CN113224942B - 一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统 - Google Patents

一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非隔离式Buck‑Boost无桥PFC变换器系统，包括非隔离式Buck‑Boost无桥PFC变换器电路和控制电路，其中：所述无桥PFC变换器电路包括输入交流电源Vac，功率电感L1与功率电感L2、不带反并联二极管的IGBT S1、不带反并联二极管的IGBT S2、二极管D1、二极管D2，快恢复二极管D3、快恢复二极管D4、输出滤波电容C以及负载电阻R；所述控制电路包括输入电压检测模块、输出电压采样模块、L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块、第一驱动电路模块、第二驱动电路模块、电感电流平均值模块、PWM驱动信号模块、第一比较器、第二比较器、锯齿波发射器和误差放大器。本发明有效的提高了整机效率，降低了后级器件的电压应力，可以使用耐压更低的器件，降低了成本。

Description

一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统
技术领域
本发明涉及AC/DC技术领域，具体涉及一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统。
背景技术
随着电力电子技术快速发展，开关电源设备在各个行业的应用。但是接入电网的开关电源设备成为了向电网注入高次电流谐波的主要来源。高次电流谐波已经严重影响了电网电能质量、传输效率还有电网上其他设备的正常运行。功率因数校正(Power FactorCorrection,PFC)作为一种抑制高次谐波电流和提高功率因数的有效方法，已经成为中大功率电子设备不可或缺的关键部分。
功率因素校正电路可以分为无源功率因素校正(PPFC)和有源功率因素校正(APFC)。有源功率因素校正电路因为体积小、功率因素高，从而大规模的应用在功率因素校正电路中。常用的功率因素校正是升压有源功率因素校正整流器即Boost APFC,具有结构简单等特点，但是在宽范围输入电压的情况下，输入电压低时效率低于输入电压高的效率，同时输出电压较高，对后级设备器件电压应力要求较高，要使用耐压更高的器件，从而增加了器件的成本。
为了解决Boost APFC整流器带来的问题，有人提出了Buck-Boost PFC变换器，Buck-Boost PFC变换器主电路一般由全桥整流电路连接Buck-Boost电路而成，然而，由于前级整流桥的存在，整流时有两个二极管同时导通，导致导通损耗比较高，特别是在低压大功率时，整流二极管的导通损耗更加明显，这大大限制了变换器整机效率的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，相比传统有桥Buck-Boost PFC变换器，损耗进一步减少，利用Buck-Boost拓扑电路结构，实现低总谐波失真、高功率因数还有高效率。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，包括非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器电路和控制电路，其中：
所述无桥PFC变换器电路包括输入交流电源Vac，功率电感L1与功率电感L2、不带反并联二极管的IGBT S1、不带反并联二极管的IGBT S2、二极管D1、二极管D2，快恢复二极管D3、快恢复二极管D4、输出滤波电容C以及负载电阻R；
IGBT S1的发射极与二极管D1的阳极及所述输入交流电源Vac的一端连接；IGBT S2的发射极与二极管D2的阳极及所述输入交流电源Vac的另一端连接；所述二极管D1的阴极与快恢复二极管D3的阴极以及功率电感L1的上端连接；所述二极管D2的阴极与快恢复二极管D4的阴极以及功率电感L2的上端连接；所述快恢复二极管D3的阳极、快恢复二极管D4的阳极与输出滤波电容C的阴极、负载电阻R的上端连接，IGBT S1的集电极、IGBT S2的集电极、功率电感L1的下端、功率电感L2的下端及输出滤波电容C的阳极共地，负载电阻R的两端产生输出电压Vout；
所述控制电路包括输入电压检测模块、输出电压采样模块、L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块、第一驱动电路模块、第二驱动电路模块、电感电流平均值模块、PWM驱动信号模块、第一比较器、第二比较器、锯齿波发射器和误差放大器，其中，输入电压检测模块、输出电压采样模块分别从无桥PFC变换器电路的输入交流电源Vac、负载电阻R的两端得到输入电压Vin、输出电压Vout，L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块分别从无桥PFC变换器电路得到功率电感L1、功率电感L2上的电感电流IL1和电感电流IL2；
所述输入电压检测模块连接第一驱动电路模块和第二驱动电路模块，L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块的输出共同作为电感电流平均值模块的输入，输出电压采样模块的输出与参考电压Vref进入误差放大器，误差放大器的输出以及电感电流平均值模块的输出作为第一比较器的输入；第一比较器的输出与锯齿波发射器的输出作为第二比较器的输入，第二比较器的输出连接PWM驱动信号模块，PWM驱动信号模块分别连接第一驱动电路模块、第二驱动电路模块。
进一步地，输出电压采样模块将输出电压Vout的采样值Vo与参考电压Vref经过误差放大器得到误差电压值Ve,电感电流平均值模块对L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块检测到的电感电流IL1和电感电流IL2求平均值得到Ia,Ve与Ia经过第一比较器的比较得到Vc,Vc与锯齿波发射器产生的信号Vosc经过第二比较器比较，最后PWM驱动信号模块根据第二比较器的输出产生第一驱动信号P1或第二驱动信号P2，第一驱动信号P1、第二驱动信号P2通过对输入电压Vin的检测结果来确定是第一驱动电路模块还是第二驱动电路模块输出驱动信号：
若判断出Vin＞0时，第二驱动电路模块根据第二驱动信号P2输出驱动信号Ps2，这时第一驱动电路模块不输出驱动信号；若判断出Vin<0时，第一驱动电路模块根据第一驱动信号P1输出驱动信号Ps1，这时第二驱动电路模块不输出驱动信号；驱动信号Ps1、驱动信号Ps2通过对IGBT S1与IGBT S2的控制，实现功率因素校正的目的。
进一步地，当输入电压Vin为正半周期时，第二驱动电路模块输出驱动信号Ps2，驱动IGBT S2导通，IGBT S1处于关闭状态；同时二极管D1导通，输入电流经过二极管D1、功率电感L1、IGBT S2构成回路，功率电感L1储能，同时输出滤波电容C向负载R供能。
进一步地，当输入电压Vin为正半周期，且当IGBT S2和IGBT S1都处于关闭状态时，此时快恢复二极管D3导通为功率电感L1续流，功率电感L1给输出滤波电容C充电同时向负载R供能。
进一步地，当输入电压Vin为负半周期时，第一驱动电路模块输出驱动信号Ps1，驱动IGBT S1导通，IGBT S2处于关闭状态，同时二极管D2导通，输入电流经过D2、功率电感L2、IGBT S1构成回路，功率电感L2储能，同时输出滤波电容C向负载R供能。
进一步地，当输入电压Vin为负半周期，且当IGBT S2和IGBT S1都处于关闭状态时，此时快恢复二极管D4导通为功率电感L2续流，功率电感L2给输出滤波电容C充电同时向负载R供能。
一种电子设备，该电子设备中含有所述的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
传统有桥Buck-Boost PFC变换器在开关管开通时，有3个功率器件处于导通状态，导通损耗大。本方案采用无桥结构，开关管开通时只有2个功率器件处于导通状态，导通损耗明显小于传统有桥Buck-Boost PFC变换器，有效的提高了整机效率。同时，非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器输出电压可以比Boost APFC变换器低，降低了后级器件的电压应力，可以使用耐压更低的器件，降低了成本。
附图说明
图1为本发明提出的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统结构图；
图2为非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器的原理示意图；
图3为无桥PFC变换器在交流电输入正半周时的工作模态一；
图4为无桥PFC变换器在交流电输入正半周时的工作模态二；
图5为无桥PFC变换器在交流电输入负半周时的工作模态一；
图6为无桥PFC变换器在交流电输入负半周时的工作模态二；
图7为非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器的驱动波形图；
图8为PSIM仿真输入电压和输入电流波形图；
图9为PSIM仿真输出电压波形图；
具体实施方式
参见图1和图2，本发明提供了一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，包括非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器电路和控制电路，所述控制电路与非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器电路连接，控制电路从无桥PFC变换器电路得到其输入电压Vin、输出电压Vout、电感检测电流IL1和IL2；其中：
所述无桥PFC变换器电路包括输入交流电源Vac，功率电感L1与功率电感L2、不带反并联二极管的IGBT S1、不带反并联二极管的IGBT S2、二极管D1、二极管D2，快恢复二极管D3、快恢复二极管D4、输出滤波电容C以及负载电阻R；
IGBT S1的发射极与二极管D1的阳极及所述输入交流电源Vac的一端连接；IGBT S2的发射极与二极管D2的阳极及所述输入交流电源Vac的另一端连接；所述二极管D1的阴极与快恢复二极管D3的阴极以及功率电感L1的上端连接；所述二极管D2的阴极与快恢复二极管D4的阴极以及功率电感L2的上端连接；所述快恢复二极管D3的阳极、快恢复二极管D4的阳极与输出滤波电容C的阴极、负载电阻R的上端连接，IGBT S1的集电极、IGBT S2的集电极、功率电感L1的下端、功率电感L2的下端及输出滤波电容C的阳极共地，负载电阻R的两端产生输出电压Vout。
所述控制电路包括输入电压检测模块、输出电压采样模块、L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块、第一驱动电路模块、第二驱动电路模块、电感电流平均值模块、PWM驱动信号模块、第一比较器、第二比较器、锯齿波发射器和误差放大器，其中，输入电压检测模块、输出电压采样模块分别从无桥PFC变换器电路的输入交流电源Vac、负载电阻R的两端得到输入电压Vin、输出电压Vout，L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块分别从无桥PFC变换器电路得到功率电感L1、功率电感L2上的电感电流IL1和电感电流IL2；
所述输入电压检测模块连接第一驱动电路模块和第二驱动电路模块，L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块的输出共同作为电感电流平均值模块的输入，输出电压采样模块的输出与参考电压Vref进入误差放大器，误差放大器的输出以及电感电流平均值模块的输出作为第一比较器的输入；第一比较器的输出与锯齿波发射器的输出作为第二比较器的输入，第二比较器的输出连接PWM驱动信号模块，PWM驱动信号模块分别连接第一驱动电路模块、第二驱动电路模块。
本发明的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统的控制方法如下：
输出电压采样模块将输出电压Vout的采样值Vo与参考电压Vref经过误差放大器得到误差电压值Ve,电感电流平均值模块对L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块检测到的电感电流IL1和电感电流IL2求平均值得到Ia,Ve与Ia经过第一比较器的比较得到Vc,Vc与锯齿波发射器产生的信号Vosc经过第二比较器比较，最后PWM驱动信号模块根据第二比较器的输出产生第一驱动信号P1或第二驱动信号P2，第一驱动信号P1、第二驱动信号P2通过对输入电压Vin的检测结果来确定是第一驱动电路模块还是第二驱动电路模块输出驱动信号：
若判断出Vin＞0时，第二驱动电路模块根据第二驱动信号P2输出驱动信号Ps2，这时第一驱动电路模块不输出驱动信号；若判断出Vin<0时，第一驱动电路模块根据第一驱动信号P1输出驱动信号Ps1，这时第二驱动电路模块不输出驱动信号；驱动信号Ps1、驱动信号Ps2通过对IGBT S1与IGBT S2的控制，实现功率因素校正的目的。
非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器电路各工作模态如下：
1.在输入电压Vin的正半周，该阶段可以分为两个工作模态：
工作模态一：
当输入电压Vin为正半周期时，第二驱动电路模块输出驱动信号Ps2，驱动IGBT S2导通，IGBT S1处于关闭状态；同时二极管D1导通，输入电流经过二极管D1、功率电感L1、IGBT S2构成回路，功率电感L1储能，同时输出滤波电容C向负载R供能；该期间电路工作状态如图3所示。
工作模态二：
当IGBT S2和IGBT S1都处于关闭状态时，此时快恢复二极管D3导通为功率电感L1续流，功率电感L1给输出滤波电容C充电同时向负载R供能；该期间电路工作状态如图4所示.
2.在交流电输入负半周，该阶段可以分为两个工作模态：
工作模态一：
当输入电压Vin为负半周期时，第一驱动电路模块输出驱动信号Ps1，驱动IGBT S1导通，IGBT S2处于关闭状态，同时二极管D2导通，输入电流经过D2、功率电感L2、IGBT S1构成回路，功率电感L2储能，同时输出滤波电容C向负载R供能；该期间电路工作状态如图5所示。
工作模态二：
当IGBT S2和IGBT S1都处于关闭状态时，此时快恢复二极管D4导通为功率电感L2续流，功率电感L2给输出滤波电容C充电同时向负载R供能；该期间电路工作状态如图6所示。
如图8和图9所示，为本发明系统在PSIM上进行仿真输入电压和输入电流波形图、输出电压波形图；从仿真结果可以看到，本发明系统的输出电压低，降低了后级器件的电压应力，提高了电路的效率。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，其特征在于，包括非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器电路和控制电路，其中：
所述无桥PFC变换器电路包括输入交流电源Vac，功率电感L1与功率电感L2、不带反并联二极管的IGBT S1、不带反并联二极管的IGBT S2、二极管D1、二极管D2，快恢复二极管D3、快恢复二极管D4、输出滤波电容C以及负载电阻R；
IGBT S1的发射极与二极管D1的阳极及所述输入交流电源Vac的一端连接；IGBT S2的发射极与二极管D2的阳极及所述输入交流电源Vac的另一端连接；所述二极管D1的阴极与快恢复二极管D3的阴极以及功率电感L1的上端连接；所述二极管D2的阴极与快恢复二极管D4的阴极以及功率电感L2的上端连接；所述快恢复二极管D3的阳极、快恢复二极管D4的阳极与输出滤波电容C的阴极、负载电阻R的上端连接，IGBT S1的集电极、IGBT S2的集电极、功率电感L1的下端、功率电感L2的下端及输出滤波电容C的阳极共地，负载电阻R的两端产生输出电压Vout；
所述控制电路包括输入电压检测模块、输出电压采样模块、L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块、第一驱动电路模块、第二驱动电路模块、电感电流平均值模块、PWM驱动信号模块、第一比较器、第二比较器、锯齿波发射器和误差放大器，其中，输入电压检测模块、输出电压采样模块分别从无桥PFC变换器电路的输入交流电源Vac、负载电阻R的两端得到输入电压Vin、输出电压Vout，L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块分别从无桥PFC变换器电路得到功率电感L1、功率电感L2上的电感电流IL1和电感电流IL2；
所述输入电压检测模块连接第一驱动电路模块和第二驱动电路模块，L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块的输出共同作为电感电流平均值模块的输入，输出电压采样模块的输出与参考电压Vref进入误差放大器，误差放大器的输出以及电感电流平均值模块的输出作为第一比较器的输入；第一比较器的输出与锯齿波发射器的输出作为第二比较器的输入，第二比较器的输出连接PWM驱动信号模块，PWM驱动信号模块分别连接第一驱动电路模块、第二驱动电路模块；
输出电压采样模块将输出电压Vout的采样值Vo与参考电压Vref经过误差放大器得到误差电压值Ve,电感电流平均值模块对L1电感电流检测模块、L2电感电流检测模块检测到的电感电流IL1和电感电流IL2求平均值得到Ia,Ve与Ia经过第一比较器的比较得到Vc,Vc与锯齿波发射器产生的信号Vosc经过第二比较器比较，最后PWM驱动信号模块根据第二比较器的输出产生第一驱动信号P1或第二驱动信号P2，第一驱动信号P1、第二驱动信号P2通过对输入电压Vin的检测结果来确定是第一驱动电路模块还是第二驱动电路模块输出驱动信号。
2.根据权利要求1所述的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，其特征在于，若判断出Vin＞0时，第二驱动电路模块根据第二驱动信号P2输出驱动信号Ps2，这时第一驱动电路模块不输出驱动信号；若判断出Vin<0时，第一驱动电路模块根据第一驱动信号P1输出驱动信号Ps1，这时第二驱动电路模块不输出驱动信号；驱动信号Ps1、驱动信号Ps2通过对IGBTS1与IGBT S2的控制，实现功率因素校正的目的。
3.根据权利要求2所述的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，其特征在于，当输入电压Vin为正半周期时，第二驱动电路模块输出驱动信号Ps2，驱动IGBT S2导通，IGBT S1处于关闭状态；同时二极管D1导通，输入电流经过二极管D1、功率电感L1、IGBT S2构成回路，功率电感L1储能，同时输出滤波电容C向负载R供能。
4.根据权利要求2所述的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，其特征在于，当输入电压Vin为正半周期，且当IGBT S2和IGBT S1都处于关闭状态时，此时快恢复二极管D3导通为功率电感L1续流，功率电感L1给输出滤波电容C充电同时向负载R供能。
5.根据权利要求2所述的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，其特征在于，当输入电压Vin为负半周期时，第一驱动电路模块输出驱动信号Ps1，驱动IGBT S1导通，IGBT S2处于关闭状态，同时二极管D2导通，输入电流经过D2、功率电感L2、IGBT S1构成回路，功率电感L2储能，同时输出滤波电容C向负载R供能。
6.根据权利要求2所述的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统，其特征在于，当输入电压Vin为负半周期，且当IGBT S2和IGBT S1都处于关闭状态时，此时快恢复二极管D4导通为功率电感L2续流，功率电感L2给输出滤波电容C充电同时向负载R供能。
7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备中含有根据权利要求1至6中任一权利要求所述的非隔离式Buck-Boost无桥PFC变换器系统。
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