專利名稱：一種低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低輸出紋波高效率PFC變換器設計方法及其裝置。
背景技術：
近年來，電力電子技術迅速發(fā)展，作為電力電子領域重要組成部分的電源技術逐漸成為應用和研究的熱點。開關電源以其效率高、功率密度高而確立了其在電源領域中的主流地位，但其通過整流器接入電網時會存在一個致命的弱點功率因數較低(一般僅為 0. 45 0. 75)，且在電網中會產生大量的電流諧波和無功功率而污染電網。抑制開關電源產生諧波的方法主要有兩種一是被動法，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或消除諧波；二是主動法，即設計新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低以及功率因數高等特點，即具有功率因數校正功能。開關電源功率因數校正研究的重點，主要是功率因數校正電路拓撲的研究和功率因數校正控制集成電路的開發(fā)。現有BucKBoost、 Buck-Boost、反激變換器等多種功率因數校正電路拓撲結構。功率因數校正控制集成電路負責檢測變換器的工作狀態(tài)，并產生脈沖信號控制開關裝置，調節(jié)傳遞給負載的能量以穩(wěn)定輸出；同時保證開關電源的輸入電流跟蹤電網輸入電壓，實現接近于1的功率因數。控制集成電路的結構和工作原理由開關電源采用的控制方法決定。對于同一功率電路拓撲，采用不同的控制方法會對開關電源的穩(wěn)態(tài)精度及動態(tài)性能等方面產生影響。傳統(tǒng)的有源功率因數校正變換器直流輸出電壓/電流包含有二倍工頻紋波，若二倍工頻輸出電壓/電流紋波被引入功率因數校正控制器中，會使功率因數校正變換器的輸入電流含有三次諧波電流成分，降低了功率因數校正變換器的輸入功率因數。因此傳統(tǒng)有源功率因數校正變換器的直流輸出電壓反饋控制環(huán)截止頻率低(一般僅為10 20Hz)，這嚴重影響功率因數校正變換器對負載變化的動態(tài)響應能力。此外，由于有源功率因數校正變換器的直流輸出電壓紋波較大，需在功率因數校正變換器輸出端接一個電容值很大的輸出電容后，還需要再接一個DC/DC變換器來提高負載直流輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度和對負載變化的動態(tài)響應能力，使變換器設計成本高、效率低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制方法，采用該方法可使單相PFC變換器輸出電壓/電流紋波減小，并且其動態(tài)響應性能好，效率高，抗干擾能力強，適用于各種拓撲結構的單相PFC變換器。本發(fā)明實現其發(fā)明目的，所采用的技術方案是低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制方法，其具體作法是單相功率因數校正變換器的輸出端與DC/DC變換器的輸出端相并聯(lián)，同時給負載提供能量。單相PFC變換器輸出的正端與DC/DC變換器輸出的正端相連接形成“Vo+”端， “Vo+”端同時接在負載的正端；單相PFC變換器輸出的負端與DC/DC變換器輸出的負端相連接形成“Vo-”端，"Vo-"端同時接在負載的負端。DC/DC變換器的輸入電源是輔助電源， 輔助電源的輸入源是直接來自整流橋的輸出或者由單相PFC變換器產生。當輔助電源的輸入源是直接來自整流橋的輸出時，輔助源具有功率因數校正的功能。這樣，當整個開關電源系統(tǒng)為恒定輸出電壓的電源時，單相PFC變換器和DC/DC變換器使用同樣的輸出電壓采樣電路，此輸出電壓采樣電路檢測負載兩端的電壓；當整個開關電源系統(tǒng)為恒定輸出電流的電源時，單相PFC變換器和DC/DC變換器使用不同的輸出電流采樣電路，兩個變換器的輸出電流采樣電路串聯(lián)后再與負載相串聯(lián)，單相PFC變換器的輸出電流同時流過兩個輸出電流采樣電路和負載，DC/DC變換器(DC-DC)的輸出電流只流過自身的電流采樣電路和負載。單相功率因數校正變換器采用經典的PFC控制策略(峰值電流模式控制、平均電流模式控制、電壓模式控制)得到功率因數校正變換器的控制信號。 由于經典的功率因數校正控制環(huán)路帶寬很低，單相功率因數校正變換器的輸出能量有很大的二倍工頻脈動，DC/DC變換器的輸出與單相PFC變換器的輸出相并聯(lián)，采用DC/DC變換器高帶寬的控制環(huán)路，使DC/DC變換器的輸出能量將補償PFC變換器輸出能量的二倍工頻脈動，從而消除了傳統(tǒng)單相PFC變換器的二倍工頻輸出紋波，使開關電源系統(tǒng)實現低輸出電壓/電流紋波。與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是1、相對于已有的功率因數校正變換器，采用本發(fā)明的功率因數校正變換器工作于穩(wěn)態(tài)時，有效地減小了負載的直流輸出電壓/電流紋波，有利于變換器整流濾波電路選用較小的輸出電容；2、采用本發(fā)明的功率因數校正變換器可提高輸出電壓反饋控制環(huán)的截止頻率，負載發(fā)生突變時，DC/DC變換器的控制器能夠立即響應，使變換器迅速進入新的穩(wěn)態(tài)； 3、采用發(fā)明的功率因數校正變換器無需后級的DC/DC變換器，僅需要一個小功率的DC/DC 變換器補償紋波，使得大部分輸出功率僅通過一級功率變換，提高了整個開關電源變換器整機的效率。本發(fā)明的另一目的是提供一種實現以上開關電源設計方法的裝置。本發(fā)明實現該裝置的技術方案是低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制裝置，由單相PFC變換器、DC/DC變換器(DC-DC)、整流電路(REC)和輔助電源(AP)組成；單相功率因數校正變換器的輸出端與DC/DC變換器的輸出端相并聯(lián)，同時給負載提供能量。單相PFC變換器輸出的正端與DC/DC變換器輸出的正端相連接形成“Vo+”端，“Vo+”端同時接在負載的正端；單相PFC變換器輸出的負端與DC/DC變換器輸出的負端相連接形成“Vo-” 端，“Vo-”端同時接在負載的負端。DC/DC變換器的輸入電源是輔助電源，輔助電源的輸入源是直接來自整流橋的輸出或者由單相PFC變換器產生。這樣，當輔助電源的輸入源是直接來自整流橋的輸出時，輔助源具有功率因數校正的功能。當整個開關電源系統(tǒng)為恒定輸出電壓的電源時，單相PFC變換器和DC/DC變換器使用同樣的輸出電壓采樣電路，此輸出電壓采樣電路檢測負載兩端的電壓；當整個開關電源系統(tǒng)為恒定輸出電流的電源時，單相PFC變換器和DC/DC變換器使用不同的輸出電流采樣電路，兩個變換器的輸出電流采樣電路串聯(lián)后再與負載相串聯(lián)，單相PFC變換器的輸出電流同時流過兩個輸出電流采樣電路和負載，DC/DC變換器(DC-DC)的輸出電流只流過自身的電流采樣電路和負載。單相功率因數校正變換器的拓撲結構可以采用Boos t變換器、Buck變換器、Buck-Boost變換器、全橋變換器、反激變換器等隔離型與非隔離型PFC變換拓撲；單相功率因數校正變換器采用經典的PFC控制策略(峰值電流模式控制、平均電流模式控制、電壓模式控制)得到功率因數校正變換器的控制信號；DC/DC變換器的拓撲結構可以采用Buck變換器、Boost變換器等變換器；DC/DC變換器可以采用峰值電流模式控制、 電壓模式控制等經典控制方式得到DC/DC變換器的控制信號，DC/DC變換器的環(huán)路帶寬遠高于單相PFC變換器的帶寬。可見，采用以上裝置可以方便可靠地實現本發(fā)明以上方法。下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構框圖。圖2為本發(fā)明實施例一的電路結構示意圖。圖3為本發(fā)明實施例一的輸入電流和輸入電壓關系的仿真結果圖。圖4為本發(fā)明實施例一的輸出電流波形。圖5為本發(fā)明實施例二的電路結構示意圖。
具體實施例方式實施案例圖2示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種恒流源開關電源的拓撲結構和控制方法，其具體作法是交流輸入電源經過C1、C2、L1、L2的LC濾波網絡連接在由D1、D2、D3、D4組成的整流橋上，整流橋輸出VREC信號作為反激變換器的輸入，反激變換器的變壓器Tl有4個繞組 N12,N34,N56和N78，N12是原邊繞組；N34是給反激功率因數控制器提供電源的輔助繞組， 經過D5，C4生成VDD電壓給反激功率因數控制器提供電源；N56是反激變換器的主輸出繞組，N56繞組經過D6，C5生成Vo+給負載提供一部分能量；N78是反激變換器的另一組輸出繞組，N78經過D7和C7生成輔助電源VAUX，輔助電源VAUX給后級小功率DC/DC Buck變換器提供能量。DC/DC Buck變換器由Q2、D8、L3、C6和Buck變換器控制器組成，DC/DC Buck 變換器將輔助電源VAUX轉變?yōu)閂o，給負載提供另一部分能量。R3采樣反激功率因數校正變換器給負載提供的電流，轉化為VFB-F電壓信號，反激功率因數校正變換器控制器將VFB-F 作為反饋信號與控制器內部的基準信號相比較，運用經典的峰值電流控制或者電壓模式控制等控制方法，并且控制反激變換器工作在斷續(xù)模式或者臨界連續(xù)模式，環(huán)路的帶寬控制在20Hz以內，以此實現功率因數校正功能。R2采樣流過負載的電流，轉化為VFB信號，包括 Buck變換器和反激變換器提供給負載的電流，Buck變換器用VFB信號作為控制的反饋信號與Buck控制器內部的基準信號比較，運用經典的峰值電流控制或者電壓模式控制等控制方法，環(huán)路的帶寬遠大于工頻的頻率，以此提高整個恒流源開關電源的響應速度，消除流過負載的工頻電流紋波。圖3和圖4是利用SIMetrix/SIMPLIS仿真軟件得到的仿真波形。從圖3可以看到輸入電流很好的跟蹤了輸入電壓的波形，該電源具有很高的功率因數。從圖4可以看出流過負載的電流平均值被精確的控制在1A，且電流紋波為3. 9mA。圖5示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種恒流源開關電源的拓撲結構和控制方法，其具體作法是 交流輸入電源經過Cl、C2、Li、L2的LC濾波網絡連接在由Dl、D2、D3、D4組成的整流橋上，整流橋輸出VREC信號作為反激變換器的輸入，變壓器Tl有3個繞組附2，N34和 N56，N12繞組作為Buck-Boost的電感使用，N12經過D6，C4生成Vo+給負載提供一部分能量；N;M經過D5，C7生成輔助電源VAUX，輔助電源VAUX給后級小功率DC/DC Boost變換器提供能量；N56經過D8，C6生成VDD電壓給Buck-Boost功率因數控制器提供電源。DC/DC Boost變換器由L3，Q2，D7和Boost變換器控制器組成，DC/DC Boost變換器將輔助電源 VAUX轉變?yōu)閂o，給負載提供另一部分能量。R3采樣Buck-Boost功率因數校正變換器給負載提供的電流，經過采樣變換電路，轉化為VFB-Main電壓信號，Buck-Boost功率因數校正變換器控制器將VFB-Main作為反饋信號與控制器內部的基準信號相比較，運用經典的峰值電流控制或者電壓模式控制等控制方法，并且控制Buck-Boost變換器工作在斷續(xù)模式或者臨界連續(xù)模式，環(huán)路的帶寬控制在20Hz以內，以此實現功率因數校正功能。R2采樣流過負載的電流，轉化為VFB_Aux信號，包括Boost變換器和Buck-Boost變換器提供給負載的電流，Boost變換器用VFB_Aux信號作為控制的反饋信號與Boost控制器內部的基準信號比較，運用經典的峰值電流控制或者電壓模式控制等控制方法，環(huán)路的帶寬遠大于工頻的頻率，以此提高整個恒流源開關電源的響應速度，消除流過負載的工頻電流紋波。
權利要求
1.一種低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制方法，其特征在于單相PFC變換器(TD)的輸出端與DC/DC變換器(DC-DC)的輸出端相并聯(lián)，同時給負載提供能量；單相PFC變換器輸出的正端與DC/DC變換器輸出的正端相連接形成“Vo+”端， “Vo+”端同時接在負載的正端；單相PFC變換器輸出的負端與DC/DC變換器輸出的負端相連接形成“Vo-”端，“Vo-”端同時接在負載的負端；DC/DC變換器的輸入電源是輔助電源；輔助電源的輸入源可以直接來整流電路(REC)的輸出，也可以由單相PFC變換器(TD)產生。
2.如權利要求1所述的低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制方法，其特征在于， 單相PFC變換器(TD)的控制方法采用經典的PFC控制方式，如峰值電流模式控制、平均電流模式控制、電壓模式控制、單周期控制。
3.如權利要求1所述的低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制方法，其特征在于， DC/DC變換器(DC-DC)的控制方法采用經典控制方式，如峰值電流模式控制、電壓模式控制；DC/DC變換器的環(huán)路帶寬遠高于單相PFC變換器(TD)的帶寬。
4.實現權利要求1或2或3所述控制方法的控制裝置，其特征在于，由單相PFC變換器、DC/DC變換器(DC-DC)、整流電路(REC)和輔助電源(AP)組成；單相PFC變換器(TD)輸出的正端與DC/DC變換器(DC-DC)輸出的正端相連接形成“Vo+”端，“Vo+”端同時接在負載(LD)的正端；單相PFC變換器(TD)輸出的負端與DC/DC變換器(DC-DC)輸出的負端相連接形成“Vo-”端，“Vo-”端同時接在負載(LD)的負端。
5.如權利要求4所述的低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制裝置，其特征在于， 單相PFC變換器(TD)的拓撲結構可以采用Boo s t變換器、Buck變換器、Buck-Boost變換器、全橋變換器、反激變換器等隔離型與非隔離型PFC變換拓撲。
6.如權利要求4所述的低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制裝置，其特征在于， DC/DC變換器(DC-DC)的拓撲結構可以采用Buck變換器、Boost變換器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低輸出紋波的并聯(lián)功率因數校正變換控制方法及其裝置。單相PFC變換器(TD)的輸出端與DC/DC變換器(DC-DC)的輸出端相并聯(lián)，同時給負載提供能量；單相PFC變換器輸出的正端與DC/DC變換器輸出的正端相連接形成“Vo+”端，“Vo+”端同時接在負載的正端；單相PFC變換器輸出的負端與DC/DC變換器輸出的負端相連接形成“Vo-”端，“Vo-”端同時接在負載的負端；DC/DC變換器的輸入電源是輔助電源；輔助電源的輸入源可以直接來整流電路(REC)的輸出，也可以由單相PFC變換器(TD)產生。本發(fā)明消除了傳統(tǒng)單相PFC變換器的二倍工頻輸出紋波，同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應，克服了傳統(tǒng)兩級功率因數校正變換器效率低、成本高的問題。
文檔編號H02M1/42GK102427293SQ20121000719
公開日2012年4月25日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權日2012年1月11日
發(fā)明者張婓, 許建平, 閻鐵生, 高建龍 申請人:西南交通大學