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PFC电路详解 - 图文

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第6卷第5期 2003年5月 奄涤艘 石阙 Vo1.6 No.5 Mav 2003 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS 单级功率因数校iE(PFC)研究的新进展 李意, 尹华杰 (华南理工大学电力学院雅达实验室, 广东 广州 510640) 摘要:传统两级功率因数校正(PFC)电路复杂、器件多、功率密度低,效率不是很理想,且成本高, 难以应用到小功率消费类电子设备中。而单级式PFC变换器则特别适用于小功率电子设备,但仍 存在许多问题。针对这些问题,A-4fl提出了很多新的改进拓扑。为此,对最近产生的单级PFC拓扑 进行了分类总结,分析了他们的优缺点,并指出了单级PFC的发展方向。 关键词:两级功率因数校正;单级功率因数校正;单级并联功率因数校正;拓扑 New Progress of Single-stage Power Factor Correction(PFC)Converter LI Yi. YIN Han—lie Abstract:Because of its complex circuit,number of devices,low power density,relatively low efficiency and high cost, conventional two—stage PFC circuits cannot be used widely in low power consumer electronic equipments.While the sin— gle—stage PFC can satisfy that goal very wel1.However。single—stage PFCs still have a lot of shortcomings SO that many new topologic improvement on single—stage PFC circuits are presented.The several new topologies for single—stage PFC circuits are introduced,also their advantages and disadvantages are pointed out.At last,a prediction about the development of the sin— gle—stage PFC is given. Keywords:Two??stage PFC;Single??stage PFC,Single—-stage parallel PFC,Topology 中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:0219—2713(2003)05—0211—04 1 引言 由二极管和滤波电容组成的整流电路,被大量用 作电子设备的前端电源。由于电路的非线性,这类电 源的输入电流并不是正弦的,包含大量谐波,而且功 率因数较低。因此,有必要对这类电源的输入电流进 行波形整定(Input Current Shaping,ICS),对其功率因 数进行校正。 生,以弥补两级PFC的不足。 目前,单级式PFC已成为研究的重点和热点。许 多新的电源技术被应用到单级式PFC拓扑中。本文 对这些新的单级式PFC的拓扑结构特点作分类总 结,分析了各自的优缺点,并提出了单级PFC的发展 方向。 2 单级式PFC变换器的基本要求 图1(a)为典型3端式单级PFC的电路框图,图1 (b)则为相应的基本电路。 从图1(b)可以看到,典型的单级PFC变换器是 近几年来,PFC技术已得到大量研究,有了许多 实现方案。其中较成熟的是两级式PFC变换器。两级 式PFC对谐波的处理效果较好,可以达到较高的功 率因数;具有独立的PFC级,可以对输入DC/DC级 的直流电压进行预调节,输出电压比较精确;带载能 力比较高,适合于功率较高的场合。但是,它所需的元 器件较多,成本较高;功率密度低,损耗比较大;尤其 对于中小功率的电子设备,很不经济。因此,将PFC 功能与DC/DC功能融为一体的单级式PFC应运而 由Boost变换器与基本的功率变换器合成的。两部分 共用一个开关管,其中D。电路是充电电路,D 是放电 电路(同时防止开关管关断时电流倒流)。由于控制电 路只是完成输出电压整定的任务,因此要求变换电路 本身具有自然的PFC功能。而Boost变换器恰恰具有 这种内在的功率因数校正能力。 从图1(a)可以看到,典型的PFC变换器是直接 收稿日期:2003—03—03 第6卷第5期 2003年5月 电涤敷 应阙 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS Vo1.6 No.5 M 2003 3.1 基本电路的改进 _-一 一 一 二 、———L r; 实际中常在图1(b)的D。、D 两条二极管电路中 加人电感线圈等元件,以减少电路的电压应力。这种 改进很多,图2(a)是一个典型例子(类似改进见参考 ( H= —_J rY_、—一 AC ———1 I 一 ●一 -JE 文献【2】等)。它是在图1(b)的D-、D:两条电路中加人 负反馈线圈W-、W 而获得的。在电路开通或关断的 (a) 三端式单级PFC电路框图 …_-_-_-_-_-_-…_-… 时候,两线圈提供负反馈电压,减轻了储能电容c 的 电压应力,延缓了输人电流的变化。这种方法还有利 于输人电感工作在CCM(Continuous Current Mode)模 式,保持较低的谐波含量。  !_一 一 一一 D? I —J rY、—一 D AC={I = _-一 —— 一 一一 一 ( B= j妄 —A cV、r —一 一一 三 _-●_ _一● = ________一 l (b)基本的单级PFC变换器电路 图1 单级PFC电路 一 一 ( B= 一JE (a) 单级PFC变换器电路拓扑 与交流电路相连的,因此,瞬时输人功率是随时变化 的,要得到稳定的功率输出,储能电容c 是必需的功 率平衡手段。但由于整流后的输人电压同负载大小无 关,因此负载越轻。积累在Ce上的不平衡能量就越 多。这导致C 上的电压应力很大,对器件耐压的要求 ——。_—— —— L 一 ,、 V、——一 Ac= I —__[ 一 ( = _-很高。 基于典型单级PFC的上述特点,在开发新结构 的单级PFC电路时,应尽可能满足以下几个方面的 要求: 一 -JE (b) 双端式单级PFC电路框图 图2 改进的单级PFC变换电路 1)变换器电路要有较好的谐波处理能力,可以 满足各种标准的要求; 2)变换器要有较好的稳定输出电压能力; 3)变换器的电路拓扑应具有降低电压应力、减 少电路损耗的能力; 4)开关管的控制方式应达到较好的校正、输出 效果。 根据以上要求,下面对一些新的单级PFC拓扑 在实际应用中,还常用到如图2(b)所示的双端 式单级PFC电路。它与三端式单级PFC电路类似,但 充、放电电路的连接方法与三端式有差别。实际上,双 端式单级PFC电路往往与三端式PFC有相对应的关 扣尊 孽靶 臻 , . . h二¨ { 系,两类电路的工作原理、以及所要实现的目标是基 本一致的,两者间的相互转化关系见参考文献【2】。 3.2 与其它变换器电路的结合 电路进行了分类总结。 PFC技术发展至今已经逐渐融人到许多优秀的 变换器电路中。这些新的拓扑结构可以很好地抑制电 源输人谐波,整定输人电流波形,同时又具有极好的 输出特性。充分发挥了PFC电路和功率变换电路的 特点。 3 新型的单级PFC变换器拓扑结构 许多新型的单级PFC变换器拓扑结构,基本都 是在典型单级PFC的基础上,围绕着减少器件的电 压应力,降低电路的损耗而进行的改进。下面对这类 改进措施及技术分类作一介绍。 根据图1中单级PFC变换器的原理,我们可以将 Boost电路与其它功率变换器结合在一起。图3将 ◇功宰■触正 单级功率因数校.f-(PFC)研究的新进展—— Boost电路与全桥变换器合成单级PFC电路。实际应 用中可参照文献【2]的方法,对D、-、D z的充放电电路 进行改进,可以得到更好的效果。该电路可以实现对 输入电流波形的整定,同时又可以工作在较大功率场 合,发挥了全桥电路的特点。同样,PFC电路还可以与 其它电路结合,能收到很好的效果。 diD3/dt就会越大,带来严重的反向恢复问题。 3.4 单级并联PFC电路 针对传统两级式PFC电路的缺点,单级PFC变 换器把PFC级与DC/DC功率转换级整合在一起,达 到了减少器件数量、简化控制电路、提高功率密度的 目的,并力图使整个变换器电路具有较高的效率、较 好的输出稳定性。但在单级电路中,由于单个开关管 须同时实现PFC功能和输出电压整定功能,因此,其 效率、输出等性能都逊色于两极式PFC变换器。针对 这一问题,又产生了新的并联式PFC电路。与两级式 电路及普通单级电路相比,这种电路的效率较高,输 出特性也比较好。 图5(a)是基本的并联式PFC变换器原理图。在 一个周期中,PFC级无需处理所有的传输功率,这是 并联式PFC的基本特征。 图3 单级全桥PFC变换器 3.3 有源钳位和软开关技术的应用 嚼 : 匝 =]_—— (a) 基本的并联式PFC变换器 与普通DC/DC变换器相比,单级式PFC变换器 具有电压应力大、损耗大的缺点。因此,人们又将有源 钳位和软开关等技术应用到单级式PFC变换器当 中,使主、辅开关在软开关条件下开关,减少损耗,或 降低电路的电压应力,从而使单级式PFC变换器电 路能够得到实际应用。 图4中,有源钳位电路由S 、C 构成。主开关S. (b) 单级并联式PFC变换器 图5 并联式PFC变换器 关断后,C 充电,当 的电压应力。 被充电到C 的电压 时,辅 助开关S 导通,则S.的电压被钳位在 ,降低了S. 对于图5(a)的并联PFC变换器,其输入输出的 功率关系如图6(a)所示。在t。一t.时刻,Pi >Po,功 VI)j Dl— —D2一 VDI l -—— , T. 率P.经主电路传输到输出侧,无需经过PFC级,多 输入的功率P 一P0积累在储能电容中。在t-一tz时 刻,P. <P 输出功率的一部分由电源主电路和PFC 级提供,差额部分P0一P 由储能电容经PFC级提 供。阴影部分P 占平均输入功率的68%左右,为直 : 上( 。 D3 D4 s E 。 ==(’r T .rs 。 ( 一  l l 接经由主电路传输到输出侧的功率;阴影部分P2占 32%左右,为储能电容提供给输出侧的功率。 图5(a)的并联PFC变换器,其主电路、辅助PFC 图4 带有源钳位和软开关的Boost单级隔离式PFC变换器 软开关过程则由谐振电感,J 、寄生电容C 的谐 振来实现。为了实现零电压开关,必须适当选择,J ,且 要求LT远小于励磁电感,J~Lr越大,越容易满足主 开关的ZVS(Zero Voltage Switching)条件,但Lr的增 大会增加开关管s,、s 的电压应力,带来更多的占空 电路各需要一个变压器,结构比较复杂,体积、重量较 大,成本也比较高,因此常用于较大功率的场合。在 中、小功率场合,常用图5(b)的单级并联PFC变换 器。该电路中,主电路、辅助电路被整合在一起,输入 功率P 和32%的功率差额都由同一功率级进行处 理。图6(b)是单级并联PFC电路的概念图。 213(21) 比丢失;而,J 越小,输出二极管V ,的电流下降率 第6卷第5期 2003年5月 它涤技 石阙 Vo1.6 No.5 Mav 2003 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS 绕着本文中的几个目标,新的单级PFC拓扑及控制 策略将不断地被提出。所有这些研究必将推动单级式 PFC变换器的应用。 参考文献 (a) 基本并联式输入输出功率关系 [1】Qun Zhao。Lee F.C.,Jinrong Qian.Single—switch Parallel Power Factor Correction AC/DC Converte ̄with Inherent Load Current Feedback[C 1.Applied Power Electronics Con— ference and Exposition,APEC 2002.Seventeenth Annual IEEE,2002,(I):270—276. = ; 【21 Garcia O.,Cobos J.A。,Prieto R.,Alou P.,Uceda J..Power Factor Correction:a Survey[C】.Power Electronics Specialists Conference,2001.PESC.2001 IEEE 32nd Annual,2001 (b) 单级并联输入输出功率概念图 (118一l3. [3】 李云秀,邬伟杨,赵清林.带有源钳位和软开关的单级隔 图6 并联PFC变换器输入输出功率关系 离式PFC变换器….电力电子技术,2001,35(3). 图7则是一个实际的反激式单级并联PFC变换 器电路。图中输入电感厶 、变压器激磁电感厶 、附加 线圈Ⅳ2完成图6(b)中受控电压源的功能。实验证 明:该电路输入电流平均值与负载电流反馈有关,随 负载电流变化,这种自身具有的负载电流反馈的性 【41 Chongming Qiao,Smedley K.M..A Topology Survey of Single—stage Power Factor Corrector with a Boost Type Input—Current—Shaper[C】.Applied Power Electronics Co, r_ elide and Exposition,APEC 2000.Fitefenth Annual IEEE, 2000(1):460—467. 质,可以使电路在轻载时不需要减少占空比就可以降 低输入功率;另外,这种电路不会增加开关管的电流 应力,并可以减少储能电容的电压应力以及其它有源 器件的电路应力。 [5】 Yimin Jiang,Lee F.C..Single—stage Single—phase Parallel Power Factor Correction Scheme【C】.Power Electronics Spe- cialists Conference,PESC 1994 Record.25th Annual EE.1994,(2):1145—1l51. 【61 Mei Qiu.Moschopoulos G..Pinheiro H.,Jain P..Analysis and J)esign of a Single Stage Power Factor Corrected Full—bridge Converter[C】.Applied Power Electronics Co, r_ L l ence and Exposition,1999.APEC 1999.Fourteenth An— 旦, 一 一 一一 _ nual,l999,(1):119—125.  — 1L 作者简介 ( = 4 结语 j妄 李意(1978一),男,硕士研究生,主要研究方向为电力电 子技术 尹华杰(1966一),男,访美副教授,主要研究方向为智能型 图7 单级反激式并联PFC电路 电源 近些年来,对单级式PFC变换器电路的大量研 究,基本上都是围绕着本文所述的四个目标进行的。 致歉声明 由于本刊编辑部编审人员的失误,2003年 第3期95页将作者姓名沈伯秀,秦海鸿,龚春 英错登为沈泊秀,秦海鸿,龚春英。为此,本刊 编辑部谨向作者沈伯秀老师表示诚挚的歉意! 并以此为警示,加强审校和管理工作,杜绝此类 情况的再次发生。 由于单级式PFC变换器电路有着先天的缺点,减少 其电压应力、降低损耗就有着格外重要的意义,本文 提到的三类拓扑方面的改进,都是针对这一目标来进 行的。当然,对一个变换器而言控制也有着格外重要 的作用,最近,许多与数字控制技术相结合的单级 PFC变换器已成为研究的热点。一个优秀的PFC变换 器必然是好的拓扑和好的控制技术的结合。今后,围 

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第6卷第5期 2003年5月 奄涤艘 石阙 Vo1.6 No.5 Mav 2003 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS 单级功率因数校iE(PFC)研究的新进展 李意, 尹华杰 (华南理工大学电力学院雅达实验室, 广东 广州 510640) 摘要:传统两级功率因数校正(PFC)电路复杂、器件多、功率密度低,效率不是很理想,且成本高, 难以应用
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