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新颖的完全断续箝位电流模式功率因数校正电路

摘要:提供了一种新颖的宽输入范围、完全DCM、箝位电流工作模式的Boost功率因数校正电路控制方法。该控制方法不存在Boost电路中二极管的反向恢复,从而提高了整个电路的效率,同时,该方案获得了低的总谐波畸变(THD)和较高的功率因数(PF)。该方案适合于中低功率场合的应用。给出了具体的理论分析和一个100W的电路实验数据。
关键词:电流箝位升压;功率因数校正;完全断续电流模式



引言

在以往的有源功率因数校正电路拓扑中,一个带乘法器的控制芯片不可避免。为了降低成本,一种电流箝位(ClampedCurrentBoost,CCB)的控制方法可以简化电路。在这种电路中,每半个周期中开关电流峰值被箝位至一个参考值。输入电流的波形跟随输入电压,?样就可以得到理想的THD。由于它不需要乘法器来提供一个电流参考值,而可以利用任何一种峰值电流控制的芯片(如UC3843)来完成这个功能,从而大大降低了成本,简化了电路。

但是,以往提出的箝位电流模式电路,在低输入电压时工作在断续电流DCM,在高输入电压时工作在连续电流模式CCM。而CCM的工作方式存在两个缺点:一是电路中的续流二极管的反向恢复,这降低了电路的效率;二是电路中的电感值比较大,这给提高电路的功率密度带来了困难。

本文提出了一种在通用的整个输入电压范围内工作在DCM的CCBPFC电路。该电路消除了二极管的反向恢复问题,从而提高了电路的工作效率;同时,由于工作在电流断续模式,电感量减小,这样就可以减小电感的体积,提高功率密度。

本文给出了该电路拓扑的数学分析并且给出了一个100W的电路实验结果。



1 理论分析

在进行分析之前,假设以下条件成立:

——所有的元器件都是理想的;

——变换器工作在稳态时,开关频率?大于交流母线的频率,从而可以认为在一个开关周期内,输入电压是恒定的;

——输入电压是理想的正弦波vac=

Vmsin(ωLt),其中ωL为交流母线的频率;

——参考电压在一段时间内是一个恒定值Vref;

——输出电压是恒定的。

为了便于分析,使得计算的结果与具体的电路参数无关,我们采用标幺值,即令

Vb=Vo;

Ib=Vo/Rt(Rt=2L/Ts,Ts为开关周期);

则输入的电压峰值为:

Vm=Vm/Vb (1)

与传统的CCBPFC电路不同,在整个母线电压输入周期内,该电路工作在电流断续模式。在每半个周期内,有两种电流断续工作模式。在开关周期开始阶段,Boost电路中的开关管处于开通的状态,电感中的电流iL从零开始增加。在采样电压(RiiL)达到参考电压(Vref)和斜率补偿电压(VR)的和,或者达到最大占空比时,开关管关断,电感电流线性减小。这两种工作模式分别定义为DCM2和DCM1。

对一个周期内电感电流求平均值,可以得到两种DCM工作模式下的电流归一化后的表达式分别为:

式中:Kr为电流模式斜率补偿深度系数。

DCM1和DCM2的边界条件为:

式中:斜率补偿Mc=IR/(DmaxTs),IR为斜率补偿电流。

因此,可以得出DCM1和DCM2两种工作模式的边界点为:

ωLt=arcsin[(Iref/Dmax-IRM)/2Vm]

式中:为斜率补偿电流峰值。

由前所述,可以得到每半个周期的平均电流归一化暂态值:

由上面的分析可以得到每半个工频周期,在不同输入电压下,输入电流的的波形。

Boost电感值必须保证在整个周期内,电路工作在DCM模式。

在最小输入电压下的电流峰值为:

式中:Po为输出功率;

η为最低效率;Vin,rms,min为最低的输入电压幅值。

所以,电感值由式(7)决定。

(Vinpmin/L)DlminTs≥2Iinp (7)

式中:Vinpmin为最小输入电压峰值;

Dlmin为在最小输入电压时的最小占空比,即

Dlmin=(Vo-Vinpmin)/Vo (8)

输出电容必须满足式(9)。

Co≥Po/(2πflineVoΔVo) (9)

标幺化的功率因数可以由式(10)获得。

PF=Pin/(VinrmsIinrms) (10)

式中:
那么,


2 实验结果

设定以下工作条件:

Vm=127~311V;fline=50Hz;Vo=380V;

Po=100W;η=0.92;fs=77kHz;Dmax=0.95。

参数设定为:

L=370μH;Kr=0.22;C=68μF,选用68μF/

400V铝电解电容。

电路图如图4所示。

获得的电路波形如图5所示,由图5可以看出,实验结果符合理论分析。

表1为实验获得的PF和THD与Vin,rms关系。由表1可以看出,该电路符合IEC-3-2的标准。

该电路在满负载(Vo=380V,Io=0.263A)下的效率测试。

表1 PF,THD与输入电压关系表

Vin/V

90

120

220

265

PF

0.997

0.994

0.961

0.911

THD/%

5.6

12.1

17.2

32


3 结语

本文对一种在通用的整个输入电压范围内实现DCMCCBPFC的电路拓扑,进行了详细的理论分析,实验结果证明了该电路可以满足IEC1000-3-2标准。同时,由于它消除了二极管的反向恢复,采用电流断续模式,提高了电路的工作效率和功率密度。这对于中小功率的应用有很大的吸引力。