一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路

1、一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路杨永兵，赵军，钱照明（浙江大学，浙江杭州 310027 ）摘要： 提出了一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路。该电路功率因数校正级工作在电流断续模式，具有较低的总谐波畸变和较高的功率因数。该电路的直接能量传递方式降低了直流母线电压并且提高了电 路的效率。采用恒功率控制方式使得电路具有良好的输出特性。并通过仿真和实验结果证明了电路的可行 性。关键词：变换器；单级功率因数校正；恒功率控制0 引言近年来，功率因数校正（PFC技术引起了人们的广泛关注。传统的两级PFC电路的主要缺点是成本高以及控制电路复杂。单级功率因数校正（SSPFC变换器1234，将PFC

2、级和DC/DC级结合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC变换器在负载变轻时存在直流母线电压过高的问题。文献2采用反馈线圈虽然降低了直流母线电压，但却减小了线电流的导通角，从而增加了总谐波畸变（THD）。为了解决上述问题，确保在负载变化时降低直流母线电压和减少 THD本文提出了一种具有恒功率 控制的SSPFC变换器。能量直接传递方式使得该电路在没有减小线电流导通角的情况下降低了直流母线电 压。恒功率控制使得变换器的输出在输出电压高的时候可以看成电压源，在输出电压低的时候可以看成电 流源，并且当输出电压在一定范围内变化的时候，输出功率近似恒定。1电路工作原理单级功率因数校正电路的原理图如图 1

3、所示。它实际上是由一个 Boost 变换器和一个 flyback 变换 器组合而成的。Boost变换器工作在DCM模式，在占空比和频率恒定的情况下可以达到功率因数校正的目 的。flyback变换器可以工作在 DCM或 CCM模式。6l>.图1单级功率因数校正变换器原理图为了分析方便，假定整流电压在一个开关周期中为定值，电容CB足够大使得电压 VB基本恒定，flyback变压器视为理想变压器，在原边并联励磁电感 Lm，flyback变换器工作在CCM模式。则该电路有3 种工作模式如图2所示，主要工作波形如图 3所示。(a)工作模式1( t。 ti)(b)工作模式2 (ti t2)(C)工作

4、模式3 ( t2 - t3)图2工作模式图3电路主要工作波形由于 flyback工作模式1( to- tl )to时刻开关S导通，直流母线电压VB加在励磁电感Lm上变换器工作在CCM莫式，则电流i m线性上升可表示为%implp(t to) + i m(t o)( 1 )而电感Lb工作在DCM模式，电流iLb由零线性上升，其表达式为%i Lb= '+ ( t t o)( 2 )开关S上流过的电流可表示为i sw=i Lb + i m(3)由于二级管D反向偏置，所以线圈 N和N上没有电流流过。工作模式2(t 1 t 2)开关S在ti时刻关断，二极管 D正向偏置，励磁电感 Lm上的电压为n

5、V（其中n=N/2），则电流"线性下降可表示为(4)开关S上的漏源电压 "s为VB+nV,电感Lb上的电流iLb流过线圈N和电容CB线性下降，其表达式(5)i Lb=I+(t 11) + i Lb( 11)因此，原边线圈M和副边线圈2上流过的电流可分别表示为i p=i Lb+ i m(6)i s=ni p=n( i Lb + i »(7)由式（7）可以看出副边电流由两部分组成，负载不但从励磁电感Lm上获取能量而且直接从电感 Lb上获取能量，这就意味着一部分能量可以不经过储能电容G而直接传递给负载，因此，大大提高了效率并且降低了直流母线电压。工作模式3 （ t2 t

6、3）t2时刻电流iLb下降到零，二极管 Db反向偏置，励磁电流继续以斜率nVo/Lm线性下降直到t3时刻开关S再次导通。此时原边线圈 M和副边线圈N上的电流可分别表示为：i p=i m(8)i s=nip=ni m(9)恒功率控制方法图4给出了恒功率控制的框图，图中KVV和KI o分别为电压采样值和电流采样值，通过电阻R及R的分压得到第一个运放的正向输入端电压为+，信号放大后得到运放的输出端电压为-，这一点的电压和第二个运放的反向输入端电压相等，根据运放的虚短特性,得到第一个运放的输岀电压与第二个运放的正向输入端电压相等，即=Vref，由此可得到式(10)(10)图4单级功率因数校正控制框图假

7、设a=R/R， b=RVR，则式(10)表示为I + t +1+ 亡=|*孚(11)从式(11)可以得到输岀功率Po的表达式为后2 唧珂R=V0|o= V +V (12)从式(12)可以看出RVo曲线是一条抛物线，在抛物线的顶点附近，输出功率R近似恒定。以输出电压80V，输出功率80W为例，取KV=0.01，K=0.1，S =5V，使抛物线的顶点位于 V=80V, P°=80W处，则可以计算出a=27.13，b=8.00。于是式(12)可表示为R= 0.0125 V02 + 2U( 13)当输出电压变化范围为 60V100V (± 25%)时，输出功率变化为6.25 %该电

8、路同时具有限压和限流的功能，通过变换式(11)可得|。=2 0.0125 V>( 14)VO=160-80|。(15)可见在输出短路时电流被限制在2A,在输出开路时电压被限制在160V。3仿真与实验结果基于上述主电路及控制电路，采用以下参数进行了仿真与试验：Lb=300卩H, C=470卩F/450V ,Lp=Ls=600 卩 H, f s=50kHz, R_=80Q。图5为输入线电压和线电流实验波形；图6为输入电压变化时，测量的电路效率，可以看出电路效率在较宽的输入电压范围内可以达到82%以上，比文献23中所提出的电路的效率要高；图 7和图8分别为不同输入电压时， 功率因数和THD的测

9、量结果，由图7可见，电路的功率因数在输入电压为100150V时可以达到0.98 ,在输入电压为220V时也可达到0.96 ;图9为输入电压为220V时，在不同负载下直流母 线电压Vb的仿真与实验结果，仿真与实验都证明在负载变化时直流母线电压Vb可以控制在380V以下。输入线电压和线电流实验波形图6不同输入电压时测量的电路效率超<一丢r二1140220260输人取压/V不同输入电压时测量的功率因数>M)14fl 1K0220260:谕人电馬/V不同输入电压时测量的谐波含量2SG(I实紧结果'Rh1d13&0“40320100 80图9不同负载下直流母线电压 VB的仿真与实验结果结语本文提出了一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路。