（电力电子与电力传动专业论文）多种pfc电路拓扑结构的研究.pdf

a b s t r a c t p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h eh a r m o n i cw a v e s a t p r e s e n t ，s t r i c t e ra n ds t r i c t e rh a r m o n i cw a v e s s t a n d a r d sa r ed e f i n e do nt h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n tf o re l e c t r i c a ls a f e t y p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i ti sn e e d e dt ol o w e rt h e c o n t e n to ft h eh a r m o n i cw a v e s f o rm o s tp o w e rs u p p l y , t h eh a r m o n i cw a v e sc o m e f r o mt h ec u r r e n tf l o w st h r o u g ht h er e c t i f y i n gd i o d e sw h i c hd o n th a v ec u r r e n tf l o w t h r o u g hw h e nt h ev o l t a g ed o e s n tr e a c ht h eb r e a k o v e rv o l t a g e b yf o u r i e ra n a l y s i s ， t h i sd i s t o r t e dc u r r e n tc o n t a i n sv e r yh i g hc o n t e n to fh a r m o n i cw a v e s c u r r e n t l y , a l t h o u g ht h ec i r c u i td e s i g n e dt oi m p r o v et h ep o w e rf a c t o rc a ng e tah i g hp o w e rf a c t o r , a tt h es a m et i m e ，i tn e e d sh i g hc o s t ，a n dt h es w i t c h i n gl o s s e so ft h ee n t i r ec i r c u i ta r e t o oh i g h f o rt h i s ，t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt o p o l o g y , t h em a i nc o n t e n t sa r e f i r s t ，t h i sp a p e rs t u d i e st h em o s tw i d e l yu s e dc u r r e n tm o s tw i d e l yu s e dp a s s i v e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tt o p o l o g ya n da c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t t o p o l o g y , a n a l y z e st h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e ，p o i n t st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s s e p a r a t e l y , a n dt e l l st h e i rl i m i t a t i o n so fa p p l i c a t i o n b e s i d e si tf o c u s e so nat y p i c a l p a r to ft h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ，a n a l y z e si t ss t r u c t u r e ，w o r k i n g p r i n c i p l e ，t h ef i n a lw a v e f o r ma n di t sw o r k i n ge f f i c i e n c y t h e n ，c o m b i n i n gt h ec h a r g ep u m pa n dt h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t t o p o l o g y , t h i sp a p e rd e s i g n san e wp a r to fa c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t t o p o l o g y a n dt h e n i tg i v e st h ea n a l y s i so fi t st o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e ，e s t a b l i s h e si t sw o r k i n gs t a t em o d e la n di t sc o n t r o la l g o r i t h m i na d d i t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n so v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i ta n do v e rv o l t a g e p r o t e c t i o nc i r c u i t ，d e s i g n se m if i l t e rc i r c u i t ，t e l l sh o w t os e l e c tt h ec a p a c i t o r sa n d i n d u c t o r su s e di nt h ec i r c u i t ，c o m b i n i n gw i t ht h ec i r c u i ta n dc o n t r o la l g o r i t h m ，b u i l d s t h es i m u l m i o nm o d e l g e t st h es i m u l a t i o nw a v e sw h e ni t sl o a dc h a n g e sf r o m0t o 2 0 f 2 ，a n df r o m2 0 f 2t o4 0 q ，g e t st h es i m u l a t i o nw a v e f o r mo ft h eo u t p u tc u r r e n t s h a r m o n i cc o n t e n tm a p f i n a l l y , i ta n a l y z e st h e s es i m u l a t i o nw a v e sa n dt h eo u t p u t c u r r e n t sh a r m o n i cc o n t e n tm a p s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h en e wp a r to ft h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n c i r c u i tt o p o l o g yc a na c h i e v eah i g hp o w e rf a c t o r , a n dw h e nt h el o a d sc h a n g e s ，t h e c i r c u i tc a nr e s p o n dq u i c k l yt oa d a p tt ot h en e w v o l t a g ew a v e f o n n k e yw o r d s ：p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，t o p o l o g y , c h a r g ep u m p ，c o n t r o l a l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了说明并表示了致谢。 签名：一熟一薹彝一同期至! l 一兰： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采j j 影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工火学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：缸凌导师( 签名)：廊嵋 j 日期：p f 。 武汉理t 大学硕：l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 功率因数校正技术研究背景 电力电子技术经过近些年的快速发展，各类电力设备及电子设置己与人类 的生活紧密联系在一起，而各类电器设备或家电都需要为其提供电源。电源技 术已被广泛应用到电力系统、计算机、军事、航天、通讯、家电等领域，其领 域涉及到国民经济的各行各业。电源除为各用电设备提供电能外，大部分还为 其电力电子装置提供整流器与电力网相接的桥梁。 普通的整流器是由几个二极管或者晶闸管连接成桥式或无桥组成的一个非 线性电路，之后再接一个电容，用来隔断输出电压罩的低频纹波。它或许可以 得到一个波形相对较为平的直流电压源，但通过二极管或晶闸管的特性我们可 以得出：在每半个周期内，只有在整流器输入端的电压值大于后面的负载直流 电压源时二极管或晶闸管才会导通，才会有输入电流存在。我f i x , j - 得到的畸变 电流进行傅罩叶分析就可知，除开基波分量外，它还含有无数其它次的谐波分 量，这些谐波电流也会一起流入电网。因此整流器的大量使用势必会在电网中 产生不可忽视的电流谐波和无功，进而对电网形成了污染，成为了电力公害。 谐波电流流过输电线路，在线路阻抗上产生的电压降使原来为正弦波的电 网电压发生畸变，这种现象的发生直接影响了供电系统的供电质量；变压器中 若存在谐波分量，不但会使铜损增多，还增加了变n i 器内的磁滞和涡流损耗， 而且也会给电机的定、转子带来损耗，进而增加电嘲的损耗；此外，因谐波而 产生的噪声、机械振动以及过电压现象还容易使电网内的电气设备因过热而出 现故障，影响其萨常工作，谐波本身还会对通信产生1 i 扰，使测醚仪表因产生 i 皆波误差而产生继电保护装置的误动作等在应用中应尽量避免的饥，况出现。 而且，随着能源的紧缺，为了提高能源的利用率，电力工业j l ：始了场新 的革命。除了要保证电网的供电质量外，现在人们也会为节能作诸多考虑。因 此有人提出了谐波限制标准，如i e c 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 、i e c l 0 0 3 2 等。中国国 家技术监督局也相继颁布了电能质量公用电网谐波标准以及低压电气及 电子设备发出的谐波电流限值( 设备每相输入电流小于1 6 a ) 等标准。因此， 把谐波控制在相应标准之内己必不可少。 武汉理丁人学硕l ：学位论文 除此之外，电磁兼容性问题也成为了一个r 益突出的问题，尤其对大量采 用功率开关的通讯、集成电路设计、现代电力变换等具有电力变换器系统的领 域尤为严重。因此有必要在实现电子设备与电网的连接外，掌握电力变换中设 备的电磁兼容特性，尽最大可能解决或改善电磁兼容问题。 功率因数校正技术能有效解决以上这些问题，因而也随着电子、电力设备 的运用而越来越广泛。 1 2 功率因数校正技术 功率因数指设备的视在功率含有有功功率的百分比，将功率因数定义为： p f = 呈：型鬯堕：巡：y c 。s 死( 1 - 1 ) suii l 最r 。“ 式1 1 中：p 为有功率，s 为视在功率，u 为系统输入或负载的电压基波有 效值，i l 为输入电流基波的有效值，i r 为系统输入或负载电流的有效值，为电网 输入电流各次谐波的叠加，l r = l ；+ i ；+ + i ：，( i l ，1 2 ，i n 为输入电流 的各次谐波的有效值。) l 为基波输入电流波形相对于币弦输入电压波形的相 位差，c o s l 为基波电压和基波电流的位移因数，y 为输入电流的畸变因数。畸 变因数以及位移因数的乘积决定了功率因数。c o s 越小，表示设备的无功功率 越大，产生电力的发电机和变电器等设备输出的有功功率就越小，电能的利用 率则越低，电力设备就越得不到充分利用。y 越小，功率【太1 数越低，表示设备 输入电网的谐波分量越大，超成电流发生畸变的情况越严重，进而对电网造成 的污染越严重。而畸变因数是由输入电流总谐波畸变( t h d ) 决定的。总谐波 畸变是所有谐波电流分量的有效值之和与基波电流有效值之i 日j 的比值。其表达 式为： t h d ：k ： ，1 ( 1 2 ) 功率因数可以反应电力被利用的情况，功率因数越。盘，表示电力利用率越 高。功率因数越过低，通过电网输送的电流会增加，就会在输电线路上引起很 大的电压降落和功率损耗，除造成巨大的电能浪费外，还会影响用电设备的正 常运行。功率因数在所有用电设备中非常重要，开关电源中任何一种a c d c 、 2 武理t 凡学颤l 学论i d c d c 变换器都离不开功率因数校正。 功率因数校i e ( p f c ) 技术是指在设计上研究如何采用合适的拓扑结构和控制 手段改善电力电子装置，使其输入的电流与电压相位一致，不向电网输入谐 波，在a c d c 转换的过程中，得到比较低的t h d ，使功率因数达到o9 5 以上 并接近于1 即装置本身就满足谐波限制的标准要求。助率因数校正分两种，一 种为j 己源功率因数校正，又称为被动式功率因数校一，一种是有源功率因数校 l f 义称为主动式功率因数校f 。 功率因数校正电路的作用是在电嘲和负载之8 j 插入校正环节，使输入电流 波形逼近输入电压波形，以提高功率因数并限制谐波电流对电网的污染。 121 无源功率因数校正 无源功率因数校正技术就是采片j 无源元件米改善输入功率固数和减小电流 谐波。无源功率因数校f 。般采用电感元件柬减小输八的交流基波电流与电雎 2 删的相位差，采用补偿的方法使功率冈数得到提离。 由工程上对功率因数校i f 的定义，功率因数为输入电流的畸变因数和基波 电压和基波电流的位移因数韵乘积，冈此无源功率州数校正电路的工作原理一 般为：仅改善输入电流的畸变冈数、仅改善基波r 【j 1 - 和基波电流的位移因数、 政善输入电流的畸变因数的同时还改善基波电压和基波电流的位移因数。很显 然同时提高输入电流的畸变因数和基波电压与麟波电流的位移因数能最好的 提高功率因数但实际上，在进行无源功率幽数校l i 设计时，有时只追求其 中之一，仅用追求这两者的最人乘积即可。因此会出现功率因数很高但输入 电流的畸变因数却较差，或助丰附数较低而输入电流的畸变系统却很高的情况。 针对一些采用桥式整流电容滤波整流电源的用电嚣，其整流电路如图1 1 。 图l 一1 桥武整流电容滤波b 路 武& 理t 人学硕 学世论盘 如图1 1 所示电路，其丁作过程是：当交流输入电压为j f 半周时，交流电压 通过导通的d 1 和d 3 对滤波电容c 充电。设d 1 和d 3 的导通电阻为“交流电 源内阻为r 则滤波电容c 的充电时问常数近似为”1 ： f = r 2r + 且) c ( 1 3 ) 在式1 - 3 中，二极管的导通电阻r 以及交流电源内阻r 都比较小，因而得到 的t 值也很小，大容量的滤波电容c 得已很快被充电，达到交流输入电压的峰 值。这之后，交流电源输入电压小于滤波电容c 的端电压时，一极管d i 和d 3 截止；同理，可得到交流输入电压负半周时d 2 和d 4 的工作情况。由此我们可以 得到，当电路稳定时，在交流输入电压一个周期内，二极管的导通时侧很短， 得到的输入电流则畸变为。种比较窄的脉冲电流，如图1 2 。 “心 卜l 圈l - 2 桥式整流电容滤波r 乜路畸变电流波形劂 这种畸变电流含有大量谐波成分，而目它会随着滤波电存值的增大而呈现 畸变情况越严重的情形发展也就是我们看到的电流脉冲越柬越窄，电流最大 值越来越高，容易引起一些诸如将电子器件击穿或使输入的设备凼温度升的过 高而损坏。其严重降低r 设备的功率凼数，功牢因数只有06 5 左有。因此，提 高功率因数的根本措施为降低输入电流卅波含罐。 22 有源功率因数校正 与无源功率因数校一相比宵源功率i 蚓数校一t 要采h | 个控型j 关器件构 成的集成电路线路柬完成”，闵此又称为有源丌关型补偿浊。它应用反馈技术 使输入电流的波形跟踪交流输入正弦波彤。从原理上来说，任何一种直流电压 变换器的拓扑都可以用做有源功率校正的主电路。 武d g t 人学硕士学位论文 现在用得最广泛的有源功率因数校正是由d c d c 变换得到的一种电流整形 方法。主体部分为一高频d c d c 变换器，其主体思路是：将输入的交流电压经 过整流滤波后，再对得到的直流电压进行d c d c 变换，采用合适的控制方式 使输入电流平均值自动跟踪得到的卣流电压，且要保证输出电压的稳定，实现 功率因数提高的目的。其电路原理框图如图1 - 3 。 幽l ，3 有源j 毕囡数校正电路原理框图 图1 3 中，有源功率因数校l r i u j ! 霄干桥式整流器与滤波电解电容之日j ， 采用d c d c 变换电路为主电路，控制电路部分包括p w m 控制器、电流误差放 大电路、电压误差放大电路和乘法器。有源功率因数校电路采用电流、电压 双闭环控制。内环为电流环，电流波形的参考值为乘法器运算后的电流值，再 结合实际取样电流，同流入电流l 父母放大电路通过p w m 控制器柬产g + 驱动 信号，控制d c d c 变换嚣，实耻d c d c 变换器的输出电流波形i 整流l 乜压波 形一致，由于采用闭环控制，变换； ! 的u 流能够准确经乘珐器运尊后得到的舰 定电流值：外环为电压环，取经桥，杜流后得到的半波l i - 性r uj i 、波形作为功率 因数校正控制器输入电流的参考恤，将输出电雎通过电、跌芹放人电路后得到 电压反馈，两者一起输入到乘法器+ 经过运算叉作为电流环的电流参考值，形 成双环电压环因此保证了输出i u j 、的稳定。若这整个控制爿、节诎理想，变换 器输入电流的波形就能够完全跟踪- u 压波形，从电源输入端柬胥，整个电路的 负载就可以看作纯粹的线性电阻，电路的功率因数等于1 ，耍现了功率因数校j 下 武汉理工大学硕士学位论文 的功能。 1 3 国内外研究现状 从目前来看，一般有两种解决谐波问题的思路：一种就是通过有源或者无 源滤波的方式在电网侧补偿已经产生了的谐波；另种是比较积极的做法，那 就是前面提到的通过功率因数校f 技术直接改造产生谐波的电力电子装置，截 断输入电网的谐波源头，进行拓扑结构和控制方式的改造。 提高功率因数最简单的方法就是采用无源功率因数校正技术，一般应用于 a c d c 变换器中，因其技术成熟、成本较低、安全可靠等优点，在将来也有其 应用价值。但通过这种技术不能得到很高的功率因数，且占用体积空间较大， 整个设备的功率损耗较大，电流谐波抑制能力差，这与现代社会追求用电设备 的较小、高效率等相违背。 传统的有源功率因数校正采用的不可控整流桥方案，使用功率器件太多， 导致功率损耗过大，目前已有彳i 少入研究无桥整流结构，用来降低功率损耗。 除此之外，在传统的有源功率因数校正上，尽量采用比较合适的控制方式 使功率因数在软件上达到一个非常高的水平也是一个很热门的研究课题。 当然，对一个变换器而言，控制所起的作用也很重要，一个优秀的功率因 数校正变换器必然是好的拓扑和好的控制技术的结合。鉴于此，提出更好的功 率因数校| f 拓扑结构，并结合好的控制技术，将功耗下降一个等级将是未来的 一个研究目标怕。 1 4 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容足： ( 1 ) 分析常见的无源功率【大j 数校正电路拓扑结构、分析其工作原理：细致研 究基本的有源功率因数校一电路拓扑，指出各拓扑结构应用的环境及其使用局 限性和优缺点。 ( 2 ) 提出一种部分有源助率闪数电路的拓扑结构，对这种拓扑结构进行理论 分析，分析其应用优势。 ( 3 ) 建立了基于m a t l a b 环境的算法模型，并对控制系统进行稳念和动态仿 真研究，验证理论分析正确性。 6 武汉理t 人学l 】i ! i 学位论史 第2 章基本的功率因数校正电路拓扑 21 无源功率因数拓扑结构 不管什么样拓扑结构的无源功率因数校币电路，其能达到功率因数校币的 目的，原理都是筹不多的。简单来说就是通过一些无源元件，如电感、电存等 的储能特性束延长整流部分二极管的导通时间，以此使流过负载的电流发7 卜畸 变的程度大大减小。一般来讲，这种电路的结构都比较简单，易于实现，而最 后得到的功率因数值也与这些元件有很密切的联系。 由于_ _ 二极管整流存在的诸多问题，一般采用的无源功率因数校矿电路有： 采用滤波电感的无源功率因数校j 下、采用填谷方式的无源功率因数校b 采用 串联谐振的无源功率因数校j 下、采用直流反馈式的无源功率测数校、采用高 频反馈式的无源功率因数校正”1 。下面仅对用得最为广泛的自u 三种无源功率数 校i f 拓扑结构进行分析。 2li 采用滤波电感的无源功率因数校正拓扑 采j j 滤波电感的无源功率因数校正电路的主拓扑结构是在整流器和滤波电 容之n j 串联一个滤波电容。其主电路图如图2 1 。 l c r l 罔21 采用滤波电感的正源功率因数校诈拓扑 蚓2 i 巾，山卜。j 有变化的电流流过滤被f 乜感叶，会产生。个反i u 动辨，址 乃川轧雌乜流发生，耍化，凼向使充电i 乜流的峰值比未加电感前要低，也山j 。占 产生反向感应电动势的这特性，使得打输入电压达到峰值后，之时导通的二 极管两端的电势差仍能保持它的导通状态冈【j 增大了输入电流的导通角。 然而在现实生活中，通常会将滤波电感置于整流之| ；f ，这样做有个好 北救月t 大学碗 学也论立 处就是交流电源内没有经过整流而得到的直流分量，这样的电流流过电感 不会使电感的铁芯困达到饱和而影响使用。其改进的拓扑结构如图2 - 2 。 l c r l 图2 2 实际应用中的滤波电感无源功率因数校j 下拓扑 采用该方式，在满载时的功率因数一般可达到0 9 以上。陵方式线路简单， 平均无故障时刚长，无需对设计控制电路，能很大程度抑制3 泼以j ：的奇次睹 波1 ，且产= ，j 的电磁干扰基本上比较小，仅在电路中串联一个滤波电感，闭而成 本比较低。似由于元器件的性质，这种拓扑用于小功率的场台还比较j 泛。 聚用这种方式的无源功率因数校正注，由于电感元件在能龄的f 递中起载 体的作用，冈此电感器元件的选型是个关键，其参数的大小随接影响着功率 用数校下的被果。为了将畸变的r 乜流转变为连续电流( 即在每、p 个j 爿j 圳波形中， 整流一极管导通角度要达到1 8 0 。) 滤波电感应达到一个门槛值。箕大小1 l 整 流滤波电路的等效负载电阻之间的荚系为 l c = r t j 3 u ( 2 一i ) 式2 1 巾，l c 是滤波电感fj 槛值，单位为h ；r l 是等效负戟f b m 【单位为 q ；u 是电m 输入角频率，u = 2 nf 在国内系统罩，u - 3 1 4 。 从上述笑系小难看出，选择的电感与等效负载电阻之问雏奎，j ：仃lq 配l 州 电感的关系。j i 述关系能得出，采用l 乜感作为无源功率因数校| m 1r 段时，等 效直流负数城女r 足恒定的负载，行划无法保证线路中的电流连续性，电就无法 保证功率i 州数控l f 的有效性。此外，进要注意满载时，电感器绝对小会进入饱 和状态，卉| j ! i j 屯感量的减小将庙五保江线路中的电流连续性。 但这种 二泺j j 率因数校证电路在成川中容易发热，也会产乍籼半【匕较低的 噪声，器件 川面积大，器件本身也较币。而且由于很多电源住ln 。时片小芷 在额定功率f ：作，即无源功率l 州数校1 f f 乜路不是处于满载远行状卷，使得实 际得到的助率尉数值比满载时还要略低些。 武汉理下大学颂一i ：学位论文 2 1 2 采用填谷方式的无源功率因数校正拓扑 近年来，无源功率因数校正技术也有所发展，采用填谷方式的无源功率因 数校正法就是其中的一种，利用由电容和二极管网络构成的有功率因数校正作 用的整流电路。其基本结构如图2 3 所示。 图2 - 3 采用填谷方式的无源功率因数校i f 拓扑 当输入电压u i n 高于c l 和c 2 上的电压之和时，两个电容处于串联充电状态， 并且u i n = u c l + u c 2 = u l ，这一情况一直持续到输入电压的峰值。当u i n 越过峰值 以后，对普通桥式整流的单个电容滤波电路来说，整流桥的二二极管将由于滤波 电容上的电压高于输入电压的峰值而反向偏置，帮整流桥截止。但对填谷方式 的无源功率因数校正电路来说，电容c l 和c 2 的充电已经结束。但是无论c l 还 是c 2 ，其单个电容上的电压比不上外加充电电压，因此这两个电容的放电不能 进行( 这时与c l 和c 2 串联的二极管v d l 和v d 3 被反向偏置) ，使得u l 上的电 压基本上还是跟踪输入电压在变化，直到输入电压等于其峰值电压的一半时， v d l 和v d 3 向负载放电。在此之问，整流桥一直导通，直有电流通过。等到 输入电压等于其峰值电压的一半时，v d l 和v d 3 由于正向偏置而导通，电容c i 和c 2j j 并联方式开始以指数规律通过v d l 和v d 3 向负载放电。在此之后，由于 输入电j k 低于c l 和c 2 上的电压，挚流桥始终保持截l 七，电源电流将 现死区。 当输入 乜压越过正半周、进入负半j 刮时，在丌始的一段时m 避，输入电j i 仍然 低于u c i 和u c 2 上的电压，所以整流桥依然反向偏置，不能导电。只有当输入电 口i 高j ：u c l 和u c 2 时，整流桥j 能营新恢复导通，电源i 乜流冉次对c i 、v d 2 和c 2 充电，u c l + u c 2 的电压重新口艇踪输入电压，按一弦规律上升，于是蓖复d 订 面描述的情况。如此周而复始，循环不已。 表2 1 是填谷方式的无源功率l 天1 数校正电路与普通桥式整流、电容滤波电路 9 一 l t u土一 武汉理t 大学硕l j 学位论文 的参数测试结果对比。 表2 1 填谷方式的无源功率因数校e 电路与普通桥式整流、 电容滤波电路的参数测试结果 填谷方式的尤源功率冈数校正电路普通桥式整流、电容滤波电路 参数 奇次谐波偶次谐波奇次谐波偶次渚波 基波 1 0 0 2 次谐波 2 5 笨波 1 0 0 2 次谐波 4 5 3 次谐波 l1 8 4 次谐波 0 9 3 次凿波 7 2 34 次谐波2 9 5 次谐波 17 8 6 次谐波 1 7 5 次谐波 4 7 76 次谐波1 1 7 次谐波 6 1 8 次谐波 0 9 7 次谐波 4 1 5 8 次谐波 2 9 次谐波 8 5 1 0 次谐波 1 4 9 次谐波 3 6 71 0 次谐波2 5 1 1 次谐波 4 3 1 2 次喈波 1 3i1 次谐波2 3 91 2 次谐波2 1 1 3 次谐波 7 8 1 4 次谐波 1 5 1 ：3 次偕波 2 0 51 4 次谐波2 3 1 5 次谐波 4 1 1 6 次谐波 1 0 1 5 次喈波 l8 7 1 6 次谐波 2 3 电流 1 7 次谐波 0 5 1 8 次谐波 0 8 1 7 次谐波 l2 3 1 8 次谐波 2 6 谐波1 9 次谐波 3 4 2 0 次谐波 0 6 1 9 次谐波 4 7 2 0 次；皆波 1 4 分量 2 1 次谐波 2 9 2 2 次谐波 0 7 2 1 次谐波 2 4 2 2 次i 旨波 1 1 ( ) 2 3 次谐波 2 3 2 4 次谐波 0 4 2 ：j 次谐波 4 5 2 4 次i 皆波 0 9 2 5 次谐波 2 5 2 6 次谐波 0 42 5 久i 旨波6 32 6 次潴波 2 7 次谐波 3 1 2 ；次谐波 1 1 2 7 次谐波 8 9 2 8 次睹波 2 9 次谐波 1 1 3 0 次谐波 0 1 2 9 次谐波 8 7 ：j 0 ；_ 欠谐波 3 1 次凿波 0 5 3 2 次谐波 o 5 ：3 1 次谐波 8 4 3 2 ；欠嘴波 3 3 次谐波 2 1 3 4 次谐波0 4：j 3 次谐波 7 4 ：3 4 次许波 3 5 次谐波 2 0 3 6 次谐波 0 3 ：3 5 ；! 欠谐波 5 6 ：3 6 次睹波 3 7 次谐波0 23 8 次谐波0 23 7 次谐波3 7：j 8 次谐波 3 9 次谐波 1 1 4 0 次谐波 1 2 3 9 次酱波 2 4 ，1 0 ；! 欠谐波 由表2 1 中得到填谷方式的无源功率因数校萨电路的电流总凿波含量为 2 8 ，线路功率因数为o 8 9 4 ，而普通桥式整流、电容滤波电路的电流总谐波含 量为1 1 7 5 ，线路功率因数为0 5 9 2 。 从表2 1 可见，填谷方式的无源功率因数校正电路与普通桥式整流电路相 比，3 次谐波分量由7 7 1 降至1 0 8 ；总咆流谐波含量由1 1 7 5 降钲2 8 ；线 路功率因数由0 5 9 2 提高到0 9 5 4 。 填谷方式的无源功率因数校正电路已应用于电子镇流器等小型f u 气设备阳1 。 这种方式虽能获得较高的输入功率因数，但足还不能非常有效地抑：测输入电流 中的谐波含量，所以应用中还是受到了限制。 用示波器观察图2 3 所示电路的电压和电流波形可以发现，填谷方式的无源 功率因数校正电路输入端电源电流波形的幅值明显降低，死区时问人大缩短， l o 武汉g t 人学坝l 学f t 论z 整流桥的导通角度达到1 2 0 。以上，波形趋于连续，包络趋于正弦波形。但从直 流输出电压u l 的质量看，填谷方式的无源功率因数校正电路的输出电压纹波较 大，脉动系数大，直流电压的测值约为2 3 0 v ，比较接近于交流输入电源电压的 有效值，比普通桥式整流的电容滤波电路的直流输出电压低1 5 。在图2 3 中， 如果用一个电阻或电感与二极管v d 2 串联时，可进一步改善输入电流的波形。 填谷式无源功率因数校正电路是一种典型的逐流电路。它在9 0 年代的照明 电路中应用广泛”，其功率因数校j 下值相比直接采用滤波电感的电路所能达到 的值更高一些，而且也没有了电感元件，因而没有了对电感的高要求。但这种 电路的供给丌关管的直流电压波峰比很高，电流波峰比也根高这种电路山于 电路输出电压谷值只有电解滤波电路谷值的一半，因而不适合做降压电源。 2 1 3 采用串联谐振的无源功率因数校正拓扑 图2 - 4 给出了一种串联谐振的无源功率因数校l f 法的电路及其工作波形。从 图2 _ 4 ( a ) 中可见，谐振电路串联在输入电源与丌关电源之f h j 。谐振电路山电 感l 和电容c 组成并联谐振电路，电阻r 为l 虬恺电阻。馥电路在理想睹抓时对 3 次谐波电流呈现无限大的阻抗，故没有谐波电流过载的吖能。 图2 4 采j 日串联谐振的光源功率数校j 1 i 拓扑及其丁作波形 武汉理t 大学硕f ：学位论文 串联谐振电路的阻抗为： z ( ( 1 ) ) = l r r 2 f 1 u2 c l ) 2 + t _ o2 l 2 1 忍 ( 2 2 ) 当工作频率等于谐振频率。= 1 ( l c ) “时，电路阻抗等于阻尼电阻r 。阻 尼电阻r 取得比较大3 ( 如2 0 0 w 负载时取2 7 k q ) ，所以负载侧的3 次凿波电 流不可能注入电网侧，进而改善了电网侧的电流波形，如图2 4 ( b ) 所示。由 图2 4 可知，由于3 次谐波被吸收，电网侧电流波形变方，峰值电流明显减少。 此时，整流电路在5 0 - - - 2 0 0 w 输出功率下，功率因数为0 8 1 o 9 2 左右。 2 2 有源功率因数拓扑结构 从原理上说，任何一种直流电压变换器的拓扑都可以用做有源功率因数校 正器的主电路。从实用上来说，有源功率因数校f 控制的芯片种类繁多，每种 芯片的控制方式也不尽相同。下面仅就其主电路拓扑来进行分析。 有源功率因数校正分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类2 1 。每一类有6 种拓扑：降压式( b u c k ) 、升压式( b o o s t ) 、升压一降压式( b u c k b o o s t ) 、 串联式( c u k ) 、并联式( s e p i c ) 以及塞达式( z a t a ) 。按激励方式分，有自激 式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式( p w f ) 、 调宽式( p w m ) 、调幅式( p a m ) 和谐振式( r s m ) 4 种。而按主电路是单相还 是三相，采用硬开关技术还是软丌关技术等等又能划分出不同种类，由这些不 同种类相结合能换化出许许多多的拓扑，如果一细说，很难将其全部囊括在 内，这罩仅就应用上比较多的几种非隔离型译棚硬丁l ：关有源功率因数基本结构 进行分析。 2 2 1 降压式有源功率因数校正主拓扑 图2 5 为降压型有源功率冈数校1 1 ：差电路。1 l 的原理图。 降压型有源功率因数校币电路的j r 关晶体锐；叮以采用双极型晶体管也可以 采用功率m o s f e t 。m o s f e t 管的丌关速度较快且基本没有存储时问消耗，因 而应用在工作频率较高的电路中，丌关l f 的损耗比较小；而且m o s f e t 管所需 要的丌关驱动力率比较小，因而在没汁j r 关驱动电路时省去了功率放大等一些 电路，降低了整体功率因数校证电路的复杂性。而双极型晶体管在导通后的电 阻比较低，因而较适用于工作频率比较低的情况，因为这种电路的丌减损损耗 1 2 北& 理t 太 觑l 学论立 并不明显。图2 5 所示的电路拓扑丰要针对高频电路，故采用m o s f e t 柬进行 分析。 q | 。 图25 降压型有源功率校j 下主电路拓扑 图2 - 5 所示电路的工作原理是：当丌关管o 导通( t o n ) 时，输入电流通过 q 流过电感l ，在电感l 未达到饱和前通过电感l 的电流呈线性增长。电感l 将电能以磁场的形式存储起来，随着电源电压v s 肘电感l 充电，流过电感l 的 电流再对电容c 充电，并提供负载电流，j 极管d 因反向偏置而截止。只有当 丌关管q 导通时柬自电源的电流卅会流动。当丌关管o 截止( t o r r ) 时电 感l 线圈中存储的磁能不能突变，_ i 毛会慢慢消失，维持了流过电感l 的电流保 持不变，磁场的消失使电感l 两端的电压极性颠倒，为二极管d 提供正向偏置 电压而使其导通。这样电感l 和电容c 在t o f f 期问共为负负载提供电流。若 不计二极管d 和丌关管q 上的e 降，得到的输h ：电i hv o 为 v o = t = 咋d 2 3 ) 式2 - 3 中，d = i 。t 为导通占空比，其中t = + 7 j 盯。“f 此可得d l ， 因此v o v s ，因此，这种屯路模式只能实现降压。 这种电路拓扑结构中的外关管所承受的最大r 巳压是输入电 的最大值，因 而其电压应力较小，由1 ：丌关管位于整流电路之后当电路韵输出后级发生短 路时，可以利用丌笑管的戈断实现输出蛳路1 _ i 护。但降m 世有源功率因数校一 电路在输入电爪大于输 l u l ie i , t a 能j 。们，ir l j j e 输入电m 往整流后的正弦波， 在丁f 弦波电压为0 的地斤就小r f 能再降瓜了，此，返手l | l l n 路会有一段死区时 h j 膨响功率因数值。且其输m 乜压较低，埘i ：e 十l l l 日n 勺功率级别，其历若接d c d c 电6 1 ，其所需的电流应力将较大jl 丌关管j 橄驱动信q 的接地并没有跟输出 接地连接在一起，驰动电路的设计比较复杂。m j 。输入电流是脉动的，功率因 数提高受到了限制，且e m i 环境簟，往祉：需拦个输入滤波器，而且只能使电 压降压，通常适用于大电流和巾助率( 直到大约8 0 0 w ) 的降压情况。下。相比 武m 型1 _ 上学坝i 学位论i 输出高电压的校1 下电路在年目同的功率等级f 可以减小电流、减小电感的体积的 情况降压型电路由于自身拓扑结构输入不能低于输出的限制，达不到非常好 的功率因数校正效果。 2 22 升压式有源功率因数校正主拓扑 图2 - 6 为升压犁有源功率因数校一主电路的原理罔这种电路的工作过程如 下： l d v socr 嗣2 6 升雎型有源功率校正主屯路拓扑 当丌关管o 导通( t o w ) 时，输入电流丌始流过电感l ，在电感线圈磁 性未达到饱和前，屯流生线性增长趋势，电能转化为磁能储存在电感l 中。因 此，在t o n 期间，负载的电压和电流都由电容c 供给。当丌关管q 截止( t o 旰) 时，由于电感l 存储的磁能不会马上消失，但其感心电动势会使电感l 两端的 电压极性改变，维持通过电感l 的电流小变，电感l 的放电电压的极性与v s 相 间，且与u 帽串联，r 乜小高f 输出乜n ：。幽此，存储在电感l 中的磁能通过诈 向偏置而导通的二橄静o 传送到负载和电容c ，起到种升压的作用。如果忽 略损耗和丌关兀件i ：的f b j l i 降，情v 0 - v ( i - d ) ( d 为占空比) ，可见，v o 不可能增大到无穷人，齐种r u 阻性损耗元件将使辅j f u 压以某个上升比( 通常 在5 1 0 之i 训) 达到个极限位。 升压型有源功年川数校1 - 电路的输入】乜流就址流经电感的电流，因而输入 电流不会出现断流的情况，返j h 电流模式u ，以饭厅便地对电感电流的开关进行 控制，对输入滤波 ： 的婴求较低，刚此能斤便的解决e m i 的问题，而且这种电 路在交流电的整个心期内都能进行功率校if ，因此要获得较高的功率因数相对 而占比较容易；j 下天管的门极驱动信呼地f fr 与输出地接在起，其源极电压 为0 v ，因此丌笑管驱动起来较容易；输入电流呈连续状态使得歼关管峰值电 武汉理t 人学聊l 学位论女 流相对较小，电流追踪输入电压的变化也相对较容易，因此这种电路可适用 于电压变化比较大的情况，此电路供给后级输h 的能量部分由市电直接供给， 另一部分则通过电一磁一电的转换得到，因而得到的效率比较高。这种电路中 的开关管的最大电压应力等于输出电压值，且能正常工作在国际标准的全电压 和整个频率范围内，因而应用虽广泛。但升压型有源功率因数校正电路的输入 和输出之间没有进行绝缘隔离，且由于输出纹渡较大，一般用于功率较低( 晟 高大约为5 0 0 w ) 、电流较小的情况下，由于输出电流以脉冲形式输送到负载电 阻和电容cl ，故会产生噪声问题“”，升压型变换器只能使电压升高，而输入 电压低于输出电压容易使电路失控而导致产生过大的电感电流，而且由于它足 一个升压电路，输出电压般在3 8 0 4 0 0 v ，若想得到低压输出，则必须在其中 增加一级能降低电压的d c d c 电路。且其最终的输出电压一定高于输入电压的 最大值，最终得到的输出电压比较高，这样不利j 一时丌关管进行输出短路保护。 目前这种电路的_ f i t l 结构已经比较成熟，也针对这种结构出现了专门的拄 制芯片，且运盯j 渚如平均电流控制模式、峰值f u 流控制模式、滞环电流控制模 式等控制方式已r 泛应j f i 在有源功率因数校_ ，电路中。 2 23 升一降压式有源功率因数校正主拓扑 图2 7 为升降脏型有源功率困数校l f 主 乜路的原理图，这种电路的工作过 程如卜： qd cr l 刳27 丌一降爪型有源功率川数控矿主电路拓扑 如图2 7 所小电路，、_ 川戈韬o 导通( t o n ) 时接在v s 两端的电感l 通 过丌关管q 彤成划路，电源f 乜流流过电感l ，向其充电，此时，二极管d 反向 偏置而截止，负载由预先存储了能量的电痒c 供给能量。当丌关管q 关断( t o ，f ) 时，同样由于f u 感内含的磁场井不能发生突变，但产生的感应电动势将使电感l 武汉理丁人学硕f j 学位论文 的电压极性发生颠倒，二极管d 因此正向偏置而导通，存储在电感l 中的能