CN203590061U - 宽输入范围功率因数校正变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及宽输入范围功率因数校正变换器，输入滤波器的输出端连接至整流器，第一PFC主电路和第二PFC主电路以并联方式连接，其前端接至整流器的输出端，其后端接至储能单元，储能单元通过直直变换器连接至负载，PFC控制器连接第一PFC主电路和第二PFC主电路，相位控制器的输入端分别连接整流器的输出端和储能单元的输出端，相位控制器的输出端连接PFC控制器。采用两路PFC主电路交错并联工作的模式，在同样的功率等级应用场合，每路PFC主电路相当于各承担了一半的负载功率，每路PFC主电路中的电感器件只需要按一半的最大负载功率来设计，所以电感的体积和高度可以大大减小。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种宽输入电压全负载范围高效率的超薄型功率因数校正变换器。
背景技术
目前，对于中小功率宽输入交流电压场合，功率因数校正变换器（Power Factor Correction, 简称PFC）主要采取单路式PFC变换器，按照其工作模式主要分为三种：连续导通模式，断续导通模式，临界导通模式。这三种单路式PFC变换器主电路结构类似，均是由一个电感、一个功率场效应管、一个功率二极管和一个输出储能电解电容组成，它们与输入端滤波器和整流桥配合构成一个完整的功率因数校正装置，可以将输入的交流电压信号转换成400V左右的高压直流信号输出，然后再经后级直流-直流变换器转换成用户端所需的直流电压，同时保证交流输入侧具有较高的功率因数和较低的谐波污染。
单路式PFC由于其主电路结构的特点，在中小功率宽输入电压范围和高效率超薄要求的应用场合，主要会存在以下三个方面的问题：
1）由于只含有一个电感元件，而电感的尺寸一般都跟产品功率等级大小相关，所以单路式PFC变换器产品的总体高度主要被其中的电感元件高度所限，因此在超薄型产品需求的应用场合，单路式PFC变换器往往很难在兼顾高效率的同时去满足产品的高度要求。
2）单路式PFC变换器主电路结构中各功率器件均为单一性，对于宽输入电压应用场合，当产品运行在低压输入大负载的情况下，产品主要功率器件流过的电流很大，发热和温升会比较严重，这对于产品的可靠性和寿命均有影响。
3）单路式PFC在高压输入条件下工作时，开关损耗占总损耗的比重上升，导致高压轻载时效率往往不高，而且由于要兼顾低压输入重载条件下的效率目标，导致高压轻载的效率很难优化。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种适用于宽输入电压全负载范围高效率的超薄型功率因数校正变换器。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
宽输入范围功率因数校正变换器，特点是：包括输入滤波器、整流器、第一PFC主电路、第二PFC主电路、PFC控制器和储能单元，所述输入滤波器的输出端连接至整流器，所述第一PFC主电路和第二PFC主电路以并联方式连接，其前端接至整流器的输出端，其后端接至储能单元，储能单元通过直直变换器连接至负载，PFC控制器连接第一PFC主电路和第二PFC主电路。
进一步地，上述的宽输入范围功率因数校正变换器，还包括相位控制器，相位控制器的输入端分别连接整流器的输出端和储能单元的输出端，相位控制器的输出端连接PFC控制器。
本实用新型技术方案的实质性特点和进步主要体现在：
①由于采用两路PFC主电路交错并联工作的模式，这样在同样的功率等级应用场合，每路PFC主电路相当于各承担了一半的负载功率，这样每路PFC主电路中的电感器件只需要按一半的最大负载功率来设计，所以电感的体积和高度可以大大减小，对于要求超薄型设计的场合，整体的电源产品高度可以做到很低，具有非常明显的优势；
②两路PFC主电路交错并联工作的模式，使得输入和输出电流的纹波都得以大大减小，对于优化输入滤波器设计和输出储能单元的选型和寿命提升都有非常显著的优势，同时这样的架构也带来了更好的损耗分布和热平衡管理，从而最终提升了产品的可靠性和使用寿命；
③相比于传统的单路PFC方案，所采用的两路PFC主电路交错并联工作的模式，由于具有相位控制的功能，可以灵活的根据不同输入电压和输出负载的条件去管理两路PFC主电路的工作状态，从而实现宽输入电压下全负载范围的效率优化，特别是轻载条件下的效率提升。
附图说明
下面结合附图对本实用新型技术方案作进一步说明：
图1：本实用新型的构造示意图。
具体实施方式
如图1所示，宽输入范围功率因数校正变换器，包括输入滤波器1、整流器2、第一PFC主电路3、第二PFC主电路4、PFC控制器5和储能单元7，输入滤波器1的输出端连接至整流器2，第一PFC主电路3和第二PFC主电路4以并联方式连接，其前端接至整流器2的输出端，其后端接至储能单元7，储能单元7通过直直变换器8连接至负载9，PFC控制器5连接第一PFC主电路3和第二PFC主电路4，相位控制器6的输入端分别连接整流器2的输出端和储能单元7的输出端，相位控制器6的输出端连接PFC控制器5。相位控制器6采集输入端电压信号和输出端负载电流信号后进行信号处理和逻辑判断，然后将产生的相位控制信号送至PFC控制器5，最终实现对两路PFC主电路的控制和相位管理。
交流输入电压经输入滤波器1后至整流器2，经整流得到正弦半波后送至第一PFC主电路3和第二PFC主电路4的输入端，经过两路交错并联工作的PFC主电路转换得到的信号送至由铝电解电容组成的储能单元7，经储能单元7平滑滤波后得到约400V左右的高压直流电，送至下一级的直直变换器8转换成负载9所需的直流电压信号。在整个PFC工作过程中，PFC控制器5根据输入输出信号产生需要的高频脉宽调制信号控制两路PFC主电路，从而实现功率因数校正的目的，相位控制器6实时监控输入电压信号和输出负载电流信号，并根据系统设计要求在规定的输入电压和输出负载范围实现一路PFC主电路工作和两路PFC主电路工作的灵活切换，从而达到全输入电压范围和全负载范围内产品效率的最优化设计。
普通单路式PFC在设计时，其主要功率器件的选取一般依据该PFC工作在低压满载条件下的状况进行，这时流过所有功率器件的电流最大，造成的损耗和发热也最为严重。而本实用新型方案，每路PFC在低压满载条件下工作时，所承受的电流应力只有单路PFC方案时候的一半，这样使得设计可以采用更低电流等级的功率场效应管和二极管，以及体积更小、高度更矮的功率电感元件，这些器件虽然数量上比单路PFC方案多了一倍，但是由于器件等级更小，所以在保证同样低压满载的效率同时，不会带来成本上的明显差异，同时却能得到更好的热平衡分布和薄型化设计。
对于单路式PFC而言，工作在低压轻载特别是高压轻载条件下，以开关损耗为主、导通损耗为辅。本实用新型方案中对于两路交错并联工作的PFC主电路具有相位控制的功能，这主要通过实时采样和监控输入电压信号和输出电流信号来实现一路和两路PFC主电路工作的切换控制。在低压重载下工作时，两路PFC交错并联同时工作，可以实现与单路式PFC一样甚至更高的效率；在低压很轻载或者高压轻载下工作时，由于导通损耗已经不是主要因素，通过关闭其中一路PFC主电路，可以在几乎不引入明显导通损耗上升的同时，大大减小开关损耗的总额，这是由于同样功率等级的产品设计中，采用交错并联式两路PFC主电路中的功率场效应管功率等级一般都远小于单路式PFC方案中的功率场效应管，因此开关性能相关的参数特别是等效结电容的大小都要远小于单路式方案中的对应参数。
利用本方案设计150W功率等级产品中，通过优化设计选取230V交流输入时相位切换点在60%负载点附近，测得30%负载下比无相位控制的交错并联式方案带来约4%的效率提升，而此方案的产品高度比传统单路式PFC方案低了约25%。
两路交错并联式PFC主电路方案，适用于所有工作模式，即连续导通模式、断续工作模式和临界导通模式。对于不用输入电压和不同负载情况下一路和两路PFC主电路的相位切换控制，均依据于具体产品设计和效率目标的要求，具有很大的灵活性，即可以基于负载条件也可以独立于负载条件外在任意输入电压范围区间实现一路或者两路PFC主电路工作的切换。
由于本实用新型方案采用了两路PFC主电路交错并联工作的模式，这样在同样的功率等级应用场合，每路PFC主电路相当于各承担了一半的负载功率，这样每路PFC主电路中的电感器件只需要按一半的最大负载功率来设计，所以电感的体积和高度可以大大减小，对于要求超薄型设计的场合，整体的电源产品高度可以做到很低，具有非常明显的优势。
两路PFC主电路交错并联工作的模式，使得输入和输出电流的纹波都得以大大减小，对于优化输入滤波器设计和输出储能单元的选型和寿命提升都有非常显著的优势，同时这样的架构也带来了更好的损耗分布和热平衡管理，从而最终提升了产品的可靠性和使用寿命。
相对于传统的单路PFC方案，所采用的两路PFC主电路交错并联工作的模式，由于具有相位控制的功能，可以灵活的根据不同输入电压和输出负载的条件去管理两路PFC主电路的工作状态，从而实现宽输入电压下全负载范围的效率优化，特别是轻载条件下的效率提升。
需要强调的是：以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (2)
1.宽输入范围功率因数校正变换器，其特征在于：包括输入滤波器、整流器、第一PFC主电路、第二PFC主电路、PFC控制器和储能单元，所述输入滤波器的输出端连接至整流器，所述第一PFC主电路和第二PFC主电路以并联方式连接，其前端接至整流器的输出端，其后端接至储能单元，储能单元通过直直变换器连接至负载，PFC控制器连接第一PFC主电路和第二PFC主电路。
2.根据权利要求1所述的宽输入范围功率因数校正变换器，其特征在于：还包括相位控制器，相位控制器的输入端分别连接整流器的输出端和储能单元的输出端，相位控制器的输出端连接PFC控制器。
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| CN103683979A (zh) * | 2013-12-12 | 2014-03-26 | 安伏（苏州）电子有限公司 | 宽输入范围功率因数校正变换器 |
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