（电力电子与电力传动专业论文）功率因数校正拓扑结构优化的研究.pdf

晰江土学埙士学位论文 舶 d a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sa n dw i d ea p p l i c a t i o no fp o w e r e l e c t r o n i c se q u i p m e n t ，t h eq u a l i t yo fu n i t yi sb e c o m i n gas e r i o u sp r o b l e m o n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tr e a s o n si st h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a lv o l t a g er e c t i f i e r p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) a n ds oo na l ep r o p o s e di n t h ep a s tf e wy e a r s ，w h i c hg u i d ean e wr o a dt oo v e r c o m et h ep r o b l e m b e c a u s et h e m i d d l ea n dl a r g ep o w e re q u i p m e n t sa c c o u n tf o rh e a v yp r o p o r t i o na n dt h r e e - p h a s e p f ch a si m p o r t a n tf u n c t i o nt os o l v et h ep o l l u t i o nt ot h eu n i t y , t h r e e - p h a s ep f ch a s b e c o m eh o t s t u d ys u b j e e t i ni n t e r n a t i o n a l p o w e re l e c t r o n i c s e d u c a t i o n a lc i r c l e s a k e a d y t h i st h e s i ss t u d i e st h es i n g l e - p h a s ea n dt h r e e - p h a s ep f c t o p o l o g i e sa n dt h e i r c o n t r o lm e t h o d s ，s u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lr e p r e s e n t a t i v et o p o l o g i e s f r o mas y s t e m sa n a l y s i s v i e w s i m u l a t i o nr e s u l t sa l ea n a l y z e d ，c o m p a r e df r o ma l l s i d e sa n dv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s t h es t u d yr e s u l t sc a l lo f f e ra n d g u i d et h ec h o i c e a n d o p t i m i z a t i o n o fv a r i o u sk i n d so fc i r c u i t t o p o l o g i e s i nt h et h e s i s ，an o v e l s i n g l e - p h a s eh i g hf r e q u e n c yc c mp f cr e c t i f i e ri s p r o p o s e da n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a sr e m a r k a b l e m e r i t s p o w e re l e c t r o n i c s s y s t e mi n t e g r a t et e c h n o l o g yi st h eo n eo ft h em o s tg r e a t r e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef o l l o w i n g1 0 - 2 0y e a r s ，a n dd e t e r m i n et h er i s ea n dd e c l i n e d e s t i n yo ft h ep o w e re l e c t r o n i c sa n di t s i n d u s t r y t h es t a n d a r d i z a t i o no fc i r e u i t t o p o l o g i e si so n eo f t h er e s e a r c hg o a l s t h ew o r kh a sd o n ei nt h i st h e s i se s t a b l i s h e s c e r t a i nf o u n d a t i o na sf i l r t h e rr e s e a r c ho f t h i sd i r e c t i o n i i 浙江土学硕士学位论文 摹一幸 第一章绪论 1 - 1 功率因数校正的意义 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通 和家庭中的应用日益广泛，而电源装置所产生的谐波和无功功率对电网供电质量 的影响已经越来越得到重视。众所周知，从交流电网经按流供给直流电是电力电 子技术中应用广泛的一种基本交流方式。传统的整流器是由二极管或晶闸管组成 的不控或相控整流电路，是一个非线性电路，产生大量电流谐波和无功功率污染 了电网，成为电力公害。 图1 - 1 所示为传统的单相和三相输入电压型不控整流电路图，各自的输入电 流波形及其谐波分量频谱图。交流电源经全波整流后接一个大容量的电容器，以 得到较为平直的直流电压。采用电容滤波的不控整流电路是一种非线性元件和储 能元件的组合，因此虽然输入交流电压v 。是正弦的，但输入交流电流波形却严 重畸变，呈脉冲状，产生大量谐波并且造成输入端功率因数下降。 - jljl r y 、 l ，m h 一 j 、： l jl ( a ) 单相输入电压型不控整流电路 kr h h_ ( c ) 单相不控整流电路输入电压和电流波形 ( b ) - - 相输入电压型不控整流电路 2 u t 。- - - i： r： ：埘n； i ( d ) 单相不控整流电路输入电流谐波分量频谱 晰讧土学暖士学位论文 摹一幸 ”：门3 一, i z l i l i l uj一j 7 _ | i l l s 1 i i ( i w t h 净8 4 7 ii m m 。，。 l ： l l l z蚋t1 1 舵1 瓣 1 i l z l l z2 s i g l z3 一 ( e ) 三相不控整流电路输入相电压和相电沉波形( f ) 三相不控整流电路输入相电流谐波分量频谱 图1 1 传统的单相和三相输入电压型不控整流 目前大量使用的不控整流电路对电网产生了大量谐波和无功功率，其危害主 要表现在以下三方面： 1 造成供电质量下降： 大量电流谐波分量流经电网，造成对电网的谐波“污染”。产生“二次效应”， 即谐波电流流过线路阻抗造成谐波电压降，导致了电网电压的畸变。这种畸变的 电网电压会对其他用电设备产生干扰，甚至影响其正常工作。谐波还会对通讯设 备产生严重的电磁干扰。 2 影响电网的可靠性： 谐波会造成电路故障，使变电设备损坏。例如线路和配电变压器过热；使得 电气设备过热、产生振动和噪声并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或 烧毁。谐波电流会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，或高次谐波电流流过 电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸；在三相电路中，中线流过三相三次谐 波电流的叠加，使中线过流而损坏等等。谐波还会引起继电保护和自动装置误动 作，使电能计量出现混乱。 3 造成电能利用率下降： 无功功率在电网中产生无谓的损耗，还会加重电能传输装置的负担，造成这 些装置的“假过载”现象。a c i ) c 变流电路输入端功率因数下降使负载上可以得 到的实际功率减少。 为了减小a c d c 变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污 染，以保证电网的供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因 错恤土学疆士香啦论文 摹一幸 数，以达到节能的效果；必须限制a c d c 电路输入端谐波电流分量。正是由于谐 波的危害日益严重，世界各国对谐波问题予以了充分的重视。国际电气电子工程 师协会( i e e e ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 都推出了 各自建议的谐波标准，其中最有影响力的是i e e e 5 1 9 9 9 2 。3 和i e c l 0 0 0 3 2 ”，我 国国家技术监督局也在1 9 9 4 年颁布了电能质量公用电网谐波标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 埘。我国又于1 9 9 8 年1 2 月1 4 日发布了国家标准g b l 7 6 2 5 卜1 9 9 8 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1 6 a ) “1 ，等效采 用i e c 6 1 0 0 - 3 2 ：1 9 9 5 ，在技术内容上与该国际标准完全一致。中国电磁兼容认 证中心宣布，为控制家电产品在使用过程中的电流谐波和电磁辐射，确保公共财 产安全和人体健康，从2 0 0 3 年5 月1 日起，家电行业将全面推行c c c ( c h i n a c o m p u l s o r yc e r t i f i c a t i o n ) 认证，即“中国国家强制性产品认证”，国内没有 通过3 c 认证的企业的产品将不得出厂和销售，国外没有通过3 c 认证的产品将不 得进入中国市场。传统整流器一般不符合新的规定，因此传统整流器将面临前所 未有的挑战。 由于电力电子装置是现在最主要的谐波污染源，这已经阻碍了电力电子技术 的发展，它迫使电力电子领域的研究人员对谐波的污染问题要给出有效的解决方 案。解决谐波污染的主要途径有两条m ：一是被动方法，即采用无源滤波或有源 滤波电路来旁路或滤除谐波及谐波补偿；二是主动式方法，对电力电子装置本身 进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控。对于新型的电力电子设备，多采 用后一种思路，即加入功率因数校正器。功率因数校正器的主要优点是：可获得 较高的功率因数，如0 9 7 o 9 9 ，甚至接近1 ：谐波畸变率t h d 小；可在较宽的 电压输入范围( 如9 0 2 6 4 va c ) 和宽频带下工作；体积、重量小；输出电压恒 定，动态响应快。主要缺点是：电路复杂；成本高；阴i 高：效率有所降低。 1 _ 2 功率因数校正的原理 我们首先给出功率因数的定义嘲。功率因数是电源对电网供电质量的一个重 要的指标。在开关电源这类非线性系统中，定义功率因数： = 有功功率视在功率= 叭。i ( 1 1 ) 若电网输入电压v t 为正弦，输入电流为非正弦，电流有效值为： 塑兰圭兰翌兰! 堡竺苎j 二二! _ ，：厅疆i _ 而 ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中，小，：、l 分别为电流基波分量、二次谐波和n 次谐波电流有效 值。 设基波电流 落后的相位差为，则有功功率和功率因数可表示为： p = 矿，。c o s ( 1 3 ) z = y ，i c o s 妒y 。，= ，c o s 妒! ( 1 4 ) m - - ( 1 4 ) 中 ，。，= 砰+ e + + 露+ ( 1 5 ) 式( 1 5 ) 表示基波电流相对值，称为畸变因数，c o s ( 6 称为位移因数，即功率 因数为畸变因数和位移因数的乘积。 仅用功率因数并不能表征电流谐波的特性，高的功率因数是比较容易得到 的，但是0 9 9 9 的功率因数仍有3 的波形失真，功率因数为0 9 5 的波形其失 真有可能大于3 0 ，因此必须引入总谐波畸变t h d ( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 这样一个指标。 黝= 阜= 瓶i f i j f 丽 ( 1 6 ) ， 为所有谐波电流的总有效值。由式( i 5 ) 和式( 1 6 ) 可得： ，。i = 了二彳 ( i 7 ) 1 l + t h d 。 1 当口= o 时，a = ，= 产= = 每 ( 1 8 ) 1 + t h d 1 有源功率因数校正( a p f c ) 的基本原理是在整流器和负载之间接入一个d c d c 开关变流器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪输入正弦电压波形，使 其接近正弦波。功率因数校正整流电路的具体实现可以利用六类基本d c d c 变流 器拓扑( b u c k ，b o o s t ，b u c k b o o s t ，c b k ，s e p i c ，z e t a ) 中的任意一种叫。功 率因数校正整流电路从输入端结构来看可以分为电感输入型和电容输入型，从输 出端来看又可以分为电压输出型和电流输出型。电感输入型的典型代表为b o o s t 型电路，它是电压输出型，而电容输入型的典型代表是b u c k 电路，是电流输出 竺兰查! 苎! 堡竺苎二坚 型。 有源功率因数校正的基本思想是，通过高频变换技术，使设备入端对电网呈 现出电阻特性。1 。这样，输入电流的波形与输入电压的波形就始终能够保持一致， 只要电网是正弦的，输入电流也就是正弦的，没有谐波，没有相位差。事实上， p f c 电路正是将电网的采样信号作为电流控制的跟踪目标。虽然现在的电网电压 中由于电力电子装置的原因，含有较大成分的低次谐波，不是纯正弦的，但是一 旦电力电子装置的功率因数得到了提高，谐波电流对电网的污染就会得到减缓甚 至解除，则电网就会比较接近理想电压源了。 1 - 3 国内外研究现状 有源功率因数校正技术从上世纪8 0 年代中后期就开始成为电力电子研究领 域的热点，各国学者从电路拓扑、控制策略、建模分析等角度进行了深入的研究。 现在a p f c 技术已经广泛应用于a c - d c 开关电源，交流不间断电源( u p s ) ，荧光 灯电子镇流器以及其他电子仪器中c i o j 。上世纪9 0 年代以来有源功率因数技术 取得了长足的发展。自1 9 9 2 年起，p e s c ( i e e e 电力电子专家会议文集) 设立了 功率因数校正专题，这被看作是有源功率因数技术发展的里程碑。到1 9 9 4 - 1 9 9 5 年，p e s c 上的有关报道的一个主要内容是把软开关技术与功率因数校正技术结 合，以提高功率因数校正电路的性能。由于中大功率设备在电网中占有很大比重， 三相p f c 在解决电力公害方面具有十分重要的作用，因此三相p f c 自然地成为国 际电力电子学界的热门课题。特别自2 0 世纪9 0 年代以来，与三相p f c 有关的论 文显著增加，三相p f c 的实用化问题逐渐成为研究重点，但三相p f c 技术目前还 远不如单相p f c 技术成熟。 近年来，有关功率因数校正的控制新方法也有不少报道，主要是单周期( o n e c y c l e ) 控制和滑模控制( s l i d i n gm o d e ) 1 1 1 3 o 对于三相功率因数校正电路，除 了运用单相p f c 的控制策略外，还针对三相电路的特点，发展了新的控制策略， 如空间矢量控制，解耦控制，d - q 轴变换控制，模糊控制等。空间矢量调制( s v m ) 控制方法的应用，改善了电路控制的效果，成为功率因数技术的有力工具。 值得注意的是1 9 9 2 年以前所提出的功率因数校正整流电路结构多为两级， 前一级为功率因数校正级，使输入电流尽量接近正弦波，谐波尽可能小：后一级 浙江土学碛士学位论文 摹一幸 为d c d c 变换，为负载提供稳定的输出。它有两个主要的缺点：一是增加了一个 额外的功率级，器件的数目和成本上升了；二是能量被处理了两次，降低了效率。 针对这两点，在1 9 9 5 年后，不少文献提出了很多单级p f c 方案，希望将p f c 级 和d c d c 级结合在一起，能量只被处理一次，用一个控制器就能同时完成输入功 率因数校正和输出电压调节功能，达到低成本和高效率的目标。单级p f c 常用于 低功率，并且对输出电压要求比较宽松的场合。单级p f c 的基本思想是把p f c 和d c d c 结合在一起，使它们共享开关器件，以简化系统。但是单级p f c 存在的 问题是储能电容的电压与输入电压的有效值成正比变化，而且输入电流的t h d 很大( 4 0 5 0 ) ，和一个设计得较好的带输入滤波的不控整流差不多。单级p f c 变流器要么电压应力高，要么控制复杂，也没有达到所追求的低成本和高效率， 因此可以认为单级p f c 变流器的技术还不成熟。2 0 0 0 年香港理工大学的c h i k t s e 运用系统的方法提出了混合p f c 变流器结构，推进了p f c 技术研究更加理 论化和系统化“。 近年来，功率因数技术的研究热点主要集中在以下几个方面： 1 新拓扑结构的提出。 2 将d c d c 变流器中的新技术( 如软开关技术和开关电容功率网络等) 应用到 p f c 电路中。 3 新的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 变流器的研究。 5 三电平、交错并联等技术的应用以减小功率器件电压应力、输入电流t h d 和 e m i 滤波器的大小。 6 软开关技术的应用。 降低成本，减小t h i ) 和阴i ，简化拓扑结构，提高效率仍然是今后p f c 发展 的趋势。 1 - 4 立题意义及本文的主要工作 大多p f c 电路的提出是一个个孤立的创新设计例子，散布于不同文献中。随 着各种p f c 电路的增多，一些将p f c 系统化的文章在近年内发表n 5 坩】，这些文章 或是探讨何种电路拓扑适合p f c ，或是总结某中p f c 的推导，但都没有文章对如 晰江太学_ 璜士学位论文 幸一幸 何构成p f c 电路给出指导性意见。如何从拓扑的角度来分析p f c 的结构，以达到 优化的目的。电力电子将向高频化、高效率、模块化方向发展，电力电子系统集 成技术是电力电子学今后1 0 2 0 年内意义重大的研究方向，决定着电力电子技 术及其产业的兴衰命运。而电力电子电路拓扑的标准化是其中重要的研究目标。 基于以上想法，本文着重研究单相和三相功率因数校正的电路拓扑和控制方 法，总结各种拓扑的特点，在仿真的基础上进行全面的分析和比较。想要探讨的 方向是：对于各式各样的具体p f c 电路，归纳出一个可行的体系。这个体系是建 立在拓扑结构的基础上的，根据这个体系，不仅可以将现有的p f c 电路归纳、分 类，还可以根据这个体系的推导，推出新的优化的p f c 电路及优化的控制方式。 并对推出的优化的p f c 电路及优化的控制方式进行电路实验加以检验，推进单相 和三相p f c 的产品化和实用化发展。 本论文完成的主要工作概括如下： 1 引入系统分析的方法，总结了单相和三相p f c 电路的基本拓扑结构，在仿真 的基础上对单相和三相p f c 电路的典型拓扑作了比较，并加以归纳总结，为 p f c 电路拓扑的选择和优化提供借鉴指导。 2 提出了一个工作于c c m 檬式下新型控制方式的p f c 整流电路，实验结果表明 该电路具有显著的优点。 参考文献 【l 】r i c h a r d r e d l ，p a o l ot a n t i ，j d a a nv 姐w y k , “c o m b a t i n gt h ep o l l u t i o no f t h e p o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mb ye l e c t r o n i ce q u i p m e n t , i e e e a p e c 9 7 ，p p ：4 2 - 4 8 ，1 9 9 7 【2 】2 i e e es t d 5 1 9 1 9 9 2 ：i e e er e c o m m e n d e d p r a c t i c e sa n dr e q u i r e m e n t sf o rh e r m o n i cc o n t r o li n e l e c t r i cp o w e r s y s t e m 1 9 9 3 【3 】i e cs u b - c o m m i t t e e7 7 a r e p o r t ：d i s t u r b a n c e sc a u s e db y e q u i p m e n tc o n n e c t e dt ot h ep u b l i c l o w - v o l t a g es u p p l ys y s t e m p a r t 2 ：h a r m o n i c s 1 9 9 5 【4 】中国国家标准g b t1 4 5 4 9 - 9 3 ：电能质量公共电网谐波。北京：中国标准出版社，1 9 9 4 。 【5 】中国国家标准g b l 7 6 2 5 卜1 9 9 8 ：低压电气及电子设备发出的谐波电流限值( 设备每相输 ) k 排1 6 a ) ，北京：中国标准出版社，1 9 9 8 - 6 张占松，蔡宣三，开关电源得原理与设计，电子工业出版社，1 9 9 8 。 7 h e n g c h u n m a o ，f r e dcl e e , y i m i nj i a n g ，d u a s a nb o r o j e v i c “r e v i e w o f p o w e f a c o c o r r e c t i o nt e c h n i q u e s ”。i p e m c ，c h i n a 1 9 9 7 p p 9 - 2 0 8 c h i n g - j u n gt s e n g ，c h e m - l i n c h e n 。“an o v e lz v t p w mc u k p o w e r - f a c t o rc o ”c t o r ， l n d u s t r i a le l e c t r o n i c s 。i e e et r a n s a c t i o n so n ，v o l u m e ：4 6i s s u e ：4 ，a u g1 9 9 9 ，p a g e ( s ) ：7 8 0 _ 7 8 7 【9 】t s e ，c i c ；“z e r o o r d e rs w i t c h i n g n e t w o r k sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n st op o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n i ns w i t c h i n gc o n v e r t e r s ”，c i r c u i t sa n ds y s t e m s i ：f u n d a m e n t a lt h e o r ya n da p p l i c a t i o n s ，i e e e t r a n s a c t i o n so n v o l u m e ：4 4i s s u e ：8 ，a u g1 9 9 7 ，p a g e ( s ) ：6 6 7 6 7 5 【1 0 】s h a r i f i p o u r , b ；h u n n g , j s ；l i a n ，p ；h u b e r , l ；j o v a n o v i c ，m - m ；“m a n u f a c t u r i n g a n dc o s t a 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 n c i r c u i t s ”a p p l i e d p o w e r e l e c t t o n i u s c o n f e r e n c e a n d e x p o s i t i o n ，1 9 9 8 a p e c 9 8 c o n f e r e n c e p r o c e e d i n g s1 9 9 8 ，t h i r t e e n t h a n n u a l ，v o h a n e ：1 ， 1 5 1 9f e b1 9 9 8 p a g e ( s ) ：4 9 0 4 9 4e e l i 【1 1 b o r - r e n l i n , h s i n h a n g l u , “a n e w c o n a o ls c h e m e f o rs i n g l e p h a s e p w m m u l t i l e v e l r e c t i f i e rw i t hp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ”。i e e et r a n s i e ，v 0 1 4 6 ，n o 4 ，a u g u s t1 9 9 9 【1 2 】j f s i l v a , “s l i d i n g - m o d ec o n t r o lo f b o o s t - t y p eu n i t y - p o w e r - f a c t o rp w m r e c t i f i e r ，i e e e t r a n s i e 。 c 0 1 4 6 ，n o 4 ，a u g u s t1 9 9 9 ，p p ：5 9 4 - 6 0 3 1 3 】o l o p e z , e ta l ，“s l i d i n g - m o d ec o n t r o ld e s i g n o f a h i g h p o w e r - f a c t o r b u c k - b o o s t r e c t i f i e r ， i e e et r a n s i e ，v 0 1 4 6 ，n o 4 , a u g u s t1 9 9 9 ，p p ：6 0 4 - 6 1 2 【1 4 】t s e ，c k ；c h o w , m h l ； t h e o r e t i c a ls t u d yo f s w i t c h i n gp o w e r c o n v e r t e r sw i t hp o w e r f a c t o rc o r r e c t i o na n d o u t p u tr e g u l a t i o n ”c i r c u i t sa n ds y s t e m si ：f u n d a m e n t a lt h e o r y a n d a p p l i c a t i o n s ，i e e e t r a n s a c t i o n so n ，v o l u m e ：4 7i s s u e ：7 ，j u l2 0 0 0 ，p a g e ( s ) ：1 0 4 7 1 0 5 5 【1 5 】h e n g c h u nm a n ，f r e dc y l e e ，b o r o y e v i c h , d h i t k s “r e v i e wo f h i g h - p e r f o r m a n c e t h r e e - p h a s ep 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 n d u s t r i a le l e c t r o n i c s , l e e et r a n s a c t i o n s o n ，v o h n n e ：4 4i s s u e ：4 ，a u g 1 9 9 7 , p a g e ( s ) ：4 3 7 - 4 4 6 1 6 丰年凯，“功率因数校正嚣的拓扑结构研究”浙江大学硕士学位论文，2 0 0 1 年5 月。 【1 7 t e w u , t h y c l i u , p r i n c i p l e o f s 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 r t e r o f o f f - l i n e a p p l i c a t i o n s ”。l e e ea p e c ，1 9 9 8 ，p p ：4 2 7 - 4 3 3 1 8 m h e m a d z , a g u l i a rj m i l c o m p a r a t i v ea n a l y s i so f b o n s ta n db u c k - b o o s td e r i v e d t o p o l o g i e su s e d 笛p o w e r f a c t o rc m r e c t i o n , i e e e c m p , 1 9 9 5 p p ：1 4 - 1 9 2 晰江土学厦士学位静文 摹二幸 第二章单相功率因数校正技术 2 - 1 主电路拓扑结构的分类 2 - 1 - 1 两级p f c 变流器 传统的单相功率因数校正交流器用两个独立的控制器分别完成功率因数校 正和输出电压调节功能，即p f c 级和d c - d c 级。其结构如图2 1 所示。p f c 级的 输入通常是电网，输出是一个直流电压。p f c 环节首先将输入电流尽量整形成接 近正弦波形：其次提供一个直流输出给后级d c - d c ，再经后级d c d c 进一步变换 满足负载的要求。 ， 两级p f c 变流器的优点是：既能实现高功率因数、低输入电流t h d ，又能对 d c d c 级进行优化设计，提供稳定可调的直流输出和长久的保持时间( h o l d u p t i m e ) 。但它有两个主要的缺点：一是增加了一个额外的功率级，每级均需要各 自的控制电路、检测电路和保护电路等，器件的数目和成本也上升了；二是能量 被处理了两次，降低了效率0 3 。 丰 蒋捌箍莘j 国一j 圜 图2 1 两级p f c 变流器结构图 对于两级p f c 变流器的再分类，将侧重于对前级的分类。 1 单相升压型p f c 在单相p f c 中应用最广的电路拓扑是b o o s t 拓扑，如图2 2 所示。 j 帮 i jlj 图2 2 基本的升压型p f c 电路 晰江土学硕士学位论文 弟二幸 在基本的b o o s t 结构基础上，有若干衍生出来的升压拓扑。如图2 3 所示。 ( c ) ( d ) ( a ) 半桥升压型 ( b ) 混合桥升压型 ( c ) 双b o o s t 型 ( d ) 全桥升压型 图2 3 单相升压型电路的衍生拓扑 2 单相降压型p f c 与单相升压型p f c 对偶，单相降压型p f c 基本拓扑为b u c k 拓扑。如图2 4 所示。其衍生拓扑如图2 5 所示。 图2 4 基本的降压型p f c 电路 竺型型塑堕l 一 兰苎! 一 十。1 d s 。jd l ； ：一 c o ds 2 ： 眈 。卜 。 ( 8 ) 半桥降压型 ( b ) 混合桥降压型 ( c ) 双b u c k 型 ( d ) 全桥降压型 图2 5 单相降压型电路的衍生拓扑 3 单相升降压型p f c 单相升降压型p f c 的基本拓扑是b u c k b o o s t 电路，如图2 6 所示。其衍生 拓扑如图2 7 所示。 图2 6 基本的升降压型p f c 电路 ( c ) ( 8 ) 混合桥升降压型 ( b ) 混合桥升降压型 ( c ) 全桥升降压型 图2 7 单相升降压型电路的衍生拓扑 堂兰苎! 竺! 竺竺苎一一! ! 三! 升降压型p f c 拓扑还包括c u k 、s e p i c 、z e t a 等，在此就不一一叙述了。 2 - 1 - 2 单级p f c 变流器 单级p f c 变流器是将p f c 级和d c d c 级结合在一起，只用一级交流器就能同 时完成输入功率因数校正、输入输出的隔离和输出电压调节功能，达到低成本和 高效率的目标卜。其结构如图2 8 所示。 a c 图2 8 单级p f c 变流器结构图 单级p f c 常用于低功率，并且对输出电压要求比较宽松的场合。比较研究表 明单级p f c 在低功率( 通常低于2 0 0 w ) 应用中是一个低成本的方案。单级p f c 的基本思想是把p f c 和d c - i ) c 结合在一起，使它们共享开关器件，以简化系统。 但是单级p f c 存在的问题是储能电容的电压与输入电压的有效值成正比变化，而 且输入电流的t h d 很大( 4 0 5 0 ) ，和一个设计得较好的带输入滤波的不控整 流差不多。单级p f c 变流器要么电压应力高，要么控制复杂，也没有达到所追求 的低成本和高效率，因此可以认为目前单级p f c 变流器的技术还不成熟0 1 。 典型的单级p f c 变流器结构包含两个基本的交流器，这两个基本变流器共用 个或一组有源开关，由一个驱动信号所驱动。s s i p p 、毗f r e d 和b i b r e d 就是 其中著名的例子。1 9 9 2 年文献 8 提出将一个b o o s t 型变流器和一个f l y b a c k 型 或一个b u c k 型变流器共用一个开关采用级联方法组成的单级p f c 交流器，称为 b i f r e d ( b o o s ti n t e g r a t e dw i t hf l y b a c kr e c t i f i e r e n e r g ys t o r a g e d c d c c o n v e r t e r ) 和b i b r e d ( b o o s ti n t e g r a t e dw i t hb u c k r e c t i f i e r e n e r g y s _ o r a g e d c d cc o n v e r t e r ) 变流器。图2 9 所示为b i f r e d 变流器。图2 1 0 所示 为b i b r e d 变流器。 街江土学硕士学位论文 摹二幸 r jlji l i o ， c b 门_ s i _ j i jlji 图2 9b i f r e d 单级p f c 变流器 8 jlji o - j 门_ 吕 一 ljl 捌2 1 0b i b r e d 单级p f c 变流器 8 在b i f r e d 和b i b r e d 中，b o o s tp f c 级运行于d c m 模式，实现功率因数校正 功能，而后级d c d c 运行于c c m 模式。可以看到，变流器中储能电容串联于能量 流动的路径中。该电容电压大小依赖于输出负载大小，在宽范围输入条件下，轻 载时电容将承受很高的电压应力。有文献报道采用频率调制方法降低电压应力， 在轻载时增加开关频率。3 。然而，为了有效降低电压应力，开关频率变化范围较 大，从满载到1 0 负载，开关频率将增加1 0 倍，这不利于磁性元件和输入e m i 滤波器的优化设计。 1 9 9 4 年文献 1 0 提出一系列称为s s i p p ( s i n g l e s t a g ei s o l a t e d p o w e r f a c t o r c o r r e c t o r ) 的单级p f c 变流器。这些变流器仍是由一个b o o s t 型 交流器和一个d c d c 变流器级联构成，不同的是，储能电容并联于能量流路径中。 当前，储能电容并联于能量流路径中这样的单级p f c 变流器结构被认为较储能电 容串联于能量流动的路径中的单级p f c 交流器有优势。其中之一如图2 1 l 所示。 该变流器b o o s tp f c 级运行于d c m 模式，实现功率因数校正功能，后级d c d c 可以运行于c c m 模式，也可以运行于d c m 模式。而该交流器后级运行于c c m 模式 时，同样会有电容电压应力大的问题。 堂! 苎圭! 璺! 堡竺苎! 三 jlj 斓 l n _ _ _ _ _ _ _ - _ j c b ； 、 l i j jljl - j q 图2 11 储能电容并联于能量流路径中的单级p f c 变流器 1 0 在低压应用中，例如计算机电源，恒定开关频率且后级d c d c 运行于c c m 模式更有吸引力，因为这样可以降低导通损耗，减小纹波和使用更小的滤波器。 于是，采用附加负反馈变压器绕组的方案被提出，电路如图2 1 2 所示，这是一 种输入电流t h d 和电容电压应力问题的折衷方案“。 r w jljk d l r r i d 2 冒ln 1 未 i - 卜 旯军民u 【 ll ； 、j | 三 一 l 一 l 图2 1 2 附加负反馈变压器绕组的单级p f c 变流器 1 1 图2 1 2 所示电路可以实现后级运行于c c m 模式且电容电压低于4 5 0 v 。但当 输入正弦电压低于反馈绕组电压时，输入电流存在一个死区时间，这降低了输入 功率因数。 文献 2 8 1 提出了一个采用附加两个负反馈变压器绕组的单级p f c 新拓扑，减 小了输入电流的死区时间，电路如图2 1 3 所示。 图2 1 3 附加两个负反馈辅助变压器绕组的单级p f c 变流器 2 8 1 4 - 堂苎圭堂墨! 竺竺苎 生苎生 图2 1 3 所示电路由一个b o o s t 型p f c 和一个f l y b a c k 型d c d c 变流器级联 构成，其中反馈绕组厶用来减小储能电容巴上电压应力，绕组厶用来抬升由于 绕组厶引起的输入电流导通角的下降。一个6 2 5 w 实验电路的实验结果如下。 其输入功率心= 6 2 5 w ，= 9 0 2 6 5 v r m s ，k = 1 5 v ，= 5 0 k h z 。输入电压1 1 0 v a c 和2 2 0 va c 时输入电流和电压波形如图2 1 4 所示。 0 v m = 1 1 0 v - ： 。： ，飞。- z a0 jj乡口 j j 万一飞万；弋 7 ，o，：k + v l n ：1 0 o v d i v k ：2 a d i v - v i 2 0 v 厂tf 厂 ，心 - rl r 。 q 、 k 甲伯 、 lq j 。ol t 二v h ：2 0 0 v d i vi m ：0 7 5 a d i v 二 lji+il1 ( a ) l l o v 输入( b ) 2 2 0 v 输入 图2 1 4 输入电流和电压波形 输入电流各次谐波含量如图2 1 5 所示，各次谐波低于i e c6 1 0 0 0 3 2c l a s s d 标准。 h a r m o n i co r d e r 图2 1 5 输入电压i i o va c 和2 2 0 va c 时输入电流各次谐波含量 该电路与文献 1 1 提出的电路输入功率因数、储能电容电压应力和效率比较 结果分别如图2 1 6 、2 1 7 、2 1 8 所示。可以看到文献 2 8 中提出的电路在高输 入电压时由于减- b t 输入电流的死区，比文献 1 1 中的电路输入功率因数高。两 个电路储能电容电压应力差别不大，而文献 2 8 中提出的电路效率较高。 浙江太学疑士学位论文 摹二幸 图2 1 6 文献 1 1 和 2 8 中电 路输入功率因数比较 喜 差 喜 扣文献 2 8 冲电路 o _ 文献 i l 】中电龉 愕鼷 舭 ， 图2 1 7 文献 1 1 和 2 8 中电路 储能电容电压应力比较 图2 1 8 文献 1 1 和 2