一种基于优化调制波的输出无波动DCM Buck PFC变换器

技术领域

本发明涉及电能变换装置的交流-直流变换器技术领域，具体涉及一种基于优化调制波的输出无波动DCMBuckPFC变换器。

背景技术

开关电源广泛地应用在各行各业，如电子、通信、电力系统、国防、新能源、航空航天等领域。随着社会的不断发展和进步，人们对自然环境的保护意识日益加强，对开关电源技术的要求也越来越高，功率因数校正(PowerFactor Correction,PFC)技术可以提高开关电源性能。

AC-DC单相桥式整流滤波电路，当输入正弦电压信号时，输入电流不再是正弦形式，含有大量的谐波，电路的功率因数较低，功率因数校正技术可以改善负载的非线性特性，使得输入电流为正弦形式，从而提高电路的功率因数、减小输入电流的谐波。该技术既有效地治理了电网的谐波污染，又提高了电源的效率。传统PFC变换器由于输出电压含有较大的二倍工频纹波，为了提高变换器的功率因数，需要设置较低的电压环穿越频率(一般仅为10～20Hz)，严重制约了变换器的动态性能，对于负载瞬变的情况，开关变换器受到带宽的限制而有较长的调节时间并伴有输出电压波动。

现有技术中，提高PFC变换器主要有三类控制方法：第一类通过负载电流前馈和输入电压前馈给负载和输入电压提供快速补偿，以降低输出电压在动态情况下的过冲；第二类是滑模控制，将放大后的误差信号加入到电流内环形成一个滑模函数，来控制开关管的导通和关断，改善了负载跳变时的输出电压过冲；第三类是根据变换器的参数估计输出电压纹波分量，在输出电压进入输出电压误差放大器之前去除纹波部分，输出电压误差放大器处理无纹波的电压量，同时可以提高带宽，从而改善变换器的动态响应性能。

因此本技术领域中，高动态性能的变换器也是PFC变换器发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于优化调制波的输出无波动DCMBuckPFC变换器。在发生动态变化时，变换器可以根据输入电压变化和输出功率变化给输出电压误差信号v

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于优化调制波的输出无波动DCM BuckPFC变换器，包括主功率电路和控制电路，其中控制电路包括输出电压采样电路、输出电流采样电路、输入电压峰值采样电路、输出电压误差放大器、第一乘法器、PWM信号生成电路；一种基于优化调制波的输出无波动DCM Buck PFC变换器的输出电压误差放大器产生的误差放大信号v

进一步地，主功率电路包括输入电压源v

进一步地，所述控制电路包括输出电压采样电路、输出电流采样电路、输入电压峰值采样电路、输出电压误差放大器、第一乘法器、PWM信号生成电路；所述输入电压峰值采样电路的输入端与主功率电路中LC滤波器的输出正端口相连，输入电压峰值采样电路的输出端与第一乘法器的输入端口C相连，输出电压采样电路的正向输入端经过第一电阻R

进一步地，所述输入电压峰值采样电路包括第三运算放大器IC3、第四运算放大器IC4、第五运算放大器IC5、偏置电流源V

进一步地，所述输出电压采样电路包括第一运算放大器IC1、第一电阻R

进一步地，所述输出电流采样电路包括第二运算放大器IC2、第五电阻R

进一步地，所述输出电压误差放大器包括第六运算放大器IC6、第二电容C

进一步地，所述PWM信号生成电路包括第七运算放大器IC7、第八运算放大器IC8、锯齿波信号V

进一步地，所述将输出电压误差放大器的输出电压误差信号v

所述优化后的调制波信号v

当输入电压V

进一步地，所述第一运算放大器IC1、第二运算放大器IC2、第三运算放大器IC3、第四运算放大器IC4、第五运算放大器IC5、第六运算放大器IC6、第七运算放大器IC7和第八运算放大器IC8中使用的放大器选用TL074、TL072、LM358或LM324等型号的运算放大器。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)改善了电流断续模式的Buck PFC变换器的动态响应，在输入电压变化和输出功率变化时电压过冲或欠调，基于调制波优化控制的DCM Buck PFC变换器输出电压无波动，动态调节时间极短。(2)具有较强的扩展性，适用于电流断续工作模式的其他PFC变换器拓扑。

附图说明

图1为本发明实施例中的电路结构及控制结构示意图。其中1为主功率电路，2为输出电压采样电路、3为输出电流采样电路、4为输入电压峰值采样电路、5为输出电压误差放大器、6为第一乘法器、7为PWM信号生成电路。

图2为本发明实施例中BuckPFC变换器主电路示意图。

图3为本发明实施例中一个开关周期内电流断续模式Buck变换器的电感电流波形图。

图4为本发明实施例中g_1关于输入电压Vm1的变化曲线。

图5为拟合曲线与实际计算曲线对比图。

上述图中的主要符号名称：v

具体实施方式

下面将结合说明书附图，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，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

DCM BuckPFC变换器的工作原理：

单相DCM BuckPFC变换器主电路如图2所示。

设定：1)主功率电路中所有器件均为理想元件；2)输出电压纹波与其直流量相比很小；3)开关频率远大于电网的输入电压频率。

图3给出了电流断续模式BuckPFC变换器在一个开关周期内的主功率电感电流波形图。当主功率开关管Q

不失一般性，定义输入电压v

v

其中V

输入电压经过整流桥整流、LC滤波器隔离后，得到整流后的输入电压v

v

根据上述分析，一个开关周期内的电感电流峰值i

其中D

当输入整流电压v

其中死区角θ＝arcsin(V

假设变换器的效率为1，即P

由式(6)可以得到占空比的表达式为：

在传统控制中，输出电压误差信号v

实施例2

基于调制波优化的DCM Buck PFC变换器的控制原理：

当输出功率为P

当输入电压V

由上式可知，当输出功率变化时，若只由补偿网络进行调节，由于变换器带宽的限制，补偿网络输出的误差信号会从v

为了确定需要给误差信号所乘以值的大小以反应负载的变化，控制系统中需要确定基准功率P

同样地，当输出功率P

若不采取额外措施，补偿网络输出的误差信号就会变成v

为了确定需要给误差信号所乘以值的大小以反应输入电压的变化，控制系统中需要确定基准输入电压V

由式(12)可以得到该式分子部分关于输入电压V

由式(13)可以作出如图4所示变化曲线。从图中可知该分子部分关于输入电压的变化曲线是一条单调向上的曲线，为了防止在调节过程中出现占空比为1的情况，那么h(V

综上，可以得到当输出功率和输入电压同时变化时，误差信号所需要乘以的参数表达式v

其中基准功率P

式(14)较为复杂，通过数学分析拟合得到式(15)，如图5中拟合曲线与实际计算曲线较为吻合，说明式(15)可以代替式(14)从而实现简化控制，

实施例3

控制电路：

根据调制波优化的控制原理，可以设计出如图1所示的控制电路图。将输出电压误差放大器(5)的输出电压误差信号v

所述优化后的调制波信号v

当输入电压V

如图1，主功率电路1包括输入电压源v

进一步地，所述控制电路包括输出电压采样电路2、输出电流采样电路3、输入电压峰值采样电路4、输出电压误差放大器5、第一乘法器6、PWM信号生成电路7；所述输入电压峰值采样电路4的输入端与主功率电路1中LC滤波器的输出正端口相连，输入电压峰值采样电路4的输出端与第一乘法器6的输入端口C相连，输出电压采样电路2的正向输入端经过第一电阻R

进一步地，所述输入电压峰值采样电路4包括第三运算放大器IC3、第四运算放大器IC4、第五运算放大器IC5、偏置电流源V

进一步地，所述输出电压采样电路2包括第一运算放大器IC1、第一电阻R

进一步地，所述输出电流采样电路3包括第二运算放大器IC2、第五电阻R

进一步地，所述输出电压误差放大器5包括第六运算放大器IC6、第二电容C

进一步地，所述PWM信号生成电路7包括第七运算放大器IC7、第八运算放大器IC8、锯齿波信号V

进一步地，将输出电压误差放大器5的输出电压误差信号v

所述优化后的调制波信号v

当输入电压V

进一步地，所述第一运算放大器IC1、第二运算放大器IC2、第三运算放大器IC3、第四运算放大器IC4、第五运算放大器IC5、第六运算放大器IC6、第七运算放大器IC7和第八运算放大器IC8中使用的放大器选用TL074、TL072、LM358或LM324等型号的运算放大器。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然能对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。