CN110492763B - 提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法，所述的可变占空比控制方法包括：平均输入电流公式的推导、电感参考电流选取、平均输入电流的正弦化、可变占空比公式的推导。本发明采用可变占空比控制方法对三态Boost变换器的功率因数进行改善，该方法能够在较宽的输入电压范围内改善三态Boost变换器的功率，同时减少输出电压的纹波以及电感电流的纹波，减小了器件应力。

Description

提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法。
背景技术
Boost变换器作为开关电源最常见的升压拓扑，被广泛的应用于生活中各种电子设备中。但是传统的Boost变换器运行于CCM模式下时，由于***传递函数中有右半平面零点的存在，Boost变换器的动态响应较差，在负载突然变化的情况下，负载电压调整速度太慢，可能需要几十个周期才能完成，输出电压在负载电流增大时，会先下降然后才会缓慢恢复到稳定值。
而三态Boost结构即在传统的Boost变换器的升压电感上并联一个开关，由于其独特的续流环节的存在，其***的传递函数中不存在右半平面的零点，因此在负载突然变化时具有较好的动态响应能力。但是由于电感电流续流环节的存在，采用传统定占空比控制的三态Boost变换器其输入电流存在较高的谐波含量，功率因数较低，并且采用定占空比控制的三态Boost变换器，但是其功率因数与输入电压Vin和输出电压Vo的比值有关，两者比值越大，三态Boost变换器的功率因数越小，因此采用定占空比控制三态Boost变换器在宽电压输入范围内，其功率因数随着输入电压的增加而减小，并且采用定占空比控制的三态Boost变换器输出电压纹波也随着输入电压的增加而增加，因此采用传统定占空比控制三态Boost变换器不利于***功率因数的提高以及纹波的输出电压纹波的减小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法，用以解决三态Boost变换器使用传统定占空比控制时功率因数较低以及输出电压纹波、电感电流纹波较高的问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法，包括以下步骤：
步骤1，平均输入电流公式的推导，三态Boost变换器的平均输入电流Iin等于电感电流IL上升时间Tb以及下降时间To时间内的平均值；
步骤2，根据平均输入电流Iin的表达式选取电感参考电流iref；
步骤3，平均输入电流的正弦化，利用步骤2选取的电感参考电流iref化简平均输入电流的表达式Iin，然后选取带有未确定常量的C的主开关S1的占空比表达式db，使平均输入电流呈现正弦变化；
步骤4，可变占空比公式的推导，利用步骤3选取的带有未确定常量C的主开关S1的占空比表达式db，根据电流的平均输入功率Pin等于平均输出功率Po，计算主开关S1的占空比的中常量C的值，根据伏秒特性计算辅开关S2的占空比表达式df。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的可变占空比控制方法产生的PWM控制信号能够在较宽的输入电压范围内改善三态Boost变换器的功率因数，同时减少输出电压的纹波以及电感电流的纹波，减小了器件应力。
附图说明
图1是本发明实施例中三态Boost变换器的原理图。
图2是本发明实施例可变占空比控制策略的流程图。
图3是三态Boost变换器稳态运行时输入电压和电感电流波形图。
图4是电感电流局部放大波形图。。
图5是利用传统定占空比得到的三态Boost变换器平均输入电流、输出电压纹波以及电感电流波形图。
图6是利用变占空比得到的三态Boost变换器平均输入电流、输出电压纹波以及电感电流波形图。
图7是定占空比控制以及变占空比控制下的三态Boost变换器功率因数对比波形图。
图8是定占空比控制以及变占空比控制下的三态Boost变换器输出电压纹波对比波形图。
具体实施方式
三态Boost变换器的拓扑结构是在传统Boost变换器电感上并联一个辅开关S2，其直流侧接负载，交流侧与三相电网相连，其电路原理图如图1所示。
本发明提供一种提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法，其占空比推导流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1，平均输入电流公式的推导，三态Boost变换器的平均输入电流Iin等于电感电流IL上升时间Tb以及下降时间To时间内的平均值，因此只需写出电感电流IL在上升时间Tb以及下降时间To的表达式，就可以根据电感电流的表达式求得平均输入电流Iin的表达式。
步骤2，电感参考电流的选取，利用步骤1得到的平均输入电流Iin的表达式作为选取电感参考电流iref的依据，电感参考电流iref的选取以化简平均输入电流为目的，但是电感参考电流既不能选取的过大也不能选取的过小，电感参考电流选取的过小，三态BOOST变换器的就不会存在续流环节，电感参考电流选取的过大，三态Boost变换器的损耗就会很大。
步骤3，平均输入电流的正弦化，利用步骤2选取的电感参考电流iref化简平均输入电流的表达式Iin，然后选取带有未确定常量的C的主开关S1的占空比表达式db，使平均输入电流呈现正弦变化。
步骤4，可变占空比公式的推导，利用步骤3选取的带有未确定常量C的主开关S1的占空比表达式db，在不计电路损耗的情况下，根据电流的平均输入功率Pin等于平均输出功率Po，计算主开关S1的占空比的中常量C的值，最后根据伏秒特性计算辅开关S2的占空比表达式df。
进一步的，步骤1中平均输入电流公式的推导的具体过程为：
三态Boost变换器的平均输入电流Iin等于电感电流IL上升时间Tb以及下降时间To时间内的平均值，因此只需写出电感电流IL在上升时间Tb以及下降时间To的表达式，就可以根据电感电流的表达式求得平均输入电流Iin的表达式，电感电流表达式如下：
Figure BDA0002178752520000031
三态Boost变换器稳态运行时时：Vin(t)＝Vm|sin(ωt)|、Vo＝Vref
其中L为升压电感值，Vin(t)为输入电压值，Vm为输入电压峰值，ω为角速度，Vo为输出电压值，Vref为输出电压参考值，tk为某个周期的开始时刻。
根据式(1)求得平均输入电流Iin(tk)的表达式：
Figure BDA0002178752520000041
其中db(tk)为第k个开关周期的电感电流上升期间的占空比，do(tk)为第k个开关周期电感电流下降阶段占空比，dc(tk)为第k个开关周期电感电流续流期间的占空比，T为开关周期，tk为开关周期的开始时刻，iref(tk)为电感电流在第k个周期续流期间的参考值。
进一步的，步骤2电感参考电流的选取的具体过程为：
忽略电感两端的压降，根据电感的伏秒平衡可以得到电感电流上升阶段占空比db(t)和下降阶段占空比do(t)的关系：
Figure BDA0002178752520000042
将上式(3)代入式(2)可得:
Figure BDA0002178752520000043
为了简化输入电流的表达式(4)，可以选取参考电流iref(t)的表达式为：
Figure BDA0002178752520000044
将式(5)代入式(4)可以得到化简后的平均输入电流Iin(t)的表达式：
Figure BDA0002178752520000045
进一步的，步骤3中平均输入电流的正弦化的具体过程为：
利用步骤2得到的化简后的平均输入电流的表达式，当电感电流上升的占空比即主开关S1占空比db(t)表达式为：
Figure BDA0002178752520000046
平均输入电流Iin(t)呈现正弦变化，三态Boost变换器的功率因数接近于1。
Figure BDA0002178752520000051
其中C为未确定的常量。
进一步的，步骤4中可变占空比公式的推导的具体过程为：
利用三态Boost变换器平均输入功率Pin等于平均输出功率Po确定步骤3得到的主开关S1的占空比db，表达式中常量C的值：
Figure BDA0002178752520000052
则：
Figure BDA0002178752520000053
因此开关管S1占空比公式为：
Figure BDA0002178752520000054
根据伏秒的特性可以求得电感下降阶段占空比do(t)的表达式，进一步的可以求得辅开关S2的占空比df(t)。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例
三态Boost变换器***设计为：交流侧接输入为8V-20V的三相交流电网、输出侧的参考电压为25V、负载电阻为400Ω、升压电感为200uH、输出电容为470uF、***的开关频率为100kHz。
为了验证三态Boost变换器采用变占空比控制方式时的功率因数大于传统的定占空比控制方式，以及变占空比控制方式下输出电压纹波小于定占空比控制方式，在保证***各参数均一致的情况下，利用MATLAB仿真对两种控制方式下功率因数以及输出电压纹波情况进行对比：
图3是三态Boost变换器稳态运行时输入电压和电感电流波形图。
图4是电感电流局部放大波形图，从图中可以看出电感电流存在三种状态即电感电流上升阶段、电感电流下降阶段以及电感电流续流阶段。
图5是利用传统定占空比得到的三态Boost变换器平均输入电流、输出电压纹波以及电感电流波形图，可以看出采用定占空比控制的三态Boost变换器平均输入电流并不呈现正弦变化，存在一定的谐波分量。
图6是利用变占空比得到的三态Boost变换器平均输入电流、输出电压纹波以及电感电流波形图，可以看出采用变占空比控制的三态Boost变换器输入电流呈现标准的正弦变化。
图7是定占空比控制以及变占空比控制下的三态Boost变换器功率因数对比波形图，从图中可以看出在整个仿真的输入电压范围内，变占空比控制的三态Boost变换器功率因数都远远大于定占空比控制，且基本保持不变，而定占空比功率因数随着输入电压的增加而下降。
图8是定占空比控制以及变占空比控制下的三态Boost变换器输出电压纹波对比波形图，可以看出占空比控制的三态Boost变换器输出电压纹波都远远小于定占空比控制，且基本保持不变，而定占空比输出电压纹波随着输入电压的增加而增加。
因此，从以上仿真波形的对比可以看出利用变占空比控制方法可以使得三态Boost变换器的功率因数远远大于传统定占空比控制，且变占空比控制时的输出电压纹波也小于定占空比控制。
以上论述仅仅是本发明的一个实施例，任何在本发明的基础上所作的等效变换，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，平均输入电流公式的推导，三态Boost变换器的平均输入电流Iin等于电感电流IL上升时间Tb以及下降时间To时间内的平均值；平均输入电流公式的推导的具体过程为：
三态Boost变换器的平均输入电流Iin(t)等于电感电流IL(t)上升时间Tb以及下降时间To时间内的平均值，电感电流表达式如下：
Figure FDA0002962172560000011
三态Boost变换器稳态运行时：Vin(t)＝Vm|sin(ωt)|、Vo＝Vref；
其中L为升压电感值，Vin(t)为输入电压值，Vm为输入电压峰值，ω为角速度，Vo为输出电压值，Vref为输出电压参考值，tk为开关周期的开始时刻；
根据式(1)求得平均输入电流Iin的表达式：
Figure FDA0002962172560000012
其中db(k)为第k个开关周期的电感电流上升期间的占空比，do(k)为第k个开关周期电感电流下降阶段占空比，dc(k)为第k个开关周期电感电流续流期间的占空比，T为开关周期，iref(k)为电感电流在第k个周期续流期间的参考值；
步骤2，根据平均输入电流Iin的表达式选取电感参考电流iref；电感参考电流的选取的具体过程为：
忽略电感两端的压降，根据电感的伏秒平衡得到电感电流上升阶段占空比db和下降阶段占空比do的关系：
Figure FDA0002962172560000013
将上式(3)代入式(2)可得：
Figure FDA0002962172560000021
为了简化输入电流的表达式(4)，选取参考电流iref(t)的表达式为：
Figure FDA0002962172560000022
将式(5)代入式(4)可以得到化简后的平均输入电流Iin的表达式：
Figure FDA0002962172560000023
步骤3，平均输入电流的正弦化，利用步骤2选取的电感参考电流iref化简平均输入电流的表达式Iin，然后选取带有未确定常量的C的主开关S1的占空比表达式db，使平均输入电流呈现正弦变化；
步骤4，可变占空比公式的推导，利用步骤3选取的带有未确定常量C的主开关S1的占空比表达式db，根据电流的平均输入功率Pin等于平均输出功率Po，计算主开关S1的占空比的中常量C的值，根据伏秒特性计算辅开关S2的占空比表达式df。
2.根据权利要求1所述的提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法，其特征在于，步骤3中平均输入电流的正弦化的具体过程为：
利用步骤2得到的化简后的平均输入电流的表达式，当电感电流上升的占空比即主开关S1占空比db表达式为：
Figure FDA0002962172560000024
平均输入电流Iin呈现正弦变化，三态Boost变换器的功率因数接近于1；
Figure FDA0002962172560000025
其中C为未确定的常量。
3.根据权利要求1所述的提高三态Boost变换器功率因数的可变占空比控制方法，其特征在于，步骤4中可变占空比公式的推导的具体过程为：
利用三态Boost变换器平均输入功率Pin等于平均输出功率Po确定步骤3得到的主开关S1的占空比db表达式中常量C的值：
Figure FDA0002962172560000031
则：
Figure FDA0002962172560000032
因此开关管S1占空比公式为：
Figure FDA0002962172560000033
根据伏秒的特性求得电感下降阶段占空比do的表达式，进一步求得辅开关S2的占空比df。
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