多相交錯并聯(lián)Boost功率因數(shù)校正器的研究

趙　琴,金愛娟,紀晨燁,孫長飛,胡　崢,倪似松

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上?！?00093)

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多相交錯并聯(lián)Boost功率因數(shù)校正器的研究

趙琴,金愛娟,紀晨燁,孫長飛,胡崢,倪似松

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093)

摘要針對開關電源在傳統(tǒng)的Boost功率因數(shù)校正電路中有著明顯的開關損耗,使得電路具有較高成本和低效率。文中在傳統(tǒng)單相Boost變換器的基礎上,采納多通道交錯并聯(lián)技術來進行有源功率因數(shù)校正的主電路拓撲。以三相交錯并聯(lián)Boost變換器為例,分析其工作過程,并通過仿真實驗證明了多相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器具有減小輸入電流紋波和輸入電感值,以及提高變換器的效率等優(yōu)點。

關鍵詞Boost;PFC;交錯并聯(lián)

隨著電力電子設備的廣泛應用,由此造成的諧波污染也越來越嚴重,電網(wǎng)正在受到嚴重威脅[1-2]。此時,功率因數(shù)校正技術的引用可有效地解決電力電子裝置所引起的諧波污染的問題。然而,隨著功率等級的不斷提高,對大功率PFC變換器的需求量也越多,這就導致傳統(tǒng)的Boost變換器已經(jīng)無法應用在大功率的場合。通過交錯并聯(lián)技術不僅能有效地降低功率器件的電流應力,而且還能同時提升變換器的功率等級,以及具有減小輸入電流紋波和開關損耗等優(yōu)點。本文設計了一種在電流臨界導通模式下的多相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器,使得電路實現(xiàn)較小的輸入輸出電流紋波、降低電磁干擾現(xiàn)象,有利于電磁兼容設計、較高的轉(zhuǎn)換效率及功率密度等特點。

1三相交錯并聯(lián)Boost PFC電路

三相交錯并聯(lián)Boost變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是由3個參數(shù)相同的Boost變換器并聯(lián)而成,并聯(lián)結(jié)構(gòu)由輸入電源vI、3個儲能電感(L1、L2、L3)、開關(s1、s2、s3)、二極管(D1、D2、D3)、輸出電容c和負載R組成。它們的不同之處就在于3個開關管的驅(qū)動信號之間相差了120°,這也就是說這3個變換器工作在交錯狀態(tài)下。三相交錯并聯(lián)變換器有8種工作模式,分別是:

模式1開關s1、s2、s3均導通;

模式2開關s1導通,s2和s3關斷;

模式3開關s2導通,s2和s3關斷;

模式4開關s3導通,s1和s2關斷;

模式5開關s1和s2導通,s3關斷;

模式6開關s1和s3導通,s2關斷;

模式7開關s2和s3導通,s1關斷;

模式8開關s1、s2和s3關斷。

圖1　三相交錯并聯(lián)Boost變換器結(jié)構(gòu)拓撲

以上介紹的8種工作模式中,模式1中開關s1、s2、s3均同時導通,此時電路中電感電流IL1、IL2和IL3都呈現(xiàn)上升狀態(tài),而輸出電容c此時釋放能量給負載供電;模式2中開關s1導通,s2和s3關斷,此時電路中電感電流IL1上升,而電感電流IL2和IL3在下降;模式8中開關s1、s2、s3均同時關斷,此時電路中電感電流IL1、IL2和IL3都呈現(xiàn)下降狀態(tài),輸出電容c儲存能量,其他幾種模式也可以進行同樣的分析。模式2的電感和電流狀態(tài)空間表達式為

(1)

可以令iL1=X1,iL2=X2,iL3=X3,V0=X4,則可以得到

(2)

對于三相交錯并聯(lián)Boost變換器的其他幾種工作模式,同理也能得到如同式(1)的狀態(tài)空間表達式。

2三相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器參數(shù)

2.1輸入電流紋波

三相交錯并聯(lián)Boost電路的輸入電流為各支路電感電流之和。當并聯(lián)的相數(shù)越多時,輸入電流紋波就會越小。當三相交錯并聯(lián)時,占空比與電流紋波的關系如式(3)所示。

(3)

其中,K3(D)=ΔIin/ΔIL1,ΔIin為總輸入電流紋波;ΔIL1為每一相支路中的電感電流紋波。而兩相交錯并聯(lián)時,占空比與電流紋波的關系為

(4)

采用多相交錯并聯(lián)Boost PFC結(jié)構(gòu),雖然不能在整個工作區(qū)間將電流紋波完全消除,但在降低紋波電流方面整體效果明顯。在同樣占空比下,當交錯并聯(lián)的相數(shù)不同時,輸入電流紋波減小的程度也有所不同。

2.2電感磁芯尺寸

在單相Boost變換器中,其輸入電流就是流過電感的電流,而在三相交錯并聯(lián)Boost變換器中,輸入電流被分流,流過每個電感的電流只是輸入電流的1/3[3]。在相同的功率等級[4]下,假設變換器中輸入電流為I,則單相Boost變換器中電感的能量可以表示為

(5)

而三相交錯并聯(lián)Boost變換器中電感總能量可以表示為

(6)

就電感儲能方面來講,三相交錯并聯(lián)Boost變換器中電感的能量是單相Boost變換器中電感能量的1/9。所以在實際設計電感器時,電感電流是一個重要參數(shù)。通常設計電感器時采用面積乘積法(AP),單相和三相交錯并聯(lián)的面積乘積[5]分別可以表示為

(7)

(8)

由于三相交錯并聯(lián)Boost變換器中存有3個電感,因此APinterleaved=3APdual,盡管如此,三相交錯并聯(lián)Boost變換器中的總面積乘積還是單相Boost變換器總面積乘積的1/3。所以電路中采用三相交錯并聯(lián)Boost變換器能夠有效地減小電感磁芯的尺寸[6-7]。

2.3輸出電容電流有效值

交錯并聯(lián)Boost PFC電路有較小輸出電容的電流有效值[8]。在單相Boost變換器中,電容電流有效值與占空比的關系可以表示為

(9)

在三相交錯并聯(lián)Boost變換器中,電容電流有效值與占空比的關系可以表示為

(10)

根據(jù)以上3個公式,在Matlab中可以繪出輸入電容電流有效值與占空比的關系曲線圖如圖2所示,可以得到:在相同情況下,三相交錯并聯(lián)Boost變換器相對單相Boost變換器而言,其輸出電容電流的有效值減小了近1/4,而輸出電容電流的有效值的降低,意味著電容的電流應力也會減小,從而在一定程度上提高了變換器的可靠性。

圖2　輸出電容電流有效值波形圖

3實驗仿真

3.1輸入電流

圖3為單相三相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器輸入電流波形。

圖3　Boost PFC變換器的輸入電流

如圖3所示,在單相Boost PFC變換器輸入電流平均值為38.4 A,而在三相交錯并聯(lián)Boost變換器中輸入電流平均值為27.4 A,從圖中還可以看到單相Boost PFC變換器的輸入電流紋波約是三相的1.5倍,所以在三相交錯并聯(lián)Boost變換器中的3個電感電流紋波經(jīng)過互相抵消,可以有效地減小電路的輸入紋波。

3.2電感電流波形

圖4為單相Boost PFC變換器電感電和三相交錯并聯(lián)Boost變換器的3個電感電流波形圖。從波形中可以看到:單相Boost PFC變換器電感電流的平均值為38.4 A,而在三相交錯并聯(lián)Boost變換器中電感電流平均值為9.3 A。在各種電路指標都相同的情況下,相較于單相Boost變換器,三相交錯并聯(lián)Boost變換器每個電感中所流過的電流約為單相Boost變換器的1/4,這也意味著電感所儲存的能量也是單相Boost變換器中電感電流的1/4。

圖4　Boost PFC變換器中電感電流波形

3.3輸出電壓

圖5為單相和三相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器輸出電壓波形?？梢詮膱D中看到:單相Boost變換器輸出電壓紋波約為10 V,三相交錯并聯(lián)Boost變換器輸出電壓紋波約為0.5 V,通過單相和三相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器輸出電壓紋波的比較,可以表明三相交錯并聯(lián)Boost變換器可以使電路的輸出電壓更加穩(wěn)定,所以電路中把單相Boost PFC變換器拓撲成三相交錯并聯(lián)Boost變換器可以大幅提升變換器的可靠性。

圖5　Boost PFC變換器輸出電壓

3.4樣機實驗仿真

本文設計的Boost PFC電路是在85～265 V的交流輸入電壓,輸入電壓頻率為50 Hz,控制芯片為L6562D,開關管型號為FQPF10N60C,二極管型號為PEC3309,輸入濾波電容為1 μF/630 V,輸出電容為100 μF/450 V條件下進行的,得到波形如圖6所示。

圖6　交流輸入端輸入電壓與輸入電流波形

圖7　輸出電壓波形

圖8　輸出電壓紋波

由圖6中可以看到,三相交錯并聯(lián)的Boost PFC電路能較好地實現(xiàn)輸入電流跟蹤輸入電壓,而且當輸入電流正弦化的同時還實現(xiàn)了電流電壓之間無相位差。從圖7和圖8中可以看出,輸出電壓穩(wěn)定約在400 V,而且輸出電壓紋波也很小,這就說明經(jīng)過三相交錯并聯(lián)的Boost PFC電路后能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定電壓,能給負載安供電[9-10]。

4結(jié)束語

本文將單相Boost PFC變換器拓展到了三相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器。首先對三相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器的應用優(yōu)勢和工作原理進行了介紹。根據(jù)要求對交錯并聯(lián)Boost變換器的主電路的參數(shù)進行了設計。通過Simplorer軟件仿真和樣機實驗,從電路輸入電流紋波,電感電流以及輸出電壓三方面與單相Boost變換器進行比較,驗證了三相交錯并聯(lián)Boost PFC變換器不僅能夠有效地降低功率器件的電流應力,而且還能同時提升變換器的功率等級,以及具有減小輸入電流紋波和使輸出電壓更加穩(wěn)定等優(yōu)點。所以對于PFC變換器來說,為更好地應用到大功率場合,使得開關損耗減少,電路達到較高的效率,多相交錯并聯(lián)PFC變換器能更好地實現(xiàn)單相PFC變換器所不能達到的目的,應用也將更加廣泛。

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Research on Multiphase Interleaving Parallel Boost Power Factor Corrector

ZHAO Qin,JIN Aijuan,JI Chenye,SUN Changfei,HU Zheng,NI Sisong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractIn terms of the significant switching losses of switching source in the traditional Boost PFC circuit,the circuit has higher cost and lower efficiency.In order to solve these problems,the paper adopts the multichannel interleaving parallel technology on the main circuit topology of active power factor correction based on the traditional single-phase Boost PFC circuit.Taking the three phase interleaving Boost converter as an example,the converter’s working processes are analyzed.Simulation verifies that the multichannel interleaving parallel Boost PFC converter offers less input current ripple,smaller inductance and higher efficiency.

KeywordsBoost;PFC;interleaving parallel

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.019

收稿日期:2015-09-13

作者簡介:趙琴(1991—),女,碩士研究生。研究方向:電力電子非線性及控制。

中圖分類號TM46

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)05-067-04