本發(fā)明涉及一種功率因數(shù)校正(pfc)變換器，尤其涉及一種全數(shù)字式全橋隔離型單相單級(jí)功率因數(shù)校正(pfc)變換器。

背景技術(shù)：

通常，電力電子裝置通過(guò)整流橋接入電網(wǎng)，而傳統(tǒng)的二極管或晶閘管整流裝置會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，使得功率因數(shù)很低，對(duì)電網(wǎng)造成污染。有源功率因數(shù)校正技術(shù)能夠有效的消除整流裝置的諧波、降低能源消耗、減小電源設(shè)備的體積和重量，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。為滿足國(guó)家以及國(guó)際組織制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)模式有源功率因數(shù)校正變換器得到廣泛的應(yīng)用。

提高ac/dc電路輸入端功率因數(shù)和減小輸入電流諧波的主要方法是采用功率因數(shù)校正(pfc)技術(shù)。功率因數(shù)校正(pfc)技術(shù)的兩種主要方法分別是無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)是在電路的輸入整流橋和電容之間串聯(lián)一個(gè)濾波電感，或在交流側(cè)接入諧振濾波器。其主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高以及emi小，主要缺點(diǎn)是體積重量大、難以得到較高的功率因數(shù)，工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入變化有關(guān)等。目前，應(yīng)用最多、效果最好的是有源功率因數(shù)校正技術(shù)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)可以分為單級(jí)型和傳統(tǒng)兩級(jí)型兩種，傳統(tǒng)兩級(jí)型有源功率因數(shù)校正的主要優(yōu)點(diǎn)是：各級(jí)可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，通用性好；缺點(diǎn)是：電路復(fù)雜，電能經(jīng)過(guò)兩級(jí)處理，轉(zhuǎn)換效率較低，功率密度低且成本較高。而單級(jí)型隔離型功率因數(shù)校正(pfc)變換器，具有能量經(jīng)一次轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、效率較高且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快等典型優(yōu)點(diǎn)，適用于中大功率應(yīng)用場(chǎng)合。在面對(duì)工業(yè)界某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電網(wǎng)輸入端功率因數(shù)校正(pfc)變換器提出高功率等級(jí)以及輸入輸出電氣隔離的要求更具有優(yōu)勢(shì)，有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種適用于中大功率、成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、具有較高功率因數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)寬范圍輸出和多路輸出的全數(shù)字式全橋隔離型單相單級(jí)功率因數(shù)校正(pfc)變換器。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：該變換器包括單相輸入整流橋v1、輸入電容cin、軟啟動(dòng)電路、輸入電感l(wèi)in、主開關(guān)管s1～s4、高頻變壓器tr、單相輸出整流橋v2、輸出濾波電容co、負(fù)載電阻ro和一個(gè)全數(shù)字控制系統(tǒng)。

所述單相輸入整流橋v1的正極端與所述輸入電容cin的上端、所述軟啟動(dòng)電路的輸入上端相匯接，所述輸入電容cin的下端與單相輸入整流橋v1的負(fù)極端、軟啟動(dòng)電路的輸入下端相匯接。

所述軟啟動(dòng)電路的正極輸出端與輸入電感l(wèi)in的前端相連接，輸入電感l(wèi)in的后端與所述開關(guān)管s1的漏極和開關(guān)管s4的漏極相匯接，所述開關(guān)管s1的源極與所述開關(guān)管s2的漏極相連接，所述開關(guān)管s4的源極與所述開關(guān)管s3的漏極相連接，所述開關(guān)管s2的源極和所述開關(guān)管s3的源極與所述軟啟動(dòng)電路負(fù)極輸出端相匯接。

所述開關(guān)管s1和所述開關(guān)管s2的連接點(diǎn)的引出線與所述高頻變壓器tr初級(jí)繞組的一端相連接，所述開關(guān)管s4和所述開關(guān)管s3的連接點(diǎn)的引出線與所述高頻變壓器tr初級(jí)繞組的另一端相連接。

所述高頻變壓器tr次級(jí)繞組的兩端分別與所述單相輸出整流橋v2的兩個(gè)輸入端相連接，所述輸出濾波電容co并聯(lián)在所述單相輸出整流橋v2的兩個(gè)輸出端之間，所述負(fù)載電阻ro并聯(lián)在所述濾波電容co的兩個(gè)端點(diǎn)之間。

采集變換器輸出電壓vout、輸入電流iin與所述單相輸入整流橋v1的輸出電壓vin一同輸入全數(shù)字控制器，構(gòu)成電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的全數(shù)字控制系統(tǒng)，數(shù)字控制器根據(jù)采樣信號(hào)進(jìn)行pi調(diào)制，對(duì)四個(gè)主開關(guān)的開通與關(guān)斷進(jìn)行控制。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是使用單級(jí)電路實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正(pfc)和功率變換，使得輸入輸出電氣隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)在中大功率場(chǎng)合進(jìn)行功率因數(shù)校正(pfc)獲得較高的功率因數(shù)，且實(shí)現(xiàn)了電壓的寬范圍輸出和多路輸出，在不增加額外電路的同時(shí)使用全數(shù)字控制技術(shù)獲得良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)特性，并解決了模擬控制中出現(xiàn)的變壓器偏磁問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為全數(shù)字式全橋隔離型單相單級(jí)功率因數(shù)校正(pfc)變換器。

圖2為圖1功率因數(shù)校正(pfc)變換器的工作波形。

圖3為全數(shù)字控制系統(tǒng)框圖。

圖4為主程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明是一種全數(shù)字式全橋隔離型單相單級(jí)功率因數(shù)校正(pfc變換器，包括單相輸入整流橋v1、輸入電容cin、軟啟動(dòng)電路、輸入電感l(wèi)in、主開關(guān)管s1～s4、高頻變壓器tr、單相輸出整流橋v2、輸出濾波電容co、負(fù)載電阻ro和數(shù)字控制器構(gòu)成的全數(shù)字控制系統(tǒng)。

在本實(shí)施例中，所述單相輸入整流橋v1的正極端與所述輸入電容cin的上端、所述軟啟動(dòng)電路的輸入上端相匯接，所述輸入電容cin的下端與單相輸入整流橋v1的負(fù)極輸出端、軟啟動(dòng)電路的輸入下端相匯接。

在本實(shí)施例中，所述軟啟動(dòng)電路的正極輸出端與輸入電感l(wèi)in的前端相連接，輸入電感l(wèi)in的后端與所述開關(guān)管s1的漏極和開關(guān)管s4的漏極相匯接，所述開關(guān)管s1的源極與所述開關(guān)管s2的漏極相連接，所述開關(guān)管s4的源極與所述開關(guān)管s3的漏極相連接，所述開關(guān)管s2的源極和所述開關(guān)管s3的源極與所述軟啟動(dòng)電路負(fù)極輸出端相匯接。

在本實(shí)施例中，所述開關(guān)管s1和所述開關(guān)管s2的連接點(diǎn)的引出線與所述高頻變壓器tr初級(jí)繞組的一端相連接，所述開關(guān)管s4和所述開關(guān)管s3的連接點(diǎn)的引出線與所述高頻變壓器tr級(jí)繞組的另一端相連接。

在本實(shí)施例中，所述高頻變壓器tr次級(jí)繞組的兩端分別與所述單相輸出整流橋v2的兩個(gè)輸入端相連接，所述輸出濾波電容co并聯(lián)在所述單相輸出整流橋v2的兩個(gè)輸出端之間，所述負(fù)載電阻ro并聯(lián)在所述濾波電容co的兩個(gè)端點(diǎn)之間。

采集變換器輸出電壓vout、輸入電流iin與所述單相輸入整流橋v1的輸出電壓vin一同輸入數(shù)字控制器，構(gòu)成電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的全數(shù)字控制系統(tǒng)，數(shù)字控制器根據(jù)采樣信號(hào)進(jìn)行pi調(diào)制，對(duì)四個(gè)主開關(guān)的開通與關(guān)斷進(jìn)行控制。

所述的數(shù)字控制器采用dsp控制器，dsp的資源分配為：功率因數(shù)校正(pfc)工作模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形如下分配，pwm3、pwm4、pwm7、pwm8分別給出s1、s2、s3與s4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。信號(hào)分配如下，pwm3與pwm4驅(qū)動(dòng)s1與s3，pwm7與pwm8驅(qū)動(dòng)s2與s4；軟啟動(dòng)工作模式時(shí)，dsp的輸出pwm3、pwm4、pwm7、pwm8均工作在io口輸出模式，分別給出主開關(guān)s1、s2、s3與s4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

本發(fā)明一種全數(shù)字式全橋隔離型單相單級(jí)功率因數(shù)校正(pfc)變換器的工作原理：為了便于分析，作以下假定：變壓器原副邊變比為n∶1，所有器件均為理想狀態(tài)。下文所述的工作原理分析是以上述假定為基礎(chǔ)的，主要工作波形圖如圖2所示。圖中vgs1、vgs2、vgs3和vgs4分別為主開關(guān)s1-s4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中s1與s3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致，s2與s4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致。vp為變壓器原邊電壓波形，vo為變壓器副邊輸出電壓，il為輸入電感電流波形，t定義為功率因數(shù)校正(pfc)的工作周期，即電感工作周期，tsw為開關(guān)頻率，即變壓器工作周期。圖2所示波形表明了開關(guān)管的工作模式與電感電流工作模式的關(guān)系。當(dāng)電路的四個(gè)主開關(guān)全部開通，即如圖2所示四個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)重疊的區(qū)域，整流橋之后的輸入電壓對(duì)電感進(jìn)行充電，電感存儲(chǔ)能量，因此該區(qū)域定義為本實(shí)施例的占空比。在本實(shí)施例中開關(guān)管s1與s3或者s2與s4同時(shí)開通的時(shí)候，即圖2中所示的t1或t2期間，變壓器的副邊整流橋工作，電感電流下降，輸入電感通過(guò)變壓器向輸出端輸送能量。

圖3為本實(shí)施例的全數(shù)字控制系統(tǒng)框圖，vout為一種全數(shù)字式全橋隔離型單相單級(jí)功率因數(shù)校正(pfc)變換器的輸出電壓，vin是單相輸入整流橋v1的輸出電壓，iin是變換器的輸入電流，vref為變換器的參考輸出電壓。dsp數(shù)字控制器在工作時(shí)通過(guò)a/d對(duì)輸入電壓、電流和輸出電壓進(jìn)行采樣，然后控制程序先進(jìn)行圖3的電壓外環(huán)調(diào)制，再進(jìn)行電流內(nèi)環(huán)的調(diào)制：將采樣得到輸出電壓vout與變換器參考輸出電壓vref做比較，進(jìn)行pi控制，再將pi的輸出值與單相輸入整流橋v1的輸出電壓vin通過(guò)乘法器相乘；將乘法器的輸出iref作為電流內(nèi)環(huán)的參考與輸入電流iin做比較，進(jìn)行pi控制，并對(duì)該pi控制的輸出通過(guò)算法進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的值經(jīng)過(guò)一個(gè)pwm模塊輸出pwm波，然后去控制主開關(guān)管的開通和關(guān)斷。

如圖4所示為主程序流程圖，根據(jù)此圖解釋數(shù)字控制過(guò)程如下：

1.主程序完成初始化工作，包括系統(tǒng)初始化，ad初始化，ev模塊初始化，capture初始化。

2.功率因數(shù)校正(pfc)進(jìn)行軟啟動(dòng)，進(jìn)入軟啟動(dòng)工作模式。

3.判斷軟啟動(dòng)是否成功，若成功則進(jìn)入功率因數(shù)校正(pfc)工作模式，若軟啟動(dòng)失敗，則關(guān)機(jī)進(jìn)入循環(huán)為不可恢復(fù)關(guān)機(jī)操作。

4.在進(jìn)入功率因數(shù)校正(pfc)模式后，在a/d中斷服務(wù)中，對(duì)采樣值進(jìn)行了實(shí)時(shí)的更新，在主程序循環(huán)中，對(duì)輸入電流以及輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)行輸入電流的過(guò)流保護(hù)，輸出電壓的過(guò)壓保護(hù)以及欠壓保護(hù)。軟啟動(dòng)以后，在投載之前，需要保證輸出電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，因此輸出電壓的保護(hù)有兩個(gè)值點(diǎn)，即輸出電壓的保護(hù)點(diǎn)以及輸出電壓的恢復(fù)點(diǎn)。

若過(guò)流，則關(guān)機(jī)進(jìn)入循環(huán)為不可恢復(fù)關(guān)機(jī)操作，電感不再充電，直接對(duì)副邊進(jìn)行放電，即整個(gè)變換器工作在全橋dc/dc模式，直到電感電流最大值減小到約為5a時(shí)，電感不再對(duì)輸出端放電，即主開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)全部設(shè)為低。電感電流由原邊的卸放部分卸放掉。

若過(guò)壓，則進(jìn)入過(guò)壓保護(hù)，主開關(guān)的驅(qū)動(dòng)波形變低，即電感不再充電，同時(shí)變壓器原邊不向副邊傳遞能量，并循環(huán)判斷輸出電壓是否到達(dá)恢復(fù)值，若恢復(fù)則重新進(jìn)入功率因數(shù)校正(pfc)工作模式。

若欠壓，則進(jìn)入欠壓保護(hù)啟動(dòng)，主開關(guān)的驅(qū)動(dòng)波形重新恢復(fù)，電感充電并且變壓器原邊向副邊傳輸能量，重新進(jìn)行軟啟動(dòng)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方案而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。