討論基于三電平的單級PFC電路設計

　　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：

　?。?）所有開(kāi)關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件；

　?。?）電容Cb1和Cb2足夠大且相等，其電壓都為Vbus／2；

　?。?）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?！?strong>　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。