CN105978327B - 一种升压变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种升压变换器及其控制方法，包括升压变换电路和谐振电路，所述谐振电路包括一谐振电容、一辅助变压器、一谐振电感和一辅助开关，所述谐振电容与所述升压变换电路的输入端并联以接收一谐振电路输入电压，并为所述升压变换电路的输入端提供辅助电流，所述辅助变压器的原边与所述谐振电感和所述辅助开关串联后与所述谐振电容并联，接收所述谐振电路输入电压，所述辅助变压器的副边与所述升压变换电路的输出端并联。与现有技术相比，本发明能够保持输入电流连续，减少电流的谐波含量，同时能够实现电路中开关器件的软开关，提高了电路的效率。

Description

一种升压变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种升压变换器，尤其是涉及一种带有谐振电路的升压变换器及其控制方法。
背景技术
传统的boost变换器，应用在大功率场合时，为了解决电流断续模式时，电磁干扰和开关损耗大的缺点，通常会使用连续电流控制模式。但是在轻载的状态下，即使使用连续电流控制模式，还是会出现电流断续的区域。特别是当输出电压增加时，输入电流在电压过零点处会出现断续，由此就会增加输入电流的纹波，无法很好的降低输入电流的总谐波畸变率(THD)。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种升压变换器及其控制方法，能够补偿输入电流，避免出现电流断续的区域，从而减小输入电流纹波，提高电路的功率因数。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种升压变换器，包括升压变换电路和谐振电路，所述谐振电路包括一谐振电容、一辅助变压器、一谐振电感和一辅助开关，所述谐振电容与所述升压变换电路的输入端并联以接收一谐振电路输入电压，并为所述升压变换电路的输入端提供辅助电流，所述辅助变压器的原边与所述谐振电感和所述辅助开关串联后与所述谐振电容并联，接收所述谐振电路输入电压，所述辅助变压器的副边与所述升压变换电路的输出端并联。
优选地，所述谐振电路还包括一整流二极管，所述整流二极管与所述辅助变压器的副边串联，用于对所述辅助电流的输出电流进行整流。
优选地，所述谐振电路还包括一续流二极管，所述续流二极管跨接在所述辅助变压器的原边绕组和副边绕组上，为所述变压器提供续流通路。
优选地，所述谐振电感与所述辅助变压器集成在一起。
优选地，所述升压变换电路为一boost变换电路。
优选地，所述升压变换电路包括一主功率电感、一主功率开关和一主功率二极管，所述主功率电感串联在所述输入端中，所述主功率开关与所述输入端并联后与所述主功率二极管的一端串联，所述主功率二极管的另一端为所述输出端。
优选地，所述升压变换器应用于交流直流变换电路，进行功率因数校正。
优选地，所述升压变换器采用平均电流控制方法进行控制。
一种所述升压变换器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，采样所述升压变换电路的输入电流，得到一采样值；
步骤二，比较所述采样值和第一设置定值与第二设定值的大小关系；
步骤三，根据步骤二中的比较结果，设定所述升压变换电路和所述谐振变换电路的工作状态，所述采样值小于第一设定值时，所述升压变换电路不工作，所述谐振变换电路工作；所述采样值大于等于第一设定值并且小于第二设定值时，所述升压变换电路和所述谐振变换电路同时工作；所述采样值大于第二设定值时，所述谐振变换电路不工作，所述升压变换电路工作。
优选地，所述采样值大于等于第一设定值并且小于第二设定值时，所述升压变换电路和所述谐振变换电路同时工作，所述谐振变换电路的辅助开关先导通，所述谐振电容和所述谐振电感谐振，所述谐振电容两端的电压降至零时，所述升压变换电路的主功率开关导通。
与现有技术相比，本发明能够保持输入电流连续，减少电流的谐波含量，同时能够实现电路中开关器件的软开关，提高了电路的效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例2的结构示意图。
图3为将如图1所示的具体实施例应用于AC/DC变换装置结构示意图。
图4为图1所示一具体实施例的关键点的波形图，其中(a)谐振模式的波形图，(b)为升压模式的波形图。
图5为应用于图3所示AC/DC变换装置的平均电流控制过程示意图。
图6为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明提供的升压型变换器在电路轻载或者负载电压升高时，能够保持电路中电流连续，减少电流谐波，提高电路的功率因数。另外，本发明的具体实施例在每个控制周期中均有一个谐振模态，以此实现电路的软开关。
实施例1
如图1所示，为本发明一具体实施例。该实施例中所述升压型变换器包含升压变换电路11和谐振电路12。所述升压变换电路11为一boost变换器，包括输入端IN和输出端OUT以及主功率电感Lm、主功率开关管S、主功率二极管D1、输出电容Co，所述主功率电感Lm串联在所述升压变换电路11的输入端IN中，所述主功率开关管S与所述升压变换电路11的输入端IN并联，当其闭合时所述输入端IN的输入电压为所述主功率电感Lm充电，当其断开时所述升压变换电路11的输入端IN为所述输出端OUT的负载供电。所述谐振电路12包括谐振电容Caux，辅助开关Saux，辅助变压器Taux以及谐振电感Laux，所述谐振电容Caux与所述升压变换电路11的输入端IN并联，以接受一辅助电压，所述辅助开关Saux、辅助变压器Taux和所述谐振电感Laux串联连接后与所述谐振电容Caux并联，构成一并联谐振电路，所述辅助变压器Taux的副边绕组与所述整流二极管D2串联后与所述升压变换电路11的输出端OUT并联，所述辅助变压器Taux的原边绕组经过一续流二极管D3与所述升压变换电路11的输出端OUT连接，以为所述谐振电感Laux和所述辅助变压器Taux提供续流通路，并将Saux两端的电压钳位在输出电压，防止Saux断开时产生电压尖峰损坏Saux。
在升压变换装置10工作于稳态时，所述升压变换装置10大概有两个工作模式：谐振模式和升压模式。所述谐振电容Caux两端电压Vc的最大瞬时值小于输出电压Vo时，主功率二极管D1关断，所述升压变换装置10工作于谐振模式，参考图4(a),其中d1为辅助开关Saux的驱动信号，d2为主功率开关S的驱动信号，现对每个工作模态做如下说明：
在t0≤t≤t1,主功率开关S和辅助开关Saux均导通，所述升压变换电路11的输入端IN的输入电源为所述主功率电感Lm储能，所述谐振电容Caux两端的电压为零。
在t1＜t≤t2，主功率开关S和辅助开关Saux均关断，主功率开关S的两端的电压，被谐振电容Caux的钳位为零，主功率开关S实现了零电压关断(ZVS)，辅助开关Saux关断时，其上流过电流，但是此电流为辅助变压器Taux的励磁电流，电流值非常小，因而开关损耗小。此时谐振电感Laux和辅助变压器Taux通过续流二极管D3向升压变换电路的输出端传输能力。二极管D3导通，辅助开关Saux两端的电压被钳位在输出电压Vo。谐振电容Caux开始有输入电流Iin充电。
在t2＜t≤t3，谐振电感Laux中的电流即辅助电流ILaux降低至零，这使得辅助开关Saux可以零电流开通(ZCS)，因为谐振电容两端的电压Vc的电压值小于输出电压Vo，二极管D1截止。
在t3＜t≤t4，辅助开关Saux零电流开通，主功率电感Lm和谐振电容Caux通过辅助变压器T1向副边传输能量，谐振电感Laux两端的电压为Vc-Vo/N，其中N为辅助变压器副边绕组的匝数和原边绕组匝数的比值。Vc＞Vo/N时，谐振电感Laux中的辅助电流ILaux持续上升，当Vc＝Vo/N时达到最大值，之后Vc＜Vo/N，谐振电感Laux中的辅助电流ILaux下降至励磁电流，最后Vc下降至零。
在t＞t4时，主功率开关S零电压开通。
当输入电压Vin的瞬时值较大时，电容Caux(VCaux＝Vin-LdiLm/dt)两端的电压较大，二极管D1会导通，电路工作于升压模式，参考图4(b)，其中d1为辅助开关Saux的驱动信号，d2为主功率开关S的驱动信号，对各个电路模态做详细说明：
在t0≤t≤t1,主功率开关S和辅助开关Saux均导通，所述升压变换电路11的输入端的输入电源为所述主功率电感Lm储能，所述谐振电容Caux两端的电压为零。
在t1＜t≤t2，主功率开关S和辅助开关Saux均关断，主功率开关S的两端的电压，被谐振电容Caux的钳位为零，主功率开关S实现了零电压关断(ZVS)，辅助开关Saux关断时，其上流过电流，但是此电流为辅助变压器T1的励磁电流，电流值非常小，因而开关损耗小。此时谐振电感Laux和辅助变压器Taux通过续流二极管D3向升压变换电路的输出端传输电能。二极管D3导通，辅助开关Saux两端的电压被钳位在输出电压Vo。谐振电容Caux开始有输入电流Iin充电。
在t2＜t≤t3，谐振电感LAUX中的电流降低至零，这使得辅助开关Saux可以零电流关断(ZCS)，因为输入电压Vc的电压值不小于输出电压Vo，二极管D1导通。
在t3＜t≤t4，辅助开关Saux零电流关断，主功率电感Lm和谐振电容Caux通过二极管D1向副边传输能量，谐振电感Laux两端的电压为Vc-Vo/N，其中N为辅助变压器副边绕组的匝数和原边绕组匝数的比值。Vc＞Vo/N时，谐振电感Laux中的辅助电流ILaux持续上升，当Vc＝Vo/N时达到最大值，之后Vc＜Vo/N，谐振电感Laux中的辅助电流ILaux下降至励磁电流，最后Vc下降至零。
当t4＜t时，主功率开关S零电压开通。
由上述分析可以看出，在谐振模式下，电路主要通过辅助变压器Taux向副边传输电能；在升压模式下，电路主要通过主功率二极管D1传输能量。
实施例2
如图2所示，为本发明的另一具体实施例，与图1所示的具体实施例的区别在于，在本实施例中，谐振电感Laux被集成在辅助变压器Taux中。
如图3所示，将本发明的升压变换装置应用于一AC/DC变换装置，进行功率因数校正，所述升压变换装置的输入端连接一整流桥31，所述整流桥31将交流输入Vac整流为直流Vdc输出，并输出给升压变换装置。通过本发明的升压变换装置可以更好的降低AC/DC变换装置的电流谐波，同时，由于本发明的电路实现了软开关技术，可以使用更高频率的驱动信号来控制电路中开关的开通或关断，因而可以降低电路中主功率电感Lm的体积。
更重要的是，已知技术中的功率因数校正器，在交流输入电压很小的时候，例如接近过零点区域，输入电流很容易进入断续模式，但是在本案的设计中，因为谐振电路的作用，输入电流不会断续，保持着连续的状态。在本发明的技术方案中可以使用平均电流控制方法，且控制频率恒定，这样会使得控制系统简单可靠。所述平均电流控制方法如图5所示，采样输入电流Iin，并给定一参考值Iref，对这两个量进行PI计算，将计算的结果与一三角载波进行交截，利用PWM发生装置产生开关驱动信号d1，所述开关驱动信号d1用来驱动辅助开关Saux，开关驱动信号d1经过一延时控制delay后产生另一开关驱动信号d2用来驱动主功率开关S。所述延时控制的延时时间不小于如图4所述时间区间t3与t4之间的时间间隔，以保证开关S可以零电压开通。
实施例3
如图6所示，本发明还提供了另一优选的控制方法，使用电流采样装置采样升压变换器61的输入电流Iin得到采样电流Ic，所述电流采样装置包含一电流互感器CT、一电阻R1、一电容C1，所述电流互感器CT的输入端与升压变换器61的输入端连接，电流互感器CT的输出端与所述电阻R1和所述电容C1串联，所述电容C1的第一端子作为采样电流的输出端，并与一驱动控制电路连接，所述驱动控制电路根据采样电流Ic与第一设定值I1和第二设定值I2的大小关系控制开关S和Saux：
Ic<I1时，谐振电路62工作，升压变换电路61不工作，开关S关断；
I1≤Ic<I2时，谐振电路62和升压变换电路61均工作，工作方式如图4所述；
I2≤Ic时，所述谐振电路62不工作，所述开关Saux关断，所述升压变换电路61工作。
本发明的使用了电流采样装置采样输入电流Iin的平均值Ic，但是本发明的技术方案并不限于此，也可以直接采样输入电流Iin，使用驱动控制电路计算其平均值。
另外，本发明的谐振电容Caux使用较大的电容，以使其可以参与谐振电路62的谐振，例如可以使用容量为纳法级的。
综上所述，本发明实施例提出一种升压变换器，使用本发明提供的升压变换器能够保证输入电流连续，达到更高功率因数，同时能够实现电路中开关的软开关，具有较高的电路效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种升压变换器，其特征在于，包括升压变换电路和谐振电路，所述谐振电路包括一谐振电容、一辅助变压器、一谐振电感和一辅助开关，所述谐振电容与所述升压变换电路的输入端并联以接收一谐振电路输入电压，并为所述升压变换电路的输入端提供辅助电流，所述辅助变压器的原边与所述谐振电感和所述辅助开关串联后与所述谐振电容并联，接收所述谐振电路输入电压，所述辅助变压器的副边与所述升压变换电路的输出端并联。
2.根据权利要求1所述的一种升压变换器，其特征在于，所述谐振电路还包括一整流二极管，所述整流二极管与所述辅助变压器的副边串联，用于对所述辅助电流的输出电流进行整流。
3.根据权利要求1所述的一种升压变换器，其特征在于，所述谐振电路还包括一续流二极管，所述续流二极管跨接在所述辅助变压器的原边绕组和副边绕组上，为所述变压器提供续流通路。
4.根据权利要求1所述的一种升压变换器，其特征在于，所述谐振电感与所述辅助变压器集成在一起。
5.根据权利要求1所述的一种升压变换器，其特征在于，所述升压变换电路为一boost变换电路。
6.根据权利要求1或5所述的一种升压变换器，其特征在于，所述升压变换电路包括一主功率电感、一主功率开关和一主功率二极管，所述主功率电感串联在所述输入端中，所述主功率开关与所述输入端并联后与所述主功率二极管的一端串联，所述主功率二极管的另一端为所述输出端。
7.根据权利要求1所述的一种升压变换器，其特征在于，所述升压变换器应用于交流直流变换电路，进行功率因数校正。
8.根据权利要求1所述的一种升压变换器，其特征在于，所述升压变换器采用平均电流控制方法进行控制。
9.一种权利要求1所述升压变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采样所述升压变换电路的输入电流，得到一采样值；
步骤二，比较所述采样值和第一设定值与第二设定值的大小关系；
步骤三，根据步骤二中的比较结果，设定所述升压变换电路和所述谐振变换电路的工作状态，所述采样值小于第一设定值时，所述升压变换电路不工作，所述谐振变换电路工作；所述采样值大于等于第一设定值并且小于第二设定值时，所述升压变换电路和所述谐振变换电路同时工作；所述采样值大于第二设定值时，所述谐振变换电路不工作，所述升压变换电路工作。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述采样值大于等于第一设定值并且小于第二设定值时，所述升压变换电路和所述谐振变换电路同时工作，所述谐振变换电路的辅助开关先导通，所述谐振电容和所述谐振电感谐振，所述谐振电容两端的电压降至零时，所述升压变换电路的主功率开关导通。
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