外文翻译.pdf

有关有关单级功率因数校正的研究进展单级功率因数校正的研究进展 摘要 本文介绍了各种有趣的功率因数校正技术的单相应用及其概述 讨论了包括 常用的控制策略和各种类型的 转换器拓扑结构 包括的是一个比较研究 这些策 略的主要的优点和缺点被突出显示 我们将强调单级拓扑结构其缺点和一些有前 途的解决方案 1 引言 众所周知 电源供应器连接至交流市电引入实用的谐波电流 这样谐波电流 会导致几个问题 包括电压畸变 加热 辐射和传导噪声并能减少线路的能力 以提供能量 因此 国家和国际标准或建议已被采纳 使其在功率功率因数校 正电路的使用提供了一个必要性 功率因数是没有必要满足 法规的 例如 两个 IEEE519 和 IEC1000 3 2 2 3 允许谐波的线路电流的存在 近几年 这一事实已经导致了大量的相关 的出版物 论文 随着该范围从一个解决方案简单的 LC 滤波器的两阶段方法 两级的方式来实现功率因数校正要求一个PFC级之前的DC DC调节存在 阶段 一种替代的解决方案 以实现其目标是 与孤立的高品质整合主动式PFC阶段 输 出 DCDC 阶段为一个阶段 这就是所谓的单级转换器 至少组件和简单的 控制 器 理论上 改变了两个阶段的方案来 单级方案可以大大减轻成本 单级 S 的 PFC AC DC 的复杂性 问题在于 为什么没有这样的概念已经广泛采用当今电源行业 答案或许是 因为还存在一些现有的技术挑战 对于发展可行 SZ PFCACDC 转换器 这些挑 战 包括高电压和电流应力 低效率等 另外 的相关的单级 PFC 是有吸引力低 功耗应用 在本文中 我们提出的功率因素校正方法的一般分类在其拓扑的任期 结构 其次是共同控制技术 为此 我们强调的单级方法由 突出其共同的缺点和近期 的解决方案 2 分类功率因数的 矫正方法研究 3 一般用来提高功率因数的方法可分为被动和主动的两种方法 6 被动方式使 用电容感应式过滤器 实现 PCF 而主动方式使用切换模式电源整形输入电流 下面对这些 方法进行了简要讨论 2 1 消极的做法 在被动的两种方法中 全桥整流用 LC 滤波器是用来减少线电流谐波的限 制 通常 LC 滤波器的方法可放置在任何交流侧 或整流器 如图升的直流侧 a 所示 将 LC 滤波器的交流侧 将导致更多的 纯净的正弦输入电流 被动式 PFC 可以达到调节高效率 卓越的可靠性 低成本和低 EMI 的 7 8 另一方面 滤波电容器电压的叶片与线电压 这 BAS 上产生有害的影响性能和 DCDC 转换器的效率 何时考虑保持时间为电源 大容量电容必须被增加 并且 变得非常笨重相比会是什么没有这个变化的电压 其结果是 在被动的两种方 法似乎更 有吸引力的低功耗应用 高达 300 瓦 和更适合于窄线的电压范围 其他 缺点是滤波器扼流圈的尺寸和重量 电感 然而 大多数制成的电源在低功 耗和成本敏感的应用都采用了被动式 PFC 的两种方法 2 2 活跃途径 主动式 PFC 的两种方法 一个开关模式转换器用来克服了被动的局限性的 两种方法 假设单位功率因数 线电流 应的正弦和相位与线电压 这将导致脉 冲输出功率比包含除了真正的 平均功率 交替组分与双行频 由于功率 由大 多数负载要求是恒定的 能量存储 是必要的元素 由于电感存储能量无法比拟 的这过量的能量 另一个存储元件是需要的 此存储电容器之间通常位于两个阶 段和应该处理的双线频率脉动分量 这使得它笨重 这第二个 谐波问题提出了自己的 在 PCF 级的输出不能在内部解决 通 常 PFC 和输出电压之间的折衷 纹波他应该做的 但大多数时候这个输出电压 不够好为负载供电 其结果是 另一个 DCDC 转换器是需要的 或什么是所谓 的 发表调节器 来解决这个问题 实现紧输出调节 结果在最强大的 PFC 配置 并在所示的有源 2 级 PFC 图 1 b 所示 2 2 1 两级 PFC 变换器 这种配置意味着使用两个转换器来既实现功率因数校正和输出调节除了整 流电路和输入 EM1 筛选 这些转换器是独立的 这意味着每个 BAS 自己的开关 和控制电路 在 PFC 转换器进行使用的一个输入电流整形流行的转换器拓扑 降 压 升压 降压 升压 flypack SEPIC 的 Cuk ZETA 除了在 PFC 中的 一个控制技术 升压转换器被广泛应用于由于自身的优点 包括良好的功率因数 接地开关 输入电感器和简单性 但是 该 PFC 转换器通常具有低带宽控制 这意味着一个松散的稳压输出电压通过存储电容器 在通用线电压应用 DC 总 线电压可以 380 400V 之间变化 由于的相对高的电压的存储电容器 该值的电 容可以被优化 以提供必要的保持时间 DCDC 转换器连接到存储电容器提供 必要的紧输出电压调节与适当的增益 大多数时候 提供隔离 2 2 2 单级 PFC 变换器 单级 PFC 配置来到即将降低两级结构的成本和复杂性 并且可以更多地被 视为对双级的变形 PFC 而不是类本身 如可以从可见 图 1 c 所示 PFC 和 DC DC 细胞份额控制电路 也可以在此共享交换机配置 之间的能量存储电容 器两个阶段用作频率隔离的缓冲液 并提供转换器所需的保持时间 但是 在 单级配置 两端的电压 储能电容不规范 因为该 控制器用于调节输出电压 因 此 该电压可大大变化 通常在 130 500V 的通用在线应用 这将有一个 在 PFC 的设计和成本的负面影响转换器 更多关于单级转换器呈现在第四节 图 1 a 被动式 PFC 途径的一般结构 2 3 方法比较 一般来说 被动的做法应该予以考虑低功耗应用 特别是在设计时要满足用 窄行的最低监管要求电压范围 在低功率水平 300W 活动单级方法提供了被动的一大优势 由于其结 图 1 c 单级 PFC 电源的系统配置 构简单 成本最低的两种方法重量和更好的 PFC 的性能 单位功率因数和严格的输出调节为任何功率范围可通过两个阶段的活性来 实现 PFC 这种结构可以保证遵守任何 监管并与通用线电压兼容应用程序 两 个阶段中的某些负面因素 方案包括成本 尺寸 有时其下部 效率 表 1 提供了一个通用的相对性能比较 比较了被动和主动的单和双级的两种 方法 9 3 PFC 控制技术 我们可以在 PFC 控制技术分为主动控制和自动控制线路电流 由于主动控 制主要是相关联的继续我电感电流导通模式 CCM 有时他们把它称为 CCM 整形技术 该全自动控制 另一方面 用于当转换器工作在 停止 停止 导通模式 DCM 因此 我们可以把它称为一个 DCM 整形技术 在一个两阶 段的有源 PFC 转换器 直流 直流细胞调节输出电压 而 PFC 细胞进行使用的 技术之一来的电流整形在下面讨论 在单级配置中 有一个控制器 它应该执行 两个任务 因此自动控制主要是通过单级 PFC 转换器 图 2 显示了一般的分类 的 PFC 控制技术 在一般情况下 有源控制器是更有效的实现一个纯正弦波输 入电流与功率因数 但在另另方面 他们更复杂的实现 并有性价比较高 自动 控制是简单 易于实施 但它产生的高峰值电流和大量的 EMI 这限制了使用 的自动控制 以低收入和中等功率应用 由于主本文的目的是分析单级 PFC 转 换器 这些技术将被简要地介绍强调自动控制 3 1 主动控制 在有源控制技术 所述控制器控制 PFC 的小区作为一个电阻仿真器通过感 测线的工作电压 线路电流的输出电压 然后产生所述命令信号 如图 3 所示 若命令信号被编程以命令的电流 即开关 或电感电流 那么我们可以将其称为 电流模式控制 与此相反的是电压模式控制时 指令信号指令的电压 即涉及 到线路电流 以按照一定的形状 3 1 1 电流模式控制 由于 PFC 控制器的主要目的是 控制线电流 电流模式控制更有效地实现期 望的结果 许多方法已经开发了 其中最流行的是 平均电流控制 10 11 那里的 平均价值线路电流超过一个或几个开关周期是控制为具有正弦波形是在相与线 电压 峰值电流控制 12 131 是另一种方法 它适合于升压拓扑结构 其中电感 电流的峰值被命令 整形输入线电流 峰值电流控制是 简单实现 并且具有良好 的效率 另一方面 它比平均电流控制具有更高的电流畸变和应力 3 1 2 电压模式控制 电压模式控制用于当转换器电压驱动 如在降压转换器的情况 它可以表明 我们可以控制线路电流是在相位与线电压通过控制电压输入电容器或输入电感 器的电压 通常 我们指的是电压模式控制作为电容电压控制 当我们控制由 正弦指令信号到电容器电压间接调节线路电流是同相的线电压 为了产生所述命 令信号 该控制器要检测的相移 这是一个不简单的任务 同时电容电压控制非 常 对参数扰动敏感 克服这个困难 电感电压控制发明 这是更简单的实现和 更有效地保持线的电压和电流同相 3 2 自动控制 CM 自动控制方法导致减少的活性的方法的成本和复杂性 不像活跃方法 自动 控制是仅当 PFC 变换器工作在 DCM 中 自动控制可以与两级或单级功率因数校 正级 用于当前端单元有下一个恒定的输入端口电阻可变输入电压和输出电压恒 定 这种拓扑结构的例子是降压 升压 的 Cuk 和 SEPIC 转换器时 在 DCM 模式下操作 其他转换器也可以被用于产生高功率因数用的谐波失真 如公认的 量升压转换器 在自动控制 主要目标是保持占空比恒定的 非常小的变化 那么峰值电感电流时会跟随线电压 在 DCM 模式 该电流的平均值 将导致在 正弦输入电流 如图 4 所示 因此控制回路不需要任何前馈回路 这是应当注 意 作为输入电流的形状的结果一个滤波电路 需要在转换器的前面 以平滑的 脉动电流 而且 由于电感器电流将在 DCM 中的操作 也可以不存储任何能量 这是因为所有的所存储的能量应该被释放在开关周期的结束 和一个大电容应被 使用 4 在单级 PFC 变换器的进步 随着越来越多的美元市场的 PFC 转换 成本效益的单级 PFCAC DC 转换 其 中一个最优先研究领域在电力电子 本文这一部分中的单级功率因数校正变换 器和部分有效的主要技术问题解决方案 已经有一定数量的研究了最近的研究 18 311 整合两阶段转换器转换成单级 变换器 DCM 的输入技术已被广泛地应用于单级 PFC 电路 使用基本的转换 器 拓扑结构 通常升压或反激式转换器 工作在 DCM 模式组合 与另一个隔 离转换器 以形成该转换器 存储电容器通常需要保持直流母线电压 不像两级 PFC 电路 其中的总线电压被控制时 单级 PFC 变换器具有 只有一个从输出反 馈回路 输入电路和输出电路必须共享相同的控制信号 图 5 示出了公知的两阶段的两个 PFC 电路 由于输入电路和输出电路是在 一个单级 它有可能为他们共享相同的电源开关 因此 它导致了单级 单开关 功率因数校正 S4 PFC 电路 然而 大多数建议的拓扑结构是在低功耗应用 特别有吸引力 而以下缺点仍然存在 1 在高电流和低占空比的条件下 储能电容电压高 其结果 高评级电容 和开关设备必须使用 这将导致成本增加 2 因为是 DCM CCM 类型 在大容量存储电容器电压是负载的函数 产生 在宽的电容电压变化和困难在设计通用输入的应用 3 高电流应力是由于在 DCM 操作 PFC 级通常在 DCM 模式下运行 以利 用其固有的电流整形 电流应力不仅伴随着增加的开关损耗和低效率的 但也 EM1 的问题 4 不可避免的泄漏功率电感变压器产生的高电压尖峰开关的实例 从而导 致减少效率 为了提高单级的性能 PFC 转换 许多技术被开发出来 克服上述缺点 在 图 6 所示的两个电容器拓扑结构来增强的升压电路和到 PFC 能力缓解由电源产 生的电压尖峰变压器 在存储电容器上的电压是保持在较低的水平 软开关技术被引入到单级 PFC 转换器以试图提高动力 密度和效率 23 在 图 7 中 一个辅分支溶液中加入在平行于图中的电源开关 6 实现零电压转换 ZVT 在打开 在一个 ZVT 电路 辅助开关需要被打开为 ON 打开电源开关 之前 很短的时间 在这种拓扑结构 谐振电感器被耦合以 电源变压器以消除 循环能量 与所有的尝试 以提高单级 PFC 转换器的效率 它的性能仍然无法抗衡用 因为高电压的两阶段计划和电流额定值 它被发现的一个共同在传统的单级 PFC 特性拓扑结构是只有一个动力流动路径 在换言之 有源开关需要处理所有输出 功率两次 一次是通过在 PFC 细胞和另一个时间通过 DCDC 细胞到输出 在 24 251 另一被提议的方法 其主要思想是增加一个额外的绕组输入电感来获 得另一个潮流路径直接输出 如图 8 所示在此基础上 的概念 一个 PFC 细胞 具有直接动力传输分支是文献 26 提出 被称为 flyboost 细胞 如图 9 所示 flyboost PFC 单元由一个升压的转换器具有一个附加绕组的输出 这是显然 这 种方法的效率比更高常规方法 和电流应力也减小由于在 DC DC 细胞处理的功 率降低 在此外 当瞬时输入电压变高 升比更高 两端的电压变压器 T 初级 绕组被钳位到 V 图所示的 successll 实施 flyboost 细胞 27 图 11 显示了之间 的一个实验效率比较转换器 在图 6 和 1 10 a 以 150W 的满负荷 它可以看 出 与 flyboost PFC 单元的拓扑实现了更高的效率 尽管平静的母线电压 为优势通用输入电压的应用 此电压仍然很高对于大 容量电容 最大的峰值通用输入电压为 375V 通常将选择为等于最小输入的峰 值电压 这是大约 120V 然后将中间总线电压将围绕 495V 最小电压用于中 间总线电容的要求是约 500V 不幸的是 一个最大电压在今天的市场经济的大 容量电容可为仅 450VDC 和两个电容器 串联在该案件是必要的 图 10 中的拓 扑图 二 来与通用输入应用的最佳解决方案 28 这种拓扑结构有它的中间 总线电压低作为峰值输入电压 最大的中间总线电压可小 400V 如示于图 12 中 通用电压应用 商业 450V 大电容和 600V MOSFET 的经济可以用以满足低成 本的要求 一些进一步的修改以改善在此拓扑的效率中可以找到 为试图提高功率处理 单级转换器 非对称的能力半桥配置 AHBC 在 DCIDC 使用阶段 31 如图 LO c 所示 它是从不同的其它软开关变换器通过 其固有的零电压开关 ZVS 的能力 其中零电压的方法可过允许泄漏实现对两 个开关主变压器电感共鸣与开关的寄生电容 另一方面 当转换器能够处理高功 率 发现它不适合宽输入范围 5 总结 常见的功率因数校正技术综述是由于在本文中在低功率应用和特别是在设 计时要满足最低 具有窄的线路电压范围内 被动要求做法似乎是一个强有力的 候选人 团结力量因子和严格的输出调节任何功率范围可以 通过两个阶段的有 源 PFC 来实现 对于低中等功率水平 300W 有源单级 提供在消极的做法 有很大的优势 由于其结构简单 成本低 最小的重量和更好的 PFC 的性能 取决于具体应用 应当提出的工程判定是否使用单级或在该功率范围的两阶段方 法 决定应在成本方面和性能权衡 虽然有许多问题还需要设计单级时要处理 的 PFC 转换器 它在新的市场趋势的潜力 参考 1 R Redl P Tenti and J D Van WYK Power E