交錯并聯功率因數校正變換器的設計與實現

馬思涵

（湖南工學院，湖南 衡陽 421005）

引言

就中國現在的能源構成來說，大部分的能量來自于火力發電，小部分則來自于水力發電以及核能等其他形式。而火力發電又是一個難以繼續發展，并且對環境污染影響非常嚴重的發電方法。而人類正在呼吁全新的清潔綠色的能源獲得方法，也因此中國清潔能源的研發已經取得了長足的進展[1]。

1 研究現狀

1.1 主電路

1.1.1 降壓型PFC 電路

在降壓型PFC 集成電路中，若直流輸入輸出電壓值遠小于交換信號輸入整流電壓值。要求較大的信號濾波器對開關紋波加以控制。如圖1 所示，此類集成電路能夠明顯提高控制系統功率因數。因為壓降式高功率正因數集成電路的交換側進入電流變化是不持續的，而電感電流峰值的包絡線依然遵循著交流輸入電壓值的變化，從而可以大大提高控制系統的功率因數，但進入電流變化為零的時段長短卻和直流控制系統輸出電壓和進入電流變化的高低直接相關。且當輸出電流越高時，控制系統功率因數越低，諧波畸變也就越大。

圖1 降壓式PFC 集成電路圖

1.1.2 升壓型PFC 電路

在升壓式PFC 集成電路中，如果直流輸入輸出電壓值大于交換信號輸入整流電壓值，則表明升壓式輸出功率因數集成電路的交換側輸入電壓改變是持續的，且輸入端電流的平均值基本同時跟隨著交換信號輸入電壓值的改變，且輸出諧波畸變度非常低，因此輸出功率因數也相應較高。

1.1.3 降壓/升壓型PFC 電路

在減壓/升壓式PFC 集成電路中，只要提供的直流系統輸入端電壓值可能小于或超過交換信號輸入端整流電壓，降壓/升壓式PFC 集成電路就能夠在較寬的輸入電流調節范圍內，達到較大的輸出端功率因數。如下頁圖2 所示，但是減壓/升壓式輸出功率因子集成電路的交換側電流變化往往成為不連續性的。所以不管輸入端信號總線電壓和輸入輸出負荷怎樣改變，由降壓型轉換器或者降壓/升壓式變流器所獲取的信號輸入端電流大小變化永遠都是不連續性的。但是，相對于升壓式變流器，只要其工作在連續電流模式（CCM），那么其所獲取的信號輸入端電流大小變化也就會是連續性的，這樣將可以降低信號輸入端額定電流諧波畸變度。雖然相對于Boost 式PFC 系統來說，控制信號輸入電壓設定工作于持續電流電壓模型（CCM），但是事實上的系統設計實際工作，也會參考另外二種電流輸出模型，即斷續電流輸出模型（DCM） 和臨界電流輸出模型（BCM）。因為電感電流的不連續，所以由于在控制開關管控制開關動作的時候進行的是零輸出電流開通，所以軟開關損耗很低，也不是由二極管反向恢復所產生的損失[2]。

圖2 升壓式PFC 集成電路圖

1.2 算法控制

調節監控算法研究就是對功率因數校準相關技術的科學研究的一項主要方向，雖然調節監控算法研究有許多劃分方法，但一般說來，根據電壓調節方法劃分。

按照在連續電壓模型（CCM）以下電壓調節方法劃分，通常有峰值電壓調節控制、滯環電壓調節控制和平均值電壓調節控制方法。三者中最常見的是平均值電壓模型以及峰值電流模式，而滯環電壓調節模型則因為采用了變頻控制技術的因素，會對電感設計造成麻煩，故而較少使用。

1.3 應用新興技術

對于大功率的使用場合，PFC 電路和主要的電源系統拓撲都通過串聯的方式來處理。串聯結構分為功率元件串聯、自動變換器拓撲串聯和功率轉換設備串聯等。關于PFC 的使用，多相交叉串聯是比較熱門的研究領域。在相交叉串聯的研究中，新的耦合電感結構研究技術已形成了一條獨特的分支。使用新耦合電感結構的研究技術往往能夠減小磁性元器件的厚度，從而增加磁性元器件磁通的效率，并且還能夠提高電感電流紋波的特征。通過較小的電感量達到了降低紋波的效應，并且還改善了輸出電流負載特性的性能[3]。

2 開關電路

軟開關技術一般都是在開關電源管的邊上連接或并聯小電感、小電容器、二極管等電子元器件，并利用諧振和鉗位原理，在開關管開通之前將電流先降至零，然后再開通開關管，又或者在開關電源管閉合之前將電流先降至零，然后再閉合開關電源管，這樣當開關電源管通斷時，電壓電流沒有交疊，就不會產生開關損耗。

3 電路設計

3.1 交錯并聯電路

隨著單相APFC 技術的不斷發展與完善，以及開關電源等電力電子裝置的功率級逐漸提高，傳統的單相BoostPFC 技術的應用逐漸受到了限制。功率級的不斷增加，使得開關管、輸出二極管和輸入電感等元器件承受的電壓和電流應力過大，而大容量的功率器件一般價格比較高昂，造成系統成本增加，不適于在批量生產中使用。

3.2 主電路

按照自動變換器的工作狀態條件，確定了該自動變換器電路的主要技術參數如下：輸入電壓為220VAC；出口電壓為400 VDC；出口電量為200 W；輸入信號頻譜為50 Hz；開關電源頻譜為100 kHz；波形畸變為THD＜5%；電路工作效率為大于95%。

3.3 電感傳輸

在BoostPFC 電路中，輸入式電子傳感器的功能主要是用于控制紋波電壓、儲能，以及能量傳輸。選用電子傳感器時主要根據輸入峰值電壓產生的聲紋波多少，一般在設計為電子傳感器時，即其輸入電壓變化率約為峰值電壓的6 倍。

4 結語

說明了交錯并聯式電路的基本原理，降低了單個電子傳感器的容量和輸入電壓紋波，從而減少了EMI，并能夠降低開關元件的電流應力，從而降低電子傳感器元件的厚度，增加了功率自動變換器的工作效能；根據傳統零電壓轉換電路的缺點。本文將提供一個改進型的零電壓變換電路，以構成并聯式有源功率因數校正器，該零電壓變換電路有效減少了在開關損耗情況下單個輸入電感與輸出二極管之間的電流應力。