交錯并聯(lián)Boost PFC變換器的研究與實現(xiàn)

黃志良，葉開明，林添進，李文泉

(1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108;2.國網(wǎng)泉州供電公司，福建 泉州 362000)

1 引言

隨著電力電子裝置應(yīng)用的日益廣泛，電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴重。為符合IEC61000－3－2諧波電流的限值標準，許多裝置都采用功率因數(shù)校正器。功率因數(shù)校正電路的拓撲很多種，如Boost型、Buck型、Buck－ Boost型等 DC/DC 變換器［1－3］。Boost型功率因數(shù)校正(PFC)變換器因其儲能電感也可作濾波器，有效地抑制EMI噪聲，具有電流波形失真小，輸出功率大等優(yōu)點，故廣泛應(yīng)用于PFC中。

隨著單相有源PFC技術(shù)的成熟和功率等級的進一步提高，原有單重Boost PFC方案的使用受到限制。功率增加時，單重Boost PFC的開關(guān)器件(功率開關(guān)、升壓二極管、升壓電感)必然要承受過更高的電流應(yīng)力，出現(xiàn)選擇器件的困難，增大成本，而且還將增大電路中dv/dt和di/dt，造成嚴重的輻射和傳導(dǎo)的EMI。對高壓大功率的應(yīng)用，可采用單相三電平Boost PFC，此時開關(guān)的端電壓可控制在輸出電壓的50%。對大電流大功率的應(yīng)用，交錯并聯(lián) Boost PFC［4－7］既可減少單個電感容量，又可降低了開關(guān)器件的電流應(yīng)力和輸入電流紋波，進而減小電感磁芯尺寸、提高變換器的效率。

2 交錯并聯(lián)Boost PFC原理

交錯并聯(lián)Boost PFC變換器如圖1所示，圖1中每相Boost PFC變換器均可工作在連續(xù)導(dǎo)通模式或者是斷續(xù)導(dǎo)通模式下，開關(guān)S1、S2的導(dǎo)通占空比相同，開關(guān)S2滯后S11/2個開關(guān)周期。為便于分析，先假設(shè):①每路Boost單元均工作于 CCM;②開關(guān) S1、S2，二極管D1、D2為理想器件;③Co足夠大，輸出電壓穩(wěn)定。

圖1 交錯并聯(lián)Boost PFC變換器

圖2 驅(qū)動信號及電感電流波形

根據(jù)以上假設(shè)，占空比在不足50%和50%以上變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)的工作狀態(tài)不同，這里以50%以下的占空比進行分析，交錯Boost PFC變換器在一個開關(guān)周期內(nèi)有4個工作狀態(tài)，圖2示出電路驅(qū)動及電感電流波形。

(1)階段 1［t0～t1］S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，L1中的電流線性上升;L2中存儲的能量通過二極管D2向負載放電。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

(2)階段2［t1～ t2］S1S2均關(guān)斷，L1、L2中存儲的能量通過二極管D1、D2向負載放電。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

(3)階段 3［t2～t3］S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，L1中存儲的能量通過二極管D1向負載放電;L2中的電流線性上升。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

(4)階段4［t3～ t4］S1S2均關(guān)斷，L1、L2中存儲的能量通過二極管D1、D2向負載放電。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

圖2所示電感L1、L2可采用分立電感，也可采用耦合電感，采用耦合電感時，因兩只電感共用一個磁芯，提高了磁芯的利用率;另一方面由于交錯導(dǎo)通使得輸入電流的平均變化率降低，大大降低了磁芯的損耗。

3 仿真與實驗

利用Psim9.0對Boost PFC和交錯并聯(lián)Boost PFC電路進行仿真，開關(guān)頻率為20kHz，電感為1.0mH，交流輸入電壓為220V，直流輸出電壓為360V，輸出功率約為3kW。圖3(a)、(b)分別為Boost PFC和交錯并聯(lián)Boost PFC的Psim仿真圖，采用平均電流法，控制算法的實現(xiàn)通過DLL編程實現(xiàn)。

圖3 Boost PFC、交錯并聯(lián)Boost PFC Psim仿真圖

Boost PFC和交錯并聯(lián)Boost PFC輸入電流波形如圖4所示，圖中很難直觀看出交錯并聯(lián)Boost PFC變換器相對于Boost PFC在輸入電流上具有更小紋波的優(yōu)勢，圖5為圖4中輸入電流的局部展開圖及所對應(yīng)的驅(qū)動信號。在輸出相同功率下，相比于Boost PFC，交錯Boost PFC變換器輸入電流的頻率增加了一倍，具有更小的電流紋波，因此其輸入電流的THDi更低(如圖6所示);同時電流值平均分配在兩個開關(guān)管上，其承受的電流值為Boost PFC的一半，有利于功率等級的擴展。

圖4 Boost PFC、交錯并聯(lián)Boost PFC輸入電流波形

圖5 Boost PFC、交錯并聯(lián)Boost PFC輸入電流波形與驅(qū)動信號

圖6 Boost PFC、交錯并聯(lián)Boost PFC THDi波形圖

4 結(jié)論

隨著功率的增大，Boost PFC在開關(guān)器件的選擇受到很大的限制，交錯Boost PFC的出現(xiàn)很好的解決這個問題。本文詳細分析了交錯Boost PFC的工作原理以及占空比小于50%時并且工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下該變換器的工作狀態(tài);借助Psim仿真軟件對Boost PFC和交錯并聯(lián)Boost PFC兩種變換器進行了深入的仿真應(yīng)用研究，仿真結(jié)果驗證了交錯并聯(lián)Boost PFC的優(yōu)越性:在同等功率下，交錯并聯(lián)Boost PFC相比于Boost PFC變換器，能夠降低功率器件的電流應(yīng)力和輸入電流紋波，其頻率成倍提高，從而減少前級EMI濾波器的尺寸，提高功率因數(shù)，是實現(xiàn)大電流大功率電路的理想拓撲。

［1］陳兵，謝運祥，宋靜嫻.單周控制新型Buck－PFC變換器［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23(11):79－83.

［2］王慧貞，張軍達.一種新型無橋Boost PFC電路［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(5):109－115.

［3］張斐，許建平，楊平，等.兩開關(guān)偽連續(xù)導(dǎo)電模式 Buck－Boost功率因數(shù)校正變換器［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32(9):56－64.

［4］王永祥，孫奉婁.基于UCC28070單相雙重并聯(lián)交錯式Boost PFC的設(shè)計［J］.電源技術(shù)，2011，35(5):581－582.

［5］郭超，韋力.交錯并聯(lián)Boost PFC電路的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(10):133－135.

［6］陳文明，黃如海，謝少軍.交錯并聯(lián)Boost PFC變換器設(shè)計［J］.電源學(xué)報，2011，34(10):133－135.

［7］楊飛，阮新波，楊洋，等.采用耦合低昂干的交錯并聯(lián)電流臨界連續(xù) Boost PFC 變換器［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(1):215－224.