[發明專利]單相有源功率因數校正變換器無源器件的體積優化方法

有效

• 申請號: 202111471325.4
• 申請日: 2021-12-04
• 公開（公告）號: CN114204793B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 徐恒山;莫汝喬;李文昊;王燦;馬輝
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: H02M1/42
• 分類號: H02M1/42;H02M3/335;H02M7/00
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

1.單相有源功率因數校正變換器無源器件的體積優化方法，其特征在于，方法包括:

采用解析法計算和分析單相有源功率因數校正變換器中無源器件的體積與開關頻率和紋波電流之間的關系，進而對紋波電流和開關頻率進行優化分析，實現對單相有源功率因數校正變換器中無源器件體積的優化；

所述的單相有源功率因數校正變換器中的電感器件體積優化中，以開關頻率和紋波電流為自變量，基于電感器件作為儲能器件時其儲存的能量與紋波電流和開關頻率之間的數學關系，通過面積乘積法計算紋波電流和開關頻率與電感器件體積的解析表達式；

所述的單相有源功率因數校正變換器中的電容器件體積優化中，基于經驗公式計算電容器件體積與紋波電流的解析關系，進而計算和分析單相有源功率因數校正變換器電容器件體積與紋波電流之間的關系；

所述的單相有源功率因數校正變換器總體積優化中，以紋波電流為自變量，單相有源功率因數校正變換器中無源器件的總體積對紋波電流進行求導，令其導數等于0，求解出單相有源功率因數校正變換器在體積最優情況下的紋波電流；

所述的單相有源功率因數校正變換器的每個無源器件的體積優化中，考慮每個無源器件的體積限制，對單相有源功率因數校正變換器的每個無源器件的體積進行校驗，判據為“電感器件的最大磁通密度不超過實際磁性器件的最大允許磁通密度，電容器件的紋波不能超過最大允許紋波”，在滿足上述所有條件的前提下，得到單相有源功率因數校正變換器無源器件的體積的最終優化結果。

2.根據權利要求1所述的單相有源功率因數校正變換器無源器件的體積優化方法，其特征在于，所述的單相有源功率因數校正變換器為單相Boost有源功率因數校正變換器，其電路拓撲結構為：

單相電源U_in與整流器D_rec輸入端連接，整流器D_rec輸出端正極通過升壓電感L_b和二極管D與負載R₀一端連接，負載R₀另一端與整流器D_rec輸出端負極連接，升壓電感L_b和二極管D之間與控制開關Q一端連接,控制開關Q另一端與整流器D_rec輸出端負極連接，負載R₀并聯有電容C₀；

其升壓電感儲存的能量E可表示為：

式中，電感電流I_L＝I_L.avg+0.5△I，I_L.avg表示升壓電感電流的平均值，升壓電感L_b可由開關頻率f_s和紋波電流△I確定，即：

式中，U_{in_min}表示最小輸入電壓，D_max表示當輸入電壓等于U_{in_min}時對應的最大占空比，可以由公式(3)求得：

其中U_o表示單相Boost有源功率因數校正變換器的輸出電壓，進一步地，將公式(2)代入公式(1)中，得到升壓電感儲存的能量E與f_s和△I的關系，即：

對于定制電感設計，使用面積乘積法選擇磁芯，即AP法，其中AP值的單位是cm⁴，對其開0.75次方再乘上與磁芯結構有關的系數k_c，得到其體積的近似表達式，此時電感體積V_L與開關頻率f_s和紋波電流△I之間便有以下的函數關系，即：

式中，B_m表示磁芯的最大磁通密度，J_c表示導線的電流密度，k_u表示磁芯的窗口填充系數；

將公式(4)代入到公式(5)，得到電感體積V_L與開關頻率f_s和紋波電流△I的表達式為：