CN217693115U - 一种新型Sepic功率因数校正变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型Sepic功率因数校正变换器，包括：交流源、LC滤波器、整流桥电路、Sepic电路、负载、电压采样电路、控制电路。本实用新型可将工频或其他频率的交流电整流升/降压为直流电的同时实现功率因数校正功能。对比于已有Sepic功率因数校正变换器，本变换器采用一种新的混合导电模式，在一个半工频周期内同时工作在电感电流断续导电模式和电感电流临界连续模式，取长补短结合两种模式下的优点同时实现高功率因数和高效率。同时将Sepic电路中的两个电感耦合到一个磁芯上减小了电感量，降低电感电流变化率有利于降低EMI干扰、减小变换器体积、提高功率密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及功率因数校正技术领域，特别涉及一种新型Sepic功率因数校正变换器。
背景技术
功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)变换器广泛应用于需要减小输入电流畸变并满足相关的谐波标准的开关电源中。为减少电力电子设备对电网电能质量的影响，国际上的 IEC61000-3-2Class C和国家谐波标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》对电力电子设备的PF(Power Factor，功率因数)都有着严格的要求。因此采用具有PFC功能的开关电源有着重要的意义。
开关电源广泛应用于各种消费电子和工业设备中，如充电器、电源适配器、LED驱动器、工控电源等。目前开关电源主要工作模式有三种：一是电感电流连续导电模式、二是电感电流断续导电模式、三是电感电流临界连续模式。三种工作模式有不同的优缺点，适合的使用场景也不尽相同，以本实用新型中提及的Sepic PFC电路拓扑为例，当Sepic PFC电路工作在电感电流连续导电模式下时优点有适合重负载使用场景，缺点则是实现PFC需要采集输入电感电流会导致更高的驱动成本，此外输出二极管存在反向回复的问题；当SepicPFC电路工作在电感电流断续导电模式下时优点有对电感需求较小可以选择体积更小的电感有助于减小变换器体积提高功率密度以及减小了输出二极管反向恢复的问题，缺点则是电流有效值较大，对元器件要求较高，损耗也相应较大；当Sepic PFC电路工作在电感电流临界连续模式下时优点是相比于电感电流断续导电模式电流应力较小损耗较小，缺点则是在输入电压较低时，开关频率较高会引起较大的开关损耗以及输入电流过零畸变。开关管高频开关造成的电感电流高频脉动会对电网输入造成EMI干扰的问题同时高频功率电感体积较大以及大电流导致损耗较大不利于功率密度的提高。
发明内容
本实用新型的目的在于解决上述问题，实现高功率因数，提高输入侧的电能质量，减小电感体积提高整体转换效率和功率密度，进而提出一种新型功率因数变换电路。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：
本实用新型为一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，包括交流源、LC滤波器、整流桥电路、Sepic电路、负载、电压采样电路、控制电路，所述交流源(1)连接到LC滤波器(2)再连接到整流桥(3)的两输入端，整流桥(3)输出的高电平端与耦合电感(4)第一绕组一端相连，耦合电感(4)第一绕组另一端则与开关管(5)的漏极、中间电容(6)的正极相连接，中间电容(6)的负极与耦合电感(4)第二绕组的一端、输出二极管(7)的阳极相连接，输出二极管(7) 的阴极与滤波电容(8)正极、负载(9)的一端以及电压采样电路(10)的一端相连接，整流桥(3)输出的低电平端与开关管(5)的源极、耦合电感(4)第二绕组的另一端、滤波电容(8)、负载(9)另一端以及电压采样电路(10)另一端相连接，并接于地；所述开关管(5)的栅极与控制电路(11) 的输出信号端相连接。
可选地，所述耦合电感(4)第一绕组、第二绕组与第三绕组耦合到一个磁芯上，三个绕组均左端为同名端。
可选地，控制电路(11)包括误差放大器、PI补偿器、锯齿波生成器1、锯齿波生成器2、比较器1、比较器2、逻辑与门，所述控制电路(11)中误差放大器将电压采样电路(10)采集到的输出电压Vo与参考电压Vref1进行比较，误差放大器产生的输出信号输入到比较器1反向输入端，PI补偿器并接在误差放大器反向输入端与输出端之间对误差放大器进行补偿，锯齿波生成器1产生的锯齿波信号送入到比较器1同相输入端中，比较器1输出的PWM信号作为开关管(5)的控制信号；锯齿波生成器2产生的锯齿波信号与参考电压Vref2一起作为比较器2的输入，比较器2输出为一个固定频率的信号，这个信号一方面作为锯齿波生成器2的复位信号同时也与过零检测信号一起作为与门的输入，与门的输出信号复位锯齿波生成器1。
可选地，控制电路中比较器2产生的固定频率信号，作为电路开关的上限频率，当电路开关频率大于上限频率即开关周期小于比较器2输出的信号周期时，过零检测信号就会比上限频率信号先到来，与门输出则是与后到来的信号即上限频率信号保持一致，与门输出信号将复位锯齿波生成器1，锯齿波生成器1输出低电平信号，从而比较器1输出高电平信号导通开关管(5)，即在过零检测信号到来一段时间之后开关管(5)才导通即电路工作在电感电流断续导电模式下；反之则在过零检测信号到来时开关管(5)导通即电路工作在电感电流临界连续模式下。
可选地，开关管(5)栅极连接到控制电路输出进行驱动。
可选地，过零检测信号从耦合电感(4)第三绕组上取得。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
运用本实用新型所述的一种新型Sepic功率因数校正变换器，可以将工频交流电或其他频率的交流电整流升/降压为直流电，实现高功率因数，提高输入侧的电能质量，减小电感体积提高整体转换效率和功率密度。与传统工作模式下Sepic PFC变换器相比，本实用新型工作在混合导电模式即在一个半工频周期内既可以工作在电感电流断续导电模式也可以工作在电感电流连续模式。具体切换策略则是在一个半工频周期中电压较低时工作在电感电流断续导电模式避免电感电流临界连续模式下开关管开关频率过高造成比较大的开关损耗，同时避免输入电压过零时电流畸变的产生。在电压较高时工作在电感电流临界连续模式下降低电流应力从而降低器件的损耗。同时将输入电感与输出电感耦合到一个磁芯上，可以显著降低电路电感值的需求，从而可以选用电感值更低的电感，即可以降低电路损耗以及减小电路体积，有助于提高效率及功率密度。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种新型Sepic功率因数校正变换器的结构示意图；
图2为本实用新型所述电路输入电压和输入电流仿真波形图；
图3为本实用新型所述电路耦合电感第一绕组电流波形图。
图中标记说明：图1中，1-交流源，2-LC滤波器，3-整流桥，4-耦合电感，5-开关管，6-中间电容，7-输出二极管，8-滤波电容，9-负载，10-电压采样电路，11-控制电路，Vo是采样电路采样的输出电压值，Vref1是反馈回路中的输出电压参考值，Vref2是上限频率信号生成回路中的输出电压参考值。图2中为了更好展示电流电压是同步正弦变化的现象，对输入电压幅值缩小了倍数。图3为电感第一绕组上的电流波形图，以及局部放大的电流波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型做进一步详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了具体的实施方式，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示，本实用新型为一种新型Sepic功率因数校正变换器，包括：交流源(1)、LC 滤波器(2)、整流桥(3)、耦合电感(4)、开关管(5)、中间电容(6)、输出二极管(7)、滤波电容(8)、负载(9)、电压采样电路(10)、控制电路(11)，耦合电感匝数比为
对本实用新型所述一种新型Sepic功率因数校正变换器耦合电感工作原理的具体分析，输入输出电感电压分别为：
其中，LM是耦合形成的互感，iL1、iL2、UL1、UL2分别为输入输出电感上的电流和电压。
经过化简可以得到电感电流变化率为:
K为耦合系数最高为1，
n为变比
由于UL1＝UL2＝UC1＝|vin|则电感电流变化率分别为：
通过上述可知合理设置耦合系数和变比，理论上可以实现输入或输出电流零纹波，有利于滤波部分设计，同时两个电感耦合在一起可以减小体积，提高功率密度。
如图2所示，在一个二倍工频周期内，同时工作在两种模式下。当输入电压绝对值较高时电路工作在电感电流临界连续模式下；当输入电压较绝对值低时电路工作在电感电流断续导电模式下，电路以上限频率作为开关频率工作。避免了电压较低时工作在电感电流临界连续模式下开关管开关频率过高造成比较大的开关损耗，同时避免输入电压过零时电流畸变的产生。在电压较高时工作在电感电流临界连续模式下降低电流应力从而降低器件的损耗。
如图3所示，电感电流佐证了电路在一个二倍工频周期内同时工作在电感电流断续导电模式下和电感电流临界连续模式下。
设置测试条件：输入电压有效值为220V，频率f＝50Hz，输出电压100V，耦合电感匝数比为1：1：0.1，转折频率为100KHz。得到本实用新型一种新型Sepic功率因数校正变换器的输入电压和输入电流的仿真波形如图2所示，其输入电流随输入电压呈良好的正弦波特性，功率因数大于0.98，实现了高功率因数输入。效率在全电压范围内均高于92％，最高效率为94％。
根据以上分析可知，本实用新型所提出的变换电路能够实现较高的功率因数，高效率，进一步提升变换器整体的效率。
以上，仅为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；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时,凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，包括交流源、LC滤波器、整流桥电路、Sepic电路、负载、电压采样电路、控制电路，所述交流源(1)连接到LC滤波器(2)再连接到整流桥(3)的两输入端，整流桥(3)输出的高电平端与耦合电感(4)第一绕组一端相连，耦合电感(4)第一绕组另一端则与开关管(5)的漏极、中间电容(6)的正极相连接，中间电容(6)的负极与耦合电感(4)第二绕组的一端、输出二极管(7)的阳极相连接，输出二极管(7)的阴极与滤波电容(8)正极、负载(9)的一端以及电压采样电路(10)的一端相连接，整流桥(3)输出的低电平端与开关管(5)的源极、耦合电感(4)第二绕组的另一端、滤波电容(8)、负载(9)另一端以及电压采样电路(10)另一端相连接，并接于地；所述开关管(5)的栅极与控制电路(11)的输出信号端相连接。
2.根据权利要求1所述一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，所述耦合电感(4)第一绕组、第二绕组与第三绕组耦合到一个磁芯上，三个绕组均左端为同名端。
3.根据权利要求1所述一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，控制电路(11)包括误差放大器、PI补偿器、锯齿波生成器1、锯齿波生成器2、比较器1、比较器2、逻辑与门，所述控制电路(11)中误差放大器将电压采样电路(10)采集到的输出电压Vo与参考电压Vref1进行比较，误差放大器产生的输出信号输入到比较器1反向输入端，PI补偿器并接在误差放大器反向输入端与输出端之间对误差放大器进行补偿，锯齿波生成器1产生的锯齿波信号送入到比较器1同相输入端中，比较器1输出的PWM信号作为开关管(5)的控制信号；锯齿波生成器2产生的锯齿波信号与参考电压Vref2一起作为比较器2的输入，比较器2输出为一个固定频率的信号，这个信号一方面作为锯齿波生成器2的复位信号同时也与过零检测信号一起作为与门的输入，与门的输出信号复位锯齿波生成器1。
4.根据权利要求1所述一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，控制电路中比较器2产生的固定频率信号，作为电路开关的上限频率，当电路开关频率大于上限频率即开关周期小于比较器2输出的信号周期时，过零检测信号就会比上限频率信号先到来，与门输出则是与后到来的信号即上限频率信号保持一致，与门输出信号将复位锯齿波生成器1，锯齿波生成器1输出低电平信号，从而比较器1输出高电平信号导通开关管(5)，即在过零检测信号到来一段时间之后开关管(5)才导通即电路工作在电感电流断续导电模式下；反之则在过零检测信号到来时开关管(5)导通即电路工作在电感电流临界连续模式下。
5.根据权利要求1所述一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，开关管(5)栅极连接到控制电路输出进行驱动。
6.根据权利要求4所述一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，过零检测信号从耦合电感(4)第三绕组上取得。
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