单级单相无桥Zeta型PFC变换器

本发明涉及一种单级单相无桥zeta型pfc变换器，属于单级单相无桥pfc变换器拓扑领域。

背景技术：

1、相比于其他dc/dc电路，zeta电路具有升降压变换、较好的动态响应以及能够限制浪涌电流和防止过载的能力，由其衍生得到的zeta型pfc变换器还具有断续工作模式(dcm)下自动实现功率因数校正的特性，这使得zeta型pfc变换器在电动汽车(evs)电池充电器、led驱动器等需要具备防止过流或短路能力的应用场合得到应用。

2、zeta型pfc变换器的相关拓扑较少，目前仅有典型整流桥式与双zeta单元无桥式两种。典型整流桥式zeta型pfc变换器在交流输入端始终存在两个导通的二极管，在低压大电流的情况下系统效率下降尤为严重；双zeta单元无桥式zeta型pfc变换器使用两个独立的zeta电路分别处理交流输入电压的正、负半周期，电路结构更为复杂且使用元器件数量较多，系统功率密度较低。

技术实现思路

1、针对现有zeta型pfc变换器效率低、功率密度低的问题，本发明提供一种单级单相无桥zeta型pfc变换器。

2、本发明的一种单级单相无桥zeta型pfc变换器，包括输入滤波电感lf、输入滤波电容cf、储能电容c、电感l1、电感l2、nmos开关管s5、nmos开关管s6、输出滤波电容cdc1、输出滤波电容cdc2、1号双向开关和2号双向开关；

3、输入电源的正极与输入滤波电感lf的一端连接，输入滤波电感lf的另一端与1号双向开关的一端和输入滤波电容cf的一端同时连接，1号双向开关的另一端与电感l1的一端、储能电容c的一端同时连接，储能电容c的另一端、2号双向开关的一端、电感l2的一端同时连接，电感l2的另一端与nmos开关管s5的源极、nmos开关管s6的漏极同时连接；

4、输入电源的负极、输入滤波电容cf的另一端与电感l1的另一端、2号双向开关的另一端、输出滤波电容cdc1的负极和输出滤波电容cdc2的正极同时连接；

5、nmos开关管s5的漏极与输出滤波电容cdc1的正极连接，nmos开关管s6的源极与输出滤波电容cdc2的负极连接。

6、作为优选，电感l1、电感l2的电感值相等，均为l：

7、

8、式中，po为输出功率，vac_rms为交流电压有效值，d为占空比，ts表示双向开关的开关周期。

9、作为优选，占空比d的最大值dmax为：

10、

11、其中，vdc表示负载电压。

12、本发明还提供一种单级单相无桥zeta型pfc变换器，包括输入滤波电感lf、输入滤波电容cf、储能电容c、电感l1、电感l2、二极管d1、二极管d2、输出滤波电容cdc1、输出滤波电容cdc2、1号双向开关和2号双向开关；

13、输入电源的正极与输入滤波电感lf的一端连接，输入滤波电感lf的另一端与1号双向开关的一端和输入滤波电容cf的一端同时连接，1号双向开关的另一端与电感l1的一端、储能电容c的一端同时连接，储能电容c的另一端、2号双向开关的一端、电感l2的一端同时连接，电感l2的另一端与二极管d1的阳极、二极管d2的阴极同时连接；

14、输入电源的负极、输入滤波电容cf的另一端与电感l1的另一端、2号双向开关的另一端、输出滤波电容cdc1的负极和输出滤波电容cdc2的正极同时连接；

15、二极管d1的阴极与输出滤波电容cdc1的正极连接，二极管d2的阳极与输出滤波电容cdc2的负极连接。

16、作为优选，电感l2的值为：

17、

18、式中，po为输出功率，vac_rms为交流电压有效值，d为占空比，ts表示双向开关的开关周期。

19、作为优选，电感l1和电感l2的并联电感值l12为：

20、

21、根据电感l2的值和并联电感值l12，确定电感l1的值。

22、作为优选，电感l1的值为：

23、

24、作为优选，占空比d的最大值dmax为：

25、

26、其中，vdc表示负载电压。

27、本发明的有益效果，本发明整流桥结构被完全移除，且仅使用一组zeta电路的电路元件，电路结构简单、控制简单。变换器还具备以下优势：当输出电流方向不变时，可使用不控二极管替换输出侧的全控开关管，控制环节得以进一步简化；电路可根据对高功率密度或者输出电流方向连续的不同要求对两个电感的电感量进行灵活设计，以高功率密度为要求时，该pfc变换器两个电感的电感量可设计为相同的较小值，变换器体积得以显著减小，功率密度得以有效提高，当要求输出电流方向在交流输入电压的正负半周内保持不变时，输出侧电感的电感量大于输入侧电感，但相比于其他pfc变换器较大的输入滤波电感，输出侧电感的电感量仍然较小。

技术特征：

1.单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，包括输入滤波电感lf、输入滤波电容cf、储能电容c、电感l1、电感l2、nmos开关管s5、nmos开关管s6、输出滤波电容cdc1、输出滤波电容cdc2、1号双向开关和2号双向开关；

2.根据权利要求1所述的单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，电感l1、电感l2的电感值相等，均为l：

3.根据权利要求2所述的单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，占空比d的最大值dmax为：

4.单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，包括输入滤波电感lf、输入滤波电容cf、储能电容c、电感l1、电感l2、二极管d1、二极管d2、输出滤波电容cdc1、输出滤波电容cdc2、1号双向开关和2号双向开关；

5.根据权利要求1所述的单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，电感l2的值为：

6.根据权利要求4所述的单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，电感l1和电感l2的并联电感值l12为：

7.根据权利要求6所述的单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，电感l1的值为：

8.根据权利要求5、6或7所述的单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，占空比d的最大值dmax为：

9.根据权利要求1或4所述的单级单相无桥zeta型pfc变换器，其特征在于，电路工作于断续导通模式。

技术总结
单级单相无桥Zeta型PFC变换器，解决了现有Zeta型PFC变换器效率低、功率密度低的问题，属于单级单相无桥PFC变换器拓扑领域。本发明包括输入滤波电感L<subgt;f</subgt;、输入滤波电容C<subgt;f</subgt;、储能电容C、电感L<subgt;1</subgt;、电感L<subgt;2</subgt;、NMOS开关管S<subgt;5</subgt;、NMOS开关管S<subgt;6</subgt;、输出滤波电容C<subgt;dc1</subgt;、输出滤波电容C<subgt;dc2</subgt;、1号双向开关和2号双向开关；当输出电流方向不变时，可使用不控二极管替换输出侧的开关管；本发明可将两个电感的电感量设计为相同的较小值，变换器体积得以显著减小，功率密度得以有效提高，还可以将输出侧电感的电感量大于输入侧电感，但相比于其他PFC变换器较大的输入滤波电感，输出侧电感的电感量仍然较小。

技术研发人员：李浩昱,丁明远,叶一舟,王鹏飞,刘智雄
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16