單級(jí)功率因數(shù)校正在AC-PDP開關(guān)電源小型化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：傳統(tǒng)的交流等離子顯示器（AC?PDP）開關(guān)電源采用的是功率因數(shù)校正加DC/DC變換的兩級(jí)電路。針對其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種單級(jí)功率因數(shù)變換器，實(shí)現(xiàn)了小型化的目的。

關(guān)鍵詞：單級(jí)功率因數(shù)校正；反激變換；彩色交流等離子顯示器

0??? 引言

??? 隨著社會(huì)信息化的不斷發(fā)展以及先進(jìn)制作工藝的不斷提高，作為大屏幕壁掛式電視和高質(zhì)量多媒體信息顯示的終端——彩色交流等離子體顯示器（AC-PDP）,其屏幕做得越來越大，功耗越來越小，電路結(jié)構(gòu)越來越簡單，成本也越來越低。而電源作為AC-PDP的一個(gè)重要組成部分，也向著小型化和簡單化的方向發(fā)展。

??? 傳統(tǒng)的AC-PDP電源一般采用兩級(jí)方案，即PFC級(jí)＋DC/DC變換的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它們分別有各自的開關(guān)器件和控制電路。盡管其能夠獲得很好的性能，但其體積過大，成本太高，電路比較復(fù)雜。因此，對其進(jìn)行小型化改造也成了AC-PDP技術(shù)研究的一個(gè)方向。

??? 由于AC-PDP驅(qū)動(dòng)控制電路的復(fù)雜性，導(dǎo)致了其開關(guān)電源的復(fù)雜性。分析可知，不管從傳輸能量角度還是從所占體積的角度，PFC模塊和掃描驅(qū)動(dòng)電極DC/DC變換模塊都占有相當(dāng)大的比例。因此，對這兩部分的改造就成為AC-PDP開關(guān)電源小型化改造的一個(gè)切入點(diǎn)。本文根據(jù)單級(jí)功率因數(shù)校正的工作原理，提出了一種AC-PDP電極驅(qū)動(dòng)電源模塊改進(jìn)方案。

1??? 單級(jí)PFC維持電極電源模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

??? 本文采用的單級(jí)功率因數(shù)校正變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。單相交流電經(jīng)全波整流后，通過串聯(lián)兩個(gè)感性ICS（Input-current shaping）接到雙管反激的DC/DC變換單元。

圖1??? 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

??? 圖中的兩個(gè)ICS單元完全相同，即L_B1=L_B2，L_D1=L_D2，N_1p=N_1n。采用這種雙ICS的單元結(jié)構(gòu)是為了減小儲(chǔ)能電容器上的電壓以及流過開關(guān)管的電流。

??? 下面通過開關(guān)管的動(dòng)作過程分析整個(gè)電路的工作原理以及工作過程。

??? 1）S₁和S₂導(dǎo)通期間??? 其簡化電路如圖2（a）所示。開關(guān)管導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容經(jīng)圖2（a）中右邊回路釋放電能，反激變換器T_R開始儲(chǔ)能，i_DC由零開始上升。線圈N_1p及N_1n分別感應(yīng)產(chǎn)生左負(fù)右正和左正右負(fù)的電壓，D_1n和D_1p開始導(dǎo)通，D_2n和D_2p截止。V_in經(jīng)圖2（a）中左邊的回路給儲(chǔ)能電容C_B1及C_B2充電，i_in開始上升，電感L_B1，L_B2，L_D1，L_D2充電。

(a)??? 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電路圖

(b)??? 開關(guān)管截止時(shí)的電路圖

圖2??? 開關(guān)管通斷時(shí)的簡化電路

??? 因?yàn)?I>V_LB1=V_LB2，V_LD1=V_LD2，為了分析方便，令

??? V_LB=V_LB1＋V_LB2=2V_LB1V_LD=V_LD1＋V_LD2=2V_LD1

在右邊的回路中，根據(jù)基爾霍夫定律有

??? V_LB＋V_LD=V_in－V_B>0??? （1）

式中：V_in為全波整流后的輸出電壓，即V_in=V_s|sinωt|；

????? V_B=V_B1＋V_B2；

????? N₁為繞組N_1n及N_1p的匝數(shù)；

????? N_p為反激變換器原邊主繞組的匝數(shù)。

又因?yàn)?

??? V_LB=V_LB1＋V_LB2=L_B1＋L_B2??? （2）

??? V_LD=V_LD1＋V_LD2=L_D1＋L_D2（3）

將式（2）及式（3）代入式（1），可得

??? (L_B＋L_D)=V_in－V_B??? （4）

所以

??? =

式中：L_B=L_B1＋L_B2；

????? L_D=L_D1＋L_D2。

??? 2）S₁和S₂截止期間

??? 簡化電路圖如圖2（b）所示。此時(shí)i_DC等于零，反激變換器給負(fù)載供電。線圈N_1P及N_1n分別感應(yīng)產(chǎn)生左正右負(fù)和左負(fù)右正的電壓，D_1n及D_1p反向截止，D_2n及D_2p續(xù)流導(dǎo)通。根據(jù)基爾霍夫定律有

??? V_LB=L_B=V_in－V_B<0

所以??? =<0

??? 從上面的分析可知，當(dāng)V_in<V_B時(shí)，D_1n，D_1p，D_2n，D_2p全部截止，電流i_in為零，電感L_B1及L_B2中沒有電流流過，即回路電流i_in存在一個(gè)死區(qū)θ（dead angle），是不連續(xù)的。也就是說，在半個(gè)工頻周期內(nèi)，只有一部分時(shí)間電感L_B的電流連續(xù)工作，i_LB在半個(gè)工頻周期內(nèi)的波形如圖3所示。

??? 由圖3可以看出，當(dāng)輸入電壓為交流正弦波時(shí)，其輸入電流為一含有高頻紋波的近似正弦波。兩者相位基本相同，提高了輸入端的功率因數(shù)。

圖3??? 輸入電壓電流波形圖

2??? 試驗(yàn)結(jié)果

??? 根據(jù)4電極42英寸（107cm）彩色PDP驅(qū)動(dòng)電路的要求，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源模塊的參數(shù)為：

??? 輸入電壓??? AC170～250V；

??? 輸出電壓??? DC200～240V；

??? 輸出電流??? 1A。

??? 實(shí)驗(yàn)電路采用UC3845作為開關(guān)管的控制芯片，開關(guān)的工作頻率為80kHz。DC/DC變換部分采用雙管反激電路。

實(shí)驗(yàn)測得，當(dāng)輸入電壓為AC220V，50Hz，輸出功率為240W（240V/1A）時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.786。轉(zhuǎn)換效率為72.5％。此時(shí)得到輸入端的電壓電流波形如圖4所示。

圖4??? 輸入電壓及電流波形

3??? 結(jié)語

??? 通過比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級(jí)功率因數(shù)校正電路在功率因數(shù)校正能力和電源的轉(zhuǎn)換效率等方面，相對于兩級(jí)功率因數(shù)校正電路而言，相對要差一些。但隨著研究的深入，新的單級(jí)PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案將不斷地被提出，單級(jí)PFC電路的性能也將逐步地得以完善。而單級(jí)功率因數(shù)校正電路體積小、電路簡單的特點(diǎn)使其成為AC-PDP開關(guān)電源小型化改造的一個(gè)首選方案。