CN105450014A - 一种Z型双boost无桥PFC变换器 - Google Patents

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朱天生
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Abstract

本发明公布了一种Z型双boost无桥PFC变换器，包括两个电感、两个不带反并联二极管的IGBT、四个二极管和一个电容，第一电感的一端与输入交流电压源的一端、第二IGBT的发射极、第三二极管的负极连接，第一电感的另一端与第一IGBT的集电极、第一二极管的正极连接；所述第二电感的一端与输入交流电压源的另一端、第一IGBT的发射极、第四二极管的负极连接，第二电感的另一端与第二IGBT的集电极、第二二极管的正极连接；所述电容的正极与第一二极管的负极、第二二极管的负极、负载的一端连接，电容的负极与第三二极管的正极、第四二极管的正极、负载的另一端连接。本发明电路损耗低，效率高，可以实现交流侧单位功率因数。

Description

一种Z型双boost无桥PFC变换器
技术领域
本发明涉及AC/DC变换领域，尤其涉及一种Z型双boost无桥功率因数校正电路。
背景技术
目前大量的使用桥式不控整流不仅给电网造成了严重的谐波污染，而且交流侧功率因数的偏低也造成了电能的浪费。功率因数校正技术能够实现交流侧电流跟踪交流侧电压，可以提高交流侧的功率因数。
传统的单相BoostPFC电路由于整流桥的存在导致系统损耗大、传输效率低。为了提高转换效率，PFC已经从传统的有桥PFC发展到无桥PFC。一般的无桥BoostPFC电路中电感充电回路中一般有两个开关器件，导致多余损耗。
为了解决上述的问题，本发明提出了一种Z型双boost无桥PFC变换器。
发明内容
针对现有BoostPFC变换器功率损耗大、效率偏低等问题，本发明的目的在于一种结构简单的Z型双boost无桥PFC变换器，能降低电路损耗，提高转换效率。
为了达到以上所述目的，本发明采用如下技术方案.
一种Z型双boost无桥PFC变换器，由两个电感、两个不带反并联二极管的IGBT、四个二极管、一个电容组成：所述第一电感的一端分别与输入交流电压源的一端、第二IGBT的发射极、第三二极管的负极连接，第一电感的另一端分别与第一IGBT的集电极、第一二极管的正极连接；所述第二电感的一端分别与输入交流电压源的另一端、第一IGBT的发射极、第四二极管的负极连接，第二电感的另一端分别与第二IGBT的集电极、第二二极管的正极连接；所述电容的正极分别与第一二极管的负极、第二二极管的负极、负载的一端连接，电容的负极分别与第三二极管的正极、第四二极管的正极、负载的另一端连接。
当输入交流电压源在正半周时，第一IGBT的集电极和发射极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制它的导通和关断，第二IGBT的集电极和发射极之间承受反向电压而关断；当工作在正半周期时，交流电压源、第一电感、第一IGBT、第一二极管、电容、第四二极管共同组成一个Boost电路。
当输入交流电压源在负半周时，第二IGBT的集电极和发射极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制它的导通和关断，第一IGBT的集电极和发射极之间承受反向电压而关断；当工作在负半周期时，交流电压源、第二电感、第二IGBT、第二二极管、电容、第三二极管共同组成另一个Boost电路。
上述电容足够大能够保证电容两端的电压稳定，负载两端的输出直流电压等于电容两端的电压。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、结构和原理简单
本发明采用两个不带反并联二极管的IGBT（S1-S2）分别工作在输入交流电源的正负半周，每个半周可以视为一个Boost电路，结构和原理简单，容易控制。
2、损耗低
本发明采用不带反并联二极管的IGBT，电源正负半周的电感充电回路中只有一个开关器件导通，进一步降低器件损耗。
3、整机效率高
本发明与传统的BoostPFC变换器相比，省去了整流桥，减少整流桥带来的损耗，整机效率得到提高。
附图说明
图1是本发明的一种Z型双boost无桥PFC变换器结构图；
图2a、图2b分别是图1所示电路在输入电压Vin正半周时第一IGBTS1开通和关断时的工作示意图；
图3a、图3b分别是图1所示电路在输入电压Vin负半周时第二IGBTS2开通和关断时的工作示意图；
图4是仿真得到交流侧输入交流电压与电流的波形图；
图5是仿真得到直流侧输出直流电压的波形图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
如图1所示，一种Z型双boost无桥PFC变换器，由两个电感（L1-L2）、两个不带反并联二极管的IGBT(S1-S2)、四个二极管(D1-D4)、一个电容C组成：所述第一电感L1的一端分别与输入交流电压源Vin的一端、第二IGBTS2的发射极、第三二极管D3的负极连接，第一电感L1的另一端分别与第一IGBTS1的集电极、第一二极管D1的正极连接；所述第二电感L2的一端分别与输入交流电压源Vin的另一端、第一IGBTS1的发射极、第四二极管D4的负极连接，第二电感L2的另一端分别与第二IGBTS2的集电极、第二二极管D2的正极连接；所述电容C的正极分别与第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极、负载R的一端连接，电容C的负极分别与第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极、负载R的另一端连接。
如图2a~2b，当输入交流电压源Vin在正半周时，第一IGBTS1的集电极和发射极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制它的导通和关断，第二IGBTS2的集电极和发射极之间承受反向电压而关断；当工作在正半周期时，交流电压源Vin、第一电感L1、第一IGBTS1、第一二极管D1、电容C、第四二极管D4共同组成一个Boost电路。当控制第一IGBTS1导通时，输入交流电压源Vin对第一电感L1进行充电储能，电容C对负载R放电。当控制第一IGBTS1关断时，输入交流电压源Vin、第一电感L1、第一二极管D1、第四二极管D4、电容C和负载R形成通路，此时交流电压源Vin和第一电感L1向电容C进行充电和负载R供电。根据输出直流电压U0的要求调整第一IGBTS1的导通和关断时间。
如图3a~3b，当输入交流电压源Vin在负半周时，第二IGBTS2的集电极和发射极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制它的导通和关断，第一IGBTS1的集电极和发射极之间承受反向电压而关断；当工作在负半周期时，交流电压源Vin、第二电感L2、第二IGBTS2、第二二极管D2、电容C、第三二极管D3共同组成另一个Boost电路。当控制第二IGBTS2导通时，输入交流电压源Vin对第二电感L2进行充电储能，电容C对负载R放电。当控制第二IGBTS2关断时，输入交流电压源Vin、第二电感L2、第二二极管D2、第三二极管D3、电容C和负载R形成通路，此时交流电压源Vin和第二电感L2向电容C进行充电和负载R供电。根据输出直流电压U0的要求调整第二IGBT管S2的导通和关断时间。
如图4，实验参数为：输入交流电源Vin=220V/50HZ，电感L1=L2=3mH，输出功率Pout=1kW，电容C=1000μF，输出电压Uo=400V，IGBT开关频率fs=50HZ，IGBT选用英飞凌的FGW40N120H。实验验证本发明交流侧输入电流跟踪输入电压，可实现单位功率因数运行，电流谐波小。
如图5，在同样的实验参数下，得到电容C两端直流电压Uo稳定，纹波小。
本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (4)

1.一种Z型双boost无桥PFC变换器，其特征在于包括两个电感（L1-L2）、两个不带反并联二极管的IGBT(S1-S2)、四个二极管(D1-D4)和一个电容(C)；所述第一电感(L1)的一端分别与输入交流电压源(Vin)的一端、第二IGBT(S2)的发射极、第三二极管(D3)的负极连接，第一电感(L1)的另一端分别与第一IGBT(S1)的集电极、第一二极管(D1)的正极连接；所述第二电感(L2)的一端分别与输入交流电压源(Vin)的另一端、第一IGBT(S1)的发射极、第四二极管(D4)的负极连接，第二电感(L2)的另一端分别与第二IGBT(S2)的集电极、第二二极管(D2)的正极连接；所述电容(C)的正极分别与第一二极管(D1)的负极、第二二极管(D2)的负极、负载(R)的一端连接，电容(C)的负极分别与第三二极管(D3)的正极、第四二极管(D4)的正极、负载(R)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种Z型双boost无桥PFC变换器，其特征在于，当输入交流电压源（Vin）在正半周时，第一IGBT（S1）的集电极和发射极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制第一IGBT（S1）的导通和关断，第二IGBT（S2）的集电极和发射极之间承受反向电压而关断；当工作在正半周期时，交流电压源（Vin）、第一电感（L1）、第一IGBT（S1）、第一二极管（D1）、电容（C）、第四二极管（D4）共同组成一个Boost电路。
3.根据权利要求1所述的一种Z型双boost无桥PFC变换器，其特征在于，当输入交流电压源（Vin）在负半周时，第二IGBT（S2）的集电极和发射极之间承受正向电压，通过给定栅极信号控制第二IGBT（S2）的导通和关断，第一IGBT（S1）的集电极和发射极之间承受反向电压而关断；当工作在负半周期时，交流电压源（Vin）、第二电感（L2）、第二IGBT（S2）、第二二极管（D2）、电容（C）、第三二极管（D3）共同组成另一个Boost电路。
4.根据权利1~3任一项所述的一种Z型双boost无桥PFC变换器，其特征在于，电容（C）足够以保证电容（C）两端的电压稳定，负载（R）两端的输出直流电压等于电容（C）两端的电压。
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