基于SEPIC的功率因數(shù)校正電路的參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

因此有

u_ii_in=U_oi_D,avg從而輸入電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值i_in為

i_in=i_D,avg=|sinωt|=I₁|sinωt| （9）

式中：I₁=。

因此，i_in在理論上是一個(gè)與u_i同相位的正弦量。

3 輸出電壓二倍線頻紋波

與很多PFC預(yù)調(diào)節(jié)器一樣，SEPIC-PFC電路的輸出存在二倍線頻的紋波電壓。由式（7），式（8）可以得到

i_D,avg=I_D,avg－I_D,avgcos(2ωt)

可導(dǎo)出二倍線頻紋波電壓Δv為

Δv= (10)

4 占空比對(duì)于輸入電流諧波的影響

由式（9）可知，如果占空比固定，則輸入電流是一個(gè)理想的正弦量。由于實(shí)際穩(wěn)壓需要，往往要加上電壓環(huán)，對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)D=D＋ΔD，假定ΔD《D，則應(yīng)有

D²≈D²＋2DΔD=D²＋=D²＋2D²Δ

則i_in=I₁|sinωt|＋2ΔI₁|sinωt| (11)

式中：D，ΔD，Δ分別為D的平均值，D的變化量，D的相對(duì)變化量；

I1為I₁的直流分量。

顯然，如果Δ是個(gè)時(shí)變的量，輸入電流就會(huì)出現(xiàn)畸變，只要占空比的相對(duì)變化量是一定的，其輸入電流畸變就是一定的。因此，為了保證輸入電流THD的要求，ΔD/D應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。

5 SEPIC-PFC電路的主要參數(shù)設(shè)計(jì)原則

5.1 等效電感L_eq設(shè)計(jì)原則

要保證輸入電流的正弦性和與u_i的同相位性，必須讓電路工作在二極管電流斷續(xù)和恒占空比狀態(tài)，因此有

t=DT_s＋D′T_sT_s

即 DT_s＋|sinωt|T_s

可以得到 D(1＋|sinωt|)1

考慮最惡劣的條件|sinωt|=1則應(yīng)有

D （12）

由式（8）可解得D=代入式（12）可得

L_eq （13）

5.2 D與n的設(shè)計(jì)原則

由D可知，若D與M都是已知的，可得nM，這樣，滿足電路斷續(xù)的條件關(guān)鍵在于變壓器匝比n的選擇。如果n選擇過(guò)大，則D必須很小，由式（13）知L_eq會(huì)很小，一般L₁》L₂，L_eq≈L₂，這樣，L₂上的電流脈動(dòng)就會(huì)很大，如果n選擇過(guò)小，L₂上的電流脈動(dòng)會(huì)減小，由式（3）可知i_D,pk會(huì)很大。因此，n的選取將對(duì)電路器件應(yīng)力有著很大影響。

由式（3）可知，在半個(gè)線周期內(nèi)i_D,pk,max=給定i_D,pk,maxI_D,max，其中i_D,pk,max為二極管電流最大值，I_D,max為二極管允許電流最大值。一般，由L₁》L₂可知i_d,pk,max≈。因此，只須I_D,max?？紤]nM，可綜合解得n的范圍為

nM

要使n有值，必須滿足

M>

這樣，可以解得：1－D>，將式（8）代入可得

I_D,max>

顯然，占空比越大，二極管上的峰值電流就越大，并且D>0，則I_D,max必須大于4倍的輸出平均電流。這里與變壓器匝比無(wú)關(guān)。不管如何設(shè)計(jì)，只要工作在斷續(xù)狀態(tài)，二極管上的峰值電流就一定大于4倍的輸出平均電流。

在給定I_D,max的情況下又有

D1－ （14）

5.3 控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)原則

雖然PFC電路的工作方式與普通DC/DC變換器一樣，但對(duì)于控制電路的設(shè)計(jì)，卻有本質(zhì)上的區(qū)別。一般DC/DC補(bǔ)償器原則是提高穩(wěn)定性和抑制開關(guān)噪聲，而PFC的主要目的在于抑制二倍線頻的電壓紋波^[2]。

為了滿足THD的要求，輸出電壓紋波對(duì)補(bǔ)償器的輸出的影響應(yīng)在一定的范圍中^[5]，即

GΔUΔu （15）

式中：G為補(bǔ)償器在二倍線頻處的增益；

ΔU為電壓紋波；

u為補(bǔ)償器輸出值的直流分量。

由此可以確定電壓補(bǔ)償器的參數(shù)范圍。如采用圖3所示電壓補(bǔ)償器，應(yīng)有

G(j2ω)= （16）

圖3 電壓補(bǔ)償器

若2ωR_fC_f>>1，則有

|G(j2ω)|= （17）

6 實(shí)例設(shè)計(jì)及仿真分析

根據(jù)以上分析，以220V，50Hz輸入，48V，500W輸出，50kHz開關(guān)頻率為背景設(shè)計(jì)SEPIC-PFC電路，控制電路采用圖3所示電壓補(bǔ)償器，占空比相對(duì)變化量控制在2％。濾波電容為10000μF，L₁可根據(jù)輸入電流紋波條件進(jìn)行選取，C_c可根據(jù)式（18）進(jìn)行選取^[5]。

(5％～10％)ω_s= （18）

圖4(a)為D=0.5時(shí)，按上述原則設(shè)計(jì)的主電路參數(shù)所得到的開環(huán)輸入電流波形，圖4(b)為相同主電路參數(shù)D=0.8時(shí)的開環(huán)輸入電流波形，由于D=0.8時(shí)電路已不滿足斷續(xù)條件，輸入電流畸變明顯變大。

(a) D=0.5