CN107204717B - 一种无桥升压型cuk pfc电路 - Google Patents

一种无桥升压型cuk pfc电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无桥升压型Cuk PFC电路，该电路包括：输入交流电源Vin、功率开关管Q1、功率开关管Q2、功率二极管D1至D5、中间电容Cn1与Cn2、输出电容Co、电感L11、L12以及L2。输入电源一端与D1的阳极、D2的阴极以及L11一端相连，另一端与D3的阳极、D4的阴极以及L12一端相连；L12另一端分别与Cn2一端以及Q2漏极相连；L11另一端分别与Cn1一端以及Q1漏极相连；Cn1、Cn2另一端经D5的阳极连接至L2一端；L2另一端分别与CO的负极以及负载RL一端相连；D1的阴极与D3的阴极相连，并分别与CO的负极以及负载RL另一端相连；D2、D4、Q1、Q2以及D5的阴极另一端接地。本发明通过构造无桥升压型Cuk PFC电路，降低了功率半导体器件的导通损耗，实现低纹波、高效、高功率因数的AC‑DC电能变换。

Description

一种无桥升压型CUK PFC电路
技术领域
本发明涉及一种无桥升压型Cuk PFC AC-DC变换电路。
背景技术
Cuk斩波电路也称Cuk变换器。美国加州理工学院Slobodan Cuk提出的对Buck-Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。
在传统Cuk变换器的基础上，Slobodan Cuk又于2000年提出了一种升压型Cuk变换器。这种变换器仅用于实现变换器升压功能，在保留传统Cuk变换器优点的同时，实现单方向升压功能；同时，这种变换器具有输出电压的极性和输入电压相同的特点。
当开关电源使用传统的二极管整流桥和电容对输入的交流电进行整流滤波时，只在输入交流电压的峰值部分才有输入电流，导致输入电流含有很大的谐波，这会对电网造成污染。为了使输入电流谐波满足要求，必须采用功率因数校正技术(PFC)。谐波治理问题已越来越受到政府组织、企业、研究机构的重视，权威机构制订了一系列强制性相关标准，如IEEE519、IEC1000-3-2等标准。因此功率因数校正（Power Factor Correction—PFC）技术成为电力电子研究领域里重要的一个研究热点。
将升压型Cuk电路应用于AC-DC变换领域，保留了升压型Cuk电路的优点，在实现输入输出的低纹波的同时，又能够实现高功率因数。
传统的有源功率因数校正电路以整流桥作为前级的AC-DC变换电路，在任意时刻，电流都至少要通过3个开关器件构成回路，整流桥的通态损耗影响整机效率的提升。与传统的整流桥有源功率因数校正电路相比，无桥电路拓扑的主回路少了一个二极管，因此可以减少导通损耗，提高效率。尤其在低压大功率场合，无桥电路具有更高效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无桥升压型Cuk PFC电路，以实现低纹波、高效、高功率因数的AC-DC电能变换。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无桥升压型Cuk PFC电路，提供低纹波、高效、高功率因数的AC-DC电能变换，提供一输入交流电压源，所述输入交流电压源的一输出端分别与一第一功率二极管D1的阳极、一第二功率二极管D2的阴极以及一第一电感L11的一端相连；所述输入交流电压源的一输出端分别与一第三功率二极管D3的阳极、一第四功率二极管的阴极以及一第二电感L12的一端相连；所述第一电感L11的另一端分别与一第一功率开关管Q1的漏极以及一第一中间电容Cn1的一端相连；所述第二电感L12的另一端分别与一第二功率开关管Q2的漏极以及一第二中间电容Cn2的一端相连；所述第一中间电容Cn1的另一端、所述第二中间电容Cn2的另一端均与一第五功率二极管D5的阳极相连，并接入第三电感L2的一端；所述第一功率二极管D1的阴极与所述第三功率二极管D3的阴极相连，并与一输出电容Co的正极以及负载RL的一端相连；所述第三电感L2的另一端与所述输出电容Co的负极以及所述负载的另一端相连；所述第二功率二极管D2的阳极、所述第四功率二极管D4的阳极、所述第一功率开关管Q1的源极、所述第二功率开关管Q2的源极以及所述第五功率二极管D5的阴极相连，并接直流参考地；所述第一功率开关管Q1的栅极接入第一驱动信号，所述第二功率开关管Q2的源极接入第二驱动信号。
在本发明一实施例中，所述第一功率二极管D1、所述第二功率二极管D2、所述第三功率二极管D3、所述第四功率二极管D4采用慢速整流二极管，所述第五功率二极管D5采用快恢复二极管。
在本发明一实施例中，所述第一中间电容Cn1、所述第二中间电容Cn2采用高频电容，所述输出电容Co采用电解电容。
在本发明一实施例中，所述第一电感L11与所述第二电感L12为分立电感或相互耦合电感。
在本发明一实施例中，所述第一功率开关管Q1以及所述第二功率开关管Q2采用MOS开关管或IGBT管。
在本发明一实施例中，所述第一功率开关管Q1以及所述第二功率开关管Q2采用PWM控制或PFM控制。
在本发明一实施例中，所述第一功率开关管Q1和所述第二功率开关管Q2根据所述输入交流电压源Vin正负半周时间段交替高频工作；所述第一功率开关管Q1仅在所述输入交流电压源Vin电源正半周期内高频工作，所述第二功率开关管Q2仅在所述输入交流电压源Vin电源负半周期内高频工作。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.相对于有桥升压型Cuk，无桥升压型Cuk PFC电路电流导通回路的半导体功率器件数目较少，减小了变换电路的导通损耗；
2. 具有近似零纹波的输入输出特性。
附图说明
图1是本发明中一种无桥升压型Cuk PFC电路原理图。
图2是本发明中一种无桥升压型Cuk PFC电路在二极管D5电流断续模式工作，输入交流电压正半周、功率开关管Q1导通时的工作模态示意图。
图3是本发明中一种无桥升压型Cuk PFC电路在二极管D5电流断续模式工作，输入交流电压正半周、功率开关管Q1关断时的工作模态示意图。
图4本发明中一种无桥升压型Cuk PFC电路在二极管D5电流断续模式工作，输入交流电压正半周、功率开关管Q1关断时二极管D5电流为0时的工作模态示意图。
图5是本发明中一种无桥升压型Cuk PFC电路在二极管D5电流断续模式工作，输入交流电压负半周、功率开关管Q2导通工作模态示意图。
图6是本发明中一种无桥升压型Cuk PFC电路在二极管D5电流断续模式工作，输入交流电压负半周、功率开关管Q2关断时的工作模态示意图。
图7是本发明中一种无桥升压型Cuk PFC电路在二极管D5电流断续模式工作，输入交流电压负半周、功率开关管Q2关断时二极管D5电流为0时的工作模态示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种无桥升压型Cuk PFC电路，提供低纹波、高效、高功率因数的AC-DC电能变换，如图1所示，提供一输入交流电压源，输入交流电压源的一输出端分别与一第一功率二极管D1的阳极、一第二功率二极管D2的阴极以及一第一电感L11的一端相连；输入交流电压源的一输出端分别与一第三功率二极管D3的阳极、一第四功率二极管的阴极以及一第二电感L12的一端相连；第一电感L11的另一端分别与一第一功率开关管Q1的漏极以及一第一中间电容Cn1的一端相连；第二电感L12的另一端分别与一第二功率开关管Q2的漏极以及一第二中间电容Cn2的一端相连；第一中间电容Cn1的另一端、第二中间电容Cn2的另一端均与一第五功率二极管D5的阳极相连，并接入第三电感L2的一端；第一功率二极管D1的阴极与第三功率二极管D3的阴极相连，并与一输出电容Co的正极以及负载RL的一端相连；第三电感L2的另一端与输出电容Co的负极以及负载的另一端相连；第二功率二极管D2的阳极、第四功率二极管D4的阳极、第一功率开关管Q1的源极、第二功率开关管Q2的源极以及第五功率二极管D5的阴极相连，并接直流参考地；第一功率开关管Q1的栅极接入第一驱动信号，第二功率开关管Q2的源极接入第二驱动信号。
进一步的，在本实施例中，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4采用慢速整流二极管，第五功率二极管D5采用快恢复二极管。
进一步的，在本实施例中，第一中间电容Cn1、第二中间电容Cn2采用高频电容，输出电容Co采用电解电容。
进一步的，在本实施例中，第一电感L11余第二电感L12为分立电感或相互耦合电感。
进一步的，在本实施例中，第一功率开关管Q1以及第二功率开关管Q2采用MOS开关管或IGBT管。
进一步的，在本实施例中，第一功率开关管Q1以及第二功率开关管Q2采用PWM控制或PFM控制。
进一步的，在本实施例中，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2根据输入交流电压源Vin正负半周时间段交替高频工作；第一功率开关管Q1仅在输入交流电压源Vin电源正半周期内高频工作，第二功率开关管Q2仅在输入交流电压源Vin电源负半周期内高频工作。
为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的技术方案，下面结合具体实施例进行说明。
在本实施例中，通过采用无桥升压型Cuk PFC电路，实现Cuk电路的升压输出，降低主电路的导通损耗。下面结合图1具体说明本发明的一种无桥升压型Cuk PFC电路在功率二极管D5电流断续模式（DCM模式）下的具体工作模态，如图2至图7所示，且在本实施中，第一功率开关管Q1以及第二功率开关管Q2采用MOS管。
参照图2，输入交流电压为正半周期，在功率MOS开关管Q1导通时，输入的输入交流电压源Vin通过功率MOS开关管Q1和功率二极管D4对电感L11进行充电，输入的输入交流电压源Vin和中间电容Cn1通过功率二极管D1、功率二极管D4和功率MOS开关管Q1对电感L2和输出电容Co充电并给负载RL供电，同时中间电容Cn2和电感L12构成等效滤波器，在电源正半周期不处理能量。此时功率二极管D2、D3和快恢复二极管D5承受反压截止。
参照图3，输入交流电压为正半周期，在功率MOS开关管Q1截止时，输入的输入交流电压源Vin和电感L11通过功率二极管D4和快恢复二极管D5对中间电容Cn1充电，输入的输入交流电压源Vin通过功率二极管D1、D4、D5对电感L2和输出电容Co充电并给负载供电，同时中间电容Cn2和电感L12构成等效滤波器，在电源正半周期不处理能量。此时，功率二极管D2、D3承受反压截止。
参照图4，输入交流电压为正半周期，快恢复二极管D5工作在断续模式（DCM），功率二极管D1、D2、D3、D4承受反压截止，输入的输入交流电压源Vin、电感L11和中间电容Cn2对中间电容Cn1和电感L12充电，输出电容Co对负载供电，由于电感L11、L12、中间电容Cn1、Cn2构成了谐振回路，所以存在中间电容Cn1和电感L12反向对输入交流电压源Vin、电感L11和中间电容Cn2充电的情况。在交流电源正半周期内，下一个开关周期重复图2到图4工作过程。
参照图5，输入交流电压为负半周期，在功率MOS开关管Q2导通时，输入的输入交流电压源Vin通过功率MOS开关管Q2和功率二极管D2对电感L12进行充电，输入的输入交流电压源Vin和中间电容Cn2通过功率二极管D2、功率二极管D3和功率MOS开关管Q2对电感L2和输出电容Co充电并给负载RL供电，同时中间电容Cn1和电感L11构成等效滤波器，在电源负半周期不处理能量。此时功率二极管D1、D4和快恢复二极管D5承受反压截止。
参照图6，输入交流电压为负半周期，在功率MOS开关管Q2截止时，输入的输入交流电压源Vin和电感L12通过功率二极管D2和快恢复二极管D5对中间电容Cn2充电，输入的输入交流电压源Vin通过功率二极管D2、D3和快恢复二极管D5对电感L2和输出电容Co充电并给负载供电，同时中间电容Cn1和电感L11构成等效滤波器，在电源负半周期不处理能量。此时，功率二极管D1、D4承受反压截止。
参照图7，输入交流电压为负半周期，快恢复二极管D5工作在断续模式（DCM），功率二极管D1、D2、D3、D4承受反压截止，输入的输入交流电压源Vin、电感L12和中间电容Cn1对中间电容Cn2和电感L11充电，输出电容Co对负载RL供电，由于电感L11、L12、中间电容Cn1、Cn2构成了谐振回路，所以存在中间电容Cn2和电感L11反向对输入交流电压源Vin、电感L12和中间电容Cn1充电的情况。在交流电源负半周期内，下一个开关周期重复图5到图7工作过程。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无桥升压型Cuk PFC电路，提供一输入交流电压源，其特征在于，所述输入交流电压源的一输出端分别与一第一功率二极管D1的阳极、一第二功率二极管D2的阴极以及一第一电感L11的一端相连；所述输入交流电压源的一输出端分别与一第三功率二极管D3的阳极、一第四功率二极管的阴极以及一第二电感L12的一端相连；所述第一电感L11的另一端分别与一第一功率开关管Q1的漏极以及一第一中间电容Cn1的一端相连；所述第二电感L12的另一端分别与一第二功率开关管Q2的漏极以及一第二中间电容Cn2的一端相连；所述第一中间电容Cn1的另一端、所述第二中间电容Cn2的另一端均与一第五功率二极管D5的阳极相连，并接入第三电感L2的一端；所述第一功率二极管D1的阴极与所述第三功率二极管D3的阴极相连，并与一输出电容Co的正极以及负载RL的一端相连；所述第三电感L2的另一端与所述输出电容Co的负极以及所述负载的另一端相连；所述第二功率二极管D2的阳极、所述第四功率二极管D4的阳极、所述第一功率开关管Q1的源极、所述第二功率开关管Q2的源极以及所述第五功率二极管D5的阴极相连，并接直流参考地；所述第一功率开关管Q1的栅极接入第一驱动信号，所述第二功率开关管Q2的源极接入第二驱动信号；
其中，所述第一功率开关管Q1和所述第二功率开关管Q2根据所述输入交流电压源Vin正负半周时间段交替高频工作；所述第一功率开关管Q1仅在所述输入交流电压源Vin电源正半周期内高频工作，所述第二功率开关管Q2仅在所述输入交流电压源Vin电源负半周期内高频工作；
其中，所述第一功率二极管D1、所述第二功率二极管D2、所述第三功率二极管D3、所述第四功率二极管D4采用慢速整流二极管，所述第五功率二极管D5采用快恢复二极管；
其中，所述第一中间电容Cn1、所述第二中间电容Cn2采用高频电容，所述输出电容Co采用电解电容；
其中，还包括一种无桥升压型Cuk PFC电路的工作方法具体包括如下步骤：
步骤S1：输入交流电压为正半周期，在功率MOS开关管Q1导通时，输入的输入交流电压源Vin通过功率MOS开关管Q1和功率二极管D4对电感L11进行充电，输入的输入交流电压源Vin和中间电容Cn1通过功率二极管D1、功率二极管D4和功率MOS开关管Q1对电感L2和输出电容Co充电并给负载RL供电，同时中间电容Cn2和电感L12构成等效滤波器，在电源正半周期不处理能量；
此时功率二极管D2、D3和快恢复二极管D5承受反压截止；
步骤S2：输入交流电压为正半周期，在功率MOS开关管Q1截止时，输入的输入交流电压源Vin和电感L11通过功率二极管D4和快恢复二极管D5对中间电容Cn1充电，输入的输入交流电压源Vin通过功率二极管D1、D4、D5对电感L2和输出电容Co充电并给负载供电，同时中间电容Cn2和电感L12构成等效滤波器，在电源正半周期不处理能量；
此时，功率二极管D2、D3承受反压截止；
步骤S3：输入交流电压为正半周期，快恢复二极管D5工作在断续模式，功率二极管D1、D2、D3、D4承受反压截止，输入的输入交流电压源Vin、电感L11和中间电容Cn2对中间电容Cn1和电感L12充电，输出电容Co对负载供电，由于电感L11、L12、中间电容Cn1、Cn2构成了谐振回路，所以存在中间电容Cn1和电感L12反向对输入交流电压源Vin、电感L11和中间电容Cn2充电的情况；
在交流电源正半周期内，下一个开关周期重复步骤S1到步骤S3的工作过程；
步骤S4：输入交流电压为负半周期，在功率MOS开关管Q2导通时，输入的输入交流电压源Vin通过功率MOS开关管Q2和功率二极管D2对电感L12进行充电，输入的输入交流电压源Vin和中间电容Cn2通过功率二极管D2、功率二极管D3和功率MOS开关管Q2对电感L2和输出电容Co充电并给负载RL供电，同时中间电容Cn1和电感L11构成等效滤波器，在电源负半周期不处理能量；
此时功率二极管D1、D4和快恢复二极管D5承受反压截止；
步骤S5：输入交流电压为负半周期，在功率MOS开关管Q2截止时，输入的输入交流电压源Vin和电感L12通过功率二极管D2和快恢复二极管D5对中间电容Cn2充电，输入的输入交流电压源Vin通过功率二极管D2、D3和快恢复二极管D5对电感L2和输出电容Co充电并给负载供电，同时中间电容Cn1和电感L11构成等效滤波器，在电源负半周期不处理能量；
此时，功率二极管D1、D4承受反压截止；
步骤S6：输入交流电压为负半周期，快恢复二极管D5工作在断续模式，功率二极管D1、D2、D3、D4承受反压截止，输入的输入交流电压源Vin、电感L12和中间电容Cn1对中间电容Cn2和电感L11充电，输出电容Co对负载RL供电，由于电感L11、L12、中间电容Cn1、Cn2构成了谐振回路，所以存在中间电容Cn2和电感L11反向对输入交流电压源Vin、电感L12和中间电容Cn1充电的情况；步骤S7：在交流电源负半周期内，下一个开关周期重复步骤S4至步骤S6的工作过程。
2.根据权利要求1所述的一种无桥升压型Cuk PFC电路，其特征在于，所述第一电感L11与所述第二电感L12为分立电感或相互耦合电感。
3.根据权利要求1所述的一种无桥升压型Cuk PFC电路，其特征在于，所述第一功率开关管Q1以及所述第二功率开关管Q2采用MOS开关管或IGBT管。
4.根据权利要求1所述的一种无桥升压型Cuk PFC电路，其特征在于，所述第一功率开关管Q1以及所述第二功率开关管Q2采用PWM控制或PFM控制。
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