专利名称：基于单周期控制的双管Buck-Boost型PFC变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种PFC变换器，具体涉及一种基于单周期控制的双管Buck-Boost型 PFC变换器。
背景技术：
近年来电力电子设备应用日益广泛。这些设备绝大多数都要采用直流供电，因此整流装置成为电力电子产品中必不可少的组成部分。最简单的整流装置是由二极管整流桥和很大的滤波电容来实现，其输出是不可调的直流电压。由于整流二极管导通角很小，因此电网仅在每个工频周期的一小部分时间里给负载提供能量，其输入电流波形包含丰富的高次谐波。电流谐波给系统本身和周围的电磁环境带来一系列的危害，特别是对电力系统、 通信系统、仪器仪表的危害，这些危害主要表现在以下几个方面(1)谐波成分会影响供电系统的供电质量；(2)谐波成分增加了输电、配电和用电系统中的损耗；(3)谐波成分影响供电系统的安全；(4)谐波成分会导致一些重要的控制、保护和测量装置的误动作；(5)高次谐波干扰通信系统。解决用电设备谐波污染的主要途径有两种一是采用无源滤波或有源滤波，二是对电力电子装置进行无功补偿或或功率因数校正。功率因数校正还可以分为无源功率因数校正(PPFC)和有源功率因数校正(APFC)两类方法。无源型PFC结构简单、成本低、可靠性高、EMI (Electro-Magnetic Interference)小、滤波效果也比较显著等，因而被广泛应用， 但也存在尺寸、重量大，难以得到高功率因数(一般可提高到0. 9左右)，工作性能与频率、 负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流等缺点。有源型PFC是在整流器和负载之间加入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流波形近似为正弦，从而使输入端THD小于5%， 功率因数可提高到0. 99以上，且可在较宽的输入电压范围和宽频带下工作，体积、重量小， 输出电压可保持恒定，因此具有广泛的应用前景。PFC变换器的基本电路由主电路和控制电路两部分组成。常见的PFC变换器的主电路有Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、flyback等变换器。其中，Boost变换器在实际应用中最为广泛，因为其具有如下独特的优势具有输入滤波电感，故输入电流可以处于连续状态，纹波较小，降低了对滤波电路的要求；功率开关管的源极(或双极晶体管的射极)电位始终为零(处于地电位)，因此对功率管的驱动很容易实现；输出电压和输入电压同极性， 便于控制。然而，Boost变换器只能实现升压(220V交流输入时，输出直流电压在380V以上)，在实际应用中往往需要在后级级联降压变换器，以匹配后级设备的用电电压(一般较低)，使得整个系统的效率有所降低。此外，常用的PFC变换器控制策略主要有峰值电流控制、平均电流控制、滞环电流控制等。这些控制方式都能取得很好的控制效果，只是其控制电路都需要乘法器，增加了控制的复杂程度。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种基于单周期控制(One-cycle Control)的双管Buck-Boost型PFC变换器。该PFC变换器能实现输出电压升降压控制，且低电流畸变和高功率因数，而且不采用乘法器，使得整个控制电路的复杂程度降低。本发明的技术解决方案是一种基于单周期控制的双管Buck-Boost型PFC变换器，其特征是桥式整流电路与高频输入电容连接，高频输入电容与BOCBB型双管Buck-Boost变换器(Boost级联 Buck)连接，BOCBB型双管Buck-Boost变换器后接有输出电压取样电路，输出电压取样电路与PI调节器连接，PI调节器接有基准电压信号，PI调节器的输出端分成两路，一路与比较器的同相输入端连接，另一路与减法器连接，减法器对BOCBB型双管Buck-Boost变换器的输入电流采样信号及PI调节器输出信号运算后输入到可复位积分器，可复位积分器输出端与比较器的反相输入端连接，比较器输出端与RS触发器连接，RS触发器的。端与可复位积分器的复位开关连接，RS触发器的Q端与控制BOCBB型双管Buck-Boost变换器中的二个开关管动作的驱动电路连接。所述输出电压采样电路可以有很多实现形式。例如，采用二个串联电阻组成的分压取样电路，分压取样电路中二个串联电阻之间的取样点与PI调节器连接；或为二个串联电阻组成的分压取样电路，分压取样电路中二个串联电阻之间的取样点与PI调节器连接； 或为双管Buck-Boost型PFC变换器输入回路串电阻采样或者输入回路串联直流电流霍尔传感器采样。本发明将BOCBB型双管Buck-Boost变换器作为PFC变换器的主电路，并采用了 Keyue M. Smedley提出的新颖的非线性控制技术——单周期控制技术，通过单级变换器实现了输出电压升降压控制和输入电流波形的校正，且取消了传统控制方法中的乘法器，既降低了电流畸变和提高了功率因数，又降低了主电路和控制电路的复杂程度，提高了系统效率。
图1是本发明一个实施例的电路结构示意图。图2是BOCBB型双管Buck-Boost变换器的电路图。图3是BOCBB型双管Buck-Boost变换器S1和S2同时导通状态示意图。图4是BOCBB型双管Buck-Boost变换器S1和S2同时关断状态示意图。图5是下降沿调制工作过程理论分析波形图。图6是单周期控制双管Buck-Boost型PFC变换器仿真电路图。图7是满载时输入电压和输入电流仿真波形。图8是输入电压突增时的输入电压、输出电压和输入电感电流仿真波形。图9是负载突变时输入电压、输入电感电流和输出电压的仿真波形。图10是轻载时输入电压、输出电压和输入电感电流的仿真波形。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1所示为一种基于单周期控制的双管Buck-Boost型PFC变换器。图中，桥式整流电路与双管Buck-Boost型变换器连接之间并联高频输入电容Cin，双管Buck-Boost型 PFC变换器后接有输出电压取样电路，输出电压取样电路与PI调节器连接，PI调节器接有基准电压信号，PI调节器的输出端分成两路，一路与比较器的同相输入端连接，另一路与减法器连接，减法器对双管Buck-Boost型变换器的输入电流采样信号及PI调节器输出信号运算后输入到可复位积分器，可复位积分器与比较器的反相输入端连接，比较器与RS触发器连接，RS触发器的。端与可复位积分器的复位开关S连接，RS触发器的Q端与控制双管 Buck-Boost型变换器中的二个开关管Si、S2动作的驱动电路连接。所述输出电压采样电路为二个串联电阻R1、R2组成的分压取样电路，分压取样电路中二个串联电阻之间的取样点与PI调节器连接。双管Buck-Boost型变换器的输入电流通过电阻Rs进行采样。图1中还有电感L1、L2、电容C1、C2、二极管D1、D2、电阻Rs、时钟(CLK)单周期控制电路中的电容、电阻等。 1、主电路分析(如图2所示)为了简化分析，特作如下假设①S1和S2同时开通或者关断；②忽略器件的导通压降和开关损耗，不考虑能量损耗；(I)SdPS2同时导通(如图3所示)当S1和S2同时导通时，D1和D2不导通，电源Vg向L1充电，电容C1向L2充电。此时，各器件两端承受的压降如下vL1 = Vg ； vL2 = Vci-V0 ；vD1 = Vci ； vD2 = VciO(2) S1和S2同时关断(如图4所示)当S1和S2同时关断时，D1和D2均导通，LpL2释放能量。此时，各器件两端承受的压降如下vL1 = Vg-Vci ； Vi2 = -V0 .vsl = Vci ；vS2 = VciO对于电感LpL2,由“伏秒平衡”，得VgdTs+(Vg-Vci) (1-d) Ts = O(1)(Vg-V0) dTs+ (-V0) (1 -d) Ts = O(2)由式⑴和⑵得到输出电压V。与输入电压Vg之间的关系为K=^vg(3)2、主电路参数设计设计指标如下输入电压Vin(KSM)为 90 270V ；
额定输出电压V。= 56V ；最大输出功率P。= 150W ；功率因数PF彡0.99;效率 η > 0. 9 ；开关频率fs = 50kHz。(1)电感量设计电感在线路中起着能量的传递、储存和滤波等作用，并决定了输入端的高频纹波电流总量，因此按照限制电流脉动最小的原则来确定电感值。考虑最差的情况输出功率最大，输入电压最低。此时，输入电流最大，纹波也最大，为了保证在这种情况下输入电流的纹波仍然满足要求，电感的设计应该在输入电压最低的点进行计算。输入电压的峰值
权利要求
1.一种基于单周期控制的双管Buck-Boost型PFC变换器，其特征是桥式整流电路与高频输入电容连接，高频输入电容与BOCBB型双管Buck-Boost变换器连接，BOCBB型双管 Buck-Boost变换器后接有输出电压取样电路，输出电压取样电路与PI调节器连接，PI调节器接有基准电压信号，PI调节器的输出端分成两路，一路与比较器的同相输入端连接，另一路与减法器连接，减法器对BOCBB型双管Buck-Boost变换器的输入电流采样信号及PI调节器输出信号运算后输入到可复位积分器，可复位积分器输出端与比较器的反相输入端连接，比较器输出端与RS触发器连接，RS触发器的端与可复位积分器的复位开关连接，RS触发器的Q端与控制BOCBB型双管Buck-Boost变换器中的二个开关管动作的驱动电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于单周期控制的双管Buck-Boost型PFC变换器，其特征是所述输出电压采样电路为二个串联电阻组成的分压取样电路，分压取样电路中二个串联电阻之间的取样点与PI调节器连接。
3.根据权利要求1所述的基于单周期控制的双管Buck-Boost型PFC变换器，其特征是所述电流采样电路为双管Buck-Boost型PFC变换器输入回路串电阻采样或者输入回路串联直流电流霍尔传感器采样。
全文摘要
本发明公开了一种基于单周期控制的双管Buck-Boost型PFC变换器，桥式整流电路后接BOCBB型双管Buck-Boost变换器连接；PI调节器的输出信号一路送至比较器同相输入端，另一路和输入电流的采样信号进行叠加，再送至可复位积分器，可复位积分器输出端与比较器的反相输入端连接，比较器输出端与RS触发器连接，RS触发器的端与可复位积分器的复位开关连接，RS触发器的Q端输出信号经驱动电路后，同时驱动BOCBB型双管Buck-Boost变换器的二个开关管。本发明既能实现输出电压升降压控制，又能提高网侧功率因数，降低入网电流的畸变因数，并具有结构简洁，控制方便，系统效率高等特点。
文档编号H02M1/42GK102355130SQ201110302278
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者卢爱萍, 吴建国, 王胜锋, 秦岭, 高宁宁 申请人:南通大学