一種具有恒功率控制的單級功率因數校正電路

摘要：提出了一種具有恒功率控制的單級功率因數校正電路。該電路功率因數校正級工作在電流斷續模式，具有較低的總諧波畸變和較高的功率因數。該電路的直接能量傳遞方式降低了直流母線(xiàn)電壓并且提高了電路的效率。采用恒功率控制方式使得電路具有良好的輸出特性。并通過(guò)仿真和實(shí)驗結果證明了電路的可行性。

引言

近年來(lái)，功率因數校正（PFC）技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。傳統的兩級PFC電路的主要缺點(diǎn)是成本高以及控制電路復雜。單級功率因數校正（SSPFC）變換器[1][2][3][4]，將PFC級和DC/DC級結合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC變換器在負載變輕時(shí)存在直流母線(xiàn)電壓過(guò)高的問(wèn)題。文獻[2]采用反饋線(xiàn)圈雖然降低了直流母線(xiàn)電壓，但卻減小了線(xiàn)電流的導通角，從而增加了總諧波畸變（THD）。

為了解決上述問(wèn)題，確保在負載變化時(shí)降低直流母線(xiàn)電壓和減少THD，本文提出了一種具有恒功率控制的SSPFC變換器。能量直接傳遞方式使得該電路在沒(méi)有減小線(xiàn)電流導通角的情況下降低了直流母線(xiàn)電壓。恒功率控制使得變換器的輸出在輸出電壓高的時(shí)候可以看成電壓源，在輸出電壓低的時(shí)候可以看成電流源，并且當輸出電壓在一定范圍內變化的時(shí)候，輸出功率近似恒定。

1 電路工作原理

單級功率因數校正電路的原理圖如圖1所示。它實(shí)際上是由一個(gè)Boost變換器和一個(gè)flyback變換器組合而成的。Boost變換器工作在DCM模式，在占空比和頻率恒定的情況下可以達到功率因數校正的目的。flyback變換器可以工作在DCM或CCM模式。

為了分析方便，假定整流電壓在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中為定值，電容CB足夠大使得電壓VB基本恒定，flyback變壓器視為理想變壓器，在原邊并聯(lián)勵磁電感Lm，flyback變換器工作在CCM模式。則該電路有3種工作模式如圖2所示，主要工作波形如圖3所示。

工作模式1（t0－t1）t0時(shí)刻開(kāi)關(guān)S導通，直流母線(xiàn)電壓VB加在勵磁電感Lm上，由于flyback變換器工作在CCM模式，則電流im線(xiàn)性上升可表示為

im=VB/Lm(t－t0)＋im(t0) （1）

而電感Lb工作在DCM模式，電流iLb由零線(xiàn)性上升，其表達式為

iLb=|Vin|/Lb(t－t0) （2）

開(kāi)關(guān)S上流過(guò)的電流可表示為

isw=iLb＋im （3）

由于二級管Df反向偏置，所以線(xiàn)圈Ns和Np上沒(méi)有電流流過(guò)。

工作模式2（t1－t2）開(kāi)關(guān)S在t1時(shí)刻關(guān)斷，二極管Df正向偏置，勵磁電感Lm上的電壓為nVo(其中n=Np/Ns)，則電流im線(xiàn)性下降可表示為

im=－nVo/Lm(t－t1)＋im(t1) （4）

開(kāi)關(guān)S上的漏源電壓VDS為VB＋nVo，電感Lb上的電流iLb流過(guò)線(xiàn)圈Np和電容CB線(xiàn)性下降，其表達式為

iLb=－(VB nVo-|Vin|)/Lb(t－t1)＋iLb(t1) （5）

因此，原邊線(xiàn)圈Np和副邊線(xiàn)圈Ns上流過(guò)的電流可分別表示為

ip=iLb＋im （6）

is=nip=n(iLb＋im) （7）

由式（7）可以看出副邊電流由兩部分組成，負載不但從勵磁電感Lm上獲取能量而且直接從電感Lb上獲取能量，這就意味著(zhù)一部分能量可以不經(jīng)過(guò)儲能電容CB而直接傳遞給負載，因此，大大提高了效率并且降低了直流母線(xiàn)電壓。

工作模式3（t2－t3）t2時(shí)刻電流iLb下降到零，二極管Db反向偏置，勵磁電流繼續以斜率nVo/Lm線(xiàn)性下降直到t3時(shí)刻開(kāi)關(guān)S再次導通。此時(shí)原邊線(xiàn)圈Np和副邊線(xiàn)圈Ns上的電流可分別表示為：

ip=im （8）

is=nip=nim （9）

2 恒功率控制方法

圖4給出了恒功率控制的框圖，圖中KVV和KIIo分別為電壓采樣值和電流采樣值，通過(guò)電阻R3及R4的分壓得到第一個(gè)運放的正向輸入端電壓為＋，信號放大后得到運放的輸出端電壓為，這一點(diǎn)的電壓和第二個(gè)運放的反向輸入端電壓相等，根據運放的虛短特性，得到第一個(gè)運放的輸出電壓與第二個(gè)運放的正向輸入端電壓相等，即=Vref，由此可得到式（10）。

(KiIoR4/R3 R4)＋(KVVoR

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