CN217362900U - 一种采用变电感的cuk pfc变换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种采用变电感的CUK PFC变换器，变换器包括主功率电路、输出电压反馈和驱动电路、输入电压采样电路、可变电感控制电路和可变电感计算电路。输出电压反馈和驱动电路根据对误差值的一系列运算输出PWM波，控制开关管的开通与关断，主功率电路中的可变电感在半个工频周期内根据可变电感计算电路通过输入电压采样电路采集到的整流后的输入电压和母线电容电压的额定值所计算出的不同的偏置电流实现电感值变化。本发明实现了降低中间储能电容电压，减小开关管的电流应力，同时还能保持高功率因数，减小输入电流的谐波畸变。
Description
技术领域
本实用新型涉及电能变换装置的交流-直流变换器技术，特别是采用变电感实现高PF值的DCM CUK变换器。
背景技术
功率因数校正技术（PowerFactor Correction，PFC）因其可以减小输入电流谐波而被广泛应用于电力电子装置中，按照变换器中是否含有有源器件可以将PFC技术分为有源PFC技术和无源PFC技术，有源PFC技术具有体积小、成本低、功率因数高等优点。
CUK PFC变换器作为有源PFC变换器的一种，具有既可以升压又可以降压、输入电流和输出电流均连续且脉动小等优点，适用于LED驱动电源等场合。但CUK PFC变换器工作在DCM模式下输入电流谐波畸变严重、功率因数较低、中间储能电容电压过高等问题。
发明内容
针对现有的DCM CUK PFC变换器所存在的问题，本实用新型提出了一种采用变电感的CUK PFC变换器，旨在能够实现高功率因数的同时，有效降低中间储能电容电压，并且校正输入电流的谐波畸变、减小开关管电流应力。
为实现上述目的，本实用新型提出的一种采用变电感的CUK PFC变换器包括主功率电路、输出电压反馈和驱动电路、输入电压采样电路、可变电感计算电路和可变电感控制电路；所述主功率电路主要包括输入电压源v in、EMI滤波器、二极管整流桥、可变电感L V、开关管S 1、中间储能电容C 1、续流二极管D 1、输出电感L 2、滤波电容C 2、负载R O；所述输入电压源v in与EMI滤波器的输入端口连接，EMI滤波器的输出端口与二极管整流桥的输入端口连接，二极管整流桥的输出端口正极与可变电感L V的一端连接，可变电感L V的另一端与开关管S 1的漏极和中间储能电容C 1的正极连接，中间储能电容C 1的负极与续流二极管D 1的阳极和输出电感L 2的一端连接，输出电感L 2的另一端与滤波电容C 2的一端和负载R O的一端连接，开关管S 1的源极、续流二极管D 1的阴极和滤波电容C 2的另一端以及负载R O的另一端均与二极管整流桥的输出端口负极连接，且这一端口接地，为零电位点。
进一步地，所述输出电压反馈和驱动电路由输出电压采样电路、运算放大器A1、电压比较器COMP、RS触发器和开关管驱动组成；误差放大器的负输入端口由输出电压采样电路接入、正输入端和参考电压U Ref 相连接，运算放大器A1的输出端口和电压比较器COMP的负输入端口相连接，电压比较器COMP的正输入端口输入锯齿波信号v Saw ，电压比较器COMP的输出端口和RS触发器的R端口相连接，RS触发器的S端口接入时钟信号CLK，Q端口和开关管驱动输入端口相连，开关管输出端和主功率电路中开关管的栅极相连。
进一步地，所述输入电压采样电路主要由分压电阻R H、 R L组成，分压电阻R H的一端与整流桥后的输入电压连接，另一端与电阻R L连接，电阻R L的另一端与参考地相连。
进一步地，可变电感计算电路的主要组成部分为一个数字计算单元；从输入电压采样电路中分压电阻R H、 R L之间采集到的电压信号与数字计算单元的ADC1端口连接，数字计算单元的ADC2端口输入信号为中间储能电容电压的额定计算值，可变电感计算电路的输出端口与可变电感控制电路连接。
进一步地，可变电感控制电路主要结构为一个压控电流源，其主要由运算放大器A2、开关管S 2、偏置电阻R bias组成。运算放大器的正输入端与数字计算单元的输出端连接，负输入端与偏置电阻的一端和开关管S 2的源极相连，运算放大器的输出与开关管S 2的栅极连接，开关管S 2的漏极和可变电感的辅助绕组连接。
本实用新型与现有的技术相比，有益效果如下。
本实用新型提供的一种采用变电感的CUK PFC变换器，使得CUK PFC变换器实现在输入、输出电感均工作在DCM模式下仍能够在保证高功率因数的同时，有效降低中间储能电容的电压，并且减小开关管的电流应力。
附图说明
图1是本实用新型中一种采用变电感的CUK PFC恒压输出变换器的电路结构示意图。其中1为主功率电路,2为输出电压反馈和驱动电路、3为输入电压采样电路、4为可变电感计算电路,5为可变电感控制电路。
图2是本实用新型中一种采用变电感的CUK PFC恒流输出变换器的电路结构示意图。其中1为主功率电路,2为输出电流反馈和驱动电路、3为输入电压采样电路、4为可变电感计算电路,5为可变电感控制电路。
图3为本实用新型所采用的可变电感基本结构图。
图4为本实用新型所采用的可变电感计算电路的控制逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提出了一种采用变电感的CUK PFC变换器，能够实现高功率因数的同时，有效降低中间储能电容电压，并且校正输入电流的谐波畸变、减小开关管电流应力。
为便于对本实用新型进一步理解,现结合附图及具体实施例对本实用新型进行详细描述。
如图1中输出电压反馈和驱动电路所示，本实用新型通过输出电压采样电路对输出电压进行采样，该电压信号和参考电压同时输入运算放大器A1进行误差补偿，运算放大器的输出信号再和锯齿波信号进入比较器进行比较，输出的PWM波形进入RS触发器的R端口，根据S端口的时钟信号从Q端输出开关管的PWM波形，最后进入开关管驱动电路，生成开关管驱动信号，控制开关管的通断，从而实现恒压输出。
如图1中输入电压采样电路所示，本实用新型通过对输入分压电阻R L的电压信号进行采样，该电压信号作为可变电感计算电路中数字计算单元的输入信号。
如图1中可变电感计算电路所示，经过输入电压采样电路的电压信号进入可变电感计算电路中，输入电压信号为k· |v in |，其中k=R L /（R H +R L） ，该信号和中间储能电容电压的额定值被同时输入数字计算单元中进行实时电感量计算，计算所得到的此输入电压下所需的电感量大小，再根据图4所示的可变电感量计算电路，输出一个对应的偏置电压信号V bias。
如图1中可变电感控制电路所示，由4中输出的偏置电压V bias信号将输入可变电感控制电路中，经过压控电流源，并经过该电路中偏置电阻R bias，从而可以得到控制可变电感的偏置电流I bias，其数值大小为I bias=V bias/R bias。
可变电感具体工作原理如下。
可变电感的原理是通过向辅助绕组中注入可以控制的直流偏置电流，以此达到控制磁性材料饱和程度的目的，在外加磁场的作用下，待磁化物质周围的磁场强度发生变化，磁感应强度也逐渐从不饱和区域进入过渡区域，在不同程度磁化效果下磁介质的磁导率也将会发生变化，即通过注入直流偏置电流可以改变磁导率的大小。如图3所示，本实用新型采用的双E形可变电感磁芯结构和绕组方式如图，两侧为可变电感的辅助绕组，本实用新型通过增加流经辅助绕组的偏置电流数值，能够使辅助绕组中磁导率进入过渡区域，且磁导率随直流偏置电流的增大而减小，根据双E形电感的理论公式可知，辅助绕组的磁导率减小，电感量也会同时减小，从而实现电感量的变化。
本实用新型在每半个工频周期内，通过实时采集的整流后的输入电压和中间储能电容的额定值进行电感量的计算，再根据计算所得电感量和偏置电流的对应关系输出偏置电压，进而通过可变电感控制电路得到偏置电流，通过向可变电感辅助绕组注入此时的偏置电流以达到电感变化的效果，从而实现减小电流谐波畸变、保证高功率因数和有效降低中间储能电容电压的功能。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例,并非因此限制本实用新型的专利范围,凡是在本实用新型的发明构思下,利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种采用变电感的CUK PFC变换器，其特征在于，包括主功率电路和控制电路；
所述主功率电路主要包括输入电压源v in、EMI滤波器、二极管整流桥、可变电感L V、开关管S 1、中间储能电容C 1、续流二极管D 1、输出电感L 2、滤波电容C 2、负载R O；其中所述输入电压源v in与所述EMI滤波器的输入端口连接，所述EMI滤波器的输出端口与所述二极管整流桥的输入端口连接，所述二极管整流桥的输出端口正极与所述可变电感L V的一端连接，所述可变电感L V的另一端与所述开关管S 1的漏极和所述中间储能电容C 1的正极连接，所述中间储能电容C 1的负极与所述续流二极管D 1的阳极和所述输出电感L 2的一端连接，所述输出电感L 2的另一端与所述滤波电容C 2的一端和所述负载R O的一端连接，所述开关管S 1的源极、所述续流二极管D 1的阴极和所述滤波电容C 2的另一端以及所述负载R O的另一端均与所述二极管整流桥的输出端口负极连接，且这一端口接地；
所述控制电路包括输出电压反馈和驱动电路、输入电压采样电路、可变电感计算电路和可变电感控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种采用变电感的CUK PFC变换器，其特征在于，所述的输出电压反馈和驱动电路包括输出电压采样电路，运算放大器A1、电压比较器COMP、RS触发器和开关管驱动；其中所述运算放大器A1的负输入端口由所述输出电压采样电路接入，所述运算放大器A1的正输入端和参考电压U Ref 相连接，所述运算放大器A1的输出端口和所述电压比较器COMP的负输入端口相连接，所述电压比较器COMP的正输入端口和锯齿波信号v Saw 相连接，所述电压比较器COMP的输出端口和所述RS触发器的R端口相连接，所述RS触发器的S端口接入时钟信号CLK，Q端口和所述开关管驱动输入端口相连，所述开关管驱动输出端和主功率电路中开关管的栅极相连。
3.根据权利要求1所述的一种采用变电感的CUK PFC变换器，其特征在于，所述的输入电压采样电路包括分压电阻R H、R L；其中所述分压电阻R H的一端与所述二极管整流桥后的输入电压连接，另一端与所述电阻R L一端连接，所述电阻R L的另一端与参考地相连。
4.根据权利要求1所述的一种采用变电感的CUK PFC变换器，其特征在于，所述的可变电感计算电路包括一个数字计算单元；其中所述输入电压采样电路中分压电阻R H、电阻R L之间采集到的电压信号与所述数字计算单元的ADC1端口连接，所述数字计算单元的ADC2端口输入信号为中间储能电容电压的额定计算值，所述可变电感计算电路的输出端口与所述可变电感控制电路连接。
5.根据权利要求1所述的一种采用变电感的CUK PFC变换器，其特征在于，所述的可变电感控制电路包括运算放大器A2、开关管S 2、偏置电阻R bias；其中所述运算放大器的正输入端与所述可变电感计算电路的输出端连接，所述运算放大器A2的负输入端与所述偏置电阻R bias的一端和所述开关管S 2的源极相连，所述运算放大器A2的输出与所述开关管S 2的栅极连接，所述开关管S 2的漏极和所述可变电感的辅助绕组连接。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116317528A (zh) * | 2023-03-14 | 2023-06-23 | 哈尔滨工业大学 | 单级单相无桥倍压式cuk型pfc变换器 |
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| CN116317528B (zh) * | 2023-03-14 | 2024-04-05 | 哈尔滨工业大学 | 单级单相无桥倍压式cuk型pfc变换器 |
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