一種基于三電平的單級(jí)PFC電路設(shè)計(jì)

O 引言
目前，帶有功率因數(shù)校正功能的開關(guān)變換器通常分為兩級(jí)結(jié)構(gòu)和單級(jí)結(jié)構(gòu)兩種。兩級(jí)結(jié)構(gòu)電路具有良好的性能，但是元器件個(gè)數(shù)較多，與沒有PFC功能的電路相比成本會(huì)增加。而單級(jí)PFC變換器中PFC級(jí)和DC／DC級(jí)共用開關(guān)管，只有一套控制電路，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。但是，單級(jí)PFC電路上實(shí)際存在著一個(gè)非常嚴(yán)重的問題：即當(dāng)負(fù)載變輕、達(dá)到臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí)，多余的輸入能量將對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電。這一過程會(huì)使中間儲(chǔ)能電容兩端的電壓達(dá)到一個(gè)很高的值。這樣，在電路中，對(duì)于90-265 V的交流電網(wǎng)，該電壓會(huì)達(dá)到甚至超過1000 V。就目前的電容技術(shù)和功率器件技術(shù)而言，這么高的電壓都是不實(shí)際的。因此，降低母線電容電壓、適應(yīng)寬電壓輸入場合和負(fù)載變化，已經(jīng)成為單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)的熱點(diǎn)。
本文研究了適用于大功率單相單級(jí)變換器的電路拓?fù)浼捌淇刂品绞?，提出了單?jí)功率因數(shù)校正AC／DC變換器的設(shè)計(jì)方案。該P(yáng)FC變換器基于一種三電平LCC諧振變換器拓?fù)?，整個(gè)變換器由boost功率因數(shù)調(diào)節(jié)器和三電平諧振變換器組成，多電平諧振變換器可把開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的壓降限制在二分之一直流母線電壓。同時(shí)，該變換器在寬負(fù)載變化范圍內(nèi)，還能夠穩(wěn)定地調(diào)節(jié)輸出電壓，并獲得穩(wěn)定的直流母線電壓。其變換器的控制方式由兩個(gè)控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)，其中輸出電壓通過控制直流變換器的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)；直流母線電壓則通過控制boost調(diào)節(jié)器的占空比來調(diào)節(jié)。

1 電路拓?fù)浼肮ぷ髟?br /> 本文給出的三電平單級(jí)PFC的電路拓?fù)淙鐖D1所示。圖中，變換器輸入boost電感同下方一對(duì)開關(guān)管直接相連，DC-DC部分由三電平LCC諧振電路構(gòu)成。Boost電感可工作在CCM或DCM模式下。中間儲(chǔ)能電容Cb1和Cb2的容量相等，故可在電路穩(wěn)定工作狀態(tài)下均分輸入直流電壓，并與箝位二極管Dc1和Dc2一起來降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。電路中開關(guān)管的工作時(shí)序如圖2所示。

在分析變換器的工作模式前，可先做如下假設(shè)：
(1)所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件；
(2)電容Cb1和Cb2足夠大且相等，其電壓都為Vbus／2；
(3)輸出濾波電容Co足夠大，其電壓為Vo。