CN107800312B - 一种低输出纹波pfc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低输出纹波PFC变换器，其采用单电感分时复用工作的原理，通过BuckPFC变换器与Flyback DC/DC变换器结合的方式，该变换器只使用一个双绕组或三绕组变压器，通过分时复用控制变压器的励磁电感电流实现PFC变换和DC/DC变换，减小了变换器的体积和成本；同时，利用Buck PFC变换器的输出电压与Flyback DC/DC变换器的输出电压之和作为总的输出电压，实现了低输出纹波；电路结构更加简单，成本低；可恒压输出，也可以恒流输出。

Description

一种低输出纹波PFC变换器
技术领域
本发明涉及PFC变换器领域，特别是一种低输出纹波PFC变换器。
背景技术
随着电力电子设备大规模接入电网，产生了大量的谐波，严重影响了电网的供电质量及其他用电设备的安全。为了减小电力电子设备对电能质量的影响并满足国家谐波标准GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》，需要采用具有PFC功能的变换器。
传统的PFC变换器通常有两种形式：单级PFC变换器、两级PFC变换器。单级PFC变换器具有体积小、效率高、成本低等特点，但是其输出电压中含有较大的二倍工频纹波；两级PFC变换器通常采用前级PFC变换器与后级DC/DC变换器级联的方式，实现低输出纹波及快速的负载瞬态响应，但是它具有效率低，体积大、成本高、控制复杂等缺点。
针对上述两种PFC变换器的缺点，整合型PFC变换器和准单级PFC变换器被提了出来。相对于传统的两级PFC变换器，整合型PFC变换器只采用一个开关管，简化了控制，但采用多个电感与电容，体积大、成本高，且其功率传输仍然是两级形式，效率较低。低输出纹波准单级PFC变换器采用PFC变换器和DC-DC变换器串并联的形式，PFC变换器传输大部分功率到输出负载，DC-DC变换器起到对输出进行纹波抵消的作用。相对于传统的两级PFC变换器，准单级PFC变换器功率传输介于两级与一级之间，效率介于两级与一级之间，但同样需要采用多个电感与电容，变换器的体积和成本较高。
图1是一种由两个Buck变换器并联组成的LED驱动器电路拓扑。图1所示变换器由全桥整流、EMI滤波、两个并联的反相Buck变换器及控制器构成。其中，上级反相Buck变换器传递交流源的能量到储能电容CSTO中，用以平衡由于输入功率与输出LED功率之间的差异产生的瞬时功率，同时完成功率因数校正的功能；另外一个反相Buck变换器用以调节输出电流，降低输出电流纹波，防止低频纹波造成LED闪烁。图2和图3显示了这种新的LED驱动器的两种工作模态，图4是相应的工作模态所对应的电压电流波形。从图2和图3可以看出，iin＝i1+i2，即LED驱动器输入电流等于流过两个支路的电流和。当|vac|>vSTO(t1<t<t2)时，LED驱动器工作在模态1，能量从交流源分别传输到储能电容CSTO和LED负载；当|vac|<vSTO(t2<t<t3)时，LED驱动器工作在模态2，能量从储能电容CSTO传输到LED负载。图1所示LED驱动器中，下级反相Buck变换器负责对LED负载的输出电流进行调节，不论电路工作在哪个模态，都能保证LED负载电流恒定，为了减小输出电流纹波，下级变换器工作在定频CCM。从图4可以看出，流过支路2的电流i2_AVG与输入电压vac成反比，也就是说需要一个额外的PFC电路来提高功率因素，因此，采用上级反相BuckPFC变换器与下级反相Buck变换器并联的形式来达到PFC的功能。
此方法通过两个Buck变换器并联的形式来实现PFC及低纹波输出，比两级PFC变换器效率更高，输出纹波比单级PFC变换器更低。但是，此方法控制方案相对复杂，输出纹波虽然较单级PFC变换器低，却仍含有较大的输出纹波。并且，此方法在上下两级PFC变换器中共使用了两个电感，电路的体积大、成本高。
图5为一种将全桥纹波消除变换器(FB-RCC)与Flyback变换器相结合的PFC变换器，其中FB-RCC的控制电路及Flyback变换器的控制框图分别如图6和图7所示。由图8可知，主电路的输出电压，即Flyback PFC变换器的输出电压vmain与FB-RCC的输出电压vFB串联后的总电压为LED负载提供能量，即vLED＝vmain+vFB。如图8中波形所示，Flyback PFC变换器的输出电压vmain包括直流电压分量与交流电压分量两部，即vmain＝VDC+vripple。FB-RCC的输出电压vFB只包含交流成分，为了实现低纹波输出，vFB应抵消vmain中的交流成分，即vFB＝-vripple。经过两个变换器的输出电压的串联，Flyback PFC变换器输出电压中的二倍工频纹波可以被消除，从而实现低纹波输出，LED负载上的电压最终可以表示为vLED＝VDC。
此方法在实现PFC功能的同时能够完成很小的低输出纹波，但是我们从图5、图6及图7能够看出，这种方法的电路结构与控制都很复杂，而且需要采用多个电感与电容，采用这种方案的电路体积大、成本高且效率低。
总的来说，现有单级PFC方案，无法实现低输出纹波的要求；多级PFC方案，效率低，成本高；现有的准单级PFC方案，都采用多个电感，电路体积大、成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低输出纹波PFC变换器，其电路结构更加简单，成本低。能够同时实现PFC和低输出纹波的要求，即可恒压输出，也可以恒流输出。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种低输出纹波PFC变换器，包括：
二极管D2：其正极接整流桥输出，负极接开关管Q1漏极；
开关管Q1：其漏极接二极管D2负极，源极接双绕组变压器T原边同名端；
开关管Q2：其漏极接开关管Q1的源极，源极接整流桥输入；
开关管Q3：其漏极接双绕组变压器T副边同名端，源极接二极管D1正极；
双绕组变压器T：其原边同名端接开关管Q1源极，原边异名端分别连接到储能电容C1和储能电容C2；
二极管D1：其正极接开关管Q3源极，负极接储能电容C2；
储能电容C1：其一端接储能电容C2，一端接整流桥输入；
储能电容C2：其一端接储能电容C1，一端接二极管D1负极；
电阻R：与储能电容C1和储能电容C2相串联的支路并联。
一种低输出纹波PFC变换器，包括：
二极管D2：其正极接整流桥输出，负极接开关管Q1漏极；
开关管Q1：其漏极接二极管D2负极，源极接双绕组变压器T原边同名端；
开关管Q2：其漏极接开关管Q1的源极，源极分别接开关管Q3源极和整流桥输入；
开关管Q3：其源极接开关管Q2源极，漏极接二极管D1负极；
双绕组变压器T：其原边同名端接开关管Q1源极，原边异名端连接到储能电容C1；
二极管D1：其正极接双绕组变压器T副边同名端，负极接开关管Q3漏极；
储能电容C1：其一端接储能电容C2和整流桥输入，一端接双绕组变压器T原边异名端；
储能电容C2：其一端接储能电容C1，一端接双绕组变压器T副边异名端；
电阻R：与储能电容C1和储能电容C2相串联的支路并联。
一种低输出纹波PFC变换器，包括：
二极管D2：其正极接整流桥输出，负极接三绕组变压器T原边异名端；
开关管Q1：其漏极接三绕组变压器T原边同名端，源极分别接开关管Q2源极和整流桥输入；
开关管Q2：其漏极接三绕组变压器T第一副边异名端，源极分别接开关管Q3源极和整流桥输入；
开关管Q3：其漏极接二极管D1负极，源极接开关管Q1源极；
三绕组变压器T：其第一副边同名端接储能电容C1；
二极管D1：其正极接三绕组变压器T第二副边异名端，负极开关管Q3漏极；
储能电容C1：其一端接储能电容C2和整流桥输入，一端接三绕组变压器T第一副边同名端；
储能电容C2：其一端接储能电容C1，一端接三绕组变压器T第二副边同名端；
电阻R：与储能电容C1和储能电容C2相串联的支路并联。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：传统单级PFC变换器，输出电压中含有二倍工频纹波，本发明利用Buck PFC变换器与Flyback DC/DC变换器的输出电压串联的方式，将二倍工频纹波抵消，实现了低输出纹波；传统多级PFC变换器，电路结构复杂、控制复杂、效率低，本发明采用新颖的准单级能量传输模式，简化了电路结构和控制回路，提高了变换器的效率；普通的准单级PFC变换器，都采用多个电感，变换器体积大、成本高，本发明采用单个电感(单变压器)，减小了变换器体积，降低了成本。
附图说明
图1是两个反相Buck变换器并联组成的LED驱动器。
图2是图1所示变换器的工作模态1：|vac|>vSTO。
图3是图1所示变换器的工作模态2：|vac|<vSTO。
图4是图1所示变换器在相应的工作模态所对应的电压电流波形。
图5是结合纹波消除全桥电路的Flyback PFC变换器。
图6是纹波消除全桥变换器的控制电路。
图7是主电路的控制框图。
图8是拓扑框图及主要输出波形。
图9是低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器。
图10是低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器的控制电路。
图11是励磁电感DCM-DCM复用方式时的部分理想波形。
图12是一个周期内低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器的工作模态1[t0～t1]。
图13是一个周期内低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器的工作模态2[t1～t2]。
图14是一个周期内低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器的工作模态3[t2～t3]。
图15是一个周期内低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器的工作模态4[t3～t4]。
图16是一个周期内低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器的工作模态5[t4～t5]。
图17是一个周期内低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器的工作模态6[t5～t6]。
图18是输出电压的理想波形图。
图19是输入电压和输入电流PSIM仿真波形。
图20是输出电压的PSIM仿真波形。
图21是变压器原副边电流的PSIM仿真波形。
图22是变压器原副边电流的PSIM放大仿真波形。
图23是励磁电感CRM-DCM复用模式。
图24是两开关管共源极低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器。
图25是三开关管共源极低输出纹波Flyback-Buck PFC变换器。
图26是单电感复用式PFC变换器之Buck-BuckBoost PFC变换器。
图27是单电感复用式PFC变换器之BuckBoost-FlybackPFC变换器。
图28是单电感复用式PFC变换器之Flyback-FlybackPFC变换器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出了一种新颖的低输出纹波PFC变换器，该PFC变换器采用Buck PFC变换器与Flyback DC/DC变换器结合的方式，只使用一个双绕组变压器，分时复用变压器的励磁电感电流实现PFC和DC/DC变换，减小了变换器的体积和成本；同时，利用Buck PFC变换器的输出电压与Flyback DC/DC变换器的输出电压之和作为总的输出电压，实现了低输出纹波。
本发明提出的新型低纹波输出PFC变换器的电路结构如图9所示，图10为其控制电路。其中，功率回路由Buck PFC变换器和Flyback DC/DC变换器结合组成，vin是经过整流桥(整流桥未在图9、图10中画出)整流之后的输入电压，T是双绕组变压器。从功率回路可以看出，本发明提出的PFC变换器的电路结构很简单，且除了变压器外不再包含其它大体积电感元件，减小了整个变换器的体积，节约了成本。
图11为该PFC变换器的部分理想波形，包括输入电压vin、输入电流iin、变压器原边电流iLp、变压器副边电流iLs。变压器原副边绕组匝数比为Np：Ns＝n，通过分时复用双绕组变压器的励磁电感实现能量从交流源到储能电容C1的传递和储能电容C1到储能电容C2的传递，从图11中变压器原副边电流波形可以看出，此波形是励磁电感电流工作于DCM-DCM复用方式的情况，其中，tA是一个复用周期内变换器处于PFC状态下的时间，tB是一个复用周期内变换器处于DC/DC状态下的时间，这里取的是tA：tB＝1:1。下面将结合图11至图17具体分析一个周期内该PFC变换器的各个模态：
模态1[t0～t1]：开关管Q1导通，Q2、Q3关断，励磁电感充电，变压器原边电流iLp逐渐增大，在t1时刻iLp达到最大值，能量从交流源传递到储能电容C1和负载。
模态2[t1～t2]：开关管Q1、Q2、Q3关断，励磁电感放电，变压器原边电流iLp通过开关管Q2的并联二极管续流，电流逐渐减小，在t2时刻iLp减小到到零，能量从励磁电感传递到储能电容C1和负载。
模态3[t2～t3]：开关管Q1、Q2、Q3关断，变压器原边电流iLp为零，与开关管Q2并联的二极管截止，能量从储能电容C1传递到负载。
模态4[t3～t4]：开关管Q2导通，Q1、Q3关断，储能电容C1放电，励磁电感反向充电，变压器原边电流iLp反向增大，t4时刻电流达到最大值，能量从储能电容C1传递到励磁电感和负载。
模态5[t4～t5]：开关管Q3导通，Q1、Q2关断，励磁电感放电，变压器副边电流iLs逐渐减小，t5时刻，电流达到零，储能电容C2充电，能量从励磁电感传递到储能电容和负载。
模态6[t5～t6]：与模态3相同。
该PFC变换器的总输出电压Vo、Buck PFC变换器输出电压vC1、Flyback DC/DC变换器输出电压vC2的理想波形如图18所示，其中vC1、vC2可以分别表示为
vC1＝Vdc1+vrip1 (1)
vC2＝Vdc2+vrip2 (2)
式中，Vdc1、vrip1为分别为vC1的直流分量和二倍工频纹波分量；
Vdc2、vrip2为分别为vC2的直流分量和二倍工频纹波分量；
因为vC2是vC1经Flyback变换器DC/DC变换而来，所以vC2与vC1中的二倍工频纹波分量大小相等、极性相反，即
vrip1＝-vrip2 (3)
那么，该PFC变换器的总输出电压可以表示为
Vo＝vC1+vC2＝Vdc1+Vdc2 (4)
从式(4)及图18的输出电压波形可以看出，该PFC变换器的输出电压中将不在包含二倍工频纹波分量，从而该PFC变换器能够实现低输出纹波的功能。图19至图22是该PFC变换器方案相应的仿真波形，从仿真波形可以看出，本方法既实现了PFC也实现了低输出纹波，仿真波形与理论分析一致。
通过上述分析，该PFC变换器能量的传输主要通过Buck PFC变换器与Flyback DC/DC变换器共同实现，与传统的单级PFC变换器和级联PFC变换器相比，该PFC变换器能量的传输介于两级与一级之间，属于准单级变换器的范畴。但与普通准单级PFC变换器相比，例如图1所示方法，该低输出纹波Buck-Flyback PFC变换器只采用一个双绕组变压器，也就是采用单电感(励磁电感)，就能同时实现PFC功能和低输出纹波的要求。与图5所示方法相比，该PFC变换器的输出纹波能够达到其相同的水平，但是该PFC变换器较图5方法简单很多，所用开关器件、电感元件等都低于图5方法，控制电路也更加简单，体积小、效率高、成本低。
另外，此方法分析的是励磁电感处于DCM-DCM复用模式的情况，且一个周期内变换器处于PFC状态下的时间tA与处于DC/DC状态的时间tB相同。除了本方法分析的这种情况外，还有另外两种方式：1、如图23所示，励磁电感工作于CRM-DCM的复用模式，即当变换器进行完PFC之后立即进行DC/DC变换，省去了模态3，增加了励磁电感的利用率，变换器效率将会提高；2、由于经过Flyback PFC变换器传输给负载的能量通常要比Buck DC/DC变换器多，所以一个周期内tA：tB＝n：1时可以使变换器的利用效率得到高，n具体的取值与PFC部分传递的能量的占比有关。
在低输出纹波Buck-FlybackPFC变换器方案的基础上，推演出另一种电路拓扑，如图24所示，这种拓扑将图9中的开关管Q2、Q3采用共源极连接，有利于开关管的驱动。同样，采用开关管共源极连接的思路，一种三开关管共源极连接的Flyback-BuckPFC变换器如图25所示，与图9方法相比，这种方法开关管的驱动方式更简单，更利于实现。
类似低输出纹波Buck-FlybackPFC变换器，将不同的PFC变换器与DC/DC变换器结合，能够组合出其它低输出纹波PFC变换器，例如图26至图28中的Buck-BuckBoost PFC变换器、BuckBoost-Flyback PFC变换器、Flyback-Flyback PFC变换器，这类变换器都是利用单个电感的分时复用来实现PFC功能和低输出纹波，具有结构简单、体积小、成本低的特点。

Claims (3)

1.一种低输出纹波PFC变换器，其特征在于，包括：
二极管D2：其正极接整流桥输出，负极接开关管Q1漏极；
开关管Q1：其漏极接二极管D2负极，源极接双绕组变压器T原边同名端；
开关管Q2：其漏极接开关管Q1的源极，源极接整流桥输入；
开关管Q3：其漏极接双绕组变压器T副边同名端，源极接二极管D1正极；
双绕组变压器T：其原边同名端接开关管Q1源极，原边异名端分别连接到储能电容C1和储能电容C2；
二极管D1：其正极接开关管Q3源极，负极接储能电容C2；
储能电容C1：其一端接储能电容C2，一端接整流桥输入；
储能电容C2：其一端接储能电容C1，一端接二极管D1负极；
电阻R：与储能电容C1和储能电容C2相串联的支路并联。
2.一种低输出纹波PFC变换器，其特征在于，包括：
二极管D2：其正极接整流桥输出，负极接开关管Q1漏极；
开关管Q1：其漏极接二极管D2负极，源极接双绕组变压器T原边同名端；
开关管Q2：其漏极接开关管Q1的源极，源极分别接开关管Q3源极和整流桥输入；
开关管Q3：其源极接开关管Q2源极，漏极接二极管D1负极；
双绕组变压器T：其原边同名端接开关管Q1源极，原边异名端连接到储能电容C1；
二极管D1：其正极接双绕组变压器T副边同名端，负极接开关管Q3漏极；
储能电容C1：其一端接储能电容C2和整流桥输入，一端接双绕组变压器T原边异名端；储能电容C2：其一端接储能电容C1，一端接双绕组变压器T副边异名端；
电阻R：与储能电容C1和储能电容C2相串联的支路并联。
3.一种低输出纹波PFC变换器，其特征在于，包括：
二极管D2：其正极接整流桥输出，负极接三绕组变压器T原边异名端；
开关管Q1：其漏极接三绕组变压器T原边同名端，源极分别接开关管Q2源极和整流桥输入；
开关管Q2：其漏极接三绕组变压器T第一副边异名端，源极分别接开关管Q3源极和整流桥输入；
开关管Q3：其漏极接二极管D1负极，源极接开关管Q1源极；
三绕组变压器T：其第一副边同名端接储能电容C1；
二极管D1：其正极接三绕组变压器T第二副边异名端，负极开关管Q3漏极；
储能电容C1：其一端接储能电容C2和整流桥输入，一端接三绕组变压器T第一副边同名端；
储能电容C2：其一端接储能电容C1，一端接三绕组变压器T第二副边同名端；
电阻R：与储能电容C1和储能电容C2相串联的支路并联。
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