高功率因數(shù)的CRM Buck PFC變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電能變換裝置的交流-直流變換器領(lǐng)域，特別是一種高功率因數(shù)的 CRM Buck PFC 變換器。
【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(duì)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(diǎn)。
[0003] 有源PFC變換器可以采用多種電路拓和控制方法，其中Buck PFC變換器是常用 的幾種PFC變換器之一，根據(jù)電感電流連續(xù)與否，可將其分為三種工作模式，即電感電流連 續(xù)模式（Continuous Current Mode, CCM)，電感電流臨界連續(xù)模式（Critical Continuous Current Mode, CRM)，電感電流斷續(xù)模式（Discontinuous Current Mode, DCM)。
[0004] CRM Buck PFC變換器一般應(yīng)用在中小功率場合，其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)管零電流開通、升 壓二極管無反向恢復(fù)等。但由于Buck變換器輸入電流固有導(dǎo)通死區(qū)，功率因數(shù)值達(dá)不到1， 但也還有提高PF值的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種高功率因數(shù)的CRM Buck PFC變換器，通過引入電壓前 饋，進(jìn)一步提高變換器的功率因數(shù)值。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種高功率因數(shù)的CRM Buck PFC變換器，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、開關(guān)管Q b、二極管Db、電感Lb、濾波電容C。和負(fù)載Rtd，其中輸入電壓源V in與EMI濾波 器的輸入端口連接，EMI濾波器的輸出端口與二極管整流電路RB的輸入端口連接，二極管 整流電路RB的輸出負(fù)極為參考電位零點(diǎn)，二極管整流電路RB的輸出正極與開關(guān)管Q b的源 極s連接，開關(guān)管QJI極d分別接入電感L b的一端和二極管D b的陰極，電感L b的另一端分 別與濾波電容C。的一端和負(fù)載R w的一端連接，二極管D b的陽極、濾波電容C。的另一端和 負(fù)載Ru的另一端均連接參考電位零點(diǎn)，負(fù)載R u兩端的電壓為輸出電壓V。；
[0007] 所述的控制電路包括CRM控制和驅(qū)動(dòng)電路、第一分壓跟隨電路、第二峰值取樣電 路、第三分壓電路、第一乘法器、第一減法電路、第二加法電路、第三減法電路、第二乘法器、 輸出電壓反饋電路；其中CRM控制和驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與開關(guān)管Qb的柵極g連接；第一分 壓跟隨電路的輸入端與輸入電壓采樣點(diǎn)Vg即二極管整流電路RB的輸出正極連接，第一分 壓跟隨電路的輸出端A分別與第一乘法器的第二輸入端v y、第二峰值取樣電路的一個(gè)輸入 端連接；第三分壓電路的輸入端與主功率電路的輸出電壓V。的正極連接，第二峰值取樣電 路的輸出端B與第一乘法器的第三輸入端v z連接，第三分壓電路的輸出端C與第一乘法器 的第一輸入端vx連接；第一乘法器的輸出端D和第二加法電路的輸出端E分別連接第一減 法電路的不同輸入端；第二加法電路的輸入端分別與第一分壓跟隨電路的輸出端A和第三 分壓電路的輸出端C連接；第三減法電路兩個(gè)輸入端分別與第一分壓跟隨電路的輸出端A 和第三分壓電路的輸出端C連接；第一減法電路的輸出端F、第三分壓電路的輸出端C、第三 減法電路的輸出端G分別與第二乘法器的三個(gè)輸入端連接；第二乘法器的輸出端P與CRM 控制和驅(qū)動(dòng)電路的輸入端3連接；輸出電壓反饋電路的輸入端連接主功率電路的輸出電壓 V。的正極，輸出電壓反饋電路的輸出端連接CRM控制和驅(qū)動(dòng)電路的輸入端2。
[0008] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：⑴在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，功率因數(shù)都 有所提高，特別是在低壓段，90V處有1. 6 %的提高幅度；(2)輸入電流諧波減少，在高壓段， 3、5、7次諧波基本接近于零，而在90V處的3次諧波減少了 16. 1 %。
【附圖說明】
[0009] 圖1是Buck PFC變換器主電路示意圖。
[0010] 圖2是CRMBuckPFC變換器的電感電流波形圖。
[0011] 圖3是半個(gè)工頻周期內(nèi)CRM Buck PFC變換器的電感電流波形圖。
[0012] 圖4是傳統(tǒng)控制的功率因數(shù)曲線圖。
[0013]圖5是傳統(tǒng)控制奇次諧波與基波的比值隨輸入電壓的變化曲線圖。
[0014] 圖6是注入三次諧波后功率因數(shù)與vyvjp:的三維圖。
[0015] 圖7是注入三次諧波后的導(dǎo)通時(shí)間曲線圖，其中（a)是仏=90在的導(dǎo)通時(shí)間曲線 圖，（b)是F；,"=178V^、264萬的導(dǎo)通時(shí)間曲線圖。
[0016]圖8是功率因數(shù)值在不同輸入電壓下隨k值變化的曲線關(guān)系圖，其中（a)是輸入 電壓為90.萬、丨丨9#、丨48.萬、177V^的功率因數(shù)值隨k值變化的曲線圖，（b)是輸入 電壓為206 A、235萬、264^/1的功率因數(shù)值隨k值變化的曲線圖。
[0017] 圖9是兩種控制方式下的功率因數(shù)曲線圖。
[0018] 圖10是兩種控制方式的開關(guān)頻率曲線圖，其中（a)是低輸入電壓范圍兩種控制方 式的開關(guān)頻率曲線圖，（b)是高輸入電壓范圍傳統(tǒng)控制方式的開關(guān)頻率曲線圖，（C)是高輸 入電壓范圍注入三次諧波的開關(guān)頻率曲線圖。
[0019]圖11是兩種控制方式的電感電流有效值隨輸入電壓的變化曲線圖。
[0020] 圖12是兩種方式下的瞬時(shí)輸入功率標(biāo)幺值在半個(gè)工頻周期內(nèi)的變化曲線圖，其 中（a)是傳統(tǒng)控制方式下輸入電壓為90 丨34 176^時(shí)瞬時(shí)輸入功率標(biāo)么值在半 個(gè)工頻周期內(nèi)的變化曲線圖，（b)是傳統(tǒng)控制方式下輸入電壓為220力、264v^時(shí)瞬時(shí)輸 入功率標(biāo)幺值在半個(gè)工頻周期內(nèi)的變化曲線圖，（c)是變導(dǎo)通時(shí)間控制方式下輸入電壓為 90上、134VI、176?^時(shí)瞬時(shí)輸入功率標(biāo)幺值在半個(gè)工頻周期內(nèi)的變化曲線圖，（d)是 變導(dǎo)通時(shí)間控制方式下輸入電壓為22〇VI、264^時(shí)瞬時(shí)輸入功率標(biāo)幺值在半個(gè)工頻周 期內(nèi)的變化曲線圖。
[0021] 圖13是兩種控制方式下的輸出電壓紋波比值曲線圖。
[0022] 圖14是兩種控制方式的低次奇次諧波含量曲線比較圖，其中（a)是定導(dǎo)通時(shí)間控 制的低次奇次諧波含量曲線圖，（b)是變導(dǎo)通時(shí)間控制的低次奇次諧波含量曲線圖。
[0023] 圖15是本發(fā)明高功率因數(shù)的CRM Buck PFC變換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025] ICRMBuckPFC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 直流量相比很小；3.開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入電壓頻率。
[0028] 圖2給出了 CRM時(shí)一個(gè)開關(guān)周期中的電感電流波形。當(dāng)Qb導(dǎo)通時(shí)，Db截止，升壓 電感U兩端的電壓為v g-V。，其電流由零開始以（V^Vci)/Lb的斜率線性上升。當(dāng)Qb 關(guān)斷時(shí)，U通過D b續(xù)流，此時(shí)L b兩端的電壓為V。，itb以V yLb的斜率下降。由于Buck變換 器工作在CRM模式，因此在1下降到零時(shí)，開關(guān)管Q b開通，開始新的開關(guān)周期。
[0029] 不失一般性，定義輸入交流電壓Vin的表達(dá)式為
[0030] Vin=Vmsin〇t (1)
[0031] 其中Vn^P ?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(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流峰值Lb pkS
[0036] 其中t。#Qb的導(dǎo)通時(shí)間。
[0037] 在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，Lb兩端的伏秒面積平衡，那么Qb的關(guān)斷時(shí)間為
[0039]從圖2可以看出，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流的平均值ilb_av為其峰值的一半，由式 (3)可得
[0041] 由式（5)可知，如果在一個(gè)工頻周期內(nèi)，是固定的，那么輸入電壓大于輸出電壓 時(shí)電感電流的平均值為正弦形式。
[0042] 圖3給出了在半個(gè)工頻周期內(nèi)電感電流、峰值包絡(luò)線和平均值的波形。其中0 = arcsin(V〇/Vm)〇
[0043] 由式（5)和圖1可以看出，輸入電流為
[0045] 假設(shè)變換器的輸出功率為P。，效率為1，由輸入輸出功率平衡可得
[0051] 由式⑶和（9)可知，傳統(tǒng)控制為峰值電流控制，輸入輸出電壓、輸出功率確定時(shí)， 導(dǎo)通時(shí)間是恒定的，結(jié)合Buck輸入輸出電壓關(guān)系Vm sin 0 = V。，不妨設(shè)
[0058] 選定參數(shù)，輸入電壓Vin ras范圍為90~264V，輸出電壓V。為90V，輸出功率P