單級功率因數(shù)校正(PFC)研究的新進(jìn)展
1 引言
由二極管和濾波電容組成的整流電路,被大量用作電子設(shè)備的前端電源。由于電路的非線性,這類電源的輸入電流并不是正弦的,包含大量諧波,而且功率因數(shù)較低。因此,有必要對這類電源的輸入電流進(jìn)行波形整定(Input Current Shaping,ICS),對其功率因數(shù)進(jìn)行校正。
近幾年來,PFC技術(shù)已得到大量研究,有了許多實(shí)現(xiàn)方案。其中較成熟的是兩級式PFC變換器。兩級式PFC對諧波的處理效果較好,可以達(dá)到較高的功率因數(shù);具有獨(dú)立的PFC級,可以對輸入DC/DC級的直流電壓進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié),輸出電壓比較精確;帶載能力比較高,適合于功率較高的場合。但是,它所需的元器件較多,成本較高;功率密度低,損耗比較大;尤其對于中小功率的電子設(shè)備,很不經(jīng)濟(jì)。因此,將PFC功能與DC/DC功能融為一體的單級式PFC應(yīng)運(yùn)而生,以彌補(bǔ)兩級PFC的不足。
目前,單級式PFC已成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。許多新的電源技術(shù)被應(yīng)用到單級式PFC
(a)三端式單級PFC電路框圖
(b)基本的單級PFC變換器電路
圖1 單級PFC電路
從圖1(b)可以看到,典型的單級PFC變換器是由Boost變換器與基本的功率變換器合成的。兩部分共用一個(gè)開關(guān)管,其中D1電路是充電電路,D2是放電電路(同時(shí)防止開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流倒流)。由于控制電路只是完成輸出電壓整定的任務(wù),因此要求變換電路本身具有自然的PFC功能。而Boost變換器恰恰具有這種內(nèi)在的功率因數(shù)校正能力。
從圖1(a)可以看到,典型的PFC變換器是直接與交流電路相連的,因此,瞬時(shí)輸入功率是隨時(shí)變化的,要得到穩(wěn)定的功率輸出,儲能電容CB是必需的功率平衡手段。但由于整流后的輸入電壓同負(fù)載大小無關(guān),因此負(fù)載越輕,積累在CB上的不平衡能量就越多。這導(dǎo)致CB上的電壓應(yīng)力很大,對器件耐壓的要求很高。
基于典型單級PFC的上述特點(diǎn),在開發(fā)新結(jié)構(gòu)的單級PFC電路時(shí),應(yīng)盡可能滿足以下幾個(gè)方面的要求:
1)變換器電路要有較好的諧波處理能力,可以滿足各種標(biāo)準(zhǔn)的要求;
2)變換器要有較好的穩(wěn)定輸出電壓能力;
(a)單級PFC變換器電路拓?fù)?
(b)雙端式單級PFC電路框圖
圖2 改進(jìn)的單級PFC變換電路
在實(shí)際應(yīng)用中,還常用到如圖2(b)所示的雙端式單級PFC電路。它與三端式單級PFC電路類似,但充、放電電路的連接方法與三端式有差別。實(shí)際上,雙端式單級PFC電路往往與三端式PFC有相對應(yīng)的關(guān)系,兩類電路的工作原理、以及所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是基本一致的,兩者間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系見參考文獻(xiàn)[2]。
3.2 與其它變換器電路的結(jié)合
PFC技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)逐漸融入到許多優(yōu)秀的變換器電路中。這些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很好地抑制電源輸入諧波,整定輸入電流波形,同時(shí)又具有極好的輸出特性。充分發(fā)揮了PFC電路和功率變換電路的特點(diǎn)。
根據(jù)圖1中單級PFC變換器的原理,我們可以將Boost電路與其它功率變換器結(jié)合在一起。圖3將Boost電路與全橋變換器合成單級PFC電路。實(shí)際應(yīng)用中可參照文獻(xiàn)[2]的方法,對Dx1、Dx2的充放電電路進(jìn)行改進(jìn),可以得到更好的效果。該電路可以實(shí)現(xiàn)對輸入電流波形的整定,同時(shí)又可以工作在較大功率場合,發(fā)揮了全橋電路的特點(diǎn)。同樣,PFC電路還可以與其它電路結(jié)合,能收到很好的效果。
圖3 單級全橋PFC變換器
3.3 有源鉗位和軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用
與普通DC/DC變換器相比,單級式PFC變換器具有電壓應(yīng)力大、損耗大的缺點(diǎn)。因此,人們又將有源鉗位和軟開關(guān)等技術(shù)應(yīng)用到單級式PFC變換器當(dāng)中,使主、輔開關(guān)在軟開關(guān)條件下開關(guān),減少損耗,或降低電路的電壓應(yīng)力,從而使單級式PFC變換器電路能夠得到實(shí)際應(yīng)用。
圖4中,有源鉗位電路由S2、Cc構(gòu)成。主開關(guān)S1關(guān)斷后,Cr充電,當(dāng)Vcr被充電到Cc的電壓Vc時(shí),輔助開關(guān)S2導(dǎo)通,則S1的電壓被鉗位在Vc,降低了S1的電壓應(yīng)力。
圖4 帶有源鉗位和軟開關(guān)的Boost單級隔離式PFC變換器
軟開關(guān)過程則由諧振電感Lr、寄生電容Cr的諧振來實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān),必須適當(dāng)選擇Lr,且要求Lr遠(yuǎn)小于勵磁電感Lm。Lr越大,越容易滿足主開關(guān)的ZVS(Zero Voltage Switching)條件,但Lr的增大會增加開關(guān)管S1、S2的電壓應(yīng)力,帶來更多的占空比丟失;而Lr越小,輸出二極管VD3的電流下降率diD3/dt就會越大,帶來嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題。
3.4 單級并聯(lián)PFC電路
針對傳統(tǒng)兩級式PFC電路的缺點(diǎn),單級PFC變換器把PFC級與DC/DC功率轉(zhuǎn)換級整合在一起,達(dá)到了減少器件數(shù)量、簡化控制電路、提高功率密度的目的,并力圖使整個(gè)變換器電路具有較高的效率、較好的輸出穩(wěn)定性。但在單級電路中,由于單個(gè)開關(guān)管須同時(shí)實(shí)現(xiàn)PFC功能和輸出電壓整定功能,因此,其效率、輸出等性能都遜色于兩極式PFC變換器。針對這一問題,又產(chǎn)生了新的并聯(lián)式PFC電路。與兩級式電路及普通單級電路相比,這種電路的效率較高,輸出特性也比較好。
圖5(a)是基本的并聯(lián)式PFC變換器原理圖。在一個(gè)周期中,PFC級無需處理所有的傳輸功率,這是并聯(lián)式PFC的基本特征。
(a) 基本的并聯(lián)式PFC變換器
(b) 單級并聯(lián)式PFC變換器
圖5 并聯(lián)式PFC變換器
對于圖5(a)的并聯(lián)PFC變換器,其輸入輸出的功率關(guān)系如圖6(a)所示。在t0-t1時(shí)刻,Pin>Po,功率P1經(jīng)主電路傳輸?shù)捷敵鰝?cè),無需經(jīng)過PFC級,多輸入的功率Pin-Po積累在儲能電容中。在t1-t2時(shí)刻,PinPo,輸出功率的一部分由電源主電路和PFC級提供,差額部分Po-Pin由儲能電容經(jīng)PFC級提供。陰影部分P1占平均輸入功率的68%左右,為直接經(jīng)由主電路傳輸?shù)捷敵鰝?cè)的功率;陰影部分P2占32%左右,為儲能電容提供給輸出側(cè)的功率。
圖5(a)的并聯(lián)PFC變換器,其主電路、輔助PFC電路各需要一個(gè)變壓器,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,體積、重量較大,成本也比較高,因此常用于較大功率的場合。在中、小功率場合,常用圖5(b)的單級并聯(lián)PFC變換器。該電路中,主電路、輔助電路被整合在一起,輸入功率Pin和32%的功率差額都由同一功率級進(jìn)行處理。圖6(b)是單級并聯(lián)PFC電路的概念圖。
(a) 基本并聯(lián)式輸入輸出功率關(guān)系
(b) 單級并聯(lián)輸入輸出功率概念圖
圖6 并聯(lián)PFC變換器輸入輸出功率關(guān)系
圖7則是一個(gè)實(shí)際的反激式單級并聯(lián)PFC變換器電路。圖中輸入電感Lin、變壓器激磁電感Lm、附加線圈N2完成圖6(b)中受控電壓源的功能。實(shí)驗(yàn)證明:該電路輸入電流平均值與負(fù)載電流反饋有關(guān),隨負(fù)載電流變化,這種自身具有的負(fù)載電流反饋的性質(zhì),可以使電路在輕載時(shí)不需要減少占空比就可以降低輸入功率;另外,這種電路不會增加開關(guān)管的電流應(yīng)力,并可以減少儲能電容的電壓應(yīng)力以及其它有源器件的電路應(yīng)力。
圖7 單級反激式并聯(lián)PFC電路
4 結(jié)語
近些年來,對單級式PFC變換器電路的大量研究,基本上都是圍繞著本文所述的四個(gè)目標(biāo)進(jìn)行的。由于單級式PFC變換器電路有著先天的缺點(diǎn),減少其電壓應(yīng)力、降低損耗就有著格外重要的意義,本文提到的三類拓?fù)浞矫娴母倪M(jìn),都是針對這一目標(biāo)來進(jìn)行的。當(dāng)然,對一個(gè)變換器而言控制也有著格外重要的作用,最近,許多與數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合的單級PFC變換器已成為研究的熱點(diǎn)。一個(gè)優(yōu)秀的PFC變換器必然是好的拓?fù)浜秃玫目刂萍夹g(shù)的結(jié)合。今后,圍繞著本文中的幾個(gè)目標(biāo),新的單級PFC拓?fù)浼翱刂撇呗詫⒉粩嗟乇惶岢觥K羞@些研究必將推動單級式PFC變換器的應(yīng)用。
評論