5kW全数字控制单级隔离型功率因数校正变换器的研究

针对工业界某些场合对高功率等级、严格的谐波标准和隔离等要求，提出一种新的结合主电路和全数字控制技术的解决方案。文章采用单级隔离型全桥拓扑结合BOOST型PFC的输入电感和RCD溃能式箝位作为主电路，融合全数字控制，对中大功率单级隔离PFC进行研究。文中分析了主电路工作原理，建立了小信号动态模型，并给出数字控制设计方法。变压器的加入，不仅提供隔离功能且大大拓展了此类PFC变换器的应用场合。文中采用的数字控制方案具有良好的动态响应特性和稳态调节特性，并成功解决了模拟控制引入的变压器偏磁现象。基于该文所提出的拓扑以及控制方案，制作了5kW输出功率且PFC工作频率为55kHz的样机，验证了该变换器的优良性能，满载功率因数达到0.994，效率超过92%。     

基于全桥结构全数字控制单级隔离PFC变换器

提出了一种适合中功率应用场合的功率校正电路的解决方案.采用单级隔离型全桥结构并结合传统Boost型功率因数校正(Power Factor Correction,简称PFC)的输入电感和RCD箝位电路作为主电路,融合基于数字信号处理器(Digital Signal Processing,简称DSP)的全数字控制方案,对中大功率单级隔离型PFC进行了研究.在应用主电路工作原理和小信号动态模型的基础上,分析了该模型的数字控制设计方法.所采用的双环全数字控制方案同时具有良好的动态响应和稳态调节特性,可消除变压器的偏磁现象.最后基于提出的拓扑及控制方案制作了3kW,110kHz的样机.实验结果表明,该变换器的满载功率因数达0.995,效率超过92%.     

5KW全数字控制单级隔离型功率因数校正变换器的研究

针对当前工业界某些应用场合对高功率等级、严格的谐波标准以及输入输出隔离等要求,本文提出了一种新的结合主电路拓扑和全数字控制技术的解决方案。文章采用单级隔离型全桥结构结合传统BOOST型PFC的输入电感和RCD钳位作为主电路,并融合数字控制方案,对中大功率单级隔离型PFC进行研究。分析了主电路工作原理,建立了小信号动态模型,并详细分析了基于该模型的数字控制设计方法。提供输入输出电气隔离的变压器,允许输出可以在较大范围内调整,既可以高于输出电压也可以低于输出电压,此外允许多路输出方案。因此,变压器的加主大大拓展了此类PFC变换器的使用场合。采用的数字控制方案,同时具有良好的动态响应特性和稳态调节特性。优异的动态调节特性可成功解决模拟控制引入的变压器偏磁现象。基于本文所提出的拓扑以及控制方案,制作了5kW输出功率且开关频率为55kHz的样机,验证了该变换器的优良性能,满载功率因数达到0．994,效率超过92％。     

新型单级隔离型软开关功率因数变换器

提出一种兼具软开关和箝位的新型单级隔离型功率因数校正(power factor correction, PFC)变换器拓扑。该变换器能满足电气隔离的应用要求,提升单级隔离型PFC的功率等级。与传统单级结构相比,新拓扑输入电流校正效果明显,功率因数接近1。比较理想地解决了限制单级PFC功率等级的变压器漏感和直流母线电容应力问题。箝位电容被充分利用简化了零电压过渡(zero voltage transition,ZVT)技术在隔离型变换器中的应用,既改善了半导体器件的开关环境、优化系统电磁兼容,又提高了变换效率。实验制作一台87 kHz,1 kW的样机。实验结果表明,这种变换器的效率基本能够达到93%(半载以上),功率密度提高,适合于中大功率应用场合。     

基于死区调节的单级桥式PFC变换器变压器偏磁抑制策略

由于单级桥式功率因数校正(power factor correction,PFC)AC/DC变换技术电路的特点,导致高频变压器存在偏磁现象,影响了系统正常工作。传统方式通过增加变压器气隙或使用隔直电容来防止变压器出现偏磁,但是该类方案影响了系统性能,并增加了电路的复杂程度。结合有源钳位单级PFC变换器工作特点,提出一种基于死区调节的偏磁抑制策略,通过改变系统的开关时序,能够有效抑制偏磁,具有不增加主电路复杂程度、不影响系统性能、数字控制和模拟控制都能够实现等优点。在提出抑制策略的基础上,设计实现电路,给出死区设计方法及影响规律,最后进行实验研究。理论分析及实验结果表明,该策略能够在不影响系统性能的基础上,有效抑制单级桥式PFC变换器的高频变压器偏磁。     

全桥隔离型单相单级功率因数校正变换器研究

隔离型单相单级全桥功率因数校正(SS-FB-PFC)变换器具有高功率密度、高功率因数、电气隔离等特点,适用于中大功率应用场合。介绍了该变换器的工作原理,建立了其动态模型,进行补偿器设计,提升了系统的稳态调节和动态响应能力。在此基础上分析SS-FB-PFC电路固有的隔离变压器偏磁产生机理,基于数字控制技术提出一种简单的SS-FB-PFC变换器解决方案,该方案易于实现,且能避免原有控制方式带来的变压器偏磁现象,与传统偏磁抑制方案相比不增加电路成本和复杂度。最后,通过实验验证了电路拓扑及控制方案的有效性。     

一种单级全桥PFC变换器变压器偏磁抑制策略

单相单级全桥PFC变换器变压器双向励磁,具有功率密度高和电气隔离等特点,适用于中大功率场合,但该变换器由于其工作方式的特殊性,存在特有的变压器偏磁现象。通过对单级全桥PFC变换器的工作原理与变压器偏磁产生机理进行分析,得出每1/4工频周期内磁化曲线中心点偏移情况,并递推得到偏移量的最大值。在此基础上,提出一种正负半周对称的数字抑制策略,通过设计开关管的时序,使每个开关周期内变压器正负向励磁时间相等,进而消除了变压器偏磁;与传统偏磁抑制方式相比,该策略不增加电路的复杂程度与系统的体积、重量,实现较为容易。最后,通过搭建额定输出电压/电流为48V/12A的样机验证了所提出的偏磁抑制策略的可行性。     

低共模噪声图腾柱SEPIC PFC变换器研究

传统图腾柱SEPIC功率因数校正(PFC)变换器具有低输入电流纹波、高效率、可实现升降压转换的优点,但由于电路在输入电压负半周工作时,其输出电压相对于输入电压开关周期浮动导致了严重的电磁干扰(EMI)问题,从而限制了该拓扑的应用。基于传统图腾柱SEPIC PFC变换器拓扑,分析了共模噪声的产生机理,并提出采用耦合电感以及隔离变压器结构来解决共模噪声以及输出浮动的问题,该变换器不仅实现了低共模噪声,且实现了图腾柱式单级隔离转换。最后搭建了一台200 W实验样机验证了理论分析的正确性与可行性。     

单开关管无桥SEPIC PFC变换器

针对传统功率因数校正(PFC)变换器因低频整流桥而效率不高的问题以及Boost PFC变换器拓扑的本质缺陷,提出了一种可升降压的新型无桥SEPIC PFC变换器拓扑。该变换器不但保留了SEPIC拓扑可磁集成、易于隔离等优点,而且相较于现有的无桥SEPIC PFC电路,仅需要一个开关管,因此具有更高的效率和更低的成本。以连续导电模式(CCM)为例详细分析了变换器的工作原理及其参数设计。PSIM的仿真结果和基于UC3854控制芯片的100 W样机实验结果,均验证了所提拓扑的正确性和有效性。     

一种单级无桥隔离型PFC变换器研究

研究了一种单级无桥隔离型AC/DC功率因数校正(PFC)变换器拓扑,其具有的双极性增益特性可以从根源上消除传统PFC变换器交流侧所需的二极管整流桥,具有结构简单、隔离、功率因数高等优点。分析了工作于电感电流断续导电模式(DCM)时的工作模态和工作特性。最后,搭建了一台实验样机,验证了理论分析和仿真结果的正确性,且实测功率因数大于0.98。     

基于箝位电路的新型单级PFC技术

单级桥式功率因数校正变换器由于变压器存在漏感,在电路换流过程中产生较大尖峰电压,增加了开关管的电压应力,降低了系统可靠性.提出一种基于箝位技术的新型单级桥式功率因数校正变换器,利用一级电路同时实现功率因数校正与DC/DC变换;通过在所提出变换器中设置箝位电路,吸收了尖峰电压,解决了开关管电压应力过高的问题,并分析了实现功率因数校正、抑制电压尖峰的原理;针对电路结构以及功率因数校正电路的特点,分析了所提出变换器中高频变压器的偏磁产生机理,并给出了相应的抑制措施.通过对实验系统的测试与分析,表明所提出的变换器具有较高的功率因数和转换效率,并验证了理论分析的正确性.     

双绕组反激式单级PFC变换器及功率因数改善措施研究

为改善功率变换器的功率因数,提出一种双绕组反激式单级功率因数校正PFC(Power Factor Correction)变换拓扑。该拓扑由Boost PFC电路和具有串并联结构的双绕组反激变换电路组合而成,利用2个中间储能电容吸收变压器初级绕组的漏感能量,有效地抑制功率器件的电压应力,提高变换器的可靠性。详细分析了变换器的工作原理和稳态特性,并在传统的单电压环控制方法的基础上,将整流电压引入到控制电路,提出了一种简单的电压补偿控制方法来提高变换器的功率因数、降低输入电流的总谐波畸变率。设计制作了一台150 W/24 V实验样机,实验结果验证了所提出电路原理的正确性和采用电压补偿控制方法改善输入电流波形质量的有效性。     

An Isolated PFC Zeta-forward Single-stage Single-switch for LED Driver Without Electrolytic Capacitor

Abstract

The high-brightness light-emitting diodes (LEDs) require an AC/DC converter with power factor correction (PFC). The large output electrolytic capacitor, which is used to minimize the low frequency LED current ripple, degrades the operating lifetime of the LED driver. In order to increase the lifetime of an AC–DC LED driver, the electrolytic capacitor should be eliminated without significantly increasing the output current ripple. In this article, an isolated single-stage single-switch AC/DC high power factor LED driver without electrolytic capacitor is proposed in which a zeta power factor (PF) corrector is integrated with a forward converter. The detailed theoretical analysis and design procedure of the proposed single-stage PFC converter is presented. The experimental results of a 110 V_rms, 21?W prototype verify the theoretical analysis. The input PF is 0.99 in the proposed converter that complies with lighting equipment standards such as IEC-1000-3-2 for class C equipment.     

Multi-input DC/DC converter based on the multiwinding transformer for renewable energy applications

A multi-input DC/DC power converter based on the flux additivity is proposed in this paper. Instead of combining input DC sources in the electric form, the proposed converter combines input DC sources in magnetic form by adding up the produced magnetic flux together in the magnetic core of the coupled transformer. With the phase-shifted pulsewidth-modulation (PWM) control, the proposed converter can draw power from two different DC sources and deliver it to the load individually and simultaneously. The operation principle of the proposed converter has been analyzed in detail. The output voltage regulation and power flow control can be achieved by the phase-shifted PWM control. A prototype converter with two different DC voltage sources has been successfully implemented. Computer simulations and hardware experimental results are presented to verify the performance of the proposed multi-input DC/DC power converter.     

Analysis and design of digital predictive controller for PFC Cuk converter

A digital predictive control strategy for Power Factor Correction (PFC) is presented in this paper. The duty cycles required to achieve unity power factor in one half line period are calculated in advance by using a predictive algorithm and implemented using low cost PIC Microcontroller. A single stage PFC circuit controlled by these pre-calculated duty cycles can achieve sinusoidal current waveform. The output voltage of PFC circuit is regulated by an outer PI controller. A low frequency, small signal model of the rectifier is developed in order to design a PI voltage controller. A prototype of front end AC–DC converter followed by DC–DC Cuk converter controlled by a PIC Microcontroller is developed. Both the simulation and experimental results reveal that the proposed digital predictive strategy provides low THD, high power factor and better performance due to its lower calculation requirement and simple implementation.     

数字化直流磁偏控制研究

传统的直流变换器一般都是在变压器初级串联直流隔直电容,以消除直流磁偏和保证变压器伏秒平衡.分析了隔直电容在直流全桥变换器中的影响.为了实现软开关,系统需要更大的串联谐振电感,由此会产生更大的占空比丢失,使得变换器的效率更低.为此,提出了一种基于数字化实现的峰值电流控制方法,用以实现变压器初级的直流磁偏控制,从而省去变压器初级的隔直电容.基于TMS320LF2407A型DSP构造了2 kW的移相全桥变换器的实验平台,实验结果验证了所述方案的合理性和有效性.     

基于移相全桥技术的PFC三相四线AC/DC变换器

基于全桥移相(PSFB)控制技术,提出一种可实现交流输入与直流输出隔离的三相四线AC/DC变换器.对基本结构进行了理论分析和实验验证.理论和实验表明该变换器有效提高功率因数,明显改善滞后臂的软开关.     

准单级功率变换的高效单相三端口功率因数校正变换器

由于Boost型功率因数校正(PFC)变换器输出电压必须高于交流电压峰值,因此当负载电压较低时,其需要级联直流/直流(DC/DC)变换器,不利于系统效率提高。以优化PFC变换器随电网电压变化的瞬时效率、进而提升整体效率为目标,研究了一种单相三端口PFC变换器。通过将传统三电平Boost变换器的低压侧分压电容直接用作负载输出端口,并构造出一个高压端口,可以实现交流输入侧和直流负载侧之间的准单级功率变换,有效减小了系统中功率变换的级数,从而实现PFC变换器整体效率的提升。此外,准单级功率变换的特性还有利于减小后级DC/DC变换器的电压电流应力和功率损耗,进一步提高交流/直流(AC/DC)变换器的整体效率。文中详细分析了三端口PFC变换器的工作原理和控制策略,建立了损耗分析模型并进行了仿真验证。最后,利用2kW实验样机验证了所研究变换器在改善系统效率方面的有效性。