CN112003467B - 一种三开关管无桥型Cuk功率因数校正变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三开关管无桥型Cuk功率因数校正变换器，其第一电感一端连接交流输入电源一端，第一二极管正极接第一电感另一端和第一开关管漏极，第二二极管负极、第三开关管漏极连接第二电容一端与第一二极管负极；交流输入电源另一端连接第二开关管漏极与第二二极管正极；3个功率开关管源极相连，3个功率开关管源极接输出电压正压端；第二电容另一端连接第三二极管正极和第二电感一端；第三二极管负极连接输出电压正压端；第二电感另一端连接输出电压负压端；负载电阻和第一电容并联在输出电压两端。本发明具有更少的导通半导体器件数量，导通损耗更低，效率高，元器件数量少，特别大体积的功率电感和电解电容数量少，利于提高功率密度。

Description

一种三开关管无桥型Cuk功率因数校正变换器

技术领域

本发明涉及一种电源系统的功率因数校正电路设备，特别是涉及一种Cuk功率因数校正变换器，应用于电源系统技术领域。

背景技术

Cuk功率因数校正(PFC)变换器在单相电源系统中得到广泛应用。传统CukPFC变换器输入端采用二极管整流桥，其电流流通路径上的半导体器件数量多，半导体器件损耗大，效率不高。为了优化其效率，无桥型CukPFC变换器应运而生。通过消除输入二极管整流桥，无桥型CukPFC变换器可以有效地降低电流流通路径上的半导体器件数量，进而降低半导体器件损耗，提高电源效率。公开号为CN2523105B的专利文献公开了一种开关电源单级功率因数校正装置，高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口，通过不对称绕组(A)与延迟电感(L_D)相连，电感(L_D)通过组成整流桥式电路的二极管(D_A1，D_A2，D_A3，D_A4)与滤波电感(L_A)相连，在高输出阻抗整流器电路输出端(T4)连接有开关电源输入整流二极管，附加高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口通过原副边绕组隔离连接有标准DC-DC开关变换器(E)磁元件(B)，标准DC-DC开关变换器(E)分别通过储能电容与高输出阻抗整流器电路输出端(T3)、输入整流二极管负极相连，附加高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口连接是波形信号不对称磁元件(B)副边附加绕组。公开号为CN104426349B的专利文献公开了一种功率因数校正电路，包括被可操作地提供输入电压和输入电流的第一电感器，所述输入电压是经整流的AC线路电压；具有与所述第一电感器串联耦合的负载电流路径的半导体开关；耦合到所述电感器且可操作地提供输出电压和输出电流的输出端子；以及用于控制所述半导体开关的循环切换操作的控制器电路。但是，现有的无桥PFC变换器拓扑使用的器件数量多，拓扑复杂度高，特别是大体积的功率电感和电解电容数量较多，不利于提高电源的功率密度。与此同时，部分现有无桥CukPFC变换器的效率仍有待进一步优化。因此，针对以上现有CukPFC变换器存在的缺陷，构建具有高效率拓扑结构简单的无桥CukPFC变换器具有良好的应用潜力与实际工程意义，这成为亟待了解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种三开关管无桥型Cuk功率因数校正变换器，具有高效率低拓扑复杂度，在相同的工况下，本发明可以实现相比于传统CukPFC变换器和现有伪图腾柱无桥CukPFC变换器更高的效率。相比于其它现有无桥CukPFC变换器，本发明采用更少的元器件数量，特别是大体积的功率电感和电解电容数量更少。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种三开关管无桥型Cuk功率因数校正PFC变换器，其拓扑结构包括3个功率开关管、两个电感、3个二极管和两个电容和1个负载电阻；其中，第一电感的一端与交流输入电源的一端相连，第一二极管的正极与第一电感的另一端和第一开关管漏极耦接的节点相连接，第二二极管的负极、第三开关管漏极和第二电容的一端耦接的节点与第一二极管的负极相连接；交流输入电源的另一端和第二开关管漏极耦接的节点与第二二极管的正极相连接；3个功率开关管的源极相连，3个功率开关管的源极还与输出电压的正压端相连接；第二电容的另一端与第三二极管的正极和第二电感的一端耦接的节点相连接；第三二极管的负极与输出电压的正压端相连接；第二电感的另一端与输出电压的负压端相连接；负载电阻和第一电容并联在输出电压两端。

优选地，三开关管无桥型Cuk功率因数校正PFC变换器采用相同的控制信号控制。

优选地，三开关管无桥型Cuk功率因数校正PFC变换器采用非隔离驱动电路进行驱动。

优选地，在工频正半周期下的一个开关周期内：当3个功率开关管导通时，交流输入电源通过第一开关管和第二开关管给第一电感充电；同时第二电容通过第三开关管向第二电感和负载电阻放电；当3个功率开关管关断时，交流输入电源和第一电感通过第一二极管、第三二极管和第二开关管给第二电容充电；同时，第二电感通过第三二极管向负载电阻放电。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.相比于传统Cuk PFC变换器，本发明为新型无桥Cuk PFC变换器，通过消除输入端的二极管整流桥，减少了电流流通路径上的半导体器件数量，可有效降低半导体器件的损耗，实现更高的效率；相比于伪图腾柱无桥Cuk PFC变换器，本发明的半导体器件导通损耗更低、效率更高；

2.相比于其它现有无桥Cuk PFC变换器，本发明无桥Cuk PFC变换器采用了更少的元器件数量，特别是大体积的功率电感和电解电容数量更少，拓扑结构简单、复杂度低，有利于提高电源的功率密度；

3.本发明的三个开关管可以采用相同的控制信号控制，有利于简化控制电路的复杂度。

4.本发明的三个开关管均非浮地类型，可以采用非隔离驱动电路驱动，有利于简化驱动电路的复杂度。

附图说明

图1是本发明三开关管无桥型Cuk PFC变换器拓扑结构图。

图2是传统Cuk PFC变换器拓扑结构图。

图3是现有伪图腾柱无桥Cuk PFC变换器拓扑结构图。

图4是本发明三开关管无桥型Cuk PFC变换器电流断续模式下工频正半周期内的工作原理图。

图5是本发明三开关管无桥型Cuk PFC变换器的仿真输入电压电流波形图。

图6是本发明三开关管无桥型Cuk PFC变换器的实验输入电压电流波形图。

图7是本发明三开关管无桥型Cuk PFC变换器与现有伪图腾柱无桥Cuk PFC变换器的效率对比图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种三开关管无桥型Cuk功率因数校正PFC变换器，其拓扑结构包括3个功率开关管S₁、S₂、S₃、两个电感L₁、L₂、3个二极管D₁、D₂、D₃和两个电容C、C₀和1个负载电阻R；本实施例三开关管无桥Cuk PFC变换器的拓扑连接方式为：

第一电感L₁的一端与交流输入电源V_in的一端相连，第一二极管D₁的正极与第一电感L₁的另一端和第一开关管S₁漏极耦接的节点相连接，第二二极管D₂的负极、第三开关管S₃漏极和第二电容C的一端耦接的节点与第一二极管D₁的负极相连接；交流输入电源V_in的另一端和第二开关管S₂漏极耦接的节点与第二二极管D₂的正极相连接；3个功率开关管S₁、S₂、S₃的源极相连，3个功率开关管S₁、S₂、S₃的源极还与输出电压的正压端相连接；第二电容C的另一端与第三二极管D₃的正极和第二电感L₂的一端耦接的节点相连接；第三二极管D₃的负极与输出电压的正压端相连接；第二电感L₂的另一端与输出电压的负压端相连接；负载电阻R和第一电容C₀并联在输出电压两端。

参见图1和图2，图2是传统Cuk PFC变换器拓扑结构图。相比于传统Cuk PFC变换器，本实施例为新型无桥Cuk PFC变换器，通过消除输入端的二极管整流桥，减少了电流流通路径上的半导体器件数量，可有效降低半导体器件的损耗，实现更高的效率。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1，所述三开关管无桥型Cuk功率因数校正PFC变换器采用相同的控制信号控制，并采用非隔离驱动电路进行驱动。

本实施例将三开关管无桥Cuk PFC变换器DCM模式下工频正半周期内的工作原理如图4所示。

如图4a所示，当3个功率开关管S₁、S₂、S₃导通时，交流输入电源V_in通过第一开关管S₁和第二开关管S₂给第一电感L₁充电；同时第二电容C通过第三开关管S₃向第二电感L₂和负载电阻R放电。

如图4b所示，当3个功率开关管S₁、S₂、S₃关断时，交流输入电源V_in和第一电感L₁通过第一二极管D₁、第三二极管D₃和第二开关管S₂给第二电容C充电；同时，第二电感L₂通过第三二极管D₃向负载电阻R放电。

如图4c所示，此时3个功率开关管S₁、S₂、S₃仍处于关断状态，本实施例变换器电感电流处于恒流状态。

本实施例的仿真参数为：输入电压V_in＝110Vrms/50Hz,输出电压V_o＝100V,开关频率f_S＝40kHz，输出功率P_o＝100W。图5是本实施例三开关管无桥型Cuk PFC变换器的仿真输入电压电流波形图。从图中可以看到，本实施例变换器的输入电流与输入电压同相位，且输入电流被校正近似为正弦波形，此时，所测量功率因数为0.998。故，仿真证明本实施例变换器具有优异的功率因数校正能力。

图6所示为本实施例实验输入电压电流波形图。从图中可以看出，本实施例的实验输入电压电流波形图与仿真结果保持一致，此时，实验测量功率因数为0.996，进一步验证了本实施例具有优越的功率因数校正能力。

图7所示为本实施例无桥Cuk PFC变换器与伪图腾柱无桥Cuk PFC变换器的实验效率对比图。从图中可以看到，相较于现有伪图腾柱无桥Cuk PFC变换器，本实施例无桥CukPFC变换器具有更高的效率。该实验结果证明了本实施例相比于伪图腾柱无桥Cuk PFC变换器更具工程应用价值。

综上所述，上述实施例构建具有高效率拓扑结构简单的无桥Cuk PFC变换器，相比于其它现有无桥CukPFC变换器，本发明采用更少的元器件数量，特别是大体积的功率电感和电解电容数量更少，可以实现相比于传统CukPFC变换器和现有伪图腾柱无桥CukPFC变换器更高的效率。上述实施例无桥CukPFC变换器的拓扑结构简单，具有更少的导通半导体器件数量，导通损耗更低，效率更高，且元器件数量少，复杂度低，特别是大体积的功率电感和电解电容数量少，利于提高功率密度。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种三开关管无桥型Cuk功率因数校正变换器，其特征在于：其拓扑结构包括3个功率开关管(S₁、S₂、S₃)、两个电感(L₁、L₂)、3个二极管(D₁、D₂、D₃)和两个电容(C、C_o)和1个负载电阻(R)；

其中，第一电感(L₁)的一端与交流输入电源(V_in)的一端相连，第一二极管(D₁)的正极与第一电感(L₁)的另一端和第一开关管(S₁)漏极耦接的节点相连接，第二二极管(D₂)的负极、第三开关管(S₃)漏极和第二电容(C)的一端耦接的节点与第一二极管(D₁)的负极相连接；交流输入电源(V_in)的另一端和第二开关管(S₂)漏极耦接的节点与第二二极管(D₂)的正极相连接；3个功率开关管(S₁、S₂、S₃)的源极相连，3个功率开关管(S₁、S₂、S₃)的源极还与输出电压的正压端相连接；

第二电容(C)的另一端与第三二极管(D₃)的正极和第二电感(L₂)的一端耦接的节点相连接；第三二极管(D₃)的负极与输出电压的正压端相连接；第二电感(L₂)的另一端与输出电压的负压端相连接；负载电阻(R)和第一电容(C_o)并联在输出电压两端；

在工频正半周期下的一个开关周期内：

当3个功率开关管(S₁、S₂、S₃)导通时，交流输入电源(V_in)通过第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)给第一电感(L₁)充电；同时第二电容(C)通过第三开关管(S₃)向第二电感(L₂)和负载电阻(R)放电；

当3个功率开关管(S₁、S₂、S₃)关断时，电路存在如下两种工作状态之一：

第一种电路工作状态：当3个功率开关管(S₁、S₂、S₃)关断时，交流输入电源(V_in)和第一电感(L₁)通过第一二极管(D₁)、第三二极管(D₃)和第二开关管(S₂)给第二电容(C)充电；同时，第二电感(L₂)通过第三二极管(D₃)向负载电阻(R)放电；

第二种电路工作状态：当3个功率开关管(S₁、S₂、S₃)关断时，且第三二极管(D₃)未导通时，变换器电感电流处于恒流状态。

2.根据权利要求1所述三开关管无桥型Cuk功率因数校正变换器，其特征在于：三个开关管采用相同的控制信号控制。

3.根据权利要求1所述三开关管无桥型Cuk功率因数校正变换器，其特征在于：三个开关管采用非隔离驱动电路进行驱动。