CN208461691U - 一种电容隔离谐振式功率因数校正变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种电容隔离谐振式功率因数校正变换器，包括前级整流桥，储能电感L 1，功率开关管Q 1，两个快恢复二极管D 1、D 2，谐振电容C r，谐振电感L r，输出储能电容C o，分压电阻R 1，采样电阻R 2、负载R o和控制回路；在传统Boost PFC变换器拓扑的基础上，通过引入隔离电容，构成了一种新型电容隔离谐振式Boost PFC变换器减小了输入侧到输出侧的漏电流，实现了输入端与输出端的电隔离，提高了电源系统的安全性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，具体为一种电容隔离谐振式功率因数校正变换器。
背景技术
为了减小电力电子装置对电网的谐波污染，接入电网的开关变换器需采用功率因数校正技术。传统的Boost PFC变换器的输入端与输出端未隔离，为了解决电源系统的安全问题，通常需要后级级联变压器隔离的DC-DC变换器，因此电源系统的体积大，成本高。
传统Boost PFC变换器因其结构简单、控制策略容易实现等优点，在工业界得到了广泛的应用。然而，传统Boost PFC变换器也存在明显的缺点：输出电压始终大于或等于输入电压峰值。即使控制器不工作时，输出电压也等于输入电压的峰值，这给电源系统带来了极大的安全隐患。因此通常需要后级DC-DC变换器采用变压器隔离的方式解决这个安全问题，增加了系统的体积与成本。
图1为常用的Boost型两级PFC变换器拓扑图。其前级采用Boost型PFC变换器，其对电流整形的基本原理为：Boost电路的输出电压v b和基准电压V ref比较后，输入至电压比较器VA。整流桥输出电压和VA输出的电压信号共同加到乘法器M的输入端。乘法器M的输出作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流i s比较后，经电流比较器CA加到PWM发生器，控制开关管的通断，从而使输入电流的波形与整流桥输出电压一致，进而抑制电流谐波，提高电路的输入功率因数。但由于拓扑的输入与输出未隔离，安全性能得不到保障，需要后级DC-DC变换器解决隔离的问题。
图2为反激隔离式单级PFC变换器电路拓扑图。其具有控制简单，成本相对较低等优点。反激隔离式单级PFC变换器中电感电流在一个开关周期中的工作波形如图3所示。DT s期间开关管S导通，电感L 1的电流在输入电压的作用下线性上升，ΔDT s期间，开关管关断，电感L 1的电流在母线电压与输入电压的作用下线性下降。
反激隔离式单级PFC变换器通过控制开关的通断，可实现对输出的升降压调节。其简单特点使其广泛应用于小功率的家用电器，小功率开关电源，充电电源和计算机电源等场合。但由于变换器采用变压器隔离，存在效率低，体积大等问题，无法应用于对效率和体积要求较高的场合。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种能够减小输入侧到输出侧的漏电流，实现输入端与输出端的电隔离，提高电源系统的安全性能的电容隔离谐振式功率因数校正变换器。技术方案如下：
一种电容隔离谐振式功率因数校正变换器，包括前级整流桥，储能电感L 1，功率开关管Q 1、两个快恢复二极管D 1和D 2、谐振电容C r、谐振电感L r、输出储能电容C o、分压电阻R 1、采样电阻R 2、负载R o和控制回路；前级整流桥的负极输出端接地，正极输出端连接到储能电感L 1一次侧的一端，储能电感L 1一次侧的另一端同时连接到功率开关管Q 1的D极和谐振电容C r的正极板；储能电感L 1二次侧和功率开关管Q 1的G极连接到控制回路，功率开关管Q 1的S极接地，谐振电容C r的负极板同时连接快恢复二极管D 1的负极和快恢复二极管D 2的正极；快恢复二极管D 1的正极通过谐振电感L r接地，快恢复二极管D 2的负极连接分压电阻R 1的一端，分压电阻R 1的另一端通过采样电阻R 2接地，输出储能电容C o和负载R o分别并联于分压电阻R 1和采样电阻R 2的两端。
进一步的，所述控制回路包括驱动电路、误差放大电路、零电流检测电路和比较器；误差放大电路连接到分压电阻R 1和采样电阻R 2之间，并将采集到的信号发送给比较器；零电流检测电路连接到储能电感L 1二次侧，并将检测到的信号发送给比较器，比较器通过驱动电路连接到功率开关管Q 1的G极。
本实用新型的有益效果是：本实用新型解决了传统Boost 功率因数校正变换器输入端与输出端未隔离而易引起安全问题，引入了隔离电容，减小了输入端到输出端的漏电流，实现了输出端与输入端的电隔离；此外该电路通过谐振支路实现软开关，减少二极管损耗，从而进一步提高变换器效率，因而与传统的Boost PFC变换器相比具有较大的优势。
附图说明
图1为常用的Boost型两级PFC变换器电路原理图。
图2为反激隔离式单级PFC变换器电路原理图。
图3为反激隔离式单级PFC变换器中电感电流在一个开关周期中的工作波形图。
图4为本实用新型电容隔离谐振式功率因数校正变换器的电路原理图。
图5为本实用新型电容隔离谐振式功率因数校正变换器工作在CRM模式时的主要波形图。
图6为三个工作模态的电路等效图；（a）模态1；（b）模态2；（c）模态3。
图7为储能电感电流psim仿真波形图：(a) 储能电感电流波形；（b）储能电感电流放大波形。
图8为输入电压电流psim仿真波形图。
图9为输出电压psim仿真波形图。
图10软开关psim仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。电容隔离方式是近些年来提出的一种新型隔离方法，通过实验验证，10nF以下的隔离电容可使原边到副边的漏电流降低到1mA以下。相对于变压器隔离，电容隔离具有体积小、成本低、效率高的优点。
因此，本发明提出一种新型电容隔离谐振式Boost PFC变换器。在传统Boost PFC变换器拓扑的基础上，通过引入谐振支路，构成了一种新型电容隔离谐振式Boost PFC变换器，实现了输出与输入端的电隔离。该变换器工作在CRM模式，相对于传统Boost PFC变换器，同样可以实现续流二极管的零电流关断等，理论PF值可达到1，相比传统Boost PFC变换器有较大的优势。
如图4为新型电容隔离谐振式Boost PFC变换器电路图。其主功率回路由前级整流桥，储能电感L 1，功率开关管Q 1，两个快恢复二极管D 1、D 2，谐振电容C r，谐振电感L r，输出储能电容C o，分压电阻R 1，采样电阻R 2和负载R o组成。前级整流桥的负极输出端接地，正极输出端连接到储能电感L 1一次侧的一端，储能电感L 1一次侧的另一端同时连接到功率开关管Q 1的D极和谐振电容C r的正极板；储能电感L 1二次侧和功率开关管Q 1的G极连接到控制回路，功率开关管Q 1的S极接地，谐振电容C r的负极板同时连接快恢复二极管D 1的负极和快恢复二极管D 2的正极；快恢复二极管D 1的正极通过谐振电感L r接地，快恢复二极管D 2的负极连接分压电阻R 1的一端，分压电阻R 1的另一端通过采样电阻R 2接地，输出储能电容C o和负载R o分别并联于分压电阻R 1和采样电阻R 2的两端。该变换器通过引入隔离电容C r，减小了输入侧到输出侧的漏电流，实现了输入端与输出端的电隔离，提高了电源系统的安全性能。
所述控制回路包括驱动电路、误差放大电路、零电流检测电路和比较器；误差放大电路连接到分压电阻R 1和采样电阻R 2之间，并将采集到的信号发送给比较器；零电流检测电路连接到储能电感L 1二次侧，并将检测到的信号发送给比较器，比较器通过驱动电路连接到功率开关管Q 1的G极。该电路电感电流工作在临界连续模式。控制回路由驱动电路、误差检测、零电流检测和比较器等部分组成。通过慢环路控制，可以使开关管的开通时间在一个工频周期内基本不变，通过选择谐振参数，可以使谐振二极管D 1工作在零电流关断模式，通过临界连续模式控制，可以使续流二极管D 2实现零电流关断，从而降低了开关损耗，提高了变换器的效率。
图5所示为新型电容隔离谐振式Boost PFC电路工作在CRM时的稳态波形，其稳定工作原理分析如下：
模态1 [t 0, t 1]：如图6(a)所示，在t 0时刻，开关管Q 1导通，储能电感开始储能，其两端的电压大小为|v in|，电感电流i L1从0开始线性增长。谐振电容C r和谐振电感L r开始谐振，二极管D 1 导通。二极管D 2承受反向电压而截止，谐振支路电流i Lr先增加再减小。负载由输出储能电容C o供电。当谐振电流减小至0时，二极管D 1承受反向电压而截止，此时，模态1结束。
模态2 [t 1,t 2]：如图6(b)所示，t 1时刻之后，功率开关管Q 1仍导通，电感电流i L1继续线性上升。谐振支路无电流，二极管D 2 仍承受反向电压而截止。输出储能电容C o向输出负载供电并维持输出电压不变。在t 2时刻，功率开关管Q 1关断，模态2结束。
模态3 [t 2,t 3]：如图6(c)所示，在t 2时刻，功率开关管Q 1关断，D 2承受正向电压而导通。储能电感L 1释放能量，和电源一起向负载和后级电路供电，使输出电压高于电源电压，此时开始电感电流i L1线性下降。谐振电容储存能量，电压逐渐上升。D 1承受反向电压而截止。输出储能电容C o由电源和储能电感L 1共同充电。在t 3时刻，当储能电感L 1电流i L1下降至0时，模态3结束，重新进入模态1工作，开始新的工作循环。
利用PSIM仿真软件验证，仿真参数设计如下：
输入电压v in=90V，主电感L 1=700μH，谐振电容C r=10μF，谐振电感L r=3.3uf，输出电容C o=68μF，负载电阻R o=2.1kΩ；
储能电感电流波形如图7(a)所示，其放大波形如图7(b)所示，当电感电流减小到0时，立刻进入下一周期，又开始增加，即本发明提出的新型电容隔离谐振式Boost PFC变换器工作在CRM模式。
输入电压电流波形如图8所示，可以看出输入电压电流跟随输入电压变化，相位保持一致，且具有很好的正弦度，实现了PFC功能。
输出电压波形如图9，电路从开始工作到建立稳定工作状态，时间短，响应快；并且实现了电路升压的功能。
谐振支路的工作状态如图10所示，曲线i Lr为谐振电感的电流波形，曲线v D为谐振支路二极管的电压波形；当模态1开始时，谐振电感的电流i Lr从0逐渐增大，二极管D 1导通，谐振电容反向充电；之后谐振电感电流i Lr减小，谐振电容放电，当谐振电感电流i Lr谐振至0时，二极管D 1在电流为零时关断，实现了二极管的软开关，减小了电路的损耗。
Claims (2)
1.一种电容隔离谐振式功率因数校正变换器，其特征在于，包括前级整流桥，储能电感L 1，功率开关管Q 1、两个快恢复二极管D 1和D 2、谐振电容C r、谐振电感L r、输出储能电容C o、分压电阻R 1、采样电阻R 2、负载R o和控制回路；前级整流桥的负极输出端接地，正极输出端连接到储能电感L 1一次侧的一端，储能电感L 1一次侧的另一端同时连接到功率开关管Q 1的D极和谐振电容C r的正极板；储能电感L 1二次侧和功率开关管Q 1的G极连接到控制回路，功率开关管Q 1的S极接地，谐振电容C r的负极板同时连接快恢复二极管D 1的负极和快恢复二极管D 2的正极；快恢复二极管D 1的正极通过谐振电感L r接地，快恢复二极管D 2的负极连接分压电阻R 1的一端，分压电阻R 1的另一端通过采样电阻R 2接地，输出储能电容C o和负载R o分别并联于分压电阻R 1和采样电阻R 2的两端。
2.根据权利要求1所述的电容隔离谐振式功率因数校正变换器，其特征在于，所述控制回路包括驱动电路、误差放大电路、零电流检测电路和比较器；误差放大电路连接到分压电阻R 1和采样电阻R 2之间，并将采集到的信号发送给比较器；零电流检测电路连接到储能电感L 1二次侧，并将检测到的信号发送给比较器，比较器通过驱动电路连接到功率开关管Q 1的G极。
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