CN116722734A - 基于降压与升降压变换单元的无桥降压型pfc变换器 - Google Patents

基于降压与升降压变换单元的无桥降压型pfc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，属于PFC变换器领域；基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，包括Buck变换单元和Buck‑boost变换单元；开关管S1、输出电感L1、续流二极管D1组成Buck变换单元，与输出电容C1、输出电容C2、限流二极管D4，实现交流输入正半周期内的电能变换；开关管S2、输出电感L2、续流二极管D2组成Buck‑boost变换单元，与输出电容C1、输出电容C2、限流二极管D3，实现交流输入负半周期内的电能变换；本发明通过Buck变换单元和Buck‑boost变换单元，用于PFC变换器实现正、负双极性的交流输入，单极性直流输出。

Description

基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器
技术领域
本发明涉及PFC变换器领域，更具体地说，基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器。
背景技术
全球绝大部分电网提供的均为交流电，因此直流负载设备均需要对交流输入进行交直流电能变换，即将交流输入整流为直流电输出。传统整流方式多使用半控器件或不控器件，会造成输入电流很大畸变，产生无功功率以及谐波污染问题。为解决无功及谐波问题，需要采用功率因数校正(power factorcorrection, PFC)技术，将畸变电流校正为正弦电流以降低电流的总谐波含量(total harmonic distortion of current, THDi)，并使电网电流与电压同相位，从而使功率因数(PF)接近于1。
PFC变换器是以buck、buck-boost、boost等拓扑为基础构成的能实现功率因数校正的变换器。为适应LED驱动电源、48V或20V电池组充电器、笔记本电脑适配器等低压要求，降压型(Buck) PFC得到较多应用，其后级降压变换器的器件耐压要求低、成本更低，具有明显的低开关管导通优势，特别适用于低压输出应用领域。
但是Buck变换单元只能工作在输入电压高于输出电压场景下，当BuckPFC变换器的交流输入电压低于输出电压时，变换器输入电流为零，即BuckPFC变换器存在输入电流死区。这种因Buck变换器单元固有工作特性导致的输入电流死区，将降低变换器PF值、抬升THDi值，限制了Buck PFC变换器在大功率场合的应用。同时，传统的PFC 变换器通常以二极管整流电路为前级，将交流电转变为直流电。随着功率等级的提高，整流桥二极管的损耗变大，无桥(bridgeless) PFC拓扑得到了更多关注。
现有无桥降压型(bridgeless Buck) PFC是主要适用于中小功率场合的降压型PFC变换器，这种拓扑去除了交流(AC)输入端的二极管整流桥，减少了传统Buck PFC变换器二极管整流桥的导通损耗，提高了变换器整体效率。
现有无桥Buck PFC拓扑如图1所示。输入电流iin在正半周期内，主要通过二极管D3、开关管S1、输出电感L1、输出电容C1实现功率因数校正；在负半周期，主要通过输出电容C2、输出电感L2、开关管S2、二极管D4实现功率因数校正。通过控制开关管S1和S2的通断，使输入电流iin与自动跟随输入电压vin的相位，实现PFC功能，同时输出电容C1和C2保证输出Vo直流电压供负载使用。
但是现有无桥Buck PFC变换器和传统Buck PFC变换器一样，存在输入电流死区，图2给出了现有无桥Buck PFC变换器在交流输入正半工频周期内的输入电流死区现象。这是因为Buck 变换单元只能工作在电压降压阶段，在正半周期，当输入电压vin高于输出电容电压vc1时，开关管S1才有电流通过；当输入电压vin低于输出电容电压vc1时，尽管开关管S1导通，但是无输入电流通过开关管。
这种由Buck变换单元固有特性导致的输入电流死区现象会降低变换器的效率(输入电流峰值更大，通流损耗更大)，同时也导致变换器高THDi值和低PF值，限制了变换器的应用场合。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
本发明的目的是提供基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，以解决上述背景技术中提出的问题，即现有无桥Buck PFC变换器存在输入电流死区，会降低变换器的效率，同时也导致变换器高THDi值和低PF值，限制了变换器的应用场合。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，包括Buck变换单元和Buck-boost变换单元；
所述Buck变换单元，用于交流输入正半周期内的电能变换；
所述Buck-boost变换单元，用于交流输入负半周期内的电能变换；
所述Buck变换单元和Buck-boost变换单元，用于PFC变换器实现正、负双极性的交流输入，单极性直流输出。
优选地，包括开关管S1、开关管S2，续流二极管D1、续流二极管D2，限流二极管D3、限流二极管D4，输出电容C1和输出电容C2。
优选地，所述开关管S1、输出电感L1和续流二极管D1组成Buck单元；所述开关管S2、输出电感L2和续流二极管D2组成Buck-boost单元。
优选地，交流输入侧的一端与开关管S1的漏极、限流二极管D3的阴极连接，交流输入侧的另一端与开关管S2的漏极、限流二极管D4的阴极相连；
所述开关管S1的源极分别与续流二极管D1的阴极、输出电感L1的一端连接，输出电感L1的另一端与输出电容C1的正极、负载的正极相连；
所述开关管S2的源极分别与续流二极管D2的阴极连接、输出电感L2的一端连接，输出电感L2的另一端与输出电容C2的正极、续流二极管D1的阳极、限流二极管D3的阳极、限流二极管D4的阳极相连；
输出电容C1的负极与输出电容C2的正极相连；输出电容C2的负极与负载的负极、续流二极管D2的阳极相连。
优选地，所述开关管S1、输出电感L1和续流二极管D1组成Buck-boost单元；所述开关管S2、输出电感L2和续流二极管D2组成Buck单元。
优选地，交流输入侧的一端与开关管S1的源极、限流二极管D3的阳极连接，交流输入侧的另一端与开关管S2的源极、限流二极管D4的阳极相连；
所述开关管S1的漏极分别与续流二极管D1的阳极、输出电感L1的一端连接，续流二极管D1的阴极与输出电容C1的正极、负载的正极相连；
所述开关管S2的漏极分别与续流二极管D2的阳极连接、输出电感L2的一端连接，续流二极管D2的阴极与输出电感L1的另一端、输出电容C2的正极、限流二极管D3的阴极、限流二极管D4的阴极相连；
输出电容C1的负极与输出电容C2的正极相连；输出电容C2的负极与负载的负极、输出电感L2的另一端相连。
基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，其控制方法包括：
工作模态1：开关管S1和开关管S2处于导通状态，输入端向Buck单元中输出电感充能并向输出电容C1和负载供能，输出电容C2向外放电，Buck单元中输出电感的电感电流线性上升，Buck单元中开关管的电流与该电感电流的幅值相同，方向相同；
工作模态2：开关管S1和开关管S2关断，Buck单元中续流二极管导通，存储于Buck单元中输出电感的能量向负载端供能，输出电容C2保持向外放电，Buck单元中输出电感的电感电流线性下降；
工作模态3：开关管S1和开关管S2关断，Buck单元中输出电感的电感电流下降到0，Buck单元中续流二极管关断，输出电容C1和输出电容C2向负载端供能；
工作模态4：开关管S1和开关管S2处于导通状态，输入端经过Buck-boost单元中开关管向Buck-boost单元中输出电感充能，Buck-boost单元中输出电感的电感电流线性上升，Buck-boost单元中开关管的电流与输出电感的电感电流的幅值相同，方向相同；输出电容C1和输出电容C2为负载供能；
工作模态5：开关管S1和开关管S2关断，Buck -boost单元中续流二极管导通，存储于Buck-boost单元中输出电感的能量向负载端供能、输出电容C2供能，输出电容C1保持向负载放电，Buck-boost单元中输出电感的电感电流线性下降；
工作模态6：开关管S1和开关管S2关断，Buck-boost单元中输出电感的电感电流下降到0，Buck -boost单元中续流二极管关断，输出电容C1和输出电容C2向负载端供能。
有益效果：
本发明所述的基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，相比于现有无桥Buck PFC变换器，本发明的优点在于：
(1)、本发明中输入电压vin负半周期通路使用Buck -boost单元，消除了负半周期的电流死区，使得变换器相较于现有无桥Buck PFC变换器具有更高PF和低THDi。
(2)、本发明中变换器可以通过单电压环控制，实现PFC功能与输出电压调节，并且可以用相同的驱动信号控制两个开关管，极大地简化了控制电路。
附图说明
图1为背景技术中现有无桥Buck PFC变换器拓扑图；
图2为背景技术中现有无桥Buck PFC变换器在交流输入半个工频周期内输入电压、电流波形图；
图3为为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器拓扑图；
图4为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入正半周期的工作模态1等效电路图；
图5为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入正半周期的工作模态2等效电路图；
图6为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入正半周期的工作模态3等效电路图；
图7为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入负半周期的工作模态4等效电路图；
图8为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入负半周期的工作模态5等效电路图；
图9为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入负半周期的工作模态6等效电路图；
图10为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入正半周期Buck变换单元在一个开关周期内的关键器件波形图；
图11为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器在交流输入负半周期Buck -boost变换单元在一个开关周期内的关键器件波形图；
图12为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器的控制实现原理图；
图13为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器的驱动信号图；
图14为本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器的PSIM仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
参阅图3，图3为本发明提出的能减少输入电流死区的无桥降压型PFC变换器拓扑，其中图3(a)与图3(b)所示为明显的对称拓扑结构并且两者的性能一致，因此，本实施例在以下内容中，以图3(a)拓扑为例进行说明。
图3给出了本发明PFC变换器拓扑，基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器包括开关管S1、开关管S2，续流二极管D1、续流二极管D2，限流二极管D3、限流二极管D4，输出电容C1和输出电容C2，输出电感L1、输出电感L2。由于Buck变换单元与Buck -boost变换单元均只能处理单极性的输入，因此为实现双极性交流电能变换为单极性直流电输出，分别配置两路变换单元实现正、负双极性的交流输入，单极性直流输出。
图3(a)中，开关管S1、输出电感L1、续流二极管D1为Buck变换单元(降压变换单元)，与输出电容C1和输出电容C2、限流二极管D4，实现交流输入正半周期内的电能变换。由于交流输入正半周期仍然使用了Buck变换单元，因此当输入电压vin小于输出电压Vo时，Buck变换单元无法实现降压变换，导致该阶段输入电流仍然存在死区。
图3(a)中，开关管S2、输出电感L2、续流二极管D2为Buck-boost变换单元(升降压变换单元)，与输出电容C1和输出电容C2、限流二极管D3，实现交流输入负半周期内的电能变换。由于该阶段使用了Buck-boost变换单元，因此输入电流不再由于输入电压与输出电压的大小关系而存在死区。
本实施例具体地，交流输入侧的一端与开关管S1的漏极、限流二极管D3的阴极连接，交流输入侧的另一端与开关管S2的漏极、限流二极管D4的阴极相连；开关管S1的源极分别与续流二极管D1的阴极、输出电感L1的一端连接，输出电感L1的另一端与输出电容C1的正极、负载的正极相连；开关管S2的源极分别与续流二极管D2的阴极连接、输出电感L2的一端连接，输出电感L2的另一端与输出电容C2的正极、续流二极管D1的阳极、限流二极管D3的阳极、限流二极管D4的阳极相连；输出电容C1的负极与输出电容C2正极相连；输出电容C2负极与负载负极、续流二极管D2的阳极相连。
注意，当变换器工作在电感电流断续导电模式(discontinue conduction mode，DCM)时，与其他类型PFC变换器一样，该变换器需要配置差模(differential mode, DM)电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)滤波器，为说明本发明关键部分，本发明并未在此给出。
参阅图12-13，由于本发明的无桥Buck型变换器拓扑中限流二极管的存在，输入电压不会因两个开关管同时导通而短路，两个开关管可用同一驱动，简化了电路的控制。具体控制方法如下：输出电压Vo采样信号与输出参考电压Vo,ref比较，再经过PI参数调节得到误差反馈信号，误差反馈信号与三角波比较产生比较器的输出信号，该输出信号可用于直接驱动两个开关管S1、S2；
通过模态图说明本发明申请的无桥降压型PFC变换器的工作原理。
图4-图6为本发明PFC变换器正半周期Buck变换单元运行模态图，图7-图9为本发明PFC变换器负半周期Buck-boost变换单元运行模态图。参阅图4-11，本实施例中PFC变换器具有如下工作模态：
工作模态1[0,d1TS]：该阶段，开关管S1和开关管S2处于导通状态，输入端向输出电感L1充能并向输出电容C1和负载供能，输出电容C2向外放电，，电感电流iL1线性上升，开关管S1的电流与电感电流iL1的幅值相同，方向相同。限流二极管D4提供回流电流通路。
工作模态2[d1TS,(d1+d2)TS]：开关管S1和开关管S2关断，续流二极管D1导通，存储于输出电感L1的能量向负载端供能，输出电容C2保持向外放电，电感电流iL1线性下降。
工作模态3[(d1+d2)TS,TS]：开关管S1和开关管S2关断，电感电流iL1下降到0并保持为0，续流二极管D1关断，输出电容C1和输出电容C2向负载端供能。
工作模态4[0,d1TS]：开关管S1和开关管S2处于导通状态，输入端经过开关管S2、限流二极管D3向输出电感L2充能，电感电流iL2线性上升，开关管S2的电流与电感电流iL2的幅值相同，方向相同。输出电容C1和输出电容C2为负载供能。
工作模态5[d1TS,(d1+d2)TS]：开关管S1和开关管S2关断，续流二极管D2导通，存储于输出电感L2的能量经过续流二极管D2向负载端供能、输出电容C2供能，输出电容C1保持向负载放电，电感电流iL2线性下降。
工作模态6[(d1+d2)TS,TS]：开关管S1和开关管S2关断，电感电流iL2下降到0并保持为0，续流二极管D2关断，输出电容C1和输出电容C2向负载端供能。
为验证本发明中基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器的AC-DC电能变换电路可行性，采用了PSIM仿真软件对该电路进行了仿真验证。
变换器仿真结果：
具体参数：交流输入采用正弦信号拟合，交流电压峰值为311V，频率为50Hz，输出电感L1为100uH，输出电感L2为134uH，输出电容C1和输出电容C2为1980uF，输出电压为160V，负载为256Ω，功率为100W，开关频率为50k，PI参数中P为0.9，I为0.004。另外，为保证输入电流为连续量，需要和现有无桥Buck PFC变换器一样，在输入侧加入电磁滤波电感Lf与输入电容Cf，分别设置为Lf＝2.2mH、Cf＝0.1uF。
图14为本发明无桥Buck型变换器的关键器件波形仿真图。由图14可知，在交流输入峰值311V、频率50Hz的情况下，本发明的无桥降压型变换器实现了160V的稳压输出。且开关管S1、开关管S2分别在输入电压vin的正负半周期交替工作，实现了无整流桥时的AC-DC变换运行。而且，各器件仿真波形稳定，表明了变换器能稳定运行工作，各器件的仿真波形与图14所示的理论波形相一致。
为了对比说明本发明变换器拓扑的性能优势，依据上述仿真参数对传统Buck PFC变换器和现有无桥Buck PFC变换器进行了仿真。
①传统Buck PFC变换器的仿真参数如下：交流输入电压为311Vac，输出直流电压为160V，输出电容为1980uF，电感为100uH，电磁滤波电感Lf为2.2mH，输入电容Cf为0.1uf，开关频率为50kHz，输出功率为100W，并且均采用相同的PI控制参数(P＝0.9，I＝0.004)。
②现有无桥Buck PFC变换器的仿真参数如下：交流输入电压为311Vac，输出直流电压为160V，输出电容为1980uF，电感为100uH，电磁滤波电感Lf为2.2mH，输入电容Cf为0.1uf，开关频率为50kHz，输出功率为100W，并且均采用相同的PI控制参数(P＝0.9，I＝0.004)。
表1给出了传统Buck PFC变换器、现有无桥Buck PFC变换器与本发明的无桥BuckPFC变换器的PF值、THDi与各次输入电流谐波的对比。可以看到，相比传统Buck PFC变换器和现有无桥Buck PFC变换器，本发明的变换器具有明显更高的PF值、更低的THDi与各次输入电流谐波。
表1传统Buck PFC、现有无桥Buck PFC变换器与本发明的变换器性能对比
根据上述理论分析与仿真结果可以看出，本发明所提出的非对称式无桥降压型PFC变换器仍然可以采用简单的单电压闭环控制实现稳定运行与功率因数校正，并且相比于传统Buck PFC变换器与现有无桥Buck PFC变换器，通过输出电压串联分压的方式，在简单的单电压环控制下，实现了更高PF与更低THDi性能。
实施例2：
参阅图3，图3为本发明提出的能减少输入电流死区的无桥降压型PFC变换器拓扑，其中图3(a)与图3(b)所示为明显的对称拓扑结构并且两者的性能一致，因此，本实施例在以下内容中，以图3(b)拓扑为例进行说明。
基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器包括开关管S1、开关管S2，续流二极管D1、续流二极管D2，限流二极管D3、限流二极管D4，输出电容C1和输出电容C2，输出电感L1、输出电感L2。
开关管S1、输出电感L1和续流二极管D1组成Buck-boost单元；开关管S2、输出电感L2和续流二极管D2组成Buck单元。
本实施例具体地，交流输入侧的一端与开关管S1的源极、限流二极管D3的阳极连接，交流输入侧的另一端与开关管S2的源极、限流二极管D4的阳极相连；开关管S1的漏极分别与续流二极管D1的阳极、输出电感L1的一端连接，续流二极管D1的阴极与输出电容C1的正极、负载的正极相连；开关管S2的漏极分别与续流二极管D2的阳极连接、输出电感L2的一端连接，续流二极管D2的阴极与输出电感L1的另一端、输出电容C2的正极、限流二极管D3的阴极、限流二极管D4的阴极相连；输出电容C1的负极与输出电容C2的正极相连；输出电容C2的负极与负载的负极、输出电感L2的另一端相连。
本实施例中PFC变换器与实施例1中PFC变换器性能一致，变换器仿真结果均一致。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，包括Buck变换单元，其特征在于，还包括Buck-boost变换单元；
所述Buck变换单元，用于交流输入正半周期内的电能变换；
所述Buck-boost变换单元，用于交流输入负半周期内的电能变换；
所述Buck变换单元和Buck-boost变换单元实现PFC变换器正、负双极性的交流输入，单极性直流输出。
2.根据权利要求1所述的基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，其特征在于，包括开关管S1、开关管S2，续流二极管D1、续流二极管D2，限流二极管D3、限流二极管D4，输出电容C1和输出电容C2。
3.根据权利要求2所述的基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，其特征在于，
所述开关管S1、输出电感L1和续流二极管D1组成Buck单元；
所述开关管S2、输出电感L2和续流二极管D2组成Buck-boost单元。
4.根据权利要求3所述的基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，其特征在于，
交流输入侧的一端与开关管S1的漏极、限流二极管D3的阴极连接，交流输入侧的另一端与开关管S2的漏极、限流二极管D4的阴极相连；
所述开关管S1的源极分别与续流二极管D1的阴极、输出电感L1的一端连接，输出电感L1的另一端与输出电容C1的正极、负载的正极相连；
所述开关管S2的源极分别与续流二极管D2的阴极连接、输出电感L2的一端连接，输出电感L2的另一端与输出电容C2的正极、续流二极管D1的阳极、限流二极管D3的阳极、限流二极管D4的阳极相连；
输出电容C1的负极与输出电容C2的正极相连；输出电容C2的负极与负载的负极、续流二极管D2的阳极相连。
5.根据权利要求2所述的基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，其特征在于，
所述开关管S1、输出电感L1和续流二极管D1组成Buck-boost单元；
所述开关管S2、输出电感L2和续流二极管D2组成Buck单元。
6.根据权利要求5所述的基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，其特征在于，
交流输入侧的一端与开关管S1的源极、限流二极管D3的阳极连接，交流输入侧的另一端与开关管S2的源极、限流二极管D4的阳极相连；
所述开关管S1的漏极分别与续流二极管D1的阳极、输出电感L1的一端连接，续流二极管D1的阴极与输出电容C1的正极、负载的正极相连；
所述开关管S2的漏极分别与续流二极管D2的阳极连接、输出电感L2的一端连接，续流二极管D2的阴极与输出电感L1的另一端、输出电容C2的正极、限流二极管D3的阴极、限流二极管D4的阴极相连；
输出电容C1的负极与输出电容C2的正极相连；输出电容C2的负极与负载的负极、输出电感L2的另一端相连。
7.根据权利要求4或6所述的基于降压与升降压变换单元的无桥降压型PFC变换器，其特征在于，其控制方法包括：
工作模态1：开关管S1和开关管S2处于导通状态，输入端向Buck单元中输出电感充能并向输出电容C1和负载供能，输出电容C2向外放电，Buck单元中输出电感的电感电流线性上升，Buck单元中开关管的电流与该电感电流的幅值相同，方向相同；
工作模态2：开关管S1和开关管S2关断，Buck单元中续流二极管导通，存储于Buck单元中输出电感的能量向负载端供能，输出电容C2保持向外放电，Buck单元中输出电感的电感电流线性下降；
工作模态3：开关管S1和开关管S2关断，Buck单元中输出电感的电感电流下降到0，Buck单元中续流二极管关断，输出电容C1和输出电容C2向负载端供能；
工作模态4：开关管S1和开关管S2处于导通状态，输入端经过Buck-boost单元中开关管向Buck-boost单元中输出电感充能，Buck-boost单元中输出电感的电感电流线性上升，Buck-boost单元中开关管的电流与输出电感的电感电流的幅值相同，方向相同；输出电容C1和输出电容C2为负载供能；
工作模态5：开关管S1和开关管S2关断，Buck-boost单元中续流二极管导通，存储于Buck-boost单元中输出电感的能量向负载端供能、输出电容C2供能，输出电容C1保持向负载放电，Buck-boost单元中输出电感的电感电流线性下降；
工作模态6：开关管S1和开关管S2关断，Buck-boost单元中输出电感的电感电流下降到0，Buck-boost单元中续流二极管关断，输出电容C1和输出电容C2向负载端供能。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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