三電平單級PFC的電路拓撲及控制方式

　　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。

　　基于上述假設，在階段1[t0，t1]：開(kāi)關(guān)管S3和S4導通。Boost電感(Lin)儲存能量，電感電流線(xiàn)性增加。流經(jīng)開(kāi)關(guān)管的電流是諧振電路和boost電感電流之和。諧振電路兩端電壓VAB為-Vbus/2;

　　階段2[t1，t2]：開(kāi)關(guān)管S4關(guān)斷，箝位二極管Dc2將其電壓箝位于Vbus/2。Boost電感電流將流經(jīng)上方一對開(kāi)關(guān)管并對其體電容放電。此時(shí)，VAB為零;

　　階段3[t2，t3]：開(kāi)關(guān)管S3關(guān)斷(由于其體電容被放電，S3將零電壓關(guān)斷)，電感電流繼續對中間儲能電容充電，S1、S2體電容放電，待其完全放電后，其體二極管導通。此時(shí)，VAB電壓為Vbus/2。

　　階段4[t3，t4]：開(kāi)關(guān)管S1和S2同時(shí)零電壓導通。Boost電感電流和諧振電路電流同時(shí)流經(jīng)S1、S2。此時(shí)VAB電壓不變，仍為Vbus/2;

　　階段5[t4，t5]：開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷，電壓被箝位二極管Dc1箝位于Vbus/2。諧振電流流經(jīng)S2和Dc1，此時(shí)VAB的電壓降為零;

　　階段6[t5，t6]：開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷，諧振電流方向反轉，并對S3、S4體電容放電;完全放電后，其體二極管導通。直到下一個(gè)周期開(kāi)始，S3、S4將零電壓導通。

　　2 控制策略及穩態(tài)分析

　　2.1 控制策略

　　本文中的變換器由多個(gè)開(kāi)關(guān)管構成。其控制變量也不止一個(gè)。因此，在設計時(shí)，可以同時(shí)采用諧振電路的開(kāi)關(guān)頻率和boost電路的占空比兩個(gè)控制變量來(lái)分別達到控制輸出電壓和直流母線(xiàn)電壓的目的。本文分別選取boost電路的占空比來(lái)獲得需要的直流母線(xiàn)電壓。采用這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是，無(wú)論負載如何變化，都能得到所需要的直流母線(xiàn)電壓。

　　2.2 boost模式

　　本文設定的boost電路工作在DCM狀態(tài)下，這樣，當boost電感充電時(shí)，電感電流將從零開(kāi)始線(xiàn)性增加，其電流峰值為：

　　因此，在一個(gè)周期內，其平均電流為：

　　由于直流母線(xiàn)電壓的大小可根據不同的交流輸入電壓峰值而變化，其可表示為：

　　因此，當輸入交流電壓的范圍是90Vms～265Vms時(shí)，其直流母線(xiàn)電壓的大小為350～650V。

　　3 仿真結果

　　仿真時(shí)，假設經(jīng)過(guò)上述分析所設計的一個(gè)單級PFC電路的具體電路參數為：輸出電壓48 V，功率2.3 kW，Vin=90～265Vms，Lr=7μH，Cs=10nF，Cp=15 nF，N1/N2=4，Lin=0.95 μH，儲能電容Cbl=Cb2=4700μF。

　　若圖3所示為其輸入電壓和輸入電流的波形，且此時(shí)的交流輸入電壓Vin為265Vms。那么，圖4所示即為負載變化情況下的功率因數及直流母線(xiàn)電壓的仿真圖。由圖4可見(jiàn)，在不同的負載情況下，直流母線(xiàn)電壓基本維持在650 V左右;同時(shí)，該變換器也擁有較高的輸入功率因數。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文研究并分析了一種較為新穎的單級功率因數校正電路的拓撲結構，該變換器由三電平諧振變換器聯(lián)合boost電感組成。變換器的輸入輸出隔離，功率因數高，開(kāi)關(guān)管電壓應力小，并能實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。仿真結果表明，該電路的輸出電壓穩定，同時(shí)，即使在輕載情況下，其直流母線(xiàn)電壓仍能保持在穩定的范圍內。從而證明了文中電路和控制方式的高效性。