多相交错并联Boost功率因数校正器的研究

赵　琴,金爱娟,纪晨烨,孙长飞,胡　峥,倪似松

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093)



多相交错并联Boost功率因数校正器的研究

赵琴,金爱娟,纪晨烨,孙长飞,胡峥,倪似松

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要针对开关电源在传统的Boost功率因数校正电路中有着明显的开关损耗,使得电路具有较高成本和低效率。文中在传统单相Boost变换器的基础上,采纳多通道交错并联技术来进行有源功率因数校正的主电路拓扑。以三相交错并联Boost变换器为例,分析其工作过程,并通过仿真实验证明了多相交错并联Boost PFC变换器具有减小输入电流纹波和输入电感值,以及提高变换器的效率等优点。

关键词Boost;PFC;交错并联

随着电力电子设备的广泛应用,由此造成的谐波污染也越来越严重,电网正在受到严重威胁[1-2]。此时,功率因数校正技术的引用可有效地解决电力电子装置所引起的谐波污染的问题。然而,随着功率等级的不断提高,对大功率PFC变换器的需求量也越多,这就导致传统的Boost变换器已经无法应用在大功率的场合。通过交错并联技术不仅能有效地降低功率器件的电流应力,而且还能同时提升变换器的功率等级,以及具有减小输入电流纹波和开关损耗等优点。本文设计了一种在电流临界导通模式下的多相交错并联Boost PFC变换器,使得电路实现较小的输入输出电流纹波、降低电磁干扰现象,有利于电磁兼容设计、较高的转换效率及功率密度等特点。

1三相交错并联Boost PFC电路

三相交错并联Boost变换器的电路结构如图1所示,它是由3个参数相同的Boost变换器并联而成,并联结构由输入电源vI、3个储能电感(L1、L2、L3)、开关(s1、s2、s3)、二极管(D1、D2、D3)、输出电容c和负载R组成。它们的不同之处就在于3个开关管的驱动信号之间相差了120°,这也就是说这3个变换器工作在交错状态下。三相交错并联变换器有8种工作模式,分别是:

模式1开关s1、s2、s3均导通;

模式2开关s1导通,s2和s3关断;

模式3开关s2导通,s2和s3关断;

模式4开关s3导通,s1和s2关断;

模式5开关s1和s2导通,s3关断;

模式6开关s1和s3导通,s2关断;

模式7开关s2和s3导通,s1关断;

模式8开关s1、s2和s3关断。

图1　三相交错并联Boost变换器结构拓扑

以上介绍的8种工作模式中,模式1中开关s1、s2、s3均同时导通,此时电路中电感电流IL1、IL2和IL3都呈现上升状态,而输出电容c此时释放能量给负载供电;模式2中开关s1导通,s2和s3关断,此时电路中电感电流IL1上升,而电感电流IL2和IL3在下降;模式8中开关s1、s2、s3均同时关断,此时电路中电感电流IL1、IL2和IL3都呈现下降状态,输出电容c储存能量,其他几种模式也可以进行同样的分析。模式2的电感和电流状态空间表达式为

(1)

可以令iL1=X1,iL2=X2,iL3=X3,V0=X4,则可以得到

(2)

对于三相交错并联Boost变换器的其他几种工作模式,同理也能得到如同式(1)的状态空间表达式。

2三相交错并联Boost PFC变换器参数

2.1输入电流纹波

三相交错并联Boost电路的输入电流为各支路电感电流之和。当并联的相数越多时,输入电流纹波就会越小。当三相交错并联时,占空比与电流纹波的关系如式(3)所示。

(3)

其中,K3(D)=ΔIin/ΔIL1,ΔIin为总输入电流纹波;ΔIL1为每一相支路中的电感电流纹波。而两相交错并联时,占空比与电流纹波的关系为

(4)

采用多相交错并联Boost PFC结构,虽然不能在整个工作区间将电流纹波完全消除,但在降低纹波电流方面整体效果明显。在同样占空比下,当交错并联的相数不同时,输入电流纹波减小的程度也有所不同。

2.2电感磁芯尺寸

在单相Boost变换器中,其输入电流就是流过电感的电流,而在三相交错并联Boost变换器中,输入电流被分流,流过每个电感的电流只是输入电流的1/3[3]。在相同的功率等级[4]下,假设变换器中输入电流为I,则单相Boost变换器中电感的能量可以表示为

(5)

而三相交错并联Boost变换器中电感总能量可以表示为

(6)

就电感储能方面来讲,三相交错并联Boost变换器中电感的能量是单相Boost变换器中电感能量的1/9。所以在实际设计电感器时,电感电流是一个重要参数。通常设计电感器时采用面积乘积法(AP),单相和三相交错并联的面积乘积[5]分别可以表示为

(7)

(8)

由于三相交错并联Boost变换器中存有3个电感,因此APinterleaved=3APdual,尽管如此,三相交错并联Boost变换器中的总面积乘积还是单相Boost变换器总面积乘积的1/3。所以电路中采用三相交错并联Boost变换器能够有效地减小电感磁芯的尺寸[6-7]。

2.3输出电容电流有效值

交错并联Boost PFC电路有较小输出电容的电流有效值[8]。在单相Boost变换器中,电容电流有效值与占空比的关系可以表示为

(9)

在三相交错并联Boost变换器中,电容电流有效值与占空比的关系可以表示为

(10)

根据以上3个公式,在Matlab中可以绘出输入电容电流有效值与占空比的关系曲线图如图2所示,可以得到:在相同情况下,三相交错并联Boost变换器相对单相Boost变换器而言,其输出电容电流的有效值减小了近1/4,而输出电容电流的有效值的降低,意味着电容的电流应力也会减小,从而在一定程度上提高了变换器的可靠性。

图2　输出电容电流有效值波形图

3实验仿真

3.1输入电流

图3为单相三相交错并联Boost PFC变换器输入电流波形。

图3　Boost PFC变换器的输入电流

如图3所示,在单相Boost PFC变换器输入电流平均值为38.4 A,而在三相交错并联Boost变换器中输入电流平均值为27.4 A,从图中还可以看到单相Boost PFC变换器的输入电流纹波约是三相的1.5倍,所以在三相交错并联Boost变换器中的3个电感电流纹波经过互相抵消,可以有效地减小电路的输入纹波。

3.2电感电流波形

图4为单相Boost PFC变换器电感电和三相交错并联Boost变换器的3个电感电流波形图。从波形中可以看到:单相Boost PFC变换器电感电流的平均值为38.4 A,而在三相交错并联Boost变换器中电感电流平均值为9.3 A。在各种电路指标都相同的情况下,相较于单相Boost变换器,三相交错并联Boost变换器每个电感中所流过的电流约为单相Boost变换器的1/4,这也意味着电感所储存的能量也是单相Boost变换器中电感电流的1/4。

图4　Boost PFC变换器中电感电流波形

3.3输出电压

图5为单相和三相交错并联Boost PFC变换器输出电压波形。可以从图中看到:单相Boost变换器输出电压纹波约为10 V,三相交错并联Boost变换器输出电压纹波约为0.5 V,通过单相和三相交错并联Boost PFC变换器输出电压纹波的比较,可以表明三相交错并联Boost变换器可以使电路的输出电压更加稳定,所以电路中把单相Boost PFC变换器拓扑成三相交错并联Boost变换器可以大幅提升变换器的可靠性。

图5　Boost PFC变换器输出电压

3.4样机实验仿真

本文设计的Boost PFC电路是在85～265 V的交流输入电压,输入电压频率为50 Hz,控制芯片为L6562D,开关管型号为FQPF10N60C,二极管型号为PEC3309,输入滤波电容为1 μF/630 V,输出电容为100 μF/450 V条件下进行的,得到波形如图6所示。

图6　交流输入端输入电压与输入电流波形

图7　输出电压波形

图8　输出电压纹波

由图6中可以看到,三相交错并联的Boost PFC电路能较好地实现输入电流跟踪输入电压,而且当输入电流正弦化的同时还实现了电流电压之间无相位差。从图7和图8中可以看出,输出电压稳定约在400 V,而且输出电压纹波也很小,这就说明经过三相交错并联的Boost PFC电路后能够持续输出稳定电压,能给负载安供电[9-10]。

4结束语

本文将单相Boost PFC变换器拓展到了三相交错并联Boost PFC变换器。首先对三相交错并联Boost PFC变换器的应用优势和工作原理进行了介绍。根据要求对交错并联Boost变换器的主电路的参数进行了设计。通过Simplorer软件仿真和样机实验,从电路输入电流纹波,电感电流以及输出电压三方面与单相Boost变换器进行比较,验证了三相交错并联Boost PFC变换器不仅能够有效地降低功率器件的电流应力,而且还能同时提升变换器的功率等级,以及具有减小输入电流纹波和使输出电压更加稳定等优点。所以对于PFC变换器来说,为更好地应用到大功率场合,使得开关损耗减少,电路达到较高的效率,多相交错并联PFC变换器能更好地实现单相PFC变换器所不能达到的目的,应用也将更加广泛。

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Research on Multiphase Interleaving Parallel Boost Power Factor Corrector

ZHAO Qin,JIN Aijuan,JI Chenye,SUN Changfei,HU Zheng,NI Sisong

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractIn terms of the significant switching losses of switching source in the traditional Boost PFC circuit,the circuit has higher cost and lower efficiency.In order to solve these problems,the paper adopts the multichannel interleaving parallel technology on the main circuit topology of active power factor correction based on the traditional single-phase Boost PFC circuit.Taking the three phase interleaving Boost converter as an example,the converter’s working processes are analyzed.Simulation verifies that the multichannel interleaving parallel Boost PFC converter offers less input current ripple,smaller inductance and higher efficiency.

KeywordsBoost;PFC;interleaving parallel

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.019

收稿日期:2015-09-13

作者简介:赵琴(1991—),女,硕士研究生。研究方向:电力电子非线性及控制。

中图分类号TM46

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-067-04