【技术实现步骤摘要】
一种高功率因数软开关无桥Buck
‑
Boost PFC变换器及调制方法
[0001]本专利技术涉及电力电子电路技术，具体涉及一种高功率因数软开关无桥
Buck
‑
Boost PFC
变换器及调制方法
。
技术介绍
[0002]近年来，为了减小电力电子设备对电网的谐波污染，一些国家和国际学术团体提出了一系列的电流谐波要求和标准
。
为满足谐波要求和标准，交流输入的电力电子变换器需要采用功率因数校正技术来提高用电设备的功率因数，从而降低电网谐波含量，确保电网安全可靠运行
。
[0003]传统的
PFC
变换器通常是
Boost
型
PFC
变换器，其输出电压过高，在大多数场合中，需要级联
DC
‑
DC
变换器来实现降压功能，这会增加硬件成本和控制难度
。
不同于
Boost
型
PFC
变换器，四开关
Buck
‑
Boost PFC
变换器可实现宽范围的电压输出，其在交流侧使用二极管整流桥将工频正弦交流电整流为单向脉动的直流电压，但由于二极管的导通压降较大，变换器输出功率较大时，流经二极管整流桥的电流会产生较大导通损耗，影响变换器的效率
。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种高功率因数软开关无桥
Buck
‑<...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种高功率因数软开关无桥
Buck
‑
Boost PFC
变换器，其特征在于，包括八个开关管
Q1～
Q8、
能量传输电感
L
和输出滤波电容
C
o
，第一开关管
Q1的源极与第二开关管
Q2的漏极相连，第三开关管
Q3的漏极与第四开关管
Q4的源极相连，第二开关管
Q2的源极与第三开关管
Q3的源极相连，第五开关管
Q5的漏极与第六开关管
Q6的漏极相连，第五开关管
Q5的源极与第一开关管
Q1的源极
、
第二开关管
Q2的漏极相连，第六开关管
Q6的源极与第三开关管
Q3的漏极
、
第四开关管
Q4的源极相连，第一开关管
Q1的漏极连接到交流输入电压的一端，定义为
a
端，第四开关管
Q4的漏极连接到交流输入电压的另一端，定义为
b
端，第七开关管
Q7的源极与第八开关管
Q8的漏极相连，能量传输电感
L
的一端与第五开关管
Q5的漏极
、
第六开关管
Q6的漏极相连，能量传输电感
L
的另一端与第七开关管
Q7的源极
、
第八开关管
Q8的漏极相连，第八开关管
Q8的源极与第二开关管
Q2的源极
、
第三开关管
Q3的源极相连，第七开关管
Q7的漏极连接输出滤波电容
C
o
的正端，第八开关管
Q8的源极连接输出滤波电容
C
o
的负端
。2.
根据权利要求1所述的高功率因数软开关无桥
Buck
‑
Boost PFC
变换器，其特征在于，变换器中的所有开关管都由一个单向开关管和二极管反向并联组成
。3.
根据权利要求2所述的高功率因数软开关无桥
Buck
‑
Boost PFC
变换器，其特征在于，所述单向开关管是三极管
、IGBT
或者
MOSFET
，当所述单向开关管为三极管或
IGBT
时，单向开关管的源极对应三极管或者
IGBT
的发射极，单向开关管的漏极对应三极管或者
IGBT
的集电极，二极管的阴极与单向开关管的漏极相连，二极管的阳极与单向开关管的源极相连；当所述单向开关管为
MOSFET
时，单向开关管的源极对应
MOSFET
的源极，单向开关管的漏极对应
MOSFET
的漏极，二极管为
MOSFET
的体二极管
。4.
一种用于权利要求1‑3任一项所述的高功率因数软开关无桥
Buck
‑
Boost PFC
变换器的调制方法，其特征在于，具体如下：当交流输入电压
v
in
>0
时，即变换器
a
端电压大于
b
端电压时，第一开关管
Q1和第二开关管
Q2的驱动信号互补且留有死区时间，第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5始终开通，第六开关管
Q6始终关断，第七开关管
Q7和第八开关管
Q8的驱动信号互补且留有死区时间；当交流输入电压
v
in
<0
时，即变换器
a
端电压小于
b
端电压时，第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2和第六开关管
Q6始终开通，第三开关管
Q3和第四开关管
Q4的驱动信号互补且留有死区时间，第五开关管
Q5始终关断，第七开关管
Q7和第八开关管
Q8的驱动信号互补且留有死区时间
。5.
根据权利要求4所述的高功率因数软开关无桥
Buck
‑
Boost PFC
变换器的调制方法，其特征在于，执行调制策略一，具体如下：定义能量传输电感
L
的电流以
|v
in
|/L
斜率变化的时间为
T1、
电感电流以
(|v
in
|
‑
V
o
)/L
斜率变化的时间为
T2、
电感电流以
‑
V
o
/L
斜率变化的时间为
T3、
电感电流保持不变的时间为
T4、
死区时间长度为
t
dead
、
能够实现所有开关管零电压开通的最小电感电流的绝对值为
I
ZVS
，其中
T4＝
T
s
‑
T1‑
T2‑
T3，将
T1>0、T2>0、T3>0、T4>0
的工作模式命名为伪四边形断续导通模式，将
T1>0、T2>0、T3>0、T4＝0的工作模式命名为伪四边形临界导通模式；定义一个开关周期的起始时刻为
t0，
t0时刻经过
(T1‑
t
dead
)
时间长度后的时刻为
t1，
t1时刻经过
t
dead
时间长度后的时刻为
t2，
t2时刻经过
(T2‑
t
dead
)
时间长度后的时刻为
t3，
t3时刻经过
t
dead
时间长度后的时刻为
t4，
t4时刻经过
(T3‑
t
dead
)
时间长度后的时刻为
t5，
t5时刻经过
t
dead
时间长度后的时刻为
t6，
t6时刻经过
(T4‑
t
dead
)
时间长度后的时刻为
t7，
t7时刻经过
t
dead
时间长度后的时刻为
t8；
(
一
)
当
v
in
>0
时，变换器在一个开关周期内包括以下工作阶段：
(1a)
工作阶段一：在开关周期起始时刻
t0之前，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第八开关管
Q8的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的关断状态；到
t0时刻，第一开关管
Q1的结电容电压
v
ds_Q1
被放电到0，第二开关管
Q2的结电容电压
v
ds_Q2
被充电到
v
in
；此时，控制第一开关管
Q1开通，实现第一开关管
Q1的零电压开通，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第八开关管
Q8的开通状态，维持第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
线性上升；
(1b)
工作阶段二：在
t1时刻，控制第八开关管
Q8关断，维持第一开关管
Q1、
第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
给第七开关管
Q7的结电容放电，同时给第八开关管
Q8的结电容充电；到
t2时刻，第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被放电到0，第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被充电到
V
o
；
(1c)
工作阶段三：在
t2时刻，控制第七开关管
Q7开通，实现第七开关管
Q7的零电压开通，维持第一开关管
Q1、
第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，在该工作阶段，如果
v
in
>V
o
，电感电流
i
L
线性上升；如果
v
in
<V
o
，电感电流
i
L
线性下降；
(1d)
工作阶段四：在
t3时刻，控制第一开关管
Q1关断，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第七开关管
Q7的开通状态，维持第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
给第一开关管
Q1的结电容充电，同时给第二开关管
Q2的结电容放电；到
t4时刻，第一开关管
Q1的结电容电压
v
ds_Q1
被充电到
v
in
，第二开关管
Q2的结电容电压
v
ds_Q2
被放电到0；
(1e)
工作阶段五：在
t4时刻，控制第二开关管
Q2开通，实现第二开关管
Q2的零电压开通，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第七开关管
Q7的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
线性下降；
(1f)
工作阶段六：在
t5时刻，控制第七开关管
Q7关断，维持第二开关管
Q2、
第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
给第七开关管
Q7的结电容充电，同时给第八开关管
Q8的结电容放电；到
t6时刻，第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被充电到
V
o
，第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被放电到0；
(1g)
工作阶段七：在
t6时刻，控制第八开关管
Q8开通，实现第八开关管
Q8的零电压开通，维持第二开关管
Q2、
第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
保持不变；
(1h)
工作阶段八：在
t7时刻，控制第二开关管
Q2关断，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和
第八开关管
Q8的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
给第一开关管
Q1的结电容放电，同时给第二开关管
Q2的结电容充电；到
t8时刻，第一开关管
Q1的结电容电压
v
ds_Q1
被放电到0，第二开关管
Q2的结电容电压
v
ds_Q2
被充电到
v
in
；
(
二
)
当
v
in
<0
时，变换器在一个开关周期内包括以下工作阶段：
(1i)
工作阶段一：在开关周期起始时刻
t0之前，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的开通状态，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第七开关管
Q7的关断状态；到
t0时刻，第三开关管
Q3的结电容电压
v
ds_Q3
被充电到
‑
v
in
，第四开关管
Q4的结电容电压
v
ds_Q4
被放电到0；此时，控制第四开关管
Q4开通，实现第四开关管
Q4的零电压开通，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的开通状态，维持第三开关管
Q3、
第五开关管
Q5和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
线性上升；
(1j)
工作阶段二：在
t1时刻，控制第八开关管
Q8关断，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第四开关管
Q4和第六开关管
Q6的开通状态，维持第三开关管
Q3、
第五开关管
Q5和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
给第七开关管
Q7的结电容放电，同时给第八开关管
Q8的结电容充电；到
t2时刻，第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被放电到0，第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被充电到
V
o
；
(1k)
工作阶段三：在
t2时刻，控制第七开关管
Q7开通，实现第七开关管
Q7的零电压开通，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第四开关管
Q4和第六开关管
Q6的开通状态，维持第三开关管
Q3、
第五开关管
Q5和第八开关管
Q8的关断状态，在本工作阶段，如果
‑
v
in
>V
o
，电感电流
i
L
线性上升；如果
‑
v
in
<V
o
，电感电流
i
L
线性下降；
(11)
工作阶段四：在
t3时刻，控制第四开关管
Q4关断，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的开通状态，维持第三开关管
Q3、
第五开关管
Q5和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
给第三开关管
Q3的结电容放电，同时给第四开关管
Q4的结电容充电；到
t4时刻，第三开关管
Q3的结电容电压
v
ds_Q3
被放电到0，第四开关管
Q4的结电容电压
v
ds_Q4
被充电到
‑
v
in
；
(1m)
工作阶段五：在
t4时刻，控制第三开关管
Q3开通，实现第三开关管
Q3的零电压开通，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的开通状态，维持第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
线性下降；
(1n)
工作阶段六：在
t5时刻，控制第七开关管
Q7关断，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第三开关管
Q3和第六开关管
Q6的开通状态，维持第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
给第七开关管
Q7的结电容充电，同时给第八开关管
Q8的结电容放电；到
t6时刻，控制第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被充电到
V
o
，第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被放电到0；
(1o)
工作阶段七：在
t6时刻，控制第八开关管
Q8开通，实现第八开关管
Q8的零电压开通，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第三开关管
Q3和第六开关管
Q6的开通状态，维持第四开关管
Q4、
第五开关
管
Q5和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
保持不变；
(1p)
工作阶段八：在
t7时刻，控制第三开关管
Q3关断，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的开通状态，维持第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
给第三开关管
Q3的结电容充电，同时给第四开关管
Q4的结电容放电；到
t8时刻，第三开关管
Q3的结电容电压
v
ds_Q3
被充电到
‑
v
in
，第四开关管
Q4的结电容电压
v
ds_Q4
被放电到0；伪四边形断续导通模式下，确定
T1、T2、T3、T4的具体原则为：
1)
在一个开关周期内电感电压对时间的积分为零；
2)
控制
t0时刻的电感电流
i
L
＝
‑
I
zvs
，以确保
v
in
>0
时第一开关管
Q1实现零电压开通以及
v
in
<0
时第四开关管
Q4实现零电压开通，并且控制
v
in
>0
时在一个开关周期内流经第一开关管
Q1的电流平均值等于工频交流输入电流的基准
i
in
以及
v
in
<0
时在一个开关周期内流经第四开关管
Q4的电流平均值等于工频交流输入电流的基准
i
in
；
3)
当
|v
in
|<V
o
时，控制
t3时刻的电感电流
i
L
＝
I
zvs
，以确保
v
in
>0
时第二开关管
Q2实现零电压开通以及
v
in
<0
时第三开关管
Q3实现零电压开通，当
|v
in
|>V
o
时，控制
t1时刻的电感电流
i
L
＝
I
zvs
，以确保第七开关管
Q7实现零电压开通；
4)T1、T2、T3、T4的和为开关周期
T
s
；伪四边形临界导通模式下，确定
T1、T2、T3的具体原则为：
1)
在一个开关周期内电感电压对时间的积分为零；
2)
控制
t0时刻的电感电流
i
L
＝
‑
I
zvs
，以确保
v
in
>0
时第一开关管
Q1实现零电压开通以及
v
in
<0
时第四开关管
Q4实现零电压开通，并且控制
v
in
>0
时在一个开关周期内流经第一开关管
Q1的电流平均值等于工频交流输入电流的基准
i
in
以及
v
in
<0
时在一个开关周期内流经第四开关管
Q4的电流平均值等于工频交流输入电流的基准
i
in
；
3)T1、T2、T3的和为开关周期
T
s
。6.
根据权利要求4所述的高功率因数软开关无桥
Buck
‑
Boost PFC
变换器的调制方法，其特征在于，执行调制策略二，具体如下：变换器工作在调制策略二下的前提条件是
|v
in
|>V
o
，定义能量传输电感
L
的电流以
|v
in
|/L
斜率变化的时间为
T1、
电感电流以
(|v
in
|
‑
V
o
)/L
斜率变化的时间为
T2、
电感电流以
‑
V
o
/L
斜率变化的时间为
T3、
电感电流保持不变的时间为
T4、
死区时间长度为
t
dead
、
能够实现所有开关管零电压开通的最小电感电流的绝对值为
I
ZVS
，其中
T1＝
0、T4＝
T
s
‑
T1‑
T2‑
T3，将变换器工作在调制策略二下的模式命名为伪三角形断续导通模式一；定义一个开关周期的起始时刻为
t0，
t0时刻经过
(T2‑
t
dead
)
时间长度后的时刻为
t1，
t1时刻经过
t
dead
时间长度后的时刻为
t2，
t2时刻经过
(T3‑
t
dead
)
时间长度后的时刻为
t3，
t3时刻经过
t
dead
时间长度后的时刻为
t4，
t4时刻经过
(T4‑
t
dead
)
时间长度后的时刻为
t5，
t5时刻经过
t
dead
时间长度后的时刻为
t6；
(
一
)
当
v
in
>0
时，变换器在一个开关周期内包括以下工作阶段：
(2a)
工作阶段一：在开关周期起始时刻
t0之前，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6、
第七开关管
Q7和第八开关管
Q8的关
断状态；到
t0时刻，第一开关管
Q1的结电容电压
v
ds_Q1
和第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被先后或同时放电到0，第二开关管
Q2的结电容电压
v
ds_Q2
和第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被先后或同时分别充电到
v
in
和
V
o
；此时，控制第一开关管
Q1和第七开关管
Q7开通，实现第一开关管
Q1和第七开关管
Q7的零电压开通，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
线性上升；
(2b)
工作阶段二：在
t1时刻，控制第一开关管
Q1关断，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第五开关管
Q7的开通状态，维持第二开关管
Q2、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
给第一开关管
Q1的结电容充电，同时给第二开关管
Q2的结电容放电；到
t2时刻，第一开关管
Q1的结电容电压
v
ds_Q1
被充电到
v
in
，第二开关管
Q2的结电容电压
v
ds_Q2
被放电到0；
(2c)
工作阶段三：在
t2时刻，控制第二开关管
Q2开通，实现第二开关管
Q2的零电压开通；维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5和第七开关管
Q7的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
线性下降；
(2d)
工作阶段四：在
t3时刻，控制第七开关管
Q7关断，维持第二开关管
Q2、
第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
给第七开关管
Q7的结电容充电，同时给第八开关管
Q8的结电容放电；到
t4时刻，第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被充电到
V
o
，第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被放电到0；
(2e)
工作阶段五：在
t4时刻，控制第八开关管
Q8开通，实现第八开关管
Q8的零电压开通，维持第二开关管
Q2、
第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
保持不变；
(2f)
工作阶段六：在
t5时刻，控制第二开关管
Q2和第八开关管
Q8关断，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4和第五开关管
Q5的开通状态，维持第一开关管
Q1、
第六开关管
Q6和第七开关管
Q7的关断状态，电感电流
i
L
给第一开关管
Q1和第七开关管
Q7的结电容放电，同时给第二开关管
Q2和第八开关管
Q8的结电容充电；到
t6时刻，第一开关管
Q1的结电容电压
v
ds_Q1
和第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被先后或同时放电到0，第二开关管
Q2的结电容电压
v
ds_Q2
和第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被先后或同时分别充电到
v
in
和
V
o
；
(
二
)
当
v
in
<0
时，变换器在一个开关周期内包括以下工作阶段：
(2g)
工作阶段一：在开关周期起始时刻
t0之前，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2和第六开关管
Q6的开通状态，维持第三开关管
Q3、
第四开关管
Q4、
第五开关管
Q5、
第七开关管
Q7和第八开关管
Q8的关断状态；到
t0时刻，第三开关管
Q3的结电容电压
v
ds_Q3
和第八开关管
Q8的结电容电压
v
ds_Q8
被先后或同时分别充电到
‑
v
in
和
V
o
，第四开关管
Q4的结电容电压
v
ds_Q4
和第七开关管
Q7的结电容电压
v
ds_Q7
被先后或同时放电到0；此时，控制第四开关管
Q4和第七开关管
Q7开通，实现第四开关管
Q4和第七开关管
Q7的零电压开通，维持第一开关管
Q1、
第二开关管
Q2和第六开关管
Q6的开通状态，维持第三开关管
Q3、
第五开关管
Q5和第八开关管
Q8的关断状态，电感电流
i
L
线性上升；
...
【专利技术属性】
技术研发人员：顾玲，吴亚星，金志宇，阮新波，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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