CN116404864B - 一种功率解耦升降压共地功率因数校正方法及拓扑结构 - Google Patents

一种功率解耦升降压共地功率因数校正方法及拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率解耦升降压共地功率因数校正方法及拓扑结构，属于电力电子技术领域，本发明解决了因抑制共模电压和泄露电流，导致设备体积增大，效率降低，成本增加的问题。本发明包括前级PFC、后级Buck和负载；前级PFC的输入和电网并联，后级Buck的输入嵌入前级PFC中，后级Buck的输出与负载并联。本发明在抑制共模电压和泄漏电流的同时有效减小系统体积，提高系统效率和可靠性，负载电压v o 相较于电网电压v g 可升可降，实现了升降压输出功能。

Description

一种功率解耦升降压共地功率因数校正方法及拓扑结构
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种功率解耦升降压共地功率因数校正方法及拓扑结构。
背景技术
随着电力电子技术快速发展，开关电源设备广泛应用于各个行业。与此同时，由大功率设备产生的谐波污染和低功率因数问题日趋严重。所产生的高次谐波电流不仅会严重降低电网的电能质量和传输效率，还会对接入电网中的其他设备的正常运行产生影响。功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)正是解决这一问题的有效方法。采用该技术能够有效减小电流波形失真，实现输入电压与电流同相，达到谐波畸变抑制效果，并获得高的功率因数，现已成为中大功率电子设备中的重要一环。
传统PFC只能升压或降压，为了适应宽负载电压，往往需要附加额外的DC-DC变换器，功率密度和效率更低；为了抑制输出侧功率脉动，传统PFC在负载侧并联大容量的电解电容，但是电解电容的寿命低，可靠性差，进而影响整个设备的使用寿命；另外，电网和负载之间的共模电压和泄露电流也给设备带来安全隐患，为了抑制共模电压和泄露电流，目前采用的方案是加入隔离变压器或者共模滤波器，但这两种方法均使设备体积更大，效率更低，成本也更高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种功率解耦升降压共地功率因数校正方法及拓扑结构，其目的在于：在抑制共模电压和泄漏电流的同时有效减小系统体积，提高系统效率和可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
一种功率解耦升降压共地拓扑结构，包括：前级PFC、后级Buck和负载；前级PFC的输入和电网并联，后级Buck的输入嵌入前级PFC中，后级Buck的输出与负载并联。
优选的，所述前级PFC包含第一电感L g , 第一二极管D 1，第一开关管S 1，第二开关管S 2，第三开关管S 3和第一电容C 1；所述第一电感L g 的一端与电网的火线相连，另一端分别与第一二极管D 1的阳极和第一开关管S 1的集电极相连；所述第一二极管D 1的阴极分别与第三开关管S 3的集电极和第一电容C 1的正极相连；第一开关管S 1的发射极分别与第二开关管S 2的发射极和第一电容C 1的负极相连。
优选的，所述后级Buck包含第二二极管D 2，第二电感L o 和第二电容C o ；所述第二二极管D 2的阴极分别与第二电感L o 的一端和第三开关管S 3的发射极相连；所述第二二极管D 2的阳极分别与电网的零线N，第二电容C o 的负极，第二开关管S 2的集电极和负载的负极相连；所述第二电感L o 的另一端分别与第二电容C o 的正极和负载的正极相连。
一种功率解耦升降压共地拓扑结构的功率因数校正方法：
电网和前级PFC的输入并联，后级Buck的输入嵌入前级PFC中，后级Buck的输出与负载并联；
当电网电压v g 为正半周期时，一个开关周期包含三个阶段，第一阶段为第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3导通，第二阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断，第三阶段，第一开关管S 1关断，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断；
当电网电压v g 为负半周期时，一个开关周期包含三个阶段，第一阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3导通，第二阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断，第三阶段，第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断。
优选的，电网中的脉动功率存储在第一电容C 1中，后级Buck的输出电压无脉动。
优选的，第一电容C 1的电压高于电网电压v g 和负载电压v o 。
优选的，负载电压v o 相较于电网电压v g 可升、降。
进一步地，第一电容C 1和第二C o 均为薄膜电容。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
1、本发明无需附加DC-DC变换器，能够实现宽负载电压输出，适配更多电压等级的直流负载，功率密度更高，具备更高的经济效益；
2、本发明无需附加功率解耦电路，将电网的脉动功率存储在薄膜电容中，使负载电压无脉动，结构紧凑，效率更高。相较于电解电容而言，薄膜电容的寿命更长，可靠性更高；
3、本发明无需采用笨重的隔离变压器和共模滤波器，将电网的零线和负载的负极连接在一起，完全消除共模电压和泄露电流，体积更小，成本更低。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的PFC拓扑结构示意图；
图2为本发明的PFC的工作模态一；
图3为本发明的PFC的工作模态二；
图4为本发明的PFC的工作模态三；
图5为本发明的PFC的工作模态四；
图6为本发明的PFC的工作模态五；
图7为本发明的PFC的工作模态六；
图8为本发明的PFC的负载电压v o 为72V时的仿真波形图；
图9为本发明的PFC的负载电压v o 为120V时的仿真波形图；
图10为本发明的PFC的负载电压v o 为200V时的仿真波形图。
实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合图1-图10对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明提供一种功率解耦升降压共地拓扑结构，包括：前级PFC、后级Buck和负载；前级PFC的输入和电网并联，后级Buck的输入嵌入前级PFC中，后级Buck的输出与负载并联。
其中，前级PFC包含第一电感L g , 第一二极管D 1，第一开关管S 1，第二开关管S 2，第三开关管S 3和第一电容C 1；所述第一电感L g 的一端与电网的火线相连，另一端分别与第一二极管D 1的阳极和第一开关管S 1的集电极相连；所述第一二极管D 1的阴极分别与第三开关管S 3的集电极和第一电容C 1的正极相连；第一开关管S 1的发射极分别与第二开关管S 2的发射极和第一电容C 1的负极相连。
其中，后级Buck包含第二二极管D 2，第二电感L o 和第二电容C o ；所述第二二极管D 2的阴极分别与第二电感L o 的一端和第三开关管S 3的发射极相连；所述第二二极管D 2的阳极分别与电网的零线N，第二电容C o 的负极，第二开关管S 2的集电极和负载的负极相连；所述第二电感L o 的另一端分别与第二电容C o 的正极和负载的正极相连。
当电网电压v g 为正半周期时，一个开关周期包含三个阶段，第一阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3导通，第二阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断，第三阶段，第一开关管S 1关断，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断。
当电网电压v g 为负半周期时，一个开关周期包含三个阶段，第一阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3导通，第二阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断，第三阶段，第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断。
其中，电网中的脉动功率存储在第一电容C 1中，后级Buck的输出电压无脉动，第一电容C 1和第二C o 均为薄膜电容。
其中，第一电容C 1的电压高于电网电压v g 和负载电压v o ，负载电压v o 相较于电网电压v g 可升可降，负载与电网之间的泄露电流完全消除。
按工作原理分析，本发明的一个工作周期共有六种工作模态：
工作模态一：当电网电压v g 为正半周期的第一阶段时，工作模态如图2所示，第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3导通；电网，第一电感L g ，第一开关管S 1和第二开关管S 2构成回路，第一电感L g 储能；第二开关管S 2，第一电容C 1，第三开关管S 3，第二电感L o ，第二电容C o 和负载构成回路，第一电容C 1放能，第二电感L o 储能，第一电容C 1和第二电感L o 共同向第二电容C o 和负载提供能量。
工作模态二：当电网电压v g 为正半周期的第二阶段时，工作模态如图3所示，第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断；电网，第一电感L g ，第一开关管S 1和第二开关管S 2构成回路，第一电感L g 储能；第二二极管D 2，第二电感L o ，第二电容C o 和负载构成回路，第二电感L o 给第二电容C o 和负载提供能量。
工作模态三：当电网电压v g 为正半周期的第三阶段时，工作模态如图4所示，第一开关管S 1关断，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断；电网，第一电感L g ，第一二极管D 1，第一电容C 1和第二开关管S 2构成回路，第一电感L g 放能，第一电容C 1储能；第二二极管D 2，第二电感L o ，第二电容C o 和负载构成回路，第二电感L o 给第二电容C o 和负载提供能量。
工作模态四：当电网电压v g 为负半周期的第一阶段时，工作模态如图5所示，工作模态四和工作模态一构成的回路一致，只是第一电感L g 的电流方向是相反的，电感和电容的充放电过程是一致的。
工作模态五：当电网电压v g 为负半周期的第二阶段时，工作模态如图6所示，工作模态五和工作模态二构成的回路一致，只是第一电感L g 的电流方向是相反的，电感和电容的充放电过程是一致的。
工作模态六：当电网电压v g 为负半周期的第三阶段时，工作模态如图7所示，第一开关管S 1导通，第二开关管S 2关断和第三开关管S 3导通；电网，第一电感L g ，第一开关管S 1，第一电容C 1，第三开关管S 3和第二二极管D 2构成回路，第一电感L g 放能，第一电容C 1储能；第二二极管D 2，第二电感L o ，第二电容C o 和负载构成回路，第二电感L o 给第二电容C o 和负载提供能量。
图8，图9和图10分别表示负载电压v o 为72V、120V、200V时，电网电压v g 、电网电流i g 、第一电容电压v c 和负载电压v o 的仿真波形；仿真结果表明，负载电压v o 相较于电网电压v g 可升、降，实现了升降压输出功能，第一电容电压v c 的波动峰峰值约为120V，负载电压v o 的波动可以忽略不计，实现了功率解耦功能，在负载电压v o 从70V~200V变化时，电网电流i g 的谐波畸变率THD始终低于4%，功率因素高于0.99，符合国家并网标准。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种功率解耦升降压共地拓扑结构，其特征在于，包括：前级PFC、后级Buck和负载；前级PFC的输入和电网并联，后级Buck的输入嵌入前级PFC中，后级Buck的输出与负载并联；
所述前级PFC包含第一电感L g , 第一二极管D 1，第一开关管S 1，第二开关管S 2，第三开关管S 3和第一电容C 1；所述第一电感L g 的一端与电网的火线相连，另一端分别与第一二极管D 1的阳极和第一开关管S 1的集电极相连；所述第一二极管D 1的阴极分别与第三开关管S 3的集电极和第一电容C 1的正极相连；第一开关管S 1的发射极分别与第二开关管S 2的发射极和第一电容C 1的负极相连；
所述后级Buck包含第二二极管D 2，第二电感L o 和第二电容C o ；所述第二二极管D 2的阴极分别与第二电感L o 的一端和第三开关管S 3的发射极相连；所述第二二极管D 2的阳极分别与电网的零线N，第二电容C o 的负极，第二开关管S 2的集电极和负载的负极相连；所述第二电感L o 的另一端分别与第二电容C o 的正极和负载的正极相连。
2.根据权利要求1所述的一种功率解耦升降压共地拓扑结构，其特征在于，第一电容C 1和第二C o 均为薄膜电容。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的功率解耦升降压共地拓扑结构的功率因数校正方法，其特征在于：
功率解耦升降压共地拓扑结构电网和前级PFC的输入并联，后级Buck的输入嵌入前级PFC中，后级Buck的输出与负载并联；
当电网电压v g 为正半周期时，一个开关周期包含三个阶段，第一阶段为第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3导通，第二阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断，第三阶段，第一开关管S 1关断，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断；
当电网电压v g 为负半周期时，一个开关周期包含三个阶段，第一阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3导通，第二阶段第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断，第三阶段，第一开关管S 1导通，第二开关管S 2导通和第三开关管S 3关断。
4.根据权利要求3所述的一种功率解耦升降压共地拓扑结构的功率因数校正方法，其特征在于，电网中的脉动功率存储在第一电容C 1中，后级Buck的输出电压无脉动。
5.根据权利要求3所述的一种功率解耦升降压共地拓扑结构的功率因数校正方法，其特征在于，第一电容C 1的电压高于电网电压v g 和负载电压v o 。
6.根据权利要求3所述的一种功率解耦升降压共地拓扑结构的功率因数校正方法，其特征在于，负载电压v o 相较于电网电压v g 可升、降。
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