CN110429821A - 一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型ac/dc变换器 - Google Patents

一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型ac/dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器，该变换器包括输入端口、EMI滤波器、输入整流桥、输入电感、逆变桥、高频隔离变压器、整流电路以及输出端口。其中逆变桥和整流电路采用新型调制方式，同时实现电气隔离、功率因素校正功能和调节输出电压，从而可以避免额外使用单独的功率因素校正电路，避免使用电解电容，减少有源器件和无源器件使用数量，进一步提高功率密度和使用寿命，满足功率变换器高可靠性运行要求。

Description

一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型 AC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种单相隔离型AC/DC变换器，特别是一种集成功率因素校正功能和无电解电容的单级式变换器。
背景技术
交流/直流（AC/DC）变换器，也称为整流器，是交流电网和大型直流设备之间的关键电力电子设备，在电网与直流设备之间的高效能量转换中发挥着重要作用。随着高功率直流设备的广泛应用，如现代数据中心、电动汽车充电器或商用建筑直流配电系统，大功率交直流变换器日益重要。一般AC/DC变换器的拓扑结构由交流/直流整流、功率因数校正（PFC）变换器和隔离型DC/DC变换器三个阶段组成。同时, AC/DC变换器须符合以下两项规定:
1)功率因数校正（PFC）及谐波消除：输入交流电流质量需要满足IEC 1000-3-2等标准，特别是对于功率额定值较高的整流器;
2)电气隔离:为了用户安全、电气隔离是必需的。高频变压器是首选，可以达到更高的功率密度。
商业化单相隔离型AC/DC变换器可分为两级式变换器和单级式变换器。
两级式变换器在大功率场合广泛应用。它包括一个前级PFC变换器，一个后级隔离型DC/DC变换器。这两个变换器之间需要电解电容作为功率解耦单元。前级PFC变换器通常可以分为二极管整流桥接boost变换器和PWM整流器两大类。PWM整流器由于在一个开关周期内减少了导通器件的数量，因而比传统的二极管整流桥接boost变换器具有更高的效率。然而，在PWM整流器中，输出地相对于交流电源是脉动的。这种高频脉冲电压对输出地与交流电源之间的等效寄生电容进行充放电，产生高共模噪声。增加二极管提供低频通路可以抑制共模噪声，但会增加无源器件的数量。同时，PWM整流器需要更多的有源器件，增加了控制的复杂度和成本。后级隔离型DC/DC变换器通常采用成熟的软开关拓扑，如移相全桥。两级式变换器的好处是输入电流PFC控制和输出电压控制是解耦的。因此，在输入交流电压和负载功率波动的情况下，前级PFC变换器仍可以工作在高性能。然而，由于两级式变换器是两级功率转换，存在低效率的问题。此外，两级式变换器需要使用电解电容作为前后级电路功率解耦单元，造成低功率密度。
另一种解决方案是使用单级式AC/DC转换器。flyback和forward变换器具有开关器件少的优点，然而只适用于低功率场合。高功率单级式AC/DC变换器通常使用全桥拓扑以降低单个开关管电压应力。根据它们的电路类型，这些变换器可以进一步归为buck型、boost型，谐振型。buck型和谐振型变换器的缺点是输入电流的增益是非线性，即使是使用复杂的控制算法，与传统的两级式变换器相比仍具有较大的输入电流总谐波失真（THD）。boost型变换器在其输入端使用一个输入电感交流侧作为主升压电感。该变换器运行原理与传统的升压PFC boost变换器相似。直接电流控制的能力使其具有动态响应快和低THD的优点。但是由于没有缓冲电容吸收变压器漏感能量，在开关暂态过程中，boost型变换器开关器件上将发生电压尖峰。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器，以解决现有的两级式变换器结构复杂、功率密度低，单级式boost型变换器电压尖峰的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器，该变换器包括输入端口、EMI滤波器、输入整流桥、输入电感、逆变桥、高频隔离变压器、整流电路以及输出端口；所述输入端口接入单相交流电源V ac ，并向所述EMI滤波器供电；所述EMI滤波器的输出端口连接输入整流桥；所述EMI滤波器经由输入电感连接至逆变桥，并对其供电；所述逆变桥经由高频隔离变压器向整流电路供电；所述整流电路经由输出端口向负载供电。
进一步地，所述逆变桥的输入电流的控制方法包括以下步骤：1）利用二阶广义积分单相锁相环得到输入交流电压V ac 的相位，通过相位得到单位参考输入电流i r ；
2）输出电压测量值V o 经低通滤波器滤波得到输出电压V of ；
3）利用输出电压测量值V ref 和输出电压V of 的差值，通过比例积分控制器获得输入电流参考值Ki；
4）利用输入电流参考值Ki和单位参考输入电流i r 通过相乘得到参考输入电流i ref ；
5）利用参考输入电流i ref 和输入电流测量值i in 的差值，通过模型预测控制器得到逆变桥的占空比d；
6）利用占空比d通过脉宽调节器得到逆变桥（的开关驱动信号S 1~4 。
进一步地，所述整流电路的控制方法包括以下步骤：
a）利用输出电压V of 通过计算模块（3.1）得到变压器（1.6）漏感电流变化速度k；
b）利用变压器漏感电流变化速度k除以输入电流i in 并通过计算模块（3.2）的到整流电路占空比D s ；
c）根据逆变桥占空比d和整流电路占空比D s ，通过同步匹配器（3.3）和脉宽调节器（3.4）得到整流电路（1.7）的开关驱动信号S 5&6 。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1）相比于两级式变换器，可以通过逆变桥的控制策略控制输入电感上的电流，实现功率因素校正功能，避免使用单独的PFC boost变换器。这将提高整个变换器的功率密度，降低成本和损耗，从而有效提高能量转换效率。
2）相对于PFC boost变换器，全桥结构将等效开关频率提高一倍，减小电感器和电磁干扰滤波器的尺寸，从而达到更高的功率密度。此外，逆变桥采用模型预测控制（MPC），抑制了输入电流的过零点畸变。
3）相比于已有的使用缓冲电流抑制电压尖峰的单级式变换器，本发明所述的单级式单相隔离型AC/DC变换器可以通过整流电路的控制策略，避免使用额外的电压尖峰缓冲电路，从而减少有源器件和无源器件的使用数量，降低控制复杂度和成本，提高变换器整体功率密度。
4）由于输入电流为正弦波整流波形，若将整流电路占空比固定在特定值，逆变桥上的循环电流将会会过大。因此，本发明所述的整流电路采用可变化的占空比来调节变压器漏感电流。此外，即使输入电压波动，本发明所述的变换器也能保证逆变桥开关器件的零电流开关（ZCS）能力。
5）输出使用正弦波充电策略，即利用脉动的输出电流使得变换器的输出功率能够实时地匹配上输入功率，大幅减小所需容值，从而可以使用小容值薄膜电容取代大容值电解电容，结合避免使用单独的PFC boost变换器的优点，可以使得整个变换器完全无需电解电容，从而实现高可靠，长寿命的优点。
附图说明
图1为本发明集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器示意图；
图2为本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中的控制示意框图，包含开关管S1~6驱动波形, 高频变压器原边电压Pri，高频变压器副边电压Sec，高频变压器漏感电流i leak ；
图3为本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中同时实现功率因素校正功能和高频变压器漏感电流换流的仿真图；
图4为本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中逆变桥的控制原理图；
图5为本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中的整流电路的控制原理图；
图6为本发明的图5中整流电路的同步匹配器的控制原理图；
图7为本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中的功率因素校正功能的实验验证图；
图8为本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中的高频变压器漏感电流换流的实验验证图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器包括输入端口1.1、EMI滤波器1.2、输入整流桥1.3、输入电感1.4、逆变桥1.5、高频隔离变压器1.6、整流电路1.7以及输出端口1.8；输入端口1.1接入单相交流电源V ac ，并向所述EMI滤波器1.2供电；EMI滤波器1.2的输出端口连接输入整流桥1.3；输入整流桥1.3经由输入电感L in 1.4连接至逆变桥1.5，并对其供电；逆变桥1.5经由高频隔离变压器1.6向整流电路1.7供电；整流电路1.7经由输出端口1.8向负载供电。
如图2和图3所示，为本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中的控制示意框图及仿真图：
1）开关管S1~4驱动波形占空比为d，其中S1和S4同相位，S2和S3同相位，S1和S2相位相隔半个开关周期；
2）开关管S5~6驱动波形占空比为D s ，其中S5和S6相位相隔半个开关周期；
3）高频变压器原边电压V Pri 和副边电压V Sec 共同决定漏感电流i leak 的方向和幅值；
4）通过调节开关管S1~4的占空比d，可以控制输入电流i in ，使输入电流跟踪上输入电压V in ，从而实现AC/DC变换器的高功率因素；
5）通过调节开关管S5~6的占空比D s ，可以使漏感电流i leak 换流，达到瞬时输入电流i in ，从而实现漏感电流i leak 和瞬时输入电流i in 的匹配，从而避免在开关器件上产生电压尖峰。
6）图3为仿真结果，本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中同时实现功率因素校正功能和高频变压器漏感电流换流。
如图4所示，本发明的变换器中的所述逆变桥1.5的输入电流的控制方法包括：
1）利用二阶广义积分单相锁相环2.1得到输入交流电压V ac 的相位，通过相位得到单位参考输入电流i r ；
2）输出电压测量值V o 经低通滤波器2.2滤波得到输出电压V of ；
3）利用输出电压测量值V ref 和输出电压V of 的差值，通过比例积分控制器2.3获得输入电流参考值K i ；
4）利用输入电流参考值K i 和单位参考输入电流i r 通过相乘得到参考输入电流i ref ；
5）利用参考输入电流i ref 和输入电流测量值i in 的差值，通过模型预测控制器（2.4）得到逆变桥1.5的占空比d；
6）利用占空比d通过脉宽调节器2.5得到逆变桥1.5的开关驱动信号S 1~4 ；
如图5所示，本发明的变换器中的整流电路1.7的控制方法包括：
1）利用输出电压V of 通过计算模块3.1得到变压器1.6漏感电流变化速度k；
2）利用变压器漏感电流变化速度k除以输入电流i in 并通过计算模块3.2的到整流电路占空比D s ；
3）根据逆变桥占空比d和整流电路占空比D s ，通过同步匹配器3.3和脉宽调节器3.4得到整流电路1.7的开关驱动信号S 5&6 。
如图6所示，本发明的变换器中的同步匹配器3.3的示意图：
同步匹配器实现逆变桥开关器件与整流电路开关器件的同步运行，整流电路开关器件的开通时刻由逆变桥占空比d和整流电路占空比D s 共同确定。整流电路开关器件的关断时刻与逆变桥的关断时刻是相同的。这样整流电路开关器件的开关时刻可变，对连续变化的逆变桥占空比d具有自适应能力。
如图7所示，本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中的功率因素校正功能的实验验证图：
上图中，输入交流电压V ac 为正弦波，通过二极管输入整流桥1.3后输入电压为正弦波绝对值，输入电流跟踪上输入电压V in ，实现高功率因素。
下图为上图中红框区域的放大图，红线为输入电流参考值，AC/DC变换器通过控制开关管S1~4的占空比，使输入电流精确跟踪输入电流参考值。
如图8所示，本发明的集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器中的高频变压器漏感电流换流的实验验证图：
漏感电流换流的峰值根据实时输入电流的改变而持续变化，以避免漏感电流和输入电流不匹配造成的电压尖峰。

Claims (3)

1.一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器，其特征在于：包括输入端口（1.1）、EMI滤波器（1.2）、输入整流桥（1.3）、输入电感（1.4）、逆变桥（1.5）、高频隔离变压器（1.6）、整流电路（1.7）以及输出端口（1.8）；
所述输入端口（1.1）接入单相交流电源V ac ，并向所述EMI滤波器（1.2）供电；
所述EMI滤波器（1.2）的输出端口连接输入整流桥（1.3）；
所述输入整流桥（1.3）经由输入电感L in （1.4）连接至逆变桥（1.5），并对其供电，整流桥（1.3）输出电压为V in ，输入电感（1.4）电流为i in ；
所述逆变桥（1.5）经由高频隔离变压器（1.6）向整流电路（1.7）供电；
所述整流电路（1.7）经由输出端口（1.8）向负载供电，输出电压为V o 。
2.根据权利要求1所述的一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器，其特征在于：所述逆变桥（1.5）的输入电流的控制方法包括以下步骤：
步骤1：利用二阶广义积分单相锁相环（2.1）得到输入交流电压V ac 的相位，通过相位得到单位参考输入电流i r ；
步骤2：输出电压测量值V o 经低通滤波器（2.2）滤波得到输出电压V of ；
步骤3：利用输出电压测量值V ref 和输出电压V of 的差值，通过比例积分控制器（2.3）获得输入电流参考值K i ；
步骤4：利用输入电流参考值K i 和单位参考输入电流i r 通过相乘得到参考输入电流i ref ；
步骤5：利用参考输入电流i ref 和输入电流测量值i in 的差值，通过模型预测控制器（2.4）得到逆变桥（1.5）的占空比d，T s 为单级式单相隔离型AC/DC变换器开关周期；
步骤6：利用占空比d通过脉宽调节器（2.5）得到逆变桥（1.5）的开关驱动信号S 1~4 。
3.根据权利要求1所述的一种集成功率因素校正功能的无电解电容单级式单相隔离型AC/DC变换器，其特征在于：所述整流电路（1.7）的控制方法包括以下步骤：
步骤a：利用输出电压V of 通过计算模块（3.1）得到变压器（1.6）漏感电流变化速度k；
步骤b利用变压器漏感电流变化速度k除以输入电流i in 并通过计算模块（3.2）的到整流电路占空比D s ；
步骤c：根据逆变桥占空比d和整流电路占空比D s ，通过同步匹配器（3.3）和脉宽调节器（3.4）得到整流电路（1.7）的开关驱动信号S 5&6 。
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