CN110445365A - 采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，包括整流电路、两路交错并联Boost电路、采样电路、控制电路和驱动电路；单相交流电与整流电路相连，整流电压经过两路交错并联Boost电路输出电压，两路交错并联Boost电路中的电感采用耦合电感，电感耦合采用反向耦合方式，可使电感电流的脉动降低，采样电路分为电压采样和电流采样，控制电路采用数字信号处理器控制方式，采样数据经过数字信号处理器处理后，输出控制信号给驱动电路，驱动电路中开关管的通断，从而达到控制变换器运行的目的。本发明的变换器电感电流纹波小，功率密度高，功率因数高；采用耦合电感，使得变换器体积更小。

Description

采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换领域，特别是一种采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，电力电子变换器在轨道交通、电力系统、工业生产、电动汽车和家庭生活中得到了广泛的应用。其中开关电源因其高效率高功率密度等优点在功率变换领域中占据主导地位。然而由于开关电源中存在整流二极管、开关管和电容等电子元件，导致了大量的谐波流入到电网中，造成电网侧输入功率因数的降低。近些年，电网的谐波污染问题越发的严重，如何提高电网电能质量已经成为重要的课题。
功率因数校正技术正是为了减少谐波对电网的影响，传统的功率因数校正有很多，交错并联Boost PFC是其中之一，但因两路电感是独立非耦合的，会使变换器的体积很大，并且电感电流的脉动值大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，包括整流电路、两路交错并联Boost电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
两路交错并联Boost电路中的电感采用耦合电感，电感耦合采用反向耦合方式，在两路交错并联Boost电路的输入输出两端跨接一个功率二极管，功率二极管的流向为输入到输出；所述采样电路分别采样整流输出电压、变换器输出电压和两路电感电流，采样信息通过A/D转换给控制电路，控制电路经过运算后输出的控制信号经过驱动电路的放大，控制交错并联Boost电路中两个MOSFET开关管的导通和截止。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，采用耦合电感，能减小功率因数校正变换器的体积，减小电感电流脉动值，提高功率密度；(2)本发明的采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器采用金属氧化物半导体场效应晶体管的导通和关断来实现变换器的工作状态，提高系统的响应速度，灵活性；(3)本发明利用整流输出端和变换器输出端跨接的直通功率二极管，使得变换器在通电的瞬间，输出电压能很快到达给定值，提高变换器相应速度；(4)本发明控制电路采用数字控制的方法，控制精度高、控制参数可调、控制算法灵活，既满足一定的系统控制和计算要求，又保证较好的多信号逻辑处理能力和驱动速度。
附图说明
图1为本发明采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器系统架构图。
图2为本发明采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器的主功率电路图。
图3为采样电路中电压采样原理图。
图4为电流采样电路选用的电流霍尔传感器的原理图。
图5为驱动电路选用的双路的栅极驱动芯片的原理图。
具体实施方式
如图1所示，一种采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，包括整流电路、两路交错并联Boost电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
两路交错并联Boost电路中的电感采用耦合电感，电感耦合采用反向耦合方式，在两路交错并联Boost电路的输入输出两端跨接一个功率二极管，功率二极管的流向为输入到输出；所述采样电路分别采样整流输出电压、变换器输出电压和两路电感电流，采样信息通过A/D转换给控制电路，控制电路经过运算后输出的控制信号经过驱动电路的放大，控制交错并联Boost电路中两个MOSFET开关管的导通和截止。
所述整流电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；第一二极管D1和第二二极管D2串联，第三二极管D3和第四二极管D4串联，第一二极管D1和第三二极管D3的阴极相连并且作为整流输出电压的正极，第二二极管D2和第四二极管D4的阳极相连并且作为整流输出电压的负极；变换器输入电压的正极接在第一二极管D1的阳极，变换器输入电压的负极接在第三二极管D3的阳极。
所述两路交错并联Boost电路包括耦合电感、第一开关管Q1和第二开关管Q2、第五二极管D11、第六二极管D12、第七二极管D13和输出电容Co；第一耦合电感L1同名端和第二耦合电感L2的异名端连接在一起，并一同接在整流输出的正极，第一耦合电感L1的异名端和第五二极管D11的阳极相连，第二耦合电感L2的同名端和第六二极管D12的阳极相连；第一开关管Q1的漏极和第一耦合电感L1的异名端相连，第二开关管Q2的漏极和第二耦合电感L2的同名端相连，第一开关管Q1和第二开关管Q2的源极一同连接在整流输出电压的负极；第七二极管D13的阳极连接在整流输出电压的正极，第七二极管D13的阴极和第五二极管D11以及第六二极管D12的阴极连接在一起，并且连接到输出电容Co的一端，输出电容Co的另一端连接在第一开关管Q1和第二开关管Q2的源极。
耦合电感采用反向耦合方式，电感磁芯结构为两个E型磁芯，电感线圈绕制在磁芯中柱上。
所述第一开关管Q1和第二开关管Q2均为MOSFET管。
所述采样电路中，电压采样电路采用分压电阻方式，电流采样电路采用电流霍尔传感器构成。
所述驱动电路采用带有隔离的双路输出的IC芯片构建，用来驱动二极管双向阵列中的第一开关管Q1和第二开关管Q2。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
如图1所示，一种采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，包括整流电路、两路交错并联Boost电路、采样电路、控制电路、驱动电路；单相交流电与所述的整流电路相连，整流电压经过所述的两路交错并联Boost电路输出电压，其中的两路交错并联Boost电路中的电感采用耦合电感，可降低变换器的体积，电感耦合采用反向耦合方式，可使电感电流的脉动降低，其中采样电路分为电压采样和电流采样，电压采样采用分压电阻采样方式，电流采样采用电流传感器芯片采样方式，控制电路采用数字信号处理器控制方式，采样数据经过数字信号处理器处理后，经过一系列算法运算输出控制信号，给所述的驱动电路，驱动电路中两个MOSFET的通断，从而达到控制变换器运行的目的，在整流输出电压正极和输出电压正极接功率二极管，可使变换器输出能很快到达设定值，加快变换器相应速度。此变换器电感电流纹波小，功率密度高，功率因数高；而且采用耦合电感，从而使变换器体积更小。
如图2所示，采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器的主功率电路分为整流电路和两路交错并联Boost电路，其中整流电路由四个二极管组成，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4；第一二极管D1和第二二极管D2串联，第三二极管D3和第四二极管D4串联，第一二极管D1和第三二极管D3的阴极相连并且作为整流输出电压的正极，第二二极管D2和第四二极管D4的阳极相连并且作为整流输出电压的负极；变换器输入电压的正极接在第一二极管D1的阳极(或第二二极管D2的阴极)，变换器输入电压的负极接在第三二极管D3的阳极(或第四二极管D4的阴极)；两路交错并联Boost电路由两个Boost电路并联而成，电感采用耦合电感的方式，包括耦合电感的第一路升压电感L1、第二路升压电感L2、第一路续流二极管D11、第二路续流二极管D12、第一路开关管Q1、第二路开关管Q2、直通二极管D13、输出电容Co。耦合电感采用反向耦合方式，电感L1的异名端和二极管D11的阳极相连，电感L2的同名端和二极管D12的阳极相连；开关管Q1的漏极和电感L1的异名端相连，开关管Q2的漏极和电感L2的同名端相连，开关管Q1和Q2的源极一同连接在整流输出电压的负极；二极管D13的阳极连接在整流输出电压的正极，二极管D13的阴极和二极管D11以及二极管D12的阴极连接在一起，并且连接到电容Co的一端作为变换器输出的正极，电容Co的另一端连接在开关管Q1和Q2的源极作为变换器输出端的负极。
电压采样电路使用两个功率电阻分压后得到采样电压值，采样电压接电压跟随器，然后输出给控制器，电压跟随器起隔离作用；电流采样电路使用电流霍尔传感器芯片，将电流信号转化成电压信号，然后经过调理电路得到电流采样值输出给控制器。
如图3所示，电压采样电路由两路组成，分别采集整流输出电压和变换器输出电压，LM358为两路电压跟随器芯片，起隔离主功率和运算电路的作用，电阻R1、R2、R3串接在一起，R1一段接整流输出电压的正极，R3端接地，R2、R3的连接点引出接R4，R4另一端接到电压跟随器1IN+端子，R4此时其限流作用，防止过流会对控制电路有影响，另一路接法类似。
变换器开关管选用金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，对于不同的功率要求，目前工业上有不同的额定电流，不同的额定电压，可以适应各种不同功率领域的高速MOSFET。本发明对于硅基MOSFET，还是对于由碳化硅、氮化镓半导体材料制成的新型宽禁带器件(宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料，其具有禁带宽度大，电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好的特点，适用于抗辐射、高频、大功率和高密度集成场合)，都可以适用。本实施例选择infineon公司的型号为IPP60R120C7的N沟道MOSFET，其漏源极耐压值高达600V，带宽高达1MHz。的二极管选择Infineon公司推出的型号为IDP15E60的功率二极管，正向压降为1.5V，最大的同流为30A，反向耐压为600V。整流桥选型号为D25XB的高耐压整流桥，耐压达800V，耐流为25A。
电流采样采用工业中应用比较成熟的电流霍尔传感器芯片来实现，如图4所示，本实施例选择Allegro公司推出的型号为ACS730KLATR-20AB的电流霍尔传感器，其可检测的电流最大可达到正负20A，带宽为1MHz，0电流输出电压2.5V，检测电流的灵敏度为100mV/A，线性度非常好，检测精度很高。
控制电路由数字控制组成，例如DSP或FPFA等数字IC芯片以及其外围电路。接收由采样电路采样的电压电流信号，通过运算，产生驱动信号，经过驱动电路的放大去控制变换器开关管Q1和Q2的导通或关断。软件中设置一个限流限压阈值，若过流或过压，则由控制电路产生启动限流或限压保护的信号给驱动电路，实现了电路的软件级保护。
如图5所示，驱动电路采取的IC驱动芯片构成，TEXAS INSTRUMENTS公司的型号为UCC27324的栅极驱动IC芯片，这是双通道，高速，宽供电电压的栅极驱动芯片，具有大电流驱动能力，由控制信号来的两路PWM信号，一路PWM1接稳压二极管Z1的阴极，和二极管D21的阳极，稳压二极管Z1和电阻R10并联，二极管D21和电阻R9并联，二极管D21的阴极接在芯片2号引脚INA，另一路PWM2信号采用类似接法接在4号引脚INB。VDD和GND之间跨接滤波电容C1和C2。

Claims (7)

1.一种采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，其特征在于，包括整流电路、两路交错并联Boost电路、采样电路、控制电路和驱动电路；
两路交错并联Boost电路中的电感采用耦合电感，电感耦合采用反向耦合方式，在两路交错并联Boost电路的输入输出两端跨接一个功率二极管，功率二极管的流向为输入到输出；所述采样电路分别采样整流输出电压、变换器输出电压和两路电感电流，采样信息通过A/D转换给控制电路，控制电路经过运算后输出的控制信号经过驱动电路的放大，控制交错并联Boost电路中两个MOSFET开关管的导通和截止。
2.根据权利要求1所述的采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，其特征在于，所述整流电路包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)；第一二极管(D1)和第二二极管(D2)串联，第三二极管(D3)和第四二极管(D4)串联，第一二极管(D1)和第三二极管(D3)的阴极相连并且作为整流输出电压的正极，第二二极管(D2)和第四二极管(D4)的阳极相连并且作为整流输出电压的负极；变换器输入电压的正极接在第一二极管(D1)的阳极，变换器输入电压的负极接在第三二极管(D3)的阳极。
3.根据权利要求1所述的采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，其特征在于，所述两路交错并联Boost电路包括耦合电感、第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)、第五二极管(D11)、第六二极管(D12)、第七二极管(D13)和输出电容(Co)；第一耦合电感(L1)同名端和第二耦合电感(L2)的异名端连接在一起，并一同接在整流输出的正极，第一耦合电感(L1)的异名端和第五二极管(D11)的阳极相连，第二耦合电感(L2)的同名端和第六二极管(D12)的阳极相连；第一开关管(Q1)的漏极和第一耦合电感(L1)的异名端相连，第二开关管(Q2)的漏极和第二耦合电感(L2)的同名端相连，第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)的源极一同连接在整流输出电压的负极；第七二极管(D13)的阳极连接在整流输出电压的正极，第七二极管(D13)的阴极和第五二极管(D11)以及第六二极管(D12)的阴极连接在一起，并且连接到输出电容(Co)的一端，输出电容(Co)的另一端连接在第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)的源极。
4.根据权利要求3所述的采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，其特征在于，耦合电感采用反向耦合方式，电感磁芯结构为两个E型磁芯，电感线圈绕制在磁芯中柱上。
5.根据权利要求3所述的采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)均为MOSFET管。
6.根据权利要求3或5所述的采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，其特征在于，所述驱动电路采用带有隔离的双路输出的IC芯片构建，用来驱动二极管双向阵列中的第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)。
7.根据权利要求1所述的采用耦合电感的高功率密度功率因数校正变换器，其特征在于，所述采样电路中，电压采样电路采用分压电阻方式，电流采样电路采用电流霍尔传感器构成。
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