一種基于三電平的單級PFC電路設計

O 引言
目前，帶有功率因數校正功能的開(kāi)關(guān)變換器通常分為兩級結構和單級結構兩種。兩級結構電路具有良好的性能，但是元器件個(gè)數較多，與沒(méi)有PFC功能的電路相比成本會(huì )增加。而單級PFC變換器中PFC級和DC／DC級共用開(kāi)關(guān)管，只有一套控制電路，同時(shí)可實(shí)現對輸入電流的整形和對輸出電壓的調節。但是，單級PFC電路上實(shí)際存在著(zhù)一個(gè)非常嚴重的問(wèn)題：即當負載變輕、達到臨界連續狀態(tài)時(shí)，多余的輸入能量將對中間儲能電容充電。這一過(guò)程會(huì )使中間儲能電容兩端的電壓達到一個(gè)很高的值。這樣，在電路中，對于90-265 V的交流電網(wǎng)，該電壓會(huì )達到甚至超過(guò)1000 V。就目前的電容技術(shù)和功率器件技術(shù)而言，這么高的電壓都是不實(shí)際的。因此，降低母線(xiàn)電容電壓、適應寬電壓輸入場(chǎng)合和負載變化，已經(jīng)成為單級功率因數校正技術(shù)的熱點(diǎn)。
本文研究了適用于大功率單相單級變換器的電路拓撲及其控制方式，提出了單級功率因數校正AC／DC變換器的設計方案。該PFC變換器基于一種三電平LCC諧振變換器拓撲，整個(gè)變換器由boost功率因數調節器和三電平諧振變換器組成，多電平諧振變換器可把開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的壓降限制在二分之一直流母線(xiàn)電壓。同時(shí)，該變換器在寬負載變化范圍內，還能夠穩定地調節輸出電壓，并獲得穩定的直流母線(xiàn)電壓。其變換器的控制方式由兩個(gè)控制環(huán)路實(shí)現，其中輸出電壓通過(guò)控制直流變換器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調節；直流母線(xiàn)電壓則通過(guò)控制boost調節器的占空比來(lái)調節。

1 電路拓撲及工作原理
本文給出的三電平單級PFC的電路拓撲如圖1所示。圖中，變換器輸入boost電感同下方一對開(kāi)關(guān)管直接相連，DC-DC部分由三電平LCC諧振電路構成。Boost電感可工作在CCM或DCM模式下。中間儲能電容Cb1和Cb2的容量相等，故可在電路穩定工作狀態(tài)下均分輸入直流電壓，并與箝位二極管Dc1和Dc2一起來(lái)降低開(kāi)關(guān)管的電壓應力。電路中開(kāi)關(guān)管的工作時(shí)序如圖2所示。

在分析變換器的工作模式前，可先做如下假設：
(1)所有開(kāi)關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件；
(2)電容Cb1和Cb2足夠大且相等，其電壓都為Vbus／2；
(3)輸出濾波電容Co足夠大，其電壓為Vo。