[发明专利]一种低输出工频纹波的单级高功率因数校正变换方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及输出串联DC-DC实现低输出工频纹波的单级高功率因数校正变换方法及其装置，尤其涉及消除工频纹波的高功率因数单级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，开关电源以其效率高、功率密度高而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而污染电网，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。

发明内容

在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；并且实现了高功率因数的AC/DC变换器带宽较小，动态性能差，纹波通常是额定输出的2％～20％。本发明的目的是提供一种输出串联DC/DC实现低输出工频纹波的单级高功率因数校正变换器设计方法，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。

所采用的技术方案是：

一种低输出工频纹波的单级高功率因数校正变换方法，单相PFC变换器的直流输出电容与DC/DC变换器的输出电容串联，控制DC/DC变换器的输出电压来补偿单相PFC变换器直流输出电压的二倍工频纹波，进而降低甚至消除单相PFC变换器直流输出电压的纹波成分，并提高PFC变换器的动态响应速度。

单相PFC变换器的直流输出电容与DC/DC变换器的直流输出电容串联后，再与负载并联。其中，PFC变换器拓扑为常见的Boost变换器、全桥变换器、反激变换器等隔离型与非隔离型PFC变换拓扑，控制策略包括平均电流控制、单周控制等；DC/DC拓扑为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与DC/DC变换器直流输出电容地之间的电压差，作为DC/DC变换器的参考信号，控制DC/DC变换器的输出电压，用于补偿单相PFC变换器的直流输出电容上的二倍工频纹波。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相对于已有的功率因数校正变换器，采用本发明的功率因数校正变换器工作于稳态时，有效地减小了负载的直流输出电压纹波，有利于变换器整流滤波电路选用较小的输出电容。2、采用发明的功率因数校正变换器可提高输出电压反馈控制环的截止频率，因此负载发生突变时，补偿DC/DC变换器可快速的响应，提高系统的动态性能。3、采用发明的功率因数校正变换器无需后级的DC/DC变换器，仅需要一个小功率的直流输出纹波补偿变换器，提高了变换器整机的效率，降低了变换器整机的成本。

本发明的另一目的是提供一种实现以上控制方法的装置。所采用的技术方案是：