本實(shí)用新型涉及一種單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器，適用于低壓小功率場(chǎng)合，屬于電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量的電力電子產(chǎn)品得到應(yīng)用，電力系統(tǒng)的諧波污染問(wèn)題便受到廣泛關(guān)注。功率因數(shù)校正變換器作為一種將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷碾娏﹄娮幼儞Q裝置，在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)變換，在不間斷電源系統(tǒng)、電子儀器儀表、各類工業(yè)控制設(shè)備、LED照明等諸多領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的Boost PFC由于Boost電路的固有特性，只能實(shí)現(xiàn)升壓變換，要得到低壓輸出則需要級(jí)聯(lián)DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)降壓調(diào)節(jié)，效率低、成本高。若采用Buck PFC單級(jí)實(shí)現(xiàn)，需解決輸入電壓低于輸出電壓而產(chǎn)生的死區(qū)問(wèn)題，且Buck PFC輸入電流不連續(xù)，影響功率因數(shù)的提高。Cuk PFC與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較，存在如下優(yōu)點(diǎn)：因其存在輸入輸出電感，使輸入輸出電流均連續(xù)、THD小，減小了濾波器體積，開(kāi)機(jī)及過(guò)載時(shí)可抑制浪涌電流，較低的EMI影響等等。而傳統(tǒng)的整流橋+Cuk PFC變換器，前端整流橋的導(dǎo)通損耗在很大程度上降低了變換器的效率，尤其是在低壓輸入時(shí)。想要提高變換器的效率，減少導(dǎo)通損耗，電流流通路徑中的功率器件數(shù)目必須減少。由此，消除前端二極管整流橋是提高整機(jī)效率的首要環(huán)節(jié)。同時(shí)在各類電子儀器儀表以及工控設(shè)備中，往往需要多電壓等級(jí)輸出，傳統(tǒng)的做法是前級(jí)PFC變換器級(jí)聯(lián)多個(gè)DC-DC變換器的兩級(jí)變換，這種方式效率低、成本高。直接由PFC單級(jí)實(shí)現(xiàn)多路輸出的研究尚不多見(jiàn)，為此，研究具備高效率、高功率因數(shù)、多路輸出的單級(jí)無(wú)橋功率因數(shù)校正變換器具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器，以克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：一種單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器，包括：電網(wǎng)電壓Vac，第一電感L1、第二電感L2、第三電感L3，第一電容C1、第二電容C2、第三電容Co1、第四電容Co2、第五電容Co3，第一開(kāi)關(guān)管Qm1、第二開(kāi)關(guān)管Qm2、第三開(kāi)關(guān)管Qs1、第四開(kāi)關(guān)管Qs2、第五開(kāi)關(guān)管Qs3，第一二極管Dm1、第二二極管Dm2、第三二極管Ds1、第四二極管Ds2、第五二極管Ds3；所述第一電感L1的一端接入交流電網(wǎng)電壓Vac的一端，所述第一電感L1的另一端分別與所述第一開(kāi)關(guān)管Qm1的源極以及所述第一電容C1的一端連接；所述電網(wǎng)電壓Vac的另一端與所述第二開(kāi)關(guān)管Qm2的源極以及第二電容C2的一端連接；所述第一電容C1的另一端分別與所述第一二極管Dm1的陰極以及第二電感L2的一端連接；所述第二電容C2的另一端分別與所述第二二極管Dm2的陰極以及所述第三電感L3的一端連接；所述第二電感L2的另一端分別與所述第三電感L3的另一端、所述第三開(kāi)關(guān)管Qs1的漏極、所述第四開(kāi)關(guān)管Qs2的漏極以及所述第五開(kāi)關(guān)管Qs3的漏極連接；所述第三開(kāi)關(guān)管Qs1的源極與所述第三二極管Ds1的陽(yáng)極連接；所述第四開(kāi)關(guān)管Qs2的源極與所述第四二極管Ds2的陽(yáng)極連接；所述第五開(kāi)關(guān)管Qs3的源極與所述第五二極管Ds3的陽(yáng)極連接；所述第三二極管Ds1的陰極分別與所述電容Co1的一端以及第一負(fù)載R1的一端連接；所述第四二極管Ds2的陰極分別與所述第四電容Co2的一端以及第二負(fù)載R2的一端連接；所述第五二極管Ds3的陰極分別與所述第五電容Co3的一端以及第三負(fù)載R3的一端連接；所述第一開(kāi)關(guān)管Qm1的漏極、所述第二開(kāi)關(guān)管Qm2的漏極、所述第一二極管Dm1的陽(yáng)極、所述第二二極管Dm2的陽(yáng)極、所述第三電容Co1的另一端、所述第四電容Co2的另一端、所述第五電容Co3的另一端、所述第一負(fù)載R1的另一端、所述第二負(fù)載R2的另一端、所述第三負(fù)載R3的另一端連接，并接地；所述第一開(kāi)關(guān)管Qm1至所述第五開(kāi)關(guān)管Qs3的柵極分別對(duì)應(yīng)連接控制信號(hào)。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下有益效果：本實(shí)用新型提供的一種單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器，完全消除了二極管整流橋，僅采用單個(gè)輸入電感，電感利用率高，通態(tài)損耗低。相比于傳統(tǒng)Cuk PFC變換器，該變換器可實(shí)現(xiàn)正向電壓輸出，解決了Cuk拓?fù)涞姆聪螂妷狠敵鰡?wèn)題。同時(shí)通過(guò)分時(shí)復(fù)用控制方法實(shí)現(xiàn)單級(jí)非隔離式三路電壓輸出。該變換器工作于DCM模式下，可使輸入電流自然跟蹤輸入電壓，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，同時(shí)可確保主開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通與主二極管的零電流關(guān)斷，有效解決了主二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，提高了變換器效率。

附圖說(shuō)明

圖1為傳統(tǒng)Cuk PFC電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 為本實(shí)用新型所提出的單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器。

圖3 為圖2的電網(wǎng)電壓正半周等效電路。

圖4 為圖3的電網(wǎng)電壓正半周時(shí)第一工作模態(tài)示意圖。

圖5 為圖3的電網(wǎng)電壓正半周時(shí)第二工作模態(tài)示意圖。

圖6 為圖3的電網(wǎng)電壓正半周時(shí)第三工作模態(tài)示意圖。

圖7 為圖2的電網(wǎng)電壓負(fù)半周等效電路。

圖8 為圖7的電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)第一工作模態(tài)示意圖。

圖9 為圖7的電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)第二工作模態(tài)示意圖。

圖10 為圖7的電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)第三工作模態(tài)示意圖。

圖11 為本實(shí)用新型一實(shí)施例中變換器分時(shí)復(fù)用控制框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行具體說(shuō)明。

傳統(tǒng)的Cuk DC-DC變換器輸出電壓為負(fù)值，若將兩個(gè)對(duì)稱工作的Cuk DC-DC變換器組合成為單級(jí)PFC電路，其輸出電壓也為負(fù)值，這便需要一個(gè)反向電路將輸出電壓反向后才能接入反饋控制回路，增加了電路的復(fù)雜程度，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本實(shí)用新型提供了一種單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器，如圖2所示，將常規(guī)的Cuk DC-DC變換器中的MOS管與輸出二極管極性對(duì)掉，再將兩個(gè)對(duì)稱工作的電路組合得到，可實(shí)現(xiàn)正向電壓輸出，省去反向電路，從而節(jié)省了電路成本。同時(shí)通過(guò)分時(shí)復(fù)用控制方法實(shí)現(xiàn)單級(jí)非隔離式三路電壓輸出。該變換器工作于DCM模式下，可使輸入電流自然跟蹤輸入電壓，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，同時(shí)可確保主開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通與主二極管的零電流關(guān)斷，有效解決了主二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，提高了變換器效率。

如圖2所示，該單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器，包括電網(wǎng)電壓Vac，電感L1、L2、L3，電容C1、C2、Co1、Co2、Co3，開(kāi)關(guān)管Qm1、Qm2、Qs1、Qs2、Qs3，二極管Dm1、Dm2、Ds1、Ds2、Ds3；交流電網(wǎng)電壓Vac的一端經(jīng)電感L1與開(kāi)關(guān)管Qm1的源極、電容C1的一端連接，電網(wǎng)電壓Vac的另一端與開(kāi)關(guān)管Qm2的源極、電容C2的一端連接，所述電容C1的另一端與二極管Dm1的陰極、電感L2的一端連接，所述電容C2的另一端與二極管Dm2的陰極、電感L3的一端連接，所述電感L2的另一端與所述電感L3的另一端、開(kāi)關(guān)管Qs1的漏極、開(kāi)關(guān)管Qs2的漏極、開(kāi)關(guān)管Qs3的漏極連接，所述開(kāi)關(guān)管Qs1與二極管Ds1的陽(yáng)極連接，所述開(kāi)關(guān)管Qs2與二極管Ds2的陽(yáng)極連接，所述開(kāi)關(guān)管Qs3與二極管Ds3的陽(yáng)極連接，所述二極管Ds1的陰極與電容Co1的一端、負(fù)載R1的一端連接，所述二極管Ds2的陰極與電容Co2的一端、負(fù)載R2的一端連接，所述二極管Ds3的陰極與電容Co3的一端、負(fù)載R3的一端連接，所述開(kāi)關(guān)管Qm1的漏極與所述開(kāi)關(guān)管Qm2的漏極、所述二極管Dm1的陽(yáng)極、所述二極管Dm2的陽(yáng)極、所述電容Co1的另一端、所述電容Co2的另一端、所述電容Co3的另一端、所述負(fù)載R1的另一端、所述負(fù)載R2的另一端、所述負(fù)載R3的另一端連接，并接地。所述開(kāi)關(guān)管Qm1、Qm2、Qs1、Qs2、Qs3的柵極連接控制信號(hào)。

為讓本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步了解本實(shí)用新型所提出的單級(jí)非隔離式三路正向電壓輸出的DCM無(wú)橋Cuk PFC變換器的工作原理，下面結(jié)合該變換器的控制方法進(jìn)行說(shuō)明。在該說(shuō)明過(guò)程中所涉及的現(xiàn)有軟件或控制方法均不是本實(shí)用新型所保護(hù)的客體，本實(shí)用新型僅保護(hù)該電路的結(jié)構(gòu)以及連接關(guān)系。

工作方式如圖3-10所示，主開(kāi)關(guān)管Qm1、Qm2為電網(wǎng)電壓正負(fù)半周控制管，開(kāi)關(guān)管Qs1、Qs2、Qs3為分時(shí)復(fù)用控制管。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，各等效電路均只畫(huà)出一路輸出。電網(wǎng)電壓正半周時(shí)等效電路如圖3所示，圖4-6所示為電網(wǎng)電壓正半周時(shí)的工作模態(tài)。電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)等效電路如圖7所示，圖8-10所示為電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)的工作模態(tài)。

電網(wǎng)電壓正半周工作模態(tài)1：Qm2以及Qm1的體二極管導(dǎo)通，二極管Dm1、Dm2截止，輸入電感L1電流線性增加，中間電容C2向電感L3放電。電感L3電流線性增加。

電網(wǎng)電壓正半周工作模態(tài)2：開(kāi)關(guān)管Qm2關(guān)斷，Qm1的體二極管導(dǎo)通，二極管Dm1截止，二極管Dm2開(kāi)始導(dǎo)通，輸入電感L1電流線性減小，中間電容C2充電。電感L3電流線性減小。

電網(wǎng)電壓正半周工作模態(tài)3：此模態(tài)開(kāi)始于二極管Dm2關(guān)斷時(shí)刻。在此模態(tài)中，開(kāi)關(guān)管Qm2截止，Qm1的體二極管導(dǎo)通，二極管Dm1截止，電感L1和L3相當(dāng)于電流源，其兩端穩(wěn)態(tài)電壓均為零。電容C2充電，輸出電容向負(fù)載放電。

電網(wǎng)電壓負(fù)半周工作模態(tài)1：Qm1以及Qm2的體二極管導(dǎo)通，二極管Dm1、Dm2截止，輸入電感L1電流線性增加，中間電容C1向電感L2放電。電感L2電流線性增加。

電網(wǎng)電壓負(fù)半周工作模態(tài)2：開(kāi)關(guān)管Qm1關(guān)斷，Qm2的體二極管導(dǎo)通，二極管Dm2截止，二極管Dm1開(kāi)始導(dǎo)通，輸入電感L1電流線性減小，中間電容C1充電。電感L2電流線性減小。

電網(wǎng)電壓負(fù)半周工作模態(tài)3：此模態(tài)開(kāi)始于二極管Dm1關(guān)斷時(shí)刻。在此模態(tài)中，開(kāi)關(guān)管Qm1截止，Qm2的體二極管導(dǎo)通，二極管Dm2截止，電感L1和L2相當(dāng)于電流源，其兩端穩(wěn)態(tài)電壓均為零。電容C1充電，輸出電容向負(fù)載放電。

當(dāng)變換器工作于DCM模式時(shí)，引入分時(shí)復(fù)用控制方法，便可實(shí)現(xiàn)三路輸出電壓的獨(dú)立控制，且各輸出支路不存在交叉影響。分時(shí)復(fù)用控制框圖如圖11所示。具體原理分析如下：各路輸出電壓分別與其對(duì)應(yīng)的參考電壓進(jìn)行比較后得到誤差電壓，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)后分別與鋸齒波信號(hào)Vsaw進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生各自的脈沖信號(hào)C1、C2、C3作為主開(kāi)關(guān)管Qm1或Qm2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。CLK信號(hào)經(jīng)三分頻后產(chǎn)生三分之一開(kāi)關(guān)頻率的分頻信號(hào)作為第一路開(kāi)關(guān)管Qs1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vs1，再分別延遲三分之一、三分之二開(kāi)關(guān)頻率后產(chǎn)生的分頻信號(hào)分別作為第二路開(kāi)關(guān)管Qs2、第三路開(kāi)關(guān)管Qs3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vs2、Vs3，同時(shí)Vs1、Vs2、Vs3作為信號(hào)選擇器的輸入來(lái)確定一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)主開(kāi)關(guān)管的PWM脈沖信號(hào)C1、C2或C3。信號(hào)選擇器的輸出再經(jīng)電網(wǎng)正負(fù)半周判斷后輸出相應(yīng)的占空比信號(hào)給開(kāi)關(guān)管Qm1或Qm2。

以上是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。