（电力电子与电力传动专业论文）软开关无桥boost+pfc电路的研究.pdf

华南理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) h a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h a s p e c t si np o w e re l e c t r o n i c s f i e l d i tc a ns h a p el i n ec u r r e n ta n de l i m i n a t et h e u n d e s i r a b l ee f f e c t so np o w e rn e t w o r kb yt h el i n ec u r r e n th a r m o n i c s c o n s e q u e n t l yi t i n c r e a s e st h ep e r f o r m a n c eo fs w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) a n di m p r o v e st h e q u a l i t yo fp o w e rn e t w o r ka sw e l l t h et o p o l o g ye m p l o y e di np o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ns i n g l e - p h a s es u p p l i e so f t e n c o n s i s t so faf r o n t e n df u l l - b r i d g ed i o d er e c t i f i e r a ta n yg i v e ni n s t a n t ，t h e r ea r e r e l a t i v e l ym o r eo n s t a t es e m i c o n d u c t o r si nt h e c i r c u i t t h et o t a lc o n d u c t i o nl o s s e s a l w a y si n c l u d et w od i o d el o s s e sf r o mt h ef r o n t e n db r i d g er e c t i f i e r i nr a t h e rh i g h p o w e ra p p l i c a t i o n s ，t h ec i r c u i tu s u a l l yo p e r a t e si nc c m m o d e t h ed i o d ec o n d u c t i o n l o s s e sh a v ei n f l u e n c e do nt h ei m p r o v e m e n to fp o w e re f f i c i e n c y h i g hp o w e rd e n s i t y a n df a s tt r a n s i e n tr e s p o n s eo ft h ec i r c u i tc a nb ea c h i e v e db yi n c r e a s i n gs w i t c h i n g f r e q u e n c y h o w e v e r ，t h es w i t c h i n gl o s s e si n c r e a s ei nd i r e c tr a t i o t h ep o w e rs u p p l y s u f f e r sf r o mh i g he l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e sp r o d u c e di nt h es w i t c h i n gt r a n s i t i o n a n dt h er e v e r s er e c o v e r yi np o w e rd i o d e f r o mt h e s e ，az e r o v o l t a g e - s w i t c h i n g b r i d g e l e s sb o o s tp f ct o p o l o g yi sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eb r i d g e l e s sb o o s t p f cw i t hs o f t s w i t c h i n gu s e sb i - - d i r e c t i o n a ls w i t c h e sa ss u b s t i t u t e sf o rr e c t i f i e rd i o d e s i tn o to n l yc a na c h i e v er e c t i f i c a t i o ni nt h ep r i m a r yc i r c u i tb u ta l s oh i g hp o w e rf a c t o r i so b t a i n e ds i m u l t a n e o u s l y f o rb o t ht h ec o n d u c t i o na n dc o m m u t a t i o nl o s s e sa r e r e d u c e di nt h eb r i d g e l e s sb o o s tp f cw i t hs o f ts w i t c h i n g ，i ti sah i g he f f i c i e n c yp o w e r f a c t o rc o r r e c t i n ga p p r o a c h t h i sd i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t o f i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri sp r e f a c et h a t d e s c r i b e st h et h e o r ya n dm e a n i n go fp f c i nc h a p t e rt w o ，t h eb r i d g e l e s sb o o s tp f c o p e r a t e su n d e rh a r d s w i t c h i n gc o n d i t i o ni si n t r o d u c e d s o m ec o n t r o ls c h e m e sf o rt h e p a r t i c u l a rt o p o l o g ya r ep r o p o s e d i nt h i sc h a p t e r ，t h ea d v a n t a g e so ft h ep r o p o s e d c i r c u i ta r ep o i n t e do u t s o m en e c e s s a r ya n a l y s e sf o re m ic a u s e db yt h ep r o p o s e d c i r c u i ta r ea l s om e n t i o n e dh e r e t h et h i r dc h a p t e ri sab r o a do v e r v i e wo ft h er e s o n a n t s o f t s w i t c ht e c h n o l o g i e s i ti sa ne f f i c i e n ta p p r o a c ht oi m p r o v ep e r f o r m a n c ew h e n s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yi se m p l o y e dt ot h eb r i d g e l e s st o p o l o g y i nc h a p t e rf o u r ，t h e o p e r a t i o n sa n dd e s i g n so ft h ez e r o - v o l t a g e - s w i t c h i n gc i r c u i ta r ed e s c r i b e di nd e t a i l b a s e do nt h eh a r d s w i t c h i n gb r i d g e l e s sp f ct o p o l o g y an o v e lc o n t r o ls t r a t e g yi s i i a b s t r a c t p r o p e r l ya d o p t e d i ts i m p l i f i e st h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts a m p l i n gc i r c u i t sc o m p a r e d w i t hc o n v e n t i o n a lp f cc o n t r o lm e t h o dw i t hm u l t i p l i e r t h e r e f o r e ，i ti sp o s s i b l et h a t t h eb r i d g e l e s st o p o l o g yc a nb ew i d e l yu s e d ，s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a t i o n so nt h e w h o l ec i r c u i ta r eb r o u g h to u ti nc h a p t e rf i v e r e s e a r c hr e s u l t sv a l i d a t et h et h e o r y a n a l y s e s t h ep r o p o s e dc i r c u i th a st h ea d v a n t a g e so fs t e a d yo u t p u tv o l t a g e ，h i g h e f f i c i e n c ya n dh i g hp o w e rf a c t o r ， k e y w o r d s ：p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ；s o f ts w i t c h i n g ；c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ； b r i d g e l e s sb o o s tp f c i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：胡飒砖日期：彬年多月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：古越p 惦 导师签名：专乐立溺 日期：沙巧年占月罗日 日期：a ，万年月，日 第一章绪论 1 1 功率因数校正的意义 第一章绪论 人们使用的各种的电子设备，其内部大多以直接或间接的直流开关电源工作。 开关电源是利用电能变换技术将市电或电池等一次电能转换成适合各种用电设备 使用的二次电能的装置。随着电力电子技术的迅猛发展，现代开关电源向着高频 化、模块化、数字化及绿色化的方向发展。电源系统的绿色化顺应着当今可持续 发展策略的要求。绿色电源的含义包括两方面：首先是显著节电，意味着电网系 统发电容量的减少。众所周知，发电是造成环境污染的重要因素之一，因而发电 量的减少对保护环境有重大意义；其次电源不能或者应减少对电网产生谐波污染， 以保证电网供电质量，提高电网的可靠性。 目前，直接接入电网的开关电源装置应用已很普遍，通常电源前级的4 c ，d c 变换都采用非控的二极管桥式整流加上大容量的电解电容滤波，如图卜1 所示。 这种通用的整流器仅当输入电压k 。的幅值高于电解电容c 两端的电压与整流二极 管正向压降之和时，才能从电网抽取能量，整流器的导通角缩短了3 倍【l 】。系统 在电容充电期间形成输入电流。，电流峰值非常高，输入电流波形变成了非正弦 l 愿f i n f 一 ? o 澎_ 图1 1 简单的二极管整流电路及输入电流波形 f i g1 1t y p i c a ls i n g l ep h a s er e c t i f i e rc i r c u i ta n dt h ei n p u tc u r r e n tw a v e f o r m 的窄脉冲，包含大量的高次谐波分量。由于只有基波电流才能产生有功功率， 高次谐波电流使系统视在功率增加，导致a c d c 变换电路输入端功率因数低，一 般为0 5 0 7 左右：脉冲状的输入电流有效值大而平均值小，所以电网输入伏安数 大，负载上的输出功率却较小，输入电流在传输线上的衰耗大。此外，若在变换 电路交流输入侧不采取校工f 措施，大量的电流谐波分量会倒流进入电网，造成对 电网的谐波“污染”；当电流流过线路阻抗时产生谐波电压降，反过来使电网电压 发生明显畸变。电流波形的畸变及其引起的网侧电压波形的畸变给系统本身和周 围的环境带来一系列的危害 2 】：对公众电网有严重影响，电流谐波使线路和配电 华南理工大学硕士学位论文 变压器过热，引起电网l c 谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使之 过流、过热而爆炸损毁；当采用三相四线制供电线路时，由于三次电流谐波在中 线中是同相位，合成后中线电流很大，有可能超过相线电流，使中线过载而损坏。 除了对电力系统造成污染，电压和电流的谐波可对通信系统产生干扰，还可引起 仪器仪表和保护装置的误测量、误动作。 随着用电设备日益增多，谐波污染问题引起了广泛的关注。基于限制电流和 电压波形畸变，使电磁环境更加干净的宗旨，一些世界性的学术组织提出了相关 的谐波限制标准，例如i e c 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 等。无电网污染、无电磁干扰、省电 节能已成为开关电源的绿色指标，对于应用广泛的单相中大功率的开关电源，采 取功率因数校正电路( p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ，p f c ) 能从根本上抑制谐波产生， 消除谐波源。采用现代高频技术的有源功率因数校正技术( a c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ，a p f c ) 更是解决谐波污染的有效手段。功率因数校正已成为现代电 力电子技术热点问题之一，研究功率因数校正对于开关电源发展有着重要意义。 1 2 功率因数的相关定义 功率因数( p o w e r f a c t o r ，p f ) 的定义是系统的有功功率尸与视在功率s 的比 值： p f ：! ： ! ( 1 - 1 ) s k 、k 为电网端输入电压及输入电流的有效值。相对于电网而言，当负载为纯 阻性时，电网输入的有功功率与k 的乘积相等，则功率因数等于1 ；当负载 不是纯阻性时，功率因数小于1 。 线性电路中系统的负载阻抗可以表示为z = r + 。其中r 为电阻，x 表示电 抗。无论x 为容抗或者感抗都表现了输入电压和输入电流波形间存在相位差。假 设输入电压和输入电流的相位差为矿，则线性电路的功率因数又可以表示为： p f = c o s 口 ( 1 - 2 ) 只有当负载呈现纯阻性时，输入电压和输入电流同相位，电流波形跟随电压波形， 功率因数为1 。 图1 - 1 中的a c d c 变换电路中由于二极管等器件的非线性，即使输入电压为 正弦形，电流却呈现严重非正弦。因此这种非线性电路的功率因数表达式与线性 电路情况下有所不同。 设图1 1 中电网输入电压为正弦形，输入电流非正弦包含大量谐波，其 有效值为： i 。= t l ? + i ：+ + i ：+ ( 1 3 1 第一章绪论 式中，、l 、分别为输入电流。的基波分量、 的有效值。由电工原理可知，系统的有功功率p 为： p = c o s 二次谐波”次谐波电流 式中妒为输入电压与基波电流问相位差。将式( 1 3 ) 、( 1 - 4 ) 带入式 得到非线性电路的功率因数表达式： ( 1 4 ) ( 1 1 ) 中， p f ：垒：垒竺竺 2 + 厶2 ”厶2 ”一 ( 1 5 ) = f ；= = = = = = 一c o s 妒 i ? + i ：+ + i ：+ 定义畸变因数耳= 扣f 瓦= _ j _ ，描述了谐波电流与基波电流之间的 相对关系；c o s t p 称为位移因数。则功率因数也可以表达成畸变因数与位移因数的 乘积： 胙= 蜂) ( c o s巧【仅1 1 ( i - 6 ) 为了更清楚的表征输入电流的波形失真度，定义了变量总谐波畸变率( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) r - 册：坚( 1 - 7 ) 1 因此畸变因数丘。与总谐波畸变率t h d 的关系为： 巧2 丽l ( 1 - 8 ) 分析式( 1 5 ) 至( 1 8 ) ，可以得出电流谐波，相位差与输入功率因数之间的关 系： 输入电流谐波含量丰富，功率因数不一定低，除非谐波分量幅值大，即巧小， t h d 大。 谐波电流值小时并不能保证功率因数高，即当五。趋于i 时，c o s p 有可能很小。 当相位差伊= 0 时，功率因数仅与总谐波畸变t h d 有关。在t h d 5 时，功率 因数可以达到o 9 9 9 。 所以要使功率因数为1 ，必须采用功率因数校正技术保证输入电流和输入电 压是同相位的正弦波，电源系统的输入阻抗呈现电阻性。 1 3 功率因数校正技术的分类 从不同的角度看，功率因数校正技术有多种分类方法。从电网供电方式来看 可以分为单相p f c 电路和三相p f c 电路：从电路构成来看可分为无源p f c 电路和 华南理工大学硕士学位论文 有源p f c ( a p f c ) 电路【”。 1 3 1 无源p f c 无源尸彤电路结构简单，一般是在整流电路输入端接入l c 低通滤波器来增 大二极管的导通角。这种方案虽然能使功率因数提升至0 9 左右，但它只对某些 特定的谐波和基波相移补偿，而且受系统阻抗影响，动态响应慢。系统中若不使 用调谐电抗器，l c 滤波器很可能会与系统电抗产生并联谐振。无论从体积、价格 或者重量等因素看，都限制了无源p f c 电路在实际中的广泛应用。 1 3 2 有源p 彤f a p f c ) 有源p f c 是在整流电路与负载之间增加一级功率变换电路，通过相应的控制 技术，使输入电流波形接近正弦并保持与输入电压同相位，从而可以得到近似功 率因数为1 。有源p f c 电路的开关频率远大于工频，相对于无源p f c 电路而言， 此类电路可以做到体积小、重量轻、功率密度高。它的主要优点是功率因数值较 高，z ：肋低，输入电压范围广，输出电压也可以受控保持恒定。目前，有源功率 因数校正是功率因数校正技术的主流。 1 4 有源功率因数校正电路的典型控制方法 有源功率因数校正( 4 尸f c ) 的基本电路分为主功率电路和控制电路两大部分。 从原理上说，各种d c d c 变换器电路，如b u c k 、b o o s t 、f l y b n c k 等基本拓扑都可用 作p f c 的主功率电路，由于b o o s t 电路具有结构简单、效率高、稳定性好等优点被 广泛应用为p f c 主电路。依据电感上电流连续与否，p f c 电路可以分为不连续导 电模式( d c 膨) 和连续导电模式( c c m ) 。以b o o s tp f c 电路为例，一般在d c m 模式时，输入和输出电流纹波比较大、峰值电流高，适用于小功率场合：相对而 言，c c m 模式下电感电流纹波小、电流有效值较低，可以应用在大功率情况下。 两种工作模式下的控制策略也各有特点。 1 4 1 d c m 控制模式 优w 控制模式可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。它是p f c 电路中简 单而又实用的一种控制方法，也被称为电压跟随器法。最简单的方式是采取恒频 固定占空比控制。对输入而言，d c d c 变换器等效为阻性负载；控制电路中仅需 一个电压反馈环，结构简单适用于很多场合。其优点是：i ) 输入电流自动跟踪 电压且保持较小的电流畸变率i i ) 开关管实现零电流( z c s ) 开通且不承受二极 管的反向恢复电流。缺点是由于输入电流是脉动的三角波，需要添加滤波电路滤 除高频纹波；同时峰值电流高增加了开关应力，在设计中必须使用技术指标高的 元器件。 4 第一章绪论 1 4 2c c m 控制模式 对于中大功率的系统，由于效率高，c c m 模式应用最为广泛。通常c c j t 状态 下实现a p f c 的方法基本上有三种：即电流峰值控制，电流滞环控制，以及平均电 流控制。与d c m 控制模式相比较，这三种控制方法中都引入了电流反馈控制环， 实现电压和电流的双环控制，精度更高。传统的a p f c 电路中对输入电流的校正可 以利用乘法器控制方法来实现，即以乘法器输出的和输入电压同相位的基准信号 来调制电流信号，从而达到功率因数校正的目的。现以b o o s tp 阳电路为例，说明 这三种控制方法的特点。 1 电流峰值控制法 图卜2 为电流峰值控制b o o s t p f c 的电路原理及输入电流波形图。其工作特点 是：每个开关周期里，开关管受时钟脉冲触发导通，当输入电流采样超过基准电 r 几n 几几n 图卜2 电流峰值法控制原理及输入电流波形图 f i g l - 2s c h e m a t i co f p e a kc u r r e n tm o d ec o n t r o la n di n p u tc u r r e n tw a v e f o r m 流则开关管关断，电流取样可以是电感电流或者开关电流。基准电流信号由乘法 器给出，包含了输入电压和输出电压波形的基本信息，为双半波正弦电压，令电 感( 输入) 电流的峰值包络线跟踪输入电压的波形，使输入电流和输入电压同相 位，并接近正弦，在完成功率因数校正的同时，也能保持输出电压的稳定。 控制系统中的基准电流是工频的，受控电流( 电感电流) 的峰值按工频变化。 在半个工频周期内，电流峰值由零逐渐变化到最大值时，占空比对应着由大到小， 有时大于0 5 ，有时小于0 5 ，因此可能产生次谐波振荡。为了防止此现象的发生， 控制电路中需增加斜坡补偿器，以便在占空比广泛变化的范围内，电路仍能稳定 工作。 峰值电流法的优点是可以使用恒频控制，用1 c 功能容易实现。缺点主要是电 流峰值与平均值之间存在误差，无法满足丹田很小的要求，此外峰值电流对噪声 相当敏感。 2 电流滞环控制法 电流滞环控制下的输入电流波形如图卜3 所示。开关管导通时电感电流上升， 华南理工大学硕士学位论文 上升到上限阀值时，滞环比较器输出低电平，开关管关断，电感电流下降；电流 下降到下限阀值时，滞环比较器输出高电平，开关管导通，电感电流上升。控制 电路如此周而复始工作，采样电流是电感电流。与峰值电流法不同，该控制电路 中多了一个滞环逻辑控制器。逻辑控制器的特性与继电器特性一样，具有一个电 流滞环带。电感电流在环带上下限内往复变化，电流滞环宽度决定了电流纹波的 大小，需合理选取。 电流滞环控制是一种简单的b a n g b a n g 控制，结构简单，具有很强的鲁棒 性与快速动态响应能力。负载大小对开关频率影响很大，开关频率不固定。设计 输出滤波器时，只能按最低开关频率考虑，因此不能得到体积和重量最小的方案。 目前，电流滞环控制法的改进方案研究在于实现恒频控制。 nnlnn nn 厂 n 图卜3 电流滞环控制原理及输入电流波形图 f i g1 3s c h e m a t i co fh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o la n di n p u tc u r r e n tw a v e f o r m 3 平均电流控制法 平均电流控制法是目前p f c 电路中应用最广的控制方法，图卜4 给出控制原 理及平均电流控制时的输入电流波形图。与电流峰值控制和电流滞环控制法不同 的是，平均电流控制电路中增添了一级电流控制环。电流环调节输入平均电流， 使其与输入整流电压同相位，并接近正弦形。平均电流控制将电感电流信号与高 频三角波信号相加。当信号和超过乘法器输出的基准电流信号时，开关管关断； 反之，开关管导通。输入电流中的高频分量通过高增益带宽的电流控制器，被 平均化处理，电流误差能被迅速而精确的校正。 平均电流控制的特点是：开关频率固定，电感电流峰值和平均值间误差小， e m i 和t h d 低，对噪声不敏感，适用于大功率电路。值得注目的是在c c m 和d c m 两种模式下都可采用平均电流控制法。 上述的c c m 模式下的三种电流型控制方法中，通常要用乘法器检测输入电压 和输入电流信号，检测量多往往导致控制电路很复杂。模拟乘法器的非线性失真 也增加输入电流的失真度。因而不带乘法器的控制方法成为功率因数校正技术研 究中的一个热点。文献1 4 1 提出的单周期控制( o n ec y c l ec o n t r 0 1 ) 方法已在p f c 电 路中应用。单周期控制电路可由简单的模拟器件搭建而成，不需要乘法器，检 第一章绪论 测量少，控制电路简单成本低。馏半导体公司已设计出应用于尸f c 的单周期型控 制型芯片。其他公司也基于新的控制策略，设计制造出结构简单的p 陀控制芯片， 诸如i n f m e o n 公司的平均电流型p 彤芯片i c e l p c s 0 1 。 几r 厂 广 n 几 图卜4 平均控制原理及输入电流波形图 f i g l - 4s c h e m a t i co f a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o la n di n p u tc u r r e n tw a v e f o r m 1 5 功率因数校正技术的发展方向 功率因数校正从上世纪八十年代以来已成为电力电子领域的热点问题之一， 目前国内外对功率因数校正技术的研究主要集中在如何提高它的性能上，并从电 路拓扑的改进、控制策略等角度上提出了不少新方法。研究主要集中在1 ) 减少 功率损失，提高系统效率；2 ) 降低开关损耗和电压应力；3 ) 降低谐波，提高功 率因数；4 ) 提高瞬态响应和动态性能等。功率因数校正研究在单相小功率领域已 取得一定的成果。但在中大功率领域，研究成果离工程应用还有很大距离。中大 功率的电力电子设备在电网中占有很大比重，这方面应是p f c 研究的重心。口彩勿f 变换器中的软开关技术等理论也已应用在中大功率p f c 电路中，在实现功率因数 校正的同时可减少系统功率损失且改善了开关应力。 1 6 本文研究内容 本文首先总结了开关电源功率因数校正的基本原理和关键技术，在分析电流 连续模式下无桥b o o s t p 粥拓扑的基础上，结合软开关技术，提出了一种零电压开 关的软开关无桥b o o s t 拓扑，并试验验证了电路特性。所作的工作具体如下： 1 总结功率因数校正的意义，概括介绍了功率因数校正方法，着重比较介绍了乘 法器型功率因数校正电路控制方法。 2 针对传统的b o o s t p 彤电路在应用中存在的问题，指出改进的无桥b o o s t 拓扑在 功率因数校正场合具有更大的优势，详细阐述了无桥b o o s t p f c 拓扑的工作原 理，阐述了适用于这种特殊结构的控制策略。 3 概括软开关技术的原理，介绍相关的应用电路拓扑，并指出将软开关技术应用 华南理工大学硕士学位论文 在功率因数校正电路中，是完善无桥b o o s t p 彤电路性能的有效途径。 4 详细分析了软开关无桥b o o s t 朋c 拓扑的工作过程和电路特性，并给出了元件 参数和控制电路设计方法。 5 进行系统的仿真和试验并进行分析，验证软开关无桥b o o s t p 彤的电路性能。 第二章无桥b o o s t p f c 电路分析 第二章无桥6 0 d 甜p f c 电路分析 2 1 传统p f c 电路中存在的问题 各种单相功率因数校正电路中，因b o o s t p f c 电路结构简单、易控制、变换效 率高，应用最为广泛。这种常用的a p f c 电路如图2 - 1 所示。虽然能够得到较高 的功率因数和较好的高频抑制，但这种电路仍然存在一些问题。 j - i 一“。 jlj 图2 1 传统a p f c 电路 f i 9 2 1c o n v e n t i o n a la p f cc i r c u i t 首先是整流桥带来的损耗和噪声。整流桥由四个非控的二极管构成。每个整 流二极管约有0 7 v 的导通压降。当输入高电压时，二极管导通压降相对输入电压 可忽略不计，通态损耗占总功率比例甚少。但当输入电压低，尤其当输入功率比 较大时，二极管的通态损耗会很大，影响整机效率的提升。例如当输入电压8 0 v 时，整流桥上至少消耗了3 5 的能量。这限制了p f c 电路在大功率和宽范围输 入场合下的应用。p f c 电路工作时，通态器件比较多。任意时刻，电路中总有三 个元器件导通( 两个整流二极管加上b o o s t 升压二极管或者两个整流二极管加上开 关管) ，系统中元件的通态损耗大。为了得到高效率，必须对之加以改进。 再者由于二极管存在阀值电压，交流输入整流之后的波形失真并不是理想的 正弦半波。通常将这个电压波形作为p f c 控制电路的基准来校正输入电流。这样 就得不到不失真的正弦电流。从而输入功率因数受到限制，也令输入电压交点处 的高次谐波较大。 另外，这种电路中固有的电流过零畸变也影响了输入功率因数的提高，后文 将详细论述这一问题。 由上述分析可知，这几种弊端都与整流二极管有关，为了使功率因数校正电 路适应中大功率应用场合，应对传统的b o o s t p f c 拓扑结构进行改进。 2 2 无桥b o o s t p f c 电路 针对上述问题，文献【5 】提出了一种新颖的尸f c 拓扑，如图2 2 所示。该 9 华南理工大学硕士学位论文 拓扑最显著的特点是电路中除去了常见的整流桥结构，在直接交流输入完成 a c d c 变换的同时进行功率因数校正，电路的工作原理与普通b o o s t p f c 相似，故 称之为无桥b o o s t p f c 。 工b f 孓厂| 群11 哗6 审乇1 、 到目型目 图2 - 2 无桥b o o s t p f c 电路 f i 9 2 - 2b r i d g e l e s s b o o s tp f cc i r c u i t 2 2 1 无桥b o o s t p f c 工作过程 无桥b o o s f p f c 电路中以两个开关管取代整流桥中对应的二极管。为了简化控 制，开关管s i 、墨驱动信号相同，两管同时导通同时关断采取恒频p w m 控制。图 2 - 3 给出无桥b o o s t p f c 工作过程。以工频输入正负半周期为基准，电路工作过程 t ， 吒t i 、 f 叮 i髓jl 叫 幺 c - h “_ 一 ； j 婆 f nji c 上j l 三二 i 。tii p 步 1 if 垡 _ 【+d 2 一 i - 吒 c ； _ ，h n d 一 是皇t _ _ id 】 制 三 _ ，n n d f到巨 图2 - 3 无桥b o o s t p f c t 作过程 f i 9 2 - 3o p e r a t i o np r o c e s so fb r i d g e l e s s b o o s tp f c 可分为两部分。在工频正半周期时，一个开关周期内工作过程如下所述：开关管s 、 受控导通，输入电流流经电感和开关管s 、墨，相当于普通b o o s t 电路中储能阶 段；开关管s 、墨关断时，输入电流流经电感、二极管日及开关管是的反向并联 体二极管，相当于b o o s t 电路中续流阶段。同理在工频负半周期里，两个开关管导 通时，输入电流流经电感和开关管s 、最；开关管关断时，输入电流经电感、二 极管d 和开关管s l 的反向并联体二极管续流。对于工频输入正负半周期而言，无 桥6 0 0 盯p f c 电路的工作过程是对称的，因而其可视为工作在不同时段的两个 第二章无桥6 0 p 彤电路分析 b o o s t p f c 电路组合。在大多数情况下，对无桥b o o s t p f c 的分析可以在普通b o o s t p f c 研究的前提下进行。总体来说，无桥b o o s t p f c 与b o o s t p f c 电路具有一致的功率因 数校正功能，拓扑结构却简化了，省去了整流桥结构，具有独特的优点。 2 2 2 无桥b o o s t p 肥的特点 无桥b o o s t p f c 电路工作过程中仅有两个半导体器件导通，系统中通态元件数 目减少，通态损耗较传统p f c 电路低；无桥b o o s t p f c 电路中储能电感的位置移至 交流输入端，电感电流中没有直流分量，高频纹波电流少，降低了e m i - 干扰。 无桥b o o s t p f c 具有的特殊结构，克服了普通b o o s t p f c 中电流过零畸变的问题。 下面以b o o s t p f c 电路为例说明输入电流产生畸变的原因。 当功率比较大时，常设定电感工作在电流连续的状态下，这样传导噪声低输 入电流波形最好；另外，由于平均电流型控制模式下输入电流能以极小的误差跟 踪调节信号，控制精度高；因而中大功率p f c 电路一般工作在c c m 模式并采用 平均电流型控制方法实现功率因数校正。乘法器型平均电流控制的c c m b o o s t p f c 电路可简单的如图2 4 所示。 图2 - 4 平均电流控制的单相b o o s t p f c 电路及其框图 f i 9 2 - 4 b o o s tp f cw i t ha v e r a g ec u r r e n tc o n t r o la n db l o c kd i a g r a m 图2 4 中平均电流控制的变换器可分为三个部分：功率级主电路、电流补偿 环路及p w m 调节器。三个环节问的关系可由图2 - 4 的方框图表示。图中只( s ) 是 电流环的传递函数，屹是p w m 调节器中三角波峰一峰值。由于传统的p w m 电路多 使用后沿脉宽调制( t r a i l i n ge d g em o d u l a t i o n ) ，作为预调整器的p 彤电路则常使 用前沿脉宽调制( 1 e a d i n ge d g em o d u l a t i o n ) 以使输出纹波电压更小【6 】。前沿调制 控制开关管的关断时间，因而关断占空比d 1d ，其中d 为占空比，k 为电 p _ 流放大器输出电压。 对b o o s t p f c 功率级电路建模分析，首先假定： 1 所有元器件都是理想的； 2 b o o s t c 中储能电感三工作在c c m 方式下 瓣。鏊 华南理工大学硕士学位论文 3 输出滤波电容足够大，输出电压k 恒定 4 电流采样电阻r 相当小，电阻上的压降可以忽略 以状态空间平均法写出开环b o o s t 电感电流t 表达式： 哮= 吲圪 ( 2 - 1 ) 定义符号函数s g n ( ) = ：1 乏；： ，则整流前输入电流。的表达式为： = s g n ( ) 屯 ( 2 - 2 ) 因此式( 2 - 1 ) 可写为： 哮= _ s g n ( v 。) d 圪 ( 2 - 3 引入控制回路，电流环的基准电流。与主电路输出电压圪及整流后的输入电 压嘛l 有关，可以表示为0 = g j 吒i ，稳态时电压放大器的输出g 被视为恒定的增益。 则整个控制回路的传递函数为： d ( j ) = 矿1 限一弓( j ) 】皿( j ) ( 2 4 ) 舯即演蝴补触躺雠酗2 嬲濮帕渊益 疋= 面而1，高频极点频率= 乏毒詈，零点频率比= 瓦1 _ 。 将式( 2 - 2 ) 带入式( 2 - 4 ) ，则： s g n ( ) d ( s ) 2 毒 r 一日( 叫皿( s ) ( 2 _ 5 ) 由式( 2 - 3 ) 和( 2 - 5 ) ，即可绘出如图2 4 所示的b o o s t p f c 电路的闭环框图。因 而输入电流的表达式为： 帕，= 警糍鬻+ 丽器丽 e ， 为了简化式( 2 _ 6 ) ，定义变量嵋= j 等及p ( s ) - 1 + 毒+ 蔷。在低频时，电流环 传递函数皿o ) 中的高频极点。的影响可以不计吲，于是以( 。) ：兰盟。输入电 流的表达式可被简化成： 第二章无桥b o o s t p f c 电路分析 1 + s f 上+ 土、 生盟：墨生 ：兰墨璺! 垡：量生烈。) ( 2 - 7 ) 0 )足 p 0 )足 式( 2 7 ) 表明b o o s t p f c 电路中输入电流对于输入电压在相位和幅值上存在着复杂 的关系。当电网输入工频正弦电压时，为了实现功率因数校正，必须保证低频时 1 q ( s ) i = 1 ，在实际的p 彤电路设计中这是不可能的，因而导致了输入电流波形畸变。 典型的肼变换器设计中，式( 2 - 7 ) 传递函数的零点频率低于谐振极点频 率w o 。这意味着在工频时，输入电流相对于输入电压必然存在相位超前，即每个 工频周期里，在输入电压过零换向之前，输入电流已经要改变方向了。当输入电 流换向时，输入电压仍维持原方向，整流桥中相应的二极管上承受反压不能导通， 输入电流没有通路。因而临近每半个工频周期末端时，输入电流被迫钳位到零， 电流波形不再是完整的f 弦形，如图2 6 所示。输入电流的超前相位角导致电流 波形的过零畸变，也说明了在平均电流控制的p f c 电路中，位移因数对功率因数 的影响是必然的。 同等条件下，平均电流控制的无桥b o o s t p f c 电路如图2 - 5 所示。它每个工频 周期内的电感电流f ，即是输入电流。类似于b o o s t p f c 的等效电路模型推断过程， 在工频正半周期里利用状态空间平均法，每个开关周期的输入电流。的表达式为： ： l u t ，e = 一d v o ( 2 - 8 ) “l 同理，在工频负半周期里，每个开关周期的输入电流0 的表达式为： j ： 华= + d 屹 ( 2 - 9 ) “f 一个工频周期里，无桥b o o s t p f c 电路每个开关周期的输入电流t 可表示为： 警= 一s g n ( v , ) a l v o ，与式( 2 - 3 ) 相同。当引入控制电路时，控制回路的传递函 “l 数是：d 。( s ) = f 1 足s 印( ) 一弓( s ) 】皿( s ) ，经过等效变化，可以化成如式( 2 - 5 ) 的 r m 形式。因而也可以写出同式( 2 - 7 ) 的无桥b o o s t p f c 电路输入电流表达式。 从理论分析可得知这两种拓扑结构的工作原理是一致的。当控制回路调节时， 无桥b o o s t p f c 电路的输入电流波形也会超前输入电压波形，系统存在着天然的位 移因数畸变。但由于无桥b o o s t p f c 拓扑在结构上取消了整流桥，基准电流中关于 输入电压的信号可直接取自于电网，而不是整流后变形的电压信号，从而没有因 整流带来的交越失真；双向导通的开关管取代了整流二极管，在输入电流超前换 相时依然能给电流提供回路，可以保持输入电流的正弦波形，不会产生过零畸变， 输入电流波形如图2 - 6 所示：同时位于交流侧的储能电感上相当于无源p f c 电路 华南理工大学硕士学位论文 中接入的无源校正器件，能够改善无桥b o o s t p f c 中的升压二极管的工作条件，得 到功率因数校正的效果。 图2 5 平均电流控制的无桥b o o s t p f c 电路 f i 9 2 5b r i d g e l e s s b o o s tp f cw i t ha v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l 繇n 渺7 贰m 蚴7 b o o s tp fc无轿boostp f c 图2 6 两种拓扑的输入电流波形 f i 9 2 - 6i n p u tc u r r e n tw a v e f o r m so ft w ot o p o l o g i e s 无桥b o o s t p f c 结构上的特殊优势令其更适于功率比较大时的功率因数校正场 合：导通元件少，系统减少了输入电流流经两个整流