改進(jìn)的單級(jí)功率因數(shù)校正AC/DC變換器的拓?fù)渚C述

摘要：?jiǎn)渭?jí)功率因數(shù)校正(簡(jiǎn)稱單級(jí)PFC)由于控制電路簡(jiǎn)單、成本低、功率密度高在中小功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。但是，單級(jí)PFC中存在一些問題，如儲(chǔ)能電容電壓隨輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，在輸入高壓或輕載時(shí)，電容電壓可能達(dá)到上千伏；變換器的效率低；開關(guān)損耗大等缺點(diǎn)。介紹了幾種改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以解決這些問題。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；AC/DC變換器；單級(jí)

1 概述

為了減小對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，國(guó)內(nèi)外都制訂了限制電流諧波的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如IEC1000-3-2）。因此，要求交流輸入電源必須采取措施降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。目前廣泛采用的有源功率因數(shù)校正方法有兩種，即兩級(jí)PFC和單級(jí)PFC。兩級(jí)PFC方案[1]如圖1所示，將PFC級(jí)輸出端與DC/DC變換器相串聯(lián)，兩級(jí)控制電路相互獨(dú)立。

圖1 兩級(jí)PFC方案圖

PFC級(jí)使輸入電流跟隨輸入電壓，使輸入電流正弦化，提高功率因數(shù)，減少諧波含量。后接的DC/DC級(jí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。由于采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，電路復(fù)雜，裝置費(fèi)用高，效率低。在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，兩級(jí)PFC很不適用。因此，研究單級(jí)PFC及變換技術(shù)成為電力電子領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要課題。

單級(jí)PFC[2][3]將PFC級(jí)和DC/DC級(jí)組合在一起共用一個(gè)開關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。它與兩級(jí)方案不同的是，控制電路只調(diào)節(jié)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，占空比恒定，因此，要求PFC級(jí)的電流能自動(dòng)跟隨輸入電壓，雖然，單級(jí)PFC變換器的輸入電流不是正弦波，PF值不如兩級(jí)方案高，但由于IEC100032只對(duì)電流諧波含量有要求，對(duì)PF值沒有嚴(yán)格的要求，單級(jí)PFC變換器的輸入電流諧波足以滿足IEC100032。而且由于采用單級(jí)結(jié)構(gòu)，電路簡(jiǎn)單，成本低，功率密度高。

因此，單級(jí)PFC變換器在小功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要對(duì)單級(jí)PFC的拓?fù)溥M(jìn)行了分析，指出了存在的問題，介紹了幾種改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以解決這些問題。

2 單級(jí)隔離式Boost PFC電路的分析及存在的問題

典型的單級(jí)隔離式Boost PFC電路如圖2所示，該拓?fù)涫怯缮龎盒蚉FC級(jí)和正激式DC/DC變換器組合而成。有源開關(guān)S為共享開關(guān)，C_B為緩沖電容。通過控制S的通斷，電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

圖2 典型的單級(jí)隔離式boost PFC電路

眾所周知，電流斷續(xù)模式（DCM）的Boost變換器，在固定占空比下電流自動(dòng)跟隨輸入電壓，因此，PFC級(jí)工作在DCM下可以得到較高的功率因數(shù)。但是，輸入和輸出電感電流的峰值較高，增加了有源開關(guān)的電流應(yīng)力和開關(guān)損耗；變換器的效率低；另外電路需要一個(gè)更大的EMI濾波器。如果要求減小開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力，那就需要PFC級(jí)工作在電流連續(xù)模式（CCM）下，同時(shí)可以提高整個(gè)變換器的效率并減小EMI。如在圖2的a和b之間加一電感L1，可以使PFC級(jí)工作在CCM下。對(duì)于DC/DC變換器而言，為了提高變換器的效率，一般工作在CCM下，因此，占空比不隨負(fù)載變化。當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，輸出功率減小，而PFC級(jí)輸入功率同重載時(shí)一樣，則充入儲(chǔ)能電容的容量大于從儲(chǔ)能電容抽走的能量，導(dǎo)致儲(chǔ)能電容電壓上升。為了保持輸出電壓一致，電壓反饋環(huán)調(diào)節(jié)輸出電壓，使占空比減小，輸入能量也相應(yīng)減小，這個(gè)動(dòng)態(tài)過程要到輸入和輸出功率平衡后才停止。負(fù)載減小帶來的后果是直流總線電壓明顯上升，也就是電容電壓明顯上升，甚至達(dá)到上千伏。

降低電容電壓通常有兩種方法：一種方法就是采用變頻控制[4]，可以使電容電壓低于450V，但是頻率變化范圍可能高達(dá)十倍，不利于磁性元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一種就是采用變壓器繞組實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋。如果PFC級(jí)和DC/DC變換器都工作在CCM下，輸出功率減小時(shí)，雖然占空比不變，但輸入功率也會(huì)相應(yīng)減小，抑制了儲(chǔ)能電容電壓的增加，它的效率是最高的，PF值有所降低，但是，很難找到一種拓?fù)渫耆ぷ髟贑CM下，設(shè)計(jì)上也相對(duì)復(fù)雜。串聯(lián)單級(jí)PFC變換器的功率流圖如圖3所示，從圖中可以看出，功率由輸入傳送到輸出，經(jīng)過了兩次變換，效率低。

圖3 串聯(lián)單級(jí)PFC變換器的功率流圖

因此，單級(jí)PFC變換器的主要問題是，在使輸入電流諧波滿足IEC1000-3-2和快速調(diào)節(jié)輸出電壓的同時(shí)，降低電容電壓和提高效率；另外單級(jí)PFC變換器工作在硬開關(guān)狀態(tài)時(shí)，開關(guān)器件承受的電壓、電流應(yīng)力高，因此，開關(guān)損耗很大。所以，人們提出了用變壓器繞組實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，用軟開關(guān)技術(shù)以及并聯(lián)PFC等方法來降低電容電壓，開關(guān)損耗和提高效率。下面介紹幾種改進(jìn)的拓?fù)湟越鉀Q這些問題。

3 幾種改進(jìn)的拓?fù)浣榻B

3.1 單級(jí)并聯(lián)PFC變換器[1][6][7]

如前所述，無論是單級(jí)還是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率都較低。為了提高變換器的效率，人們提出了并聯(lián)PFC方法。其基本思路如下：假設(shè)PF=1，PFC輸入功率與輸出功率關(guān)系如圖4所示，平均輸入功率P_in的68％（P₁）經(jīng)過一次功率變換到達(dá)負(fù)載，32％的剩余功率（P₂）為輸入與輸出功率在半個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)的差，經(jīng)過兩次功率變換到達(dá)負(fù)載[1]。圖5為該方法的功率流圖，P₂經(jīng)過兩次功率變換到達(dá)輸出，其余部分P₁經(jīng)過一次功率變換達(dá)到輸出，從而提高了電路效率，并且高于兩級(jí)和串聯(lián)單級(jí)變換器。

圖4 PFC輸入功率與輸出功率關(guān)系圖

圖5 單級(jí)并聯(lián)PFC方法的功率流圖