單極隔離式功率因數校正(PFC)變換器

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單極隔離式功率因數校正(PFC)變換器

     1.單級PFC技術的發展歷程
     1990年,美國科羅拉多大學Erickson教授等將前置級Boost電路和后隨級Flyback(反激)變換器或者Forward(正激)變換器的MOSFET共用,提出所謂的單級PFC變換器,研究單級PFC技術的目的是減少元器件,節約成本,提高效率和簡化控制等?其與傳統的兩級電路比較,省了一個MOSFET但增加了一個二極管,另外其控制是一般的PWM方式,故相當簡單?為保證高輸入功率因數,輸入電感的電流應當為DCM方式?控制器的作用是保證快速?穩定的輸出,對于輸入的功率因數則需功率級自身獲得?在以后的幾年里，M.H. Kherulawa等人陸續提出了幾種單級PFC技術,但所有這些方案都有輸出電壓調節慢、控制復雜和效率低等缺點?1994年, Richardredl等提出了一系列新型單級隔離式功率因數校正變換器,克服了上述缺點,具有快速調節輸出電壓?只需一個或共同控制的兩個開關?一個PWM控制電路和自動整定線電流的優點?Richard Red的這項技術獲得了專利之后,許多研究者在此基礎上研究出各種更完善的單級隔離式PFC變換器,它們與先前研究的變換器相比,在降低儲能電容電壓?減少諧波失真和快速調節輸出響應等方面有很大的改善?功率因數的高低?諧波電流的高低與電感La的大小及拓撲結構等密切相關,這便是近五六年來研究單級PFC結構的真正動機。
     在Intelec94上有一個日本作者提出了所謂的磁開關電源,它在變壓器上增加一個繞組與輸入電感串聯?這一串聯的繞組可以降低中間儲能電容電壓,將其控制在450V之內在
     Intelec95上, Cai Fushen在此電路的基礎上做了稍許改進,增加的繞組移至D2支路?同樣可將中間儲能電容電壓控制在450V之內,目前他們生產的計算機多輸出電源中已采用此方案?一年后,VPT也提出了一個單級PFC,其中與D2支路相串聯的不是變壓器繞組,而是另一個分離的電感?它也可將電容電壓控制在450V之內。
     單級PFC技術的研究仍然呈現上升的趨勢,原因是性能尚未較優,許多問題有待進一步解決?例如中間儲能電容電壓仍望降至400V以下?分析與設計還有一大堆問題要做?與兩級PFC技術還要做出客觀比較?

     2.單級隔離式PFC變換器的結構
     單級隔離式PFC變換器的結構圖如圖5-3所示,而傳統的兩級變換的隔離式PFC電路的結構圖如圖5-4所示。

圖5-3單級式PFC變換器結構圖圖5-4兩級式PFC變換器結構圖

     比較圖5-3和圖5-4,單級隔離式變換器通過控制開關的通斷,電路同時滿足了輸入側高功率因數和輸出側電壓的穩定與快速調節?PFC單元與DC/DC變換單元的開關由同一個PwM控制信號控制,而兩級變換器的控制電路相互獨立
     3.單級隔離式PFC變換器的分類及特點
     單級隔離式PFC變換器大體分為串聯式和并聯式兩種?下面具體介紹各種類型的典型變換器
     (1)串聯式單級隔離式PFC變換器
     圖5-5是由Boost型PFC電路與單開關反激變換器組合而成的較基本的單級隔離式PFC變換器拓撲?它與普通的DC/DC變換器相比,有電壓應力較高?損失較多的缺點?因此,人們研制出應用各種軟開關技術,減少開關損耗及開關應力的各類新型單級PFC變換器其效率高,而電路拓撲又十分簡單?

     圖5-5基本BOOST單級隔離式PFC變換器
     ①帶有再生鉗位的Boost反激型單級隔離式PFC變換器與較基本的單級隔離式PFC變換器相比,只增加了再生鉗位電容C和二極管VD4兩個元器件來構成鉗位電路,如圖5-6所示?C用來鉗位開關上電壓,VD4用來阻止L?L?C?L和C在開關S關斷時的諧振?鉗位電路雖然簡單,但它可有效地減小開關應力(鉗位在V+nV?上),通過C與漏感L4的諧振再生儲存在變壓器漏感中的能量,免去了損耗能量的緩沖電路?變換器的功率因數可高于0.99,而普通的變換器在相同條件下僅為0.98左右?TID比加緩沖電路時降低9%左右?但這種變換器的開關在閉合時應力較大,不是零電壓下關斷。

     圖5-6帶有再生鉗位的BCXs反激型單級隔離式PFC變換器
     ②帶有源鉗位和軟開關的Boost反激型單級隔離式PFC變換器電路拓撲如圖5-7所示S為主開關,S2為有源鉗位輔助開關,電路可看為Boost單元與反激單元的串聯組合?兩個單元共用一個主開關S1?C,代表開關S1和S2的總寄生電容;L4代表變壓器的漏感,C2?L形成串聯諧振電路,實現Sl的軟開關;C?和S2構成有源鉗位電路,限制開關上的諧振電壓?
     這種電路可再生變壓器漏感中的能量,減小電壓應力,與前面提到的再生鉗位電路類似但它又增加了一個輔助開關,實現了零電壓開關,而主開關和輔助開關用同一個控制/驅動電路?控制電路與沒有有源鉗位電路的控制電路相同,能夠采用常用的PWM控制芯片來設計?目前帶有源鉗位和軟開關的單級隔離式PFC變換器廣泛應用于各種小功率場合?

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| 發布時間：2018.05.21 來源：

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