一种新型单级PFC拓扑及控制方式研究

一种新型单级PFC拓扑及控制方式研究图1 主电路拓扑 1 引言随着电力电子装置的广泛使用，谐波污染倍受人们的关注。为了减少交流电网的谐波污染，目前国内外已推出一些限制电流谐波的标准，如 GB 17625.1-1998和 IEC61000-3-2等。为了使电力电子装置的输入电流谐波满足现有谐波标准的要求，必须在其输入侧加功率因数校正（PFC）装置。目前较为成熟的是两级PFC变换器装置，利用这种装置能很容易地实现高功率因数 PF和低的总谐波畸变THD，而且还可迅速调节输出电压，但其制造成本较高，电路也比较复杂。在...

图1 主电路拓扑 1 引言随着电力电子装置的广泛使用，谐波污染倍受人们的关注。为了减少交流电网的谐波污染，目前国内外已推出一些限制电流谐波的标准，如 GB 17625.1-1998和 IEC61000-3-2等。为了使电力电子装置的输入电流谐波满足现有谐波标准的要求，必须在其输入侧加功率因数校正（PFC）装置。目前较为成熟的是两级PFC变换器装置，利用这种装置能很容易地实现高功率因数 PF和低的总谐波畸变THD，而且还可迅速调节输出电压，但其制造成本较高，电路也比较复杂。在小功率应用场合，因装置成本相对要求比较低，所以大量使用了单级PFC变换器。目前，单级PFC变换器拓扑的研究主要采用单开关方案，它局限于200W以下的小功率电源。究其原因，首先，单级变换器要求兼顾输出电压的快速调节及输入电流波形的控制，而单开关方案在设计中存在许多限制，使电路元器件的利用率下降；其次，单级变换器虽能实现部分能量直接向输出侧传递，但其比例较小，因此总体效率有时低于两级变换器，从而使单级变换器的成本优势难以体现[1，2]；再者，与两级变换器相比，单级变换器的输入电流畸变率较高，通常为40%~70%。当电源的输出功率增加或多台电源并联运行时，其谐波将不能满足IEC61000- 3-2标准的要求，使得电路拓扑、器件成本及效率等各项指标都难以令人满意[3，4]。本文研究了适用于大功率单相单级变换器的电路拓扑及其控制方式；以适用于大功率DC/DC变换器电路为基础，提出了一种基于桥式电路的单级变换器拓扑。它充分体现了单级变换器减少电路元器件数量，提高电路效率，实现较低输入电流畸变，满足相应的谐波标准的特点。经对所提拓扑的工作原理、性能指标及其与参数之间关系进行分析和仿真研究验证了所提拓扑及控制方式的正确性，并得到较为满意的结果。 2 工作原理及特性分析 2.1 工作原理图1示出所提基于桥式电路的单级PFC变换器的主电路拓扑。可见，其主电路由开关管 VS1，VS2将升压电一种新型单级PFC拓扑及控制方式研究裴云庆，倪嘉，王兆安（西安交通大学，陕西西安 710049）摘要：提出了一种基于桥式逆变电路的新型单级功率因数校正变换器的电路拓扑。详细分析了其工作原理及控制方式；研究了该电路拓扑的输入、输出性能指标及其与控制参数之间的关系。通过对实验样机的设计和仿真分析表明，运用该电路拓扑的实验装置，其功率因数较高，输入电流的总谐波畸变较低，输出电压纹波小。关键词：功率因数；变换器/总谐波畸变中图分类号：TM46，TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1000-100X（2005）06-0035-02 ResearchonaBridgeInverterbasedSingle-Stage PFCTopologyandControlStage PEIYun-qing，NIJia，WANGZhao-an （Xi′anJiaotongUniversity，Xi′an710049，China） Abstract:Thispaperintroducesanoveltopologyaboutsingle-stagePFCconverterbasedonbridgeinverterand analyzesitstheoryofoperation.Withtheanalysisofprototype，thepaperpresentstheinputandoutputperformanceabout thistopology.Asaresultofsimulation，thetopologycanmakethedevicegettohighPF，lowTHDofinputcurrent，andlow rippleofoutputvoltage，andhighefficiency. Keywords:PF；inverter/THD FoundationProject：SupportedbyDELTAScienceTechnologyandEducationDevelopmentFoundation 基金项目：台达科教发展基金资助定稿日期：2005-10-21 作者简介：裴云庆（1969-），男，上海人，副教授，研究方向为直流开关电源及逆变电源。电力电子技术 PowerElectronics 第39卷第6期 2005年12月 Vol.39，No.6 December，2005 35 电力电子技术 PowerElectronics 第39卷第6期 2005年12月 Vol.39，No.6 December，2005 路和桥式逆变电路组合在一起构成单级PFC变换器电路。该电路类似于一般的PFC电路，VS1~VS4构成典型的桥式逆变电路。 VS1，VS2同时承担功率因数校正和逆变两个功能，两管互补工作。当VS2导通时，输入电源向电感L 储能，电感电流iL逐渐增加。当VS2关断后，VS1导通，输入电源与L一起向直流侧电容充电，iL逐渐下降。通过调节VS1，VS2的导通占空比dVS1on和dVS2on，即可校正输入电流波形。由VS1~VS4桥式变换电路的工作过程与常规电路有一定差别，当VS1和VS4同时导通或VS2和VS3同时导通时，向输出传递能量。为防止变压器产生直流偏磁，需保证VS1和VS4同时导通的时间与VS2和VS3同时导通的时间相同。由上述工作过程可得各开关的控制方式，即 VS1和VS2的驱动信号互补，VS3与VS4的驱动信号占空比相同。VS2与VS3的驱动信号前沿同步，VS4 与VS1的驱动信号后沿同步。VS1和VS2的驱动脉冲宽度用于控制输入侧直流电压及输入电流波形；VS3 和VS4的驱动脉冲宽度用于控制输出电压。通过改变驱动信号下降沿的时刻进行控制；VS1和 VS4采用前沿调制方法，即通过改变驱动信号上升沿时刻来进行控制。图2示出其控制脉冲时序。各开关管的占空比与直流电压、输入电压的关系为： dVS3=dVS4 （1） Udc= Uimax 1-dVS2min （2）式中 dVS3max

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