适用于宽中频交直流电源系统的单级无桥PFC变换器

技术领域

本发明涉及一种适用于宽中频交直流电源系统的单级无桥PFC变换器，属于单级单相无桥PFC变换器拓扑领域。

背景技术

航空交直流供电系统主要由变频交流电源及其交直流整流装置构成，其中变频交流电源采用具有更高发电效率的永磁同步发电机，其电源频率在360Hz～800Hz范围内变化；交直流整流装置将发电机一次电源输出的变频交流电二次变换转化为直流电，进而供给飞机的各种用电设备。交直流整流装置是飞机电源系统中重要组成部分，是保障飞机用电设备安全可靠工作的关键设备。

在交直流功率变换场合，SEPIC型PFC变换器因其具有输入电流连续、DCM下自动实现功率因数校正等优势而得到关注。相比于传统整流桥式SEPIC型PFC变换器，无桥SEPIC型PFC变换器减少了二极管的使用数量，具有较高的效率。考虑到SEPIC电路工作原理的复杂性，目前无桥SEPIC型PFC变换器拓扑较少，主要有无桥双SEPIC变换单元PFC变换器以及图腾柱式SEPIC型PFC变换器拓扑。

无桥双SEPIC变换单元PFC变换器采用两组SEPIC电路分别工作于交流输入电压的正负半周以实现功率因数校正，采用两组并行结构务必会存在元器件较多、结构复杂的缺点，目前应用较少。相比之下，图腾柱式SEPIC型PFC变换器中的输入滤波电感与中间储能单元均实现了元件复用，元件利用率较高，电路结构相对简单，变换器应用较多。但是，该拓扑的输入侧仍旧存在一个二极管桥臂，二极管的存在不仅会降低变换器效率，还会造成输入电流的过零畸变。此外，针对航空宽中频、输入电流低THD的高要求，无桥SEPIC型PFC变换器的输入滤波电感一般设计较大，较大的输入滤波电感不仅会降增大变换器体积，还会导致出现输入电流滞后于输入电压的基波相移问题，严重影响变换器的自动实现功率因数校正特性。

发明内容

针对无桥SEPIC型PFC变换器输入侧二极管桥臂会造成效率降低及输入电流过零畸变的问题，本发明提供一种适用于宽中频交直流电源系统的单级无桥PFC变换器。

本发明的一种适用于宽中频交直流电源系统的单级无桥PFC变换器，包括耦合电感、双向开关、储能电容C

输入电源的正极与耦合电感的一个自感L

耦合电感的另一个自感L

作为优选，所述单级无桥PFC变换器工作于断续导通模式。

作为优选，开关频率f

作为优选，占空比的最大值为：

其中，V

作为优选，耦合电感的互感M的值为：

其中，V

作为优选，储能电容C

其中，d表示占空比，V

作为优选，耦合电感的一个自感L

其中，ω

作为优选，ω

本发明的有益效果，本发明采用简单的电路结构和控制即可实现交流侧的功率因数校正。变换器拓扑的优势主要表现在：仅使用一个耦合电感与一个储能电容，元器件利用率较高；输入侧二极管桥臂被完全移除，因其带来的效率降低与电流畸变问题不再存在；输出侧二极管工作于零电流关断模态，不存在二极管反向恢复的问题。此外，引入耦合电感后，在保证输入电流低THD的条件下，电感元件的电感量得以显著减小，变换器体积有效减小，输入电流基波相移问题也得以有效解决，对于360Hz～800Hz的宽中频交流电，变换器具有较好的功率因数校正效果。

附图说明

图1为图腾柱式SEPIC型PFC变换器电路图；

图2为所提出单级无桥PFC变换器电路图；

图3为考虑输入滤波电感压降的无桥SEPIC型PFC变换器交流侧等效电路与电压、电流矢量图，其中，图3(a)为交流侧等效电路图，图3(b)为输入电压、电流矢量图；

图4为正输入电压阶段变换器在一个开关周期内耦合电感电流，二极管D

图5为正输入电压阶段变换器在一个开关周期内三个模态图，其中，图5(a)为模态I，图5(b)为模态II，图5(c)为模态III；

图6为负输入电压阶段变换器在一个开关周期内耦合电感电流，二极管D

图7为负输入电压阶段变换器在一个开关周期内三个模态图，其中，图7(a)为模态IV，图7(b)为模态V，图7(c)为模态VI；

图8为一个开关周期内储能电容两端电压与电流的波形图；

图9为交流输入115V/800Hz，输出270V/1000W条件下输入电压、电流波形对比图，其中，图9(a)为图腾柱式SEPIC型PFC变换器输入电压、电流波形，图9(b)为所提出单级无桥PFC变换器输入电压、电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

对无桥SEPIC型PFC变换器的输入电流基波相移问题进行具体说明：以图腾柱式SEPIC型PFC变换器为例，如图1所示，输入桥臂电压可表示为：

v

式中，v

同时依据输入滤波电感两端电压满足的伏秒平衡可得：

d|v

输入侧实现单位功率因数校正，可得：

v

式中，r为输入等效电阻，i

v

依据上式得到宽中频交流输入下考虑输入滤波电感压降的无桥SEPIC型PFC变换器交流侧等效电路与电压、电流矢量图，如图3(a)和图3(b)所示。

由交流侧等效电路可得等效输入阻抗Z

Z

式中，ω为交流输入角频率，L

由上式可知，变换器输入电流滞后于输入电压的滞后角度与交流输入频率、输入滤波电感大小以及输入功率有关。交流输入频率越高、输入滤波电感越大、输入功率越大，输入电流滞后角度越大，输入侧功率因数越低。在交流输入频率较大的航空宽中频领域，为实现输入电流的低THD，无桥SEPIC型PFC变换器的输入滤波电感一般设计较大，为mH级。较高的输入频率(360Hz～800Hz)、较大的输入滤波电感使得无桥SEPIC型PFC变换器在该使用领域的输入电流基波相移问题更为严重。

针对上述电流基波相移问题，本实施方式给出一种适用于宽中频交直流电源系统的单级无桥PFC变换器，如图2所示，包括耦合电感(自感L

在对提出变换器工作原理分析前，做出如下说明：

1)电路工作于断续导通模式(DCM)；

2)忽略使用元器件寄生参数、导通压降以及线路参数的影响；

3)开关频率f

依据交流输入电压正负半周内功率开关管S

模态1(如图5(a)所示)：功率开关管S

对上式变形可得：

直流侧二极管承受反压而处于关断状态，负载由输出滤波电容C

模态2(如图5(b)所示)：功率开关管S

对上式变形可得：

模态3(如图5(c)所示)：功率开关管S

对上式变形可得：

该阶段负载由输出滤波电容C

模态4(如图7(a)所示)：功率开关管S

对上式变形可得：

直流侧二极管承受反压而处于关断状态，负载由输出滤波电容C

模态5(如图7(b)所示)：功率开关管S

对上式变形可得：

模态6(如图7(c)所示)：功率开关管S

对上式变形可得：

该阶段负载由输出滤波电容C

耦合电感为无源元件，只起到能量传递的作用，开关周期内平均电流为0。结合得到的不同阶段耦合电感电流斜率关系式，可以得到：

式中，d为占空比，Δ

对上式化简，可以得到：

观察上式可知，采用耦合电感时储能电容两端电压与输入电压相等，且变换器电压增益与d/Δ

可以看到，输出侧二极管电流呈线性下降，其电流波形为三角波。根据等效面积原理，得到输出二极管的平均电流，表示如下：

式中，T

基于输入侧-输出侧功率守恒，得到输入电流的表达式。

将瞬时输入电压v

式中，V

由电流表达式可知，该变换器保留了SEPIC型PFC自动实现功率因数校正的能力，不同于其他变换器，该变换器的输入电流与耦合电感的电感参数相关。根据模态1/4阶段输入电流的变化斜率表达式可知，当L

对耦合电感设计时，漏感L

由上式可知，在电路参数一定时，变换器的最大输入功率受占空比上限的限制。为保证DCM工作，占空比的最大值表示为：

由此得到互感M的设计公式：

一个开关周期内，储能电容电压、电流波形如图8所示。在双向开关管导通期间，储能电容向耦合电感放电，放电电流的最大值表示为：

依据储能电容充放电过程，可以得到其电压纹波Δv

式中，C

Δt

由此得到储能电容电压纹波的表达式：

由上式可知，当占空比d、开关周期T

其中，Δv

在确定储能电容后，为防止储能电容也与电路电感产生高频振荡，对自感L

式中，ω

以变频交直流电源系统高频输入电压115V/800Hz、功率1kW，输出电压270V为例，进行电感、电容参数的设计。

设计开关频率为50kHz，基于给出的电压指标，根据耦合电感互感值M的计算公式，得到M的上限值。

取值M＝L

确定占空比上限值：

占空比取值d＝0.5，Δv

谐振频率ω

从而得到耦合电感参数

基于上述电感、电容参数，对所提变换器在航空中频下的输入侧功率因数校正情况进行仿真验证，仿真结果如图9所示，其中图9(a)为图腾柱式SEPIC型PFC变换器输入电压、电流波形，图9(b)为所提出单级无桥PFC变换器输入电压、电流波形。从仿真结果可以看出，所提变换器在800Hz交流输入下输入电流能够与交流输入电压同相位，且纹波极低，同时基波相移的问题得到有效解决。虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。