CN209881671U - 单电感双Boost无桥PFC变换器 - Google Patents

单电感双Boost无桥PFC变换器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种单电感双Boost无桥PFC变换器，包括：输入交流电源、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、储能电容、负载电阻和升压电感。升压电感的第一端分别与第三二极管的阳极及第四二极管的阳极相连接；升压电感的第二端分别与第一开关管的源极、第二开关管的源极及储能电容的阴极相连接；升压电感的第二端、第一开关管的源极及第二开关管的源极共地。本实用新型提供的变换器，在输入交流电源工作的正负半周，共用一个升压电感，输入电流在任何时刻都流经升压电感，且只有一条回路。变换器为无桥结构，采用单电感设计，提高了器件利用率，减小了功率器件体积占比，提高了电源的功率密度。

Description

单电感双Boost无桥PFC变换器
技术领域
本实用新型涉及AC/DC技术领域，特别涉及一种单电感双Boost无桥PFC变换器。
背景技术
随着电力电子技术快速发展和在各行各业的广泛应用，接入电网的电力电子开关电源设备成为向电网注入电流谐波的主要来源。谐波的抑制已经引起了国内外专家的关注，并且国内外相关组织制定了限制电力系统谐波的相关标准。功率因数校正(PowerFactor Correction，PFC)作为一种抑制谐波电流和提高功率因数的有效方法，已经成为中大功率电子设备不可或缺的重要环节。传统的功率因数校正电路以升压有源功率因数校正变换器(Boost APFC)为代表，其以结构简单、安全稳定的特点得到广泛应用。然而，由于前级整流桥的存在较多的导通器件，导致过多的能量损失，尤其在低压大功率时，二极管的通态损耗更为可观，这大大限制变换器整机效率的提升。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种单电感双Boost无桥PFC变换器，所述变换器为无桥结构，并采用单电感设计，提高了器件利用率，减小了功率器件体积占比，提高了电源的功率密度。
为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
一种单电感双Boost无桥PFC变换器，包括：
输入交流电源Vac、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、储能电容C1、负载电阻R和升压电感L；
其中：
所述升压电感L的第一端分别与所述第三二极管D3的阳极及所述第四二极管D4的阳极相连接；
所述第三二极管D3的阴极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；
所述第四二极管D4的阴极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；
所述升压电感L的第二端分别与所述第一开关管S1的源极、所述第二开关管S2的源极及所述储能电容C1的阴极相连接；
所述第一开关管S1的漏极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；
所述第二开关管S2的漏极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；
所述第一二极管D1的阳极与所述第一开关管S1的漏极相连接，所述第一二极管D1的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；
所述第二二极管D2的阳极与所述第二开关管S2的漏极相连接，所述第二二极管D2的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；
所述负载电阻R与所述储能电容C1并联；
所述升压电感L的第二端、所述第一开关管S1的源极及所述第二开关管S2的源极共地。
上述的单电感双Boost无桥PFC变换器，可选的，所述第一开关管S1和所述第二开关管S2均为不带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT。
上述的单电感双Boost无桥PFC变换器，可选的，所述第一二极管D1和所述第二二极管D2均为快恢复二极管。
基于上述本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器，包括：输入交流电源Vac、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、储能电容C1、负载电阻R和升压电感L；其中：所述升压电感L的第一端分别与所述第三二极管D3的阳极及所述第四二极管D4的阳极相连接；所述第三二极管D3的阴极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；所述第四二极管D4的阴极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；所述升压电感L的第二端分别与所述第一开关管S1的源极、所述第二开关管S2的源极及所述储能电容C1的阴极相连接；所述第一开关管S1的漏极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；所述第二开关管S2的漏极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；所述第一二极管D1的阳极与所述第一开关管S1的漏极相连接，所述第一二极管D1的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；所述第二二极管D2的阳极与所述第二开关管S2的漏极相连接，所述第二二极管D2的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；所述负载电阻R与所述储能电容C1并联；所述升压电感L的第二端、所述第一开关管S1的源极及所述第二开关管S2的源极共地。
本实用新型提供的单电感双Boost无桥PFC变换器，在输入交流电源工作的正负半周，共用一个升压电感，输入电流在任何时刻都流经升压电感，且只有一条回路。变换器为无桥结构，采用单电感设计，提高了器件利用率，减小了功率器件体积占比，提高了电源的功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器的交流电输入正半周工作模态分析示意图；
图3为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器的又一交流电输入正半周工作模态分析示意图；
图4为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器的交流电输入负半周工作模态分析示意图；
图5为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器的又一交流电输入负半周工作模态分析示意图；
图6为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换系统的结构示意图；
图7为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换系统中的输入电压极性检测电路和逻辑控制电路的电路结构图；
图8为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换系统的关键信号波形图；
图9为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换系统的输出电压波形图；
图10为本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换系统的输入电压和输入电流的波形图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本实用新型实施例提供了一种单电感双Boost无桥PFC变换器，其结构示意图如图1所示，包括：输入交流电源Vac、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、储能电容C1、负载电阻R和升压电感L；
其中：
所述升压电感L的第一端分别与所述第三二极管D3的阳极及所述第四二极管D4的阳极相连接；
所述第三二极管D3的阴极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；
所述第四二极管D4的阴极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；
所述升压电感L的第二端分别与所述第一开关管S1的源极、所述第二开关管S2的源极及所述储能电容C1的阴极相连接；
所述第一开关管S1的漏极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；
所述第二开关管S2的漏极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；
所述第一二极管D1的阳极与所述第一开关管S1的漏极相连接，所述第一二极管D1的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；
所述第二二极管D2的阳极与所述第二开关管S2的漏极相连接，所述第二二极管D2的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；
所述负载电阻R与所述储能电容C1并联；
所述升压电感L的第二端、所述第一开关管S1的源极及所述第二开关管S2的源极共地。
Boost升压电路(boost converter or step-up converter)是一种常见的开关直流升压电路，它通过开关管导通和关断来控制电感储存和释放能量，从而使输出电压比输入电压高。
本实用新型提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器中，包括：输入交流电源Vac、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、升压电感L、第三二极管D3、第四二极管D4、储能电容C1和负载电阻R。通过图1中所记载的本实用新型提供的变换器中各个电子器件之间的连接关系，可以明确的得出，本实用新型提供的变换器的具体连接电路，采用无桥电路结构，并使用单个电感，在输入交流电正负半周，可以共用一个电感，形成单回路流向，解决了传统变换器中采用两个电感结构，所造成的参数不一致的问题，同时单一的电流回路使得电流检测电路更为简单，提高了器件利用率，减小了功率器件体积占比，提高了电源的功率密度，在提高变换器效率的同时，降低了成本并且提高了电源的功率密度。
本实用新型实施例提供的单电感双Boost无桥PFC变换器中，第一开关管S1和第二开关管S2均为不带反并联二极管的IGBT。
本实用新型实施例提供的单电感双Boost无桥PFC变换器中，第一二极管D1和第二二极管D2均为快恢复二极管。
本实用新型实施例提供的变换器中，在输入交流电源工作的正负半周，共用一个升压电感L，输入电流在任何时刻都流经升压电感L，且只有一条回路。
本实用新型实施例提供的单电感双Boost无桥PFC变换器中，当输入交流电源Vac工作在正半周时，第一开关管S1和第三二极管D3导通，第二开关管S2关断，第一二极管D1和第二二极管D2反向偏置，电流流经第一开关管S1、升压电感L和第三二极管D3，储能电容C1放电为负载电阻R提供所需的能量；当第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，电流流经第一二极管D1、负载电阻R、升压电感L；当输入交流电源Vac工作在负半周时，第二开关管S2和第四二极管D4导通，第一开关管S1关断，第一二极管D1和第二二极管D2反向偏置，电流流经第二开关管S2、升压电感L和第四二极管D4，储能电容C1放电为负载电阻R提供所需的能量；当第二开关管S2关断，第一开关管S1关断，电流流经第二二极管D2、负载电阻R、升压电感L。
本实用新型实施例提供的方案中，首次将一种单电感双Boost无桥PFC变换器应用于AC/DC变换领域，具体涉及的利用单个电感和不带反并联二极管的IGBT，基于电感电流临界连续模式(BCM)实现无桥功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)。
本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器，使用不带反并联二极管的IGBT，保证了电流的单向性，在任何时刻，电感电流全部经过地回路，只需一路电流采样电路即可达到控制要求，简化了系统设计。在保留无桥PFC优点的同时，将两个电感合二为一，提高了器件利用率，大大减小了功率器件体积占比，从而提高了电源的功率密度，也解决了传统两个电感设计参数不一致的问题。同时，由于两个开关管共地，驱动电路无需悬浮，具有简单可靠的特点。
本实用新型实施例提供的单电感双Boost无桥PFC变换器，为单电感无桥PFC变换器，只需一个电感，并且电感L处于地回路，电感右侧连接S1和S2，S1和S2为不同于传统的不带反并联二极管的IGBT开关器件，实现单向导通功能。D1和D2为快恢复二极管，D3和D4为普通二极管，分别提供高频和工频续流通道。对于交流电输入的正负半周，该电路均可以等效为普通BoostPFC电路，与常规Boost电路相比，该电路的不同之处是将电感放在电源低压侧。
本实用新型实施例提供的变换器的主电路工作可分为两个阶段，每个阶段有两种工作模态：
(1)在交流电输入正半周，该阶段可以分为两个工作模态，图2示出了交流电输入正半周工作模态分析过程中，S1开通，电感储存能量的过程；
图3示出了交流电输入正半周工作模态分析过程中，S1关断，电感释放能量的过程；
S1开通时，电流通过S1和D3给电感L储能，有：
S1关断时，电流通过D1流向负载，电感和电源串联升压给负载供能，电感储能减小，有：
联立式(1)和式(2)，可得：
式中，uin(t)是以正弦规律变化的输入电压，为了保持输出电压稳定，在每个开关周期内D(t)也是变化的，又因为1-D(t)小于1，变换器实现了升压变换。
(2)在交流电输入负半周，该阶段也可以分为两个工作模态，图4示出了交流电输入负半周工作模态分析过程中，S2开通，电感存储能量的过程；
图5示出了交流电输入负半周工作模态分析过程中，S2关断，电感释放能量的过程；
S2开通时，电流通过S2和D4给电感L储能；S2关断时，电流通过S2流向负载，电感和电源一起给负载供能，电感储能减小。
图6示出了本实用新型实施例提供的一种单电感双Boost无桥PFC变换器系统，在图1所示变换器的基础上，增加了控制部分，变换器作为该系统的功率部分，其中控制部分包括：输入电压检测单元、电感电流检测单元、输出电压检测单元、电压PI调节单元、乘法器单元、逻辑判断单元和驱动信号单元等部分。具体实现过程如下：在传统单相BoostPFC变换器产生驱动信号的基础上再结合输入电压极性检测电路和逻辑控制电路，如图7所示。该电路对输入电压周期进行判断，确定在每个半周期选择对应的开关管工作。图7来自电网的交流电与R1、R2、R3和R4并联，中点与运放共地。在交流输入正半周，运放同相输入端电位为正，反向端输入端电位为负，运放输出高电平。反之，在交流输入负半周，运放输出低电平。同时在运放输入端并联双向稳压二极管，在电路发生异常时起到保护运放的作用。系统采取电流内环和电压外环的控制方式，经触发器产生PWM驱动信号，各关键信号波形如图8所示。
本实用新型可实施例的理论验证是在PSIM仿真平台上搭建仿真模型并得到理想的仿真结果。图9给出了输出电压波形，图10给出了输入电压和输入电流波形。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种单电感双Boost无桥PFC变换器，其特征在于，包括：
输入交流电源Vac、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、储能电容C1、负载电阻R和升压电感L；
其中：
所述升压电感L的第一端分别与所述第三二极管D3的阳极及所述第四二极管D4的阳极相连接；
所述第三二极管D3的阴极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；
所述第四二极管D4的阴极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；
所述升压电感L的第二端分别与所述第一开关管S1的源极、所述第二开关管S2的源极及所述储能电容C1的阴极相连接；
所述第一开关管S1的漏极与所述输入交流电源Vac的第二端相连接；
所述第二开关管S2的漏极与所述输入交流电源Vac的第一端相连接；
所述第一二极管D1的阳极与所述第一开关管S1的漏极相连接，所述第一二极管D1的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；
所述第二二极管D2的阳极与所述第二开关管S2的漏极相连接，所述第二二极管D2的阴极与所述储能电容C1的阳极相连接；
所述负载电阻R与所述储能电容C1并联；
所述升压电感L的第二端、所述第一开关管S1的源极及所述第二开关管S2的源极共地。
2.根据权利要求1所述的单电感双Boost无桥PFC变换器，其特征在于，所述第一开关管S1和所述第二开关管S2均为不带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT。
3.根据权利要求1所述的单电感双Boost无桥PFC变换器，其特征在于，所述第一二极管D1和所述第二二极管D2均为快恢复二极管。
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