一种高效的交错并联Boost PFC研究

阎昌国，敖邦乾，曲祥君，刘小雍（遵义师范学院工学院，贵州遵义，563002）



一种高效的交错并联Boost PFC研究

阎昌国，敖邦乾，曲祥君，刘小雍
（遵义师范学院工学院，贵州遵义，563002）

摘要：升压电感作为交错并联BoostPFC系统的关键元件，其寄生电容的损耗会对系统的效率产生影响。作者针对传统升压电感存在寄生电容大、损耗高的问题，提出了一种具有寄生电容小、损耗低等优点的改进设计方法，设计了一个685W的带交错并联Boost PFC的样机系统。测试结果表明：较之传统方法，作者所提改进方法搭建的系统具有更高的效率，更能适应交错并联Boost PFC的高效发展。

关键词：升压电感；交错并联Boost PFC；寄生电容；高效

急剧增加的电力电子装置使得电网谐波污染日益严重，PFC电路是消除谐波污染的有效方法。传统BoostPFC变换器因功率开关管存在较大的电压、电流变化率会带来严重的电磁干扰，难以适应系统功率等级增加的需要［1］。而交错并联Boost PFC变换器因具有功率因素高、输入电流纹波小、转换效率高以及控制能力强等优点，被广泛应用在中大功率的电子设备中［2-6］。文献［7-9］通过改善交错并联Boost PFC升压电感的设计方法，有效地减小了电感的数量、体积及尺寸，有效地提高了系统的整体性能。但这些改进的方法仍然没有脱离传统电感设计方法的刚性基底模型，存在着较大的寄生电容，这些电容在功率管通断间存在较大的损耗，会严重影响系统的效率。针对上述不足，本文提出了一种脱离传统电感刚性基底模型的设计方法，并通过理论分析证实该方法设计的电感具有寄生电容小、损耗低等优点，最后用685W实验样机的测试结果验证了本文理论分析的正确性与可行性。

1原理与电感的设计

1.1工作原理

图1为交错并联Boost PFC的工作原理图，电路结构是两个对称并联的Boost变换器。两开关管导通时刻依次滞后一定时间，工作在自然交错状态，使得流过每个Boost变换器的电流也呈现交错状态。这种PFC电路能大大减小输入电流纹波，提升系统的功率等级。升压电感是系统输入与输出的连接纽带，充当重要角色，其设计方法的优劣对系统的效率存在较大影响。传统的电感设计方法存在较大的寄生电容，其对系统效率的影响在高大功率场合是不容忽视的。

图1交错并联Boost PFC拓扑结构

1.2电感设计方法对比分析

图2为两种设计方法的等效模型，可知传统方法与改进方法所设计的电感总量与内阻均相等，但传统方法所带来的寄生电容总量却是改进方法的4倍。假定输入电容 Cin电感两端电压为 Vin，PFC输出电压为Vo，则对于每个Boost变换器有：

图2两种设计方法的等效模型

当功率开关管导通时，电感寄生电容C存储的能量为：

当功率开关管断开时，电感寄生电容C存储的能量为：

则一个周期T内，寄生电容C的总损耗为：

由式（3）知传统方法所带来的寄生电容损耗是改进方法的4倍，且在输入电压越低时能量损耗越多。因此，与传统方法相比，本文所提出的改进方法具有寄生电容小、损耗低等优点。

1.3电感设计方法

假定交流输入底线电压有效值为Vacmin，PFC输出功率为Po，最低效率要求为，满载最低开关频率为Fsw，整流桥二极管正向电压差为Vbrfd。则可按下式计算出满足设计要求的最小电感量为：

实际电感的取值应大于（4）式的计算值，式中D为低线输入电压下电路的占空比，可按下式进行计算：

2实验

为验证上述理论分析与设计的正确性，搭建了一个685W的实验样机，前级采用交错并联Boost PFC，后级采用Boost升压加半桥LLC电路，输出为6路+12V和1路-12V。关键元件参数如下：PFC输出电容Co为390uF；PFC电感取250uH；PFC满载最低开关工作频率为 65KHz；二级 Boost电感取160uF；输出主变压器原边感量为1.3mH；谐振电感取8uH。

图3为实验波形。图3a与图3b分别为PFC电路在低压和高压下的电感电流与开关管漏源电压波形。测试结果表明，开关管相互交错导通，电感电流上升与下降趋势正好交错，PFC电路正常工作在自然交错状态。图3c与图3d为样机系统在低压与高压下的交流输入电压、电流波形。测试结果表明，输入电流能较好地跟踪输入电压，实测低压时PF值为0.9984，高压时PF值为0.9736。

图3实验波形

表1为样机整体效率测试结果，数据是在相同硬件条件下，仅更换PFC电感的基础上实测的。测试数据表明，低压下，基于改进方法设计的样机系统的效率较之传统方法大约高出0.3个百分点，高压下大约高出0.15个百分点。因此，本文提出的电感设计方法较之传统设计方法有较好的效率。

表1样机效率对比测试结果

3结论

研究了基于交错并联技术的BoostPFC变换器，提出了一种升压电感的改进设计方法，该方法脱离传统电感的刚性基底模型，理论分析证实该方法较之传统电感设计方法寄生电容较小、损耗较低。最后制作了一台685W的含交错并联Boost PFC电路的实验样机，并在相同硬件条件下进行了实验测试，实验证明本文提出的电感改进设计方法较之传统方法有更高的效率。

参考文献:

［1］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［2］Chan CH，Pong M H.Interleaved Boost Power Factor Corrector Operating in Discontinuous-inductor-Current Mode［A］. Proc of Power Conversion Conference［C］.1997，1（8）:405-410.

［3］杨玉刚，马云巧，马杰.交错并联Boost变换器DCM分析及电感设计［J］.电力电子技术，2014，48（10）:9-11.

［4］陈巍，王国富，张法全，等.一种新型高功率因素电源的设计［J］.电源技术与应用，2014，40（11）:60-63.

［5］梅寒杰，何乐年.一种新颖的高功率因素PFC的数字控制方法［J］.电源技术，2015，39（2）:360-362.

［6］OLAYIWOLAA，SOCKB，ZOLGHADRIMRA，etal.Digital controllerfor aBoostPFCconverterin continuous conduction mode［J］.IEEE，2006，（5）:1-8.

［7］Po-Wa Lee，Yim-Shu Lee，Cheng D K W，et al.Steady-state Analysis of an Interleaved Boost Converter with Coupled Inductors［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2000，47（4）: 787-795.

［8］赵相瑜，袁继敏，王艳硕.交错并联BoostPFC电路的应用研究［J］.电力电子技术，2010，44（1）:65-67.

［9］杨飞.采用耦合电感的交错并联Boost PFC变换器［D］.南京:南京航空航天大学，2013.

（责任编辑：朱彬）

A Research into An Interleaved Boost PFC with High Efficiency

YAN Chang-guo，AO Bang-qian，QU Xiang-Jun，LIU Xiao-yong
（Department of Engineering and Technology，Zunyi Normal College，Zunyi 563002，China）

Abstract:The boost inductance is the key components of the interleaved Boost PFC system，and its parasitic capacitance loss will influence the system’s efficiency.Due to the larger parasitic capacitance and the higher loss in traditional Boost inductance，this paper proposes an improved method which has the smaller parasitic capacitance and the lower loss，and designs a 685W prototype system with an interleaved Boost PFC.Compared with the traditional method，the experimental results show that the system with the proposed improved method has a higher efficiency.Thus，this method is more suitable than the traditional one in the high efficient development of the interleaved Boost PFC.

Key words:boost inductance；interleaved Boost PFC；parasitic capacitance；high efficiency

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1009-3583（2016）-0106-03

收稿日期：2015-10-11

基金项目：贵州省科技厅基金资助项目（黔科合LH字［2015］7054号）

作者简介：阎昌国，男，贵州遵义人，遵义师范学院工学院讲师，硕士，主要从事电力电子技术的控制与应用研究。