采用脈沖輔助方法消除死區(qū)的降壓型功率因數(shù)變換器技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及電源管理領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)在保留Buck型拓?fù)涔逃袃?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，消除其電流死區(qū)，進(jìn)而使整體電路的性能得到大幅提升，本發(fā)明專利技術(shù)采取的技術(shù)方案是，采用脈沖輔助方法消除死區(qū)的降壓型功率因數(shù)變換器，具體為：電路交流輸入端連接由四個(gè)二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個(gè)由兩個(gè)電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)、一個(gè)濾波電容；整流橋的正輸出端連接到一個(gè)二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測(cè)電阻與開關(guān)Q1連接，Q1的另一端連接二極管的正極和降壓電感的一端，另一開關(guān)Q2和輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間；集電極與電阻之間的節(jié)點(diǎn)作為輸出電壓的反饋信號(hào)。本發(fā)明專利技術(shù)主要應(yīng)用于電源管理。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
采用脈沖輔助方法消除死區(qū)的降壓型功率因數(shù)變換器
本專利技術(shù)涉及電源管理領(lǐng)域，尤其涉及功率因數(shù)校正電路的研究及其控制芯片的設(shè)計(jì)。具體講，涉及采用脈沖輔助方法消除死區(qū)的降壓型功率因數(shù)變換器。技術(shù)背景當(dāng)前，出于能源與環(huán)境的考慮，供電行業(yè)設(shè)定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。例如：IEC91000-3-2標(biāo)準(zhǔn)用于限制諧波電流；歐盟行為準(zhǔn)則(CoC)規(guī)定了外部電源分別在25％，50％，75％以及100％滿負(fù)載條件下供電的平均效率。功率因數(shù)變換器(PFC)有利于提高開關(guān)電源電路的整體性能。因此，在交流/直流(AC/DC)轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用功率因數(shù)校正技術(shù)進(jìn)行電流校正是十分必要的。計(jì)算類和消費(fèi)類的電源產(chǎn)品始終經(jīng)受著成本挑戰(zhàn)，盡管PFC技術(shù)愈發(fā)成熟，但提升成本效益的解決方案仍具有很高價(jià)值，此類方案要求同時(shí)提高功率因數(shù)(PF)和電源效率。有很多廣泛使用的PFC轉(zhuǎn)換器可以同時(shí)滿足EN61000-3-2和能源之星標(biāo)準(zhǔn)。常用的轉(zhuǎn)換器有工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)的反激變換器、工作在邊界導(dǎo)通模式(BCM)的反激變換器、工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)的升壓轉(zhuǎn)換器以及工作在DCM模式和BCM模式的升壓變換器。PFC前端最常用的拓?fù)涫巧龎和負(fù)洌虼耍癙FC前端”已經(jīng)幾乎等同于“升壓型PFC前端”。但是Boost型PFC也有很多不足，例如：一方面，Boost型PFC在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)難以保持相對(duì)較高的效率。Boost型變換器在低輸入電壓的條件下比高輸入電壓的條件下的效率一般低1％到3％，效率的降低導(dǎo)致了輸入電流的增加，這會(huì)使開關(guān)和二極管的損耗增加。另一方面，Boost型變換器的高輸出電壓不僅導(dǎo)致了自身的開關(guān)管損耗的增加，而且導(dǎo)致了后級(jí)直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗的增加以及電磁干擾的增加。相比之下，Buck(降壓)型轉(zhuǎn)換器有很多引人注目的優(yōu)點(diǎn)。首先，采用Buck拓?fù)淇梢栽谡麄€(gè)輸入電壓范圍內(nèi)獲得很高的效率。另外，Buck型轉(zhuǎn)換器開關(guān)的電壓應(yīng)力很低。但是由于Buck型拓?fù)湓谳斎腚妷旱陀谳敵鲭妷旱臅r(shí)間內(nèi)存在電流為零的情況，因此，這一拓?fù)渥鳛镻FC轉(zhuǎn)換器時(shí)總是不能獲得高的功率因數(shù)。除此之外，這一電流死區(qū)還會(huì)增加總諧波串?dāng)_(THD)。傳統(tǒng)Buck型轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)為：交流輸入端連接到一個(gè)由四個(gè)二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個(gè)由兩個(gè)電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)。整流橋正輸出端連接到一個(gè)二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測(cè)電阻與MOS開關(guān)連接，MOS開關(guān)的另一端連接二極管的正極。二極管的正極連接降壓電感的一端，輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間。輸出負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)差分分壓結(jié)構(gòu)——兩個(gè)電阻串聯(lián)后并聯(lián)在輸出端，兩電阻的中間節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)P型三級(jí)管的基極，高電平端經(jīng)一個(gè)電阻后連接到次三極管的發(fā)射極，集電極經(jīng)過一個(gè)電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點(diǎn)作為輸出電壓反饋信號(hào)。傳統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓設(shè)定為低于橋式整流輸出電壓峰值的某一恒定數(shù)值。當(dāng)瞬時(shí)交流輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，整流橋二極管正向偏置，電流形成回路。然而，當(dāng)瞬時(shí)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，整流橋二極管反向偏置，沒有從電源到負(fù)載的電流回路。如圖1。一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通角可以按照以下公式計(jì)算：傳統(tǒng)的Buck型拓?fù)溆捎谠谳斎腚妷盒∮谳敵鲭妷旱臈l件下開關(guān)管不導(dǎo)通，因此Buck型拓?fù)潆m然有很多其他拓?fù)洳痪哂械膬?yōu)點(diǎn)，但是很少用于PFC轉(zhuǎn)換器中。不僅如此，相應(yīng)的控制芯片數(shù)量與Boost型拓?fù)淇刂菩酒臄?shù)量相比更是冰山一角。因此更具有實(shí)用性的Buck型轉(zhuǎn)換器及其控制芯片的研究具有很高的價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)在保留Buck型拓?fù)涔逃袃?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，消除其電流死區(qū)，進(jìn)而使整體電路的性能得到大幅提升。為此，本專利技術(shù)采取的技術(shù)方案是，采用脈沖輔助方法消除死區(qū)的降壓型功率因數(shù)變換器，具體為：電路交流輸入端連接由四個(gè)二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個(gè)由兩個(gè)電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)；交流輸入電源經(jīng)整流橋后，并聯(lián)一個(gè)濾波電容；整流橋的正輸出端連接到一個(gè)二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測(cè)電阻與開關(guān)Q1連接，Q1的另一端連接二極管的正極和降壓電感的一端，另一開關(guān)Q2和輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間；輸出負(fù)載并聯(lián)一個(gè)差分分壓結(jié)構(gòu)：兩個(gè)電阻串聯(lián)后并聯(lián)在輸出端，兩電阻的中間節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)P型三級(jí)管的基極，串聯(lián)電阻的高電平端經(jīng)一個(gè)電阻后連接到此三極管的發(fā)射極，三極管的集電極經(jīng)過一個(gè)電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點(diǎn)作為輸出電壓的反饋信號(hào)。1)當(dāng)輸入瞬時(shí)電壓低于輸出電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器工作在DCM模式下，這時(shí)Q1和Q2同步導(dǎo)通與關(guān)斷；a)當(dāng)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓Vin對(duì)電感充電，電感電流線性增加；b)當(dāng)兩個(gè)開關(guān)同時(shí)斷開時(shí)，電感對(duì)負(fù)載放電，電感電流線性減小；2)當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器工作在BCM模式下，這時(shí)Q2斷開；a)當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電感由Vin-Vo充電，電感電流在這一電壓的作用下線性增加；b)當(dāng)Q1斷開時(shí)，電感對(duì)負(fù)載放電，電感電流線性減小。輸入電壓Vin由上述整流橋后的串聯(lián)電阻分壓后得到MULT，輸出電壓按照與輸入電壓按同樣的比例分壓后得到FB；MULT和FB分別是比較器Comp1的正輸入端信號(hào)與負(fù)輸入端信號(hào)，這兩個(gè)電平信號(hào)進(jìn)行比較后得到Vp，當(dāng)Vin＞Vo時(shí)，Vp為高電平；當(dāng)Vin＜Vo時(shí)，Vp為低電平。這樣得到的Vp用于決定兩個(gè)開關(guān)的閉合與斷開狀態(tài)；輸出電壓經(jīng)過差分分壓結(jié)構(gòu)得到電壓反饋信號(hào)INV，INV連接到誤差放大器EA的反相輸入端，基準(zhǔn)電壓Vref連接到誤差放大器的正相輸入端，兩個(gè)信號(hào)的誤差信號(hào)經(jīng)過誤差放大器放大后作為乘法器的一個(gè)輸入信號(hào)，乘法器的另一個(gè)輸入信號(hào)為MULT；乘法器的輸出作為電流比較器Comp2的參考信號(hào)，電流比較器的另一輸入信號(hào)為CS電流檢測(cè)信號(hào)，CS電流檢測(cè)信號(hào)取自電流檢測(cè)電阻與Q1之間的節(jié)點(diǎn)；電流比較器輸出到RS觸發(fā)器的置位端，控制Q1每個(gè)周期的峰值電流；降壓電感的耦合電感一端接地，另一端經(jīng)電阻后連接到比較器Comp3的負(fù)輸入端，這一比較器的正輸入端經(jīng)電容連接到地，輸出端連接到RS觸發(fā)器的復(fù)位端。本專利技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)與效果：本專利技術(shù)的要點(diǎn)為在Buck型變換器的死區(qū)部分使用DCM模式，利用脈沖控制主開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。從而消除了輸出電壓對(duì)死區(qū)形成的影響，電壓與電流波形如圖4。通過使用此種策略，功率因數(shù)能夠達(dá)到96％以上，從而大大提升了Buck型電路的功率因數(shù)。附圖說明圖1：Buck型變換器的輸入電流“穿越失真”；圖2：本專利技術(shù)的Buck型變換器電路結(jié)構(gòu)原理圖；圖3：工作階段示意圖；圖4：控制芯片內(nèi)部原理圖；圖5：本專利技術(shù)的Buck型變換器輸入電壓與電流波形圖；具體實(shí)施方式本專利技術(shù)闡述了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并可以獲得高功率因數(shù)和電源效率的PFC系統(tǒng)，包括外圍電路及其控制芯片。與傳統(tǒng)的降壓變換器相比，本變換器在輸出節(jié)點(diǎn)增加了一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管，通過控制開關(guān)管的狀態(tài)使電路輪流工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)和臨界導(dǎo)通模式(BCM)。本專利技術(shù)所闡述的電路旨在保留Buck型拓?fù)涔逃袃?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，消除其電流死區(qū)，進(jìn)而使整體電路的性能得到大幅提升。本專利技術(shù)描述的電路在傳統(tǒng)Buck型轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，在輸出端并聯(lián)一個(gè)開關(guān)，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種采用脈沖輔助方法消除死區(qū)的降壓型功率因數(shù)變換器，其特征是，包括：具體為：電路交流輸入端連接由四個(gè)二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個(gè)由兩個(gè)電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)；交流輸入電源經(jīng)整流橋后，并聯(lián)一個(gè)濾波電容；整流橋的正輸出端連接到一個(gè)二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測(cè)電阻與開關(guān)Q1連接，Q1的另一端連接二極管的正極和降壓電感的一端，另一開關(guān)Q2和輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間；輸出負(fù)載并聯(lián)一個(gè)差分分壓結(jié)構(gòu)：兩個(gè)電阻串聯(lián)后并聯(lián)在輸出端，兩電阻的中間節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)P型三級(jí)管的基極，串聯(lián)電阻的高電平端經(jīng)一個(gè)電阻后連接到此三極管的發(fā)射極，三極管的集電極經(jīng)過一個(gè)電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點(diǎn)作為輸出電壓的反饋信號(hào)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種采用脈沖輔助方法消除死區(qū)的降壓型功率因數(shù)變換器，其特征是，包括：具體為：電路交流輸入端連接由四個(gè)二極管組成的整流橋，整流橋后并聯(lián)一個(gè)由兩個(gè)電阻串聯(lián)組成的分壓結(jié)構(gòu)；交流輸入電源經(jīng)整流橋后，并聯(lián)一個(gè)濾波電容；整流橋的正輸出端連接到一個(gè)二極管的負(fù)極，負(fù)輸出端經(jīng)過電流檢測(cè)電阻與開關(guān)Q1連接，Q1的另一端連接二極管的正極和降壓電感的一端，另一開關(guān)Q2和輸出電容并聯(lián)在降壓電感的另一端與二極管的負(fù)極之間；輸出負(fù)載并聯(lián)一個(gè)差分分壓結(jié)構(gòu)：兩個(gè)電阻串聯(lián)后并聯(lián)在輸出端，兩電阻的中間節(jié)點(diǎn)連接到一個(gè)P型三級(jí)管的基極，串聯(lián)電阻的高電平端經(jīng)一個(gè)電阻后連接到此三極管的發(fā)射極，三極管的集電極經(jīng)過一個(gè)電阻后連接到地，集電極與電阻之間的節(jié)點(diǎn)作為輸出電壓的反饋信號(hào)；輸入電壓Vin由上述整流橋后的串聯(lián)電阻分壓后得到MULT，輸出電壓按照與輸入電壓按同樣的比例分壓后得到FB；MULT和FB分別是比較器Comp1的正輸入端信號(hào)與負(fù)輸入端信號(hào)，這兩個(gè)電平信號(hào)進(jìn)行比較后得到Vp，當(dāng)Vin>Vo時(shí)，Vp為高電平；當(dāng)Vin<Vo時(shí)，Vp為低電平；這樣得到的Vp用于決定兩個(gè)開關(guān)的閉合與斷開狀態(tài)；輸出電壓經(jīng)過差分分壓結(jié)構(gòu)得到電壓反饋信號(hào)INV，INV...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐江濤，朱萌，高靜，姚素英，史再峰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：天津;12