（电力电子与电力传动专业论文）单级功率因数校正技术.pdf

摘要 第六章对本文的工作进行了总结。 关键词：功率因数校正，输入电流整形， 电流断续模式。电流连续模式， i i 正激变换器，反激变换器，有源箝位 b o o s t 变换器，b u c k b o o s t 变换器 堕室堕窒堕丕盔堂竖主堂垡丝奎 a b s t r a c t t or e d u c et h ec o m p o n e n tc o u n t sa n dt h ec o s t ，t h es i n g l e - s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) t e c h n i q u e sh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n as i n g l e 。s t a g ep f c c o n v e r t e r c o m b i n e st h ep f cs t a g ea n dad c d cc o n v e r t e ri n t oo n es t a g ew i t has h a r e ds w i t c ha n d c o n t r o l l e r ，w h i c hi sa n a l y z e sa n dr e s e a r c h e si n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e ss i x c h a p t e r s i nc h a p t e ro n e ，t h ep a s s i v ep f ca p p r o a c h ，t h ea c t i v et w o s t a g ep f ca p p r o a c ha n dt h e a c t i v es i n g l e - s t a g ep f ca p p r o a c ha r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h es i n g l e - s t a g ep f c c o n v e r t e rs u i t sf o rl o wp o w e ra p p l i c a t i o n s i ti st h er e s e a r c h i n gf i e n da n dt h eh o t - p o i n to f t h e p f ct e c h n i q u e s i nc h a p t e rt w o ，at o p o l o g i c a ls t u d yo fr e p r e s e n t a t i v es i n g l e - s t a g ep f cc o n v e r t e r sa r e p r e s e n t e d i ns i n g l e - s t a g ep f ca p p r o a c h , t oc o m p l yw i t hi e c l 0 0 0 - 3 2i n p u th a r m o n i c c u r r e n tl i m i t sa n dp r o v i d et i g h to u t p u tr e g u l a t i o n ，t h e r ea r et w oi m p o r t a n ti s s u e so fc o n c e r n o n ei s s u ei sh o wt oi m p l e m e n tt h ei n p u tc u r r e n ts h a p e r ( i c s ) a n o 也e ri s s u ei sh o wt o c o n t r o lt h ee n e r g y - s t o r a g ec a p a c i t o rv o l t a g eb e l o w4 5 0 v t h es i n g l e - s t a g ep f cc o n v e r t e r s a r ec l a s s i f i e da st h eb o o s tt y p ea n dt h eb u c k - b o o s tt y p e a n dt h eb o o s tt y p ec a nb e c l a s s i f i e da s2 一t e r m i n a li c se e l la n d3 - t e r m i n a li c sc e l l t h eg e n e r a ls t r u c t u r e so fb o o s t t y p ea n dt h et r a n s l a t i o nr u l eo f 2 一t e r m i n a la n d3 - t e r m i n a li c se e l la r ep r e s e n t e d s e v e r a ln e w p f c t o p o l o g i e sw e r ed e r i v e df r o ms o m ee x i s t i n gt o p o l o g i e su s i n gt h et r a n s l a t i o nr u l e i nc h a p t e rt h r e e ，t h r e es i n g l e s t a g ep f cc o n v e r t e r sw i t ht h en e g a t i v ef e e d b a c ko f e n e r g y s t o r a g ec a p a c i t o rv o l t a g eb y t r a n s f o r m e rw i n d i n g sa r ea n a l y z e d t h et h r e e c o n v e r t e r sh a v es i m i l a rp e r f o r m a n c e s ，a n dt h e yc a nb et r a n s l a t e de a c ho t h e r ，w h i c hv e r i f i e d t h et r a n s l a t i o nr u l e ，t h ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h en e g a t i v e f e e d b a c ko fe n e r g y - s t o r a g ec a p a c i t o rv o l t a g eb yt r a n s f o r m e rw i n d i n g sh a v eg o o d p e r f o r m a n c e s ，a n dv e r ys i m p l e c h a p t e rf o u rp r o p o s e san o v e ls i n g l e - s t a g ef o r w a r dp f cc o n v e n e r t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l ei sa n a l y z e da n dp a r a m e t e r sd e s i g ni sd i s c u s s e d c o m p a r e dw i t ho t h e rt o p o l o g i e s ， t h i st o p o l o g yh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wi n p u tc u r r e n th a r m o n i c s a n dl o we n e r g y - s t o r a g ec a p a c i t o rv o l t a g e t h ed c m f l y b a c ks i n g l e - s t a g ep f c c o n v e r t e ri sa n a l y z e di nc h a p t e rf i v e t h et h e o r e t i c a n a l y s i sa n dp a r a m e t e r sd e s i g na r ep r e s e n t e db a s e do nt h e “l o s s f r e er e s i s t o r ”c o n c e p t t h i s c h a p t e rp r e s e n t s t h el o s sa n a l y s i so ft h ef l y b a c kp f cc i r c u i tw i t hr c ds n u b b e r t h el o s s a n a l y s i ss h o w st h a tt h el e a k a g ei n d u c t a n c eh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ee f f i c i e n c yo f c o n v e r t e ra n dt h ev o l t a g er a t i n go fc o m p o n e n t s ，w h i c hl i m i t st h ea p p l i c a t i o n so ft h ed c m f l y b a c kc o n v e r t e r b ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nw i t ha c t i v ec l a m pf l y b a c kc o n v e r t e r ，i tc a nb e f o u n dt h a tt h em a g n e t i ce n e r g yo f t r a n s f o r m e rc a nf l o wb i - d i r e c t i o n a l l y i f t h ed u t yc y c l ei s c o n s t a n t ，w h e nt h em a i ns w i t c hi so n ，t h e r ei ss o m ee n e r g yo f m a g n e t i ca n dl e a k a g ei n d u c t o r 摘要 f e e d b a c kt ot h ei n p u ts o u r c e ，w h i c hr e s u l t si nd i s t o r t e di n p u tc u r r e n ta n dl o wi n p u tp o w e r f a c t o r h o w e v e ri f t h ea c t i v ec l a m pf l y b a e kc o n v e r t e ri sd e s i g n e dt oo p e r a t ei nc c m ，a n dt h e d u t yc y c l ei sc o n t r o l l e dt om a k et h ei n p u tc u r r e n tt r a c ki n p u tv o l t a g e ，t h ei n p u tp o w e r f a c t o r c a l lb ei m p r o v e d k e y w o r d s ：p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o n ，i n p u t - c u r r e n t - s h a p i n g ，f o r w a r dc o n v e r t e r ， f l y b a c kc o n v e r t e r , a c t i v e - c l a m p ，d i s c o n t i n u o u s c u r r e n t m o d e ， c o n t i n u o u s c u r r e n t - m o d e ，b o o s tc o n v e r t e r ，b u c k b o o s tc o n v e r t e r 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 为了减少电子设备对交流电网的谐波污染。越来越多的国家对用电设备的输入电流谐波含量 加以限制，提出了不少限制输入电流谐波的标准而国内对此也是越来越重视。为了降低输入电 流谐波，通常采用两级功率因数校正技术，但该方案增加了电子设备的成本特别是在低功率应 用中。在低功率应用中，为了在性能和成本之问找到一个平衡点，国内外研究人员把研究热点放 在对单级功率因数校正技术的研究。为此确定单级功率因数校正技术为本文的研究重点。 1 1 研究背景和选题依据 从1 1 0 v 或2 2 0 v 交流电网经输入整流滤波后供给直流负载是电力电子技术及电 子仪器中应用极为广泛的一种基本变流技术【l 】。电子设备的整流部分通常采用二极管 桥式整流和电解电容进行输入滤波，如图1 - 1 ( a ) 所示。 从图1 1 ( b ) 可见，在每半个工频周期内，只有在输入电压的峰值时间才有输入 电流导致电源的输入功率因数很低( 大约为0 6 ) 。该电流中含有大量电流谐波分量， 对电网产生谐波“污染”。一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电 压降，反过来使电网电压( 原来是正弦波) 也发生畸变；另外，它还会干扰其它用电 设备，引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作。随着用电设备的日益增多，谐波 污染问题引起了越来越广泛的关注。 基于限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净的宗旨，一些世界性的学术 组织或国家已经颁布或实施了一些输入电流谐波限制标准，如i e c 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 、 i e c l 0 0 0 3 2 等。其中i e c 5 5 5 2 标准自1 9 9 4 年起已在欧盟国家全面实施，所有在欧 sz 生+ c b 丁 负 v b ，1 、 、_ _ 一 门 载 sz ( a ) 图1 1 二极管和电容整流滤波电路( a ) 及输入交流电压、 ( b ) 电流和储能电容电压波形( b ) 单级功率因数校正技术 盟市场销售的用电设备都必须满足这一标准 2 1 。因此，使用功率因数校正( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 技术把谐波污染控制在相应标准要求的范围之内已成为当务 之急。 p f c 技术根据是否采用有源器件可以分为无源p f c ( p a s s i v ep f c ) 技术和有源p f c ( a c t i v ep f c ) 技术。无源p f c 技术是采用无源器件，如电感和电容组成的谐振滤波 器，实现p f c 功能：有源p f c 技术采用了有源器件，如开关管和控制电路，实现p f c 功能。 1 1 1 无源功率因数校正技术 最早的p f c 技术是采用电感和电容构成的无源网络进行功率因数校正【3 1 。如图1 2 所示，在二极管整流桥后添加一个滤波电感和滤波电容结合的无源网络使得输入电流 至堕 j 满足谐波限制要求。 无源p f c 技术的主要优点是：高效、高可靠度、e m i 小、低价格。然而，无源方 案的主要缺点是：滤波电感和滤波电容的值较大，因此体积较大，重量重，而且难以 得到高的功率因数( 一般可提高到0 9 左右) ，输入谐波电流的抑制效果也不是很好。 另外，滤波电容上的电压是后级d c d c 变换器的输入电压，它随输入交流电压和输 出负载的变化而变化。这个变化的电压影响了d c d c 变换器的性能。如果电源对保 持时间( h o l d - u p t i m e ) 有要求，由于电容电压的变化范围大或当电网掉电时，需要 增加电容值来满足保持时间的要求。 由于无源p f c 技术采用低频电感和电容进行输入滤波，工作性能与频率、负载变 化及输入电压变化有关，因此它比较适合于功率小于3 0 0 w 、对体积和重量要求不高、 对价格敏感的应用中。 2 南京航空航天大学博士学位论文 1 1 2 有源功率因数校正技术 9 0 年代以来，有源p f c 技术取得了长足的进展。有源p f c 技术由于变换器工作 在高频开关状态，具有体积小、重量轻、效率较高和功率因数高等优点。 从不同的角度看，对于有源p f c 电路有很多种分类方法。 从电网供电方式可分为单相p f c 电路和三相p f c 电路； 从控制模式来划分，有源p f c 电路可分为电流连续模式( c o n t i n u o u s c u r r e m m o d e ， c c m ) 、电流断续模式( d i s c o n t i n u o u s c u r r e n t m o d e ，d c m ) 和电流临界断续模式( d c m b o u n d a r ym o d e ) 。 从电路结构上划分，有源p f c 可分为两级p f c 电路和单级p f c 电路。 从开关模式上划分，有源p f c 可分为硬开关模式和软开关模式。软开关模式主要 包括两类：零电流开关( z e r o - c u r r e n t - s w i t c h i n g ，z c s ) p f c 技术和零电压开关 ( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，z v s ) p f c 技术。进一步划分，有并联谐振型( p a r a l l e l r e s o n a n tc o n v e r t e r ，p r c ) 、串联谐振型( s e r i a lr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s r c ) 、串并联 谐振型( s e r i a l p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r ，s p r c ) 和准谐振型( q u a s i r e s o n a n t c o n v e r t e r ，o r c ) 等软开关p f c 技术。 下面从电路结构上对p f c 技术加以分析和对比。 1 1 2 1 两级功率因数校正技术 两级p f c 技术经过多年大量的研究，相对来说比较成熟，是最常用的方案3 1 。图 1 - 3 ( a ) 为两姗p f c 方案的方框图 4 1 。两级方案是由两个相互独立的变换器分别实现 、 么迭。 ￥、7 7 d p f c d m ( a ) ( b ) 圈1 - 3 两级有源p f c 变换器方框图( a ) 和输入交流电压、电流和占空比( b ) 单级功率因数校正技术 输入电流整形和输出电压的快速调节。前级通常采用b o o s t 变换器实现输入电流整形， 前级输出电压为储能电容g 的电压，具有一个小的二次谐波，电压的变化范围一 般为3 8 0 4 0 0 v 。v a 再通过d c d c 变换器实现隔离和变换，得到直流输出电压。d c d c 变换器实现对输出电压的快速调节。 图1 3 ( b ) 是两级p f c 变换器的输入交流电压v 电流i 。和占空比变化波形。 p f c 级的占空比d p f c 在半个交流周期内随输入电压变化，最大可为1 ，使输入电流跟 随输入交流正弦电压，可以使输入电流接近正弦。稳态工作时，由于d c d c 变换器 输入输出电压恒定，所以d c d c 变换器的占空比d d c o c 是恒定的。 两级p f c 方案具有优良的性能，如输入电流的总谐波失真度( t o t a l 。h a r m o n i c d i s t o r t i o n ，t h d ) 一般小于5 ，功率因数可以到o 9 9 或更高：由于近似恒定，d c d c 变换器可以被优化；此外，由于相对较高，对于一个给定的保持时间可采用较小 的储能电容。但两级p f c 方案因为具有至少二个开关管和二套控制电路，增加了成 本和复杂度。 1 1 2 2 单级功率因数校正技术 两级p f c 技术具有t h d 低、p f 高、p f c 级输出电压恒定、保持时间高、输入电 压范围宽、适合于各种功率应用范围等众多优点。但带来的问题是电路复杂、成本高、 体积较大。这使两级p f c 方案不适合于低功率应用，如2 0 0 3 0 0 w 以下的功率范围。 目前欧洲强制要求市场上出售的7 5 w 以上的电子设备必须满足i e c l 0 0 0 3 2 电流 谐波限制标准，而且四年后会改为对5 0 w 以上的电子设备强制执行。由于在低功率 应用中采用两级方案的成本太高，在竞争日益激烈的环境下，许多厂商和科研机构都 开始关注单级p f c 技术。特别是近5 年的时间里，有大量的单级p f c 拓扑被提出。 一些厂家已成功的把它们应用到产品中去了，极大提高了产品的竞争能力。 很多单级p f c 拓扑可以直接从两级p f c 拓扑经过简单的组合得到，如图1 - 4 为 一个两级p f c 方案经简化得到单级p f c 方案的实例吼图1 - 4 ( a ) 为b o o s t 变换器 实现功率因数校正，后级为正激变换器得到输出电压。电路中有两个开关管：s w l 和s w 2 ，及两套控制电路：p f c 控制器和d c d c 控制器。由于s w l 和s w 2 是共地 的，如果把它们合二为一( 相当于开关管的漏极连在一起) ，去掉p f c 控制器，加入 二极管d 2 阻止电流反向，就得到了图l 一4 ( b ) 的单级p f c 拓扑。为了提高功率因数， 让电感岛工作在d c m 模式。由此可见，相对于两级p f c 方案，单级p f c 方案降低 了变换器的成本。 4 南京航空航天大学博士学位论文 ( a ) 两级功率因数校正a c d c 变换器 秆啦j 弛二 出芏国嘲。c 删黼| t p f c 级d c d c 级 ( b ) 单级功率因数校正a c d c 变换器 图1 4 两级p f c 方案( a ) 转化为单级p f c 方案( b ) 的实例 可以归纳出单级p f c 方案的原理方框图，如图l 一5 ( a ) 所示，图1 5 ( b ) 为单 级p f c 方案的输入交流电压v 。电流“和占空比波形【5 - 7 】。同两级p f c 方案相比，单 级p f c 只有一个开关管和一套控制电路，同时实现输入电流整形和输出电压的快速 调节，储能电容白用来平衡p f c 级和d c d c 级之间瞬时不相等的能量。实际上控 制电路只对输出电压进行快速的调节，因此单级p f c 变换器工作在稳定状态时，在 + v b 慰m 卢m 夕7 d o c m ( d p f c ) ( a ) ( b ) 图1 5 单级p f c 变换器方框图( a ) 和输入交流电压v 。电流i ，。和占空比( b ) 单级功率因数校正技术 半个交流周期里占空比基本不变。因此，在固定占空比下，要求电感如能够自动实 现输入电流整形。总的来说，单级p f c 方案的性能( t h d 和p f ) 比无源p f c 方案 要好，但不如两级p f c 方案。尽管单级p f c 方案的输入功率因数不如两级p f c 方案 好，但由于i e c l 0 0 0 3 2 标准只对电流谐波有要求，对功率因数没有要求。所以即使 功率因数为o 8 也没关系，只要电流谐波满足i e c l 0 0 0 3 - 2 标准即可。 在所有的p f c 变换器中，在一个交流周期里瞬态输入功率是脉动的，而后接 d c d c 变换器的输出功率是恒定的。因此，任何p f c 电路都必须有一个储能电容存 储这不平衡的能量。然而不同于两级p f c 变换器，在单级p f c 变换器里，由于控制 器只调节输出电压，不调节储能电容上电压，所以不再被调节在一个恒定值。 因此，单级p f c 变换器的随输八线电压和负载的变化而变化，从而影响了变换器 的性能。同时为了满足保持时间利要求，需要大电容量和高耐压的电解电容。电解电 容的价格和尺寸随容量增长，因此要在减少开关管和控制器所节约的成本和电容增加 的体积、成本之间折衷。 1 1 3 功率因数校正方案对比 通过前面的分析，对无源p f c 方案、有源p f c 两级方案和有源p f c 单级方案在 各个方面进行了对比，如表1 1 所示【4 】。 表1 - 1p f c 方案的性能比较 无源p f c 方案有源两级p f c 方案 有源单级p f c 方案 总谐波含量( t h d ) 高低 中 功率因数( p f ) 低高 由 效率高中低 体积 由 大 小 重量重轻轻 储能电容电压变化恒定变化 控制简单复杂简单 器件数量很少多中 功率范围q 0 0 3 0 0 w不限 _ 2 0 0 3 0 0 w 设计难度简单 由 复杂 经过对三种p f c 方案在t h d 、p f 、效率、体积、重量、储能电容电压、控制电 路、器件数量、功率范围和设计难度上的比较得出：它们分别适合于不同要求的应用。 6 南京航空航天大学博士学位论文 如无源p f c 方案适合于要求成本低、对体积没太大限制的小功率应用场合：有源p f c 两级方案适合于对性能要求高、价格不敏感、中大功率应用；有源p f c 单级方案相 当于两者之间的折衷方案，要求体积小、结构简单，性能较好的应用场合，特别是适 合于在现有的电源产品上做些小改动就能满足相应谐波限制标准的情况。 1 2p f c 技术的发展方向 近年来，p f c 技术研究的热点问题集中在以下几个方面【2 j ： 1 新型拓扑结构的提出。主要是基于已有的或新的原理得到新型拓扑结构： 2 把d c d c 变换器中的新技术( 如软开关技术) 应用于p f c 电路中； 3 新的控制方法( 基于已有拓扑结构的新控制方法) ，以及基于新拓扑的特殊控 制方法的研究； 4 单级p f c 变换器的研究。 总之，成本低、结构简单、容易实现，并且具有软开关性能、高响应速度、低输 出电压纹波的单级、隔离、高功率因数变换器是研究人员追求的最终目标。因此，研 究单级p f c 变换器符合p f c 技术的发展方向，具有很好的研究意义。 对于单级p f c 变换器一般要求： 1 同时实现p f c 和输出电压快速调节，是为了达到高性价比的p f c 方案； 2 适用于低功率( 3 0 0 w ) 应用； 3 输入电流满足i e c l 0 0 0 3 2 谐波限制标准； 4 ，宽输入电压范围： 5 简单的结构和高效率。 为了实现这些目标，本文对单级p f c 技术进行了研究。 1 3 本文的主要内容和研究意义 1 3 1 本文的主要内容 本文的选题为“单级功率因数校正技术”，主要由以下内容组成： 1 第一章介绍了p f c 技术的背景和选题依据。对无源p f c 技术、有源两级p f c 技术和有源单级p f c 技术进行了分析和对比，指出了单级p f c 技术适合于小功率应 用，是性能和成本之间的折衷。 2 第二章介绍各种单级p f c 变换器拓扑，并把它们归类为b o o s t 型和b u c k b o o s t 型结构加以分析。对于b o o s t 型单级p f c 变换器又分为两端模式和三端模式，归纳 7 单级功率因数校正技术 出它们的通用模型，并揭示它们之间相互转换的关系。 3 第三章对三种采用变压器绕组实现负反馈的单级p f c 变换器进行研究，理论 分析和实验结果都显示三种拓扑性能相近，它们之间可以进行相互转换，验证了第二 章提出的三端结构和两端结构的转换关系。并由实验得出采用变压器绕组负反馈抑制 v b 的方法具有很好的效果，而且增加的器件较少，结构简单。 4 第四章提出一种新型单级p f c 变换器，在正激变换器的基础上增加了电感、 变压器绕组和二极管，实现输出电压快速调节和输入电流整形。详细分析电路的工作 状态，并在1 8 0 2 6 5 v 输入、1 0 0 k h z 、1 0 0 w 的原理样机上进行了实验验证，实验结 果同理论分析一致。同其它单级p f c 变换器进行了对比和实验，结果显示新型方案 的输入电流谐波含量满足i e c1 0 0 0 3 - 2c l a s sd 标准，并且具有结构简单、储能电容 电压低、电流谐波含量低的特点，适合于小功率应用。 5 第五章对d c m 反激变换器用于功率因数校正进行了研究，通过损耗分析，指 出漏感对变换器的性能有很大影响。同时对反激有源箝位电路进行了仿真和实验，指 出由于反激有源箝位电路的磁化电流可以双向流动，因此在固定占空比下，不存在 d c m 模式。最后在9 0 2 6 5 v 输入、1 0 0 k h z 、2 0 0 w 的电路上进行了实验，给出了实 验结果。 6 第六章对本文的工作进行了总结。 1 3 2 本文的研究意义 本文的研究意义有如下几点： 1 本课题研究的是单级p f c 技术，符合p f c 技术的发展方向，有助于发展电力 电子的p f c 技术。 2 本课题在国外属于一个新兴的研究热点，但在国内很少有人研究。因此本课 题的研究有利于国内产品的国际化，提高产品在国际市场的竞争能力。 3 由于国内对p f c 技术是研究得多，实际应用的少。本课题与实际产品结合紧 密，投入市场具有较大的社会效益和经济效益，有利于推动国内企业对p f c 技术的 关注。 参考文献 【l 】张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，詹子z = 业出历祜1 9 8 8 ，北京。 【2 】严百平，刘健，程红丽，“不连续导电模式高功率因数开关电源”，群学出腹拦，2 0 0 0 年 北京。 8 南京航空航天大学博士学位论文 3 】 【4 5 】5 【6 】 f 7 】 l h d i x o n ，j r ，“h i g hp o w e rf a c t o rp r e r e g u l a t o r sf o ro f f - l i n ep o w e rs u p p l i e s ”u n i t r o d e s w i t c h i n g r e g u l a t o r p o w e r s u p p 妒d e s i g n s e m i n a r m a n u a l ，p a p e r1 2 ，s e m 一7 0 0 ，1 9 9 0 b s h a r i f i p o u r , j s h u a n g ，p e t e rl i a o ，l a s z l oh u b e ra n dm m j o v a n o v i c m a n u f a c t u r i n ga n d c o s ta n a l y s i so f p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o nc i r c u i t s ”i e e e a p e c r e c o r d , 1 9 9 8 ，p p 4 9 0 - 4 9 4 j i n d o n gz h a n g ，m m j o v a n o v i ca n df r e dc l e e ，“c o m p a r i s o nb e t w e e nc c m s i n g l e s t a g ea n d t w o s t a g eb o o s tp f cc o n v e r t e r s ”i e e e a p e cr e c o r d , 1 9 9 9 ，p p 3 3 5 - 3 4 1 mm a d i g a n ，r e r i c k s o na n de 1 s m a i l ，“i n t e g r a t e dh i g hq u a l i t yr e c t i f i e r r e g u l a t o r s ”i e e e p e s cr e c o 衄1 9 9 2 ，p p1 0 4 3 - 1 0 5 1 r - fw u ，r - hy ua n d 矿- c l i u ，“p r i n c i p l eo fs y n t h e s i z i n gs i n g l e s t a g ec o n v e n e r sf o ro f f - l i n e a p p l i c a t i o n s ”i e e e a p e cr e c o r d , 】9 9 8 ，p p 4 2 7 - 4 3 3 9 单级功率因数校正技术 第二章单级功率因数校正的拓扑分析 变换器电路拓扑的选择是单级p f c 技术的基础。一个好的拓扑决定变换器的各项性能指标。 本章把单级p f c 变换器分成b o o s t 型和b u c k - b o o s t 型进行了分析和归类，得出了单级p f c 变换 器的一般规律。 2 1 功率因数的基本定义f l 】 总输入电流有效值定义为： k = 厍万焉万鬲磊i = 、隆， ( 2 _ 1 ) 其中厶。m 是指h 次谐波的有效值。 功率因数”的定义为： ”= 熊= 丧 池z ， 一视在功率y 二，j 。 7 假设输入交流电压为正弦波，输入电流为非正弦，功率因数定义为： p f ：掣竺型：争c o s ( 咖 c a k a ( 2 - 3 ) y 。s i 。sl 。s 、? 其中：为输入电压有效值；a 为输入基波电流和输入电压之间的相移角。 定义畸变因数为： k = ，。( 1 ) 。 ( 2 4 ) 相移因数为： 丸= c o s a ( 2 5 ) 即功率因数为畸变因数和相移因数的乘积。 定义总谐波失真度( t h d ) 为： m ：堡二鱼! 1 0 0 ( 2 6 ) n 坩( i ) 幻和t h d 之间的关系为： 1 0 胁= 砌乒圳。 ， 南京航空航天大学博士学位论文 即： 驴丽1 ( 2 8 ) 如果输入电流基波分量和输入电压同相位，即相移因数k 。= c o s l 2 = 1 ，p f 即为 幻。由此可推出p f 和t h d 之间的关系为： 1 p f = k 。= f = = 三一 ( 2 9 ) 4 1 + 囝) 2 图2 一l 为各种输入电压和电流对应的幻和k 。( a ) 中电流波形同输入电压之间 既有相移又有失真，k a l ，k a l ，所以p f i ；( b ) 中虽然铲l ，但k a l ，所以还是 p f 1 ；( c ) 中虽然k a = l ，但k 1 ，所以p f i ；只有在( d ) 中，同时满足k a = l 和k = 1 时，输入功率因数才为1 。 ( a ) k a 1 ，k 口 1 ( c ) k d = 1 ，屹 1 ( b ) k d 6 0 0 w 的情况都属于c l a s sa ： 便携式设备属于c l a s sb 。表2 一l 为c l a s sa 和c l a s sb 的输入电流谐波限制标准。要 1 l 单级功率因数校正技术 图2 2i e c1 0 0 0 3 2 谐波电流限铝i 标准的分类 求每相输入电流小于1 6 a ，对奇次谐波和偶次谐波都有要求，且规定的是输入电流谐 波的最大值，不随输入功率的变化而变化；c l a s sb 的最大谐波电流限制值为表2 1 中的值乘以系数1 5 。 照明设备属于c l a s sc ，具体输入电流谐波限制标准如表2 2 所示。c l a s sc 规定 的是最大允许谐波电流占基波电流的百分比，因此电流谐波的限制值由输入功率决 定；偶次谐波中只对2 次谐波有要求，对其它偶次谐波没有要求。其中3 次谐波的最 大值为基波频率时输入电流的3 0 a ，a 等于电路的输入功率因数，所以3 次谐波的 最大值还由输入功率因数决定。 对于具有特殊波形且p f 0 0 w ，不是电机驱动的设备都属于c l a s sd ，因此c l a s sd 的范围最宽。表2 - 3 为c l a s sd 的输入电流谐波限制标准。 c l a s s d 适用于输入功率为7 5 w 到6 0 0 w 的设备，而且四年后最小功率将由7 5 w 降到5 0 w ，因此将来对输入电流谐波的限制会越来越严格。c l a s sd 中电流谐波的限 制值与输入功率有关，规定了每瓦最大允许谐波电流和允许谐波电流的最大值。并且 只对奇次谐波电流有限制。 图2 - 3 为i e c l 0 0 0 3 2c l a s sd 输入电流谐波限制标准的输入电流波形范围。如果 电子设备要求满足i e c1 0 0 0 3 - 2c l a s sd 标准，输入电流除以输入电流峰值后得到的 波形，必须至少9 5 的部分在图2 - 3 规定的波形范围之内。波形的中点m 对应输入 电流的峰值点。 1 2 南京航空航天大学博士学位论文 表2 - 1c l a s sa 和c l a s sb 的输入电流谐波限制标准 谐波次数n最大允许谐波电流0 ) 奇次谐波 3 2 3 0 51 1 4 7o 7 7 9 0 4 0 1 10 3 3 1 3 0 2 l 1 5 1 h 3 9 0 1 5 1 5 n 偶次谐波 2 1 0 6 40 4 3 60 3 0 8 s 玎墨4 0 0 2 3 8 n 表2 2c l a s sc 的输入电流谐波限制标准 谐波次数最大允许谐波电流( ) 玎 ( 占基波电流的百分比) 2 2 33 0 - a 5l o 77 9 5 1 1 n 3 9 ( 仅限奇次谐波) 3 表2 - 3c l a s sd 的输入电流谐波限制标准 谐波次数每瓦最大允许最大允许 门 谐波电流谐波电流 m 酗na 33 42 3 0 51 91 1 4 71 o0 7 7 9o 50 4 1 10 3 50 3 3 1 3 0 2 9 6 0 2 l 1 3 n 5 3 9 ( 仅限奇次谐波) 3 8 5 n 2 2 5 n ( 同c l a s s a ) 1 3 单级功率因数校正技术 图2 - 3i e c1 0 0 0 3 2c l a s sd 的输入电流波形范围 ( 输入电流波形最少9 5 在规定范围之内) 2 3 输入电流整形 单级p f c 技术是把p f c 级和d c d c 级组合在一起，共用功率开关管，只有一套 控制电路。控制电路的作用是实现对输出电压的调节，得到稳定的直流输出电压，p f c 级不被控制。因此，要求p f c 级必须具有固有的p f c 功能，即在不对p f c 进行控制 的情况下，输入电流能够完全或部分跟随输入电压的正弦变化。众所周知，在固定占 空比时，工作在d c m 模式的b o o s t 、b u c k - b o o s t 、s e p i c 、c u k 、z e t a 等变换器具有固 有的p f c 功能。为了简化电路，大部分单级p f c 交换器都是采用b o o s t 或b u c k - b o o s t 变换器，工作在d c m 模式，实现输入电流整形( i n p u t c u r r e n t s h a p i n g ，i c s ) 。而为 了提高变换器的效率，有时希望p f c 级工作在c c m 模式。在变换器工作在固定占空 比时，没有电路能够在c c m 模式具有固有的p f c 功能。但可以在电路中加入无源器 件，如电感和电容，调节p f c 级的有效占空比，使输入电流基本跟随输入电压变化， 从而提高输入功率因数。下面对d c mb o o s t 变换器、d c mb u c k b o o s t 变换器和工作 在c c m 模式的p f c 级进行分析和讨论b 4 1 。 2 3 1d c m b o o s t 变换器 在p f c 电路中b o o s t 变换器是研究和应用最多的一种变换器。图2 4 为d c mb o o s t p f c 的电路和电路波形。 每个开关周期内输入电流的峰值为： o 坤：d r , ：掣d l ( 2 - 1 0 ) 山口 z - , b 其中l b 为b o o s t 电感，v 窖为输入电压经二极管整流桥整流后的电压，圪肚为v g 石。 哪。 ； 。 南京航空航天大学博士学位论文 电巷电电巷电 溉充电藏放电 图2 - 4 d c m b o o s t p f c 变换器( 左) 和电路波形( 右) 的峰值电压，0 9 为输入交流电压的角频率，d 为变换器的占空比，瓦为变换器的开 关周期。 式( 2 - 1 0 ) 表明：如果占空比d 在半个工频周期内基本不变，输入电流的峰值跟 随输入电压正弦变化。但我们希望输入电流的平均值最好也是正弦变化，这样才会有 高功率因数。每个开关周期内输入电流的平均值为： ，。= 竽( d + d ) ( 2 1 1 ) 其中d 为如电流从峰值下降到零的占空比。根据如的伏秒积平衡可得出d 为： d ：毒g _ d ( 2 1 2 ) 屹一v g 把式( 2 1 2 ) 代入式