電源：一種高功率因數(shù)反激AC/DC變換器

摘要：本文簡要分析了電力電子設(shè)備功率因數(shù)低的主要原因;提出了一種高頻電荷泵功率因數(shù)校正 AC/DC變換器，詳細(xì)論述了該電路的工作原理，對電路的驅(qū)動芯片TDA16846進(jìn)行了簡單的介紹;最后對該變換器電路進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：該電路的功率因數(shù)高、諧波含量小，能滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-3-2的要求，是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良的變換器。

敘詞：電力電子;功率因數(shù)校正;電荷泵;電源

Abstract：The reasons of low power factor in the electronic and power equipments are simply analyzed in this paper. A high frequency charge pump power-factor-correction(PFC) AC/DC converter is proposed. The principle of the circuit are discussed. The chip of TDA16846 was simply introduced. The simulation and experimental results show that unity power factor and low THD can be achieved, which proves that the performance of the converter is excellent.

Keyword：electronics Power;Power-Factor-Correction;charge pump;

一. 引言

近二十年來電力電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到電力、冶金化工、煤炭、通訊、家電等領(lǐng)域。然而隨著電力電子裝置的日益普及，電力電子裝置把大量的諧波注入電網(wǎng)，給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。這個問題引起了社會的廣泛關(guān)注，提出了一系列的諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 555-2、IEEE 519、IEC 1000-3-2等，對電力電子和電氣設(shè)備的電流諧波進(jìn)行限制[1]。

導(dǎo)致電力電子裝置諧波增大和功率因數(shù)降低的主要原因是裝置常采用了整流和大電容濾波電路，只有當(dāng)電源電壓高于濾波電容電壓時，整流二極管才能導(dǎo)通，因此網(wǎng)側(cè)輸入電流為高充電尖峰的脈沖波，如圖1中Im所示，因而造成網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量大，功率因數(shù)低。如果在整流二極管和大濾波電容之間加一個PFC電路，如方塊圖2所示。該電路在輸入電壓過零點(diǎn)時，輸出達(dá)到最大值，在輸入電壓達(dá)到峰值時，輸出最小值;而電流

為一整流的正弦波形，其輸出特性如圖3所示(

是電網(wǎng)經(jīng)橋式整流電路獲得的正弦雙半波電壓，

是PFC電路的輸出電壓)。這樣就可以改善網(wǎng)側(cè)輸入電流波形，使其如圖1中Imp的波形所示，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。

圖1 PFC校正前后的電流波形

常用的功率因數(shù)校正采用兩級方案。第一級是PFC級，通常采用Boost變換器，PFC級強(qiáng)迫線電流跟隨線電壓，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù);第二級是功率變換器，對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。該方案可以實(shí)現(xiàn)高性能功率因數(shù)和快速輸出電壓調(diào)節(jié)功能，并且相對成熟，適用于各種功率應(yīng)用，但是該電路的缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元器件多、成本高、效率低。為了克服這些缺點(diǎn)，近些年來提出了單級功率因數(shù)校正方案。PFC級和第二級共用一個開關(guān)管，這樣就可以減少開關(guān)管和控制電路的數(shù)量，降低了電路成本，減小了重量和體積，也提高了效率。

圖2 PFC變換器方塊圖

圖3　PFC電路的特性

本文提出一種高頻電荷泵電路和反激變換器相結(jié)合的PFC電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制方便，能有效地消除諧波，在中小功率電力電子設(shè)備中有很廣闊的應(yīng)用前景。

二.高頻電荷泵電路的提出及電路工作原理

經(jīng)過理論考察和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2 ]，諧振電路具有類似圖3的輸出特性。在本電路設(shè)計(jì)中，利用由電感

、電容

和二極管

構(gòu)成的電荷泵電路實(shí)現(xiàn)圖2中的PFC電路功能，后級的功率變換器采用反激變換器，兩級共用一個開關(guān)管，電路如圖4所示。由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入整流電壓

和母線電壓

的頻率，所以在每個開關(guān)周期內(nèi)，

和

的值可視為常數(shù)[3]。電路工作電壓和電流波形如圖5所示，電路的工作過程可分為6個模態(tài)，圖6是各模態(tài)的等效電路圖。電路具體分析如下：

圖4 單級單開關(guān)基本模型

圖5電路的各點(diǎn)電壓和電流的波形

模態(tài)1

在

時刻，開關(guān)S導(dǎo)通，直流母線電壓

加到變壓器的原邊，原變電感電流

線性上升。由于m點(diǎn)電壓

小于

，二極管

不能導(dǎo)通，

、

形成串聯(lián)諧振從電網(wǎng)吸收能量，其等效電路如圖6(a)所示。到

時刻，電壓

達(dá)到

，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)2

當(dāng)電壓

上升到

，二極管

自然導(dǎo)通，電感

存儲的能量存儲到大電容

中。由于整流輸入電壓

小于

，電流

逐漸下降。在此模態(tài)中，由于

被鉗位于

，電容

中無能量變化。等效電路如圖6(b)所示。

模態(tài)3

在

時刻，電流

和輸入電流之差給電容

放電并反相充電，

的電壓

逐漸下降。當(dāng)變壓器副邊整流二極管

導(dǎo)通，即

時刻，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4

在

時刻，

導(dǎo)通，等效電路如圖6(d)所示，變壓器向負(fù)載傳送能量，電流

逐漸下降。同時，電感

繼續(xù)向大電容

轉(zhuǎn)移能量。當(dāng)電流下降到零，此模態(tài)結(jié)束。

圖6各模態(tài)等效電路