混合式降壓型PFC變流器的研究

趙思陽(yáng)，張軍明 ，曾鵠龍

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027)

0 引 言

目前，越來(lái)越多的場(chǎng)合需要AC-DC 電力電子變流器來(lái)完成電能的轉(zhuǎn)換。為防止AC-DC 變流器的輸入電流諧波對(duì)電網(wǎng)造成的污染，世界上的許多國(guó)家和地區(qū)都對(duì)不同功率等級(jí)的AC-DC 變流器的輸入電流功率因數(shù)和諧波做出了限制性規(guī)定，如Energy Star［1］和IEC61000-3-2［2］等標(biāo)準(zhǔn)。因此，筆記本適配器、LED 驅(qū)動(dòng)器等AC-DC 變流器中通常需要使用有源PFC 技術(shù)，使輸入電流滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

目前，AC-DC 變流器中一般使用升壓型功率因數(shù)校正(Boost PFC)變流器作為前級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正并輸出直流電壓，使用諧振變換器如LLC 拓?fù)渥鳛楹蠹?jí)DC-DC 變流器實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流輸出。Boost PFC變流器得到如此廣泛的應(yīng)用主要是因?yàn)槠漭斎腚娏鞴β室驍?shù)高，諧波失真小。但同時(shí)，Boost PFC 變流器也存在著很多缺點(diǎn):低輸入電壓時(shí)變換效率低、輸出電壓高不利于后級(jí)DC-DC 變流器的效率優(yōu)化和EMI 共模噪聲大等。而降壓型功率因數(shù)校正(Buck PFC)變流器［3-7］恰好能夠彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，因此受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

Buck PFC 變流器具有低輸入電壓時(shí)效率較高、輸出電壓低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著輸入電流有死區(qū)等缺點(diǎn)，導(dǎo)致輸入電流功率因數(shù)差，最低交流輸入電壓下功率因數(shù)通常低于0．9，諧波失真也較為嚴(yán)重，難以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

為保留Buck PFC 變流器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，本研究提出一種混合式降壓型PFC 變流器，在Buck PFC 變流器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)輔助電路(Flyback拓?fù)?，彌補(bǔ)輸入電流存在的死區(qū)。相比于文獻(xiàn)［8-9］中提出的方案，該方案具有拓?fù)浜?jiǎn)單、整體效率較高、控制方便、增加功率器件數(shù)目少等優(yōu)點(diǎn)。本研究針對(duì)所提出的方案給出相應(yīng)的控制策略和參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 Buck PFC 變流器概述

Buck 變流器應(yīng)用于功率因數(shù)校正場(chǎng)合時(shí)缺點(diǎn)明顯:Buck PFC 變流器只有在輸入電壓瞬時(shí)值高于輸出電壓時(shí)才能工作，其輸入電流波形存在死區(qū)。在低交流輸入電壓下，Buck PFC 變流器的輸入電流功率因數(shù)差，諧波失真嚴(yán)重。

通常，Buck PFC 變流器采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制策略［10］，即在輸入電壓和輸出功率不變時(shí)，MOSFET 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間保持恒定。為減小MOSFET 開(kāi)關(guān)損耗，避免續(xù)流二極管反向恢復(fù)等問(wèn)題，中小功率等級(jí)的AC-DC 變流器包括Buck PFC 變流器一般工作于電感電流臨界連續(xù)導(dǎo)通模式，即通過(guò)檢測(cè)電感電流的過(guò)零點(diǎn)來(lái)決定MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)刻。因此，MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間為電感電流由峰值降至0 的時(shí)間。所以，在該控制策略中輸出電壓值是唯一可供設(shè)計(jì)者調(diào)整的變量，使得Buck PFC 變流器的輸入電流功率因數(shù)、諧波失真等參數(shù)的優(yōu)化與變流器效率的優(yōu)化存在矛盾。

文獻(xiàn)［11］提出了一種針對(duì)Buck PFC 變流器的改進(jìn)型峰值電流模式控制策略，變流器也工作于電感電流臨界連續(xù)導(dǎo)通模式，采用Vin-kVo作為電感電流峰值基準(zhǔn)，相比于恒定導(dǎo)通時(shí)間控制策略增加了設(shè)計(jì)上的靈活性，可在改善變流器總體效率的同時(shí)改善輸入電流功率因數(shù)和諧波失真情況，但輸入電流諧波仍無(wú)法通過(guò)IEC61000-3-2 Class C 標(biāo)準(zhǔn)。

2 混合式降壓型PFC 變流器概述

針對(duì)Buck PFC 變流器輸入電流功率因數(shù)差、諧波失真嚴(yán)重的缺點(diǎn)，本研究提出了一種混合式降壓型PFC 變流器。變流器由Buck PFC 變流器和Flyback 變流器并聯(lián)構(gòu)成，如圖1 所示。為MOSFET 驅(qū)動(dòng)方便，Buck PFC 變流器為浮地輸出形式?；旌鲜浇祲盒蚉FC 變流器的工作模態(tài)如圖2 所示。當(dāng)輸入電壓瞬時(shí)值Vin高于輸出電壓Vo時(shí)，控制信號(hào)Vs為高電平，Buck PFC 變流器工作，MOSFET S1保持開(kāi)關(guān)動(dòng)作;當(dāng)輸入電壓瞬時(shí)值Vin低于輸出電壓Vo時(shí)，控制信號(hào)Vs為低電平，F(xiàn)lyback 變流器工作，MOSFET S2保持開(kāi)關(guān)動(dòng)作。因此，變流器的輸入電流不再存在死區(qū)，功率因數(shù)和諧波失真情況可得到顯著改善。在Buck PFC 變流器和Flyback 電路基礎(chǔ)上增加與MOSFET S1串聯(lián)的輔助二極管D2是為了防止S2導(dǎo)通時(shí)輸出電容被短路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 混合式降壓型PFC 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 混合式降壓型PFC 變流器模態(tài)示意圖

混合式降壓型PFC 變流器的控制框圖如圖3 所示。當(dāng)電感電流下降至0 時(shí)，通過(guò)輔助繞組檢測(cè)產(chǎn)生過(guò)零信號(hào)，MOSFET 開(kāi)通，給電感充電。當(dāng)電感電流峰值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，MOSFET 關(guān)斷，具體實(shí)現(xiàn)原理為:輸出電壓經(jīng)采樣和反饋，得到誤差信號(hào)VEAO，由于控制環(huán)路穿越頻率遠(yuǎn)低于工頻，所以VEAO在工頻周期內(nèi)可認(rèn)為是定值，VEAO作為乘法器的一個(gè)輸入，乘法器的另一個(gè)輸入為電感電流峰值基準(zhǔn)的分壓值。Buck 模態(tài)電感電流峰值基準(zhǔn)為Vin-kVo，F(xiàn)lyback 模態(tài)時(shí)電感電流峰值基準(zhǔn)為Vin，如前所述，輸入電壓瞬時(shí)值Vin與輸出電壓Vo比較得到切換信號(hào)，即Vin高于Vo時(shí)，切換信號(hào)為高電平;Vin低于Vo時(shí)，切換信號(hào)為低電平。為防止兩模態(tài)切換時(shí)Vin上的噪聲對(duì)切換信號(hào)造成干擾，采用閾值比較器產(chǎn)生切換信號(hào)。切換信號(hào)控制多路選擇器，使得兩種工作模態(tài)時(shí)電感電流峰值基準(zhǔn)為相應(yīng)值。采樣電阻電壓與乘法器輸出進(jìn)行比較，當(dāng)采樣電阻電壓升高至乘法器輸出電壓時(shí)，MOSFET 關(guān)斷。

在該控制策略下，Buck PFC 模態(tài)和Flyback 模態(tài)的輸入電流峰值包絡(luò)線分別正比于Vin-kVo和Vin，兩模態(tài)輸入電流能夠銜接，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。

圖3 混合式降壓型PFC 變流器控制框圖

3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算

根據(jù)第2 節(jié)中對(duì)混合式降壓型PFC 變流器的闡述，可假設(shè)Buck 模態(tài)電感電流峰值為:

式中:θ—工頻角度，θ=ωlinet;kb—Buck PFC 的控制系數(shù)，決定Buck PFC 輸入電流波形;k—比例系數(shù)，由輸入、輸出功率守恒決定;Vac—輸入電壓有效值;Vo—輸出電壓。

Buck PFC 繞組與Flyback 繞組匝比取為1∶1，則Flyback 模態(tài)電感電流峰值為:

式中:kf—Flyback PFC 與Buck PFC 電感電流峰值分壓系數(shù)之比。從而可計(jì)算出兩模態(tài)輸入電流平均值分別為:

為在切換處保證兩模態(tài)輸入電流平均值相等，使得兩模態(tài)輸入電流能夠相互銜接，可以得到:

由式(5)可以求得:

在此基礎(chǔ)上，可以利用功率守恒計(jì)算參數(shù)k:

綜合考慮兩模態(tài)，可以得到輸入電流平均值和峰值的表達(dá)式:

根據(jù)輸入電流平均值表達(dá)式可計(jì)算得到混合式降壓型PFC 變流器不同輸入電壓下的輸入電流波形如圖4 所示。

圖4 混合式降壓型PFC 變流器輸入電流波形計(jì)算結(jié)果

在輸入電流計(jì)算基礎(chǔ)上，本研究對(duì)主要元器件取值進(jìn)行設(shè)計(jì)。PFC 電感的取值主要由變流器開(kāi)關(guān)頻率fs決定。由于變流器工作于臨界連續(xù)導(dǎo)通模式，故fs隨工頻角度θ 變化而變化。則工頻周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)頻率fs與電感值Lm的關(guān)系為:

為保證最低開(kāi)關(guān)頻率大于20 kHz，以避免產(chǎn)生音頻噪聲，并使得額定輸入電壓時(shí)開(kāi)關(guān)頻率不過(guò)高，以避免產(chǎn)生開(kāi)關(guān)次的EMI 噪聲，本研究選擇電感值為135 μH。兩繞組匝比取為1∶1，變壓器骨架選為PQ2625。

輸出電容Co的取值主要取決于輸出電壓紋波:

式中:ω—工頻角頻率，Vo_max—輸出電壓最大值，Vo_min—輸出電壓最小值，fac—工頻50 Hz，ΔVo_pp—輸出電壓紋波峰峰值。為保證輸出電壓紋波峰峰值占輸出電壓比例小于10%，本研究取輸出電容為兩只470 μF、100 V 耐壓電解電容并聯(lián)。

控制芯片選用ST 公司的峰值電流模式控制芯片L6562。MOSFET、二極管等功率器件的選擇主要考慮其電壓電流應(yīng)力及損耗情況，具體如表1 所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的混合式降壓型PFC 變流器方案，本研究設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，交流輸入電壓范圍為90 V～264 V，輸出功率為150 W，輸出電壓為80 V。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 樣機(jī)參數(shù)

110 V 和220 V 交流輸入電壓下的經(jīng)整流的輸入電壓波形Vin、切換信號(hào)Vs、Buck 模態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs_b、Flyback 模態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vgs_f分別如圖5、圖6 所示。可以看到，Vin高于Vo時(shí)，切換信號(hào)Vs為高電平，Buck PFC 變流器工作;Vin瞬時(shí)值低于Vo時(shí)，切換信號(hào)Vs為低電平，F(xiàn)lyback 變流器工作，與理論分析一致。兩模態(tài)進(jìn)行切換時(shí)，切換信號(hào)無(wú)抖動(dòng)。

圖5 110 V 輸入電壓下典型波形

圖6 220 V 輸入電壓下典型波形

110 V 和220 V 交流輸入電壓下的輸入電流波形Iac分別如圖7、圖8 所示?？梢钥吹剑斎腚娏鞑ㄐ螣o(wú)死區(qū)，兩模態(tài)輸入電流能夠相互銜接。兩模態(tài)切換時(shí)輸入電流有一定振蕩，主要是因?yàn)殡m然通過(guò)前面的設(shè)計(jì)使切換處兩模態(tài)輸入電流平均值相等，但切換后的模態(tài)的輸入電流仍從0 開(kāi)始上升，從而導(dǎo)致輸入電流在切換處存在振蕩。從下面的測(cè)試結(jié)果可以看出該振蕩對(duì)混合式降壓型PFC 變流器的輸入電流功率因數(shù)和諧波失真情況影響不大。

圖7 110 V 輸入電壓下輸入電流波形

圖8 220 V 輸入電壓下輸入電流波形

混合式降壓型PFC 變流器與Buck PFC 變流器的輸入電流功率因數(shù)測(cè)試結(jié)果比較如圖9 所示。可以看到，最低90 V 交流輸入電壓下，混合式降壓型PFC 變流器功率因數(shù)可達(dá)0．99 以上，相比于Buck PFC 變流器提高0．09 左右。而當(dāng)輸入電壓變高時(shí)，二者的功率因數(shù)都會(huì)明顯下降，主要是由輸入端差模電容上的無(wú)功電流造成的。115 V 交流輸入電壓下混合式降壓型PFC 變流器和Buck PFC 變流器的輸入電流諧波測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖10 所示?？梢钥吹?，混合式降壓型PFC變流器的總諧波失真僅為8%，相比于Buck PFC 變流器降低20% 左右，以較大裕量通過(guò)了IEC61000-3-2 Class C 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9 混合式降壓型PFC 變流器與Buck PFC 變流器輸入電流功率因數(shù)測(cè)試結(jié)果比較

混合式降壓型PFC 變流器與Buck PFC 變流器的效率測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖11 所示。可以看到混合式降壓型PFC 變流器的效率隨輸入電壓升高而升高，這主要是由于低輸入電壓下輸入電流有效值大，變流器中的導(dǎo)通損耗較大。變流器最高效率達(dá)到96．1%，最低效率超過(guò)94%，相比于Buck PFC 變流器僅降低0．5%左右。因此，本研究提出的混合式降壓型PFC 變流器在顯著改善Buck PFC 輸入電流情況的同時(shí)，保持了其效率高、輸出電壓低等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 115 V 輸入電壓下混合式降壓型PFC 變流器與Buck PFC 變流器輸入電流諧波測(cè)試結(jié)果比較

圖11 混合式降壓型PFC 變流器與Buck PFC變流器效率測(cè)試結(jié)果比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種混合式降壓型PFC 變流器，并完成了其參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。樣機(jī)在傳統(tǒng)Buck PFC 變流器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)輔助電路，即Flyback 變流器，彌補(bǔ)了Buck PFC 變流器存在的輸入電流死區(qū)，顯著改善了其輸入電流功率因數(shù)和諧波失真情況，功率因數(shù)最高可達(dá)0．99 以上，輸入電流諧波情況可通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)效率相比于Buck PFC 變流器僅下降0．5%左右。

本研究還存在不足之處，首先，混合式降壓型PFC變流器的輸入電流波形在兩模態(tài)切換時(shí)存在一定振蕩;其次，變流器的輸入電流功率因數(shù)在輸入電壓升高時(shí)下降明顯;最后，變流器的整體效率還偏低。后續(xù)研究中，將對(duì)控制參數(shù)和器件選型等進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使研究更具應(yīng)用價(jià)值。

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