单级PFC变换器的功率因数校正效果的研究

1、单级PFC变换器的功率因数校正效果的研究1 前言 为了使图1 单级PFC变换器 图中：vAC为交流输入电源； L1为Boost电感； C1为中间储能电容； RL为变换器负载。 图2 电路的主要电流波形 图中：ugs为开关管S的控制信号； Ts为开关周期； D为占空比。 在一个开关周期内，电路的工作过程如下。 状态1t0t1 S，D2和D3导通，D1和D4截止，电源vAC向电感L1充电，流过电感L1上的电流线性增长，C1经T1向Lo，Co和RL放电。S在t1时刻截止，电感L1上的电流为最大值： iL1,P=DTs （1） iD1=0，iD2=iL1 （2） 状态2t1t2 S，D2和D3截止，D

2、1和D4导通，vAC和L1通过D1给C1充电，负载RL两端电压由Lo和Co的储能维持。在t2时刻，L1中的能量完全释放，电流为零。在这期间 iL1=iL1,P(tDTs) （3） iD1=iL1，iD2=0 （4） 状态3t2(t0Ts) S，D2和D3截止，由于D1的存在，L1上的电流不能反向，因此为零，即D1也截止，D4仍导通，负载RL两端电压由Lo和Co储能维持。 2.2 输入电流分析 在状态1和2期间，Boost电感中的能量完全释放，根据磁通守恒原理有 |vAC|DTs=(VC1|vAC|)D21Ts （5） 可以得到 D21=D （6） 所以，在一个开关周期内，平均输入电流为 iL1

3、(avg)=（iL1,PDiL1,PD21）=D2Ts （7） 设|vAC|=|VINsin(t)|，其中VIN为输入电压的峰值。所以 iL1(avg)=k （8） 式中：k=； =。 在单级PFC变换器中，输入电流在固定占空比下被分解为三角脉冲波，电流峰值将自动跟随输入电压。但是，这种通过电压跟随方式取得的电流波形并非理想的正弦波。由于Boost电感的放电时间受到VC1的影响，因此，平均输入电流呈现一定程度的畸变2。由式（8）可知，平均输入电流与之间有一个固定的关系，如图3所示。 图3 平均输入电流的波形 2.3 功率因数表达式 输入电流有效值为 iL1(rms)= （9） 令z=，则有 i

4、L1(rms)=k （10） 变换器的平均输入功率为 PIN=|vAC|iL1(avg)dt=VINk=y (11) 式中：y= 变换器的功率因数可表示为 PF= （12） 式中：Vrms=。 由式（12）可知，变换器的功率因数与也存在一个固定的关系。 3 仿真与实验结果 为了验证理论分析结果，进行了仿真与实验。电路参数为：vAC=200sintV，L1=0.103mH，C1=270F，变换器的开关频率120kHz。当负载变化的时候，储能电容C1的电压随着负载的减小而增大，从而使得发生变化。当=0.7或0.9时，仿真结果如图4所示。 图4仿真波形图 为了进一步验证，搭建了实验模型，实验波形如图5所示。可见仿真与实验结果与理论分析是相符的。 图5 实验波形 4 结语 通过对单级功率因数校正变换器的工作原理及功率因数校正效果的分析。说明在单级PFC变换器中，Boost电感工作在不连续导电模式下，平均输入电流跟随输入电压。但是，电流波