一种并联整合式Buck-Flyback功率因数校正PFC变换器拓扑

摘要

本发明公开了一种并联整合式Buck-Flyback功率因数校正PFC变换器。传统的功率因数校正变换器难以同时实现高功率因数、低总谐波失真与高效率。本发明由Buck功率因数校正（PFC）变换器与Flyback PFC变换器输入并联输出并联并合并主开关管而成，结合了Buck PFC变换器高效率与Flyback PFC变换器高功率因数的优点。该发明所述的变换器拓扑结构与控制简单，并实现了高功率因数、低总谐波失真的特性，为需要功率因数校正的应用提供了一种高性能的解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及电力输送，尤其是低输入电流谐波、低压输出、高效率的功率因数校正技术领域。

背景技术

近年来，电力电子技术迅速发展，作为电力电子领域重要组成部分的电源技术逐渐成为应用和研究的热点。开关电源以其效率高、功率密度高而确立了其在电源领域中的主流地位，但其通过整流器接入电网时会存在一个致命的弱点：功率因数较低（一般仅为0.45～0.75）,且在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网。抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或消除谐波；二是主动法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即具有功率因数校正功能。开关电源功率因数校正研究的重点，主要是功率因数校正电路拓扑的研究和功率因数校正控制集成电路的开发。现有Buck、Boost、Buck-Boost等多种功率因数校正电路拓扑结构。其中，Boost拓扑具有控制容易，驱动简单，在整个工频周期内都可以进行开关工作，输入电流的功率因数可以接近1等优点；但是Boost电路具有输出电压高的特点，无法实现单级应用，而且在宽范围输入（90Vac～265Vac）条件下，在低压段（90Vac～135Vac）效率会比高压段（175Vac～265Vac）低。而采用Buck-Boost拓扑，由于电感传递能量方式是完全能量存储与释放，因此，效率较低。在中小功率应用场合，Buck拓扑能够在整个输入电压范围内保持高效率，因此，Buck拓扑被越来越多地用到工业产品中。

然而Buck拓扑应用于PFC电路，在整流桥后的输入电压V_g小于输出电压V_o的区间内，输入电流i_in为零，如图1与图2所示，这段死区时间极大程度地增加了输入电流谐波，影响了网侧输入功率因数。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明提供一种并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器拓扑，相比传统的Buck拓扑，具有高功率因数、低总谐波失真的优点。

本发明为实现其发明目的所采用的技术方案是：

一种并联整合式Buck-Flyback功率因数校正PFC变换器拓扑，其主电路由前端整流桥、滤波电感L_f，滤波电容C_f，开关管Q，二极管D₁，D₂，D₃，电感L_B，反激变压器T，输出电容C_O，以及负载R组成。PFC变换器由Buck PFC变换器与Flyback PFC变换器构成;两个变换器共用一个开关管;其中Buck PFC变换器的输入端与Flyback PFC变换器的输入端并联连接，Buck PFC变换器的输出端与Flyback PFC变换器的输出端并联连接变换器采用一套控制电路即实现功率因数校正;

其中一种拓扑形式为输出与输入滤波器共地型，整流滤波后的电路连接情况如下：滤波电容C_f的高压端接开关管Q的漏极，另一端接变压器T原边绕组的异名端、二极管D₁的阳极、二极管D₂的阳极、输出电容C_O的负端和负载R的一端，开关管Q的源极接变压器T原边绕组的同名端和二极管D₃的阳极，二极管D₃的阴极接二极管D₁的阴极和电感L_B的一端，电感L_B的另一端接变压器T副边绕组的异名端、输出电容C_O的正端和负载R的另一端，二极管D₂的阴极接变压器T副边绕组的同名端，由于此种拓扑形式主开关管连接输入滤波器的高压端，因此称为高端并联整合式Buck-Flyback PFC变换器。

其拓扑的另一种形式是输出正端与滤波器正端连接型，整流滤波后的电路连接情况如下：滤波电容C_f的高压端接变压器T原边绕组的同名端、二极管D₁的阴极、变压器T副边绕组的异名端、输出电容C_O的正端和负载R的一端，另一端接开关管Q的源极，开关管Q的漏极接变压器T原边绕组的异名端和二极管D₃的阴极，二极管D₃的阳极接二极管D₁的阳极和电感L_B的一端，电感L_B的另一端接二极管D₂的阳极、输出电容C_O的负端和负载R的另一端，二极管D₂的阴极接变压器T副边绕组的同名端。由于此种拓扑形式主开关管连接输入滤波器地，利于主开关管的驱动，因此称此种形式为低端并联整合式Buck-Flyback PFC变换器。

本发明通过将Buck PFC变换器和Flyback PFC变换器输入并联输出并联并整合开关管，并联整合后的Buck-Flyback PFC变换器兼有Buck PFC变换器和Flyback PFC变换器的优点，从而实现高功率因数、低总谐波失真和高效率。根据主开关管的连接方式，将其分为低端并联整合Buck-Flyback PFC变换器与高端并联整合Buck-Flyback PFC变换器。控制方法采用传统的PFC控制方式，如电压模式控制、峰值电流模式控制等。工作模式有以下三种情况：Buck电感与Flyback变压器均工作于断续模式；Buck电感工作于临界连续模式，Flyback变压器工作于断续模式；Buck电感工作于断续模式，Flyback变压器工作于临界连续模式。

与现有拓扑相比，本发明的有益效果是：

1、相对于传统的Buck PFC变换器拓扑，采用本发明的并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器减小了输入电流的谐波，降低了总谐波失真，提高了功率因数。

2、采用本发明的并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器，可以根据对输入功率因数和效率的要求，合理设计磁性元件的参数，灵活配置BuckPFC变换器与Fyback PFC变换器的功率。

3、本发明的并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器拓扑简单，只用一个开关管和一套控制电路实现功率因数校正，成本低，可靠性高。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为Buck PFC变换器拓扑。

图2为Buck PFC变换器输入电压与输入电流波形图。

图3为本发明提出的并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器的整合过程（低端型）。

图4为本发明提出的高端型并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器拓扑。

图5为本发明提出的并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器的输入电压与电流波形图。

图6为本发明并联整合式Buck-Flyback功率因数校正变换器的实施例一：电压模式控制、Buck变换器和Flyback变换器均工作在断续模式、恒压输出的功率因数校正器。

图7为本发明实施例一在全电压输入范围下的仿真波形。电路参数如下：L_f=2mH,C_f=1uF,L_B=120uH,C_o=1.5mF,R=64Ω，变压器励磁电感L_F=480uH，匝比为27:12，额定输出电压V_o=80V。

图7（a）的输入条件为：输入电压V_in=110Vac，频率f=50Hz。

图7（b）的输入条件为：输入电压V_in=220Vac，频率f=50Hz。

具体实施方式：

图6为本发明的一个具体实施方式，如图6所示为电压型PWM控制的功率因数校正拓扑及控制实现，Buck电感电流为断续模式，Flyback变压器电流为断续模式。

图7为本发明实施例一在输入电压为110Vac和220Vac，频率为50Hz时的输入电流、输入电压与输出电压、Buck电感电流、Flyback变压器原边电流的波形，从图中可以看出，变换器在全电压范围内均能正常稳定地工作，实现了功率因数校正的功能，并且在输入电压低于输出电压的区间，输入电流也在一定程度上跟随输入电压，相比传统的Buck PFC变压器减小了输入电流谐波成分。提高了功率因数。