專利名稱：一種利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種消除功率因數(shù)校正變換器工頻紋波的方法及其裝置，尤其涉及消除工頻紋波的AC/DC，隔離和非隔離式開關變換方法。
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。電源作為各種電子設備必不可少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)安全性和可靠性的高低。隨著電力電子器件制造技術和變流技術的進步，開關電源以其高效率、高功率密度等優(yōu)點確立了其在電源領域中的主流地位。開關電源多數(shù)是通過整流器接入電網(wǎng)的，傳統(tǒng)的整流器是由二極管或晶間管組成的一個非線性電路。因此，傳統(tǒng)的開關電源存在一個致命的弱點，即功率因數(shù)較低(一般僅為0. 45 0. 75)， 它在電網(wǎng)中會產生大量的電流諧波和無功功率進而污染電網(wǎng)，目前開關電源現(xiàn)已成為電網(wǎng)中最主要的諧波源之一。針對高次諧波的危害，從1992年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波，傳統(tǒng)整流器因諧波遠遠超標而面臨前所未有的挑戰(zhàn)。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(shù)高等特點，即具有功率因數(shù)校正功能。開關電源功率因數(shù)校正研究的重點，主要是功率因數(shù)校正電路拓撲的研究和功率因數(shù)校正控制集成電路的開發(fā)。現(xiàn)有BuCk、B00St、BuCk-B00St 等多種功率因數(shù)校正電路拓撲結構。功率因數(shù)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(wǎng)輸入電壓，實現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。傳統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正變換器其直流輸出電壓包含有二倍工頻紋波，若二倍工頻輸出電壓紋波被引入功率因數(shù)校正控制器中，會使功率因數(shù)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(shù)校正變換器的輸入功率因數(shù)。因此傳統(tǒng)有源功率因數(shù)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(shù)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(shù)校正變換器的直流輸出電壓紋波較大，需在功率因數(shù)校正變換器輸出端再接一個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。在傳統(tǒng)高功率因數(shù)的應用電路中，輸入電流嚴格跟蹤輸入交流電壓，交流輸入側的輸入功率也是變化的，其變化頻率為交流輸入電壓頻率的兩倍，經過功率變換后，直流輸出端濾波器上會有兩倍工頻紋波；且高功率因數(shù)的AC/DC變換器帶寬小、動態(tài)性能差，輸出紋波通常是額定輸出的2% 20%。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種可消除工頻紋波的PFC變換器設計方法，且其動態(tài)響應性能好、效率高，適用于各種拓撲結構的單相PFC變換器。其中雙向DC/DC變換器能量緩沖裝置電壓反饋的方法，還可用在消除輸入電流含有二倍工頻紋波的DC/AC轉換器中，用來設定雙向DC/DC變換器能量緩沖裝置上的平均電壓值。所采用的技術方案是利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法，其具體作法是通過在AC/DC單相PFC變換器中并入一個額外的雙向DC/DC變換器，在單相PFC 變換器的輸出高于參考電壓或者參考電流的時候，用來存儲和吸收多余的能量到能量緩沖儲能電容；在單相PFC變換器的輸出低于參考電壓或參考電流的時候，釋放儲能電容的能量到負載。用上述的方式補償單相PFC變換器輸出的交流紋波能量，從而消除單相PFC變換器直流輸出端濾波器上的二倍工頻紋波；同時利用該雙向DC/DC變換器的高帶寬特性提升單相PFC變換器的輸出動態(tài)性能。單相PFC變換器的直流輸出電容與雙向DC/DC變換器輸入端及負載并聯(lián)。其中， PFC變換器拓撲為常見的Boost變換器、全橋變換器、反激變換器等非隔離型與隔離型PFC 變換拓撲，控制策略包括平均電流模式控制、單周控制等；雙向DC/DC變換器拓撲為雙向 Buck-Boost等拓撲，控制策略可以為峰值電流模式控制、電壓模式控制等。通過采樣單相 PFC變換器直流輸出電壓，作為DC/DC變換器的參考信號，控制雙向DC/DC變換器的工作模式，用于補償單相PFC變換器直流輸出電容上的二倍工頻紋波；并且引入雙向DC/DC變換器儲能電容的電壓到反饋控制，使得儲能電容的平均電壓為恒定值，雙向DC/DC變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)。與現(xiàn)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(shù)校正變換器，采用本發(fā)明的功率因數(shù)校正變換器處于穩(wěn)態(tài)時，有效地減小了負載的直流輸出電壓紋波，有利于變換器整流濾波電路選用較小的輸出電容。2、采用發(fā)明的功率因數(shù)校正變換器可提高輸出電壓反饋控制環(huán)的截止頻率，因此負載發(fā)生突變時雙向DC/DC變換器可快速響應，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。3、采用發(fā)明的功率因數(shù)校正變換器無需后級的DC/DC變換器，僅需要一個小功率的雙向DC/DC變換器來補償輸出紋波補償，提高了變換器整機的效率，降低了變換器整機的成本。本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)以上開關電源設計方法的裝置。利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換裝置，由濾波整流器，單相PFC 變換器等組成，在AC/DC單相PFC變換器中并入一個額外的雙向DC/DC變換器，單相PFC變換器的直流輸出電容Cl連接到雙向DC/DC變換器的輸入端，并與負載R并聯(lián)；雙向DC/DC 變換器的另一端接能量緩沖電容C2。
圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構框圖。圖2為本發(fā)明實施案例一，一種隔離型AC/DC恒流輸出變換器電路結構示意圖。圖3，4本發(fā)明為實施例一的仿真波形，仿真條件輸入電壓110VaC/50HZ，300mA恒流負載。flyback PFC工作在臨界連續(xù)導電模式，采用電壓模式控制；紋波補償雙向DC/DC 變換器采用Buck-Boost結構，控制方式為電壓模式控制。圖3為穩(wěn)態(tài)情況下，雙向DC/DC變換器輸出電壓儲能電容C2上的電壓Vout in C2、 單相PFC變換器輸出電容Cl上的電壓Vout in
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Cl、以及最終負載電流I_out。可見由于雙向變換器輸出電容C2儲存和釋放能量， C2上形成了二倍工頻紋波，而與負載R并聯(lián)的電容Cl上得到了穩(wěn)定的直流輸出電壓。圖4為滿負載情況下交流輸入電壓Vin_aC與交流輸入電流Iin_aC的波形，可見輸入電流Iin_ac很好的跟蹤了輸入電壓Vin_aC。圖5為本發(fā)明實施案例二，一種非隔離型DC/AC恒壓輸出變換器電路結構示意圖。
具體實施例方式實施例一圖2示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種開關電源的控制方法，采用隔離型 AC/DC恒流輸出的變換方式，其具體作法是交流輸入Vac經過EMI和整流橋Dbridge，接flyback電路。通過單級具有PFC 功能的flyback變換器，其直流輸出電容Cl的上端接LED串的上端，LED串的下端接電流檢測電阻RS，RS的下端接Cl的下端。單相flyback PFC變換器直流輸出電容Cl與雙向 Buck-BoostDC/DC變換器具有升壓輸出的輸入端并聯(lián)，儲能電容C2接雙向Buck-Boost DC/ DC變換器的降壓輸出端。單相flyback PFC變換器工作于臨界連續(xù)導電模式。Vref 1是相對于Vout-的參考電壓，作為恒流輸出的設定值，Rs用來檢測流過LED燈的電流，電流檢測電壓Vrs與Vrefl進入環(huán)路控制模塊，通過誤差放大器EAl，光耦隔離到SPFC控制器，通過調制形成開關管Ql的控制脈沖信號。雙向Buck-Boost變換器也以Vrs作為反饋信號并與設定值Vref 1進入誤差放大器EAl，Rc與Cc是雙向DC/DC變換器的環(huán)路補償網(wǎng)絡。Vref2是相對于Vout-的參考電壓，用來設定儲能電容C2上的穩(wěn)態(tài)平均電壓，C2上的電壓與Vref2 通過誤差放大器EA2后與EAl共用環(huán)路補償網(wǎng)絡?？刂破鞲鶕?jù)補償網(wǎng)絡輸出信號形成開關管Q2，Q3的脈沖控制信號。實施例二圖5示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為，一種開關電源的控制方法，采用非隔離型DC/AC恒壓輸出的變換方式，其具體作法是直流輸入El接Boost升壓電路的電感Ll，由 L1、Q1、Q2組成非隔離升壓電路。Vrefl是相對于Vout-的參考電壓，用來設定逆變器的前級電容Cl上的直流電壓Vout+。Vout+與Vrefl通過誤差放大器EA產生占空比控制電平信號，經過控制器1的調制形成開關管Q1、Q2的脈沖控制信號。電容Cl接雙向DC/DC變換器的輸入端(降壓端)，雙向DC/DC變換器的輸出端接儲能電容C2。Vout+與Vrefl通過誤差放大器EAl產生占空比控制電平信號，接環(huán)路補償網(wǎng)絡Rc、Cc。Vref2是相對于Vout-的參考電壓，用來設定儲能電容C2上的直流電壓VC2，VC2與Vref 2通過誤差放大器EA2產生占空比控制電平信號，并與EAl的輸出共用補償網(wǎng)絡。經過控制器2的調制形成開關管Q3、 Q4的脈沖控制信號。
權利要求
1.一種利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于在AC/DC 單相PFC變換器中并入一個額外的雙向DC/DC變換器，在單相PFC變換器的輸出高于參考電壓或者參考電流的時候，用來存儲和吸收多余的能量到能量緩沖儲能電容；在單相PFC 變換器的輸出低于參考電壓或參考電流的時候，釋放儲能電容的能量到負載；以此方式補償單相PFC變換器輸出的交流紋波能量，從而消除單相PFC變換器直流輸出端濾波器上的二倍工頻紋波。
2.如權利要求1所述利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，單相PFC變換器的控制方法是單相PFC變換器控制單元的參考電壓Vrefl是相對于 Vout-的直流電壓，恒流控制的反饋信號為Vrs，其中(Vrs-Vout-) /Rs是最終負載側的電流信號；由反饋信號Vrs與Vrefl的差值經過控制環(huán)路產生決定功率開關Ql占空比的信號， 經過PWM調制從而得到功率開關Ql的脈沖控制信號。
3.如權利要求1所述利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，雙向DC/DC變換器的控制方法是雙向DC/DC變換器控制單元的參考電壓Vrefl是相對于Vout-的直流電壓，恒流控制的反饋信號為Vrs，其中(Vrs-Vout-) /Rs是最終負載側的電流信號；由反饋信號Vrs與Vrefl的差值經過誤差放大信號EAl來產生決定功率開關Q2、 Q3占空比的信號，經過PWM調制從而得到功率開關Q2、Q3的脈沖控制信號。
4.如權利要求1所述利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，雙向DC/DC變換器的控制方法是雙向DC/DC變換器控制單元的參考電壓Vref2是相對于Vout-的直流電壓，雙向DC/DC變換器能量緩沖電容C2兩端的電壓與控制單元參考電壓 Vref2的差值經過誤差放大器EA2后，其輸出與權利要求3中的EAl共用補償網(wǎng)絡，產生決定功率開關Q2、Q3占空比的信號，經過PWM調制從而得到功率開關Q2、Q3的脈沖控制信號。
5.如權利要求4所述利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法，其特征在于，雙向DC/DC變換器的控制方法是弓I入誤差放大器EA2，EA2與雙向DC/DC變換器的誤差放大器EAl共用補償網(wǎng)絡。
6.一種實現(xiàn)權利要求1或2或3或4或5所述利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法的裝置，由濾波整流器，單相PFC變換器等組成，其特征在于，在AC/DC單相 PFC變換器中并入一個額外的雙向DC/DC變換器，單相PFC變換器的直流輸出電容Cl連接到雙向DC/DC變換器的輸入端，并與負載R并聯(lián)；雙向DC/DC變換器的另一端接能量緩沖電容C2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用削峰填谷消除工頻紋波的功率因數(shù)校正變換方法及其裝置。在AC/DC單相PFC變換器中并入一個額外的雙向DC/DC變換器，在單相PFC變換器的輸出高于參考電壓或者參考電流的時候，用來存儲和吸收多余的能量到能量緩沖儲能電容；在單相PFC變換器的輸出低于參考電壓或參考電流的時候，釋放儲能電容的能量到到負載；以此方式補償單相PFC變換器輸出的交流紋波能量，從而消除單相PFC變換器直流輸出端濾波器上的二倍工頻紋波。本發(fā)明實現(xiàn)了消除功率因數(shù)校正變換器工頻紋波電壓或者紋波電流的問題，克服了使用大容量電容來降低功率因數(shù)校正變換器工頻紋波而引起的成本高和使用級聯(lián)的兩級變換器帶來效率低等問題。
文檔編號H02M1/42GK102437728SQ20121000679
公開日2012年5月2日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權日2012年1月11日
發(fā)明者張斐, 許建平, 閻鐵生, 高建龍 申請人:西南交通大學