CN114123759A - 一种交流-直流转换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于开关电源技术领域，具体的说是涉及一种交流‑直流转换器及其控制方法。本发明的交流‑直流转换器包括整流桥、滤波电容、电感、开关电路、续流开关管、反馈控制电路、环路补偿电路、二次整定电路、逻辑控制电路和驱动电路，本发明主要通过二次整定电路根据主电路电感电流工作状态对补偿电压进行整定，得到二次整定电路输出信号及开关电路开通时间ton与补偿电压之间的关系，实现单位功率因数校正的目的。本发明的有益效果是：本发明提出了一种交流‑直流变换器的控制方法，该方法通过对控制环路参数进行二次整定，从而提高系统的功率因数。

Description

一种交流-直流转换器及其控制方法

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，具体的说是涉及一种交流-直流转换器及其控制方法。

背景技术

直接取电的市电是交流电压，一般为110V或者220V，需要通过交流-直流变换器，获得设备工作需要的直流电。通常是将交流电压先整流、再滤波，再通过直流-直流变换器获得直流电压。整流滤波部分通常采用二极管桥式整流和电容滤波，由于整流器为非线性元件，其输入电流会有许多的高次谐波成份。输入功率因数不高于0.6，该谐波会造成电网电压不再正弦，并且会干扰其他用电设备。为了减小对电网的危害，电流谐波标准被一些国家和组织颁布、实施。为了满足这些标准，支持功率因数校正的交流-直流变换器被广泛的研究和应用。

特别是基于Boost架构的交流-直流变换器，具备诸多的优点而被广泛使用。这些优点包括在全输入电压范围都可以获得较高的功率因数，电路结构简单、成本低、可靠性高，输出电压高、储能能力强，输入电流脉动小等。也有基于Buck、Buck-boost等架构的交流直流变换器，用于功率因数校正。这些变换器需要合适的控制电路和控制策略，使得功率因数更高、谐波失真更小。

目前主要有以下两种方案：

1、基于Boost架构的CCM模式功率因数校正，优点为电感电流脉动小，输入功率因数高，流过开关管的电流有效值小，中大功率应用居多。但是开关管是硬开关状态，二极管存在反向恢复，开关损耗大，需要检测输入电压和电感电流，控制电路中需要乘法器，控制复杂，控制芯片成本较高，且电感量大，电路整体成本高。

2、基于Boost架构的CRM/DCM功率因数校正，优点为当Boost变换器工作于CRM模式时，开关管谷底零电流开通，升压二极管零电流关断，无反向恢复，PF值高，缺点是频率是变化的，轻载下频率更高，效率难以保证，并且EMI滤波器和电感设计复杂。当工作到DCM的时候，虽然具备CRM的优点，也解决了频率过高的问题，但是功率因数随之也变差。业内有对DCM情况下的功率因数提高做的研究和解决办法，但是电路复杂，难于实现。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种交流-直流变换器及其控制方法，通过对控制环路参数进行二次整定，从而提高系统的功率因数。

针对上述问题，本发明的技术方案是：

一种交流-直流转换器，包括：整流桥、滤波电容、电感、开关电路、续流开关管、反馈控制电路、环路补偿电路、逻辑控制电路和驱动电路；

所述整流桥连接交流-直流转换器的输入侧，将输入的交流电压整流为直流电压；

所述滤波电容连接在整流桥的输出端和地之间，电感的一端连接整流桥的输出端和滤波电容，另一端连接续流开关管的正端，续流开关管的负端为交流-直流转换器的输出端；

所述开关电路的一端连接在电感和续流二极管之间，另一端接地，用于控制交流-直流转换器的输出；

所述反馈控制电路连接交流-直流转换器的输出端，用于对输出直流电压进行采样，比较采样电压与参考电压误差，并对误差进行放大产生误差放大信号；

所述环路补偿电路连接反馈控制电路的输出，用于对误差放大信号进行补偿产生补偿电压；

所述驱动电路连接逻辑控制电路的输出，驱动电路的输出用于控制开关电路；

还包括二次整定电路；所述二次整定电路连接在环路补偿电路和逻辑控制电路之间，用于根据主电路电感电流工作状态对补偿电压进行整定，得到二次整定电路输出信号及开关电路开通时间ton与补偿电压之间的关系，实现单位功率因数校正的目的。

进一步的，所述二次整定电路包括电压跟随器、第一电阻、第二电阻、第一开关、第二开关、电流控制电流源和电容；其中电压跟随器的输入为补偿电压，电压跟随器的输出依次通过第一电阻和第一开关后接电流控制电流源的原边，电流控制电流源的受控输出端接电容的一端、第二开关的一端和逻辑控制电路的输入；第二开关的另一端通过第二电阻后接地；其中电流控制电流源、电容、第二开关的连接点为二次整定电路的输出端。

用于上述的交流-直流转换器的控制方法，定义开关电路驱动信号为DRV，DRV为高的时间为ton，在ton时间内电感电流升高，续流开关管的续流信号为DRV_FW，DRV_FW为高的时间为tDemag，在tDemag时间内电感电流下降，同时定义DRV和DRV_FW均为低的时间为tDCM，tDCM为电感电流断续时间；则控制方法为：

令第一开关直通，第二开关的导通信号为DRV和DRV_FW的逻辑或，使得在电感电流升高和电感电流下降的时间内第二开关导通，即第二开关的导通时间为ton+tDemag，在第二开关导通时，电流控制电流源和电容通过第二电阻放电，而在第二开关关断的时候，即在tDCM时间内，电流控制电流源对电容充电。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种交流-直流变换器的控制方法，该方法通过对控制环路参数进行二次整定，从而提高系统的功率因数。

附图说明

图1为传统交流-直流转换器输入电流和电压的波形图；

图2为PFC电感峰值电流与平均电流波形示意图；

图3为本发明的交流-直流转换器应用电路示意图；

图4为本发明的交流-直流转换器控制环路的电路结构示意图；

图5为本发明的二次整定电路的控制时序示意图；

图6为本发明的交流-直流转换器电流和电压的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明主要是在交流-直流转换器的控制环路中加入了二次整定，目前传统的控制没有二次整定的做法，当进入DCM后功率因数会变的更差，实际电路中电流和电压的波形如图1所示，第一个波形为输入电流波形，第二个波形为输入电压波形，明显的电流波形畸变严重。目前也有检测输入电压，运用乘法器的做法，以输入电压的信息乘电压调节器输出信号作为电流环的给定，使电流达到跟随电压的效果。需要加入交流电压采样电路，电路复杂且成本高。

本发明的实际应用如图3所示，包括整流桥001、PFC Boost电路电感002、续流开关管003、开关电路004、开关驱动电路005、滤波电容006、PFC级输出滤波电容007、负载008、反馈控制电路100、环路补偿电路200、二次整定电路300、逻辑控制电路400、其他信号电路500(例如供电电路、保护电路)。

在上述结构中，本发明的核心点是引入二次整定的做法及其二次整定的实现方式达到提高功率因数的目的。根据主电路电感电流工作状态对电压环输出控制信号VC1进行整定，建立二次整定电路输出信号VC2及主电路开关管开通时间ton与控制信号VC1的之间关系，达到实现单位功率因数校正目的。

具体的控制电路结构如图4所示，误差放大器104，可通过EA或者OTA类型实现，本发明图示中以OTA进行介绍；304为电流控制电流源；401PWM Generator，为PWM生成单元，适用于电压模式控制、变频控制等；402为滤波环节。其中二次整定电路由301～307组成，VC1输入整定后为VC2输出。具体是：电压跟随器301，用于实现VC1电压比例缩放，比例系数为k。限流电阻302,用于实现将电压信号转换成电流信号，该电流会流经开关控制器SW1 303。SW1 303实现方式有多种，例如通过MOS管，三极管实现，本发明中SW1设置为常通状态，所以此处亦可采用直接短接的方式，不做开关处理。电流控制电流源304,原边为流经SW1的电流，输出端为受控电流，该受控电流用于对电容充电并建立VC2电压。电容305，用于建立电压VC2，SW2 306开通时，电容放电，SW2 306关断时，电容充电。SW2 306，通过控制SW2开通时间达到VC2稳态周期平衡,实现方式有多种，例如通过MOS管，三极管实现；限流电阻307，用于设置SW2开通时VC2的放电电流。

反馈控制部分对变换器输出直流电压进行采样，采样后电压与参考基准电压Vref进行做差，并经过误差放大器进行误差放大，经由220环路补偿环节产生第一级补偿电压VC1。二次整定单元中，SW1处于常开状态，环路补偿环节输出电压VC1乘k除以限流电阻302计算得到受控电流源控制电流值，受控电流源与控制电流之间存在固定比例关系，这里假设比例为1(也可设定其他比例常数)，受控电流与控制电流大小相同。

本发明的二次整定原理具体为：

定义主电路开关管驱动信号为DRV，DRV为高的时间对应ton，此阶段电感电流升高；DRV_FW对应主电路续流开关管续流信号，DRV_FW为高的时间对应为tDemag，此阶段电感电流降低。

SW1直通，SW2跟随DRV、DRV_FW的逻辑取或，根据VC1，电压跟随器，电流设定电阻可计算得到流过SW1的电流，此电流为电流控制电流源环节控制电流大小。SW2关断，受控电流对电容305充电，VC2电压升高，SW2开通时，电容305和受控电流通过SW2放电，VC2电压下降。

电容在一个稳态周期中平均电流为零，VC2除以限流电阻307可以近似计算出流经SW2的平均电流。通过SW2平均电流与受控电流相等可以求得VC2与控制电流之间的关系，VC2除以限流电阻307乘SW2开通时间再除以周期时间ts等于控制电流大小(即VC1乘k除以电阻302得到的电流值)。

VC2作用于逻辑控制单元中的PWM Generator模块，与导通时间ton之间存在比例关系，ton等于比例因数a乘VC2。进而可以得到ton与VC1之间关系，令两个限流电阻(302和307)相等，ton等于a乘VC1乘k乘周期时间ts再除以SW2开通时间ton+tDemag。对于两个限流电阻不相等的情况，本发明中阐述的逻辑同样适用。

针对上述方案，典型控制时序图如图5所示，DRV为开关管驱动信号，I_L为电感电流信号，SW1为二次整定电路中SW1控制信号，SW2为二次整定电路中SW2控制信号，VC1是环路补偿单元输出信号，VC2为二次整定电路输出信号。

t0～t1，主电路开关管开通，电感电流上升，t1～t2期间，开关管关断，电感电流下降，t0～t2期间，SW2开通。t2～t3阶段对应电感电流断续阶段，t2～t3为零的情况对应CRM工况，分发明的分析同样成立。t3～t6为下一个开关周期，重复该过程。在每个周期中均可建立ton与VC1的对应关系。

电路处于稳态时，VC1为稳定值，受控电流源电流为一恒定值，SW2断开时，受控电流I全部用于对电容305进行充电，设定该充电时间为PFC电感电流断续时间tDCM，DRV为高或DRV_FW为高时，开启SW2后，电容305和受控电流I一起通过SW2和限流电阻307泄放电荷。平衡状态下，在一个周期中电容的平均充电电流为零，流过SW2支路的平均电流可以由受控电流源的大小计算得到。

PFC DCM模式下周期由三部分构成，ton：电感电流上升阶段；tDemag：电感电流下降阶段；tDCM：电感电流断续阶段。SW2工作时间为ton加tDemag，受控电流源的值乘工作周期ts除以SW2开通时间计算得到流过SW2的平均电流。另外根据周期平均，VC2除以限流电阻307可以近似计算出流经SW2的平均电流。通过SW2平均电流相等可以求得VC2与控制电流之间的关系，VC2除以限流电阻307乘SW2开通时间再除以周期时间等于控制电流大小(即VC1乘系数k除以限流电阻302得到的电流值)。VC2作用于逻辑控制单元中的PWM Generator模块，与导通时间ton之间存在比例关系，ton等于比例因数a乘VC2。进而可以得到ton与VC1之间关系，ton等于a乘VC1乘k乘周期时间ts再除以SW2开通时间ton+tDemag。

Boost电感电流峰值等于输入电压乘ton除以电感量，电流峰值乘ton加tDemag的和(即SW2开通时间)再除以周期时间等于该周期的平均电流i_ave。设输入电压有效值为Vin_rms,输入电压有效值乘电流有效值可计算得到等效输入功率。Pin可通过ton时间乘SW2开通时间除以周期时间相关的表达式进行表达。综合上述信息，将ton与VC1的等效关系带入Pin计算中并进行简化可以得到输入功率Pin和VC1之间的关系。稳态情况下，输入功率仅与输入电压相关。

单位功率因数实现：

PFC平均电流亦可通过VC1来表达，平均电流等于峰值电流除以2乘常数因子a乘VC1乘k。对于固定AC输入电压，通过二次整定电路使VC1为定值，每个周期的平均电流仅与输入电压相关，可达到单位功率因数的效果。

当然，二次整定不限于Boost，该思路也可用于Flyback、Buck、Buck-Boost等拓扑。

基于本发明优化后的输入电流波形如图6，第一个波形610是输入电流波形，第二个波形602是输入电压，电流与电压同相位呈正弦形状并跟随输入电压变化，实际仿真测试使用该发明功率因数可达到0.9724。

Claims (3)

1.一种交流-直流转换器，包括：整流桥、滤波电容、电感、开关电路、续流开关管、反馈控制电路、环路补偿电路、逻辑控制电路和驱动电路；

所述整流桥连接交流-直流转换器的输入侧，将输入的交流电压整流为直流电压；

所述滤波电容连接在整流桥的输出端和地之间，电感的一端连接整流桥的输出端和滤波电容，另一端连接续流开关管的正端，续流开关管的负端为交流-直流转换器的输出端；

所述开关电路的一端连接在电感和续流二极管之间，另一端接地，用于控制交流-直流转换器的输出；

所述反馈控制电路连接交流-直流转换器的输出端，用于对输出直流电压进行采样，比较采样电压与参考电压误差，并对误差进行放大产生误差放大信号；

所述环路补偿电路连接反馈控制电路的输出，用于对误差放大信号进行补偿产生补偿电压；

所述驱动电路连接逻辑控制电路的输出，驱动电路的输出用于控制开关电路；

其特征在于，还包括二次整定电路；所述二次整定电路连接在环路补偿电路和逻辑控制电路之间，用于根据主电路电感电流工作状态对补偿电压进行整定，得到二次整定电路输出信号及开关电路开通时间ton与补偿电压之间的关系，实现单位功率因数校正的目的。

2.根据权利要求1所述的一种交流-直流转换器，其特征在于，所述二次整定电路包括电压跟随器、第一电阻、第二电阻、第一开关、第二开关、电流控制电流源和电容；其中电压跟随器的输入为补偿电压，电压跟随器的输出依次通过第一电阻和第一开关后接电流控制电流源的原边，电流控制电流源的受控输出端接电容的一端、第二开关的一端和逻辑控制电路的输入；第二开关的另一端通过第二电阻后接地；其中电流控制电流源、电容、第二开关的连接点为二次整定电路的输出端。

3.用于如权利要求2所述的一种交流-直流转换器的控制方法，其特征在于：定义开关电路驱动信号为DRV，DRV为高的时间为ton，在ton时间内电感电流升高，续流开关管的续流信号为DRV_FW，DRV_FW为高的时间为tDemag，在tDemag时间内电感电流下降，同时定义DRV和DRV_FW均为低的时间为tDCM，tDCM为电感电流断续时间；则控制方法为：

令第一开关直通，第二开关的导通信号为DRV和DRV_FW的逻辑或，使得在电感电流升高和电感电流下降的时间内第二开关导通，即第二开关的导通时间为ton+tDemag，在第二开关导通时，电流控制电流源和电容通过第二电阻放电，而在第二开关关断的时候，即在tDCM时间内，电流控制电流源对电容充电。

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