单级无桥隔离式Zeta型功率因数校正电路

本发明涉及一种单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，属于单级单相无桥功率因数校正变换器拓扑领域。

背景技术：

1、无刷直流(bldc)电机使用电子换向器，目前已完全取代了传统直流电机，在轻型电动汽车(evs)和家用电器中得到很多关注与应用。电机的驱动系统主要包括功率因数校正(pfc)电路以及电压源逆变器(vsi)，其中，zeta型功率因数校正电路因其在断续导通模式(dcm)下具有较好动态响应、输出电流连续、易实现隔离等优势用作前级pfc，与后级电压源逆变器级联配合工作。传统zeta型功率因数校正电路在交流侧采用二极管整流桥，整流桥的存在会降低变换器的转换效率、功率因数(pf)以及总谐波失真(thd)等电能质量参数。为了实现高效率与低成本，对无桥zeta型pfc电路拓扑的研究相继展开。

2、由于zeta电路结构的复杂性，目前无桥zeta型pfc电路拓扑主要有基于双原边变压器的无桥zeta型pfc以及dual无桥zeta型pfc两种。基于双原边变压器的无桥zeta型pfc拓扑电路结构相对简单，但其使用的变压器为双原边绕组，需要中心抽头，变压器制造相对麻烦，同时两个原边绕组分别串联一个二极管，交流侧仍存在一个二极管桥臂，降低了变换器效率；dual无桥zeta型pfc拓扑输出侧为双电容结构，开关器件电压应力得以降低，但使用两个zeta变换电路分别工作在输入交流电压的正、负半周，电路结构相对复杂。

技术实现思路

1、针对现有zeta型无桥pfc电路拓扑使用元件较多、效率低的问题，本发明提供一种单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路。

2、本发明的一种单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，所述电路包括输入滤波电感lf、输入滤波电容cf、变压器t、储能电容c、储能电感l，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变压器t原边的同名端连接，输入电源的负极、输入滤波电容cf的另一端与变压器t原边的异名端同时连接；

4、变压器t副边的同名端与储能电容c的一端连接，储能电容c的另一端与2号双向开关的一端、储能电感l的一端同时连接，储能电感l的另一端与二极管d1的阳极、二极管d2的阴极同时连接；

5、变压器t副边的异名端、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；

6、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。

7、作为优选，电路工作于断续导通模式。

8、作为优选，变压器t的励磁电感lm与储能电感l的并联电感值设计为leq：

9、

10、式中，pac为输入功率，ts为开关周期，d为占空比，vac_max为交流输入电压的峰值。

11、作为优选，储能电感l的值设计为：

12、

13、式中，α为输入电流纹波系数。

14、作为优选，最大占空比dmax设计为：

15、

16、式中，变压器t的变比为n：1，vdc为负载电压。

17、作为优选，励磁电感lm设计为：

18、

19、作为优选，1号双向开关承受的最大电压应力vs1/s2_max为：

20、vs1/s2_max＝vac_max+nvdc/2

21、1号双向开关承受的最大电压应力vs3/s4_max为：

22、vs3/s4_max＝vac_max+nvdc/2。

23、本发明的有益效果，本发明电路仅使用一个隔离变压器、一个储能电容以及一个储能电感实现无桥pfc功能，电路结构简单，同时变压器为标准结构，设计简单。电路的主要优势有：交流输入端的整流二极管被完全消除，电路实现了真正意义上的无桥；在较高输出电压时半导体器件承受的最大耐压得以有效降低，其开关损耗得以有效减小，电路效率得以进一步提高；控制简单，无需采样输入电流，采用单电压环定占空比控制即可实现功率因数校正功能。

技术特征：

1.单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，所述电路包括输入滤波电感lf、输入滤波电容cf、变压器t、储能电容c、储能电感l，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所述的单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，电路工作于断续导通模式。

3.根据权利要求2所述的单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，变压器t的励磁电感lm与储能电感l的并联电感值为leq：

4.根据权利要求3所述的单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，储能电感l的值为：

5.根据权利要求3或4所述的单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，最大占空比dmax：

6.根据权利要求4所述的单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，励磁电感lm：

7.根据权利要求2所述的单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，1号双向开关承受的最大电压应力vs1/s2_max为：

8.根据权利要求2所述的单级无桥隔离式zeta型功率因数校正电路，其特征在于，1号双向开关承受的最大电压应力vs3/s4_max为：

技术总结
单级无桥隔离式Zeta型功率因数校正电路，解决了现有Zeta型无桥PFC电路拓扑使用元件较多、效率低的问题，属于单级单相无桥功率因数校正变换器拓扑领域。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;、变压器T、储能电容C、储能电感L，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；还设计了储能电感L和励磁电感L<subgt;m</subgt;、最大占空比d<subgt;max</subgt;的值。本发明交流输入端的整流二极管被完全消除，电路实现了真正意义上的无桥；在较高输出电压时半导体器件承受的最大耐压得以有效降低，其开关损耗得以有效减小，电路效率得以进一步提高；控制简单，无需采样输入电流，采用单电压环定占空比控制即可实现功率因数校正功能。

技术研发人员：李浩昱,丁明远,邢延林,叶一舟,苏航
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