带有谐振PFC的单级AC_DC变换器研究

图 3 仿真波形
为 验 证 新 电 路 研 制 了 一 台 输 出 功 率 Po=300 W 的实验样机，对所提出的带谐振 PFC 的单级 AC/DC
变换器进行了实验研究。 图 4 示出实验波形。
图 2 谐振网络的主要波形
（1） 在 t0 时刻，VD1，VT1，VT2 和 VD2 导通。 t0~t1
第 43 卷第 1 期 2009 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
带有谐振 PFC 的单级 AC/DC 变换器研究
陈亚爱， 张卫平， 张东彦， 赵徐森 （北方工业大学， 北京 100144）
Vol.43 No.1 January，2009
摘要：通常可将带功率因数校正（PFC）的开关变换器分成两级结构和单级结构两种。 研究了一种带谐振 PFC 的单级
根 据 国 际 电 工 委 员 会 6100-3-2D 类 的 谐 波 标 准， 设计者更关注如何去适应 D 类的谐波标准，而 不是对功率因数的改善。 更值得关注的是，在高输入
基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （60672009） 定 稿 日 期 ：2008-08-13 作 者 简 介 ：陈 亚 爱 （1961－），女 ，广 东 人 ，副 教 授 ，研 究 方 向 为
是 Lr，Cr 储 能 阶 段 ，流 过 谐 振 电 感 的 电 流 iLr 和 谐 振
电容端电压 uCr 增加，其值为：
tiLr（t）＝
uinsinωt0 Z0
sinωs t
（1）
uCr（t）＝uinsinωt0（1-cosωs t）
式 中 ：ω，ωs 分 别 为 电 源 角 频 率 和 谐 振 角 频 率 ，ωs＝1/ 姨LrCr ；
（North China University of Technology， Beijing 100144， China） Abstract：The converter with power factor correction （PFC） usually can be divided into two categories：the two-stage approach and the single-stage approach.A single stage AC/DC converter with resonant model PFC is investigated.In order to improve the power factor of the AC input current，a new circuit configuration has been proposed，which is built up by adding four extra components that operate in resonant model in a conventional double switches-for-ward converter.The principle of new circuit is explored and its behaviors are studied.A single stage AC/DC converter with resonant model PFC prototype with 300 W has been built up to verify the proposed new circuit configuration.The experimental results show that the new circuit has good performances，such as high power，lower DC bus voltage，high power factor and so on. Keywords：converter； power factor； correction / resonant model Foundation Project：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.60672009）
在漏电感 Llk 上的能量促使 Cr 放电，使 uCr 在 t1~t2 时
段 内 迅 速 减 小 ，并 在 t2 时 刻 降 为 零 ，即 t1~t2 时 段 为
Cr 放 电 阶 段 。 由 于 t1~t2 时 间 间 隔 非 常 短 ，iLr 被 视 为
常量。 此时有：
iLr（t1）＝
uinsinωt0 Z0
（t~t2）
（3）
到 t3 时刻，iLr（t）＝0，存在：
Td′=t3-t2=
LrsinωsTon Z0（uCB-uinsinωt0）
uinsinωt0
（4）
（4）在 t3 时 刻 ，iLr 降 为 零 ，在 t3~t4 时 段 ，Lr，Cr 上
没有任何能量储存。
4 仿真和实验结果
为了确定新电路的可行性进行了仿真，仿真结
统发出触发脉冲必须同时具备控制输入有效和晶闸
管两端电压为零两个条件，缺少任何一个条件都不
能输出触发脉冲。 新制作的脉冲触发系统经受住了
电 磁 兼 容 （EMC） 快 速 瞬 变 脉 冲 群 抗 扰 度 试 验 ， 其 耐
图 5 晶闸管电压和电流
受等级达到了工业Ⅲ级。 用新制作的脉冲触发系统
1引言
带 功 率 因 数 校 正 （PFC） 的 开 关 变 换 器 分 两 级 结 构和单级结构两种。前者有各自的控制环节，在提高 功率因数、抑制谐波和调节电压方面具有优势。但其 电路复杂、元器件数太多，与无 PFC 的相同电路比， 因增加了 PFC 级而增加了约 15%的成本[1－2]。 后者将 PFC 级与 DC/DC 变换器或 DC/AC 变换器整合成一 级，两级共用一个开关管和一套控制电路，同时实现 对输入电流和输出电压的调节，故称之为单级 PFC+ DC/DC 变换器。 在该变换器中，开关管要承受高输 入轻负载情况下的高直流母线电压应力[3]，其原因是 PFC 级和 DC/DC 变换器级共享一个变换器，共用一 套控制电路，一个控制器只有输出电压一个控制变 量，通过电压环调节输出电压。 为了确保与负载匹 配，消除输入电压纹波的影响，需要一个内部储能电 容，而大容量电容的直流母线电压是不受控的，因此 这种单级结构电路必须具有隐含的 PFC 功能。
Vol.43 No.1 January，2009
管开通瞬间 di/dt 太高，超出其门极放大区域所能承 治，其它方案都只是治标不治本。
受的最大值，产生的热量不能及时散发出去，导致了
结合光电触发和电磁触发的优点，制作了一套
热击穿烧毁。
采用光电隔离和电磁触发的脉冲触发系统。 该方案
巧妙利用光耦从晶闸管两端获得其过零点，用脉冲 变压器实现晶闸管脉冲触发信号的发送和隔离[4]。系
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.1 January，2009
型变换器可应用于较高电压输入、 较大功率输出场 处于续流状态，所以变压器的初级端电压为零。储存
合。 在传统双开关正激型变换器中增加 4 个工作在 谐 振 模 式 的 元 件 ， 便 构 成 了 带 谐 振 PFC 的 单 级 AC/DC 变换器，如图 1 所示。 其中，VD1，VD2 和谐振 元件是外加元件。 通过控制开关 VT1 和 VT2 的占空 比可调节输出电压，通过谐振槽路 Lr 和 Cr 可改善输 入功率因数。 当 VT1 和 VT2 开启时，大容量电容 CB 上的电压 uCB 作用到变压器初级， 变压器将功率传 递给负载，实现了 DC/DC 变换功能。 在上述时间内， 谐振槽路从电源吸收功率开始充电， 即使输入电压 接近零点时，输入电流 iin 也不等于零，即 iin 无死区， 从而改善了输入功率因数。 当 VT1 和 VT2 关断时， DC/DC 变换器停止向负载传递功率，通过输出滤波 器电感和电容上储存的能量维持输出电压； 此时在 谐振元件内储存的能量会转移到 CB 上。
Z0＝ 姨Lr/Cr ；iLr，uCr 初始值均为零。
（2）在 t1 时刻，VT1 和 VT2 关断，VD2 导通。然而， 联 接 变 压 器 次 级 的 两 个 整 流 二 极 管 VD5，VD6 此 时
4
图 4 实验波形
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第 43 卷第 1 期 2009 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
关键词：变换器； 功率因数； 校正 / 谐振型
中 图 分 类 号 ：TM46
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2009）01-0003-02
Study of a Single Stage AC/DC Converter with Resonant Model PFC
CHEN Ya-ai， ZHANG Wei-ping， ZHANG Dong-yan， ZHAO Xu-sen
图 2 所示。 Lr 工作在 DCM 下，并具有改善功率因数 的作用。 在分析稳态电路工况前，先假设：①工作频
率远大于电源频率，以至于在一个开关周期内，可认
为输入电压是一个常量，输出滤波电感 Lo 足够大， 使通过 Lo 的电流在一个开关周期内为一常量；②开 关管和二极管均为理想器件，即开启时无导通压降， 关断时无漏电流，开启和关断均无延时；③谐振槽路 的储能元件是理想元件。一个开关周期有 4 种状态。
电力电子及电力传动。
轻负载情况下，直流母线电压应力要小，为达此目的， 单级 PFC+DC/DC 变换器中引入了直流母线电压反馈 技术[4]。 然而，当输入电压接近零点时，变换器中存在 一个无输入电流的死区。 死区的存在，将会降低功率 因数和产生高次谐波。 实际应用中，对适应于全球电 网、功率等级为几十瓦到一千瓦的单相离线式电源有 很大的市场需求，通常要求 DC/DC 变换器有宽的输 入电压范围，这对设计者是巨大的挑战。 因为大容量 电容电压即为直流母线电压， 同样也是整个 DC/DC 变换器的输入电压。 高的电压和电流应力使得变换器 性能很难优化。 此外，又因直流母线电压的变化，要用 额定电压高于 450 V 的大容量储能电容来满足维持 时间特性，从而使这种变换器的应用受到限制。 以因 为直流母线的宽电压范围限制了输出功率，典型带 PFC单级变换器的输出功率被限制在 100~200 W 左 右。 为解决这些问题，提出了一种利用转换开关的倍 压式断续导电模式（DCM）PFC 技术[5]。
sinωsTon
（2）
式 中 ：Ton＝t1－t0。
（3）在 t2 时刻，VD1 和 VD2 导 通 ，iLr 在 t2~t3 时 间
内直线下降，并在 t3 时 刻 降 为 零 ，即 t2~t3 为 Lr 放 能
时段。 则有：
iLr（t1）＝
uinsinωt0 Z0
sinωsTon-
uCB-uinsinωt0 Lr
在传统双开关正激型变换器中增加 4 个工作在 谐振模式的元件，构成了一种新电路结构。新电路与 传统的双开关正激型变换器相比，成本更低，效率增 加了约 5%。 研制了一台 300 W 的实验样机，仿真和 实验结果表明这种电路具有优越的性能。
Baidu Nhomakorabea2 新电路结构
相比于单管正激型变换器，传统的双开关正激 3
第 43 卷第 1 期 2009 年 1 月
AC/DC 变换器。 为了改善交流输入电流的功率因数，提出了一种新的电路结构，即在传统的双开关正激型变换器上
增加 4 个工作在谐振模式的外加元件。 探讨了这种电路的工作原理和运行特性，研制了一台输出功率为 300 W 的实
验样机。 实验结果证明，该电路具有功率大、直流母线电压较低、功率因数高等优越性能。
图 1 带有谐振 PFC 的单级 AC/DC 变换器拓扑
3 谐振网络工作原理
用于改善输入功率因数的谐振槽路主要波形如
果 如 图 3 所 示 。 由 图 可 见 ，uin 与 iin 同 相 位 ，且 在 uin 过零时，iin 中无死区。 仿真研究表明，该电路在维持较 高输入功率因数和较低输出纹波时， 可在大容量电 容器和所有半导体开关两端获得较低的电压应力。