交錯并聯(lián)Boost PFC電路的技術研究

摘 要： 針對常規(guī)Boost變換器的開關器件電壓應力過大的問題，研究了交錯并聯(lián)Boost變換器。首先對交錯并聯(lián)Boost功率因數(shù)校正（PFC）電路在減小輸入電流紋波、電感磁芯尺寸和輸出電容電流方面上的優(yōu)勢進行推導;然后對變換器主電路的關鍵參數(shù)進行設計，設計基于平均電流控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng);最后仿真實驗驗證。結(jié)果證明交錯并聯(lián)Boost變換器在大功率場合中既能很好地實現(xiàn)PFC，又能有效地降低功率器件的電流應力、減小輸入電流紋波和電感磁性元件的體積，提升功率等級。

關鍵詞： 交錯并聯(lián); 功率因數(shù)校正; 紋波; 電壓應力

中圖分類號： TM46

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）12-0047-04

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.12.008

Technical Research on Interleaved Parallel Boost PFC Circuit

RONG Jun^1，2， WAN Junhua^1，2， NIE Guiyang^1，2

（1.Department of Information Science and Engineering， Hunan Institute of Science and Technology， Yueyang 414000， China;

2.Key Laboratory of Complex Network and Embedded System College of Province， Hunan Institute of Science and Technology， Yueyang 414000， China）

Abstract： In response to the problem of excessive voltage stress in the switching devices of conventional Boost converters，the interleaved parallel Boost converters were studied.Firstly，the advantages of interleaved parallel Boost power factor correction（PFC） circuits in reducing input current ripple，inductor core size，and output capacitor current were derived.Then，the key parameters of the main circuit of the converter，and a double closed-loop control system based on average current control were designed.Finally，it was verified by the simulation experiments.The results show that the interleaved parallel Boost converters can not only achieve the power factor correction well in high-power situations，but also effectively reduce the current stress of power devices，the input current ripple and the volume of inductor magnetic components，and improve power levels.

Key words： interleaved parallel connection; power factor correction（PFC）; ripple; voltage stress

0 引 言

現(xiàn)如今，各行各業(yè)對功率器件的要求越來越高，功率器件的造價成本也隨之增加，傳統(tǒng)的Boost功率因數(shù)校正（PFC）方案受到了器件與成本兩個方面的重大挑戰(zhàn)^［1-4］。為了迎接這個挑戰(zhàn)，交錯并聯(lián)Boost變換器應運而生。交錯并聯(lián)Boost變換器中器件所承受的電流應力與其并聯(lián)支路數(shù)有關，并聯(lián)支路數(shù)越大，開關器件的電流應力越小;輸入電流紋波則因開關管的交錯導通與關斷而有所抵消，同時可以降低電磁干擾^［5-8］。根據(jù)上述優(yōu)點，交錯并聯(lián)型Boost PFC適用于大功率場合。此外，汽車領域中的新能源電動汽車飛速發(fā)展，新能源電動汽車的市場也越來越大，電動汽車的充電與續(xù)航問題就成為重點考慮的因素^［9-12］。而交錯并聯(lián)Boost PFC變換器所具備優(yōu)點非常貼合新能源發(fā)電系統(tǒng)的需求，因此研究交錯并聯(lián)升壓變換器具有很大的實用意義。

1 交錯并聯(lián)Boost PFC電路工作原理

交錯并聯(lián)技術應用在PFC電路中，能夠有效減小元器件與功率器件的電流應力、降低電磁干擾、提高功率密度和擴大電路適用功率范圍。交錯并聯(lián)Boost PFC主電路如圖1所示。圖1中由L1、VT1、VD1和L2、VT2、VD2分別構成的2個支路相互并聯(lián)。

交錯并聯(lián)Boost PFC電路工作在占空比D=0.5時的主要波形如圖2所示。由圖2可知，2個支路的電感電流均是連續(xù)的，2個開關管VT1、VT2交錯導通，由2條支路電感電流iL1、iL2疊加后的總輸入電流波形是一條直線，即輸入電流紋波為0。與此同時，輸出電容的電流是VD1、VD2這2個二極管電流的疊加，因為VD1、VD2也是工作在交錯運行狀態(tài)下，所以VD1、VD2疊加后的輸出電容電流是傳統(tǒng)Boost變換器的1/2。

根據(jù)開關管VT1、VT2的自身導通、關斷2種狀態(tài)，在連續(xù)導通（CCM）工作模式下，電路包含4種工作狀態(tài)。4種工作狀態(tài)如圖3所示。

2 交錯并聯(lián)Boost PFC電路特性

2.1 減小輸入電流紋波

交錯并聯(lián)Boost PFC電路總的輸入電流紋波ΔiL與開關導通占空比D和并聯(lián)支路數(shù)N有關，用K表示電路中總的輸入電流紋波iL與其中某一支路電感電流紋波iLi的比值，即電流紋波比K為

K=ΔiL/ΔiLi（1）

在兩重交錯并聯(lián)Boost PFC電路中，K隨著開關管占空比D的改變而發(fā)生變化，其關系可表示為

K（D）=1－2D1－D，D≤0.52D－1D，D＞0.5（2）

由式（2）可知，當開關占空比D=0.5時，電流紋波比K為0;開關占空比Dlt;0.5時，電流紋波比K隨開關占空比D的增大而減小;開關占空比Dgt;0.5時，電流紋波比K隨開關占空比D的增大而增大。對于Boost PFC變換器，開關管的占空比D隨著輸入電壓的變化而變化。為了兼容全球的開關電源使用范圍，Boost PFC變換器的輸入交流電壓有效值范圍為85～265 V，輸出的電壓穩(wěn)定在380 V，可得到占空比D與輸入交流電壓相角θ之間的關系。當輸入電壓分別為85 V和265 V時，輸入交流電壓相角θ與開關占空比D的關系曲線見文獻［9］。從占空比D和交流電壓相角θ之間的關系可以得出，開關占空比隨著相角時刻改變，開關占空比不會恒定在0.5，導致交錯并聯(lián)Boost PFC電路的輸入電流紋波不能被徹底消除。因此，在整體上交錯并聯(lián)Boost PFC電路的輸入電流紋波有所下降。

2.2 減小輸出電容電流

傳統(tǒng)Boost PFC變換器的輸出電容電流有效值IC1與開關占空比D的關系為

IC1（D）=（1－D）－（1－D）2（3）

兩重交錯并聯(lián)Boost PFC變換器的輸出電容電流有效值IC2與開關占空比D的關系則為

IC2（D）=12（1－2D）－（1－2D）2，D＜0.512（2－2D）－（2－2D）2，D≥0.5（4）

由式（8）可知，在相同的條件下，無論占空比如何變，兩重交錯并聯(lián)Boost PFC電路的輸出電容電流都小于傳統(tǒng)單相Boost PFC電路的輸出電容電流，有效減小了輸出電容的電流應力，提高了整個PFC電路的工作性能和穩(wěn)定性。

3 仿真結(jié)果及分析

為了驗證理論分析的正確性，本文利用Matlab7.0建立傳統(tǒng)單相Boost PFC電路和交錯并聯(lián)Boost PFC電路仿真模型。兩種電路電感電流仿真波形如圖4所示。由圖4可知，交錯并聯(lián)Boost PFC電路中的每個升壓電感電流接近5 A，而傳統(tǒng)單相Boost PFC電路中的電感電流則接近10 A，由此可得出，交錯并聯(lián)Boost變換器每條并聯(lián)支路的升壓電感電流是傳統(tǒng)單相Boost變換器升壓電感電流的1/2，這是基于均流控制的作用，使得流過每個電感的電流應力減小，電感的磁芯尺寸也可以適當減小，提高功率等級。

兩種電路輸入電流紋波波形如圖5所示。由圖5可知，傳統(tǒng)單相Boost PFC電路的輸入電流在8.7～9.9 A波動，即輸入電流紋波＞1;而交錯并聯(lián)Boost PFC電路總的輸入電流則在9.1～9.6 A波動，其總的輸入電流紋波＜1。此實驗結(jié)果驗證了交錯并聯(lián)Boost變換器的輸入電流紋波要更小一些。

兩種電路輸出電容電流紋波波形如圖6所示。由圖6可知，傳統(tǒng)單相Boost PFC電路的輸出電容電流＞6 A，而單相兩重交錯并聯(lián)Boost PFC的輸出電容電流則＜6 A，表明交錯并聯(lián)技術能有效減小Boost變換器的輸出電容電流。

兩種電路開關管電流波形如圖7所示。由圖7可知，流過傳統(tǒng)單相Boost變換器中開關管的電流峰值可達10 A，而流過交錯并聯(lián)Boost變換器中每個開關管的電流峰值只接近5 A。由此驗證了交錯并聯(lián)Boost PFC變換器中開關管所需承受的電流應力與并聯(lián)支路數(shù)成反比，并聯(lián)支路數(shù)越多，流過開關管的電流就越小，開關管所需承受的電流應力也就越小，開關管的損耗也就越小。

4 結(jié) 語

通過對傳統(tǒng)單相Boost PFC電路和交錯并聯(lián)Boost PFC電路的比較研究，可以得出以下結(jié)論：

（1） 交錯并聯(lián)Boost變換器總的輸入電流紋波在各支路電感電流疊加抵消后有所下降，紋波頻率變大，電磁干擾變小，降低濾波電路結(jié)構的復雜程度。

（2） 交錯并聯(lián)Boost變換器由于有多條并聯(lián)支路交錯工作，因此各支路對電路功率起分擔功率的作用，電感的磁芯尺寸可以進一步減小，提高器件的功率密度。同時，該電路能夠在大功率場合中應用。

（3） 交錯并聯(lián)技術能有效減小Boost變換器的輸出電容電流，從而提高整個電路的工作性能和穩(wěn)定性，減小對器件的損害。

（4） 交錯并聯(lián)Boost變換器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的PFC。

【參 考 文 獻】

［1］ 蕭展?jié)?，萬陸峰，陳欣瑋，等.臨界Boost-PFC電路的簡化變導通時間控制研究［J］.電器與能效管理技術，2023（12）：22-31.

［2］ 湯飛球，黃率穎，黃博吉，等.幾種不同功率因數(shù)校正電路的比較研究［J］.湖南理工學院學報（自然科學版），2021，34（3）：28-31.

［3］ 關震，林維明.一種Boost PFC電路改進VOT控制策略研究［J］.電器與能效管理技術，2024（4）：22-29.

［4］ 張清川，楊利民，王帥，等.高功率因數(shù)軟開關降壓無橋PFC變換器設計［J］.電力電子技術，2022，56（1）：103-106.

［5］ 李啟煌，熊歡，舒澆凡，等.一種新型的Boost變換電路的優(yōu)化研究［J］.船電技術，2018，38（11）：46-48.

［6］ 舒寅笛，龐佳，張正.電動汽車充電樁中APFC 的仿真研究［J］.電器與能效管理技術，2018（11）：75-79.

［7］ 周潔.單相功率因數(shù)校正技術研究［J］.電子技術，2018，47（9）：43-48，30.

［8］ 方飛，薛峰，杜曉婷.單相Boost型APFC電路研究［J］.滁州學院學報，2018，20（5）：37-40.73.

［9］ 張峻峰，楊燕翔，王軍，等.基于CCM交錯并聯(lián)Boost溫差發(fā)電技術的研究［J］.可再生能源，2017，35（3）：448-453.

［10］ 黃海宏，陳志強.高功率因數(shù)整流電路綜述［J］.電器與能效管理技術，2019（16）：1-9.

［11］ 劉欣睿，林競力，郭筱瑛，等.交錯并聯(lián)CCM Boost PFC變換器研究［J］.電子技術應用，2018，44（8）：143-146.

［12］ 艾建坤，秦會斌.一種交錯并聯(lián)型Boost PFC的建模與設計［J］.電子器件，2016，39（6）：1537-1542.

收稿日期： 20240729