一種基于三電平的單級PFC電路設(shè)計

O 引言
目前，帶有功率因數(shù)校正功能的開關(guān)變換器通常分為兩級結(jié)構(gòu)和單級結(jié)構(gòu)兩種。兩級結(jié)構(gòu)電路具有良好的性能，但是元器件個數(shù)較多，與沒有PFC功能的電路相比成本會增加。而單級PFC變換器中PFC級和DC／DC級共用開關(guān)管，只有一套控制電路，同時可實現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的調(diào)節(jié)。但是，單級PFC電路上實際存在著一個非常嚴重的問題：即當負載變輕、達到臨界連續(xù)狀態(tài)時，多余的輸入能量將對中間儲能電容充電。這一過程會使中間儲能電容兩端的電壓達到一個很高的值。這樣，在電路中，對于90-265 V的交流電網(wǎng)，該電壓會達到甚至超過1000 V。就目前的電容技術(shù)和功率器件技術(shù)而言，這么高的電壓都是不實際的。因此，降低母線電容電壓、適應(yīng)寬電壓輸入場合和負載變化，已經(jīng)成為單級功率因數(shù)校正技術(shù)的熱點。
本文研究了適用于大功率單相單級變換器的電路拓撲及其控制方式，提出了單級功率因數(shù)校正AC／DC變換器的設(shè)計方案。該PFC變換器基于一種三電平LCC諧振變換器拓撲，整個變換器由boost功率因數(shù)調(diào)節(jié)器和三電平諧振變換器組成，多電平諧振變換器可把開關(guān)管關(guān)斷時的壓降限制在二分之一直流母線電壓。同時，該變換器在寬負載變化范圍內(nèi)，還能夠穩(wěn)定地調(diào)節(jié)輸出電壓，并獲得穩(wěn)定的直流母線電壓。其變換器的控制方式由兩個控制環(huán)路實現(xiàn)，其中輸出電壓通過控制直流變換器的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)；直流母線電壓則通過控制boost調(diào)節(jié)器的占空比來調(diào)節(jié)。

1 電路拓撲及工作原理
本文給出的三電平單級PFC的電路拓撲如圖1所示。圖中，變換器輸入boost電感同下方一對開關(guān)管直接相連，DC-DC部分由三電平LCC諧振電路構(gòu)成。Boost電感可工作在CCM或DCM模式下。中間儲能電容Cb1和Cb2的容量相等，故可在電路穩(wěn)定工作狀態(tài)下均分輸入直流電壓，并與箝位二極管Dc1和Dc2一起來降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。電路中開關(guān)管的工作時序如圖2所示。

在分析變換器的工作模式前，可先做如下假設(shè)：
(1)所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件；
(2)電容Cb1和Cb2足夠大且相等，其電壓都為Vbus／2；
(3)輸出濾波電容Co足夠大，其電壓為Vo。