單級功率因數校正電路的直流母線電壓分析和實驗研究??

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

關鍵詞：功率因數校正；單級功率因數校正電路；直流母線電壓

1? 引言

??? 近年來PFC技術是電力電子學界的一個熱門話題，已經提出了許多PFC電路。目前，帶有功率因數校正的開關變換器通常分為兩級結構和單級結構。在兩級結構中，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，目的在于調節輸出以便與負載匹配。由于兩級分別有自己的控制環節，使得這個電路具有良好的性能，但是，元器件個數太多，與沒有PFC的相同電路相比，成本約增加15％。

??? 為了使AC/DC電源在滿足諧波標準的同時，能夠實現低成本、高性能，于是對單級PFC的需求越來越緊迫，特別是在小功率應用場合。單級PFC變換器使PFC和DC/DC級共用一個開關管，只有一套控制電路，同時實現對輸入電流的整形和對輸出電壓的調節。

??? 但是，單級功率因數校正電路有自己的缺點，當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2），然后通過實驗驗證，為解決問題提供理論依據。同時，通過直流母線的推導，順便推導出電路的PF和THD。

2? 電路工作原理

??? 單級功率因數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，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S1，和儲能電容C1組成了一個DCM Boost功率級，而開關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S1導通，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的。因而，勵磁電流上升。二極管D2由于反向偏置被關斷。

??? 〔t0－t1〕段t0時刻開關S1關斷，隨著電感電流iL1下降到0，儲存在電感L1中的能量轉移到電容C1。在這個階段，D2導通，所以儲存在Lm中的能量轉移到輸出電阻。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，假設在t2時刻iLm下降到0，則二極管D2關斷。

??? 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S1再次導通前下降到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。所以在設計中應使L2工作在DCM狀態下。

3? 理論推導

3..1? 直流母線電壓的理論推導

??? 根據電感L1的伏秒平衡，得到

??? DTs=(1)

式中：uin(t)為輸入電壓瞬間值；

????? L1為Boost電感；

????? Ts為開關周期；

????? DTs為開關導通時間；

????? Uo為輸出電壓；

????? Ub為直流母線電壓(bus voltage）；

????? n為變壓器匝比；

????? D1Ts為電感電流的續流時間(D式（1）化簡得

??? D1=(2)

通過電感電流圍成面積計算，可得

??? Iav(sw)=（3）

式中：Iav(sw)為輸入電流的開關周期平均值；

????? Ip為輸入電流一個開關周期的峰值。

??? 把式（2）代入式（3），并令Ip=，得到

??? Iav(sw)=D2uin(t)（4）

??? 令T為工頻周期，則電路輸入功率Pin可由式（5）得到

??? Pin=Iav(sw)uin(t)dt（5）

??? 令uin=Upsin(ωt)，把式（4）代入式（5），得到

??? Pin=sin2(ωt)dt（6）

而輸出功率Po為

??? Po=（7）

式中：L2為原邊勵磁電感，L2=n2Lm；

????? fs為開關頻率。

把Ip=代入上式，得到

??? Po=D2Ts（8）

不考慮損耗，由Pin=Po可得

??? dt=1（9）

??? 通過上式，把已知條件(輸出電壓12V，n=7，開關頻率50kHz)代入，就可以通過解方程得出直流母線電壓Ub。圖3為在不同條件下計算后所得到的直流母線電壓圖，橫坐標是輸入電壓有效值（V），縱坐標是直流母線電壓值（V）。

圖3? 直流母線電壓變化圖

3.2? 輸入電流PF以及THD計算

??? 如果令α=，且Uin=Upsin(θ)，則式（4）可變為

??? Iav(sw)=（10）

這就是輸入電流的具體表達式。如果在輸入電壓90V，輸出電壓12V，L1/L2=0.5，n=7，開關頻率50kHz時，通過式（9）得到直流母線電壓為151.628V。這時α=0.382，如果令輸入電壓是標準正弦波，且與輸入電流同相，則通過對式（10）進行傅立葉分析，可以得到輸入電流功率因數PF=0.98。總諧波畸變（THD）的計算公式為

??? THD=×100％（11）

可得到THD=4.12％

4? 實驗結果

??? 實驗中，輸入電壓為90～250V，輸出電壓12V，輸出功率72W，L1/L2=0.4，n=7,開關頻率50kHz。圖4是在輸入電壓90V時，本單級PFC實驗的輸入電壓和電流波形圖。圖5是在該實驗參數下的直流母線電壓理論值與實驗值的比較，實驗中得到的直流母線電壓值要比理論值小一點。這主要是由于沒有考慮具體電路的損耗引起的，如果令Po=kPin加以調整，可以得到系數k，這個系數隨著電路拓撲的不同而不同，可以根據具體情況靈活運用。

圖4? 輸入電壓、電流波形圖

圖5? 理論與實際的Bus電壓比較（L1/L2=0.4）

5? 結語

??? 本文通過詳細的理論推導，得出了一個計算單級PFC電路的直流母線電壓的具體公式，然后又通過實驗驗證了公式的可行性。從而為研究這種電路提供了理論工具。