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抑制單級PFC中儲能電容電壓的拓撲研究
作者：
時(shí)間：2012-03-11
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1 引言
為了減小對交流電網(wǎng)的諧波污染，國內外制訂了有關(guān)標準（如IEC 1000-3-2標準）來(lái)限制電流諧波。因此，要求交流輸入電源必須采取措施降低電流諧波含量，提高功率因數。目前廣泛采用的有源功率因數校正方法有兩種，即兩級PFC和單級PFC。兩級PFC [1]將PFC級輸出端與DC/DC變換器相串聯(lián)。由于采用兩級結構，電路復雜，裝置費用高，效率低。在小功率應用場(chǎng)合，兩級PFC很不適用。因此，研究單級PFC及變換技術(shù)成為電力電子領(lǐng)域中的一項重要課題。
單級PFC[2－3]將PFC級和DC/DC級組合在一起共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現對輸入電流的整形和對輸出電壓的調節。它與兩級方案不同的是，控制電路只調節輸出電壓，保證輸出電壓的穩定，在穩態(tài)時(shí)，占空比恒定，因此要求PFC級的電流能自動(dòng)跟隨輸入電壓，雖然單級PFC變換器的輸入電流不是正弦波，PF值不如兩級方案高，但由于IEC1000-3-2標準只對電流諧波含量有要求，對PF值沒(méi)有嚴格的要求，單級PFC變換器的輸入電流諧波足以滿(mǎn)足IEC1000-3-2標準。由于采用單級結構，電路簡(jiǎn)單，成本低，功率密度高。因此，單級PFC變換器在小功率場(chǎng)合得到了廣泛的應用。
本文主要對單級PFC的拓撲進(jìn)行了分析，抑制儲能電容電壓是單級功率因數校正要解決的主要問(wèn)題，儲能電容電壓隨輸入電壓和負載的變化而變化，在輸入高壓或輕載時(shí)，電容電壓可能達到上千伏，而且變換器的效率低。介紹了幾種改進(jìn)的拓撲結構來(lái)降低電容電壓，分別討論了其優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對現有拓撲的分析，得出了一種新型拓撲結構。
2 單級功率因數校正的主要問(wèn)題
單級PFC將PFC級和DC/DC級組合在一起共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現對輸入電流的整形和對輸出電壓的調節。它與兩級方案不同的是，控制電路只調節輸出電壓，保證輸出電壓的穩定。對PFC級輸出功率恒定時(shí)，輸入功率是一個(gè)周期性變化的量，所以?xún)δ茈娙萦脕?lái)解決瞬時(shí)輸入功率和輸出功率不平衡問(wèn)題。眾所周知，電流斷續模式（DCM）的boost變換器在固定占空比下電流自動(dòng)跟隨輸入電壓，因此PFC級工作在DCM下可以得到較高的功率因數。而為了提高變換器的效率，DC/DC變換器一般工作在電流連續模式（CCM）下。在CCM情況下，當負載變輕時(shí)，輸出功率減小，由于占空比不隨負載變化而變化，PFC級輸入功率同重載時(shí)一樣，則充入儲能電容的容量大于從儲能電容抽走的能量，導致儲能電容電壓上升。為了保持輸出電壓一致，電壓反饋環(huán)調節輸出電壓，使占空比減小，輸入能量也相應減小，這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程要到輸入和輸出功率平衡后才停止。負載減小帶來(lái)的后果是電容電壓明顯上升，甚至達到上千伏。
降低電容電壓通常有兩種方法：一種方法就是采用變頻控制[4]，可以使電容電壓低于450V，但是頻率變化范圍可能高達十倍，不利于磁性元件的優(yōu)化設計。另一種就是采用變壓器繞組實(shí)現負反饋。用變壓器繞組實(shí)現負反饋可以降低電容電壓，但同時(shí)降低了功率因數，增加了電流的諧波含量。本文通過(guò)對現有拓撲的分析，得出了一種新型帶低頻輔助開(kāi)關(guān)的功率因數校正電路，不僅降低了電容電壓，而且提高了功率因數，減少了電流的諧波含量。
3 幾種改進(jìn)的拓撲分析
3.1 加變壓器繞組抑制電容電壓的單級PFC
加變壓器繞組抑制電容電壓的單級PFC變換器[5]如圖1所示。N1為變壓器耦合的繞組。
圖1 加變壓器繞組抑制電容電壓的單級PFC變換器
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