交錯(cuò)并聯(lián)功率因數(shù)校正變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬思涵

（湖南工學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005）

引言

就中國(guó)現(xiàn)在的能源構(gòu)成來(lái)說(shuō)，大部分的能量來(lái)自于火力發(fā)電，小部分則來(lái)自于水力發(fā)電以及核能等其他形式。而火力發(fā)電又是一個(gè)難以繼續(xù)發(fā)展，并且對(duì)環(huán)境污染影響非常嚴(yán)重的發(fā)電方法。而人類正在呼吁全新的清潔綠色的能源獲得方法，也因此中國(guó)清潔能源的研發(fā)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[1]。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 主電路

1.1.1 降壓型PFC 電路

在降壓型PFC 集成電路中，若直流輸入輸出電壓值遠(yuǎn)小于交換信號(hào)輸入整流電壓值。要求較大的信號(hào)濾波器對(duì)開關(guān)紋波加以控制。如圖1 所示，此類集成電路能夠明顯提高控制系統(tǒng)功率因數(shù)。因?yàn)閴航凳礁吖β收驍?shù)集成電路的交換側(cè)進(jìn)入電流變化是不持續(xù)的，而電感電流峰值的包絡(luò)線依然遵循著交流輸入電壓值的變化，從而可以大大提高控制系統(tǒng)的功率因數(shù)，但進(jìn)入電流變化為零的時(shí)段長(zhǎng)短卻和直流控制系統(tǒng)輸出電壓和進(jìn)入電流變化的高低直接相關(guān)。且當(dāng)輸出電流越高時(shí)，控制系統(tǒng)功率因數(shù)越低，諧波畸變也就越大。

圖1 降壓式PFC 集成電路圖

1.1.2 升壓型PFC 電路

在升壓式PFC 集成電路中，如果直流輸入輸出電壓值大于交換信號(hào)輸入整流電壓值，則表明升壓式輸出功率因數(shù)集成電路的交換側(cè)輸入電壓改變是持續(xù)的，且輸入端電流的平均值基本同時(shí)跟隨著交換信號(hào)輸入電壓值的改變，且輸出諧波畸變度非常低，因此輸出功率因數(shù)也相應(yīng)較高。

1.1.3 降壓/升壓型PFC 電路

在減壓/升壓式PFC 集成電路中，只要提供的直流系統(tǒng)輸入端電壓值可能小于或超過(guò)交換信號(hào)輸入端整流電壓，降壓/升壓式PFC 集成電路就能夠在較寬的輸入電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，達(dá)到較大的輸出端功率因數(shù)。如下頁(yè)圖2 所示，但是減壓/升壓式輸出功率因子集成電路的交換側(cè)電流變化往往成為不連續(xù)性的。所以不管輸入端信號(hào)總線電壓和輸入輸出負(fù)荷怎樣改變，由降壓型轉(zhuǎn)換器或者降壓/升壓式變流器所獲取的信號(hào)輸入端電流大小變化永遠(yuǎn)都是不連續(xù)性的。但是，相對(duì)于升壓式變流器，只要其工作在連續(xù)電流模式（CCM），那么其所獲取的信號(hào)輸入端電流大小變化也就會(huì)是連續(xù)性的，這樣將可以降低信號(hào)輸入端額定電流諧波畸變度。雖然相對(duì)于Boost 式PFC 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制信號(hào)輸入電壓設(shè)定工作于持續(xù)電流電壓模型（CCM），但是事實(shí)上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際工作，也會(huì)參考另外二種電流輸出模型，即斷續(xù)電流輸出模型（DCM） 和臨界電流輸出模型（BCM）。因?yàn)殡姼须娏鞯牟贿B續(xù)，所以由于在控制開關(guān)管控制開關(guān)動(dòng)作的時(shí)候進(jìn)行的是零輸出電流開通，所以軟開關(guān)損耗很低，也不是由二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損失[2]。

圖2 升壓式PFC 集成電路圖

1.2 算法控制

調(diào)節(jié)監(jiān)控算法研究就是對(duì)功率因數(shù)校準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)的科學(xué)研究的一項(xiàng)主要方向，雖然調(diào)節(jié)監(jiān)控算法研究有許多劃分方法，但一般說(shuō)來(lái)，根據(jù)電壓調(diào)節(jié)方法劃分。

按照在連續(xù)電壓模型（CCM）以下電壓調(diào)節(jié)方法劃分，通常有峰值電壓調(diào)節(jié)控制、滯環(huán)電壓調(diào)節(jié)控制和平均值電壓調(diào)節(jié)控制方法。三者中最常見的是平均值電壓模型以及峰值電流模式，而滯環(huán)電壓調(diào)節(jié)模型則因?yàn)椴捎昧俗冾l控制技術(shù)的因素，會(huì)對(duì)電感設(shè)計(jì)造成麻煩，故而較少使用。

1.3 應(yīng)用新興技術(shù)

對(duì)于大功率的使用場(chǎng)合，PFC 電路和主要的電源系統(tǒng)拓?fù)涠纪ㄟ^(guò)串聯(lián)的方式來(lái)處理。串聯(lián)結(jié)構(gòu)分為功率元件串聯(lián)、自動(dòng)變換器拓?fù)浯?lián)和功率轉(zhuǎn)換設(shè)備串聯(lián)等。關(guān)于PFC 的使用，多相交叉串聯(lián)是比較熱門的研究領(lǐng)域。在相交叉串聯(lián)的研究中，新的耦合電感結(jié)構(gòu)研究技術(shù)已形成了一條獨(dú)特的分支。使用新耦合電感結(jié)構(gòu)的研究技術(shù)往往能夠減小磁性元器件的厚度，從而增加磁性元器件磁通的效率，并且還能夠提高電感電流紋波的特征。通過(guò)較小的電感量達(dá)到了降低紋波的效應(yīng)，并且還改善了輸出電流負(fù)載特性的性能[3]。

2 開關(guān)電路

軟開關(guān)技術(shù)一般都是在開關(guān)電源管的邊上連接或并聯(lián)小電感、小電容器、二極管等電子元器件，并利用諧振和鉗位原理，在開關(guān)管開通之前將電流先降至零，然后再開通開關(guān)管，又或者在開關(guān)電源管閉合之前將電流先降至零，然后再閉合開關(guān)電源管，這樣當(dāng)開關(guān)電源管通斷時(shí)，電壓電流沒(méi)有交疊，就不會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 交錯(cuò)并聯(lián)電路

隨著單相APFC 技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，以及開關(guān)電源等電力電子裝置的功率級(jí)逐漸提高，傳統(tǒng)的單相BoostPFC 技術(shù)的應(yīng)用逐漸受到了限制。功率級(jí)的不斷增加，使得開關(guān)管、輸出二極管和輸入電感等元器件承受的電壓和電流應(yīng)力過(guò)大，而大容量的功率器件一般價(jià)格比較高昂，造成系統(tǒng)成本增加，不適于在批量生產(chǎn)中使用。

3.2 主電路

按照自動(dòng)變換器的工作狀態(tài)條件，確定了該自動(dòng)變換器電路的主要技術(shù)參數(shù)如下：輸入電壓為220VAC；出口電壓為400 VDC；出口電量為200 W；輸入信號(hào)頻譜為50 Hz；開關(guān)電源頻譜為100 kHz；波形畸變?yōu)門HD＜5%；電路工作效率為大于95%。

3.3 電感傳輸

在BoostPFC 電路中，輸入式電子傳感器的功能主要是用于控制紋波電壓、儲(chǔ)能，以及能量傳輸。選用電子傳感器時(shí)主要根據(jù)輸入峰值電壓產(chǎn)生的聲紋波多少，一般在設(shè)計(jì)為電子傳感器時(shí)，即其輸入電壓變化率約為峰值電壓的6 倍。

4 結(jié)語(yǔ)

說(shuō)明了交錯(cuò)并聯(lián)式電路的基本原理，降低了單個(gè)電子傳感器的容量和輸入電壓紋波，從而減少了EMI，并能夠降低開關(guān)元件的電流應(yīng)力，從而降低電子傳感器元件的厚度，增加了功率自動(dòng)變換器的工作效能；根據(jù)傳統(tǒng)零電壓轉(zhuǎn)換電路的缺點(diǎn)。本文將提供一個(gè)改進(jìn)型的零電壓變換電路，以構(gòu)成并聯(lián)式有源功率因數(shù)校正器，該零電壓變換電路有效減少了在開關(guān)損耗情況下單個(gè)輸入電感與輸出二極管之間的電流應(yīng)力。