雙Boost PFC變換器輸出電壓紋波的研究

陳裕成

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 漳州 363000）

不間斷電源（Uninterr upted Power Supply，UPS）是一種AC/DC 和DC/AC 兩級電力電子變換電路，前級采用功率因數(shù)校正技術(shù)實現(xiàn)AC/DC 變換，后級逆變器實現(xiàn)DC/AC 變換后輸出恒壓、恒頻的交流電給負載供電。根據(jù)實現(xiàn)逆變方式的不同可把不間斷電源分為半橋式UPS 和全橋式UPS。

Boost 型拓撲在功率因數(shù)校正中具有巨大的優(yōu)勢而得到廣泛使用[1-7]，但Boost PFC 主要應(yīng)用于輸出母線端直接為阻性負載或者是全橋式UPS；對于半橋式UPS，在逆變輸出得到相同交流電時的逆變器輸入端母線電壓為全橋式UPS 的兩倍，實際應(yīng)用中因Boost 電路的升壓變比有限，導(dǎo)致由單個Boost構(gòu)成的PFC 電路無法滿足半橋逆變器輸入母線電壓的要求，解決的辦法是由兩個Boost 電路構(gòu)成的雙Boost PFC[8-10]電路產(chǎn)生正負母線電壓，在輸入相同交流電源下得到的母線電壓相當(dāng)于Boost PFC 變換器的兩倍。

采用PFC 變換器的用電設(shè)備，使輸入電流與輸入電壓“同步”，在提高該設(shè)備功率因數(shù)的同時，減少了對電網(wǎng)的諧波污染，但PFC 技術(shù)的引入往往也增大了開關(guān)變換器的輸出電壓紋波電平，輸入功率因數(shù)與輸出電壓紋波是一對矛盾的關(guān)系。應(yīng)用在半橋式UPS 的雙Boost PFC 變換器其母線電壓的紋波大小對后級半橋逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定具有很大的影響。

本文首先介紹雙Boost PFC 的工作原理，比較、分析其與Boost PFC 的區(qū)別及聯(lián)系；其次，采用功率匹配法分析了影響B(tài)oost PFC 變換器的母線電壓紋波大小的決定性因數(shù)，利用兩變換器的聯(lián)系進而推出雙Boost PFC 母線電壓紋波的變化趨勢及影響因數(shù)；最后基于Psim 仿真及實驗結(jié)果驗證了上述理論分析的準確性。

1 雙Boost PFC 變換器

雙Boost PFC 變換器如圖1所示。市電在正半個工頻周期內(nèi)（圖2a），SCR1、K1開通，L1、T1、D1組成Boost PFC 電路產(chǎn)生正母線電壓，阻性負載R1消耗的功率直接由C1電容兩端的正母線電壓提供，C2不提供負載能量，負母線電壓保持恒定不變；市電在負半個工頻周期內(nèi)（圖2b），SCR2、K2開通，L2、T2、D2組成Boost PFC 電路產(chǎn)生負母線電壓，阻性負載消耗R2的功率直接由C2電容兩端的負母線電壓提供，C1不提供負載能量，正母線電壓保持恒定不變。

圖1 雙Boost PFC 變換器

圖2 雙Boost PFC 工作等效電路

雙Boost PFC 變換器在市電正、負半個周期內(nèi)分別形成的正、負母線電壓是相對獨立的，通過基本工作原理的分析可知其正、負母線電壓的紋波相當(dāng)于Boost PFC 母線電壓的二次紋波分別轉(zhuǎn)移到正、負母線上，因此研究Boost PFC 變換器的工作二次紋波的變化規(guī)律可得到雙Boost PFC 母線電壓二次紋波的變化規(guī)律。

2 Boost PFC 二次紋波分析

單位功率因數(shù)校正變換器母線電壓二次紋波的分析可采用功率匹配法和等效電流源法，從功率匹配的方法出發(fā)，在只考慮Boost PFC 拓撲電路的輸入端和輸出端的情況下，其等效框圖如圖3所示。

圖3 Boost PFC 等效框圖

忽略器件功耗，假設(shè)能量傳輸過程沒有損耗，即輸入功率等于輸出功率，在輸入市電電壓為理想的正弦波，輸入電流已達到單位功率因數(shù)校正，輸出穩(wěn)壓電容為無限大的情況下，Boost PFC 電路的輸入電壓與電流，輸出電壓電流在一個工頻周期內(nèi)波形圖4（a）、（b）所示。假設(shè)穩(wěn)壓電容無限大時，輸出母線電壓波形為平穩(wěn)的直線，負載電流波形與母線電壓波形一樣，只是幅值差別而已。根據(jù)輸入、輸出的電壓與電流可得到圖4（c）所示的輸入輸出功率波形，穩(wěn)定后在一個工頻周期內(nèi)的輸入輸出功率相等。實際電路的穩(wěn)壓電容不可能為無限大，由圖4（c）可知在輸入功率小于輸出功率時，負載的能量一部分來自于輸入功率，一部分來自于穩(wěn)壓電容，電容不斷放電，電容電壓不斷下降；輸入功率大于輸出功率時，輸入功率一方面給負載供電，一方面為穩(wěn)壓電容充電，電容電壓不斷上升，在半個周期內(nèi)，電容的充放電達到平衡，根據(jù)輸入、輸出功率波形可畫出輸出母線電壓的變化情況如圖4（d）所示，由此可知穩(wěn)壓電容大小的選擇只要能使母線電壓的紋波系數(shù)保持在一定的范圍內(nèi)，但Boost PFC母線電壓的二次紋波是不可避免、無法消除的，二次紋波不僅存在于Boost PFC，同時也存在于其他拓撲的PFC 技術(shù)。

圖4 Boost PFC 輸出電壓紋波分析圖

具體推導(dǎo)二次紋波時，假設(shè)圖4（a）中的輸入電壓為vin(t) =Vm(sinwt)，輸入電流iin(t) =Im(sinwt)，其中Vm、Im分別為輸入電壓和輸入電流的振幅， 可得到輸入瞬時功率pin(t)：

式中，令Pin= 0.5UinIin，瞬時的輸入功率可由平均輸入功率Pin與頻率為2ω（即二倍工頻）的波動項pinr(t)組成，波動項表示成相量形式有：

Boost PFC 變換器的輸出瞬時功率po(t)表示為

式中，pC(t)為Boost PFC 輸出電容C的瞬時功率。Po(t)代表平均輸出功率，忽略RL的脈動功率，式（3）可化為

輸出電壓uo(t)可表示為

UoDC為輸出母線電壓的直流分量，ur(t)為輸出母線電壓的交流分量（即電壓的波動項），式（5）可得

輸出功率由平均輸出功率Po和波動項por(t)組成。輸出穩(wěn)壓電容足夠大時，輸出母線電壓的紋波量遠小于其直流分量，式（6）近似為

鑒于Boost PFC 變換器中的儲能元件L 和C 均根據(jù)開關(guān)頻率設(shè)計，其取值較小，因此在考慮低頻 紋波時，它們的瞬時功率可以忽略，因此有po(t)=pin(t)，即

對比式（7）和式（1）可知，單位功率因數(shù)單相開關(guān)變換器輸出電壓紋波的頻率為2ω。式（7） 中的波動項por(t)表示為相量形式：

根據(jù)式（2）、式（8）、式（9）可得

根據(jù)式（10）得

將輸出紋波電壓還原成瞬時值表達后，有

即

式中，Io為變換器的平均輸出電流。式（13）直觀表達出輸出電壓二次紋波的變換規(guī)律及最大紋波系數(shù)的影響因數(shù)。

3 雙Boost PFC 二次紋波驗證

在輸入市電電壓正半波即0～π期間，圖1所示的電容C1兩端電壓的分析方法與Boost PFC 電路一樣，電容C2既不充電也不放電，其兩端的電壓保持不變；在輸入市電電壓負半波即π～2π期間，圖1所示的電容C1既不充電也不放電，其兩端的電壓保持不變，電容C2兩端電壓的分析方法與Boost PFC電路一樣。一個工頻周期內(nèi)其相對應(yīng)的正、負母線電壓的紋波變化曲線如圖5所示。

圖5 雙Boost PFC 輸出電壓紋波變化圖

基于PSIM9.0，對6kVA 雙Boost PFC 輸出母線電壓的二次紋波的變化規(guī)律進行仿真驗證。輸入電壓220V、電網(wǎng)頻率50Hz、輸出母線電壓正負360V、電感600μH、開關(guān)頻率20kHz，仿真控制原理如圖6所示。DLL 模塊主要功能是實現(xiàn)電壓電流采樣、控制算法程序編寫、驅(qū)動信號輸出等功能，相當(dāng)于一塊DSP 數(shù)字控制芯片。不考慮后級逆變對前級PFC 的影響，正、負母線電壓輸出端各自接阻性負載。

圖6 雙Boost PFC 控制仿真圖

基于圖6采用平均電流法，在輸入電壓220V、輸出母線電壓穩(wěn)定在正負360V、輸出功率為5000W下（負載約為25.8Ω）的母線電壓變化波形如圖7所示。相比于Boost PFC 電路，二次紋波分配到雙Boost PFC 電路的正、負母線上。

圖7 雙Boost PFC 仿真波形圖

4 結(jié)論

本文通過雙Boost PFC 變換器工作原理的分析得到其與Boost PFC 的區(qū)別與聯(lián)系；采用功率匹配法分析了Boost PFC 變換器母線電壓紋波的變化規(guī)律，進一步推出雙Boost PFC 變換器母線電壓紋波的變化規(guī)律；利用Psim 仿真驗證理論分析的準確性。

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