一種高效的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC研究

閻昌國(guó)，敖邦乾，曲祥君，劉小雍（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義，563002）

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一種高效的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC研究

閻昌國(guó)，敖邦乾，曲祥君，劉小雍
（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義，563002）

摘要：升壓電感作為交錯(cuò)并聯(lián)BoostPFC系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其寄生電容的損耗會(huì)對(duì)系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響。作者針對(duì)傳統(tǒng)升壓電感存在寄生電容大、損耗高的問(wèn)題，提出了一種具有寄生電容小、損耗低等優(yōu)點(diǎn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)685W的帶交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC的樣機(jī)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明：較之傳統(tǒng)方法，作者所提改進(jìn)方法搭建的系統(tǒng)具有更高的效率，更能適應(yīng)交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC的高效發(fā)展。

關(guān)鍵詞：升壓電感；交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC；寄生電容；高效

急劇增加的電力電子裝置使得電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重，PFC電路是消除諧波污染的有效方法。傳統(tǒng)BoostPFC變換器因功率開(kāi)關(guān)管存在較大的電壓、電流變化率會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾，難以適應(yīng)系統(tǒng)功率等級(jí)增加的需要［1］。而交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器因具有功率因素高、輸入電流紋波小、轉(zhuǎn)換效率高以及控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在中大功率的電子設(shè)備中［2-6］。文獻(xiàn)［7-9］通過(guò)改善交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC升壓電感的設(shè)計(jì)方法，有效地減小了電感的數(shù)量、體積及尺寸，有效地提高了系統(tǒng)的整體性能。但這些改進(jìn)的方法仍然沒(méi)有脫離傳統(tǒng)電感設(shè)計(jì)方法的剛性基底模型，存在著較大的寄生電容，這些電容在功率管通斷間存在較大的損耗，會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的效率。針對(duì)上述不足，本文提出了一種脫離傳統(tǒng)電感剛性基底模型的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)理論分析證實(shí)該方法設(shè)計(jì)的電感具有寄生電容小、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，最后用685W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文理論分析的正確性與可行性。

1原理與電感的設(shè)計(jì)

1.1工作原理

圖1為交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC的工作原理圖，電路結(jié)構(gòu)是兩個(gè)對(duì)稱并聯(lián)的Boost變換器。兩開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻依次滯后一定時(shí)間，工作在自然交錯(cuò)狀態(tài)，使得流過(guò)每個(gè)Boost變換器的電流也呈現(xiàn)交錯(cuò)狀態(tài)。這種PFC電路能大大減小輸入電流紋波，提升系統(tǒng)的功率等級(jí)。升壓電感是系統(tǒng)輸入與輸出的連接紐帶，充當(dāng)重要角色，其設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的效率存在較大影響。傳統(tǒng)的電感設(shè)計(jì)方法存在較大的寄生電容，其對(duì)系統(tǒng)效率的影響在高大功率場(chǎng)合是不容忽視的。

圖1交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2電感設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析

圖2為兩種設(shè)計(jì)方法的等效模型，可知傳統(tǒng)方法與改進(jìn)方法所設(shè)計(jì)的電感總量與內(nèi)阻均相等，但傳統(tǒng)方法所帶來(lái)的寄生電容總量卻是改進(jìn)方法的4倍。假定輸入電容 Cin電感兩端電壓為 Vin，PFC輸出電壓為Vo，則對(duì)于每個(gè)Boost變換器有：

圖2兩種設(shè)計(jì)方法的等效模型

當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感寄生電容C存儲(chǔ)的能量為：

當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，電感寄生電容C存儲(chǔ)的能量為：

則一個(gè)周期T內(nèi)，寄生電容C的總損耗為：

由式（3）知傳統(tǒng)方法所帶來(lái)的寄生電容損耗是改進(jìn)方法的4倍，且在輸入電壓越低時(shí)能量損耗越多。因此，與傳統(tǒng)方法相比，本文所提出的改進(jìn)方法具有寄生電容小、損耗低等優(yōu)點(diǎn)。

1.3電感設(shè)計(jì)方法

假定交流輸入底線電壓有效值為Vacmin，PFC輸出功率為Po，最低效率要求為，滿載最低開(kāi)關(guān)頻率為Fsw，整流橋二極管正向電壓差為Vbrfd。則可按下式計(jì)算出滿足設(shè)計(jì)要求的最小電感量為：

實(shí)際電感的取值應(yīng)大于（4）式的計(jì)算值，式中D為低線輸入電壓下電路的占空比，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

2實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述理論分析與設(shè)計(jì)的正確性，搭建了一個(gè)685W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，前級(jí)采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC，后級(jí)采用Boost升壓加半橋LLC電路，輸出為6路+12V和1路-12V。關(guān)鍵元件參數(shù)如下：PFC輸出電容Co為390uF；PFC電感取250uH；PFC滿載最低開(kāi)關(guān)工作頻率為 65KHz；二級(jí) Boost電感取160uF；輸出主變壓器原邊感量為1.3mH；諧振電感取8uH。

圖3為實(shí)驗(yàn)波形。圖3a與圖3b分別為PFC電路在低壓和高壓下的電感電流與開(kāi)關(guān)管漏源電壓波形。測(cè)試結(jié)果表明，開(kāi)關(guān)管相互交錯(cuò)導(dǎo)通，電感電流上升與下降趨勢(shì)正好交錯(cuò)，PFC電路正常工作在自然交錯(cuò)狀態(tài)。圖3c與圖3d為樣機(jī)系統(tǒng)在低壓與高壓下的交流輸入電壓、電流波形。測(cè)試結(jié)果表明，輸入電流能較好地跟蹤輸入電壓，實(shí)測(cè)低壓時(shí)PF值為0.9984，高壓時(shí)PF值為0.9736。

圖3實(shí)驗(yàn)波形

表1為樣機(jī)整體效率測(cè)試結(jié)果，數(shù)據(jù)是在相同硬件條件下，僅更換PFC電感的基礎(chǔ)上實(shí)測(cè)的。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，低壓下，基于改進(jìn)方法設(shè)計(jì)的樣機(jī)系統(tǒng)的效率較之傳統(tǒng)方法大約高出0.3個(gè)百分點(diǎn)，高壓下大約高出0.15個(gè)百分點(diǎn)。因此，本文提出的電感設(shè)計(jì)方法較之傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有較好的效率。

表1樣機(jī)效率對(duì)比測(cè)試結(jié)果

3結(jié)論

研究了基于交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的BoostPFC變換器，提出了一種升壓電感的改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，該方法脫離傳統(tǒng)電感的剛性基底模型，理論分析證實(shí)該方法較之傳統(tǒng)電感設(shè)計(jì)方法寄生電容較小、損耗較低。最后制作了一臺(tái)685W的含交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在相同硬件條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明本文提出的電感改進(jìn)設(shè)計(jì)方法較之傳統(tǒng)方法有更高的效率。

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（責(zé)任編輯：朱彬）

A Research into An Interleaved Boost PFC with High Efficiency

YAN Chang-guo，AO Bang-qian，QU Xiang-Jun，LIU Xiao-yong
（Department of Engineering and Technology，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Abstract:The boost inductance is the key components of the interleaved Boost PFC system，and its parasitic capacitance loss will influence the system’s efficiency.Due to the larger parasitic capacitance and the higher loss in traditional Boost inductance，this paper proposes an improved method which has the smaller parasitic capacitance and the lower loss，and designs a 685W prototype system with an interleaved Boost PFC.Compared with the traditional method，the experimental results show that the system with the proposed improved method has a higher efficiency.Thus，this method is more suitable than the traditional one in the high efficient development of the interleaved Boost PFC.

Key words:boost inductance；interleaved Boost PFC；parasitic capacitance；high efficiency

中圖分類號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3583（2016）-0106-03

收稿日期：2015-10-11

基金項(xiàng)目：貴州省科技廳基金資助項(xiàng)目（黔科合LH字［2015］7054號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：閻昌國(guó)，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院講師，碩士，主要從事電力電子技術(shù)的控制與應(yīng)用研究。