單級功率因數(shù)校正電路的直流母線電壓分析和實驗研究

作者：時間：2011-02-20 來源：網(wǎng)絡(luò)

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摘要：通過對一種簡單的單級PFC電路的研究，從理論上推導(dǎo)出直流母線電壓的變化情況，以及電路功率因數(shù)和THD的計算公式，然后又用實驗進(jìn)行了論證。

本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/156687.htm

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；單級功率因數(shù)校正電路；直流母線電壓

1 引言

近年來PFC技術(shù)是電力電子學(xué)界的一個熱門話題，已經(jīng)提出了許多PFC電路。目前，帶有功率因數(shù)校正的開關(guān)變換器通常分為兩級結(jié)構(gòu)和單級結(jié)構(gòu)。在兩級結(jié)構(gòu)中，第一級類似于Boost型PFC電路，目的在于提高輸入的功率因數(shù)并抑制輸入電流的高次諧波；第二級為DC/DC變換器或DC/AC變換器，目的在于調(diào)節(jié)輸出以便與負(fù)載匹配。由于兩級分別有自己的控制環(huán)節(jié)，使得這個電路具有良好的性能，但是，元器件個數(shù)太多，與沒有PFC的相同電路相比，成本約增加15％。

為了使AC/DC電源在滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高性能，于是對單級PFC的需求越來越緊迫，特別是在小功率應(yīng)用場合。單級PFC變換器使PFC和DC/DC級共用一個開關(guān)管，只有一套控制電路，同時實現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的調(diào)節(jié)。

但是，單級功率因數(shù)校正電路有自己的缺點(diǎn)，當(dāng)PFC級工作在DCM模式，輕載時，直流母線（Bus）上的電壓將成為主要問題。本文將從理論上推導(dǎo)DC/DC級工作在DCM模式時的直流母線電壓的公式（DC/DC級工作在CCM時的情況見文獻(xiàn)2），然后通過實驗驗證，為解決問題提供理論依據(jù)。同時，通過直流母線的推導(dǎo)，順便推導(dǎo)出電路的PF和THD。

2 電路工作原理

單級功率因數(shù)校正的主電路圖如圖1所示，它是一種簡單的BIFRED（Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy Storage/DC-DC Converter），工作波形見圖2。

圖1 主電路示意圖

圖2 工作波形圖

雖然BIFRED只有一個開關(guān)，但是和兩級的功能卻是一樣的。實際上，輸入電感L1，二極管D1，開關(guān)S1，和儲能電容C1組成了一個DCM Boost功率級，而開關(guān)S1，帶勵磁電感Lm的變壓器，輸出二極管D2和輸出濾波電容C2組成了一個反激級。其中變壓器原副邊匝比n=N∶1。

〔0－t0〕段開關(guān)S1導(dǎo)通，L1通過輸入整流電壓儲能，電感電流iL1（=iin）上升。同時，勵磁電感Lm通過電容C1放電而儲能，這時電容C1和變壓器原邊是并聯(lián)的。因而，勵磁電流上升。二極管D2由于反向偏置被關(guān)斷。

〔t0－t1〕段t0時刻開關(guān)S1關(guān)斷，隨著電感電流iL1下降到0，儲存在電感L1中的能量轉(zhuǎn)移到電容C1。在這個階段，D2導(dǎo)通，所以儲存在Lm中的能量轉(zhuǎn)移到輸出電阻。勵磁電流下降。

〔t1－t2〕段t1時刻iL1下降到0，但勵磁電感Lm中的電流iLm可能還沒到0，假設(shè)在t2時刻iLm下降到0，則二極管D2關(guān)斷。

為了獲取輸入電流的低諧波畸變，L1必須工作在DCM，也就是說，iL1必須在開關(guān)S1再次導(dǎo)通前下降到0。通常情況，Lm可以工作在DCM或者CCM。但是CCM工作存在輕載直流母線電壓過高的問題。所以在設(shè)計中應(yīng)使L2工作在DCM狀態(tài)下。

3 理論推導(dǎo)

3..1 直流母線電壓的理論推導(dǎo)

根據(jù)電感L1的伏秒平衡，得到

DTs=(1)