3.采用串聯(lián)諧振的無(wú)源功率因數(shù)校正拓?fù)?/strong>
圖2-4給出了一種串聯(lián)諧振的無(wú)源功率因數(shù)校正法的電路及其工作波形。從圖2-4(a)中可見(jiàn),諧振電路串聯(lián)在輸入電源與開關(guān)電源之間。諧振電路由電感L和電容C組成并聯(lián)諧振電路,電阻R為阻尼電阻。該電路在理想諧振時(shí)對(duì)3次諧波電流呈現(xiàn)無(wú)限大的阻抗,故沒(méi)有諧波電流過(guò)載的可能。
串聯(lián)諧振電路的阻抗為:
當(dāng)工作頻率ω等于諧振頻率ω0=1/(LC)1/2時(shí),電路阻抗等于阻尼電阻R。阻尼電阻R取得比較大[(如200W負(fù)載時(shí)取27kΩ),所以負(fù)載側(cè)的3次諧波電流不可能注入電網(wǎng)側(cè),進(jìn)而改善了電網(wǎng)側(cè)的電流波形,如圖2-4(b)所示。由圖2-4可知,由于3次諧波被吸收,電網(wǎng)側(cè)電流波形變方,峰值電流明顯減少。此時(shí),整流電路在50~200W輸出功率下,功率因數(shù)為0.81~0.92左右。
有源功率因數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
從原理上說(shuō),任何一種直流電壓變換器的拓?fù)涠伎梢杂米鲇性垂β室驍?shù)校正器的主電路。從實(shí)用上來(lái)說(shuō),有源功率因數(shù)校正控制的芯片種類繁多,每種芯片的控制方式也不盡相同。下面僅就其主電路拓?fù)鋪?lái)進(jìn)行分析。
有源功率因數(shù)校正分為有變壓器隔離和沒(méi)有變壓器隔離兩類。每一類有6種拓?fù)洌航祲菏剑˙uck)、升壓式(Boost)、升壓—降壓式(Buck-Boost)、串聯(lián)式(Cuk)、并聯(lián)式(Sepic)以及塞達(dá)式(Zata)。按激勵(lì)方式分,有自激式和他激式兩種。自激式包括單管式和推挽式,他激式包括調(diào)頻式(PWF)、調(diào)寬式(PWM)、調(diào)幅式(PAM)和諧振式(RSM)4種。而按主電路是單相還是三相,采用硬開關(guān)技術(shù)還是軟開關(guān)技術(shù)等等又能劃分出不同種類,由這些不同種類相結(jié)合能換化出許許多多的拓?fù)?,如果一一?xì)說(shuō),很難將其全部囊括在內(nèi),這里僅就應(yīng)用上比較多的幾種非隔離型單相硬開關(guān)有源功率因數(shù)基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
1.降壓式有源功率因數(shù)校正主拓?fù)?/strong>
降壓型有源功率因數(shù)校正電路的開關(guān)晶體管可以采用雙極型晶體管也可以采用功率MOSFET。MOSFET管的開關(guān)速度較快且基本沒(méi)有存儲(chǔ)時(shí)間消耗,因而應(yīng)用在工作頻率較高的電路中,開關(guān)管的損耗比較??;而且MOSFET管所需要的開關(guān)驅(qū)動(dòng)功率比較小,因而在設(shè)計(jì)開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)省去了功率放大等一些電路,降低了整體功率因數(shù)校正電路的復(fù)雜性。而雙極型晶體管在導(dǎo)通后的電阻比較低,因而較適用于工作頻率比較低的情況,因?yàn)檫@種電路的開減損損耗并不明顯。圖2-5所示的電路拓?fù)渲饕槍?duì)高頻電路,故采用MOSFET來(lái)進(jìn)行分析。
圖2-5所示電路的工作原理是:當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通(TON)時(shí),輸入電流通過(guò)Q流過(guò)電感L,在電感L未達(dá)到飽和前,通過(guò)電感L的電流呈線性增長(zhǎng)。電感L將電能以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)起來(lái),隨著電源電壓VS對(duì)電感L充電,流過(guò)電感L的電流再對(duì)電容C充電,并提供負(fù)載電流,二極管D因反向偏置而截止。只有當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí),來(lái)自電源的電流才會(huì)流動(dòng)。當(dāng)開關(guān)管Q截止(TOFF)時(shí),電感L線圈中存儲(chǔ)的磁能不能突變,只會(huì)慢慢消失,維持了流過(guò)電感L的電流保持不變,磁場(chǎng)的消失使電感L兩端的電壓極性顛倒,為二極管D提供正向偏置電壓而使其導(dǎo)通。這樣電感L和電容C在TOFF期間共同為負(fù)負(fù)載提供電流。若不計(jì)二極管D和開關(guān)管Q上的壓降,得到的輸出電壓VO為:
這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)管所承受的最大電壓是輸入電壓的最大值,因而其電壓應(yīng)力較小,由于開關(guān)管位于整流電路之后,當(dāng)電路的輸出后級(jí)發(fā)生短路時(shí),可以利用開關(guān)管的關(guān)斷實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。但降壓型有源功率因數(shù)校正電路在輸入電壓大于輸出電壓時(shí)才能工作,而其輸入電壓在整流后的正弦波,在正弦波電壓為0的地方就不可能再降壓了,因此,這種電路會(huì)有一段死區(qū)時(shí)間影響功率因數(shù)值。且其輸出電壓較低,對(duì)比相同的功率級(jí)別,其后若接DC/DC電路,其所需的電流應(yīng)力將較大,且開關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的接地并沒(méi)有跟輸出接地連接在一起,驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。由于輸入電流是脈動(dòng)的,功率因數(shù)提高受到了限制,且EMI環(huán)境差,往往需要一個(gè)輸入濾波器,而且只能使電壓降壓,通常適用于大電流和中功率(直到大約800W)的降壓情況[14]下。相比輸出高電壓的校正電路在相同的功率等級(jí)下可以減小電流、減小電感的體積的情況,降壓型電路由于自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)輸入不能低于輸出的限制,達(dá)不到非常好的功率因數(shù)校正效果。
2.升壓式有源功率因數(shù)校正主拓?fù)?/strong>
圖2-6為升壓型有源功率因數(shù)校正主電路的原理圖,這種電路的工作過(guò)程如下:
當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通(TON)時(shí),輸入電流開始流過(guò)電感L,在電感線圈磁性未達(dá)到飽和前,電流呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存在電感L中。因此,在TON期間,負(fù)載的電壓和電流都由電容C供給。當(dāng)開關(guān)管Q截止(TOFF)時(shí),由于電感L存儲(chǔ)的磁能不會(huì)馬上消失,但其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)使電感L兩端的電壓極性改變,維持通過(guò)電感L的電流不變,電感L的放電電壓的極性與VS相同,且與VS相串聯(lián),電壓高于輸出電壓。因此,存儲(chǔ)在電感L中的磁能通過(guò)正向偏置而導(dǎo)通的二極管D傳送到負(fù)載和電容C,起到一種升壓的作用。如果忽略損耗和開關(guān)元件上的電壓降,則有VO=VS/(1-D)(D為占空比),可見(jiàn),VO不可能增大到無(wú)窮大,各種電阻性損耗元件將使輸出電壓以某個(gè)上升比(通常在5~10之間)達(dá)到一個(gè)極限值。
升壓型有源功率因數(shù)校正電路的輸入電流就是流經(jīng)電感的電流,因而輸入電流不會(huì)出現(xiàn)斷流的情況,運(yùn)用電流模式可以很方便地對(duì)電感電流的開關(guān)進(jìn)行控制,對(duì)輸入濾波器的要求較低,因此能方便的解決EMI的問(wèn)題,而且這種電路在交流電的整個(gè)周期內(nèi)都能進(jìn)行功率校正,因此要獲得較高的功率因數(shù)相對(duì)而言比較容易;開關(guān)管的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地由于與輸出地接在一起,其源極電壓為0V,因此開關(guān)管驅(qū)動(dòng)起來(lái)較容易;輸入電流呈連續(xù)狀態(tài),使得開關(guān)管峰值電流相對(duì)較小,電流追蹤輸入電壓的變化也相對(duì)較容易,因此,這種電路可適用于電壓變化比較大的情況,此電路供給后級(jí)輸出的能量部分由市電直接供給,另一部分則通過(guò)電—磁—電的轉(zhuǎn)換得到,因而得到的效率比較高。這種電路中的開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力等于輸出電壓值,且能正常工作在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的全電壓和整個(gè)頻率范圍內(nèi),因而應(yīng)用最廣泛。但升壓型有源功率因數(shù)校正電路的輸入和輸出之間沒(méi)有進(jìn)行絕緣隔離,且由于輸出紋波較大,一般用于功率較低(最高大約為500W)、電流較小的情況下,由于輸出電流以脈沖形式輸送到負(fù)載電阻和電容C上,故會(huì)產(chǎn)生噪聲問(wèn)題[15],升壓型變換器只能使電壓升高,而輸入電壓低于輸出電壓容易使電路失控而導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)大的電感電流,而且由于它是一個(gè)升壓電路,輸出電壓一般在380~400V,若想得到低壓輸出,則必須在其中增加一級(jí)能降低電壓的DC/DC電路。且其最終的輸出電壓一定高于輸入電壓的最大值,最終得到的輸出電壓比較高,這樣不利于對(duì)開關(guān)管進(jìn)行輸出短路保護(hù)。
目前這種電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)比較成熟,也針對(duì)這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了專門的控制芯片,且運(yùn)用諸如平均電流控制模式、峰值電流控制模式、滯環(huán)電流控制模式等控制方式已廣泛應(yīng)用在有源功率因數(shù)校正電路中。
3.升-降壓式有源功率因數(shù)校正主拓?fù)?/strong>
圖2-7為升—降壓型有源功率因數(shù)校正主電路的原理圖,這種電路的工作過(guò)程如下:
如圖2-7所示電路,當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通(TON)時(shí),接在VS兩端的電感L通過(guò)開關(guān)管Q形成回路,電源電流流過(guò)電感L,向其充電,此時(shí),二極管D反向偏置而截止,負(fù)載由預(yù)先存儲(chǔ)了能量的電容C供給能量。當(dāng)開關(guān)管Q關(guān)斷(TOFF)時(shí),同樣由于電感內(nèi)含的磁場(chǎng)并不能發(fā)生突變,但產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將使電感L的電壓極性發(fā)生顛倒,二極管D因此正向偏置而導(dǎo)通,存儲(chǔ)在電感L中的能量因此能通過(guò)D而輸送到電容C和負(fù)載R,電感L放電,同時(shí)向電容C和負(fù)載R供電。
升—降壓型有源功率因數(shù)校正電路即能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓升壓,又能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓降壓,且在電源的整個(gè)輸入周期內(nèi)都可以連續(xù)工作,因此,這種電路的輸出電壓可以在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)選擇,而且根據(jù)不同的選擇,其后級(jí)能適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)要求,靈活性較大,同樣在電路發(fā)生短路時(shí),也能利用開關(guān)管Q的關(guān)斷實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。為了從電源吸取與輸入電壓呈線性關(guān)系的基波電流,避免向電網(wǎng)回饋諧波,這種電路拓?fù)潆m然實(shí)現(xiàn)了提高功率因數(shù)的要求,但由于后級(jí)的能量全部由電—磁—電轉(zhuǎn)換得到,因而效率比較低。而且開關(guān)管所承受的電壓為輸入電壓與輸出電壓之和,因此開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力比較大,同樣,電路只有在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)才有輸入電流流過(guò),因而承受的峰值電流比較大,開關(guān)管的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)接地同樣不與輸出接地連接,因而驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜,除此之外,升—降壓型有源功率因數(shù)校正電路還與前面提到的兩種電路有一條比較明顯的缺點(diǎn)就是其輸出電壓的極性與輸入電壓不一致,這也使得后面的逆變電路設(shè)計(jì)起來(lái)比較困難。
由于來(lái)自電壓源Vs的電流及經(jīng)過(guò)二極管D送到輸出部分的電流都是脈動(dòng)的,所以難于控制極性反轉(zhuǎn)式中的傳導(dǎo)電磁干擾(EMI),傳導(dǎo)EMI包括各種開關(guān)瞬變,它們通過(guò)電源線進(jìn)行傳送,并干擾連接到同一電源電路的其它設(shè)備。
針對(duì)前面幾種基本有源功率因數(shù)校正電路的分析,目前應(yīng)用最廣泛的仍是升壓型有源功率因數(shù)校正電路。但由于升壓型有源功率因數(shù)校正電路中的電感工作于連續(xù)電流模式,使得續(xù)流二極管有反向恢復(fù)方面的問(wèn)題,目前應(yīng)用得較多的是快恢復(fù)二極管,但解決升壓型有源功率校正電路的那些缺點(diǎn)僅著眼于這個(gè)二極管,并不能達(dá)到非常滿意的效果,目前研究得較多的是在有源功率因數(shù)校正電路中加入無(wú)源功率因數(shù)校正電路,或者運(yùn)用軟開關(guān)技術(shù)輔助有源功率因數(shù)校正,改善續(xù)流二極管的關(guān)斷環(huán)境,也可以用SiC材料做成的肖特基二極管代替普通二極管,解決續(xù)流二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題[16]。此外,在小功率應(yīng)用場(chǎng)合,也有將AC/DC以及DC/DC兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)合使用的,構(gòu)成多級(jí)拓?fù)?,?shí)現(xiàn)電氣隔離,或者采用無(wú)橋功率因數(shù)校正,減少輸入能量在二極通斷過(guò)程中的損耗??傊徽摬扇∈裁礃拥姆椒?,其最終目的都是要針對(duì)升壓型功率因數(shù)校正電路的缺點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),在保證功率因數(shù)校正電路的高效率、高功率因數(shù)和可靠性外,盡量降低應(yīng)用成本。本課題也將隨著這一研究思路,在分析現(xiàn)在應(yīng)用較多的基本電路拓?fù)涞幕A(chǔ)上,剖析各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性及優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)出新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),盡量揚(yáng)長(zhǎng)避短,在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上提升功率因數(shù)校正電路的整體性能和效率。并通過(guò)比較分析和仿真驗(yàn)證。
評(píng)論