新型宽输出电压PFC电路的设计分析.doc

新型宽输出电压PFC电路的设计分析第42卷第7期2008年7月电力电子技术PowerElectronicsVoL42,No.7July.2008新型宽输出电压PFC电路的设计分析林维明,汪晶慧,邹剑华,詹华(福州大学,福州福建350108)摘要:通常有源功率因数校正电路(PFC)具有恒定的输出电压,但HID灯在启动过程及整个寿命期,灯电压的变化很大.为了提高逆变电路输入输出的转换效率,减少逆变电路中电感的损耗,简化逆变电路的控制,需要PFC的输出电压跟踪灯电压的变化.因此设计新型宽输出电压范围的PFC电子镇流器是十分必要的.该镇流器结合Buck开关变换器和Boost开关变换器各自的特点,采用了分段变电路结构控制方法.为了减少开关损耗和功率二极管的反向恢复损耗.采用零电流开通的临界电流控制策略,实现了高输入功率因数.采用PFC级输出电压与灯特性匹配,且转换效率高的新型电子镇流器,具有电压应力低,使用开关器件少.电感导通损耗小,电感尺寸小的优点.实验结果验证了理论预期的正确性.关键词:镇流器:功率因数校正;电路/宽输出电压中图分类号:TM923.61文献标识码:A文章编号:l000100X(2008)070029-02DesignandAnalysisofanewPowerFactorCorrectionCircuitwithWideOutputVoltageRangeLINWeiming,WANGJing-hui,ZOUJianhua,ZHANHua(FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)Abstract:Twoswitchableballasts,integratedBuck/Boost,aredesignedforpowerfactorcorrectionapplicationswithwideoutputvoltages.ThecircuitcanconfiguretheconvertertoBoosttopologyathighoutputvoltageandtoBucktopologyatlowoutputvoltage.Boundaryconductionmode(BCM)isconsideredforbothtopologicalconfigurationsforthefol-lowingbenefits:()Nearresistiveinputcharacteristics:(smallerinductorsizescomparedwithcontinueconductionmode;()Lowerswitchcurrentstresscomparedwithdiscontinueconductionmode;()simplecontroller.Experimentalresultsshowedthatthecomponentcurrentstressesandlossesintheswitchableballastaresignificantlylowerthanthoseincon-ventionalBoostorBuckconverters.Keywords:ballast;powerfactorcorrection:circuit/wideoutputvoltageFoundationProject:SupportedbySRFforROCS,SEM.1引言为了提高电子镇流器的效率和抑制输入电流谐波分量,通常需要在电子镇流器电路中插入功率因数校正电路.典型的有源功率因数校正电路(PFC)的输出电压是固定的.HID灯作为一种新的节能型电光源,以其发光效率高,显色性好.寿命长等优良性能而成为照明领域中极具竞争力的新一代光源.但是.由于HID灯在启动过程中及整个寿命期.灯电压的变化幅度很大.如果PFC的输出电压能在宽范围内变化,则PFC级就能跟踪灯负载电压的变化.由于灯负载电压可以通过PFC级参与控制.而不仅仅由后两级DC/DC和DC/AC逆变电路来控制,故减少了逆变电路中电感的损耗,同时实现了逆变电路的简单控制.从而降低了整机成本,提高了效率.同时,由于后级逆变器可工作在低频率下.所以可进一步减少开关损耗和开关噪音.2电路拓扑与工作特性由分析比较现有主要开关变换电路的工作特点可知,虽然有几种电路能实现宽输出电压范围内的功率因数校正.但都存在开关器件应力高的缺点.尤其是在高端输入电压应用场合.独立的Buck电路和Boost电路的开关器件应力最小.基于宽输出电压的工作过程.即当输入电压高于输出电压时.PFC电路应工作于降压;当输入电压低于输出电压时.PFC电路应工作于升压.图1a示出传统Buck和Boost级联电路【1-2.为了进一步优化电路结构.提高电路转换效率.提出了一种新型Buck+Boost电路.如图lb所示【3J一一(a)级联Buck+Boost电路(b)新型Buck+Boost电路图1Buck+Boost电路昱:教育10留4学回国人员基金项目资助在图1电路中,Boost开关单元与Buck开关单-10b20080410定稿日期:一七,uwl八1一/u一一工JuLA/l八干作者简介:林维明(1964一),男,福建人,博士生导师,研元交错工作.在临界电感电流的工作模式下,变换器究方向电力电子变流技术.的工作频率为:29第42卷第7期2008年7月电力电子技术PowerElectronics+(1)式中分别为开关管VS,Vs:的开关工作频率.如果VS总导通,则变换器工作在Boost模式,图lb中电容C.上的平均电压i=0.在该模式下,输入电流j被电感.和分流,因此它们叠加的总电流有效值小于单个电感导通的电流.如果VS一直处于关断状态,则变换器工作在Buck模式,图lb中的和C便形成一个低频滤波器.通过低频滤波器的平均电流为零,C上的电压UC!-Ui一uo.Buck模式中的电感与独立的Buck电路的工作作用相同.表1示出图lb电路的稳态工作特性.图1b电路是Buck电路和Boost电路的组合.用以实现宽输出电压的PFC电子镇流器.在Boost模式下,Buck电路开关一直处于导通状态,二极管VD截止;在Buck模式下,Boost电路的VS2总处于关断状态,二极管VD导通,电路工作于Buck模式.表1电路的稳态工作特性(1)Boost工作模式在镇流器输入电压Ui>时,Boost开关单元工作vs,】;Buck开关单元不工作Vs2,月,VS一直处于导通状态.在准稳态工作条件下,开关器件的开关频率为:=器()=0平均电感电流为:式中:为输入电压峰值;尺为变换器等效电阻.VS导通时,流过的电流是两电感电流之和.(2)Buck工作模式在.m的瞬时值大于时.Buck电路开关单元工作:Boost电路开关单元不工作.VS一直处于关断状态,.和C.在输入和输出之间形成一个低频滤波器.VS.和VS的开关频率可表示为:=():030电感电流可以表示为:.fill()=0)=3控制策略采用零电流开通的临界电流控制策略,使功率开关管在零电流下导通,快恢复二极管在零电流下关断.以实现零反向恢复损耗和功率MOSFET管零开通损耗.图2示出临界电流控制策略下的电感电流峰值和的波形.采用L6562控制芯片,可实现零电流开通和变频调节i使其跟踪输入正弦电压的轨迹.图2临界电流控制策略F.和波形为了获取理想的单位功率因数,通过控制芯片检测整流后的正弦同步信号.该同步正弦信号取自BoostPFC电路中整流桥后的输出信号.同时,为了检测电路中的过零点,实现零电流软开通,需要在电路中设置零电流检测,同时通过电流互感器或无感小电阻实时检测.图3示出完整的控制逻辑电路图3零电流导通控制函数4实验结果构建了用于250W金卤灯的宽输出电压PFC电子镇流器的实验电路.主要电路参数:输入电压i=l10305V;输入电流i:0.8371.875A;输出电压Uo=80400V.采用零电压开通的准临界控制策略.图4为实验样机的开关管驱动电压与漏源电压波形.表2给出实验电路的测试参数.Ugs_Udsc-18一jf/(4峭/格)图4开关管驱动电压与漏源电压试验波形(下转第42页)一一_I风一:第42卷第7期2008年7月电力电子技术PowerElectronics于饱和特性的影响.电感随励磁电流的增大而减小.瞬时电感可降到1mH以下,仅在励磁电流较小时才会达到约2.5mH标称值.对每一时刻的电感瞬时值都进行计算较繁琐.需确定一个唯一的电感参考值.由于磁滞特性导致的磁化和退磁化不对称.使得正负两侧过零点的位置也不对称(270s和230s).若用图6a的CE线段进行线性替代,则涵盖了磁化和退磁化两种状态.以该线段的斜率算得.更具参考价值.图6c示出励磁电流从215A变化过程中的曲线.可见.随电流的增大而减小.堙>0:.F./._l/270ug!i!坐3.53.0025毫2.0-SI.5100.50I/(500s/格)瞬时乜感鼙怕线t,:0,t?,芷一,f,i_图6实验波形按图5b改接半桥电路.可为电感励磁电流叠加直流分量.在直流偏磁状态下,i的波形见图6d.图中的=4A,=6A,由此可得M=l8V.由式(2)可算得L=I.5mH,小于无直流偏磁时对应的电感量,如图6c所示.随直流偏磁的增大而减小.使电感量随之减小5结论由于磁芯磁化的非线性和磁滞特性,若要准确测量功率电感的电感量.需要提供与其工作条件一致的励磁电流.包括频率和交直流分量的大小.采用传统方法测量高频大电流铁磁电感时存在困难.对此,提出了一种基于半桥电路的功率电感测量方法.并搭建了样机.实验结果表明.该方法很好地反映了磁芯磁化的非线性和磁滞特性.能够提供更具参考价值的电感量测量结果.参考文献【l】涂春呜,罗安,谭甜源.一种新型并联混合有源滤波器的研制fJ.电力电子技术,2004,38(2):4547.【2】王全保.电子变压器手Jt-M.沈阳:辽宁科学技术出版社.1998.【3】陈季权,王如玫.动态磁化特性模拟fJJ.变压器,2001,38(5):68.【4】MAAtmananad,VJagadeeshKumar,VempatiGKMufti.ANovelMethodofMeasurementofLandC【J1.IEEETrans.onIustrumentandMeasurement,1995,44(4):898903.【5】邓衍平,谢运祥,陈坤鹏,等.一种新颖的磁耦合式无源无损吸收电路fJ.电力电子技术,2005,39(1):5152.(上接第3O页)表2试验结果5结论实现了一种宽输出电压有源功率因数校正的HID灯新型电子镇流器.它具有电压应力低,开关和电感的导通损耗小,电感尺寸较小的优点,可以跟踪灯负载电压变化,从而简化了后级逆变器控制.采用临界电流控制策略可进一步减小开关损耗和二极管反向恢复损耗,提高电子镇流器的转换效率.实验验证了该类电路的理论分析.参考文献【1】YiqingZhao,ChihYiLin,XinfuZhuang,eta1.DesignofPowerFactorCorrectionCircuitwithWideOutputVoltageRangeA.IEEEPESC97C.1997:606611.【2】YMLiang,FCLee.ANewControlSchemeforB