多相交叉升壓電路及其在有源功率因數(shù)校正技術(shù)中的應(yīng)用

在脈寬調(diào)制技術(shù)上發(fā)展起來的高頻變換技術(shù)大大提高了電能的變換效率；縮小了電力電子產(chǎn)品的體積；減輕了其重量；從而降低了能耗；節(jié)省了材料。但因為高頻脈寬調(diào)制變換技術(shù)大多采用電容濾波型整流電路（輸入電流受濾波電容的影響為脈沖狀態(tài)，如圖1所示），所以功率因數(shù)低、輸入電流諧波成分大，是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源，對電力系統(tǒng)造成很大危害[1]。隨著諸如開關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器、電機變頻調(diào)速裝置及家用電器等大量電力電子產(chǎn)品的應(yīng)用，電力系統(tǒng)出現(xiàn)了日趨嚴重的高次諧波電流污染問題[2]。另外大多數(shù)電力電子產(chǎn)品的功率因數(shù)低,這樣就給電網(wǎng)帶來額外的負擔(dān),造成零線發(fā)熱，影響供電質(zhì)量。同時還增加了用戶的電費[3]。

抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)所面臨的一個重大課題,正在受到越來越多的關(guān)注。功率因數(shù)的提高不僅可抑制電網(wǎng)諧波，同時還可以降低輸入電流及所消耗的功率，提高電網(wǎng)效率，改善電磁兼容性（emc）。世界上許多國家和國際組織都對電力電子產(chǎn)品的功率因數(shù)及諧波成分作了限制。其中較有影響的是iec555.2標準及iec1000.3.2標準[4]，[5]。我國也于1984年和1993年分別制定了限制諧波的規(guī)定和國家標準[6]。

為了使電力電子產(chǎn)品的功率因數(shù)及諧波成分滿足上述的規(guī)定和標準，可在整流橋和濾波電容之間加一級用于功率因數(shù)校正的功率變換電路，使輸入電流為正弦波，從而提高功率因數(shù)，這就是有源功率因數(shù)校正技術(shù)。在用于功率因數(shù)校正的功率變換電路中，最常采用的是升壓式電路。尤其是在小功率（幾十瓦至上千瓦）的電力電子產(chǎn)品中，采用升壓式的有源功率因數(shù)校正技術(shù)可使交流輸入電流與交流輸入電壓保持同相位，使功率因數(shù)接近于1[1]。但由于這種簡單的傳統(tǒng)升壓式電路為單端電路拓撲，一般只適用于對輸出功率為幾十瓦至1千瓦左右的小功率電力電子產(chǎn)品進行有源功率因數(shù)校正，應(yīng)用范圍受到很大的局限。盡管在諸如分布式通訊電源等一些產(chǎn)品中，可通過電源模塊的并聯(lián)來實現(xiàn)較大功率的輸出[7]。但必須對各并聯(lián)模塊進行較為復(fù)雜的均流控制，因此成本高，電路復(fù)雜。

本文所提出的多相交叉升壓電路是一種新的,已獲專利的多相升壓電路拓撲(專利申請?zhí)杗o.00257426＆00130365)。在有源功率因數(shù)校正技術(shù)中使用這種多相交叉升壓電路拓撲，只需對控制電路做很小的改變，就可將采用有源功率因數(shù)校正的電力電子產(chǎn)品的輸出功率擴展至2～3kw以上。多相交叉升壓式的有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有輸出功率大，電路簡單，成本低等優(yōu)點。這種新電路拓撲的采用大大擴展了有源功率因數(shù)校正技術(shù)在電力電子產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍。

2多相交叉升壓電路的幾種基本拓撲結(jié)構(gòu)

多相交叉升壓電路為多端電路拓撲，既可以做成雙端的推挽式（即二路交叉移相），也可以做成三端式（即三路交叉移相）以及四路，五路．．．．．．直至n路（n≥2，整數(shù)）。從實用的角度來看，2路將會得到較廣泛的應(yīng)用。

圖2為推挽式升壓電路拓撲。從圖2可看出，它與圖1所示的傳統(tǒng)的單端式升壓電路不同,推挽式升壓電路由兩路完全相同的單端升壓電路并聯(lián)組成。由兩組相位相差180°的驅(qū)動信號分別去驅(qū)動功率開關(guān)器件s1、s2，使兩路交叉導(dǎo)通。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的占空比，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。如采用同樣容量的功率開關(guān)器件，其輸出功率為單端式升壓電路的2倍。

圖3為雙路并聯(lián)推挽式升壓電路拓撲。由兩路推挽式升壓電路直接并聯(lián)，共用輸入整流電路和輸出電容。如采用同樣容量的功率開關(guān)器件，其輸出功率為單端式升壓電路的4倍。只要驅(qū)動容量足夠，可用同一組推挽的脈沖信號來驅(qū)動相應(yīng)的4只功率開關(guān)器件。

多相交叉升壓電路既可應(yīng)用于單相交流電源的有源功率因數(shù)校正，也可應(yīng)用于三相交流電源的有源功率因數(shù)校正。圖4為由3個單相推挽式升壓電路組成的三相推挽式升壓電路拓撲。

3多路交叉移相升壓電路的工作原理

推挽式升壓電路是最簡單，也是最基本的多路交叉移相式升壓電路。以下是對推挽式升壓開關(guān)電路工作原理的敘述。其它多路交叉移相式升壓電路拓撲結(jié)構(gòu)如雙路并聯(lián)推挽式升壓電路等可在此基礎(chǔ)上推出。

圖2所示的推挽式升壓開關(guān)電路可看作由兩路輸入端和輸出端并聯(lián)連接的單端式升壓子電路組成。這兩路單端式升壓子電路分別由功率開關(guān)器件s1、電感l(wèi)1、二極管vd1和功率開關(guān)器件s2、電感l(wèi)2、二極管vd2組成。圖5為推挽式升壓電路的各點波形圖。交流輸入u經(jīng)全波整流后的電壓ud加到推挽式升壓電路的輸入端。由有源功率因數(shù)校正控制驅(qū)動電路提供的兩組相位相差180°的驅(qū)動信號ugs1和ugs2分別驅(qū)動功率開關(guān)器件s1、s2，使兩路交叉導(dǎo)通。從圖5中可看出,與通常單端式升壓電路不同,推挽式升壓電路的輸出電壓是由兩個完全相同的波形相移180°疊加而成。其輸出功率可擴展為單端式升壓電路的2倍。

圖3所示的雙路并聯(lián)推挽式升壓電路由圖2所示的兩組推挽式升壓有源功率因數(shù)校正電路直接并聯(lián)組成。由兩組相位相差180°的驅(qū)動信號ugs1和ugs2分別去驅(qū)動雙路并聯(lián)的推挽式升壓電路中功率開關(guān)器件s1、s3和s2、s4，使雙路并聯(lián)推挽式升壓電路中功率開關(guān)器件s1和s3分別與s2和s4交叉導(dǎo)通。雙路并聯(lián)推挽式升壓電路的各點波形與推挽式升壓電路的基本相同。其輸出功率可擴展為單端式升壓電路的4倍。

圖4所示的三相有源功率因數(shù)校正電路拓撲中每一相所對應(yīng)的推挽式升壓電路的工作原理及相應(yīng)各點的波形與單相推挽式升壓電路的相同。

雙端推挽式升壓有源功率因數(shù)校正控制及驅(qū)動電路原理圖如圖6所示，由推挽式升壓主電路和有源功率因數(shù)校正控制驅(qū)動電路組成。圖中虛線框內(nèi)為推挽式升壓有源功率因數(shù)校正的專用控制電路，該電路由有源功率因數(shù)校正專用集成電路，分頻器及驅(qū)動器組成。功率因數(shù)校正控制電路可采用任意一種有源功率因數(shù)校正專用集成電路，例如uc3854、mc34261、ml4812、tda4814、cs3810等[3]，[8]。由有源功率因數(shù)校正專用集成電路輸出的脈寬調(diào)制信號經(jīng)分頻器給出兩組相位相差180°的脈沖信號，使驅(qū)動器提供兩組相位相差180°的驅(qū)動信號ugs1和ugs2分別驅(qū)動功率開關(guān)器件s1、s2，使兩路開關(guān)即兩路升壓電路交叉導(dǎo)通。

4主電路實驗結(jié)果的分析

實驗采用最簡單，最基本的多相交叉式升壓電路——雙端推挽升壓式的電路。實驗條件如下：

主電路功率開關(guān)器件采用ir的功率mosfetirfp460，耐壓500v，最大電流20a。對應(yīng)輸出功率1kw，由2個主功率開關(guān)器件交叉組成。2個電感分別為1mh，采用材料為r2kb的ee40磁芯，電感中流過的電流為4a。對應(yīng)輸出功率2kw的電路，2個主功率開關(guān)器件分別由4個irfp460并聯(lián)組成，2個電感分別為0.5mh，采用材料為r2kb的ee55磁芯，電感中流過的電流為8a。對應(yīng)輸出功率4kw的電路，2個主功率開關(guān)器件分別由8個irfp460并聯(lián)組成，2個電感分別為0.25mh，采用材料為r2kb的ee65b磁芯，電感中流過的電流為16a。每路的開關(guān)頻率為fs=100khz。

推挽升壓式電路的控制及驅(qū)動由pwm專用集成電路sg3525的兩路輸出經(jīng)射隨功放器來完成。圖7為雙端推挽升壓式控制及驅(qū)動實驗電路圖。

5結(jié)語

雙端推挽升壓式電路的實驗結(jié)果表明本電路適用于2～4kw電力電子產(chǎn)品的有源功率因數(shù)校正。具有成本低，控制電路簡單的優(yōu)點。同時減少了輸出直流電壓的脈動。是一種實用性很強的基本電路拓撲。