CN106655835A - 单电感两级式的拓扑结构变换器及其控制方法 - Google Patents

单电感两级式的拓扑结构变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及功率因素校正器的拓扑变换及控制方法领域，具体为单电感两级式的拓扑结构变换器及其控制方法，为一种单电感两级式PFC变换器的拓扑结构，包括双峰值电流的控制方法。双峰值电流的控制方法是分别通过反馈两个电容上面的电压生成两个峰值，然后将两个峰值与实时的电流对比生成单电感两级式变换器BOOST状态及BUCK状态的占空比。双峰值电流控制方法仅需要一套控制电路，比起传统两级式PFC变换器的两套控制电路节约了成本。

Description

单电感两级式的拓扑结构变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及功率因素校正器的拓扑变换及控制方法领域，特指单电感两级式的拓扑结构变换器及其控制方法。
背景技术
两级式PFC变换器在对输入端功率因素高，输出端动态响应快及波形较好的应用中有着不可替代的优势，但是传统两级式PFC变换器其主电路器件较多成本较高，控制电路需要两套成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对传统两级式PFC变换器其主电路器件较多成本较高，控制电路需要两套成本较高等问题，提出了一种单电感两级式PFC变换器的拓扑结构及双峰电流控制的方法，减少了两级式PFC变换器的成本。
具体技术方案为：
单电感两级式的拓扑结构变换器，包括由输入端的交流源AC、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成一个单相半波整流电路；还包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4与电感L组成的一个单电感的H桥结构，单电感的H桥结构使电感L上的电流iL从正方向或者负方向流通；所述的单电感的H桥结构包括四个外端口，四个外端口分别连接输入端、输出端、电容C1以及一个公共端口；二极管D5与输入端的单相半波整流电路串接，防止电路其他部分电流回流到输入端；电阻R与电容C2并联，电容C2与电阻R构成输出端，输出电压为Vout2；二极管D6与输出端串接，防止输出端电流流入电路其余部分；C1连接在单电感的H桥结构的一个端口与公共端口之间，储存纹波较大的能量，能量以电压Vout1的形式存储在电容C1中；信号s1、信号s2、信号s3、信号s4分别为开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4的控制信号。
本发明还提供该单电感两级式的拓扑结构变换器的控制方法：对于拓扑结构，仅仅使用了一个电感；对于控制方法，采用双峰值控制法，控制单电感两级式变换器BOOST状态时电感电流的峰值及BUCK状态时电感电流峰值；所述控制方法如下：
(1)将采样的输入交流电压与采样的中间电容的电压通过乘法器，再将乘法器产生的信号通过PI调节成BOOST状态的电流峰值参考值IP1；
(2)采样输出电容上的电压通过PI调节成BUCK状态的电流峰值参考值IP2；
(3)将步骤(1)得到的BOOST状态的电流峰值参考值IP1与实时的电感电流采样值I进行对比，当I＝IP1时，产生一个峰值信号P1；
(4)将步骤(2)得到的BUCK状态的电流峰值参考值IP2与实时的电感电流采样值I进行对比，当I＝IP2时，产生一个峰值信号P2；
(5)将实时的电感电流采样值I与零进行对比，当I＝0时，产生一个过零信号Z1；
采用了双峰电流控制的方法，相应的开关的驱动信号通过以下步骤获得：
(6)开关管MOS1的驱动信号S1通过振荡器在零时刻变为高电平S1＝1,与此同时变为高电平的还有开关管MOS2的驱动信号S2＝1，此时的开关管MOS3的驱动信号S3＝0，开关管MOS4的驱动信号S4＝0；
(7)当电感上电流上升达到步骤(3)的条件时，开关管MOS2关断，驱动信号S2＝0；
(8)当电感电流下降到零，即达到步骤(5)的条件时，开关管MOS1关断，驱动信号S1＝0，与此同时开关管MOS3,MOS4打开，驱动信号S3＝1,S4＝1；
(9)电感电流继续向负方向增加，即达到步骤(4)的条件时，开关管MOS3断开，驱动信号S3＝0；
(10)当振荡器进入下一个周期的时候，开关管MOS4关断，驱动信号S4＝0,开关管MOS1,MOS2打开，驱动信号S1＝1,S2＝1,即进入步骤(6)的状态。
传统的两级式PFC变换器，即BOOST前级BUCK后级，在拓扑结构中有两个电感，会占用较大的体积且成本较高，不利于开关电源的整体设计。
本发明针对传统两级式PFC变换器占用体积较大且成本较高的问题提出了一种单电感两级式PFC变换器的拓扑结构，包括双峰值电流的控制方法。双峰值电流的控制方法是分别通过反馈两个电容上面的电压生成两个峰值，然后将两个峰值与实时的电流对比生成单电感两级式变换器BOOST状态及BUCK状态的占空比。双峰值电流控制方法仅需要一套控制电路，比起传统两级式PFC变换器的两套控制电路节约了成本。
附图说明
图1为本发明的拓扑结构。
图2为本发明采用双峰电流控制法电感上的电流及对应的PWM驱动信号。
图3为本发明输入端的电流。
图4为本发明中间电容上的电压。
图5为本发明输出端上的电压。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1，其示出了本发明提供的单电感两级式的拓扑结构。常规的单级BOOS TPFC中，开关管仅含有T2与T3，电容仅有C1。本发明所提出的拓扑结构在输入端与输出端各加一个开关管T1与开关管T4，并加入电容C2。中间稳压电容为C1，输出端稳压电容为C2。四个开关管与电感L形成了一个H桥的构架,使电感上面的电流可以从正方向或负方向流动,即先让AC输入端的能量流入电容C1再让电容C1的能量流入电容C2，电容C2上面的能量供给负载R。其中D5,D6的作用是为了防止电流回流。具体结构：包括由输入端的交流源AC、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成一个单相半波整流电路；还包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4与电感L组成的一个单电感的H桥结构，单电感的H桥结构使电感L上的电流iL从正方向或者负方向流通；所述的单电感的H桥结构包括四个外端口，四个外端口分别连接输入端、输出端、电容C1以及一个公共端口；二极管D5与输入端的单相半波整流电路串接，防止电路其他部分电流回流到输入端；电阻R与电容C2并联，电容C2与电阻R构成输出端，输出电压为Vout2；二极管D6与输出端串接，防止输出端电流流入电路其余部分；C1连接在单电感的H桥结构的一个端口与公共端口之间，储存纹波较大的能量，能量以电压Vout1的形式存储在电容C1中；信号s1、信号s2、信号s3、信号s4分别为开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4的控制信号。
如图2，其示出了本发明提供的单电感两级式的拓扑结构变换器的控制方法，具体包括以下步骤：
(1)根据输入的需要设定电流峰值Ip1，根据输出的需要设定电流峰Ip2；
(2)时间0到t0时，驱动信号S1＝1,S2＝1,S3＝0,S4＝0，电感上的电流增加，采样流过电感的电流，并与电流峰值Ip1进行比较。
(3)当采样电流等于或大于Ip1时，驱动信号S2＝0,步骤(2)到步骤3)所对应的时间为D1Ts，这里的D1就是变换器BOOST状态的占空比，用于控制输入电流。
(4)步骤(3)之后，即时间t0到t1，电感上的电流会下降，当下降到零的时候，驱动信号S1＝0,S3＝1,S4＝1。
(5)步骤(4)之后，即时间t1到t2，电感上的电流会向负方向增加，并于电流峰值Ip2进行比较。
(6)当采样电流小于或等于Ip2时，驱动信号S3＝0，步骤(5)到步骤6)所对应的时间为D3Ts，这里的D3就是变换器BUCK状态时的占空比，用于控制输出电压。
(7)直到进入下一个周期，回到步骤(2)。
单电感两级式的拓扑结构变换器输入端的电流、中间电容上的电压、输出端上的电压分别如图3、图4和图5所示。

Claims (2)

1.单电感两级式的拓扑结构变换器，其特征在于，包括由输入端的交流源AC、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成一个单相半波整流电路；还包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4与电感L组成的一个单电感的H桥结构，单电感的H桥结构使电感L上的电流iL从正方向或者负方向流通；所述的单电感的H桥结构包括四个外端口，四个外端口分别连接输入端、输出端、电容C1以及一个公共端口；二极管D5与输入端的单相半波整流电路串接，防止电路其他部分电流回流到输入端；电阻R与电容C2并联，电容C2与电阻R构成输出端，输出电压为Vout2；二极管D6与输出端串接，防止输出端电流流入电路其余部分；C1连接在单电感的H桥结构的一个端口与公共端口之间，储存纹波较大的能量，能量以电压Vout1的形式存储在电容C1中；信号s1、信号s2、信号s3、信号s4分别为开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4的控制信号。
2.根据权利要求1所述的单电感两级式的拓扑结构变换器的控制方法，其特征在于：采用双峰值控制法，控制单电感两级式的拓扑结构变换器BOOST状态时电感电流的峰值及BUCK状态时电感电流峰值；所述控制方法包括以下过程：
(1)将采样的输入交流电压与采样的中间电容的电压通过乘法器，再将乘法器产生的信号通过PI调节成BOOST状态的电流峰值参考值IP1；
(2)采样输出电容上的电压通过PI调节成BUCK状态的电流峰值参考值IP2；
(3)将步骤(1)得到的BOOST状态的电流峰值参考值Ip1与实时的电感电流采样值I进行对比，当I＝Ip1时，产生一个峰值信号P1；
(4)将步骤(2)得到的BUCK状态的电流峰值参考值Ip2与实时的电感电流采样值I进行对比，当I＝Ip2时，产生一个峰值信号P2；
(5)将实时的电感电流采样值I与零进行对比，当I＝0时，产生一个过零信号Z1；
(6)开关管MOS1的驱动信号S1在周期零时刻变为高电平S1＝1,与此同时变为高电平的还有开关管MOS2的驱动信号S2＝1，此时的开关管MOS3的驱动信号S3＝0，开关管MOS4的驱动信号S4＝0；
(7)当电感上电流上升达到步骤(3)的条件时，开关管MOS2关断，驱动信号S2＝0；
(8)当电感电流下降到零，即达到步骤(5)的条件时，开关管MOS1关断，驱动信号S1＝0，与此同时开关管MOS3、开关管MOS4打开，驱动信号S3＝1,S4＝1；
(9)电感电流继续向负方向增加，即达到步骤(4)的条件时，开关管MOS3断开，驱动信号S3＝0；
(10)当进入下一个周期的时候，开关管MOS4关断，驱动信号S4＝0,开关管MOS1、开关管MOS2打开，驱动信号S1＝1,S2＝1,即进入步骤(6)的状态。
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