CN106887945A - 单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路及校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路，属于电力电子技术领域。目的是为解决现有技术中传统功率因数校正电路存在元器件较多、成本高以及转换效率低等缺点，校正电路包括输入整流桥、输入电感，还包括主开关管、辅开关管、谐振电感、谐振电容、副边电容、输出整流桥、寄生电容、钳位电容及变压器；本发明还提供了一种单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法，通过开关周期的五个阶段实现功率管的软开关，该谐振隔离电路可以实现功率因数校正功能。本发明提供的校正电路和校正方法，具有元器件少、结构简单和输入功率因数高等优点，并能在宽输入电压范围和宽负载范围内实现较高的转换效率，适用于中大功率应用场合。

Description

单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路及校正方法

技术领域

本发明具体涉及一种单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路及校正方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着整流性电力电子装置的广泛应用，给电网造成了严重的谐波污染。为了满足国家以及国际电工委员会(IEC)对电力电子装置制定的谐波标准，功率因数校正技术应运而生。

传统隔离型AC/DC变换器(Power factor correction,PFC)广泛地应用于消费电子、通信电源等各类场合，一般采用两级式拓扑结构。前级AC/DC部分用于整流和功率因数校正，后级DC/DC部分用于实现隔离和输出电压调整，输入功率因数高且实现简单，但存在控制复杂、元器件多和整体转换效率低等优点，而单级隔离型PFC变换器结构简单、元器件少和转换效率高，近年来成为电路拓扑的研究热点。

中国发明专利CN 101515762 B，公开了一种无源钳位的单相单级桥式功率因数校正变换器及其控制方法，虽然实现了功率因数校正，但是其包括四个开关管元件，元器件较多，控制较复杂，并且转换效率也不高。

发明内容

因此，本发明针对传统功率因数校正电路存在元器件较多、成本高以及转换效率低等缺点。

本发明提供了一种单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路，包括输入整流桥、输入电感，所述单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路还包括主开关管、辅开关管、谐振电感、谐振电容、副边电容、输出整流桥、寄生电容、钳位电容及变压器；

输入电感一端连接输入整流桥的一个输出端，输入电感另一端连接谐振电容，谐振电容与谐振电感串联，谐振电感连接变压器原边的一端，变压器原边的另一端连接输入整流桥的另一个输出端，变压器副边经副边电容连接输出整流桥的输入端；

主开关管的一端连接在输入电感与谐振电路之间，主开关管的另一端连接在变压器原边与输入整流桥的另一个输出端之间，寄生电容与主开关管并联；

辅开关管的一端连接在输入电感与谐振电路之间，辅开关管的另一端经钳位电容后连接在主开关管与变压器原边之间；

所述钳位电容的电容值是寄生电容的电容值的1000倍以上，所述励磁电感的电感值是谐振电感的电感值的1000倍以上。

进一步的，所述主开关管及辅开关管均为带有反并联二极管的功率开关管。

进一步的，所述输入整流桥为4个二极管组成的全桥整流桥。

进一步的，所述输出整流桥为4个二极管组成的全桥整流桥。

本发明还提供了一种基于上述单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路的单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法，所述校正方法通过开关周期实现，所述开关周期具体包括：

第一阶段：

主开关管开通，辅开关管关断，输入电感电流线性增加，寄生电容电压等于零，谐振电容电压减小，副边电容的电压减小；

第二阶段：

主开关管关断，辅开关管关断，寄生电容开始充电，直到寄生电容电压与钳位电容电压相等；

第三阶段：

辅开关管的反并联二极管开始导通，辅开关管开通，输入电感的电流开始线性减小；谐振电感的电流方向发生改变，从正值变为负值，副边电容的电压开始增加，持续到辅开关管关断；

第四阶段：

辅开关管关断，钳位电容从电路中断开，主开关管的反并联二极管导通，主开关为零电压开通；

第五阶段：

主开关管开通，主开关管的电流由负变正，输入电感的电流线性增加，下一个开关周期开始。

本发明的有益效果在于：本发明的单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路，通过采用有源钳位的方法，实现了主开关和辅开关的零电压开通，降低了开关管的电压应力，并详细分析了软开关实现的工作原理，该隔离型变换器具有元器件少、结构简单和输入功率因数高等优点，并能在宽负载范围内实现较高的转换效率，适用于中大功率应用场合。

附图说明

图1为本发明实施例1单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路的结构示意图；

图2是本发明实施例2单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法的工作波形图；

图3是本发明实施例2单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法中第一阶段的工作原理图；

图4是本发明实施例2单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法中第二阶段的工作原理图；

图5是本发明实施例2单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法中第三阶段的工作原理图；

图6是本发明实施例2单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法中第四阶段的工作原理图；

图7是本发明实施例2单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法中第五阶段的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

实施例1

本实施例提供了单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路。

如图1所示，本实施例中，单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路包括输入整流桥、输入电感L、主开关管Q₁、辅开关管Q₂、谐振电感L_r、谐振电容C_P、副边电容C_s、输出整流桥和变压器T₁组成，其中变压器原边和副边匝数分别为n_p和n_s。C_r为主开关管的寄生电容，C为钳位电容。输入整流桥、输入电感L、主开关管Q₁、辅开关管Q₂、谐振电感L_r、谐振电容C_P、副边电容C_s、输出整流桥和变压器T₁组成，其中变压器原边和副边匝数分别为n_p和n_s。C_r为主开关管的寄生电容，C为钳位电容。

输入整流桥及输出整流桥均为4个电容组成的全桥整流桥。

主开关管及辅开关管均为带有反并联二极管的功率开关管。

钳位电容C大于寄生电容Cr。

谐振电感Lr小于变压器励磁电感Lm。

实施例2

本实施例提供了单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法，基于实施例1提供的校正电路实现。

假设：所有元器件均为理想元器件；谐振电感Lr中存储的能量大于主功率开关管寄生电容Cr存储的能量。开关频率远大于电网电压频率。

本实施例的校正方法中，工作过程的主要波形如图2所示，一个工作周期内，变换器存在5个工作状态。

各阶段的工作原理图如图3至图7所示，具体的：

第一阶段(t₀-t₁)：

t₀时刻，主开关管Q₁开通，辅开关管Q2关断，输入电感电流i_L线性增加，寄生电容电压U_Cr＝0，谐振电容电压U_Cp减小。二极管D2，D3导通，电容电压U_Cs减小。

第二阶段(t₁-t₂)：

t₁时刻，主开关管Q₁关断，辅开关管Q₂关断，主开关管寄生电容Cr开始充电，直到t₂时刻，寄生电容电压与钳位电容电压相等，即U_Cr＝Uc。此充电过程时间较短，在此过程中输入电感电流i_L和谐振电感电流i_Lr大小保持恒定。

第三阶段(t₂-t₃)：

t₂时刻，辅开关管Q₂的反并联二极管开始导通，由于钳位电容C远大于寄生电容Cr，可以认为电容电压U_Cr在这个时间段内保持不变。辅开关管Q₂在这个时间段内开通，以达到零电压开通，输入电感电流i_L开始线性减小。

在这个过程中，谐振电感i_Lr电流方向发生改变，从正值变为负值，副边整流二极管D₁和D₄开始导通。电容电压U_Cs开始增加。这个过程持续到开关管Q2关断。

第四阶段(t₃-t₄)：

t₃时刻，辅开关管Q₂关断，钳位电容C从电路中断开。假设谐振电感Lr中存储的能量大于寄生电容Cr存储的能量，寄生电容电压将被放电至0，此时主开关管的反并联二极管导通。因此，谐振电感L_r必须满足如下关系式：

在时间t₄时刻，由于和主开关管Q₁反并联二极管导通，主开关为零电压开通。

第五阶段(t₄-t₅)：

t₅时刻，主开关管Q₁开通，主开关管电流i_s由负变正，输入电感电流i_L线性增加，下一个开关周期开始。

相比于背景技术中的现有技术的方案，可以明显的看出，通过本发明的校正电路实现的校正方法，元器件更少、结构更简单和输入功率因数更高。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路，包括输入整流桥、输入电感，其特征在于，所述单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路还包括主开关管、辅开关管、谐振电感、谐振电容、副边电容、输出整流桥、寄生电容、钳位电容及变压器；

输入电感一端连接输入整流桥的一个输出端，输入电感另一端连接谐振电容，谐振电容与谐振电感串联，谐振电感连接变压器原边的一端，变压器原边的另一端连接输入整流桥的另一个输出端，变压器副边经副边电容连接输出整流桥的输入端；

主开关管的一端连接在输入电感与谐振电路之间，主开关管的另一端连接在变压器原边与输入整流桥的另一个输出端之间，寄生电容与主开关管并联；

辅开关管的一端连接在输入电感与谐振电路之间，辅开关管的另一端经钳位电容后连接在主开关管与变压器原边之间；

所述钳位电容的电容值是寄生电容的电容值的1000倍以上，所述励磁电感的电感值是谐振电感的电感值的1000倍以上。

2.如权利要求1所述的单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路，其特征在于，所述主开关管及辅开关管均为带有反并联二极管的功率开关管。

3.如权利要求1所述的单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路，其特征在于，所述输入整流桥为4个二极管组成的全桥整流桥。

4.如权利要求1所述的单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路，其特征在于，所述输出整流桥为4个二极管组成的全桥整流桥。

5.一种基于如权利要求1至4任一项所述的单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正电路的单级谐振式隔离软开关升压功率因数校正方法，其特征在于，所述校正方法通过开关周期实现，所述开关周期具体包括：

第一阶段：

主开关管开通，辅开关管关断，输入电感电流线性增加，寄生电容电压等于0，谐振电容电压减小，副边电容的电压减小；

第二阶段：

主开关管关断，辅开关管关断，寄生电容开始充电，直到寄生电容电压与钳位电容电压相等；

第三阶段：

辅开关管的反并联二极管开始导通，辅开关管开通，输入电感的电流开始线性减小；谐振电感的电流方向发生改变，从正值变为负值，副边电容的电压开始增加，持续到辅开关管关断；

第四阶段：

辅开关管关断，钳位电容从电路中断开，主开关管的反并联二极管导通，

主开关为零电压开通；

第五阶段：

主开关管开通，主开关管的电流由负变正，输入电感的电流线性增加，下一个开关周期开始。