一種改進(jìn)的電壓跟隨PFCCukAC/DC變換器

1引言

隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，電力電子裝置的大量應(yīng)用，導(dǎo)致大量諧波電流涌入電網(wǎng)，污染電網(wǎng)，這一問題已引起了各國的重視。為了限制總的諧波含量（THD）以提高功率因數(shù)，制定了許多標(biāo)準(zhǔn)，如IEC100032。近年來，如何提高功率因數(shù)成為了電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，提出了許多有源PFC電路[1]～[3]。有兩種功率因數(shù)校正方案，其一是采用控制輸入電流使其接近正弦，這種方案中電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM),通常要求雙閉環(huán)控制，由于對(duì)輸入電流、電壓及輸出電壓取樣，這種方案比較復(fù)雜，成本高，限制了該方法的使用[4]～[5]。另一種方案是采用電壓跟隨（VoltageFollower）方式[6]，電路通常工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)，開關(guān)由輸出電壓誤差信號(hào)控制，這種PFC方案僅需要一個(gè)電壓控制環(huán)，這種方案相對(duì)簡單，引起了研究人員的廣泛關(guān)注[6]～[8]。

本文通過對(duì)工作于DCM的普通Cuk變換器功率因數(shù)校正能力的分析，給出了提高其功率因數(shù)校正能力的方案，同時(shí)使器件應(yīng)力得到降低。在傳統(tǒng)的CukDC/DC變換器中，兩個(gè)電感存在依賴關(guān)系，即它們同時(shí)進(jìn)入DCM或CCM，通過在電路中加一二極管，改變了它們之間的依賴關(guān)系，使它們可以獨(dú)立工作于不同的導(dǎo)電模式。因此，在利用電壓跟隨方法進(jìn)行功率因數(shù)校正時(shí)，令輸出電感工作于CCM，而輸入電感工作于DCM，從而減小了輸出電壓紋波，提高了變換器的效率。

2工作于DCM的CukAC/DC變換器的功

率因數(shù)校正能力

傳統(tǒng)的CukAC/DC變換器如圖1所示，當(dāng)其工作于DCM時(shí)，其輸入電流波形如圖2所示，從圖2可以得到，在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)，輸入電流iin的平均

圖1傳統(tǒng)的Cuk變換器

圖2輸入電流iin的波形

圖3改進(jìn)的VFPFCCukDC/DC變換器

圖4變換器的主要波形

值為：=(D＋D21)TSVin/L1（1）

由式（1）可以看出，由于D21的存在，與Vin不是線性關(guān)系，D21越小，與Vin越接近線性關(guān)系，從而變換器的功率因數(shù)校正能力越強(qiáng)。由電感的伏秒平衡可得：

VinDTS=(VC－Vin)D21TS（2）

從而D21=D（3）

從式（3）可以看出，欲減小D21從而提高變換器的功率因數(shù)校正能力，可以通過增加VC得以實(shí)現(xiàn)。本文提出經(jīng)改進(jìn)的Cuk變換器，通過一開關(guān)電容網(wǎng)把儲(chǔ)能電容分成兩個(gè)大小相等的電容，它們串聯(lián)充電，并聯(lián)放電，從而提高了變換器的功率因數(shù)校正能力，現(xiàn)分析如下：

在傳統(tǒng)的Cuk變換器中，假設(shè)電容C上的電壓為VC，則其儲(chǔ)藏的能量為CVC2/2，現(xiàn)由兩個(gè)大小為C/2的電容C1、C2儲(chǔ)藏相同的能量，設(shè)電容C1、C2上的電壓均為VCS，則：CVC2=C1VCS2＋C2VCS2=CVCS2（4）

從上式可以看出，VCS與VC相等，但電容C1、C2是串聯(lián)于電路中的，其上的電壓之和為2VC，這相當(dāng)于提高了式（3）中的VC，從而提高了Cuk變換器的功率因數(shù)校正能力。

3改進(jìn)的CukDC/DC變換器

在傳統(tǒng)的CukDC/DC變換器中，輸入與輸出電感具有相互依賴關(guān)系，即它們同時(shí)進(jìn)入DCM或CCM。為解除這種依賴關(guān)系，在傳統(tǒng)的CukDC/DC變換器中引入了一二極管VD0,在所提出的CukDC/DC變換器電路中，用一開關(guān)電容網(wǎng)代替儲(chǔ)能電容C，從而提高了變換器的性能。圖3為所提出的CukDC/DC變換器電路，在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的PFC電路。

在討論新的PFC電路之前，首先分析圖3所示的電路，為簡化分析，作如下假設(shè)：

（1）電路工作進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；

（2）所有元器件是理想的；

（3）開關(guān)頻率fs遠(yuǎn)大于輸入電壓頻率f，在每個(gè)

開關(guān)周期，輸入電壓保持恒定；

（4）電容C1、C2、C0足夠大，其上的電壓保持恒定。

圖3所示的電路中，電感L1工作在DCM模式，電感L2工作在CCM模式，其主要的波形如圖4所示，這時(shí)，電路有三種工作狀態(tài)，分析如下：

模式1（t0≤tt1）：開關(guān)S導(dǎo)通，電源Vin向電感L1充電，電流iL1線形上升,在t1時(shí)刻，iL1達(dá)到最大值VinDTS/L1；電容C1、C2并聯(lián)向電感L2，負(fù)載電容C0，負(fù)載電阻RL提供能量，電流iL2線性上升,在t1時(shí)刻,iL2達(dá)到最大值(VC－V0)DTS/L2。

模式2(t1≤tt2)：開關(guān)S斷開，電源Vin和電感L1經(jīng)二極管VD0向電容C1、C2充電，流過L1的電流iL1線形下降，在t2時(shí)刻，iin降為零。電感L2經(jīng)VD1給負(fù)載電容C0，負(fù)載電阻RL提供能量，iL2線性下降。