改进的单级功率因数校正AC/DC

北极星电力网技术频道作者:佚名 2007/12/27 19:00:05

关键词: 变压器功率因数 DC

改进的单级功率因数校正AC/DC变换器的拓扑综述

梁奇峰，黄少先

(华南理工大学电力学院雅达电源实验室，广东广州510640)
　　摘　要：单级功率因数校正(简称单级PFC)由于控制电路简单、成本低、功率密度高在中小功率场合得到了广泛的应用。但是，单级PFC中存在一些问题，如储能电容电压随输入电压和负载的变化而变化，在输入高压或轻载时，电容电压可能达到上千伏；变换器的效率低；开关损耗大等缺点。介绍了几种改进的拓扑结构以解决这些问题。
　　关键词：功率因数校正；AC/DC变换器；单级
SurveyonTopologyofImprovedAC/DCConverterswithSinglestagePowerFactorCorrection

LIANGQi－feng,HUANGShao－xian

(ASTECLabSouthChinaUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510640China)
　　Abstract:Thesinglestagepowerfactorcorrection(SSPFC)iswidelyusedinmediumandsmallpowerfieldbecauseofitssimplecontrol,lowcostandhighpowerdensity.ButtherearesomeproblemsintheSSPFC,forexample,theenergystoragecapacitorvoltagevarieswiththeinputvoltageandload,thecapacitorvoltageislikelytoamountto1000voltsatthehighinputvoltageorlightload,theconverterhaslowefficiencyandhigherswitchingloss.Severalimprovedtopologiesareintroducedtosolvetheseproblems.
　　Keywords:powerfactorcorrection;AC/DCconverter;singlestage
1　概述
　　为了减小对交流电网的谐波污染，国内外都制订了限制电流谐波的有关标准(如IEC1000－3－2)。因此，要求交流输入电源必须采取措施降低电流谐波含量，提高功率因数。目前广泛采用的有源功率因数校正方法有两种，即两级PFC和单级PFC。两级PFC方案^[1]如图1所示，将PFC级输出端与DC/DC变换器相串联，两级控制电路相互独立。　
　　PFC级使输入电流跟随输入电压，使输入电流正弦化，提高功率因数，减少谐波含量。后接的DC/DC级实现输出电压的快速调节。由于采用两级结构，电路复杂，装置费用高，效率低。在小功率应用场合，两级PFC很不适用。因此，研究单级PFC及变换技术成为电力电子领域中的一项重要课题。
　　单级PFC^[2][3]将PFC级和DC/DC级组合在一起共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。它与两级方案不同的是，控制电路只调节输出电压，保证输出电压的稳定，在稳态时，占空比恒定，因此，要求PFC级的电流能自动跟随输入电压，虽然，单级PFC变换器的输入电流不是正弦波，PF值不如两级方案高，但由于IEC1000－3－2只对电流谐波含量有要求，对PF值没有严格的要求，单级PFC变换器的输入电流谐波足以满足IEC1000－3－2。而且由于采用单级结构，电路简单，成本低，功率密度高。
　　因此，单级PFC变换器在小功率场合得到了广泛的应用。本文主要对单级PFC的拓扑进行了分析，指出了存在的问题，介绍了几种改进的拓扑结构以解决这些问题。
2　单级隔离式BoostPFC电路的分析及存在的问题
　　典型的单级隔离式BoostPFC电路如图2所示，该拓扑是由升压型PFC级和正激式DC/DC变换器组合而成。有源开关S为共享开关，C_B为缓冲电容。通过控制S的通断，电路同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。　　众所周知，电流断续模式(DCM)的Boost变换器，在固定占空比下电流自动跟随输入电压，因此，PFC级工作在DCM下可以得到较高的功率因数。但是，输入和输出电感电流的峰值较高，增加了有源开关的电流应力和开关损耗；变换器的效率低；另外电路需要一个更大的EMI滤波器CCM)下，同时可以提高整个变换器的效率并减小EMI。如在图2的a和b之间加一电感L₁，可以使。如果要求减小开关器件的电压、电流应力，那就需要PFC级工作在电流连续模式(PFC级工作在CCM下。对于DC/DC变换器而言，为了提高变换器的效率，一般工作在CCM下，因此，占空比不随负载变化。当负载变轻时，输出功率减小，而PFC级输入功率同重载时一样，则充入储能电容的容量大于从储能电容抽走的能量，导致储能电容电压上升。为了保持输出电压一致，电压反馈环调节输出电压，使占空比减小，输入能量也相应减小，这个动态过程要到输入和输出功率平衡后才停止。负载减小带来的后果是直流总线电压明显上升，也就是电容电压明显上升，甚至达到上千伏。
　　降低电容电压通常有两种方法：一种方法就是采用变频控制^[4]，可以使电容电压低于450V，但是频率变化范围可能高达十倍，不利于磁性元件的优化设计；另一种就是采用变压器绕组实现负反馈。如果PFC级和DC/DC变换器都工作在CCM下，输出功率减小时，虽然占空比不变，但输入功率也会相应减小，抑制了储能电容电压的增加，它的效率是最高的，PF值有所降低，但是，很难找到一种拓扑完全工作在CCM下，设计上也相对复杂。串联单级PFC变换器的功率流图如图3所示，从图中可以看出，功率由输入传送到输出，经过了两次变换，效率低。　　因此，单级PFC变换器的主要问题是，在使输入电流谐波满足IEC1000－3－2和快速调节输出电压的同时，降低电容电压和提高效率；另外单级PFC变换器工作在硬开关状态时，开关器件承[1][2][3][4]下一页

来源：中国电力资料网

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