CN218416188U - 一种新型Sepic功率因数校正变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型Sepic功率因数校正变换器，包括交流输入级电路、直流输出级电路和控制电路。所述交流输入级电路包括EMI滤波电路、图腾柱式无桥Sepic PFC电路和钳位电路，所述直流输出级电路包括基本输出级电路和电压采样电路，所述控制电路包括运算放大器、光耦隔离和PWM控制芯片。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，实现功率因数校正功能的同时提高变换器效率。对比于已有Sepic功率因数校正变换器，本变换器采用无桥PFC和软开关技术，有效减小了开关损耗，改善了变换器效率；本实用新型运用钳位电路减小开关电压应力，消除电压尖峰，回收变压器漏感能量，进一步提高了变换器效率。此外，本实用新型为隔离结构，更安全。

Description

一种新型Sepic功率因数校正变换器

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

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，高功率密度、高效率、低成本的开关电源已被广泛应用于工业、农业、医疗等领域和人们的日常生活中，但其通过整流器接入电网时会存在一个致命的弱点：功率因数较低(一般仅为0.45～0.75)，且在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网。为了满足相关谐波标准，减小对电网电能质量的影响，需要采用功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术来提高开关电源的功率因数，降低电网谐波含量，确保电网安全可靠运行。

PFC技术的目的是校正发生畸变的输入电流波形，让其能很好的跟随输入电压，同时尽可能的减少输入电流中的谐波含量。PFC技术通常可以分为两种：一是无源PFC，即采用无源LC滤波电路消除谐波；二是有源PFC，通过引入闭环反馈控制开关管的通断来提高输入电流的正弦性，二者各有优缺点。无源PFC电路虽然电路结构简单、成本低、不必增加控制电路，但其对输入电流的校正能力有限，功率因数较低；并且电感和电容的加入导致其体积庞大，应用场合受限。而有源PFC能够很好的校正输入电流波形，具有较高的功率因数，同时由于其具有体积小、效率高、输入范围广、输出稳定等优点而得到广泛的研究与应用。传统的有源PFC电路一般采用Boost-升压拓扑，这是因为Boost具有控制容易、驱动简单以及高功率因数的特性，但其只能工作在升压模式。Buck-降压拓扑有较大的过零畸变，当输入电压低于输出电压时，不传递能量，输入电流为0，无法获得较高的功率因数。相比于Boost、Buck等基本PFC变换电路，Sepic PFC变换器可以在整个工频周期内传递能量，功率因数和总谐波畸变都相对较优，不仅可以在升降压模式下工作也更易于实现电气隔离，因此受到了越来越多的关注。以本实用新型中提及的Sepic PFC电路拓扑为例，传统隔离型Sepic PFC变换器的开关管电压应力大，且因输入端整流桥的存在，会产生过多的能量损耗，导致变换器的整体效率降低。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种新型Sepic功率因数校正变换器，实现高功率因数、高效率和输入输出的隔离。其具体方案如下：

本实用新型为一种新型Sepic功率因数校正变换器，包括交流输入级电路、直流输出级电路和控制电路。所述交流输入级电路包括EMI滤波电路、图腾柱式无桥Sepic PFC电路和钳位电路，所述直流输出级电路包括基本输出级电路和电压采样电路，所述控制电路包括运算放大器、光耦隔离和PWM控制芯片。所述一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，所述交流输入级电路包括图腾柱式无桥结构(4)，图腾柱式无桥结构(4)的输入端为经过EMI滤波器(2)和输入电感(3)的交流电源(1)，图腾柱式无桥结构(4)输出的上端与中间电容(7)的正极相接，中间电容(7)的负极与钳位电路(8)的上端、变压器(10)原边绕组的上端相连接；图腾柱式无桥结构(4)输出的下端与钳位电路(8)的下端、变压器(10)原边绕组的下端相连接，并接于地。所述图腾柱式无桥结构(4)是将传统整流桥右侧的两个二极管以开关管代替作为主开关管S₁(5)和主开关管S₂(6)，主开关管S₁(5)和主开关管S₂(6)的栅极与控制电路(15)的输出信号端相连接。

可选地，所述直流输出级电路包括变压器(10)副边绕组，变压器(10)副边绕组的上端与续流二极管(11)的阳极相连接，续流二极管(11)的阴极与输出滤波电容(12)的正极、直流负载(13)的上端以及电压采样电路(14)的上端相连接，变压器(10)副边绕组的下端与输出滤波电容(12)的负极、直流负载(13)的下端以及电压采样电路(14)的下端相连接，并接于地。

可选地，控制电路(15)仅由运算放大器、光耦隔离和PWM控制芯片构成，所述控制电路(15)将电压采样电路(14)采集到的信号进行PI调节，再将误差信号通过光耦隔离传递到原边PWM控制芯片，然后控制芯片输出一组带死区的互补驱动信号来驱动主开关管S₁(5)、主开关管S₂(6)和辅开关管(9)。

可选地，所述钳位电路(8)与变压器(10)并联，钳位电路(8)中的开关管作为辅开关管(9)，辅开关管(9)的漏极与钳位电容的正极相连，辅开关管(9)的源极与中间电容(7)的负极、变压器(10)原边绕组的上端相连接，辅开关管(9)的栅极与控制电路(15)的输出信号端相连接，钳位电容的负极与图腾柱式无桥结构(4)输出的下端、变压器(10)原边绕组的下端相连接。

可选地，所述变压器(10)为双绕组高频隔离变压器，其励磁电感为L_m，漏感为L_r，原副边匝数比为n:1；其中漏感L_r与钳位电容发生谐振，并向副边传递能量，来实现续流二极管(11)的零电流关断。

可选地，所述主开关管S₁(5)、主开关管S₂(6)和辅开关管(9)接同一控制回路，驱动信号为反向驱动。

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，可以将工频或其他频率的交流电整流升/降压为直流电，实现功率因数校正功能的同时提高变换器的效率。与传统的Sepic PFC变换器相比，本实用新型使用无桥PFC、有源钳位和软开关技术对SepicPFC变换器进行了改进。通过使用开关管和快恢复二极管代替整流桥，有效减小了开关损耗，改善了变换器效率；同时钳位电路在本实用新型中的运用有效地减小了有源开关的电压应力，且消除了电压尖峰，而且钳位电路可以回收变压器漏感能量，有利于提高变换器的效率；通过调节控制电路输出信号的死区时间实现主开关管和辅开关管的零电压开通，调节漏感和钳位电容的值让其有足够的谐振深度，从而使能量能完全传递至副边来实现续流二极管的零电流关断，软开关的实现可以进一步提高变换器的效率。而且，本实用新型为隔离结构，更安全。

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等效结构及电压电流方向示意图；

图3为本实用新型所述电路部分稳态工作近似波形图；

图4为本实用新型所述电路输入电流i_in、输入电压V_in和输出电压V₀的仿真波形图；

图5为本实用新型所述电路应用有源钳位电路前后电压V_Bus的对比图。

图中标记说明：图1中，1-交流电源，2-EMI滤波器，3-输入电感，4-图腾柱式无桥结构，5-主开关管S₁，6-主开关管S₂，7-中间电容，8-钳位电路，9-辅开关管，10-变压器，11-续流二极管，12-输出滤波电容，13-直流负载，14-电压采样电路，15-控制电路，V_O是采样电路采样的输出电压值，V_ref是反馈回路中的输出电压参考值，V_g1、V_g2是主开关管S₁、主开关管S₂的驱动信号，V_g3是辅开关管S₃的驱动信号。图2中，i_L1为输入电感电流，i_S1为流过主开关管S₁的电流，V_BUS为BUS点对地的电压，V_C1为中间电容电压，V_Cc为钳位电容电压，i_T为流过变压器的电流，i_Lr为变压器漏感电流，i_Lm为励磁电感电流，i_VD0为流过续流二极管的电流，V₀为电路总输出电压。

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，本实用新型所述的一种新型Sepic功率因数校正变换器，包括交流电源(1)、EMI滤波器(2)、输入电感(3)、图腾柱式无桥结构(4)、主开关管S₁(5)、主开关管S₂(6)、中间电容(7)、钳位电路(8)、辅开关管(9)、变压器(10)、续流二极管(11)、输出滤波电容(12)、直流负载(13)、电压采样电路(14)、控制电路(15)，其中图腾柱式无桥结构(4)包括左侧的两个快恢复二极管V_D1、V_D2和右侧的两个主开关管S₁(5)、主开关管S₂(6)，钳位电路(8)包括辅开关管(9)和钳位电容C_c。将变压器T等效为漏感L_r、励磁电感L_m和理想变压器的形式，其原副边匝数比为n:1，具体的等效电路图如图2所示。

对如图2所示的等效电路图进行原理分析，可以得到如图3所示的本实用新型所述电路部分稳态工作近似波形图，并将其在一个开关周期T_s内的工作情况分为八个工作模态，分别为：第Ⅰ工作模态(t₀-t₁)、第Ⅱ工作模态(t₁-t₂)、第Ⅲ工作模态(t₂-t₃)、第Ⅳ工作模态(t₃-t₄)、第Ⅴ工作模态(t₄-t₅)、第Ⅵ工作模态(t₅-t₆)、第Ⅶ工作模态(t₆-t₇)、第Ⅷ工作模态(t₇-t₈)。如图3所示，分别描绘出了主开关管S₁、主开关管S₂和辅开关管S₃的控制信号V_GS、输入电感电流i_L1、主开关管S₁电流i_S1、主开关管S₂电流i_S2、漏感电流i_Lr和励磁电感电流i_Lm、续流二极管V_D0电流i_VD0以及BUS点对地的电压V_BUS在一个开关周期T_s内的不同变化情况。

经过对本实用新型所述一种新型Sepic功率因数校正变换器副边续流二极管工作原理的具体分析，在[t₄-t₆]时间段，变压器漏感L_r与钳位电容C_c的谐振周期为：

要使副边二极管实现零电流关断，则需满足ΔT≥T_r，其中，ΔT＝t₆-t₄。即：

经过化简可以得到变换器的开关频率为：

其中，D_min是变换器的最小占空比，D_min＝nV₀/(nV₀+V_{m_max})，V_{m_max}是输入电压峰值的最大值。

因此，通过合理设计变压器漏感L_r和钳位电容C_c，就能使其具有足够的谐振深度，从而使副边二极管V_D0实现零电流关断。并且通过编程PWM控制芯片UCC2580-3的DELAY引脚可以控制输出信号之间的非重叠延迟，即所输出互补信号间的死区时间，实现主开关管和辅开关管的零电压开通。软开关技术的应用，可以大大减小甚至消除开关损耗，提高变换器效率，为其小型化和高频率创造了条件。

设置测试条件：输入电压有效值为115V，频率f＝400Hz，输出电压28V，输出功率70W，变压器匝数比为3.3:1，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流i_in、输入电压V_in和输出电压V₀的仿真波形图如图4所示，其输入电流i_in随输入电压V_in呈良好的正弦波特性，功率因数大于0.97，实现了高功率因数输入；输出电压V₀基本能很好的稳定在28V左右。得到本实用新型一种新型Sepic功率因数校正变换器所述电路应用有源钳位电路前后电压V_Bus的对比图如图5所示。从图5可以看出，该变换器的变压器漏感所造成的电压尖峰高达1860V左右，导致其三个开关管所承受的电压应力非常高；增加有源钳位电路后，电压尖峰降至360V左右，有效抑制电压尖峰的同时降低了开关管的电压应力，并进一步提高了变换器效率。功率因数在全电压范围内均大于0.96，且效率高达90.22％。

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，解决了传统变换器开关管电压应力大且存在电压尖峰的问题，同时可以回收变压器漏感能量，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，包括交流输入级电路、直流输出级电路和控制电路，所述交流输入级电路包括EMI滤波电路、图腾柱式无桥Sepic PFC电路和钳位电路，所述直流输出级电路包括基本输出级电路和电压采样电路，所述控制电路包括运算放大器、光耦隔离和PWM控制芯片；所述一种新型Sepic功率因数校正变换器，其特征在于，所述交流输入级电路包括图腾柱式无桥结构(4)，图腾柱式无桥结构(4)的输入端为经过EMI滤波器(2)和输入电感(3)的交流电源(1)，图腾柱式无桥结构(4)输出的上端与中间电容(7)的正极相接，中间电容(7)的负极与钳位电路(8)的上端、变压器(10)原边绕组的上端相连接，图腾柱式无桥结构(4)输出的下端与钳位电路(8)的下端、变压器(10)原边绕组的下端相连接，并接于地；所述图腾柱式无桥结构(4)是将传统整流桥右侧的两个二极管以开关管代替作为主开关管S₁(5)和主开关管S₂(6)，主开关管S₁(5)和主开关管S₂(6)的栅极与控制电路(15)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，所述直流输出级电路包括变压器(10)副边绕组，变压器(10)副边绕组的上端与续流二极管(11)的阳极相连接，续流二极管(11)的阴极与输出滤波电容(12)的正极、直流负载(13)的上端以及电压采样电路(14)的上端相连接，变压器(10)副边绕组的下端与输出滤波电容(12)的负极、直流负载(13)的下端以及电压采样电路(14)的下端相连接，并接于地。

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(15)仅由运算放大器、光耦隔离和PWM控制芯片构成，所述控制电路(15)将电压采样电路(14)采集到的信号进行PI调节，再将误差信号通过光耦隔离传递到原边PWM控制芯片，然后控制芯片输出一组带死区的互补驱动信号来驱动主开关管S₁(5)、主开关管S₂(6)和辅开关管(9)。

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，所述钳位电路(8)与变压器(10)并联，钳位电路(8)中的开关管作为辅开关管(9)，辅开关管(9)的漏极与钳位电容的正极相连，辅开关管(9)的源极与中间电容(7)的负极、变压器(10)原边绕组的上端相连接，辅开关管(9)的栅极与控制电路(15)的输出信号端相连接，钳位电容的负极与图腾柱式无桥结构(4)输出的下端、变压器(10)原边绕组的下端相连接。

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，所述变压器(10)为双绕组高频隔离变压器，其励磁电感为L_m，漏感为L_r，原副边匝数比为n:1；其中漏感L_r与钳位电容发生谐振，并向副边传递能量，来实现续流二极管(11)的零电流关断。

6.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，所述主开关管S₁(5)、主开关管S₂(6)和辅开关管(9)接同一控制回路，驱动信号为反向驱动。

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