林志雄，葉開明，林添進(jìn)，林永春

(國網(wǎng)泉州供電公司，福建泉州362000)

倍壓型Boost PFC變換器的拓?fù)渚C述

林志雄，葉開明，林添進(jìn)，林永春

(國網(wǎng)泉州供電公司，福建泉州362000)

簡要總結(jié)了目前有源功率因數(shù)校正器發(fā)展過程中的熱點問題，重點介紹了適用于半橋逆變器的倍壓型Boost PFC變換器，對比了各個不同的倍壓型Boost PFC變換器的優(yōu)缺點，搭建實驗平臺，實驗結(jié)果驗證了基于平均電流法控制的傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC變換器的可行性。

倍壓;功率因素校正;半橋逆變器

1 引言

為提高輸入功率因數(shù)，同時減少由電力電子裝置對電網(wǎng)造成的諧波污染，功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，簡稱PFC)技術(shù)成為電力電子領(lǐng)域研究的一個熱點。PFC技術(shù)的研究有:新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1－5］、新穎控制算法［6－8］、新應(yīng)用場合、數(shù)字控制［9－10］、新型功率器件的應(yīng)用、有源箝位與軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用、數(shù)學(xué)建模等。

針對PFC技術(shù)的研究在于尋求一種易實現(xiàn)、高PF值、低THDi、高效率、低EMI、高功率密度、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高的功率因數(shù)校正變換器。

2 倍壓型Boost PFC的應(yīng)用場合

Boost拓?fù)湟蚱潆娏鬟B續(xù)、電磁干擾小等優(yōu)點在功率因數(shù)校正中得到廣泛研究和使用。Boost PFC主要應(yīng)用于后級直接加阻性負(fù)載或者是全橋逆變器;對于后級負(fù)載為半橋逆變器的情況，與全變逆變器負(fù)載相比，在輸出相同交流電的情況下其逆變器輸入端的母線電壓為全橋逆變器負(fù)載的兩倍，在實際應(yīng)用中因Boost電路的升壓變比有限，導(dǎo)致由單個Boost構(gòu)成的PFC電路無法滿足半橋逆變器輸入母線電壓的要求，解決的辦法是由兩個Boost電路構(gòu)成的倍壓型Boost PFC［5－6］變換器，其產(chǎn)生正負(fù)母線電壓，滿足半橋逆變器負(fù)載其電源輸入端的要求。

3 倍壓型Boost PFC變換器

傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC變換器如圖1所示。上下Boost PFC電路分別以半個工頻周期交替工作，正半周期時，SCR1導(dǎo)通，L1、T1、D1組成Boost PFC電路產(chǎn)生正母線電壓。負(fù)半周期時，SCR2導(dǎo)通，L2、T2、D2組成Boost PFC電路產(chǎn)生負(fù)母線電壓。

傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC在工頻周期的正負(fù)半波內(nèi)等效于兩個獨立的Boost PFC電路，開關(guān)管、電感的利用率不高。從節(jié)省器件的角度出發(fā)，拓?fù)涓倪M(jìn)的思路一方面是充分利用電感，一方面是充分利用開關(guān)管。圖2所示的改進(jìn)I型倍壓Boost PFC變換器在于充分利用電感，電感Lcom替代了圖1中的L1、L2電感。圖3所示的改進(jìn)II型倍壓Boost PFC變換器用開關(guān)管T替代了圖1中的T1、T2。

圖1 傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC變換器

圖2 改進(jìn)I型倍壓Boost PFC變換器

圖2所示拓?fù)潆娐返墓ぷ髟砼c圖1所示完全一樣，不同處在于當(dāng)工作在電池態(tài)時，圖2兩個電感同時工作，其感值為圖1的兩倍，因此相對應(yīng)輸出電流紋波系數(shù)較小。

圖3所示的改進(jìn)II型倍壓Boost PFC變換器相比于圖1雖然少了1個開關(guān)管，但為整流輸入電流電，多了2個晶閘管。

圖3 改進(jìn)II型倍壓Boost PFC變換器

同時綜合圖3、圖4拓?fù)涞膬?yōu)點，只使用一個開關(guān)管和一個電感的拓?fù)淙鐖D5所示。與圖1的變換器相比較，少了一個PFC開關(guān)管和一個電感，但多了兩個晶閘管。

圖4 改進(jìn)III型倍壓Boost PFC變換器

在圖3、4拓?fù)渲校徊捎靡粋€開關(guān)管，但相比于圖1、2的拓?fù)?，多了兩個晶閘管，起到整流輸入交流電的作用，在無需對初始時刻進(jìn)行緩啟動控制時，可用整流橋替代。

圖4拓?fù)渲杏?個晶閘管和一個開關(guān)管構(gòu)成的部分可由兩個開關(guān)反串聯(lián)而成，即如圖5所示，可稱為雙向開關(guān)型無橋倍壓Boost PFC變換器。與圖1所示傳統(tǒng)的倍壓Boost PFC變換器相比，少了一個電感、兩個晶閘管。

圖5 改進(jìn)IV型倍壓Boost PFC變換器

4 仿真與實驗

為驗證倍壓型Boost PFC變換器的可行性，利用PSIM9.0仿真軟件，采用平均電流法，搭建傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC變換器進(jìn)行仿真研究。輸入電壓220V、輸出母線電壓正負(fù)360V、電網(wǎng)頻率50Hz、電感600μH、穩(wěn)壓電容1640μF、開關(guān)頻率20kHz，額定輸出功率5K，仿真控制系統(tǒng)如圖6所示。DLL模塊實現(xiàn)電壓電流采樣、控制算法程序編寫、驅(qū)動信號輸出。在不考慮后級半橋逆變對前級PFC的影響的情況下，正、負(fù)母線電壓輸出端各自直接帶阻性負(fù)載。

圖6 傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC控制仿真圖

圖7給出了在額定負(fù)載和半載情況下的輸入電壓電流仿真波形，顯然，平均電流法控制的傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC變換器中，輸入電流與輸入電壓同步。

參照仿真參數(shù)搭建一臺5kW實驗樣機(jī)驗證傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC變換器的可行性。采用Ti公司的TMS320F2808控制芯片，實驗波形如圖8所示。

圖8(a)、(b)分別為輸出功率在為2.5kW、5.1kW時的輸入電壓、電流波形，圖8(c)為功率因數(shù)曲線隨輸出功率從1k～5k的曲線圖。圖8(a)、(b)波形表明輸入電流很好的跟蹤輸入電壓，圖8(c)表明隨著負(fù)載的增大，功率因數(shù)隨之增大。額定負(fù)載時，PF可達(dá)到0.995。

圖7 輸入電壓、電流仿真波形

圖8 實驗波形

5 結(jié)論

本文首先歸納了當(dāng)前對于有源功率因數(shù)校正研究的方向和研究的幾個熱點問題;其次，針對Boost PFC變換器用在半橋逆變器中存在的缺陷，提出了多種倍壓型Boost PFC變換器，詳細(xì)對比、分析了各個不同的倍壓型Boost PFC變換器的設(shè)計思路及其優(yōu)缺點;最后，搭建仿真、實驗平臺，對采用平均電流法控制的傳統(tǒng)的倍壓型Boost PFC變換器進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果表明此變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、功率因數(shù)高、性價比高等的優(yōu)點。

同時該變換器對本文所提出的其他改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器具有相同的實驗效果，對其他適用于功率因數(shù)校正的Buck、Buck-Boost、Cuk、正激、反激、推挽等DC/DC變換器具有借鑒的意義。

［1］吳新科，張軍明，錢照明，等.互補(bǔ)控制的有源鉗位型零電壓開關(guān)功率因數(shù)校正器［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(2):175－182.

［2］Raphael A Da Camara，Paulo P Praca，Cicero M T Cruz，et al.Voltage doubler boost rectifier based on three-state switching cell for UPS application［C］.35th Annual IEEE Industrial Electronics Conference，2009:950－955.

［3］J.W.Kolar，H.Ertl.and F.Zach.Design and experimental investigation of a three-phase high power density high efficiency unity power factor PWM(VIENNA)rectifier employing a novel integrated power semiconductor module［J］.Power Electron.Conf.Expo，2009，2(1):514－523.

［4］Rene P T Bascope，Luiz D S Bezerra，Carlos G C Branco.A step-up DC－DC converter for non isolated on-line UPS application［A］.IEEE ISI E［C］.Italy，2010:602－607.

［5］R A da Camara，P P Praca，C M T Cruz，et al.Three-level Boost rectifier with FPGA digital control［A］.IEEE INDUSCON［C］，Brazil，2010.1－6.

［6］KAI Z，YONG K，JIAN X，et al.Direct repetitive control of SPWM inverter for UPS purpose［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2003，18(3):784－92.

［7］K.D.Gusseme，D.M.Van de Sype.A.P.M.Van den Bossche，and J.A.Melkebeek.Digitally controlled boost power-factor-correction converters operating in both continuous and discontinuous conduction mode［J］.IEEE Trans.Ind.Electron.，2005，52(1):88－97.

［8］A Karaarslan，I Iskender.Average sliding control method applied on power factor correction converter for decreasing input current total harmonic distortion using digital signal processor［J］.IET Power Electron，2012，5 (5):617－626.

［9］N.Yadaiah，A.Suresh Kumar，Y.Maheshwara Reddy.DSP based control of constant frequency and average current mode of boost converter for power factor correction(PFC)［J］.Proc.IEEE APCET，2012:1－6.

［10］Wanfeng Zhang，YanFei Liu，Bin Wu.A new duty cycle control strategy for power factor correction and FPGA implmentation［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2006，1(21):1745－1753.

Overview of Topology in Voltage-doubler Boost PFC

LIN Zhi-xiong，YE Kai-ming，LIN Tian-jin，LIN Yong-chun
(State Grid Quanzhou Power Supply Company，Quzhou 350108，China)

The hot spot studied in the developments of the active power factor correction(PFC)is briefly summarized this paper，and the volage-doubler Boost PFC converter applied in the half-bridge inverter is investigated in detail.The advantages and disadvantages of each different voltage-doubler Boost PFC converter are analyzed.The platform is set up，and the feasibility of conventional voltage-doubler Boost PFC converter based on the average current method is verified from the experimental results.

voltage-doubler;power factor correction;half-bridge inverter

TM464

B

1004－289X(2016)04－0004－03

2015－05－20

林志雄(1984.01－)，男，碩士，工程師，電子電子數(shù)字化控制技術(shù)研究;葉開明(1988.01－)，男，碩士，工程師，電子電子數(shù)字化控制技術(shù)研究;林添進(jìn)(1987.07－)，男，在職研究生，工程師;林永春(1985.05－)，男，本科，工程師。