实现高效、高功率因数以及稳定的直流输出等功能。

Description

一种具有正向电压输出的新型无桥Cuk PFC变换器

技术领域

本发明涉及电能变换中低输入电流谐波、自动抑制启动和过载冲击电流、低电磁干扰及高效率的功率因数校正技术领域，特别是在轻载时都具有高效率的功率因数校正电路。

背景技术

现代电力电子技术在建设高效节能的环境友好型社会中得到了飞速发展，开关电源、LED驱动等技术作为电力电子领域重要组成部分其应用和研究广泛。普通开关电源经整流接入电网时存在功率因数低下的问题，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，因此需要对开关电源进行功率因数校正。

原则上电力电子六种基本变换拓扑都能够实现功率因数矫正(PFC)，其中最为常见的是Boost拓扑，由于其输入电感的存在使得输入电流易连续，且控制容易实现功率因数接近1，但其不适用输出电压低于输入电压的场合。Buck电路运用于功率因数校正时输入电流断续，在输入交流电压低于输出电压部分时将无法工作，从而增加总谐波畸变降低功率因数。

工作于DCM模式的Cuk变换器运用于PFC电路时具有易实现变压器隔离、自动保护抑制启动和过载时的冲击电流、低输入电流纹波和低电磁干扰等优点。

传统的CukPFC电路图参见图1，其包含整流桥，需要额外增加负向电压转变成正向电压输出电路。现有技术常采用的无桥CukPFC电路参见图2、3，所用期间数量较多，结构不够简洁，且不能良好工作于电流断续模式。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具有正向电压输出的无桥CukPFC电路，实现高效、高功率因数。

本发明采用以下技术方案实现：一种具有正电压输出的新型无桥CukPFC变换器，其特征在于：包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二级管、第四二极管、第五二极管及滤波电路；所述第一电感一端接交流电源一端；所述第一电感另一端接第一电容的一端；所述第一电感另一端接第一二极管的阴极；所述第一二极管的阳极接第一开关管一端；所述第一电容的另一端接第二电容一端；所述第二电容另一端接第二电感一端；所述第二电感另一端接交流电源另一端；所述第二电感一端接第二二极管阴极；所述第二二极管的阳极接第二开关管一端；所述交流电源一端接所述第三二极管阳极；所述交流电源另一端接所述第四二极管阳极；所述第五二极管阴极接第二电容一端；所述第五二极管阴极接滤波电路一端；负载接所述滤波电路的输出;所述第一开关管另一端、第二开关管另一端、第三二极管阴极、第四二极管阴极、第五二极管阳极及滤波电路另一端共地。

在本发明一实施例中，所述滤波电路为LC滤波电路。

在本发明一实施例中，其特征在于：第一工作模态：第二开关管闭合，输入电压通过第三二极管、第二二极管和第二开关管给第二电感充电，第二电感电流线性上升，第二电感储能；第二电容通过第二二极管和第二开关管向负载和滤波电路的电容供电；

第二工作模态：第二开关管断开，第二电感释放能量与输入电源一起通过第五二极管和第三二级管给第二电容充电；滤波电路的电感电流通过第五二极管续流；

第三工作模态:当流过第五二极管的电流小于0时，第五二极管截止，电路工作在电流断续状态，此时第二电感和滤波电感上的电压为0，第二电容由第二电感电流钳位，负载由滤波电容供电；

第四工作模态：第一开关管闭合，输入电压通过第四二极管、第一二极管和第一开关管给第一电感充电，第一电感电流线性上升，第一电感储能；第一电容通过第一二极管和第一开关管向负载和滤波电容供电；

第五工作模态：第一开关管断开，第一电感释放能量与输入电源一起通过第五二极管和第四二极管给第一电容充电；第一电感电流通过第五二极管续流；

第六工作模态:当流过第五二极管的电流小于0时，第五二极管截止，电路工作在电流断续状态，此时第一电感和滤波电感上的电压为0，第一电容由第一电感电流钳位，负载由滤波电容供电。

本发明与传统CukPFC如图1所示相比去除了整流桥，无需额外增加负向电压转变成正向电压输出电路。与现有技术1如图2所示和现有技术2如图3所示相比结构更为简洁，器件使用数量更少成本更低且能良好工作于电流断续模式。此外，开关管S1、S2分别在正负半周时工作，利于开关管散热可有效减小散热器的体积。本发明设计工作在DCM模式，能够良好运用于市场大部分采用150W等小功率等级产品中。

附图说明

图1为传统CukPFC电路图。

图2为现有技术1倍压无桥CukPFC电路。

图3为现有技术2双向开关型无桥CukPFC电路。

图4为本发明一实施例的电路图。

图5为图4的第一工作模态示意图。

图6为图4的第二工作模态示意图。

图7为图4的第三工作模态示意图。

图8为图4的第四工作模态示意图。

图9为图4的第五工作模态示意图。

图10为图4的第六工作模态示意图。

图11为图4的电感电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种具有正电压输出的新型无桥CukPFC变换器，其特征在于：包括第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二级管DP、第四二极管DN、第五二极管D及滤波电路；所述第一电感一端接交流电源Vac一端；所述第一电感另一端接第一电容的一端；所述第一电感另一端接第一二极管的阴极；所述第一二极管的阳极接第一开关管一端；所述第一电容的另一端接第二电容一端；所述第二电容另一端接第二电感一端；所述第二电感另一端接交流电源Vac另一端；所述第二电感一端接第二二极管阴极；所述第二二极管的阳极接第二开关管一端；所述交流电源一端接所述第三二极管阳极；所述交流电源Vac另一端接所述第四二极管阳极；所述第五二极管阴极接第二电容一端；所述第五二极管阴极接滤波电路一端；负载RL接所述滤波电路的输出；所述第一开关管另一端、第二开关管另一端、第三二极管阴极、第四二极管阴极、第五二极管阳极及滤波电路另一端共地。

在本发明一实施例中，所述滤波电路为LC滤波电路。

电路原理图参见图4。

本发明工作方式如图5-10所示，输入电压为正半周时工作模态为1-3，此时开关管S2工作；输入电压为负半周时工作模态为4-6，此时开关管S1工作。电感电流波形如图6所示。

工作模态1：S2闭合，输入电压通过第三二极管DP、第二D2和第二开关管S2给第二电感L2充电，电感电流IL2线性上升，电感L2储能；第二电容C2通过第二二极管D2和第二开关管S2向负载RL和滤波电容C供电。

工作模态2：第二开关管S2断开，第二电感电流IL2释放能量与输入电源一起通过第五二极管D和第三DP给第二电容C2充电；滤波电感电流IL通过第五二极管D续流。

工作模态3:当流过第五二极管D的电流小于0时，第五二极管D截止，电路工作在电流断续状态。此时第二电感L2和滤波电感L上的电压为0，第二电容C2由第二电感电流IL2钳位，负载由电容C供电.

工作模态4：第一开关管S1闭合，输入电压通过第四二极管DN、第一二极管D1和第一开关管S1给第一电感L1充电，电感电流IL1线性上升，第一电感储能；第一电容C1通过第一二极管D1和第一开关管S1向负载RL和滤波电容C供电。

工作模态5：第一开关管S1断开，第一电感电流源IL1释放能量与输入电源一起通过第五二极管D和第四二极管DN给第一电容C1充电；滤波电感电流IL通过第五二极管D续流。

工作模态6:当流过第五二极管D的电流小于0时，第五二极管D截止，电路工作在电流断续状态。此时第一电感L1和滤波电感L上的电压为0，第一电容C1由第一电感电流IL1钳位，负载由滤波电容C供电。

其中电感电流波形如图11所示。

综上所述，本发明提供的上列较佳实施例，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较佳实施例而已，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 (3)

1.一种具有正电压输出的新型无桥CukPFC变换器，其特征在于：包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第三二级管、第四二极管、第五二极管及滤波电路；

所述第一电感一端接交流电源一端；所述第一电感另一端接第一电容的一端；所述第一电感另一端接第一二极管的阴极；所述第一二极管的阳极接第一开关管一端；所述第一电容的另一端接第二电容一端；所述第二电容另一端接第二电感一端；所述第二电感另一端接交流电源另一端；所述第二电感一端接第二二极管阴极；所述第二二极管的阳极接第二开关管一端；所述交流电源一端接所述第三二极管阳极；所述交流电源另一端接所述第四二极管阳极；所述第五二极管阴极接第二电容一端；所述第五二极管阴极接滤波电路一端；负载接所述滤波电路的输出;所述第一开关管另一端、第二开关管另一端、第三二极管阴极、第四二极管阴极、第五二极管阳极及滤波电路另一端共地。

2.根据权利要求1所述的具有正电压输出的新型无桥CukPFC变换器，其特征在于：所述滤波电路为LC滤波电路。

3.根据权利要求2所述的具有正电压输出的新型无桥CukPFC变换器，其特征在于：包括以下工作模态：

第一工作模态：第二开关管闭合，输入电压通过第三二极管、第二二极管和第二开关管给第二电感充电，第二电感电流线性上升，第二电感储能；第二电容通过第二二极管和第二开关管向负载和滤波电路的电容供电；

第二工作模态：第二开关管断开，第二电感释放能量与输入电源一起通过第五二极管和第三二级管给第二电容充电；滤波电路的电感电流通过第五二极管续流；

第三工作模态:当流过第五二极管的电流小于0时，第五二极管截止，电路工作在电流断续状态，此时第二电感和滤波电感上的电压为0，第二电容由第二电感电流钳位，负载由滤波电容供电；

第四工作模态：第一开关管闭合，输入电压通过第四二极管、第一二极管和第一开关管给第一电感充电，第一电感电流线性上升，第一电感储能；第一电容通过第一二极管和第一开关管向负载和滤波电容供电；

第五工作模态：第一开关管断开，第一电感释放能量与输入电源一起通过第五二极管和第四二极管给第一电容充电；第一电感电流通过第五二极管续流；

第六工作模态:当流过第五二极管的电流小于0时，第五二极管截止，电路工作在电流断续状态，此时第一电感和滤波电感上的电压为0，第一电容由第一电感电流钳位，负载由滤波电容供电。