关键字 |
| 无桥整流器，SEPIC转换器，间断导通模式(DCM)，功率因数校正(PFC)，零电流开关(ZCS) |
介绍 |
| 较好的功率因数校正(PFC)电路类型是有源PFC，因为它使负载表现得像一个纯电阻，导致负载功率因数接近统一，并在输入线路电流中产生可忽略的谐波。目前市场上大多数有源PFC电路以及开关模式电源(SMPS)由前端桥式整流器和高频dc-dc变换器组成。几种最流行的PFC转换器拓扑结构如下:反飞转换器、降压升压转换器、升压转换器、SEPIC转换器和CUK转换器。简要介绍了boost PFC变换器和SEPIC PFC变换器，比较了它们的优缺点。 |
| 此外，介绍了无桥SEPIC拓扑结构，讨论了其相对于转换开关整流二极管的优点。升压变换器是目前最受欢迎的PFC器件，其功率电路简单，控制方案简单，采用单开关和地面参考开关[2]设计。此外，低输入电流失真可能是升压变换器在PFC应用中如此受欢迎的原因。然而，升压变换器的输入电压必须小于输出电压，这是它的局限性。这一缺点需要额外的dc/dc级用于LED应用。单端初级电感变换器(SEPIC)是一种允许其输出端的电势(电压)大于、小于或等于其输入端的电势(电压)的DC-DC变换器。SEPIC的输出由控制晶体管的占空比控制。SEPIC与传统的buck-boost变换器类似，但具有非反向输出的优点。SEPIC转换器的优点是它的输出电压不一定受其输入电压范围的限制。这一特性意味着输出电压可以高于或低于输入电压。 Moreover, this property means that the SEPIC PFC converter does not require an additional dc/dc stage for applications [5]. Additionally, the SEPIC converter can reduce the input current ripple by incorporating 2 properly wound inductors. This characteristic means that the power loss due to the current ripple can be reduced. The absence of an input diode bridge and the presence of only two semiconductor switches in the current flowing path during each switching cycle results in less conduction losses.Bridgeless PFC topologies are currently gaining increasing interests. Generally, bridgeless PFC converters suffer from the difficulty of implementation and control, but bridgeless topology can reduce conduction losses from rectifying bridges; thus, overall system efficiency can be increased. In addition, a bridgeless topology has the advantage of total harmonic distortion (THD) decreasing from input diode reduction. |
| 无桥SEPIC PFC转换电路通常用于无桥拓扑，其中转换器分别在正循环和负循环[5]上工作。该电路结构简单，易于实现，对主要无源元件的选择限制较少。该电路可改造为单开关无桥变换器，导通损耗小，所需元件少。每种拓扑结构在输出电压限制、控制器实现难度等方面各有优缺点。此外，对于电动汽车应用，输入电压必须低于交流输入电压。通常，该电压范围为12V至50V。因此，如果采用升压转换器(最著名和最简单的拓扑)，则需要第二级为电动汽车应用[2]提供适当的输入功率。单级SEPIC也可以实现。考虑到上述优点和缺点，如果控制器设计具有精确的建模，则SEPIC PFC变换器是一个很好的选择。在Simulink图中使用工作在不连续传导模式(DCM)的单开关无桥SEPIC PFC变换器。 |
| 本文提出了一种新的功率电路拓扑结构，可实现无桥式PFC电路，克服了上述问题。 |
sepic转换器的描述 |
| SEPIC是一种DC-DC转换器，允许其输出端的电势大于、小于或等于其输入端的电势。SEPIC的输出由电源开关的占空比控制。SEPIC类似于传统的降压-升压变换器，除了它具有非反向输出(输出具有与输入相同的电压极性)的优点，能够真正关闭:当开关关闭时，SEPIC在电池电压高于或低于稳压器预期输出的应用中是有用的，图2显示了所提出的SEPIC整流器的框图，交流输入给交流转换侧，其中我们使用两个相同值的电感并联[8]。它将使电源电压平滑，在直流转换侧二极管将两个半周期的电源电压组合在一起。该块的输出通过输出电容传递给负载。采用PI控制器形成闭环控制开关占空比，以保持输入电流与输入电压相一致。 |
| 由于没有输入二极管桥，并且在每个开关周期的电流流动路径中只存在两个半导体开关，因此导通损耗更小。与升压变换器不同，Sepic变换器在PFC应用中具有几个优点，例如易于实现变压器隔离，在启动和过载条件下固有的涌流限制，更低的输入电流纹波，以及更少的电磁干扰(EMI)。 |
A.SEPIC转换器工作原理 |
| 图2所示的无桥整流器由两个dc-dc变换器连接而成。如图2所示，在正半线周期中，第一个dc-dc Sepic电路L1、Q1、C1、L3、Do通过连接输入交流源到输出地的二极管Dp有源。在负半线周期中，第二直流-直流Sepic电路L2,Q2,C2,L3,Do通过二极管D激活，二极管D将输入交流电源连接到输出地。因此，由于电路的对称性，在输入电压的正半周期内分析电路就足够了。这些优点包括以下:有天然的接近统一的功率因数，电源开关在零电流时打开，输出二极管Do在零电流[9]时关闭 |
| 因此，由于接通开关损耗和输出二极管的反向恢复而造成的损失大大降低。输出端采用PI控制器进行反馈，改变电源开关的占空比。PI控制器用来形成一个闭环来控制开关的占空比，以保持输入电流与PI所提供的输入电压相一致。对输入电流进行主动整形，对高频开关进行滤波，对源电流进行反馈感知进行波形控制，对输出电压进行反馈控制。输入交流电压总是通过慢恢复二极管Dp和DO[12]连接到输出地。因此，所提出的拓扑不受高共模EMI噪声发射问题的影响，并且具有与传统拓扑相似的共模EMI性能。两个电源开关可以由相同的控制信号驱动，这大大简化了控制电路。当在DCM区域运行变换器时，与CCM操作相比，变换器组件上的电流应力变得相对较大，这导致了DCM操作的一个缺点，将这种操作模式限制在低功耗应用(< 300w)[4]。电压和电流分别根据峰值输入电压Vm和输出负载电流(Vo/RL)进行归一化。针对电池充电器的应用，提出了一种单级交直流功率因数校正拓扑结构。通过提出的方案[13]，完全实现了电池充电器的低成本、快速充电、充电剖面可编程、高效、高可靠性等预期特性。 Additionally, its multiphase operation configuration provides easy power scaling. |
| 所提出的方法优于广泛应用于EV(电动汽车)充电器的传统转换器调节。它特别适用于低成本和高功率的应用。通过1kw产品样机的实验结果验证了该方法的可行性和实用价值。 |
| 用于消费和工业市场的电池充电器必须在合理的制造成本下，功能精确，运行可靠。电池充电器属于一组电负载，称为“感应”负载。感应电负载有两种不同的功率:瓦(w)和伏安(VA)。一种电池充电系统，具有适于将其输入端的交流电压转换为输出端的第一直流电压的第一整流器。 |
| 功率因数校正(PFC)电路耦合到第一整流器，用于校正电池充电系统的功率因数并输出第二直流电压[15]。第一功率变流器耦合的PFC电路,将第二直流电压转换为三分之一第二功率变流器直流电压耦合到第一个电源转换器,转换为第三直流电压到第四直流电压先送到一个电池和控制器用于传感第四在第二个电源转换器的输出直流电压调节第二电源转换器第四直流电压维持在预定值[20]。 |
PI控制器调优 |
| PI控制器在负载调节过程中形成闭环控制功率因数。PI是一种广泛应用于工业领域的控制反馈机制。它修正了测量变量之间的误差。通过计算和启动纠正行动来达到所需的设定值，可以相应地快速地调整过程，以保持误差最小。 |
| 调优的一般方法: |
| •最初没有积分增益 |
| •提高KP直到得到满意的响应 |
| •开始添加积分，直到在满意的时间内消除稳态误差(如果组合变为振荡，可能需要降低kpi) |
| 所述整流器的DCM发生在通过二极管Do的电流在开关关闭时间结束前降至零时。因此，在正半线周期内的一个开关周期Ts的电路工作可以分为三种不同的工作模式。 |
DCM操作 |
| 在这种情况下，电路电压和电流在短时间间隔内为零。在这个独特的时间间隔内，通常不允许的新的和第三电路拓扑组合现在是可能的。 |
| 这就是所谓的DCM模式，并将在几个方面证明是一个很大的实际优势。在DCM模式下，DTs间隔通常是不变的，因为晶体管导通完全由控制信号控制，而控制信号与电路操作无关。然而，D 'T周期被电路条件分为两个新的部分，通常称为D2和D3。二极管导通持续时间完全取决于电路条件的变化，在D 'Ts间隔提前关闭二极管。何时发生关断取决于负载情况。 |
| DCM操作中的D2或D3成为D之外的另一个未知值。D '区间划分为D2和新的D3区间通常发生在I(out)有一个称为临界电流的最小DC值时。DCM通常发生在轻负载时，Vout从其CCM值(sepic转换器)跳跃到更高的输出电压。这对于用于启动荧光灯的电源非常有用，荧光灯最初具有零负载。 |
手术阶段 |
| 当开关Q1打开时，二极管Dp被电感电流iL1和iL2的总和正向偏置。结果，二极管Dn被输入电压反向偏置。输出二极管被反向电压(vac + Vo)反向偏置。在这一阶段，三个电感电流以与输入电压vac成比例的速率线性增加。三个电感电流的增加速率。在tl瞬间，开关Q1关闭，二极管Do打开，同时为三个电感电流提供一条通路。二极管Dp保持导电，为iL1和iL2提供通路。在这一阶段，三个电感电流以正比于输出电压Vo的速率线性下降。当输出二极管电流I平稳地达到零，Do变为反向偏置时，此间隔结束。在这个阶段，Q1和Do都处于off状态。二极管Dp为i??3提供了一个路径。 The three inductors behave as current sources, which keeps the currents constant. Hence, the voltage across the three inductors is zero. Capacitor C1 is charging up by i??1, while C2 is discharged by i??2. |
| 当在DCM区域运行变换器时，与CCM操作相比，变换器组件上的电流应力变得相对较大，这导致了DCM操作的一个缺点，将这种工作模式限制在低功率应用(<300 W)。电压和电流分别根据峰值输入电压Vm和输出负载电流(Vo/RL)进行归一化。 |
仿真结果 |
| 改进的工作在不连续传导模式的无桥变压器。它由两个sepic组成，每个都会在每个半周期的输入电源电压下工作。输出输入关系由PI控制器控制。比例控制器检查实际电压和参考电压之间的误差。积分控制器通过将误差与重复序列进行比较来补偿误差。该值再次与PWM信号进行比较。PI控制器输出结果与重复序列进行比较。这是产生参考信号的序列。给继电器块的比较值产生任意输出。布尔块将产生逻辑操作所需的二进制输出。 This makes to produce pulses for switches by using logical NAND operation. The simulation result for power factor correction is shown below. |
| 上图4显示了电压调节为100v时的功率因数。因此，在任何时候，线路电流与输入线路电压是相的。线路电流与线路电压相一致将提高电路的功率因数。这种改进的功率因数将提高系统的可靠性。 |
| 上图5将显示两个电源开关的交替开关，第二将显示感应器电流，当感应器电流为零时，开关将接通。这样开关上的开关应力就会最小化。 |
| 上图6为改进后的sepic变换器的输出电压。在电压调节到100V期间，PI控制器将跟踪设定值。该PI将为输出值提供最佳收敛性。 |
| 上图7为感应电机的转速和转矩。当负载调节时，线路侧功率因数保持不变。 |
结论 |
| 本文提出了一种带PI控制器的无桥DCM SEPIC。采用无桥SEPIC进行功率因数校正，实现了低传导损耗和负载调节。所提出的拓扑设计工作在不连续传导模式(DCM)，以实现几乎统一的功率因数。DCM操作提供了额外的优势，如电源开关的零电流接通，输出二极管的零电流关断，并降低了控制电路的复杂性。输出输入关系由PI控制器控制。比例控制器检查实际电压和参考电压之间的误差。积分控制器通过将误差与重复序列进行比较来补偿这种误差。该值再次与PWM信号进行比较。采用PI控制器可减小参考值与实际值之间的误差。DCM优选产生几乎单位功率因数。当负载调节时，线路侧功率因数保持不变。 The proposed converter is simulated by using MATLAB performance waveforms are verified. |
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数字一览 |
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参考文献 |
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