低輸出電壓紋波斷續(xù)模式反激功率因數(shù)校正變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電能變換裝置中的交流-直流變換器技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種低輸出電 壓紋波斷續(xù)模式反激功率因數(shù)校正變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection,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(duì)于無源方 式，有源功率因數(shù)校正具有輸入功率因數(shù)高、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 有源PFC變換器可以采用多種電路拓和控制方法，其中Flyback變換器是幾種基 本的變換器之一，根據(jù)電感電流是否連續(xù)，可將其分為三種工作模式：電感電流連續(xù)模式 (ContinuousCurrentMode,CCM)、電感電流臨界連續(xù)模式（CriticalContinuousCurrent Mode,CRM)和電感電流斷續(xù)模式（DiscontinuousCurrentMode,DCM)。
[0004] DCMFlyback變換器一般應(yīng)用在中小功率場(chǎng)合，其特點(diǎn)是開關(guān)管零電流開通、二極 管無反向恢復(fù)，但是存在電流尖峰高、器件應(yīng)力大等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種低輸出電壓紋波斷續(xù)模式反激功率因數(shù)校正變換器， 通過引入輸入電壓前饋，減小輸出電壓紋波。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種低輸出電壓紋波斷續(xù)模式反激功率因數(shù) 校正變換器，包括Flyback變換器主功率電路、輸出電壓反饋控制電路、控制驅(qū)動(dòng)電路和輸 入電壓前饋電路，所述輸入電壓前饋電路包括輸入電壓采樣跟隨電路、輸入電壓峰值取樣 電路、減法電路和乘法電路；
[0007] 所述Flyback變換器主功率電路包括輸入交流電壓源vin、EMI濾波器、整流橋RB、 變壓器T、開關(guān)管Q、輸出二極管D、輸出濾波電容C。、負(fù)載Ru;其中輸入電壓源Vin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(fù)極為原邊參考電位零點(diǎn)，變壓器T原邊的一端與整流橋RB的輸出正極連接，變壓器T 原邊的另一端與開關(guān)管Q的漏極連接，開關(guān)管Q的源極與整流橋RB的負(fù)極連接，變壓器T 副邊的一端與輸出二極管D的陽極連接，變壓器T副邊的另一端為與原邊隔離的副邊參考 電位零點(diǎn)，輸出二極管D的陰極分別接入輸出濾波電容C。的陽極與負(fù)載電阻Ru的一端，輸 出濾波電容C。的陰極與負(fù)載電阻Rw的另一端均連接到與原邊隔離的副邊參考零電位；
[0008] 所述輸出電壓反饋控制電路的輸入端與負(fù)載Ru連接，輸出電壓反饋控制電路的 輸出端與乘法器的一個(gè)輸入端連接，輸入電壓采樣跟隨電路的輸入端與整流橋RB的輸出 正極連接，輸入電壓采樣跟隨電路的輸出端與減法電路的一個(gè)輸入端連接，輸入電壓峰值 取樣電路的輸入端與整流橋RB的輸出正極連接，輸入電壓峰值取樣電路的輸出端分別與 減法電路的另一輸入端和乘法電路的另一個(gè)輸入端連接，減法電路的輸出端與乘法電路的 第三個(gè)輸入端連接，乘法電路的輸出端與控制驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，控制驅(qū)動(dòng)電路的輸 出端與開關(guān)管Q的柵極連接。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：（1)在保持可靠性的前提下，減小輸出電 壓紋波，或在相同紋波下減小輸出電容容值和體積；(2)變壓器臨界電感值增大，電流尖峰 減小，對(duì)于提高系統(tǒng)效率有積極作用。
【附圖說明】
[0010] 圖1是Flyback變換器主功率電路的原理示意圖。
[0011] 圖2是兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變壓器原副邊電感電流的波形圖。
[0012] 圖3是輸入電壓、輸入電流、輸入功率和輸出功率的波形圖。
[0013] 圖4是輸出電壓紋波曲線圖。
[0014] 圖5是本發(fā)明低輸出電壓紋波斷續(xù)模式反激功率因數(shù)校正變換器的電路結(jié)構(gòu)示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0016] 1、理論推導(dǎo)：
[0017] 圖1是Flyback變換器主功率電路。
[0018] 令輸入交流電壓Vin的表達(dá)式為：
[0019] Vin=Vmsin?t ⑴其中Vm為輸入電壓峰值，《 =2jtf-為輸入電壓角頻率， fliM為輸入電壓頻率，t為時(shí)間。
[0020] 那么整流后的電壓VgS
[0021] Vg=Vm|sin?t(2)
[0022] 圖2給出了Flyback變換器工作于DCM模式時(shí)，兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變壓器原副邊電 感電流波形。
[0023] 當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，二極管D截止，原邊電感Lp兩端的電壓為Vg，其電流ip由零開 始以Vg/L，斜率線性上升，電流峰值i 為
[0028] 為了使Flyback變換器實(shí)現(xiàn)單位PF，傳統(tǒng)控制方式下，占空比Dy在一個(gè)工頻周期 內(nèi)保持不變，由此，ip_av正比于整流后的輸入電壓，相應(yīng)的，輸入電流正比于輸入電壓。輸入 電流表達(dá)式為
[0030] 由式⑴和式（5)，可以求出半個(gè)工頻周期內(nèi)輸入功率的平均值Pin
[0032] 其中Tline為工頻周期；
[0033] 根據(jù)功率平衡，Pin=Pt^Ptj為輸出功率的平均值，由式（6)可得占空比為
[0035] 由式（7)可以看出，在輸入電壓固定時(shí)，Dy為一常數(shù)，即前面所提傳統(tǒng)DCMFlyback 變換器的控制方式為定占空比控制。
[0036] 圖3所示為輸入電壓、輸入電流、輸入功率、輸出電壓的波形，其中V。是輸出電壓 平均值，AV。是輸出電壓紋波的峰峰值。從中可以看出，當(dāng)輸入功率p in>P。時(shí)，輸出電容C。 充電；當(dāng)Pin〈P。時(shí)，C。放電。輸出電容儲(chǔ)存的最大能量差A(yù)E為其每次充入的能量，即
[0043] 觀察式（9)，在一定條件下，減小輸出電容儲(chǔ)存的最大能量差A(yù)E，可以減小輸出 電壓紋波，對(duì)應(yīng)式（8)，即為減小脈動(dòng)的輸入功率和恒定的輸出功率之間的差值。若能減小 圖3中Tlim/4和3Tlim/4處的峰值電流，則能降低輸入峰值功率，從而可能減小輸出電容儲(chǔ) 存的最大能量差A(yù)E。
[0044]DCMFlyback變換器通過控制占空比工作，假如采用變占空比控制，按上一段所述 規(guī)律減小脈動(dòng)的輸入功率和恒定的輸出功率之間的差值，即可減小輸出電容存儲(chǔ)的最大能 量差A(yù)E，進(jìn)而可以減小輸出電壓紋波。
[0045] 設(shè)變占空比函數(shù)為
[0046] D'（t) =k?(l_a?Isin?11) (11)
[0047] 其中k、a為待定系數(shù)。
[0048] 將式（11)代入式（5)，可得變占空比控制下的輸入電流表達(dá)式
[0050] 結(jié)合EnergyStar的諧波標(biāo)準(zhǔn)，令PF為0. 9,計(jì)算可得a= 0. 6。此時(shí)瞬時(shí)功率表 達(dá)式為
[0052] 此時(shí)，輸入功率和輸出功率之間的最大差值，即輸出電容儲(chǔ)存的最大能量差A(yù)E， 根據(jù)式（8)計(jì)算可得，變?yōu)樵瓉淼?9%。
[0053] 對(duì)式（13)在半個(gè)工頻周期內(nèi)求平均值
[0066] 在輸入電壓Vin= 176~264VAC，輸出電壓V。=400VDC，輸出功率P。=120W，輸出 電容C。= 220yF的條件下，采用此種方法，輸出電壓紋波可由原來的4. 34V減小為2. 66V， 如圖4所示，減小了百分之38. 7 %。
[0067] 2、本發(fā)明高功率因數(shù)臨界連續(xù)模式升降壓功率因數(shù)校正變換器：
[0068] 結(jié)合圖5,整流后的電壓Vg經(jīng)第五電阻R5和第六電阻R6分壓可得A點(diǎn)電壓VA =kvgVjsin?t|，這里kvg是分壓系數(shù)。整流后的電壓^經(jīng)第八電阻R8和第九電阻R9 分壓后峰值取樣可得B點(diǎn)電壓vB=I. 67kvgVm。￥&與VB接入減法電路，貝Ij輸出為Vc= I. 67kvgVm(l-0. 6|sin?t|)。vc接入除法電路，除法電路輸出Vp=(1-0. 6|sin?t|)。Vp即為變占空比函數(shù)，接入控制驅(qū)動(dòng)電路即可按照此變化規(guī)律控制開關(guān)管Q工作。具體電 路如下：
[0069]本發(fā)明的低輸出電壓紋波斷續(xù)模式反激功率因數(shù)校正變換器，包括Flyback變換 器主功率電路1、輸出電壓反饋控制電路2、控制驅(qū)動(dòng)電路7和輸入電壓前饋電路，所述輸入 電壓前饋電路包括輸入電壓采樣跟隨電路3、輸入電壓峰值取樣電路4、減法電路5和乘法 電路6 ;
[0070] 所述Flyback變換器主功率電路1包括輸入交流電壓源vin、EMI濾波器、整流橋 RB、變壓器T、開關(guān)管Q、輸出二極管D、輸出濾波電容C。、負(fù)載Rw;其中輸入電壓源Vin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(fù)極為原邊參考電位零點(diǎn)，變壓器T原邊的一端與整流橋RB的輸出正極連接，變壓器 T原邊的另一端與開關(guān)管Q的漏極連接，開關(guān)管Q的源極與整流橋RB的負(fù)極連接，變壓器T 副邊的一端與輸出二極管D的陽極連接，變壓器T副邊的另一端為與原邊隔離的副邊參考 電位零點(diǎn)，輸出二極管D的陰極分別接入輸出濾波電容C。的陽極與負(fù)載電阻Ru的一端，輸 出濾波電容C。的陰極與負(fù)載電阻Rw的另一端均連接到與原邊隔離的副邊參考零電位；
[0071] 所述輸出電壓反饋控制電路2的輸入端與