本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)換器，尤其涉及一種單相降升壓AC-DC式轉(zhuǎn)換器及其控制方法。

背景技術(shù)：

升壓式交流至直流轉(zhuǎn)換器是最常用來做切換式電源的前級電路（如圖1所示），用以提供調(diào)整輸入功率因數(shù)(PFC)的功能，使電路具備高功率因數(shù)及輸入電流低失真度。然而升壓式交流至直流轉(zhuǎn)換器啟動時輸入電壓會直接對輸出端的大電容充電，造成較大的涌浪電流(Inrush current)，其次輸出電壓必須高于輸入電壓的峰值，而對于需要適應(yīng)全球通用輸入電壓(universal AC voltage)的應(yīng)用要求，在低輸入電壓下，電路升壓比高，效率較差。為克服此問題業(yè)內(nèi)采用如圖2所示的降升壓式轉(zhuǎn)換器，此電路在啟動時輸入電壓不會直接對輸出電容充電，無涌浪電流問題，其次電路可以升降壓，適合全球通用輸入電壓的應(yīng)用要求；然而此電路與傳統(tǒng)升壓式電路相比具備較多組件，普遍認(rèn)為其效率較差，其次電感亦非位于輸入側(cè)，難以直接控制此電流達到使輸入電流為正弦波及低失真之目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決現(xiàn)有技術(shù)中涌浪電流較大、效率較差、組件較多等缺陷，提出一種單相降升壓式AC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是設(shè)計一種單相降升壓式AC-DC轉(zhuǎn)換器，包括依次連接的二極管整流器和降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路，降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路中包括連接二極管整流器輸出正極的降壓模塊開關(guān)和連接二極管整流器輸出負極的升壓模式開關(guān)，其還包括：輸入電壓感測電路，連接在二極管整流器的輸出端，用以感測輸入電壓信號；輸入電流感測電路，連接在二極管整流器的輸出回路中，并通過低通濾波器后感測輸入電流信號；輸出電壓感測電路，連接本轉(zhuǎn)換器的輸出端，用以感測輸出電壓；總控制器，根據(jù)感測的輸入電壓信號、輸入電流信號和輸出電壓信號確定轉(zhuǎn)換器工作于降壓模式、或升壓模式、或降升壓模式，分別控制第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路；第一脈沖寬度調(diào)制電路，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述降壓模塊開關(guān)僅在降壓及降升壓模式下切換、在升壓模式下完全導(dǎo)通；第二脈沖寬度調(diào)制電路，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述升壓模式開關(guān)僅在升壓及降升壓模式下切換、在降壓模式下完全截止；在降升壓模式下，降壓模塊開關(guān)和升壓模式開關(guān)不會同時導(dǎo)通截止。上述總控制器將輸出電壓感測電路感測到的輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓命令做比較，兩者的誤差值經(jīng)由電壓控制器調(diào)整后得到誤差調(diào)整信號，該誤差調(diào)整信號再與所述輸入電壓信號相乘再除以乘了調(diào)整系數(shù)的輸入電壓信號的平方值，得到輸入電流控制命令，輸入電流控制命令減去所述輸入電流信號后經(jīng)電流誤差放大器調(diào)整后得到PWM控制電壓信號，該PWM控制電壓信號同時輸送給第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路的同相輸入端。上述第一脈沖寬度調(diào)制電路的反相輸入端接一固定鋸齒波，所述第二脈沖寬度調(diào)制電路的反相輸入端接一直流量可偏移鋸齒波，該直流量可偏移鋸齒波為固定鋸齒波與一直流偏移量的和，所述直流偏移量包含預(yù)設(shè)的固定值偏移量和浮動值偏移量，所述浮動值偏移量由所述誤差調(diào)整信號乘上一增益K所獲得。

本發(fā)明還設(shè)計了一種單相降升壓式AC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法，包括依次連接二極管整流器和降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路，降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路中包括連接二極管整流器輸出正極的降壓模塊開關(guān)和連接二極管整流器輸出負極的升壓模式開關(guān)，其包括：用輸入電壓感測電路連接在二極管整流器的輸出端，以感測輸入電壓信號；用輸入電流感測電路連接在二極管整流器的輸出回路中，并通過低通濾波器后感測輸入電流信號；用輸出電壓感測電路連接本轉(zhuǎn)換器的輸出端，以感測輸出電壓；總控制器根據(jù)感測的輸入電壓信號、輸入電流信號和輸出電壓信號確定轉(zhuǎn)換器工作于降壓模式、或升壓模式、或降升壓模式，分別控制第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路；第一脈沖寬度調(diào)制電路，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述降壓模塊開關(guān)僅在降壓及降升壓模式下切換、在升壓模式下完全導(dǎo)通；第二脈沖寬度調(diào)制電路，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述升壓模式開關(guān)僅在升壓及降升壓模式下切換、在降壓模式下完全截止；在降升壓模式下，降壓模塊開關(guān)和升壓模式開關(guān)不會同時導(dǎo)通截止。上述總控制器將輸出電壓感測電路感測到的輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓命令做比較，兩者的誤差值經(jīng)由電壓控制器調(diào)整后得到誤差調(diào)整信號，該誤差調(diào)整信號再與所述輸入電壓信號相乘再除以乘了調(diào)整系數(shù)的輸入電壓信號的平方值，得到輸入電流控制命令，輸入電流控制命令減去所述輸入電流信號后經(jīng)電流誤差放大器調(diào)整后得到PWM控制電壓信號，該PWM控制電壓信號同時輸送給第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路的同相輸入端。上述第一脈沖寬度調(diào)制電路的反相輸入端接一固定鋸齒波，所述第二脈沖寬度調(diào)制電路的反相輸入端接一直流量可偏移鋸齒波，該直流量可偏移鋸齒波為固定鋸齒波與一直流偏移量的和，所述直流偏移量包含預(yù)設(shè)的固定值偏移量和浮動值偏移量，所述浮動值偏移量由所述誤差調(diào)整信號乘上一增益K所獲得。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以根據(jù)輸入電壓及負載大小改變其工作模式，在降升壓模式、升壓模式和降升壓模式這三種工作模式中切換，具有減小涌浪電流、提高轉(zhuǎn)換效率、降低開關(guān)的導(dǎo)通損與切換損的優(yōu)點，輸入電壓范圍寬，電壓回路的響應(yīng)不會隨輸入電壓的改變而改變，在全電壓范圍均為維持良好的動態(tài)響應(yīng)，并同時達到高功因數(shù)和良好的電壓調(diào)整率之目的。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有升壓式交流至直流轉(zhuǎn)換器主電路圖；

圖2為現(xiàn)有降升壓式交流至直流轉(zhuǎn)換器主電路圖；

圖3為本發(fā)明較佳實施例的電路圖；

圖4為轉(zhuǎn)換器工作模式與開關(guān)切換波形對照圖；

圖5為軟件模擬圖3的驗證圖；

圖6為電路啟動時輸入電流與輸出電壓對應(yīng)波形圖；

圖7為在降壓模式下的工作波形圖；

圖8為在升壓模式下的工作波形圖；

圖9為開關(guān)的觸發(fā)信號與輸出電壓波形對照圖；

圖10為在230Vac輸入電壓及300W滿載下的響應(yīng)波形圖；

圖11為在230Vac輸入電壓及60W輕載下的響應(yīng)圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明揭示了一種單相降升壓式AC-DC轉(zhuǎn)換器，參看圖3，其包括從交流電壓開始依次連接的EMI濾波器二極管整流器和降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路。其中降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路中包括連接二極管整流器輸出正極的降壓模塊開關(guān)Q1和連接二極管整流器輸出負極的升壓模式開關(guān)Q2。轉(zhuǎn)換器還包括輸入電壓感測電路，其連接在二極管整流器的正極輸出端，經(jīng)過電壓感測比K_v的變換得到輸入電壓信號K_vV_in；還包括輸入電流感測電路，其連接在二極管整流器的輸出回路負極母線中，并通過低通濾波器后感測輸入電流信號K_sI_in（圖中I_s=K_sI_in）；還包括輸出電壓感測電路，其連接本轉(zhuǎn)換器的輸出端，用以感測輸出電壓；還包括總控制器，其根據(jù)感測的輸入電壓信號K_vV_in、輸入電流信號K_sI_in和輸出電壓信號確定轉(zhuǎn)換器工作于降壓模式、或升壓模式、或降升壓模式。這三種模式的選擇，是由總控制器分別控制第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路（PWM1、PWM2），進而控制降壓模塊開關(guān)Q1和升壓模式開關(guān)Q2的組合切換來實現(xiàn)的。第一脈沖寬度調(diào)制電路PWM1，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述降壓模塊開關(guān)Q1僅在降壓及降升壓模式下切換、在升壓模式下完全導(dǎo)通；第二脈沖寬度調(diào)制電路PWM2，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述升壓模式開關(guān)Q2僅在升壓及降升壓模式下切換、在降壓模式下完全截止；在降升壓模式下，降壓模塊開關(guān)和升壓模式開關(guān)不會同時導(dǎo)通截止。

參看圖3，在較佳實施例中，所述總控制器將輸出電壓感測電路感測到的輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓命令V_d^*做比較（預(yù)設(shè)電壓命令值減去輸出電壓值），兩者的誤差值經(jīng)由電壓控制器G_v調(diào)整后得到誤差調(diào)整信號V_ea，該誤差調(diào)整信號V_ea再與所述輸入電壓信號K_vV_in相乘再除以K₁(K_vV_in)²得到輸入電流控制命令I_s^*，其中K₁(K_vV_in)²為輸入電壓信號的平方值乘了調(diào)整系數(shù)K₁，輸入電流控制命令I_s^*減去所述輸入電流信號K_sI_in后經(jīng)電流誤差放大器G_CA調(diào)整后得到PWM控制電壓信號V_con，該PWM控制電壓信號V_con同時輸送給第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路（PWM1、PWM2）的同相輸入端。需要指出感測的輸入電流經(jīng)過低通濾波器的目的是要求得輸入的平均電流，此平均電流經(jīng)過電流誤差放大器（G_CA）、PWM1、PWM2后形成一個電流反饋控制回路，使得其可以緊密追隨輸入電流控制命令I_s^*，則輸入電流必為與輸入電壓同相的正弦波，達到控制輸入功率因數(shù)及低電流失真之目的。

為了降低導(dǎo)通損及切換損以提升效率，本轉(zhuǎn)換器設(shè)置了三種工作模式。參看圖4，其中在輸入電壓波形|Vs|遠低于輸出電壓Vd時操作于升壓模式，在輸入電壓波形|Vs|于輸出電壓Vd附近的灰色電壓地帶則操作于降升壓模式，在輸入電壓波形|Vs|遠高于輸出電壓Vd時操作于降壓模式。此工作模式可以獲得較佳效率原因在于：(1)降壓模塊開關(guān)Q1僅在降壓及降升壓模式下切換，升壓模式下其為完全導(dǎo)通可降低切換損。(2)升壓模式開關(guān)Q2僅在升壓及降升壓模式下切換，降壓模式下其為完全截止可降低切換及導(dǎo)通損。(3)在降升壓模式下，開關(guān)Q1及Q2不會同時導(dǎo)通截止如同傳統(tǒng)升降式轉(zhuǎn)換器能量需完全儲存于電感在轉(zhuǎn)換，而是降壓及升壓交互動作，降低電感儲能需求以及電流，降低鐵損及導(dǎo)通損，提升電路效率。

為了在三種工作模式之間自動切換，兩個脈沖寬度調(diào)制電路采用不同的鋸齒波。參看圖3，所述第一脈沖寬度調(diào)制電路PWM1的反相輸入端接一固定鋸齒波V_t1（V_t1由鋸齒波發(fā)生器自動生成），所述第二脈沖寬度調(diào)制電路PWM2的反相輸入端接一直流量可偏移鋸齒波V_t2。該直流量可偏移鋸齒波V_t2為固定鋸齒波V_t1與一直流偏移量V_os的和。所述直流偏移量V_os包含預(yù)設(shè)的固定值偏移量V_os1（V_os1用來設(shè)定在最輕載時升降壓模式的下限）和浮動值偏移量V_os2（其用以設(shè)定降升壓模式的范圍）。所述浮動值偏移量Vos2由所述誤差調(diào)整信號Vea乘上一增益K所獲得，在輕載或高輸入電壓時Vos2為較低值，反之在重載或低輸入電壓時Vos2為較高值。當(dāng)Vos2為較低值，Vt1與Vt2波形大小重迭區(qū)域較小，亦即降壓模式的范圍越大，開關(guān)Q2的切換次數(shù)越低，隨工作點改變自動降低切換損。

為了更清楚說明上述電路的工作，圖5以軟件建立一300W、輸出210Vdc的系統(tǒng)，主電路及控制電路均依據(jù)上述原理建立。圖6所示為電路啟動時輸入電流與輸出電壓對應(yīng)波形圖，其顯示輸出電壓能夠由零電壓線性上升至設(shè)定的輸出電壓。感測的輸入電流均能緊密追隨其電流命令，因此交流的輸入電流為低失真的正弦波。圖7及圖8分別顯示在降壓及升壓模式下的工作波形，二個PWM脈沖寬度調(diào)制電路的鋸齒波Vt1及Vt2亦可以清楚由此二圖得知，而產(chǎn)生開關(guān)的觸發(fā)信號如圖9所示，確實可達成圖4所示的方式降低開關(guān)的切換次數(shù)及導(dǎo)通損。最終的輸出波形如圖10及圖11所示，無論是在重載或輕載均能獲得高功率因數(shù)與低失真電流。

本發(fā)明還揭示了單相降升壓式AC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法，包括依次連接二極管整流器和降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路，降升壓式轉(zhuǎn)換器主電路中包括連接二極管整流器輸出正極的降壓模塊開關(guān)Q1和連接二極管整流器輸出負極的升壓模式開關(guān)Q2，其還包括：用輸入電壓感測電路連接在二極管整流器的輸出端，以感測輸入電壓信號K_vV_in；用輸入電流感測電路連接在二極管整流器的輸出回路中，并通過低通濾波器后感測輸入電流信號K_sI_in；用輸出電壓感測電路連接本轉(zhuǎn)換器的輸出端，以感測輸出電壓；總控制器根據(jù)感測的輸入電壓信號K_vV_in、輸入電流信號K_sI_in和輸出電壓信號確定轉(zhuǎn)換器工作于降壓模式、或升壓模式、或降升壓模式，分別控制第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路（PWM1、PWM2）；第一脈沖寬度調(diào)制電路PWM1，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述降壓模塊開關(guān)Q1僅在降壓及降升壓模式下切換、在升壓模式下完全導(dǎo)通；第二脈沖寬度調(diào)制電路PWM2，在總控制器的控制下發(fā)出PWM切換信號，使所述升壓模式開關(guān)Q2僅在升壓及降升壓模式下切換、在降壓模式下完全截止；在降升壓模式下，降壓模塊開關(guān)和升壓模式開關(guān)不會同時導(dǎo)通截止。

參看圖3，在較佳實施例中，上述總控制器將輸出電壓感測電路感測到的輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓命令V_d^*做比較（預(yù)設(shè)電壓命令值減去輸出電壓值），兩者的誤差值經(jīng)由電壓控制器G_v調(diào)整后得到誤差調(diào)整信號V_ea，該誤差調(diào)整信號V_ea再與所述輸入電壓信號K_vV_in相乘再除以乘了調(diào)整系數(shù)K₁的輸入電壓信號的平方值K₁(K_vV_in)²，得到輸入電流控制命令I_s^*，輸入電流控制命令I_s^*減去所述輸入電流信號K_sI_in后經(jīng)電流誤差放大器G_CA調(diào)整后得到PWM控制電壓信號V_con，該PWM控制電壓信號V_con同時輸送給第一和第二脈沖寬度調(diào)制電路（PWM1、PWM2）的同相輸入端。需要指出感測的輸入電流經(jīng)過低通濾波器的目的是要求得輸入的平均電流，此平均電流經(jīng)過電流誤差放大器（G_CA）、PWM1、PWM2后形成一個電流反饋控制回路，使得其可以緊密追隨輸入電流控制命令I_s^*，則輸入電流必為與輸入電壓同相的正弦波，達到控制輸入功率因數(shù)及低電流失真之目的。

為了降低導(dǎo)通損及切換損以提升效率，本轉(zhuǎn)換器設(shè)置了三種工作模式。參看圖4，其中在輸入電壓波形|Vs|遠低于輸出電壓Vd時操作于升壓模式，在輸入電壓波形|Vs|于輸出電壓Vd附近的灰色電壓地帶則操作于降升壓模式，在輸入電壓波形|Vs|遠高于輸出電壓Vd時操作于降壓模式。此工作模式可以獲得較佳效率原因在于：(1)降壓模塊開關(guān)Q1僅在降壓及降升壓模式下切換，升壓模式下其為完全導(dǎo)通可降低切換損。(2)升壓模式開關(guān)Q2僅在升壓及降升壓模式下切換，降壓模式下其為完全截止可降低切換及導(dǎo)通損。(3)在降升壓模式下，開關(guān)Q1及Q2不會同時導(dǎo)通截止如同傳統(tǒng)升降式轉(zhuǎn)換器能量需完全儲存于電感在轉(zhuǎn)換，而是降壓及升壓交互動作，降低電感儲能需求以及電流，降低鐵損及導(dǎo)通損，提升電路效率。

為了在三種工作模式之間自動切換，兩個脈沖寬度調(diào)制電路采用不同的鋸齒波。參看圖3，所述第一脈沖寬度調(diào)制電路PWM1的反相輸入端接一固定鋸齒波V_t1（V_t1由鋸齒波發(fā)生器自動生成），所述第二脈沖寬度調(diào)制電路PWM2的反相輸入端接一直流量可偏移鋸齒波V_t2。該直流量可偏移鋸齒波V_t2為固定鋸齒波V_t1與一直流偏移量V_os的和。所述直流偏移量V_os包含預(yù)設(shè)的固定值偏移量V_os1（V_os1用來設(shè)定在最輕載時升降壓模式的下限）和浮動值偏移量V_os2（其用以設(shè)定降升壓模式的范圍），所述浮動值偏移量Vos2由所述誤差調(diào)整信號Vea乘上一增益K所獲得，在輕載或高輸入電壓時Vos2為較低值，反之在重載或低輸入電壓時Vos2為較高值。當(dāng)Vos2為較低值，Vt1與Vt2波形大小重迭區(qū)域較小，亦即降壓模式的范圍越大，開關(guān)Q2的切換次數(shù)越低，隨工作點改變自動降低切換損。

為了更清楚說明上述電路的工作，圖5以軟件建立一300W、輸出210Vdc的系統(tǒng)，主電路及控制電路均依據(jù)上述原理建立。圖6所示為電路啟動時輸入電流與輸出電壓對應(yīng)波形圖，其顯示輸出電壓能夠由零電壓線性上升至設(shè)定的輸出電壓。感測的輸入電流均能緊密追隨其電流命令，因此交流的輸入電流為低失真的正弦波。圖7及圖8分別顯示在降壓及升壓模式下的工作波形，二個PWM脈沖寬度調(diào)制電路的鋸齒波Vt1及Vt2亦可以清楚由此二圖得知，而產(chǎn)生開關(guān)的觸發(fā)信號如圖9所示，確實可達成圖4所示的方式降低開關(guān)的切換次數(shù)及導(dǎo)通損。最終的輸出波形如圖10及圖11所示，無論是在重載或輕載均能獲得高功率因數(shù)與低失真電流。

以上實施例僅為舉例說明，非起限制作用。任何未脫離本申請精神與范疇，而對其進行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于本申請的權(quán)利要求范圍之中。