BIFRED-单级PFC电路.doc

BIFRED电路工作原理Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy storage DC/DC，简写为BIFREDBIFRED转换器的主电路结构图1所示为一个DCM Boost PFC转换器和反激转换器组合而成的两级转换器，通过储能用的大容量电容并联耦合，分别由PWM开关S1、S2控制。Boost转换器工作在DCM模式，具有功率因数校正的功能，开关的控制只是用来调节输出电压。可以将BoostPFC转换器和反激式转换器集成为单级，以省去反激式转换器中的开关S2，将变压器初级电路稍加改变。例如，把储能电容CB改成串接，把开关S1置于二极管D1之后，并改变变压器初级绕组的极性等，就形成了单级BIFRED转换器。其主电路如图2所示。功率因数校正与输出电压调节两部分共用一个开关管S1。图1 DCM Boost PFC转换器和反激式转换器组合而成的两级转换器图2 BIFRED转换器主电路BIFRED转换器虽然是单级，但分析时可以分别考虑PFC转换器和负载转换器的功能。（1）PFC转换器。DCM升压转换器由输人电感L1、二极管D1、开关管S1，储能电容CB组成PFC转换器,储能电容CB是一个关键元件，它既是DCMBoost转换器的输出滤波电容，也是CCM反激式转换器的输入电压源。（2）负载转换器。由变压器Tr、开关管S1、输出滤波电容C、输出二极管D2组成负载转换器，即工作于CCM模式的DCDC反激式转换器。反激转换器中Tr既是隔离变压器，也起电感的作用，变比为n1，假设等效励磁电感Lm并联于次级绕组，则LM中的电流即为励磁电流im。BIFRED转换器的工作原理图1所示为一个开关周期内BIFRED转换器的三个等效电路。假设输出滤波电容C很大，可以等效成为电压源Uo。图2为BIFRED转换器的工作波形图。TonDuTs为开关导通的时间，Du为占空比，Ts为开关周期；Toff（1Du）Ts为开关关断时间； Du1Ts为电流iL下降、但不为零的时问；（1-Du-Du1）Ts为电流iL等于零的时间。（1）0tDuTs，开关S1导通，D2关断。输入电流iL上升，上升的斜率为Udc/L1,为整流输入电压。L1储能，电容CB放电。变压器的励磁电感Lm储能，励磁电流上升，上升的斜率为UBnLm。等效电路如图1（a）所示。图1 一个开关周期内BIFRED转换器的等效电路（2）DuTst（DuDul）Ts，开关S1关断，D2导通。L1的储能对电容CB充电，iL下降，其下降斜率为-（UBnUo-dc）L1。励磁电感Lm的储能向负载释放，使励磁电流im下降，下降斜率为-Uo/Lm。等效电路如图1（b）所示。（3）t（Du，Du1）Ts，开关S1仍然关断，电流iL等于零，励磁电流im继续以同样的斜率线性下降。等效电路如图1（c）所示。前面已经说明，DCM Boost PWM转换器的电感电流峰值iLPK正比于sin|t|，具有PFC功能。一个BIFRED转换器样机的实验结果如下：Uo5V，P。90W，fs50kHz，71.12，输人电流的3次谐波为16.84，5次谐波为2.715，7次谐波为2.3。图2 BIFRED转换器的工作波形BIFRED转换器的转换比（增益）M假设BIFRED转换器的输出电压U0及储能电容器上的电压UB为直流，即忽略其2倍工频纹波。根据L1和Lm承受电压的伏秒平衡规律,L1工作在DCM模式：Lm工作于CCM模式：DudcDu1（UBnU。-U） （837）可知，BIFRED转换器的转换比M与负载电流、开关频率等有关。有源功率的储能电容CB的电压应力对于BIFRED和BIBRED转换器来说，储能电容CB既是PFC级转换器的输出滤波电容，也是负载级转换器的输入电压源。在恒频下轻载工作时，负载电流下降，开关管的导通时间ton和占空比Du减小，但负载级转换器的电压调节作用使U。保持不变；则由式（840）可知UB将增大。将式（8-42）、式（843）代人式（837），可以得到UB的估算式如下由式（8-44）可知，在轻载情况下或输人电压增高、工作频率降低时，UB都将升高。根据式（844）的计算可以得到BIFRED转换器储能电容CB的电压应力曲线UBf（I。，ui），如图1所示，Ui表示市电电网交流输人电压的有效值，10，U。5V，fs50kHz，L1170 H图1 BIFRED转换器储能电容CB的电压应力曲线，UBf（I。，u）对于国际通用的电网电压（AC 85265 V），BIFRED和BIBRED转换器在轻载时，CB的电压应力UB将达到很高的数值。例如由图1的曲线可知，若输人交流AC 270 V，满载时电压应力UB约为500V，20负载（4 A）时，UB将达到900 V。因此BIFRED和BIBRED转换器用常规控制时，不适用于国际通用输入电压的情况。集成PFC整流器调节器的优、缺点集成PFC整流器-调节器（BIFRED和BIBRED转换器）的优点是：电路简单，成本低；可以隔离绝缘；谐波电流满足IEC1000-3-2；输出电压可以调节。存在的问题是：轻载时，储能电容CB电压应力高；开关关断时，开关电流应力大。使储能电容CB承受的黾压CB：与负载无关的一种办法是：升压PFC转换器和负载转换器均工作在DCM模式，但这样将增大器件的电流应力，使导通损耗增大。表1给出了PFC级和负载级工作模式不同的三种方案的比较。表1 BiFRED运行模式不同的三种方案优、缺点比较PFC同时实现对输入电流整形及对输出电压调节的设计方案1 引言近年来PFC技术是电力电子学界的一个热门话题，已经提出了许多PFC电路。目前，带有功率因数校正的开关变换器通常分为两级结构和单级结构。在两级结构中，第一级类似于Boost型PFC电路，目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波;第二级为DC/DC变换器或DC/AC变换器，目的在于调节输出以便与负载匹配。由于两级分别有自己的控制环节，使得这个电路具有良好的性能，但是，元器件个数太多，与没有PFC的相同电路相比，成本约增加15%。为了使AC/DC电源在满足谐波标准的同时，能够实现低成本、高性能，于是对单级PFC的需求越来越紧迫，特别是在小功率应用场合。单级PFC变换器使PFC和DC/DC级共用一个开关管，只有一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。但是，单级功率因数校正电路有自己的缺点，当PFC级工作在DCM模式，轻载时，直流母线(Bus)上的电压将成为主要问题。本文将从理论上推导DC/DC级工作在DCM模式时的直流母线电压的公式(DC/DC级工作在CCM时的情况见文献2)，然后通过实验验证，为解决问题提供理论依据。同时，通过直流母线的推导，顺便推导出电路的PF和THD。2 电路工作原理单级功率因数校正的主电路图如图1所示，它是一种简单的BIFRED(Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy Storage/DC-DC Converter)，工作波形见图2。图1 主电路示意图图2 工作波形图虽然BIFRED只有一个开关，但是和两级的功能却是一样的。实际上，输入电感L1，二极管D1，开关S1，和储能电容C1组成了一个DCM Boost功率级，而开关S1，带励磁电感Lm的变压器，输出二极管D2和输出滤波电容C2组成了一个反激级。其中变压器原副边匝比n=N1。0-t0段开关S1导通，L1通过输入整流电压储能，电感电流iL1(=iin)上升。同时，励磁电感Lm通过电容C1放电而储能，这时电容C1和变压器原边是并联的。因而，励磁电流上升。二极管D2由于反向偏置被关断。t0-t1段t0时刻开关S1关断，随着电感电流iL1下降到0，储存在电感L1中的能量转移到电容C1。在这个阶段，D2导通，所以储存在Lm中的能量转移到输出电阻。励磁电流下降。t1-t2段t1时刻iL1下降到0，但励磁电感Lm中的电流iLm可能还没到0，假设在t2时刻iLm下降到0，则二极管D2关断。为了获取输入电流的低谐波畸变，L1必须工作在DCM，也就是说，iL1必须在开关S1再次导通前下降到0。通常情况，Lm可以工作在DCM或者CCM。但是CCM工作存在轻载直流母线电压过高的问题。所以在设计中应使L2工作在DCM状态下。3 理论推导3.1 直流母线电压的理论推导根据电感L1的伏秒平衡，得到DTs= (1)式中：uin（t）为输入电压瞬间值；L1为Boost电感；Ts为开关周期；DTs为开关导通时间；Uo为输出电压；Ub为直流母线电压（bus voltage）；n为变压器匝比；D1Ts为电感电流的续流时间（D式（1）化简得D1= (2) 通过电感电流围成面积计算，可得Iav(sw)= （3）式中：Iav（sw）为输入电流的开关周期平均值；Ip为输入电流一个开关周期的峰值。把式（2）代入式（3），并令Ip= ，得到Iav(sw)=D2uin(t)（4） 令T为工频周期，则电路输入功率Pin可由式（5）得到 Pin=Iav(sw)uin(t)dt（5） 令uin=Upsin(t)，把式（4）代入式（5），得到 Pin= sin2(t)dt（6）而输出功率Po为Po= （7）式中：L2为原边励磁电感，L2=n2Lm; fs为开关频率。 把Ip=代入上式，得到Po=D2Ts（8）不考虑损耗，由Pin=Po可得 dt=1 (9) 通过上式，把已知条件(输出电压12V，n=7，开关频率50kHz)代入，就可以通过解方程得出直流母线电压Ub。图3为在不同条件下计算后所得到的直流母线电压图，横坐标是输入电压有效值（V），纵坐标是直流母线电压值（V）。图3 直流母线电压变化图3.2 输入电流PF以及THD计算功率因素（Power Factor）是实际消耗的功率与电力供给容量之比值。所以功率因素越高，电力在传输过程中即可减少无谓的损失并提高电力的利用率。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1.功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。如果令= ，且Uin=Upsin()，则式（4）可变为 Iav(sw)= （10）这就是输入电流的具体表达式。如果在输入电压90V,输出电压12V,L1/L2=0.5,n=7,开关频率50kHz时，通过式（9）得到直流母线电压为151.628V.这时=0.382,如果令输入电压是标准正弦波，且与输入电流同相，则通过对式（10）进行傅立叶分析，可以得到输入电流功率因数PF=0.98.总谐波畸变（THD）的计算公式为 THD= 100（11）可得到THD=4.12%4 实验结果实验中，输入电压为90250V，输出电压12V，输出功率72W，L1/L2=0.4，n=7,开关频率50kHz。图4是在输入电压90V时，本单级PFC实验的输入电压和电流波形