摘要：提出了一種具有恒功率控制的單級(jí)功率因數(shù)校正電路。該電路功率因數(shù)校正級(jí)工作在電流斷續(xù)模式，具有較低的總諧波畸變和較高的功率因數(shù)。該電路的直接能量傳遞方式降低了直流母線(xiàn)電壓并且提高了電路的效率。采用恒功率控制方式使得電路具有良好的輸出特性。并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了電路的可行性。

    關(guān)鍵詞：變換器；單級(jí)功率因數(shù)校正；恒功率控制

引言

近年來(lái)，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的兩級(jí)PFC電路的主要缺點(diǎn)是成本高以及控制電路復(fù)雜。單級(jí)功率因數(shù)校正（SSPFC）變換器[1][2][3][4]，將PFC級(jí)和DC/DC級(jí)結(jié)合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC變換器在負(fù)載變輕時(shí)存在直流母線(xiàn)電壓過(guò)高的問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]采用反饋線(xiàn)圈雖然降低了直流母線(xiàn)電壓，但卻減小了線(xiàn)電流的導(dǎo)通角，從而增加了總諧波畸變（THD）。

為了解決上述問(wèn)題，確保在負(fù)載變化時(shí)降低直流母線(xiàn)電壓和減少THD，本文提出了一種具有恒功率控制的SSPFC變換器。能量直接傳遞方式使得該電路在沒(méi)有減小線(xiàn)電流導(dǎo)通角的情況下降低了直流母線(xiàn)電壓。恒功率控制使得變換器的輸出在輸出電壓高的時(shí)候可以看成電壓源，在輸出電壓低的時(shí)候可以看成電流源，并且當(dāng)輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化的時(shí)候，輸出功率近似恒定。

1 電路工作原理

單級(jí)功率因數(shù)校正電路的原理圖如圖1所示。它實(shí)際上是由一個(gè)Boost變換器和一個(gè)flyback變換器組合而成的。Boost變換器工作在DCM模式，在占空比和頻率恒定的情況下可以達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。flyback變換器可以工作在DCM或CCM模式。

為了分析方便，假定整流電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中為定值，電容CB足夠大使得電壓VB基本恒定，flyback變壓器視為理想變壓器，在原邊并聯(lián)勵(lì)磁電感Lm，flyback變換器工作在CCM模式。則該電路有3種工作模式如圖2所示，主要工作波形如圖3所示。

    工作模式1（t0－t1）t0時(shí)刻開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，直流母線(xiàn)電壓VB加在勵(lì)磁電感Lm上，由于flyback變換器工作在CCM模式，則電流im線(xiàn)性上升可表示為

im=VB/Lm(t－t0)＋im(t0)  （1）

而電感Lb工作在DCM模式，電流iLb由零線(xiàn)性上升，其表達(dá)式為

iLb=|Vin|/Lb(t－t0)   （2）

開(kāi)關(guān)S上流過(guò)的電流可表示為

isw=iLb＋im   （3）

由于二級(jí)管Df反向偏置，所以線(xiàn)圈Ns和Np上沒(méi)有電流流過(guò)。

    工作模式2（t1－t2）開(kāi)關(guān)S在t1時(shí)刻關(guān)斷，二極管Df正向偏置，勵(lì)磁電感Lm上的電壓為nVo(其中n=Np/Ns)，則電流im線(xiàn)性下降可表示為

im=－nVo/Lm(t－t1)＋im(t1)   （4）

開(kāi)關(guān)S上的漏源電壓VDS為VB＋nVo，電感Lb上的電流iLb流過(guò)線(xiàn)圈Np和電容CB線(xiàn)性下降，其表達(dá)式為

iLb=－(VB+nVo-|Vin|)/Lb(t－t1)＋iLb(t1)   （5）

因此，原邊線(xiàn)圈Np和副邊線(xiàn)圈Ns上流過(guò)的電流可分別表示為

ip=iLb＋im   （6）

is=nip=n(iLb＋im)  （7）

    由式（7）可以看出副邊電流由兩部分組成，負(fù)載不但從勵(lì)磁電感Lm上獲取能量而且直接從電感Lb上獲取能量，這就意味著一部分能量可以不經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能電容CB而直接傳遞給負(fù)載，因此，大大提高了效率并且降低了直流母線(xiàn)電壓。

工作模式3（t2－t3）t2時(shí)刻電流iLb下降到零，二極管Db反向偏置，勵(lì)磁電流繼續(xù)以斜率nVo/Lm線(xiàn)性下降直到t3時(shí)刻開(kāi)關(guān)S再次導(dǎo)通。此時(shí)原邊線(xiàn)圈Np和副邊線(xiàn)圈Ns上的電流可分別表示為：

ip=im   （8）

is=nip=nim   （9）

2 恒功率控制方法

圖4給出了恒功率控制的框圖，圖中KVV和KIIo分別為電壓采樣值和電流采樣值，通過(guò)電阻R3及R4的分壓得到第一個(gè)運(yùn)放的正向輸入端電壓為＋，信號(hào)放大后得到運(yùn)放的輸出端電壓為，這一點(diǎn)的電壓和第二個(gè)運(yùn)放的反向輸入端電壓相等，根據(jù)運(yùn)放的虛短特性，得到第一個(gè)運(yùn)放的輸出電壓與第二個(gè)運(yùn)放的正向輸入端電壓相等，即=Vref，由此可得到式（10）。

(KiIoR4/R3+R4)＋(KVVoR3/R3+R4)=VrefR1/(R1+R2)   （10）

假設(shè)a=R2/R1，b=R4/R3，則式（10）表示為

(KiI0b/1+b)＋(KvV0/1+b)=(Vref)/(1+a)   （11）

從式(11)可以得到輸出功率Po的表達(dá)式為

Po=VoIo=－(Kv/K1b)Vo2＋[Vref(1+b)/K1b(1+a)]Vo   （12）

    從式（12）可以看出Po～Vo曲線(xiàn)是一條拋物線(xiàn)，在拋物線(xiàn)的頂點(diǎn)附近，輸出功率Po近似恒定。以輸出電壓80V，輸出功率80W為例，取KV=0.01，KI=0.1，Vref=5V，使拋物線(xiàn)的頂點(diǎn)位于Vo=80V，Po=80W處，則可以計(jì)算出a=27.13，b=8.00。于是式(12)可表示為

Po=－0.0125Vo2＋2Vo   （13）

當(dāng)輸出電壓變化范圍為60V～100V（±25％）時(shí)，輸出功率變化為6.25％。

該電路同?具有限壓和限流的功能，通過(guò)變換式(11)可得

Io=2－0.0125Vo   （14）

Vo=160－80Io   （15）

可見(jiàn)在輸出短路時(shí)電流被限制在2A，在輸出開(kāi)路時(shí)電壓被限制在160V。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述主電路及控制電路，采用以下參數(shù)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)：Lb=300μH，CB=470μF/450V，Lp=Ls=600μH，fs=50kHz，RL=80Ω。

    圖5為輸入線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流實(shí)驗(yàn)波形；圖6為輸入電壓變化時(shí)，測(cè)量的電路效率，可以看出電路效率在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)可以達(dá)到82％以上，比文獻(xiàn)[2][3]中所提出的電路的效率要高；圖7和圖8分別為不同輸入電壓時(shí)，功率因數(shù)和THD的測(cè)量結(jié)果，由圖7可見(jiàn)，電路的功率因數(shù)在輸入電壓為100～150V時(shí)可以達(dá)到0.98，在輸入電壓為220V時(shí)也可達(dá)到0.96；圖9為輸入電壓為220V時(shí)，在不同負(fù)載下直流母線(xiàn)電壓VB的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真與實(shí)驗(yàn)都證明在負(fù)載變化時(shí)直流母線(xiàn)電壓VB可以控制在380V以下。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種具有恒功率控制的單級(jí)功率因數(shù)校正電路。該電路PFC級(jí)工作在DCM模式，具有較低的THD和較高的PF。該電路的直接能量傳遞方式降低了直流母線(xiàn)電壓并且提高了效率。采用恒功率控制方式使得電路具有良好的輸出特性，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)直流母線(xiàn)電壓變化不大。