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一種基于三電平的單級(jí)PFC電路設(shè)計(jì)與仿真

作者: 時(shí)間:2010-12-18 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  O 引言

  目前,帶有功能的開(kāi)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(méi)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(kāi)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(wèn)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(guò)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(guò)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(xiàn)電容電壓、適應(yīng)寬電壓輸入場(chǎng)合和負(fù)載變化,已經(jīng)成為單級(jí)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)浼捌淇刂品绞剑岢隽藛渭?jí)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)器和組成,多電平諧振變換器可把開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的壓降限制在二分之一直流母線(xiàn)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(xiàn)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(guò)控制直流變換器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié);直流母線(xiàn)電壓則通過(guò)控制boost調(diào)節(jié)器的占空比來(lái)調(diào)節(jié)。

  1 電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/STRONG>

  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(kāi)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(lái)降低開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。電路中開(kāi)關(guān)管的工作時(shí)序如圖2所示。

三電平單級(jí)PFC的電路拓?fù)?hspace=0

電路中開(kāi)關(guān)管的工作時(shí)序

  在分析變換器的工作模式前,可先做如下假設(shè):

  (1)所有開(kāi)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。

  基于上述假設(shè),在階段1[t0,t1]:開(kāi)關(guān)管S3和S4導(dǎo)通。Boost電感(Lin)儲(chǔ)存能量,電感電流線(xiàn)性增加。流經(jīng)開(kāi)關(guān)管的電流是諧振電路和boost電感電流之和。諧振電路兩端電壓VAB為-Vbus/2;

  階段2[t1,t2]:開(kāi)關(guān)管S4關(guān)斷,箝位二極管Dc2將其電壓箝位于Vbus/2。Boost電感電流將流經(jīng)上方一對(duì)開(kāi)關(guān)管并對(duì)其體電容放電。此時(shí),VAB為零;

  階段3[t2,t3]:開(kāi)關(guān)管S3關(guān)斷(由于其體電容被放電,S3將零電壓關(guān)斷),電感電流繼續(xù)對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電,S1、S2體電容放電,待其完全放電后,其體二極管導(dǎo)通。此時(shí),VAB電壓為Vbus/2。

  階段4[t3,t4]:開(kāi)關(guān)管S1和S2同時(shí)零電壓導(dǎo)通。Boost電感電流和諧振電路電流同時(shí)流經(jīng)S1、S2。此時(shí)VAB電壓不變,仍為Vbus/2;

  階段5[t4,t5]:開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷,電壓被箝位二極管Dc1箝位于Vbus/2。諧振電流流經(jīng)S2和Dc1,此時(shí)VAB的電壓降為零;

  階段6[t5,t6]:開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷,諧振電流方向反轉(zhuǎn),并對(duì)S3、S4體電容放電;完全放電后,其體二極管導(dǎo)通。直到下一個(gè)周期開(kāi)始,S3、S4將零電壓導(dǎo)通。

  2 控制策略及穩(wěn)態(tài)分析

  2.1 控制策略

  本文中的變換器由多個(gè)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成。其控制變量也不止一個(gè)。因此,在設(shè)計(jì)時(shí),可以同時(shí)采用諧振電路的開(kāi)關(guān)頻率和boost電路的占空比兩個(gè)控制變量來(lái)分別達(dá)到控制輸出電壓和直流母線(xiàn)電壓的目的。本文分別選取boost電路的占空比來(lái)獲得需要的直流母線(xiàn)電壓。采用這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是,無(wú)論負(fù)載如何變化,都能得到所需要的直流母線(xiàn)電壓。

  2.2 boost模式

  本文設(shè)定的boost電路工作在DCM狀態(tài)下,這樣,當(dāng)boost電感充電時(shí),電感電流將從零開(kāi)始線(xiàn)性增加,其電流峰值為:

公式

  因此,在一個(gè)周期內(nèi),其平均電流為:

公式

  由于直流母線(xiàn)電壓的大小可根據(jù)不同的交流輸入電壓峰值而變化,其可表示為:

公式

  因此,當(dāng)輸入交流電壓的范圍是90Vms~265Vms時(shí),其直流母線(xiàn)電壓的大小為350~650V。

  3 仿真結(jié)果

  仿真時(shí),假設(shè)經(jīng)過(guò)上述分析所設(shè)計(jì)的一個(gè)單級(jí)PFC電路的具體電路參數(shù)為:輸出電壓48 V,功率2.3 kW,Vin=90~265Vms,Lr=7μH,Cs=10nF,Cp=15 nF,N1/N2=4,Lin=0.95 μH,儲(chǔ)能電容Cbl=Cb2=4700μF。

  若圖3所示為其輸入電壓和輸入電流的波形,且此時(shí)的交

流輸入電壓Vin為265Vms。那么,圖4所示即為負(fù)載變化情況下的功率因數(shù)及直流母線(xiàn)電壓的仿真圖。由圖4可見(jiàn),在不同的負(fù)載情況下,直流母線(xiàn)電壓基本維持在650 V左右;同時(shí),該變換器也擁有較高的輸入功率因數(shù)。

輸入電壓和輸入電流的波形

負(fù)載變化情況下的功率因數(shù)及直流母線(xiàn)電壓的仿真圖

  4 結(jié)束語(yǔ)

  本文研究并分析了一種較為新穎的單級(jí)功率因數(shù)校正電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該變換器由聯(lián)合boost電感組成。變換器的輸入輸出隔離,功率因數(shù)高,開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力小,并能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。仿真結(jié)果表明,該電路的輸出電壓穩(wěn)定,同時(shí),即使在輕載情況下,其直流母線(xiàn)電壓仍能保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。從而證明了文中電路和控制方式的高效性。



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