一种无电流采样的无桥PFC变换器系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，具体由多个模块组成，分别为图腾柱无桥PFC电路模块、输入电压采样模块、输入过零检测模块、输出电压采样模块、微处理器控制模块、PWM发生模块和第一、第二隔离驱动模块以及辅助供电电源，在系统中去除了输入电流采样电路。本实用新型专利技术提供了一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，解决在不采样电流和不测量电路中所有元器件参数和寄生参数的情况下，利用DSP芯片进行数字控制，实现功率因数校正和恒压输出，降低系统的复杂程度和电路成本的技术问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无电流采样的无桥PFC变换器系统


[0001]本技术涉及开关电源
，特别涉及一种无电流采样的无桥PFC变换器系统。

技术介绍

[0002]随着时代的发展以及更迭，无线通信的使用越来越深入到人们的日常生活中，例如蓝牙、无线局域网(WIFI)和全球卫星定位系统等技术。收发机作为实现无线通信的重要设备，而功率放大器又在收发机中扮演着极其重要的角色。
[0003]目前主流的功率放大器设计工艺为GaAs和GaN，因为其具有良好的射频性能和能够承受大功率的输出。但是采用主流设计工艺会难以集成整个收发机芯片，面临成本高的问题。硅基工艺设计具有高集成度的优点，但是采用硅基工艺设计功率放大器依然是一个具有挑战性的任务。首先是因为采用硅基工艺设计会面临一个无源器件损耗大的问题，从而导致功率放大器的效率下降。其次，为了提高硅基工艺晶体管的工作频率，需要通过减小晶体管的特征尺寸来提高其射频性能。这样会导致硅基晶体管的击穿电压进一步下降，使基于硅基工艺的功率放大器难以实现输出大功率的效果。采用堆叠式功率放大器和采用功率合成技术是目前能够有效解决问题的一种方法。
[0004]目前主流的双路功率合成方式是威尔金森合成器，但是威尔金森合成器所占用的面积大，若是更多路进行合成，所占用的面积会更大。采用片上变压器进行多路合成是一个能够有效节省面积的方法，并且片上变压器具有更大的设计自由度。但是采用片上变压器进行多路合成会面临高损耗的问题。电力电子设备在电力系统和日常生活中的广泛使用，在带来了便捷的同时也存在着严重的电流谐波污染问题。由于电网电压直接连接电力电子设备，它们之间通过不受控的整流桥电路结构将交流电压转换为直流电压供电力电子设备使用，此电路结构不仅功率因数低而且会给电网带来电流谐波污染，同时降低了线路传输有源功率的能力，使配电电缆和变电站变压器加速老化。为了用电设备的高效节能，以及电网设备的安全运行与寿命延长，近年来带有功率因数校正(PFC)的交流
‑
直流变换器成为研究热点，其中在无桥PFC变换器中，图图腾柱拓扑以其组件数量少、共模干扰低、传导损耗低、效率高等优点在功率因数校正电路拓扑中备受关注。
[0005]随着氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等第三代宽禁带半导体器件的出现，将制约图腾柱拓扑在连续电流模式下运行的第一大阻力即二极管反向恢复问题迎刃而解，使用该材料的开关器件具有开关速度快、导通电阻小等优点，使图腾柱无桥PFC变换器在连续电流模式下的大功率场合应用成为可能。目前，图腾柱拓扑的无桥PFC变换器常使用数字处理器芯片实现数字控制，为了实现有效的电路控制，对无桥PFC变换器的电压和电流采样是必不可少的，其中包括交流侧的输入电压采样、输入电流采样以及直流侧的输出电压采样，这些采样不但增加了电路制作成本与控制的复杂程度，而且对于电流的采样不仅降低了无桥PFC变换器的电能传输效率，还会因不合理的电路板布线方式而引入开关噪声和振铃。
[0006]在众多大功率应用场合下，为了提高PFC变换器的电能传输效率，无桥PFC拓扑是
首选的拓扑方案。其中，为了解决无桥PFC变换器的输入电流采样问题，目前已有几种无电流采样的控制方法在不同无桥PFC拓扑上的应用。
[0007]IEEE Transactions on Power Electronics【IEEE电力电子学报】于2017年发表的文献“Digital Current Sensorless Control for Dual
‑
Boost Half
‑
Bridge PFC Converter With Natural Capacitor Voltage Balancing”【具有自然电容电压平衡的双升压半桥PFC变换器的数字无电流传感器控制】中，介绍了一种双升压半桥PFC变换器的无电流传感器控制方法，利用平均状态空间法得到等效的单开关模型，并在开关管导通压降和电感内阻知悉的条件下，计算出每个开关周期的占空比，最后校正功率因数。专利CN202010778540.8于2020年公开的“一种无电流传感器无桥PFC电路”介绍了一种双升压无桥PFC变换器的无电流传感器控制方法，提出了用时间平均法计算每个开关周期的电感电压，同样在知悉了开关管导通压降和电感内阻的条件下，再根据电感电压推导出每个开关周期的占空比，实现无电流传感器的功率因数校正。这两种方法都是在假设了开关管导通压降和电感内阻已知的条件，才能实现功率因数的校正，但是由于电感内阻、开关管内阻和二极管压降这些寄生参数的难以测量，并且其压降都是随着时间而变化的，所以在计算占空比时只能估计大概的值，这使得计算出的电感电压偏离了实际的电感电压，因而导致功率因数的下降，当输入电压和负载变化时，难以一直保持较高的功率因数。
[0008]IEEE JOURNAL OF EMERGING AND SELECTED TOPICS IN POWER ELECTRONICS【IEEE电力电子新兴和选定主题杂志】于2019年发表的文献“Current
‑
Sensorless Power Factor Correction With Predictive Controllers”【使用预测控制器进行无电流传感器的功率因数校正】中，提出了利用锁相环计算电网电压和无桥拓扑中点电压之间的相位角，并通过不断修正该相位角来计算每个开关周期的占空比，从而实现功率因数的校正。这种方法在计算相位角的过程中忽略了电路的损耗部分，同时利用了升压电感的感量和输出电容的容量参与计算过程，这些损耗的功率和元件参数在电路运行时都会发生变化，因此该方法对这些变化难以作出适应，使得功率因数降低。此外文中还使用了昂贵的模数转换(ADC)芯片和数字信号处理器(DSP)芯片，提高了成本。
[0009]由此可知，上述无电流采样无桥PFC变换器只能在测量电路中部分元器件参数和寄生参数的情况下，借助高性能和昂贵的ADC芯片和DSP芯片实现恒压输出和功率因数的校正，这不仅限制了功率因数的提高，还增加了电路成本。

技术实现思路

[0010]本技术的目的是提供一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，旨在解决如下问题：在不采样电流和不测量电路中所有元器件参数和寄生参数的情况下，使用较为廉价的ADC芯片和DSP芯片实现恒压输出和功率因数的校正，降低电路的复杂程度和电路成本。
[0011]为此，本技术公开了一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，该系统由一个主电路模块和多个子模块共同组成，其主电路模块为图腾柱无桥PFC电路模块，子模块包括辅助供电电源、微处理器控制模块、PWM发生模块、隔离驱动电路、输入电压采样模块、输入过零检测模块和输出电压采样模块；
[0012]优选地，所述图腾柱无桥PFC电路模块与第一、第二隔离驱动模块的输出端连接，输入电压采样模块的输入端与图腾柱无桥PFC电路模块连接，输出电压采样模块的输入端
与图腾柱无桥PFC电路模块连接，输入过零检测模块的输入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，其特征在于，该系统由一个主电路模块和多个子模块共同组成，其主电路模块为图腾柱无桥PFC电路模块，子模块包括辅助供电电源、微处理器控制模块、PWM发生模块、隔离驱动电路、输入电压采样模块、输入过零检测模块和输出电压采样模块；所述图腾柱无桥PFC电路模块与第一、第二隔离驱动模块的输出端连接，输入电压采样模块的输入端与图腾柱无桥PFC电路模块连接，输出电压采样模块的输入端与图腾柱无桥PFC电路模块连接，输入过零检测模块的输入端与输入电压采样模块的输出端连接，所述微处理器控制模块与输入电压采样模块、输入过零检测模块和输出电压采样模块的输出端连接，所述PWM发生模块与微处理器控制模块的输出端连接，所述第一隔离驱动模块与PWM发生模块的输出端连接，所述第二隔离驱动模块与PWM发生模块的输出端连接。2.根据权利要求1所述的一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，其特征在于，所述图腾柱无桥PFC电路模块包括输入交流电源v
in
、高频功率MOS管Q1、高频功率MOS管Q2、整流功率MOS管Q3、整流功率MOS管Q4、升压电感L、输出滤波电容C和负载电阻R，其中：所述高频功率MOS管Q1的源极分别与高频功率MOS管Q2的漏极、升压电感L的一端连接，所述高频功率MOS管Q1的漏极分别与整流功率MOS管Q3的漏极、输出滤波电容C的正极、负载电阻R的一端连接，所述高频功率MOS管Q2的源极分别与整流功率MOS管Q4的源极、输出滤波电容C的负极、负载电阻R的另一端连接，所述整流功率MOS管Q3的源极分别与输入交流电源v
in
的一端、整流功率MOS管Q4的漏极连接，所述整流功率MOS管Q4的源极分别与高频功率MOS管Q2的源极、输出滤波电容C的负极、负载电阻R的另一端连接，所述升压电感L的另一端与输入交流电源v
in
的另一端连接；所述输入交流电源v
in
的两端还与输入电压采样模块的输入端连接，所述输出滤波电容的两端还与输出电压采样模块的输入端连接。3.根据权利要求1所述的一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，其特征在于，所述输入电压采样模块中连接顺序依次为第一隔离差分运放电路、第一滤波电路、第一跟随电路、第二滤波电路和第一限幅电路，其中：所述第一隔离差分运放电路的输入端与输入交流电源v
in
的两端连接，所述第一滤波电路的输入端与第一隔离差分运放电路的输出端连接，所述第一跟随电路的输入端与第一滤波电路的输出端连接，所述第二滤波电路的输入端与第一跟随电路的输出端连接，所述第一限幅电路的输入端与第二滤波电路的输出端连接；所述第一限幅电路的输出端还与微处理器控制模块的输入端连接。4.根据权利要求1所述的一种无电流采样的无桥PFC变换器系统，其特征在于，所述输入过零检测模块中连接顺序依次为线性模块电路、比较电路、第一电阻分压电路、第三滤波电路和第二限幅电路，其中：所述线性模块电路的输入端与5V直流电源连接，所述比较电路的输入端与线性模块电路的输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志忠，姚润峰，刘焕彬，卢智轩，谭乐彬，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：新型
国别省市：