采用脉冲辅助方法消除死区的降压型功率因数变换器技术

本发明专利技术涉及电源管理领域，为实现在保留Buck型拓扑固有优点的基础上，消除其电流死区，进而使整体电路的性能得到大幅提升，本发明专利技术采取的技术方案是，采用脉冲辅助方法消除死区的降压型功率因数变换器，具体为：电路交流输入端连接由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构、一个滤波电容；整流桥的正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与开关Q1连接，Q1的另一端连接二极管的正极和降压电感的一端，另一开关Q2和输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间；集电极与电阻之间的节点作为输出电压的反馈信号。本发明专利技术主要应用于电源管理。

【技术实现步骤摘要】
采用脉冲辅助方法消除死区的降压型功率因数变换器
本专利技术涉及电源管理领域，尤其涉及功率因数校正电路的研究及其控制芯片的设计。具体讲，涉及采用脉冲辅助方法消除死区的降压型功率因数变换器。技术背景当前，出于能源与环境的考虑，供电行业设定了一系列的标准。例如：IEC91000-3-2标准用于限制谐波电流；欧盟行为准则(CoC)规定了外部电源分别在25％，50％，75％以及100％满负载条件下供电的平均效率。功率因数变换器(PFC)有利于提高开关电源电路的整体性能。因此，在交流/直流(AC/DC)转换器中应用功率因数校正技术进行电流校正是十分必要的。计算类和消费类的电源产品始终经受着成本挑战，尽管PFC技术愈发成熟，但提升成本效益的解决方案仍具有很高价值，此类方案要求同时提高功率因数(PF)和电源效率。有很多广泛使用的PFC转换器可以同时满足EN61000-3-2和能源之星标准。常用的转换器有工作在断续导通模式(DCM)的反激变换器、工作在边界导通模式(BCM)的反激变换器、工作在连续导通模式(CCM)的升压转换器以及工作在DCM模式和BCM模式的升压变换器。PFC前端最常用的拓扑是升压拓扑，因此，“PFC前端”已经几乎等同于“升压型PFC前端”。但是Boost型PFC也有很多不足，例如：一方面，Boost型PFC在整个负载范围内难以保持相对较高的效率。Boost型变换器在低输入电压的条件下比高输入电压的条件下的效率一般低1％到3％，效率的降低导致了输入电流的增加，这会使开关和二极管的损耗增加。另一方面，Boost型变换器的高输出电压不仅导致了自身的开关管损耗的增加，而且导致了后级直流(DC/DC)转换器的开关损耗的增加以及电磁干扰的增加。相比之下，Buck(降压)型转换器有很多引人注目的优点。首先，采用Buck拓扑可以在整个输入电压范围内获得很高的效率。另外，Buck型转换器开关的电压应力很低。但是由于Buck型拓扑在输入电压低于输出电压的时间内存在电流为零的情况，因此，这一拓扑作为PFC转换器时总是不能获得高的功率因数。除此之外，这一电流死区还会增加总谐波串扰(THD)。传统Buck型转换器的基本结构为：交流输入端连接到一个由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构。整流桥正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与MOS开关连接，MOS开关的另一端连接二极管的正极。二极管的正极连接降压电感的一端，输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间。输出负载两端并联一个差分分压结构——两个电阻串联后并联在输出端，两电阻的中间节点连接一个P型三级管的基极，高电平端经一个电阻后连接到次三极管的发射极，集电极经过一个电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点作为输出电压反馈信号。传统的降压转换器的输出电压设定为低于桥式整流输出电压峰值的某一恒定数值。当瞬时交流输入电压大于输出电压时，整流桥二极管正向偏置，电流形成回路。然而，当瞬时输入电压低于输出电压时，整流桥二极管反向偏置，没有从电源到负载的电流回路。如图1。一个周期内的导通角可以按照以下公式计算：传统的Buck型拓扑由于在输入电压小于输出电压的条件下开关管不导通，因此Buck型拓扑虽然有很多其他拓扑不具有的优点，但是很少用于PFC转换器中。不仅如此，相应的控制芯片数量与Boost型拓扑控制芯片的数量相比更是冰山一角。因此更具有实用性的Buck型转换器及其控制芯片的研究具有很高的价值。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，实现在保留Buck型拓扑固有优点的基础上，消除其电流死区，进而使整体电路的性能得到大幅提升。为此，本专利技术采取的技术方案是，采用脉冲辅助方法消除死区的降压型功率因数变换器，具体为：电路交流输入端连接由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构；交流输入电源经整流桥后，并联一个滤波电容；整流桥的正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与开关Q1连接，Q1的另一端连接二极管的正极和降压电感的一端，另一开关Q2和输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间；输出负载并联一个差分分压结构：两个电阻串联后并联在输出端，两电阻的中间节点连接到一个P型三级管的基极，串联电阻的高电平端经一个电阻后连接到此三极管的发射极，三极管的集电极经过一个电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点作为输出电压的反馈信号。1)当输入瞬时电压低于输出电压时，转换器工作在DCM模式下，这时Q1和Q2同步导通与关断；a)当两个开关同时导通时，电源电压Vin对电感充电，电感电流线性增加；b)当两个开关同时断开时，电感对负载放电，电感电流线性减小；2)当输入电压高于输出电压时，转换器工作在BCM模式下，这时Q2断开；a)当Q1导通时，电感由Vin-Vo充电，电感电流在这一电压的作用下线性增加；b)当Q1断开时，电感对负载放电，电感电流线性减小。输入电压Vin由上述整流桥后的串联电阻分压后得到MULT，输出电压按照与输入电压按同样的比例分压后得到FB；MULT和FB分别是比较器Comp1的正输入端信号与负输入端信号，这两个电平信号进行比较后得到Vp，当Vin＞Vo时，Vp为高电平；当Vin＜Vo时，Vp为低电平。这样得到的Vp用于决定两个开关的闭合与断开状态；输出电压经过差分分压结构得到电压反馈信号INV，INV连接到误差放大器EA的反相输入端，基准电压Vref连接到误差放大器的正相输入端，两个信号的误差信号经过误差放大器放大后作为乘法器的一个输入信号，乘法器的另一个输入信号为MULT；乘法器的输出作为电流比较器Comp2的参考信号，电流比较器的另一输入信号为CS电流检测信号，CS电流检测信号取自电流检测电阻与Q1之间的节点；电流比较器输出到RS触发器的置位端，控制Q1每个周期的峰值电流；降压电感的耦合电感一端接地，另一端经电阻后连接到比较器Comp3的负输入端，这一比较器的正输入端经电容连接到地，输出端连接到RS触发器的复位端。本专利技术的技术特点与效果：本专利技术的要点为在Buck型变换器的死区部分使用DCM模式，利用脉冲控制主开关的导通与关断。从而消除了输出电压对死区形成的影响，电压与电流波形如图4。通过使用此种策略，功率因数能够达到96％以上，从而大大提升了Buck型电路的功率因数。附图说明图1：Buck型变换器的输入电流“穿越失真”；图2：本专利技术的Buck型变换器电路结构原理图；图3：工作阶段示意图；图4：控制芯片内部原理图；图5：本专利技术的Buck型变换器输入电压与电流波形图；具体实施方式本专利技术阐述了一种结构简单并可以获得高功率因数和电源效率的PFC系统，包括外围电路及其控制芯片。与传统的降压变换器相比，本变换器在输出节点增加了一个开关和一个二极管，通过控制开关管的状态使电路轮流工作于断续导通模式(DCM)和临界导通模式(BCM)。本专利技术所阐述的电路旨在保留Buck型拓扑固有优点的基础上，消除其电流死区，进而使整体电路的性能得到大幅提升。本专利技术描述的电路在传统Buck型转换器的基础上，在输出端并联一个开关，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用脉冲辅助方法消除死区的降压型功率因数变换器，其特征是，包括：具体为：电路交流输入端连接由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构；交流输入电源经整流桥后，并联一个滤波电容；整流桥的正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与开关Q1连接，Q1的另一端连接二极管的正极和降压电感的一端，另一开关Q2和输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间；输出负载并联一个差分分压结构：两个电阻串联后并联在输出端，两电阻的中间节点连接到一个P型三级管的基极，串联电阻的高电平端经一个电阻后连接到此三极管的发射极，三极管的集电极经过一个电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点作为输出电压的反馈信号。

【技术特征摘要】
1.一种采用脉冲辅助方法消除死区的降压型功率因数变换器，其特征是，包括：具体为：电路交流输入端连接由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构；交流输入电源经整流桥后，并联一个滤波电容；整流桥的正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与开关Q1连接，Q1的另一端连接二极管的正极和降压电感的一端，另一开关Q2和输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间；输出负载并联一个差分分压结构：两个电阻串联后并联在输出端，两电阻的中间节点连接到一个P型三级管的基极，串联电阻的高电平端经一个电阻后连接到此三极管的发射极，三极管的集电极经过一个电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点作为输出电压的反馈信号；输入电压Vin由上述整流桥后的串联电阻分压后得到MULT，输出电压按照与输入电压按同样的比例分压后得到FB；MULT和FB分别是比较器Comp1的正输入端信号与负输入端信号，这两个电平信号进行比较后得到Vp，当Vin>Vo时，Vp为高电平；当Vin<Vo时，Vp为低电平；这样得到的Vp用于决定两个开关的闭合与断开状态；输出电压经过差分分压结构得到电压反馈信号INV，INV...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐江涛，朱萌，高静，姚素英，史再峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12