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专利号: 2022104826636
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种双电感无桥Boost PFC电路,其特征在于,包括主拓扑结构电路、双闭环控制回路、第一逻辑电路、第二逻辑电路;

其中,主拓扑结构电路包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电解电容C1、负载RLoad;

第一电感L1一端与交流电源相连接,另一端与第一开关管Q1的源极相连接,第一开关管Q1的源极同时与第二开关管Q2的漏极相连接,第一开关管Q1的漏极分别与第三开关管Q3的漏极、第一电解电容C1的正极、第一电阻R1的一端、负载RLoad的一端相连接;第二开关管Q2的源极分别与第四开关管Q4的源极、第一电解电容C1的负极、第二电阻R2的一端、负载RLoad的另一端相连接;第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的另一端相连接,第三开关管Q3的源极与第四开关管Q4的漏极相连接,第二电感L2一端与交流电源相连接,另一端分别与第三开关管Q3的源极、第四开关管Q4的漏极相连接;

双闭环控制回路包括比较器、三角载波模块、电流环PI控制器、电压环PI控制器、参考电压源、第一绝对值电路、第二绝对值电路;

交流电源的输入电压采样输入第一绝对值电路的输入端,第一绝对值电路的输出端与电流环PI控制器输入端相连接,交流电源的输入电流采样输入第二绝对值电路的输入端,第二绝对值电路的输出端与电流环PI控制器输入端相连接,参考电压源与电压环PI控制器输入端相连接,电压环PI控制器输入端同时与第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端相连接,并向电压环PI控制器输出电压采样,电压环PI控制器输出端与电流环PI控制器输入端相连接,电流环PI控制器输出端与比较器反相输入端相连接,三角载波模块与比较器同相输入端相连接,比较器输出端输出信号为PMW0;

第一逻辑电路包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第一输出端、第二输出端;第二逻辑电路包括输入端、第一输出端、第二输出端,交流电源的输入电压采样输入第二逻辑电路的输入端,第二逻辑电路的第一输出端输出信号为PMW3,且第二逻辑电路的第一输出端通过驱动模块与第三开关管Q3的栅极相连接,第二逻辑电路的第二输出端输出信号为PMW4,且第二逻辑电路的第二输出端通过驱动模块与第四开关管Q4的栅极相连接;第二逻辑电路的第一输出端同时与第一逻辑电路的第一输入端相连接,向第一逻辑电路的第一输入端输出PMW3信号,第二逻辑电路的第二输出端同时与第一逻辑电路的第二输入端相连接,向第一逻辑电路的第二输入端输出PMW4信号;比较器的输出端与第一逻辑电路的第三输入端相连接,比较器向第一逻辑电路的第三输入端输出PMW0信号,第一逻辑电路的第一输出端通过驱动模块与第一开关管Q1的栅极相连接,第一逻辑电路的第一输出端输出信号为PMW1,第一逻辑电路的第二输出端通过驱动模块与第二开关管Q2的栅极相连接,第一逻辑电路的第一输出端输出信号为PMW2。

2.根据权利要求1所述的一种双电感无桥Boost PFC电路,其特征在于,第一逻辑电路包括第一与门AND1、第二与门AND2、第三与门AND3、第四与门AND4、第一或门OR1、第二或门OR2、第一非门NOT1、第二非门NOT2;

第一与门AND1的第一输入端作为第一逻辑电路的第一输入端,第一与门AND1的第二输入端、第四与门AND4的第一输入端作为第一逻辑电路的第三输入端,第一或门OR1的输出端作为第一逻辑电路的第一输出端,第二或门OR2的输出端作为第一逻辑电路的第二输出端;

第一与门AND1的第一输入端输入PWM3信号,该第一输入端同时与第三与门AND3的第一输入端相连接,第一与门AND1的第二输入端输入PWM0信号,该第二输入端同时与第四与门AND4的第一输入端相连接,第一与门AND1的输出端与第一或门OR1的第一输入端相连接,第四与门AND4的第一输入端输入PWM0信号,第四与门AND4的第二输入端输入PWM4信号,该第二输入端同时与第二与门AND2的第一输入端相连接,第四与门AND4的输出端与第二或门OR2的第一输入端相连接,第一或门OR1的输出端输出PWM1信号,第一或门OR1的输出端同时与第一非门NOT1的输入端相连接,第一非门NOT1的输出端与第三与门AND3的第二输入端相连接,第一或门OR1的第二输入端与第二与门AND2的输出端相连接,第二与门AND2的第二输入端与第二非门NOT2的输出端相连接,第二非门NOT2的输入端与第二或门OR2的输出端相连接,第二或门OR2的输出端输出PWM2信号,第二或门OR2的第二输入端与第三与门AND3的输出端相连接。

3.根据权利要求2所述的一种双电感无桥Boost PFC电路,其特征在于,第二逻辑电路包括第一比较器U1A、第二比较器U1B、第一运算放大器U1C、第二运算放大器U1D、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6;其中,第一运算放大器U1C与第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5构成同相比例放大器,第二运算放大器U1D与第六电阻R6构成电压跟随器;

第五电阻R5的一端作为第二逻辑电路的输入端,第一比较器U1A的输出端作为第二逻辑电路的第一输出端,第二比较器U1B的输出端作为第二逻辑电路的第二输出端;

其中,第三电阻R3的一端接地,另一端与第二运算放大器U1D的反相输入端、第四电阻R4的一端相连接,第四电阻R4的另一端与第二运算放大器U1D的输出端相连接,交流电源的输入电压采样输入第五电阻R5的一端,第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U1D的同相输入端相连接,第六电阻R6的一端与第二运算放大器U1D的输出端相连接,第六电阻R6的另一端与第一运算放大器U1C的同相输入端相连接,第一运算放大器U1C的反相输入端与第一运算放大器U1C的输出端相连接,第一比较器U1A的反相输入端与第一运算放大器U1C的输出端相连接,第一比较器U1A的同相输入端输入死区参考电压‑Vth,第一比较器U1A的输出端输出PWM3信号,第二比较器U1B的同相输入端与第一运算放大器U1C的输出端相连接,第二比较器U1B的反相输入端输入死区参考电压Vth,第二比较器U1B的输出端输出PWM4信号。

4.一种基于双电感无桥Boost PFC电路的控制方法,其特征在于,基于权利要求1‑3任意一项所述的一种双电感无桥Boost PFC电路,执行如下步骤S1‑步骤S5,完成对输入电压的整流、升压、以及功率因数校正:S1:针对双电感无桥Boost PFC电路的输入电压、输入电流、输出电压进行采样;

S2:基于平均电流控制策略,搭建双闭环控制回路,使得输入电流波形对输入电压波形进行跟随;

S3:基于S2的控制策略,双闭环控制回路针对输入电压、输入电流以及输出电压的采样值,通过电流环PI控制器、电压环PI控制器的调节,获得信号PWM0;

S4:根据输入电压的幅值、频率、取样比例、以及死区参考电压,设置第三开关管Q3、第四开关管Q4的死区时间;

S5:输入电压经过第二逻辑电路运算处理,获得信号PWM3、信号PWM4,信号PWM3、信号PWM4分别控制第三开关管Q3、第四开关管Q4的导通关断,控制信号PWM3、控制信号PWM4、控制信号PWM0经过第一逻辑电路运算处理,获得控制信号PWM1、控制信号PWM2,控制信号PWM1、控制信号PWM2分别控制第一开关管Q1、第二开关管Q2的导通关断;

基于主拓扑结构电路、双闭环控制回路、第一逻辑电路、第二逻辑电路,完成对输入电压的整流、升压、以及功率因数校正。

5.根据权利要求4所述的一种基于双电感无桥Boost PFC电路的控制方法,其特征在于,步骤S4中根据输入电压的幅值、频率、取样比例、以及死区参考电压,设置第三开关管Q3、第四开关管Q4的死区时间Tth如下式:式中,V为输入电压的取样比例,f为交流输入电压的频率,Um为输入电压的幅值,R3为第三电阻R3的阻值,R4为第四电阻R4的阻值。

6.根据权利要求5所述的一种基于双电感无桥Boost PFC电路的控制方法,其特征在于,步骤S5中第二逻辑电路的运算处理过程如下:

A:输入电压依次经过同相比例放大器、电压跟随器处理,经过处理的电压同时输入至第一比较器U1A的反相输入端、第二比较器U2A的同相输入端,死区参考电压‑Vth输入至第一比较器U1A的同相输入端,死区参考电压Vth输入至第二比较器U1B的反相输入端,第一比较器U1A、第二比较器U1B分别输出信号PWM3、信号PWM4,信号PWM3、信号PWM4的表达式如下式:式中,V为输入电压的取样比例,Um为输入电压的幅值,w为角频率,t为时间,R3为第三电阻R3的阻值,R4为第四电阻R4的阻值;

B:输入电压处于正半周时,信号PWM3为低电平,信号PWM4为高电平,第四开关管Q4导通,第三开关管Q3关断,第二开关管Q2导通,第一电感L1、第二电感L2两端承受1/2·Vin正向压降,其中Vin为输入电压,第一电感L1、第二电感L2储存能量,电感电流线性增大,第一电解电容C1向负载RLoad传递能量,直至第二开关管Q2关断,电感电流上升至峰值;

C:输入电压处于负半周时,信号PWM3为高电平,信号PWM4为低电平,第四开关管Q4关断,第三开关管Q3导通,第一开关管Q1导通,第一电感L1、第二电感L2两端承受1/2·Vin正向压降,第一电感L1、第二电感L2储存能量,电感电流线性增大,第一电解电容C1向负载RLoad传递能量,直至第一开关管Q1关断,电感电流上升至峰值。

7.根据权利要求6所述的一种基于双电感无桥Boost PFC电路的控制方法,其特征在于,步骤S5中第一逻辑电路的运算处理过程如下:

A:信号PWM3、信号PWM4、信号PWM0输入至第一逻辑电路,经过第一逻辑电路运算处理,获得信号PWM1、信号PWM2表达式如下式:

B:输入电压处于正半周时,信号PWM3为低电平,信号PWM4为高电平,第一与门AND1和第三与门AND3的输出为低电平,信号PMW2控制信号PMW1的电平变化,且信号PMW2与信号PMW1电平状态相反;第二开关管Q2关断后,第一开关管Q1导通,电感电流通过第一开关管Q1续流,第一电感L1、第二电感L2两端承受1/2·(Vin‑Vo)反向压降,其中Vo为输出电压,第一电感L1、第二电感L2向负载RLoad传递能量,电感电流线性减小;

C:输入电压处于负半周时,信号PWM3为高电平,信号PWM4为低电平,第二与门AND2和第四与门AND4的输出为低电平,信号PMW1控制信号PMW2的电平变化,且信号PMW1与信号PMW2电平状态相反;第一开关管Q1关断后,第二开关管Q2导通,电感电流通过第二开关管Q2续流,第一电感L1、第二电感L2两端承受1/2·(Vin‑Vo)反向压降,第一电感L1、第二电感L2向负载RLoad传递能量,电感电流线性减小。