本發明涉及一種單級無橋pfc變換器,屬于單相pfc變換器拓撲領域。
背景技術:
1、近年來,電動汽車的直流母線電壓正由400v向800v推進。相較于現有的400v系統,800v系統能夠降低電機銅損耗,降低整個系統接線器的損耗,提供減小銅繞組線徑的機會,實現重量、空間和成本的節省。對于這種高壓母線系統,其前級功率因數校正一般采用boost型升壓拓撲,該種電路具有結構簡單、可靠性高的優點。但為獲得高母線電壓,過大的占空比是不可避免的,這將產生功率器件較大的導通損耗和嚴重的反向恢復問題;同時開關管的電壓應力較高,因此該電路在高壓母線系統不再適用。
2、針對高母線電壓應用場合,相關拓撲主要集中在基于開關電容、耦合電感以及電壓倍增單元的pfc拓撲。開關電容是一種應用廣泛的升壓技術,具有結構模塊化和易于集成的優點,但該類電路具有較高的瞬態電流,降低了功率密度和效率,在一定程度上限制了其應用;耦合電感型電路因漏感的實際存在會引起開關管兩端電壓的嚴重振蕩,降低轉換效率;基于電壓倍增單元的pfc拓撲引入了一組二極管和電容,該類電路分為有橋與無橋兩種電路,有橋電路包含交流側的二極管整流橋,整流橋中有兩個二極管持續導通,在低壓大電流的場合下,二極管損耗顯得尤為嚴重,嚴重降低變換器效率;無橋電路交流側的二極管整流橋,但使用了兩組輸入濾波電感、儲能電感、儲能電容,元器件使用數量較多,增大了變換器的體積。此外,基于電壓倍增單元的pfc電路在交流輸入電壓較大時,其輸入電流存在較為嚴重的電流畸變。
技術實現思路
1、針對現有基于電壓倍增單元的pfc拓撲元器件數量較多、電流畸變的問題,本發明提供一種結構簡單的適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器。
2、本發明的一種適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器,包括輸入濾波電感l1、儲能電容c1、儲能電容c2、1號雙向開關、2號雙向開關、儲能電感l2、輸出濾波電容cdc1、輸出濾波電容cdc2、二極管d1、二極管d2和控制單元;
3、輸入電源的正極與輸入濾波電感l1的一端連接,輸入濾波電感l1的另一端同時與1號雙向開關的一端、2號雙向開關的一端、儲能電容c1的一端連接;
4、1號雙向開關的另一端與儲能電容c2的一端、儲能電感l2的一端同時連接,
5、儲能電感l2的另一端同時與儲能電容c1的另一端、二極管d1的陽極、二極管d2的陰極連接;二極管d1的陰極與輸出濾波電容cdc1的正極連接,輸入電源的負極、輸出濾波電容cdc1的負極、輸出濾波電容cdc2的正極、儲能電容c2的另一端、2號雙向開關的另一端同時連接;
6、二極管d2的陽極與輸出濾波電容cdc2的負極連接;
7、控制單元包括復位積分器1、復位積分器2、比較器、rs觸發器;
8、電壓vm輸入至復位積分器1,復位積分器1的輸出輸入至復位積分器2,復位積分器2的輸出輸入至比較器的正輸入端,比較器的負輸入端輸入vdc-2|vin|,比較器的輸出輸入至rs觸發器的r端,rs觸發器的s端輸入時鐘信號,rs觸發器的q端輸出占空比驅動信號,rs觸發器的端輸出復位信號至復位積分器1和復位積分器2;
9、vdc為輸出電壓,vin為交流輸入電壓瞬時值;r為輸入側等效電阻,l12表示輸入濾波電感l1和儲能電感l2的并聯值,fs表示開關頻率,d為占空比;
10、所述控制單元,用于當輸入電壓大于0時,將所述占空比驅動信號作用于開關管s1,開關管s1關斷時刻導通開關管s4,開關管s4電流為0時關斷開關管s4,開關管s2、開關管s3始終處于導通狀態;當輸入電壓小于0時,將所述占空比驅動信號作用于開關管s2,開關管s2關斷時刻導通開關管s3,開關管s3電流為0時關斷開關管s3,開關管s1、開關管s4始終處于導通狀態。
11、作為優選,1號雙向開關為開關管s1與開關管s2反向串聯,2號雙向開關為開關管s3與開關管s4反向串聯,開關管s1、開關管s2、開關管s3、開關管s4的電壓應力均為:
12、
13、其中,vin_max為輸入電壓峰值。
14、作為優選,占空比d的最大值dmax的限制條件為:
15、
16、本發明還提供一種適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器的控制方法,單級無橋pfc變換器包括輸入濾波電感l1、儲能電容c1、儲能電容c2、1號雙向開關、2號雙向開關、儲能電感l2、輸出濾波電容cdc1、輸出濾波電容cdc2、二極管d1、二極管d2;
17、輸入電源的正極與輸入濾波電感l1的一端連接,輸入濾波電感l1的另一端同時與1號雙向開關的一端、2號雙向開關的一端、儲能電容c1的一端連接;
18、1號雙向開關的另一端與儲能電容c2的一端、儲能電感l2的一端同時連接,
19、儲能電感l2的另一端同時與儲能電容c1的另一端、二極管d1的陽極、二極管d2的陰極連接;二極管d1的陰極與輸出濾波電容cdc1的正極連接,輸入電源的負極、輸出濾波電容cdc1的負極、輸出濾波電容cdc2的正極、儲能電容c2的另一端、2號雙向開關的另一端同時連接;
20、二極管d2的陽極與輸出濾波電容cdc2的負極連接;
21、所述控制方法為控制占空比d滿足:
22、vmd2=vdc-2|vin|
23、其中,vdc為輸出電壓,vin為交流輸入電壓瞬時值;r為輸入側等效電阻,l12表示輸入濾波電感l1和儲能電感l2的并聯值,fs表示開關頻率;
24、1號雙向開關為開關管s1與開關管s2反向串聯,2號雙向開關為開關管s3與開關管s4反向串聯,當輸入電壓大于0時,按占空比d驅動開關管s1,開關管s1關斷時刻導通開關管s4,開關管s4電流為0時關斷開關管s4,開關管s2、開關管s3始終處于導通狀態;當輸入電壓小于0時,按占空比d驅動開關管s2,開關管s2關斷時刻導通開關管s3,開關管s3電流為0時關斷開關管s3,開關管s1、開關管s4始終處于導通狀態。
25、本發明的有益效果,本發明適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器采用簡單的電路拓撲和控制即可實現交流側的功率因數校正。變換器拓撲的優勢主要表現在:使用兩組雙向開關管,為輸入電流和儲能電感電流提供雙向通路,減少了無源元件的使用數量;輸入側二極管橋臂被完全移除,因其帶來的效率降低問題不再存在;僅使用一個輸入濾波電感、一個儲能電容與一個儲能電感,元器件利用率較高;在較高的輸出電壓下有效降低開關管的電壓應力;使用占空比控制策略,輸入電流畸變問題得以有效解決。
1.適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器,其特征在于,包括輸入濾波電感l1、儲能電容c1、儲能電容c2、1號雙向開關、2號雙向開關、儲能電感l2、輸出濾波電容cdc1、輸出濾波電容cdc2、二極管d1、二極管d2和控制單元;
2.根據權利要求1所述的適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器,其特征在于,1號雙向開關為開關管s1與開關管s2反向串聯,2號雙向開關為開關管s3與開關管s4反向串聯,開關管s1、開關管s2、開關管s3、開關管s4的電壓應力均為:
3.根據權利要求1所述的適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器,其特征在于,占空比d的最大值dmax的限制條件為:
4.適用于高壓母線系統的單級無橋pfc變換器的控制方法,其特征在于,所述單級無橋pfc變換器包括輸入濾波電感l1、儲能電容c1、儲能電容c2、1號雙向開關、2號雙向開關、儲能電感l2、輸出濾波電容cdc1、輸出濾波電容cdc2、二極管d1、二極管d2;
5.根據權利要求4所述的控制方法,其特征在于,開關管s1、開關管s2、開關管s3、開關管s4的電壓應力均為:
6.根據權利要求4所述的控制方法,其特征在于,占空比d的最大值dmax的限制條件為: