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无输入整流桥的单级PFC变换器

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-12-09 浏览:-

无输入整流桥的单级PFC变换器

传统AC/DC变换器由于输入整流桥后面直接接储能大电容,导致变换器输入谐波大,功率因素低,并且对电网造成污染。为了减小对谐波的污染,要求 AC/DC变换器必须进行功率因素校正。比较常用的方法是在变换器中加入一级有源功率因数校正环节,也就是两级变换器。但是两级变换器增加了变换器的成本和复杂度,特别在小功率场合,尤其不适合。为此,提出了单级PFC的概念,也就是将PFC级和DC/DC级集成在一起,共用开关管。随后提出了新型的单级 PFC族受到了广泛的关注,单级PFC的各种拓扑和控制方法纷纷出现。

2 无输入整流桥的单级PFC变换器

PFC级常用的方法是在电网输入后加全桥整流,而工频的整流桥不但体积大而且带来损耗。文献[1]将单相PWM整流器集成到PFC级,省掉了输入整流桥,从而提高效率。图1为PWM整流器的两种拓扑结构。

整流桥

图1(a)和(b)的工作原理类似,都相当于两个Boost电路,可以在输入交流电压正负半波的时候切换工作。图(b)的优点是两个MOSFET共源极,这样就不用采用隔离驱动,简化设计。而图(a)中隐藏着一个半桥开关管桥臂,文献[2]成功的将图1(a)中PWM整流器应用到电子镇流器中,设计出无输入整流桥的半桥结构单级PFC电子镇流器,并且做出实验结果。

本文在此基础上,将图1(a)中的PWM整流器和对称半桥集成在一起,设计无输入整流桥的单级PFC。

整流桥

3 工作模态分析

图2所示的单级PFC电路集成PWM整流器和半桥电路,从而省去了输入整流桥。当交流输入Vin处于正半波的时候上管作为PFC级和DC/DC级的集成开关管,当交流输入Vin为负半波的时候,下管为集成开关管。两组boost电路在工频周期里实现PFC,而电感Lpfc上的电流始终保持断续模式,以让其峰值电流自动跟随输入电压。

整流桥

由于后级为半桥dc/dc变换器,两个开关管的占空比都为D, 则后级工作在连续模式时输出电压

这里Vo为输出电压,n=ns/np为次级绕组比初级绕组的比值,如果次级采用平衡绕组,则两个次级绕组和初级绕组的比值为n1=n2=n。VC为储能电容上的电压。

图3为Q1和Q2的控制信号。

整流桥

以下分析各开关模态的工作状态,在此之前先做一些假设:

1.假设输出滤波电感和变压器励磁电感足够大,其上的电流可认为是恒流。

2.元器件均为理想器件。

a.输入电压为正半波时,Q1占空比为D,Q2占空比也为D:

模态1,图(4-a):此模态中Q1导通,Lpfc上电流上升储能,同时C1通过Q1给变换器次级提供能量。

模态2,图(4-b):此模态中Q1关断,电感Lpfc电流经D1以及Q2的体二极管给C1,C2充电。变压器漏感Lr电流和励磁电流经Q2的体二极管给C2充电。

模态3,图(4-c):此时Q2导通,C2经变压器给次级提供能量。

模态4,图(4-d):此模态中Q2关断,变压器漏感Lr电流和励磁电流经Q1的体二极管给C1充电。

整流桥

b.输入电压为负半波时,Q1,Q2占空比也为D:

在这半个工频周期内,Q2作为PFC级和DC/DC级的共用开关管。但是其工作原理与正半波的时候完全类似。

4 仿真电路及其波形

本文利用SIMetrix仿真软件对无输入整流桥的单级PFC变换器进行仿真分析。电路参数设置为:输出功率 =50W,输入电压 =200 ,输出电压 =12V,电感 =100?H,开关频率 =100kHZ,输出滤波电容 =400uF, =400uF。采用芯片为uc1825,两路控制信号输出,图5是仿真电路。仿真输出波形与理论分析完全相符。输出电压12V以及电容(C1C2两端)电压,电感Lpfc上电流波形如图6所示,从图中可以看出输入电流跟随输入电压。仿真结果表明上文对基于无输入整流桥的单级PFC变换器的工作分析是正确的,该电路实现了对系统的功率因数校正功能。

整流桥

整流桥

5 稳态分析

为保证高的功率因素单级PFC电路的PFC级工作在DCM,而DC/DC级工作在CCM下,要注意电路功率平衡的问题。

当输出功率减小的时候,则前级boost电路占空比会减小,则DC/DC级的占空比也会减小(因为共用开关管),就会导致直流母线上的电压上升从而缩窄脉宽达到新的功率平衡。反之当输出功率增加的时候,则前级boost电路占空比会增加,则DC/DC级的占空比也会增加(因为共用开关管),就会导致直流母线上的电压下降从而达到新的功率平衡。所以轻载下,直流母线电压会达到满载时候的几倍以上,这就限制了单级PFC的实际应用。通常采用的方法是对直流母线采取钳位措施,或者当电压上升到一定的值,让DC/DC级也进入DCM模式。当负载变轻时,占空比必然会减小,因此没有不平衡功率存在,储能电容的电压不会因为负载变轻而增加。但是这种组合存在导通损耗和功率开关电流应力大,效率低的缺点

假设开关频率远远高于电网频率。可令:

整流桥

这里,Vim为输入电压的峰值。如果PFC级占空比为D,开关周期为T,可以得到输入电流的低频平均表达式:

整流桥

那么输入功率为:

整流桥

将式(2)和(3)代入式(4),可以的到

整流桥

这里

整流桥

对于DC/DC级,连续模式和断续模式的临界条件

整流桥

整流桥

的时候将会进入连续模式,此时电压关系式为: 

整流桥

整流桥

的时候将会进入不连续模式,此时电压关系式为:

整流桥

这里: 

整流桥

由前面的推导可知通过适当的选择Lf等参数(根据

整流桥

此式来选择)当负载变轻时使DC/DC级也进入DCM模式。当负载变重时使DC/DC级也进入CCM模式来降低电容电压。

6 结 语

本文介绍了一种新的单级功率因数校正拓扑,由于整流桥和DC/DC变换共用开关管,节省了两个整流管,减小损耗,提高了效率。给出了仿真电路图和结果,另外还讨论降低储能电容电压的方法。

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