交错并联功率因数校正变换器的设计与实现

马思涵

（湖南工学院，湖南 衡阳 421005）

引言

就中国现在的能源构成来说，大部分的能量来自于火力发电，小部分则来自于水力发电以及核能等其他形式。而火力发电又是一个难以继续发展，并且对环境污染影响非常严重的发电方法。而人类正在呼吁全新的清洁绿色的能源获得方法，也因此中国清洁能源的研发已经取得了长足的进展[1]。

1 研究现状

1.1 主电路

1.1.1 降压型PFC 电路

在降压型PFC 集成电路中，若直流输入输出电压值远小于交换信号输入整流电压值。要求较大的信号滤波器对开关纹波加以控制。如图1 所示，此类集成电路能够明显提高控制系统功率因数。因为压降式高功率正因数集成电路的交换侧进入电流变化是不持续的，而电感电流峰值的包络线依然遵循着交流输入电压值的变化，从而可以大大提高控制系统的功率因数，但进入电流变化为零的时段长短却和直流控制系统输出电压和进入电流变化的高低直接相关。且当输出电流越高时，控制系统功率因数越低，谐波畸变也就越大。

图1 降压式PFC 集成电路图

1.1.2 升压型PFC 电路

在升压式PFC 集成电路中，如果直流输入输出电压值大于交换信号输入整流电压值，则表明升压式输出功率因数集成电路的交换侧输入电压改变是持续的，且输入端电流的平均值基本同时跟随着交换信号输入电压值的改变，且输出谐波畸变度非常低，因此输出功率因数也相应较高。

1.1.3 降压/升压型PFC 电路

在减压/升压式PFC 集成电路中，只要提供的直流系统输入端电压值可能小于或超过交换信号输入端整流电压，降压/升压式PFC 集成电路就能够在较宽的输入电流调节范围内，达到较大的输出端功率因数。如下页图2 所示，但是减压/升压式输出功率因子集成电路的交换侧电流变化往往成为不连续性的。所以不管输入端信号总线电压和输入输出负荷怎样改变，由降压型转换器或者降压/升压式变流器所获取的信号输入端电流大小变化永远都是不连续性的。但是，相对于升压式变流器，只要其工作在连续电流模式（CCM），那么其所获取的信号输入端电流大小变化也就会是连续性的，这样将可以降低信号输入端额定电流谐波畸变度。虽然相对于Boost 式PFC 系统来说，控制信号输入电压设定工作于持续电流电压模型（CCM），但是事实上的系统设计实际工作，也会参考另外二种电流输出模型，即断续电流输出模型（DCM） 和临界电流输出模型（BCM）。因为电感电流的不连续，所以由于在控制开关管控制开关动作的时候进行的是零输出电流开通，所以软开关损耗很低，也不是由二极管反向恢复所产生的损失[2]。

图2 升压式PFC 集成电路图

1.2 算法控制

调节监控算法研究就是对功率因数校准相关技术的科学研究的一项主要方向，虽然调节监控算法研究有许多划分方法，但一般说来，根据电压调节方法划分。

按照在连续电压模型（CCM）以下电压调节方法划分，通常有峰值电压调节控制、滞环电压调节控制和平均值电压调节控制方法。三者中最常见的是平均值电压模型以及峰值电流模式，而滞环电压调节模型则因为采用了变频控制技术的因素，会对电感设计造成麻烦，故而较少使用。

1.3 应用新兴技术

对于大功率的使用场合，PFC 电路和主要的电源系统拓扑都通过串联的方式来处理。串联结构分为功率元件串联、自动变换器拓扑串联和功率转换设备串联等。关于PFC 的使用，多相交叉串联是比较热门的研究领域。在相交叉串联的研究中，新的耦合电感结构研究技术已形成了一条独特的分支。使用新耦合电感结构的研究技术往往能够减小磁性元器件的厚度，从而增加磁性元器件磁通的效率，并且还能够提高电感电流纹波的特征。通过较小的电感量达到了降低纹波的效应，并且还改善了输出电流负载特性的性能[3]。

2 开关电路

软开关技术一般都是在开关电源管的边上连接或并联小电感、小电容器、二极管等电子元器件，并利用谐振和钳位原理，在开关管开通之前将电流先降至零，然后再开通开关管，又或者在开关电源管闭合之前将电流先降至零，然后再闭合开关电源管，这样当开关电源管通断时，电压电流没有交叠，就不会产生开关损耗。

3 电路设计

3.1 交错并联电路

随着单相APFC 技术的不断发展与完善，以及开关电源等电力电子装置的功率级逐渐提高，传统的单相BoostPFC 技术的应用逐渐受到了限制。功率级的不断增加，使得开关管、输出二极管和输入电感等元器件承受的电压和电流应力过大，而大容量的功率器件一般价格比较高昂，造成系统成本增加，不适于在批量生产中使用。

3.2 主电路

按照自动变换器的工作状态条件，确定了该自动变换器电路的主要技术参数如下：输入电压为220VAC；出口电压为400 VDC；出口电量为200 W；输入信号频谱为50 Hz；开关电源频谱为100 kHz；波形畸变为THD＜5%；电路工作效率为大于95%。

3.3 电感传输

在BoostPFC 电路中，输入式电子传感器的功能主要是用于控制纹波电压、储能，以及能量传输。选用电子传感器时主要根据输入峰值电压产生的声纹波多少，一般在设计为电子传感器时，即其输入电压变化率约为峰值电压的6 倍。

4 结语

说明了交错并联式电路的基本原理，降低了单个电子传感器的容量和输入电压纹波，从而减少了EMI，并能够降低开关元件的电流应力，从而降低电子传感器元件的厚度，增加了功率自动变换器的工作效能；根据传统零电压转换电路的缺点。本文将提供一个改进型的零电压变换电路，以构成并联式有源功率因数校正器，该零电压变换电路有效减少了在开关损耗情况下单个输入电感与输出二极管之间的电流应力。