[发明专利]一种利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除功率因数校正变换器工频纹波的方法及其装置，尤其涉及消除工频纹波的AC/DC，隔离和非隔离式开关变换方法。

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。电源作为各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统安全性和可靠性的高低。随着电力电子器件制造技术和变流技术的进步，开关电源以其高效率、高功率密度等优点确立了其在电源领域中的主流地位。开关电源多数是通过整流器接入电网的，传统的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路。因此，传统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低(一般仅为0.45～0.75)，它在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率进而污染电网，目前开关电源现已成为电网中最主要的谐波源之一。针对高次谐波的危害，从1992年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。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。功率因数校正控制集成电路负责检测变换器的工作状态，并产生脉冲信号控制开关装置，调节传递给负载的能量以稳定输出；同时保证开关电源的输入电流跟踪电网输入电压，实现接近于1的功率因数。

传统的有源功率因数校正变换器其直流输出电压包含有二倍工频纹波，若二倍工频输出电压纹波被引入功率因数校正控制器中，会使功率因数校正变换器的输入电流含有三次谐波电流成分，降低了功率因数校正变换器的输入功率因数。因此传统有源功率因数校正变换器的直流输出电压反馈控制环截止频率低(一般仅为10～20Hz)，这严重影响功率因数校正变换器对负载变化的动态响应能力。此外，由于有源功率因数校正变换器的直流输出电压纹波较大，需在功率因数校正变换器输出端再接一个DC/DC变换器来提高负载直流输出电压的稳态精度和对负载变化的动态响应能力。在传统高功率因数的应用电路中，输入电流严格跟踪输入交流电压，交流输入侧的输入功率也是变化的，其变化频率为交流输入电压频率的两倍，经过功率变换后，直流输出端滤波器上会有两倍工频纹波；且高功率因数的AC/DC变换器带宽小、动态性能差，输出纹波通常是额定输出的2％～20％。

发明内容

本发明的目的是提供一种可消除工频纹波的PFC变换器设计方法，且其动态响应性能好、效率高，适用于各种拓扑结构的单相PFC变换器。其中双向DC/DC变换器能量缓冲装置电压反馈的方法，还可用在消除输入电流含有二倍工频纹波的DC/AC转换器中，用来设定双向DC/DC变换器能量缓冲装置上的平均电压值。

所采用的技术方案是：利用削峰填谷消除工频纹波的功率因数校正变换方法，其具体作法是：

通过在AC/DC单相PFC变换器中并入一个额外的双向DC/DC变换器，在单相PFC变换器的输出高于参考电压或者参考电流的时候，用来存储和吸收多余的能量到能量缓冲储能电容；在单相PFC变换器的输出低于参考电压或参考电流的时候，释放储能电容的能量到负载。用上述的方式补偿单相PFC变换器输出的交流纹波能量，从而消除单相PFC变换器直流输出端滤波器上的二倍工频纹波；同时利用该双向DC/DC变换器的高带宽特性提升单相PFC变换器的输出动态性能。

单相PFC变换器的直流输出电容与双向DC/DC变换器输入端及负载并联。其中，PFC变换器拓扑为常见的Boost变换器、全桥变换器、反激变换器等非隔离型与隔离型PFC变换拓扑，控制策略包括平均电流模式控制、单周控制等；双向DC/DC变换器拓扑为双向Buck-Boost等拓扑，控制策略可以为峰值电流模式控制、电压模式控制等。通过采样单相PFC变换器直流输出电压，作为DC/DC变换器的参考信号，控制双向DC/DC变换器的工作模式，用于补偿单相PFC变换器直流输出电容上的二倍工频纹波；并且引入双向DC/DC变换器储能电容的电压到反馈控制，使得储能电容的平均电压为恒定值，双向DC/DC变换器工作在稳定状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：