一種具有恒功率控制的單級功率因數(shù)校正電路

1、一種具有恒功率控制的單級功率因數(shù)校正電路楊永兵，趙軍，錢照明（浙江大學(xué)，浙江杭州 310027 ）摘要： 提出了一種具有恒功率控制的單級功率因數(shù)校正電路。該電路功率因數(shù)校正級工作在電流斷續(xù)模式，具有較低的總諧波畸變和較高的功率因數(shù)。該電路的直接能量傳遞方式降低了直流母線電壓并且提高了電 路的效率。采用恒功率控制方式使得電路具有良好的輸出特性。并通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了電路的可行 性。關(guān)鍵詞：變換器；單級功率因數(shù)校正；恒功率控制0 引言近年來，功率因數(shù)校正（PFC技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的兩級PFC電路的主要缺點(diǎn)是成本高以及控制電路復(fù)雜。單級功率因數(shù)校正（SSPFC變換器1234，將PFC

2、級和DC/DC級結(jié)合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC變換器在負(fù)載變輕時(shí)存在直流母線電壓過高的問題。文獻(xiàn)2采用反饋線圈雖然降低了直流母線電壓，但卻減小了線電流的導(dǎo)通角，從而增加了總諧波畸變（THD）。為了解決上述問題，確保在負(fù)載變化時(shí)降低直流母線電壓和減少 THD本文提出了一種具有恒功率 控制的SSPFC變換器。能量直接傳遞方式使得該電路在沒有減小線電流導(dǎo)通角的情況下降低了直流母線電 壓。恒功率控制使得變換器的輸出在輸出電壓高的時(shí)候可以看成電壓源，在輸出電壓低的時(shí)候可以看成電 流源，并且當(dāng)輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化的時(shí)候，輸出功率近似恒定。1電路工作原理單級功率因數(shù)校正電路的原理圖如圖 1

3、所示。它實(shí)際上是由一個(gè) Boost 變換器和一個(gè) flyback 變換 器組合而成的。Boost變換器工作在DCM模式，在占空比和頻率恒定的情況下可以達(dá)到功率因數(shù)校正的目 的。flyback變換器可以工作在 DCM或 CCM模式。6l>.圖1單級功率因數(shù)校正變換器原理圖為了分析方便，假定整流電壓在一個(gè)開關(guān)周期中為定值，電容CB足夠大使得電壓 VB基本恒定，flyback變壓器視為理想變壓器，在原邊并聯(lián)勵(lì)磁電感 Lm，flyback變換器工作在CCM模式。則該電路有3 種工作模式如圖2所示，主要工作波形如圖 3所示。(a)工作模式1( t。 ti)(b)工作模式2 (ti t2)(C)工作

4、模式3 ( t2 - t3)圖2工作模式圖3電路主要工作波形由于 flyback工作模式1( to- tl )to時(shí)刻開關(guān)S導(dǎo)通，直流母線電壓VB加在勵(lì)磁電感Lm上變換器工作在CCM莫式，則電流i m線性上升可表示為%implp(t to) + i m(t o)( 1 )而電感Lb工作在DCM模式，電流iLb由零線性上升，其表達(dá)式為%i Lb= '+ ( t t o)( 2 )開關(guān)S上流過的電流可表示為i sw=i Lb + i m(3)由于二級管D反向偏置，所以線圈 N和N上沒有電流流過。工作模式2(t 1 t 2)開關(guān)S在ti時(shí)刻關(guān)斷，二極管 D正向偏置，勵(lì)磁電感 Lm上的電壓為n

5、V（其中n=N/2），則電流"線性下降可表示為(4)開關(guān)S上的漏源電壓 "s為VB+nV,電感Lb上的電流iLb流過線圈N和電容CB線性下降，其表達(dá)式(5)i Lb=I+(t 11) + i Lb( 11)因此，原邊線圈M和副邊線圈2上流過的電流可分別表示為i p=i Lb+ i m(6)i s=ni p=n( i Lb + i »(7)由式（7）可以看出副邊電流由兩部分組成，負(fù)載不但從勵(lì)磁電感Lm上獲取能量而且直接從電感 Lb上獲取能量，這就意味著一部分能量可以不經(jīng)過儲(chǔ)能電容G而直接傳遞給負(fù)載，因此，大大提高了效率并且降低了直流母線電壓。工作模式3 （ t2 t

6、3）t2時(shí)刻電流iLb下降到零，二極管 Db反向偏置，勵(lì)磁電流繼續(xù)以斜率nVo/Lm線性下降直到t3時(shí)刻開關(guān)S再次導(dǎo)通。此時(shí)原邊線圈 M和副邊線圈N上的電流可分別表示為：i p=i m(8)i s=nip=ni m(9)恒功率控制方法圖4給出了恒功率控制的框圖，圖中KVV和KI o分別為電壓采樣值和電流采樣值，通過電阻R及R的分壓得到第一個(gè)運(yùn)放的正向輸入端電壓為+，信號放大后得到運(yùn)放的輸出端電壓為-，這一點(diǎn)的電壓和第二個(gè)運(yùn)放的反向輸入端電壓相等，根據(jù)運(yùn)放的虛短特性,得到第一個(gè)運(yùn)放的輸岀電壓與第二個(gè)運(yùn)放的正向輸入端電壓相等，即=Vref，由此可得到式(10)(10)圖4單級功率因數(shù)校正控制框圖假

7、設(shè)a=R/R， b=RVR，則式(10)表示為I + t +1+ 亡=|*孚(11)從式(11)可以得到輸岀功率Po的表達(dá)式為后2 唧珂R=V0|o= V +V (12)從式(12)可以看出RVo曲線是一條拋物線，在拋物線的頂點(diǎn)附近，輸出功率R近似恒定。以輸出電壓80V，輸出功率80W為例，取KV=0.01，K=0.1，S =5V，使拋物線的頂點(diǎn)位于 V=80V, P°=80W處，則可以計(jì)算出a=27.13，b=8.00。于是式(12)可表示為R= 0.0125 V02 + 2U( 13)當(dāng)輸出電壓變化范圍為 60V100V (± 25%)時(shí)，輸出功率變化為6.25 %該電

8、路同時(shí)具有限壓和限流的功能，通過變換式(11)可得|。=2 0.0125 V>( 14)VO=160-80|。(15)可見在輸出短路時(shí)電流被限制在2A,在輸出開路時(shí)電壓被限制在160V。3仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于上述主電路及控制電路，采用以下參數(shù)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)：Lb=300卩H, C=470卩F/450V ,Lp=Ls=600 卩 H, f s=50kHz, R_=80Q。圖5為輸入線電壓和線電流實(shí)驗(yàn)波形；圖6為輸入電壓變化時(shí)，測量的電路效率，可以看出電路效率在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)可以達(dá)到82%以上，比文獻(xiàn)23中所提出的電路的效率要高；圖 7和圖8分別為不同輸入電壓時(shí)， 功率因數(shù)和THD的測

9、量結(jié)果，由圖7可見，電路的功率因數(shù)在輸入電壓為100150V時(shí)可以達(dá)到0.98 ,在輸入電壓為220V時(shí)也可達(dá)到0.96 ;圖9為輸入電壓為220V時(shí)，在不同負(fù)載下直流母 線電壓Vb的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真與實(shí)驗(yàn)都證明在負(fù)載變化時(shí)直流母線電壓Vb可以控制在380V以下。輸入線電壓和線電流實(shí)驗(yàn)波形圖6不同輸入電壓時(shí)測量的電路效率超<一丟r二1140220260輸人取壓/V不同輸入電壓時(shí)測量的功率因數(shù)>M)14fl 1K0220260:諭人電馬/V不同輸入電壓時(shí)測量的諧波含量2SG(I實(shí)緊結(jié)果'Rh1d13&0“40320100 80圖9不同負(fù)載下直流母線電壓 VB的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)語本文提出了一種具有恒功率控制的單級功率因數(shù)校正電路。