单级功率因数校正电路的直流母线电压分析和实验研究
单级功率因数校正电路的直流母线电压分析和实验研究
摘要：通过对一种简单的单级pfc电路的研究，从理论上推导出直流母线电压的变化情况，以及电路功率因数和thd的计算公式，然后又用实验进行了论证。
关键词：功率因数校正；单级功率因数校正电路；直流母线电压
1 引言
近年来pfc技术是电力电子学界的一个热门话题，已经提出了许多pfc电路。目前，带有功率因数校正的开关变换器通常分为两级结构和单级结构。在两级结构中，第一级类似于boost型pfc电路，目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波；第二级为dc/dc变换器或dc/ac变换器，目的在于调节输出以便与负载匹配。由于两级分别有自己的控制环节，使得这个电路具有良好的性能，但是，元器件个数太多，与没有pfc的相同电路相比，成本约增加15％。
为了使ac/dc电源在满足谐波标准的同时，能够实现低成本、高性能，于是对单级pfc的需求越来越紧迫，特别是在小功率应用场合。单级pfc变换器使pfc和dc/dc级共用一个开关管，只有一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。
但是，单级功率因数校正电路有自己的缺点，当pfc级工作在dcm模式，轻载时，直流母线（bus）上的电压将成为主要问题。本文将从理论上推导dc/dc级工作在dcm模式时的直流母线电压的公式（dc/dc级工作在ccm时的情况见文献2），然后通过实验验证，为解决问题提供理论依据。同时，通过直流母线的推导，顺便推导出电路的pf和thd。
2 电路工作原理
单级功率因数校正的主电路图如图1所示，它是一种简单的bifred（boost integrated with flyback rectifier/energy storage/dc-dc converter），工作波形见图2。
图1 主电路示意图 图2 工作波形图 虽然bifred只有一个开关，但是和两级的功能却是一样的。实际上，输入电感l1，二极管d1，开关s1，和储能电容c1组成了一个dcm boost功率级，而开关s1，带励磁电感lm的变压器，输出二极管d2和输出滤波电容c2组成了一个反激级。其中变压器原副边匝比n=n∶1。 〔0－t0〕段开关s1导通，l1通过输入整流电压储能，电感电流il1（=iin）上升。同时，励磁电感lm通过电容c1放电而储能，这时电容c1和变压器原边是并联的。因而，励磁电流上升。二极管d2由于反向偏置被关断。 〔t0－t1〕段t0时刻开关s1关断，随着电感电流il1下降到0，储存在电感l1中的能量转移到电容c1。在这个阶段，d2导通，所以储存在lm中的能量转移到输出电阻。励磁电流下降。 〔t1－t2〕段t1时刻il1下降到0，但励磁电感lm中的电流ilm可能还没到0，假设在t2时刻ilm下降到0，则二极管d2关断。 为了获取输入电流的低谐波畸变，l1必须工作在dcm，也就是说，il1必须在开关s1再次导通前下降到0。通常情况，lm可以工作在dcm或者ccm。但是ccm工作存在轻载直流母线电压过高的问题。所以在设计中应使l2工作在dcm状态下。 3 理论推导 3..1 直流母线电压的理论推导 根据电感l1的伏秒平衡，得到 dts=(1) 式中：uin(t)为输入电压瞬间值； l1为boost电感； ts为开关周期； dts为开关导通时间； uo为输出电压； ub为直流母线电压(bus voltage）； n为变压器匝比； d1ts为电感电流的续流时间(d
图3 直流母线电压变化图
3.2 输入电流pf以及thd计算
如果令α=，且uin=upsin(θ)，则式（4）可变为
iav(sw)=（10）
这就是输入电流的具体表达式。如果在输入电压90v，输出电压12v，l1/l2=0.5，n=7，开关频率50khz时，通过式（9）得到直流母线电压为151.628v。这时α=0.382，如果令输入电压是标准正弦波，且与输入电流同相，则通过对式（10）进行傅立叶分析，可以得到输入电流功率因数pf=0.98。总谐波畸变（thd）的计算公式为
thd=×100％（11）
可得到thd=4.12％
4 实验结果
实验中，输入电压为90～250v，输出电压12v，输出功率72w，l1/l2=0.4，n=7,开关频率50khz。图4是在输入电压90v时，本单级pfc实验的输入电压和电流波形图。图5是在该实验参数下的直流母线电压理论值与实验值的比较，实验中得到的直流母线电压值要比理论值小一点。这主要是由于没有考虑具体电路的损耗引起的，如果令po=kpin加以调整，可以得到系数k，这个系数随着电路拓扑的不同而不同，可以根据具体情况灵活运用。
图4 输入电压、电流波形图
图5 理论与实际的bus电压比较（l1/l2=0.4）
5 结语 本文通过详细的理论推导，得出了一个计算单级pfc电路的直流母线电压的具体公式，然后又通过实验验证了公式的可行性。从而为研究这种电路提供了理论工具。
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图4 输入电压、电流波形图
图5 理论与实际的bus电压比较（l1/l2=0.4）
5 结语 本文通过详细的理论推导，得出了一个计算单级pfc电路的直流母线电压的具体公式，然后又通过实验验证了公式的可行性。从而为研究这种电路提供了理论工具。
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