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改进的单级功率因数校正AC/DC变换器的拓扑综述

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:单级功率因数校正(简称单级PFC)由于控制电路简单、成本低、功率密度高在中小功率场合得到了广泛的应用。但是,单级PFC中存在一些问题,如储能电容电压随输入电压和负载的变化而变化,在输入高压或轻载时,电容电压可能达到上千伏;变换器的效率低;开关损耗大等缺点。介绍了几种改进的拓扑结构以解决这些问题。

    关键词:功率因数校正;AC/DC变换器;单级

1 概述

为了减小对交流电网的谐波污染,国内外都制订了限制电流谐波的有关标准(如IEC1000-3-2)。因此,要求交流输入电源必须采取措施降低电流谐波含量,(范文先生网www.fwsir.com收集整理)提高功率因数。目前广泛采用的有源功率因数校正方法有两种,即两级PFC和单级PFC。两级PFC方案[1]如图1所示,将PFC级输出端与DC/DC变换器相串联,两级控制电路相互独立。

PFC级使输入电流跟随输入电压,使输入电流正弦化,提高功率因数,减少谐波含量。后接的DC/DC级实现输出电压的快速调节。由于采用两级结构,电路复杂,装置费用高,效率低。在小功率应用场合,两级PFC很不适用。因此,研究单级PFC及变换技术成为电力电子领域中的一项重要课题。
改进的单级功率因数校正AC/DC变换器的拓扑综述
    单级PFC[2][3]将PFC级和DC/DC级组合在一起共用一个开关管和一套控制电路,同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。它与两级方案不同的是,控制电路只调节输出电压,保证输出电压的稳定,在稳态时,占空比恒定,因此,要求PFC级的电流能自动跟随输入电压,虽然,单级PFC变换器的输入电流不是正弦波,改进的单级功率因数校正AC/DC变换器的拓扑综述PF值不如两级方案高,但由于IEC1000-3-2只对电流谐波含量有要求,对PF值没有严格的要求,单级PFC变换器的输入电流谐波足以满足IEC1000-3-2。而且由于采用单级结构,电路简单,成本低,功率密度高。

因此,单级PFC变换器在小功率场合得到了广泛的应用。本文主要对单级PFC的拓扑进行了分析,指出了存在的问题,介绍了几种改进的拓扑结构以解决这些问题。

2 单级隔离式Boost PFC电路的分析及存在的问题

典型的单级隔离式BoostPFC电路如图2所示,该拓扑是由升压型PFC级和正激式DC/DC变换器组合而成。有源开关S为共享开关,CB为缓冲电容。通过控制S的通断,电路同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。

众所周知,电流断续模式(DCM)的Boost变换器,在固定占空比下电流自动跟随输入电压,因此,PFC级工作在DCM下可以得到较高的功率因数。但是,输入和输出电感电流的峰值较高,增加了有源开关的电流应力和开关损耗;变换器的效率低;另外电路需要一个更大的EMI滤波器。如果要求减小开关器件的电压、电流应力,那就需要PFC级工作在电流连续模式(CCM)下,同时可以提高整个变换器的效率并减小EMI。如在图2的a和b之间加一电感L1,可以使PFC级工作在CCM下。对于DC/DC变换器而言,为了提高变换器的效率,一般工作在CCM下,因此,占空比不随负载变化。当负载变轻时,输出功率减小,而PFC级输入功率同重载时一样,则充入储能电容的容量大于从储能电容抽走的能量,导致储能电容电压上升。为了保持输出电压一致,电压反馈环调节输出电压,使占空比减小,输入能量也相应减小,这个动态过程要到输入和输出功率平衡后才停止。负载减小带来的后果是直流总线电压明显上升,也就是电容电压明显上升,甚至达到上千伏。
改进的单级功率因数校正AC/DC变换器的拓扑综述
    降低电容电压通常有两种方法:一种方法就是采用变频控制[4],可以使电容电压低于450V,但是频率变化范围可能高达十倍,不利于磁性元件的优化设计;另一种就是采用变压器绕组实现负反馈。如果PFC级和DC/DC变换器都工作在CCM下,输出功率减小时,虽然占空比不变,但输入功率也会相应减小,抑制了储能电容电压的增加,它的效率是最高的,PF值有所降低,但是,很难找到一种拓扑完全工作在CCM下,设计上也相对复杂。串联单级PFC变换器的功率流图如图3所示,从图中可以看出,功率由输入传送到输出,经过了两次变换,效率低。
改进的单级功率因数校正AC/DC变换器的拓扑综述

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