CN103346684B - 采用有源储能电容变换器的ac/dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,包括AC/DC变换器主功率电路(1)、有源储能电容变换器主功率电路(2)和控制电路,所述控制电路包括输入电压差分采样电路(3)、移相电路(4)、整流电路(5)、峰值取样电路(6)、信号调理电路(7)、开方电路(8)、乘法器(9)、PWM调制和开关管驱动电路(10)。通过在AC/DC变换器主功率电路(1)中引入有源储能电容变换器主功率电路(2)及其控制电路,并接在AC/DC变换器主功率电路(1)的直流母线上,在保证输入功率因数为1的条件下,将相同电压定额的储能电容容值大大减小,可以采用薄膜电容或瓷片电容等小容量长寿命的电容,克服了采用电解电容作为储能电容而存在体积大和使用寿命短的缺陷,具有显著提高电源功率密度和延长变换器寿命等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电能变换装置的交流-直流变换器领域,特别是一种采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器。
背景技术
随着电力电子技术的发展,对电能变换装置的要求越来越高,在AC/DC变换器中,功率因数校正(power factor correction,PFC)技术可以减小电流谐波,提高输入功率因数(power factor,PF),已得到广泛应用。
AC/DC变换器中,由于瞬时输入功率是脉动的,而输出功率是恒定的,因此需要储能电容来平衡瞬时输入功率和输出功率之间的差值。电解电容具有耐压高、容值大的特点,被广泛的用作传统AC/DC变换器的储能电容。但是,电解电容体积较大,寿命通常只有几千小时,影响了电源功率密度的进一步提高,制约了电源寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率密度高、寿命长的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,能够减小储能电容的电容值、采用薄膜电容或瓷片电容。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,包括AC/DC变换器主功率电路、有源储能电容变换器主功率电路和控制电路:所述AC/DC变换器主功率电路包括输入电压源vin、EMI滤波器、二极管整流电路RB、PFC变换器、DC/DC变换器、负载RLd;所述的有源储能电容变换器主功率电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、电感Lscc、储能电容Cscc,其中第一开关管Q1的漏级与PFC变换器输出的直流母线电压正极连接,第一开关管Q1的源级分别与第二开关管Q2的漏级、电感Lscc的一端连接,电感Lscc的另一端与储能电容Cscc的阳极连接,第二开关管Q2的源级、储能电容Cscc的阴极均与PFC变换器输出的直流母线电压负极连接;所述控制电路采用变化规律为的占空比的输出信号驱动第一开关管Q1、采用变化规律为的占空比的输出信号驱动第二开关管Q2,其中Po为AC/DC变换器的输出功率,ωL为输入电压源vin的角频率,cscc为储能电容Cscc的电容值,VCB为PFC变换器输出的直流母线电压。
所述控制电路包括输入电压差分采样电路、移相电路、整流电路、峰值取样电路、信号调理电路、开方电路、乘法器、PWM调制和开关管驱动电路;其中差分采样电路的输出端C与移相电路的输入端连接,移相电路的输出端与整流电路的输入端D连接,整流电路的输出端I分别与峰值取样电路的输入端和乘法器第一输入端vx连接,峰值取样电路的信号输出端L与乘法器的第三输入端vz连接,AC/DC变换器主功率电路中的电流互感器CT检测DC/DC变换器的输入直流母线电流IB,电流互感器CT的输出与信号调理电路的输入端M连接,信号调理电路的输出端N与开方电路的输入端连接,开方电路的输出信号与乘法器的第二输入端vy连接,乘法器的输出端与PWM调制和开关管驱动电路的输入端连接,PWM调制和开关管驱动电路的一个输出端与有源储能电容变换器主功率电路中的第一开关管Q1的门极相连,另一个输出端与有源储能电容变换器主功率电路中的第二开关管Q2的门极相连。
本发明与现有技术相比,其显著优点是:(1)可以在保证输入功率因数为1的条件下,将相同电压定额的储能电容的电容值大大减小;(2)可以采用薄膜电容或瓷片电容等小容量长寿命的电容;(3)能够显著提高电源功率密度、延长变换器寿命。
附图说明
图1是传统两级式AC/DC变换器模块示意图。
图2是图1中AC/DC变换器在输入功率因数为1时输入电压、输入电流、瞬时输入功率和储能电容电压的波形图。
图3是并联有源储能电容变换器后AC/DC变换器的示意图。
图4是有源储能电容变换器的主电路结构图,其中(a)Buck/Boost双向变换器,(b)是Boost/Buck双向变换器,(c)Buck-Boost双向变换器。
图5是引入Buck/Boost双向变换器后的AC/DC变换器在输入功率因数为1时输入电压、输入电流、瞬时输入功率和储能电容电压的波形图。
图6是本发明采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
1、传统的PFC变换器
结合图1两级式AC/DC变换器模块图,不关注内部的拓扑和控制方式,将其看作“黑盒子”,研究储能电容的纹波电压与电容容值的关系。为了分析方便,先作两个假设:
1)输出电压纹波与其直流量相比很小;2)所有器件均为理想元件,无损耗。
定义PFC变换器的输入电压vin(t)为:
vin(t)=VmsinωLt (1)
其中Vm是输入交流电压的幅值,ωL是输入交流电压的角频率,t为时间。
当输入功率因数为1时,PFC变换器的输入电流iin(t)可表示为:
iin(t)=ImsinωLt (2)
其中Im是输入交流电流的幅值。
由式(1)和(2)可以推出瞬时输入功率Pin(t)为:
在一个工频周期内,输入功率平均值pin为:
假设输出电压纹波与其直流量相比很小,则输出功率Po可表示为:
Po=VoIo (5)
其中Vo为输出电压,Io为输出电流。
假设PFC变换器的效率为100%,那么其工频周期内的平均输入功率等于输出功率,由式(4)和(5)可得:
图2给出了当输入功率因数为1时,输入电压、输入电流、瞬时输入功率和储能电容电压的波形。从图2可以看出,在半个工频周期内,当瞬时输入功率大于输出功率时,储能电容CB充电;当瞬时输入功率Pin(t)小于输出功率Po时,储能电容CB放电。因此,储能电容CB在半个工频周期中储存能量的最大差ΔE为:
根据储能电容能量与其电压的关系有:
其中cB为储能电容CB的电容值,VCB为储能电容平均电压,Vcpp为储能电容电压峰峰值。
由式(7)和(8)可得储能电容容值cB与其纹波电压峰峰值Vcpp、电压平均值VCB的关系为:
从式(9)可以看出,当输入交流电压的角频率ωL和储能电容平均电压VCB一定时,储能电容cB与储能电容电压峰峰值Vcpp成反比,即储能电容电压峰峰值Vcpp越小,所需储能电容的电容值cB越大;储能电容的电容值cB与输出功率Po成正比,即输出功率Po越大,所需储能电容的电容值cB越大。
一般来说,PFC变换器的输出电压平均值被控制为某一值。根据式(9)可知,若减小储能电容的电容值cB,则其电压纹波即储能电容电压峰峰值Vcpp将变大,这样会导致前后级变换器的功率器件电压应力增加。
2、采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器
从上面的分析可以看出,储能电容的主要目的是平衡瞬时输入功率和输出功率,因此,如果在PFC变换器的输出侧并联一个变换器,如附图3所示,该变换器用来平衡瞬时脉动的输入功率和恒定的输出功率,那么储能电容的容量可以大幅度减小,只需用来滤除开关频率的电流脉动。由于该变换器是用来替代储能电容的,因此可称为储能电容变换器。
当瞬时输入功率大于输出功率时,多余的能量通过储能电容变换器双向变换器存储到储能电容Cscc上,此时Cscc充电。当输入功率小于输出功率时,不足的能量由Cscc通过储能电容双向变换器提供,此时Cscc放电。由于储能电容变换器需要双向提供能量,因此它是一个双向变换器,可以采用Buck/Boost双向变换器如图4(a)、Boost/Buck双向变换器如图4(b)或者Buck-Boost双向变换器如图4(c)。
3、采用Buck/Boost双向变换器作为储能电容变换器的AC/DC变换器
本节讨论采用Buck/Boost双向变换器作为储能电容变换器。与直接并接在直流母线上的储能电容不一样的是,储能电容Cscc的电压可以有很大的脉动,也就是说,当PFC变换器的输入功率小于输出功率时,储能电容Cscc可释放其存储的全部能量,其电压可从最大值减至零;当PFC变换器的输入功率大于输出功率时,储能电容Cscc吸收能量,其电压从零上升至最大值,实现“满充满放”。
Buck/Boost双向变换器吸收或释放的瞬时功率Pscc等于瞬时输入功率Pin(t)与输出功率Po之差,由式(3)、(5)和(6)可得:
Pscc(t)=Pin(t)-Po=-Pocos2ωLt (10)
结合图1可得储能电容Cscc存储的瞬时能量为:
cscc为储能电容Cscc的电容值;
由上式可得储能电容的电压表达式为:
其中,为储能电容Cscc的电压峰值。
由式(12)可知,储能电容电压波形与输入电压整流后的波形一致,相位滞后其π/4,如附图5所示。
由式(12)可得
对于Buck/Boost双向变换器而言,其储能电容Cscc的电压的最大值可为VCB,因此根据式(9)和式(13)可得:
如果PFC变换器的输出功率Po为60W,VCB=400V,纹波峰峰值Vcpp=4V,则cB=120μF,而cscc=2.4μF。因此,采用Buck/Boost双向变换器可以大大减小电容量,这样储能电容Cscc可以采用薄膜电容或瓷片电容,提高电源的寿命。
4、Buck/Boost双向变换器的控制方法
由前面的分析可知,当储能电容Cscc实现满充满放的情况下,其电压波形与输入电压整流后的波形一致,相位滞后其π/4。因此Buck/Boost双向变换器可以采用SPWM控制,使其电压满足前面的要求,即可平衡PFC变换器的瞬时脉动输入功率和输出功率。
结合图4(a),由式(12)可推出,第一开关管Q1的占空比d为:
若锯齿波的幅值为VRAMP,则调制波电压vd的表达式为:
式(16)中IB为后级DC/DC变换器的输入电流。
在变换器正常工作的情况下,由于负载的变化,式(16)中唯一的变量是IB。根据式(16)可以设计该有源滤波电路的控制电路,输入电压经差分采样后通过RC电路使其移相π/4,该信号经整流后分为两路,一路与乘法器的第一个输入端相连,另一路经分压和峰值取样后与乘法器的第二个输入端相连,采样直流母线电流大小的电压信号vIB经开方电路后与乘法器的第三个输入端相连,乘法器的输出与锯齿波交截即可以获得如式(15)的占空比信号。之所以不采取直接将输入电压通过RC电路移相再经桥式电路整流的方法,是为了避免与主功率电路短路。
5、本发明采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器
结合图6,本发明采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,包括AC/DC变换器主功率电路1、有源储能电容变换器主功率电路2和控制电路:所述AC/DC变换器主功率电路1包括输入电压源vin、EMI滤波器、二极管整流电路RB、PFC变换器、DC/DC变换器、负载RLd;所述的有源储能电容变换器主功率电路2包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、电感Lscc、储能电容Cscc,其中第一开关管Q1的漏级与PFC变换器输出的直流母线电压正极连接,第一开关管Q1的源级分别与第二开关管Q2的漏级、电感Lscc的一端连接,电感Lscc的另一端与储能电容Cscc的阳极连接,第二开关管Q2的源级、储能电容Cscc的阴极均与PFC变换器输出的直流母线电压负极连接;所述控制电路采用变化规律为的占空比的输出信号驱动第一开关管Q1、采用变化规律为的占空比的输出信号驱动第二开关管Q2,其中Po为AC/DC变换器的输出功率,ωL为输入电压源vin的角频率,cscc为储能电容Cscc的电容值,VCB为PFC变换器输出的直流母线电压。所述储能电容Cscc的为薄膜电容或瓷片电容。
所述控制电路包括输入电压差分采样电路3、移相电路4、整流电路5、峰值取样电路6、信号调理电路7、开方电路8、乘法器9、PWM调制和开关管驱动电路10;其中差分采样电路3的输出端C与移相电路4的输入端连接,移相电路4的输出端与整流电路5的输入端D连接,整流电路5的输出端I分别与峰值取样电路6的输入端和乘法器9的第一输入端vx连接,峰值取样电路6的信号输出端L与乘法器9的第三输入端vz连接,AC/DC变换器主功率电路1中的电流互感器CT检测DC/DC变换器的输入直流母线电流IB,电流互感器CT的输出与信号调理电路7的输入端M连接,信号调理电路7的输出端N与开方电路8的输入端连接,开方电路8的输出信号与乘法器9的第二输入端vy连接,乘法器9的输出端与PWM调制和开关管驱动电路10的输入端连接,PWM调制和开关管驱动电路10的一个输出端与有源储能电容变换器主功率电路2中的第一开关管Q1的门极相连,另一个输出端与有源储能电容变换器主功率电路2中的第二开关管Q2的门极相连。
所述输入电压差分采样电路3包括运第一算放大器IC1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7;其中第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3串联接于输入电压源vin两端,第一电阻R1和第二电阻R2的连接端通过第五电阻R5连接到第一算放大器IC1的同相输入端,第一算放大器IC1的同相输入端通过第六电阻R6连接到参考电位零点,第二电阻R2和第三电阻R3的连接端通过第四电阻R4连接到第一算放大器IC1的反相输入端,第一算放大器IC1的反相输入端通过第七电阻R7连接到第一算放大器IC1的输出端C。
所述移相电路4包括第八电阻R8和第一电容C1,其中第八电阻R8的一端与第一算放大器IC1的输出端C连接,第八电阻R8的另一端与第一电容C1连接,第一电容C1的另一端连接到参考电位零点,第八电阻R8与第一电容C1的连接点与整流电路5的输入端D连接。
整流电路5包括第二运算放大器IC2、第三运算放大器IC3、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4;其中第十三电阻R13的一端与整流电路(5)的输入端即第三运算放大器IC3的同相输入端D连接、另一端与第二运算放大器IC2的反相输入端E连接,第十二电阻R12的一端和第一二极管D1的阳极均连接到第二运算放大器IC2的反相输入端E,第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极均与第二运算放大器IC2的输出端F连接,第十二电阻R12的另一端和第二二极管D2的阴极均与整流电路5的输出端I连接,第十四电阻R14的一端与第三二极管D3的阳极均连接到第三运算放大器IC3的反相输入端G,第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阳极均与第三运算放大器IC3的输出端H连接,第十四电阻R14的另一端和第四二极管D4的阴极均与整流电路5的输出端I连接。
峰值取样电路6包括第四运算放大器IC4、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第五二极管D5、第二电容C2;其中第九电阻R9的一端为峰值取样电路6的输入端,该输入端与整流电路5的输出端I连接,第九电阻R9的另一端和第十电阻R10的一端均连接到第四运算放大器IC4的同相输入端,第十电阻R10的另一端连接到参考电位零点,第四运算放大器IC4的反相输入端与第四运算放大器IC4的输出端K连接,第四运算放大器IC4的输出端K通过第十一电阻R11接入第五二极管D5的阳极,第五二极管D5的阴极和第二电容C2的一端相连且该连接点为峰值取样电路6的输出端L,第二电容C2的另一端连接到参考电位零点。
所述PWM调制和开关管驱动电路10包括PWM集成IC电路和两个驱动电路,PWM集成IC电路输出两路信号分别连接至两个驱动电路,其中PWM集成IC电路可以采用UC3525、UC3825、UC3843或UC3844等型号。第一运算放大器IC1~第四运算放大器IC4可以采用TL074、TL072、LM358或LM324等型号,乘法器9采用集成IC电路或分立器件组成,开方电路8采用集成IC电路或分立器件组成。
综上所述,本发明的用于AC/DC变换器的有源储能电容变换器,可以在保证输入功率因数为1的条件下,将相同电压定额的储能电容容值大大减小,可以采用薄膜电容或瓷片电容等小容量长寿命的电容,克服了采用电解电容作为储能电容而存在体积大和使用寿命短的缺陷,具有能显著提高电源功率密度和延长变换器寿命等优点。
Claims (7)
1.一种采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,其特征在于,包括AC/DC变换器主功率电路(1)、有源储能电容变换器主功率电路(2)和控制电路:所述AC/DC变换器主功率电路(1)包括输入电压源vin、EMI滤波器、二极管整流电路RB、PFC变换器、DC/DC变换器、负载RLd;所述的有源储能电容变换器主功率电路(2)包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、电感Lscc、储能电容Cscc,其中第一开关管Q1的漏级与PFC变换器输出的直流母线电压正极连接,第一开关管Q1的源级分别与第二开关管Q2的漏级、电感Lscc的一端连接,电感Lscc的另一端与储能电容Cscc的阳极连接,第二开关管Q2的源级、储能电容Cscc的阴极均与PFC变换器输出的直流母线电压负极连接;所述控制电路包括输入电压差分采样电路(3)、移相电路(4)、整流电路(5)、峰值取样电路(6)、信号调理电路(7)、开方电路(8)、乘法器(9)、PWM调制和开关管驱动电路(10);其中输入电压差分采样电路(3)的输出端C与移相电路(4)的输入端连接,移相电路(4)的输出端与整流电路(5)的输入端D连接,整流电路(5)的输出端I分别与峰值取样电路(6)的输入端和乘法器(9)的第一输入端vx连接,峰值取样电路(6)的信号输出端L与乘法器(9)的第三输入端vz连接,AC/DC变换器主功率电路(1)中的电流互感器CT检测DC/DC变换器的输入直流母线电流IB,电流互感器CT的输出与信号调理电路(7)的输入端M连接,信号调理电路(7)的输出端N与开方电路(8)的输入端连接,开方电路(8)的输出信号与乘法器(9)的第二输入端vy连接,乘法器(9)的输出端与PWM调制和开关管驱动电路(10)的输入端连接,PWM调制和开关管驱动电路(10)的一个输出端与有源储能电容变换器主功率电路(2)中的第一开关管Q1的栅极相连,另一个输出端与有源储能电容变换器主功率电路(2)中的第二开关管Q2的栅极相连;
所述控制电路采用变化规律为的占空比的输出信号驱动第一开关管Q1、采用变化规律为的占空比的输出信号驱动第二开关管Q2,其中Po为AC/DC变换器的输出功率,ωL为输入电压源vin的角频率,cscc为储能电容Cscc的电容值,VCB为PFC变换器输出的直流母线电压。
2.根据权利要求1所述的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,其特征在于,所述储能电容Cscc为薄膜电容或瓷片电容。
3.根据权利要求1所述的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,其特征在于,所述输入电压差分采样电路(3)包括第一运算放大器IC1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7;其中第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3串联接于输入电压源vin两端,第一电阻R1和第二电阻R2的连接端通过第五电阻R5连接到第一运算放大器IC1的同相输入端,第一运算放大器IC1的同相输入端通过第六电阻R6连接到参考电位零点,第二电阻R2和第三电阻R3的连接端通过第四电阻R4连接到第一运算放大器IC1的反相输入端,第一运算放大器IC1的反相输入端通过第七电阻R7连接到第一运算放大器IC1的输出端C。
4.根据权利要求1所述的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,其特征在于,所述移相电路(4)包括第八电阻R8和第一电容C1,其中第八电阻R8的一端与输入电压差分采样电路(3)的输出端C连接,第八电阻R8的另一端与第一电容C1连接,第一电容C1的另一端连接到参考电位零点,第八电阻R8与第一电容C1的连接点与整流电路(5)的输入端D连接。
5.根据权利要求1所述的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,其特征在于,整流电路(5)包括第二运算放大器IC2、第三运算放大器IC3、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4;其中第十三电阻R13的一端与整流电路(5)的输入端即第三运算放大器IC3的同相输入端D连接、另一端与第二运算放大器IC2的反相输入端E连接,第十二电阻R12的一端和第一二极管D1的阳极均连接到第二运算放大器IC2的反相输入端E,第一二极管D1的阴极和第二二极管D2的阳极均与第二运算放大器IC2的输出端F连接,第十二电阻R12的另一端和第二二极管D2的阴极均与整流电路(5)的输出端I连接,第十四电阻R14的一端与第三二极管D3的阳极均连接到第三运算放大器IC3的反相输入端G,第三二极管D3的阴极和第四二极管D4的阳极均与第三运算放大器IC3的输出端H连接,第十四电阻R14的另一端和第四二极管D4的阴极均与整流电路(5)的输出端I连接。
6.根据权利要求1所述的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,其特征在于,峰值取样电路(6)包括第四运算放大器IC4、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第五二极管D5、第二电容C2;其中第九电阻R9的一端为峰值取样电路(6)的输入端,该输入端与整流电路(5)的输出端I连接,第九电阻R9的另一端和第十电阻R10的一端均连接到第四运算放大器IC4的同相输入端,第十电阻R10的另一端连接到参考电位零点,第四运算放大器IC4的反相输入端与第四运算放大器IC4的输出端K连接,第四运算放大器IC4的输出端K通过第十一电阻R11接入第五二极管D5的阳极,第五二极管D5的阴极和第二电容C2的一端相连且该连接点为峰值取样电路(6)的输出端L,第二电容C2的另一端连接到参考电位零点。
7.根据权利要求1所述的采用有源储能电容变换器的AC/DC变换器,其特征在于,所述PWM调制和开关管驱动电路(10)包括PWM集成IC电路和两个驱动电路,其中PWM集成IC电路型号为UC3525、UC3825、UC3843或UC3844。
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