CN115864815A - 基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器 - Google Patents

Abstract

基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，主要包括开关管S₁~S₃，二极管D₁~D₄，电感L₁~L₅，电容C₁、C₂和C_o。其中，二极管D₃、D₄，电容C₂以及电感L₄、L₅构成开关电感电容结构。所述变换器电压增益为D/2(1‑D)，相比于传统Sepic PFC变换器，本发明所述变换器提高了降压增益，在高降压比情况下输出端电压稳定。采用无桥结构，可实现更低通态损耗。将原输出二极管置换为开关电感电容结构使得输出电流连续，有利于对输出进行滤波。且所有开关管均共地，控制实现方便。本发明所述变换器具有丰富的实用价值。

Description

基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体是一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器。

背景技术

随着消费电子产品和电动车市场的急速膨胀，对于各类电源适配器的需求也迅猛增长。由于电源适配器通常需要满足全电压范围(AC 85～265V)输入，低直流电压输出，较宽的输入电压范围使得变换器的优化设计困难。为了设计简单，一般采用由前级PFC和后级DC-DC的两级式电路组成。但这种两级式电路效率并不高。

传统Sepic PFC变换器能轻易地实现升降压功能，适合宽输入电压范围。是电源适配器中广泛采用的拓扑之一。较上述拓扑采用的二级式结构，Sepic PFC变换器大大减少了元器件数量，且其输入端有电感，输入电流连续，提高了变换器的效率和功率因数以及减小总谐波失真度，并减少导通损耗。但要其实现高降压比时，开关器件的导通比会很低，开关管的反向恢复问题严重使得效率降低，加之开关器件自身固有的开断延时特性，限制了变换器工作频率的提高。因此，需要设计一种能够解决上述问题的电路。

发明内容

为解决现有Sepic PFC存在整流桥导致效率不高、输出电流不连续、降压模式下占空比范围不大的问题。本发明提出一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，将原Sepic PFC变换器中输出二极管置换为一个包含5个元件的开关电感电容单元。相比于传统Sepic PFC变换器，本发明变换器提高了降压增益，在高降压比情况下输出端电压稳定。

本发明采取的技术方案为：

基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，包括交流电源u_s，开关管S₁～S₃，二极管D₁～D₄，电感L₁～L₅，电容C₁、C₂、C_o，

交流电源u_s一侧分别连接开关管S₃漏极、电感L₁一端，电感L₁另一端连接二极管D₁阳极；

交流电源u_s另一侧分别连接开关管S₂漏极、电感L₂一端，电感L₂另一端连接二极管D₂阳极；

电容C₁正极分别连接二极管D₁阴极、二极管D₂阴极、开关管S₁漏极；

电感L₃的一端分别连接电容C₁负极、二极管D₃阳极、电感L₄的一端；

电感L₃的另一端分别连接开关管S₁源极、开关管S₂源极、开关管S₃源极、输出电容C_o负极；

电感L₄的另一端分别连接电容C₂负极、二极管D₄阳极；

电容C₂正极分别连接二极管D₃阴极、电感L₅一端；电感L₅另一端分别连接二极管D₄阴极、输出电容C_o正极；

输出电容C_o与负载R_L并联。

所述变换器中，电容C₂，电感L₄、L₅，二极管D₃、D₄构成开关电感电容单元。

所述变换器中，开关管S₁、S₂、S₃共地，且功率开关管S₁、S₂、S₃为绝缘栅型双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。

所述变换器电压增益为D/2(1-D)。

所述变换器在CCM模式有以下四种工作模式：

工作模态一：电路工作在交流电源u_s正半周期，开关管S₁和S₂开通，开关管S₃关断。二极管D₁正偏导通，其余二极管均反向截止。此过程交流电源u_s给电感L₁充电，电容C₁放电给电感L₃充电，电感L₁、L₃电流线性上升。电感L₄和L₅经电容C₂向输出电容C_o和负载放电，电感L₄和L₅电流线性下降。

工作模态二：电路工作在交流电源u_s正半周期，开关管S₂开通，开关管S₁、S₃关断。二极管D₁、D₃、D₄正偏导通，其余二极管均反向截止。此过程电容C₁、C₂被充电，电感L₁、L₃向电感L₄、L₅、负载和输出电容C_o放电。

工作模态三：此时电路工作在交流电源u_s负半周期，开关管S₁和S₃开通，开关管S₂关断。二极管D₂正偏导通，其余二极管均反向截止。此过程交流电源u_s给电感L₂充电，电容C₁放电给电感L₃充电，电感L₂、L₃电流线性上升。电感L₄和L₅经电容C₂向输出电容C_o和负载放电，电感L₄和L₅电流线性下降。

工作模态四：电路工作在交流电源u_s负半周期，开关管S₃开通，开关管S₁、S₂关断。二极管D₂、D₃、D₄正偏导通，其余二极管均反向截止。此过程电容C₁、C₂被充电，电感L₂、L₃向电感L₄、L₅、负载和输出电容C_o放电。

本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，技术效果如下：

1)相较于传统Sepic PFC变换器电压增益为M＝D/(1-D)，本发明所述变换器的降压增益高一倍，为M＝D/2(1-D)。降压模式下，原Sepic PFC变换器占空比范围由0～0.5扩展至0～0.67。高降压比情况下，本发明所述变换器占空比更大，有利于解决开关管的反向恢复问题、减小电流应力和提高效率。

2)本发明所述变换器引入开关电感电容单元，使得输入电源电流和输出负载电流都连续，且脉动较小，有利于对输入和输出进行滤波、提高功率因数。

3)本发明所述变换器所有开关管均共地，使用非隔离驱动电路驱动开关管即可，有利于减小变换器设计难度和降低成本。

4)本发明所述变换器是单极式结构，相较于两级式变换器结构，提高了转换效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器主拓扑结构图。

图2为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器第一种工作模态示意图。

图3为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器第二种工作模态示意图。

图4为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器第三种工作模态示意图。

图5为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器第四种工作模态示意图。

图6为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器稳态关键波形图。

图7为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器与传统Sepic PFC变换器的电压增益对比示意图。

图8为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器稳态情况下输入侧电压电流波形图。

图9为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器稳态情况下输出侧电压电流波形图。

具体实施方式

如图1所示，基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，包括开关管S₁～S₃，二极管D₁～D₄，电感L₁～L₅，电容C₁、C₂、C_o；

所述变换器电感L₄、L₅，电容C₂，二极管D₃、D₄组成开关电感电容单元；

交流电源u_s一侧分别连接开关管S₃漏极、电感L₁一端，电感L₁另一端连接二极管D₁阳极；交流电源u_s另一侧分别连接开关管S₂漏极、电感L₂一端，电感L₂另一端连接二极管D₂阳极；

电容C₁正极分别连接二极管D₁、D₂阴极与开关管S₁漏极；

电感L₃的一端分别连接电容C₁负极、二极管D₃阳极、电感L₄的一端，电感L₃的另一端与开关管S₁、S₂、S₃源极和输出电容C_o负极相连；

电感L₄的另一端分别连接电容C₂负极、二极管D₄阳极；

电容C₂正极与二极管D₃阴极、电感L₅一端相连；

电感L₅另一端与二极管D₄阴极、输出电容C_o正极相连；

输出电容C_o与负载R_L并联。

线路具体参数如下：变换器输入交流电压有效值为220V，频率为50Hz，开关频率为75kHz，额定输出功率为180W，直流侧输出电压V_o＝48V，电感L₁＝L₂＝2mH、L₃＝47uH、L₄＝L₅＝22uH，直流输出侧电容C_o＝2000μF，电容C₁＝2μF、C₂＝63μF，负载电阻R_L＝12.8Ω。

本发明基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，在CCM模式稳态运行下，包括以下工作模式：

工作模态一：如图2所示，此时电路工作在交流电源u_s正半周期，开关管S₁和S₂开通，二极管D₁正偏导通，其余半导体器件均关断。此过程电源给电感L₁充电，电容C₁给电感L₃充电，电感L₄和L₅经电容C₂向输出电容C_o和负载放电。此过程对应图6中(0～t₁)时刻，此过程的电感两端的电压关系式为：

其中，V_C1和V_C2分别是电容C₁和电容C₂的电压应力、V_S1是开关管S₁的电压应力、V_g是开关管S₁的驱动信号。并假设所有器件均是理想状态，二极管导通压降为零，电容容量足够大且无等效串联电阻，电感不含直流电阻。

工作模态二：如图3所示，电路工作在交流电源u_s正半周期，开关管S₂开通，二极管D₁、D₃、D₄正偏导通，其余半导体器件均关断。此过程电容C₁、C₂被充电，电感L₁、L₃向L₄、L₅、负载和输出电容C_o放电。此过程对应图6中(t₁～t₂)时刻，此过程的电感两端的电压关系式为：

工作模态三：如图4所示，此时电路工作在交流电源u_s负半周期，开关管S₁和S₃开通，二极管D₂正偏导通，其余半导体器件均关断。此过程电源给电感L₂充电，电容C₁给电感L₃充电，电感L₄和L₅经电容C₂向输出电容C_o和负载放电。此过程对应图6中(0～t₁)时刻，此过程的电感两端的电压关系式为：

工作模态四：如图5所示，电路工作在交流电源u_s负半周期，开关管S₃开通，二极管D₂、D₃、D₄正偏导通，其余半导体器件均关断。此过程电容C₁、C₂被充电，电感L₂、L₃向L₄、L₅、负载和输出电容C_o放电。此过程对应图6中(t₁～t₂)时刻，此过程的电感两端的电压关系式为：

变换器稳定工作时电压增益分析：

设开关管S₁工作的开关周期为T_S，占空比为D，即工作模态一持续时间为DT_S，工作模态二持续时间为(1-D)T_S。根据电感伏秒平衡特性，可得：

联立式(1)、(2)可得：

本发明所述变换器的电压增益为：

本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器的降压增益曲线如图7所示。通过图7可以看出，处于降压模式下，本发明所述变换器的占空比范围相比于传统SepicPFC变换器更宽。

图8为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器稳态情况下输入侧电压电流波形图。为了方便与电压波形进行比较，将输入电流实际值幅度放大30倍，不改变其相位。可以看出输入电压与输入电流同相位且波形无畸变，验证了功率因数校正的可行性。

图9为本发明一种基于开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器稳态情况下输出侧电压电流波形图。输出电压稳定在48V左右，输出电流波形连续。

相比于传统Sepic PFC变换器，本发明所述变换器提高了降压增益，在高降压比情况下输出端电压稳定。采用无桥结构，可实现更低通态损耗。将原输出二极管置换为开关电感电容结构使得输出电流连续，有利于对输出进行滤波。且所有开关管均共地，控制实现方便。本发明所述变换器具有丰富的实用价值。

Claims (5)

1.开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，包括交流电源u_s，开关管S₁～S₃，二极管D₁～D₄，电感L₁～L₅，电容C₁、C₂、C_o，其特征在于：

交流电源u_s一侧分别连接开关管S₃漏极、电感L₁一端，电感L₁另一端连接二极管D₁阳极；

交流电源u_s另一侧分别连接开关管S₂漏极、电感L₂一端，电感L₂另一端连接二极管D₂阳极；

电容C₁正极分别连接二极管D₁阴极、二极管D₂阴极、开关管S₁漏极；

电感L₃的一端分别连接电容C₁负极、二极管D₃阳极、电感L₄的一端；

电感L₃的另一端分别连接开关管S₁源极、开关管S₂源极、开关管S₃源极、输出电容C_o负极；

电感L₄的另一端分别连接电容C₂负极、二极管D₄阳极；

电容C₂正极分别连接二极管D₃阴极、电感L₅一端；电感L₅另一端分别连接二极管D₄阴极、输出电容C_o正极；

输出电容C_o与负载R_L并联。

2.根据权利要求1所述开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，其特征在于：所述变换器中，电容C₂，电感L₄、L₅，二极管D₃、D₄构成开关电感电容单元。

3.根据权利要求1所述开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，其特征在于：所述变换器中，开关管S₁、S₂、S₃共地，且功率开关管S₁、S₂、S₃为绝缘栅型双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。

4.根据权利要求1所述开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，其特征在于：所述变换器电压增益为D/2(1-D)。

5.根据权利要求1所述开关电感电容的无桥Sepic PFC变换器，其特征在于：所述变换器包含以下四种工作模式：

工作模态一：电路工作在交流电源u_s正半周期，开关管S₁和S₂开通，开关管S₃关断；二极管D₁正偏导通，其余二极管均反向截止；此过程交流电源u_s给电感L₁充电，电容C₁放电给电感L₃充电，电感L₁、L₃电流线性上升；电感L₄和L₅经电容C₂向输出电容C_o和负载放电，电感L₄和L₅电流线性下降；

工作模态二：电路工作在交流电源u_s正半周期，开关管S₂开通，开关管S₁、S₃关断；二极管D₁、D₃、D₄正偏导通，其余二极管均反向截止；此过程电容C₁、C₂被充电，电感L₁、L₃向电感L₄、L₅、负载和输出电容C_o放电；

工作模态三：此时电路工作在交流电源u_s负半周期，开关管S₁和S₃开通，开关管S₂关断；二极管D₂正偏导通，其余二极管均反向截止；此过程交流电源u_s给电感L₂充电，电容C₁放电给电感L₃充电，电感L₂、L₃电流线性上升；电感L₄和L₅经电容C₂向输出电容C_o和负载放电，电感L₄和L₅电流线性下降；

工作模态四：电路工作在交流电源u_s负半周期，开关管S₃开通，开关管S₁、S₂关断；二极管D₂、D₃、D₄正偏导通，其余二极管均反向截止；此过程电容C₁、C₂被充电，电感L₂、L₃向电感L₄、L₅、负载和输出电容C_o放电。

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