提高DCM Buck PFC變換器PF值的控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電能變換裝置的交流-直流變換器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種提高DCM Buck PFC變換器PF值的控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC)變換器可以減小輸入電流諧波， 提高輸入功率因數(shù)，已得到廣泛應(yīng)用。PFC變換器分為有源和無源兩種方式，相對于無源方 式來說，有源方式具有輸入功率因數(shù)高、體積小、成本低等優(yōu)點。
[0003] 有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC)從80年代發(fā)展以來，各國學者從控制策略、電路拓 撲、小信號建模等角度進行了深入的研究，并取得了一系列的研究成果。就目前而言，APFC 技術(shù)新的一個研究熱點是對PFC電路拓撲的研究。理論上任何一種DC/DC變流器拓撲都能 作為PFC變換器的拓撲，但就目前為止，傳統(tǒng)的有源PFC還是廣泛采用Boost拓撲。雖然 Boost PFC是一種提高功率因數(shù)、降低電流諧波的有效方式，但是在低壓輸入時的損耗大也 是制約其發(fā)展的瓶頸，而Buck PFC由于Buck電路自身降壓的特性，使得輸入輸出電壓較為 接近，可以使其在整個輸入電壓范圍內(nèi)都能保持較高的效率，另外，Buck PFC輸出電壓低、 共模EMI噪聲小、無需浪涌限制器和主電感小等這些優(yōu)點都使得Buck PFC逐漸成為功率因 數(shù)校正技術(shù)的一個研究熱點。
[0004] 傳統(tǒng)的DCM Buck PFC變換器每個開關(guān)周期的占空比相同，開關(guān)周期也是恒定的， 雖然控制簡單、電感小、二極管沒有反向恢復(fù)問題，但是存在電感電流峰值大、EMI差模特性 差、開關(guān)管導(dǎo)通損耗大、效率得不到優(yōu)化的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在整個90V~264V AC輸入電壓范圍內(nèi)將PF值 提高至接近于1的高功率因數(shù)DCM Buck PFC變換器。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種提高DCM Buck PFC變換器PF值的控制 裝置，包括主功率電路和控制電路，所述主功率電路包括輸入電壓源vin、EMI濾波器、二極 管整流電路RB、Buck電感Lb、開關(guān)管Qb、二極管Db、輸出電容C。、負載R w，其中輸入電壓源νιη與EMI濾波器的輸入端口連接，EMI濾波器的輸出端口與整流橋RB的輸入端口連接，整流 橋RB的輸出負極為參考電位零點，整流橋RB的輸出正極與開關(guān)管Qb的漏極連接，開關(guān)管 Qb的源極同時與二極管D b的負極和Buck電感L b的一端相連接，二極管D b的正極分別與整 流橋RB的輸出負極、輸出電容C。的負極和負載R ω的一端連接，Buck電感L b的另一端分別 與輸出電容C。的正極和負載Rw的另一端連接，輸出電容C。的負極和負載R 接的一端為 參考電位零點；
[0007] 所述控制電路采用變化規(guī)律為
的占空比的 輸出信號驅(qū)動開關(guān)管Qb，其中，
[0009] 其中，V。為主功率電路的輸出電壓，Vni為主功率電路的輸入電壓峰值，ω為輸入交 流電壓的角頻率，ω = 2 π flira，fliM為輸入交流電壓頻率，t為時間，P。為輸出功率，L Buck電感值，fs為開關(guān)頻率，
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于：（1)可以在整個90V~264V AC輸入電 壓范圍內(nèi)將PF值提高至接近于1，明顯具有輸入功率因數(shù)高，輸出電壓紋波小、開關(guān)管導(dǎo)通 損耗小、所需二極管應(yīng)力減小等優(yōu)點；（2)可使電感值增大，電感電流紋波減小，電感電流 有效值降低；（3)使開關(guān)管的電流有效值相應(yīng)降低，變換器的導(dǎo)通損耗減小，變換器的效率 提尚。
【附圖說明】
[0011] 圖1是Buck PFC變換器主電路示意圖。
[0012] 圖2是一個開關(guān)周期內(nèi)DCM Buck PFC變換器的電感電流、開關(guān)管電流波形圖。
[0013] 圖3是半個工頻周期內(nèi)DCM Buck PFC變換器的開關(guān)管電流波形圖。
[0014] 圖4是半個工頻周期內(nèi)標幺化后的輸入電流波形。
[0015] 圖5是PF值與vyv。的關(guān)系曲線。
[0016] 圖6是PF值與M和a的關(guān)系曲面圖
[0017] 圖7是本發(fā)明的DCM Buck PFC變換器主功率電路結(jié)構(gòu)及控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖8是兩種控制方式下的PF值對比。
[0019] 圖9是兩種控制方式下的瞬時輸入功率標幺值。
[0020] 圖10是兩種控制方式下的輸出電壓紋波之比。
[0021] 圖11是不同輸入電壓下的臨界電感值。
[0022] 圖12是兩種控制方式下的電感電流有效值之比。
[0023] 上述圖中的主要符號名稱：Vin-電源電壓，iin-輸入電流，RB-整流橋，V g-整流后 的輸出電壓，iuT電感電流，Lb-電感，Qb-開關(guān)管，Db-二極管，C。-輸出濾波電容，I。-輸出 電流，Rui-負載，V。-輸出電壓，Vraf-輸出電壓反饋控制的基準電壓，vEA-輸出電壓反饋控制 的誤差電壓信號輸出，t_時間，ω-輸入電壓角頻率，Vm-輸入電壓峰值，Vgs-開關(guān)管Q b的驅(qū) 動電壓，Dy-占空比，Dy flt-擬合占空比，Ts-變換器開關(guān)周期，PF-功率因數(shù)，a-輸入電壓峰 值Vni與輸出電壓V。之比。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0025] IDCM Buck PFC變換器的工作原理
[0026] 圖1是Buck PFC變換器主電路。
[0027] 為了分析方便，先作如下假設(shè)：1.所有器件均為理想元件；2.輸出電壓紋波與其 直流量相比很??；3.開關(guān)頻率遠高于輸入電壓頻率。
[0028] 圖2給出了 DCM時一個開關(guān)周期中的開關(guān)管電流和電感電流波形。當Qb導(dǎo)通時， Db截止，電感Lb兩端的電壓為vg- V。，其電流U由零開始以（vg- V。)/Lb的斜率線性上 升，vg給負載和儲能電容C。供電。當Qb關(guān)斷時，i 通過Db續(xù)流，此時L1JW端的電壓為一 Hb以V yu的斜率下降，并且Ub可以在新的一周期開始前下降到零。
[0029] 不失一般性，定義輸入交流電壓Vin的表達式為
[0030] Vin=Vm sinω? (I)
[0031] 其中VdP ω分別為輸入交流電壓的幅值和角頻率。
[0032] 那么輸入電壓整流后的電壓為
[0033] Vg= Vm · |sin〇t (2)
[0034] 在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流峰值Lb pkS
[0036] 其中Dy為占空比，Ts為開關(guān)周期。
[0037] 在每個開關(guān)周期內(nèi)，Lb兩端的伏秒面積平衡，BP
[0038] (Vg-V0)DyTs= V0DJs (4)
[0039] 其中V。為輸出電壓，Dr為電感電流下降到零所對應(yīng)的占空比。
[0040] 由式⑵和式⑷可得：
[0042] 根據(jù)式（3)和式（5)，可以得到一個開關(guān)周期內(nèi)流過開關(guān)管的平均值為：
[0044] 在采用Buck拓撲的情況下，只有在輸入電壓大于輸出電壓時開關(guān)管才開始承受 正向電壓，才能夠被觸發(fā)導(dǎo)通，即電感電流（輸入電流）存在死區(qū)，死區(qū)大小由輸入輸出電 壓決定。雖然平均輸入電流值不是完整的正弦波，但是只要合理設(shè)計輸出電壓，將電流諧 波限制在一定值以內(nèi)，也能夠達到了功率因數(shù)校正的目的。
[0045] 因此，輸入電流i ιη為：
[0048] 當占空比化固定時，根據(jù)式（3)和式（6)可以畫出半個工頻周期內(nèi)開關(guān)管的峰值 包絡(luò)線和平均值的波形，如圖3所示。從圖中可以看出，此時開關(guān)管電流的平均值不再是正 弦形狀，而是發(fā)生了畸變。
[0049] 為了便于分析輸入電流的形狀，將0~π時的輸入電流進行標幺化，其基準值為
根據(jù)式（7)可以得到標么化后的輸入電流表達式為：
[0052] 根據(jù)式⑶可以畫出不同輸入電壓峰值與輸出電壓之比時，半個工頻周期內(nèi)輸入 電流標幺值的波形，如圖4所示。從圖中可以看出，輸入電流的形狀只和VnAci有關(guān)，V nZVci越大，輸入電流越接近于正弦。
[0053] 考慮輸入電流的死區(qū)，由式（1)和式（7)可以求出變換器在半個工頻周期內(nèi)輸入 功率的平均值Pin為：
[0055] 式中Tline是輸入電壓周期。
[0056] 假設(shè)變換器效率為100%，那么輸入功率等于輸出功率，即Pin= Pci。由式（9)可 得占空比Dy:
[0058] 由式（7)和式（9)可以求得PF值的表達式為：
[0060] 其中Iin ms為輸入電流有效值，
[0061] 根據(jù)式（11)可以作出PF的曲