电力电子变换器与有源PFC优化方案

图3-3所示为一个具有PFC功能的整流器，点画线框为插入的子电路，假定电网电压为

并假定整流二极管为理想器件，这样整流桥的直流侧电压可表示为

假定输出电压V_o的纹波很小，可视为理想的直流，于是得到子电路的电压传输比为

图3-4给出了电压传输比T_VV（ωt）随时间变化的情况。当ωt=kπ+π/2时，即在输入电网电压的波峰或波谷，电压传输比T_VV（ωt）达到最小值，T_{VV_min}=V_o/（）；当ωt=kπ时，即在输入电压过零点，电压传输比T_VV（ωt）达到最大值，为无穷大。实际电路无法实现无穷大的电压传输比，只能实现有限的升压功能，这也是为什么PFC电路在输入电压为零附近（ωt=kπ）存在工作不够理想的原因。因此，为实现较理想的PFC功能，总是希望插入子电路应尽量逼近图3-4所示的电压传输比特性。可见插入的子电路一般要求具有升压特性，满足升压特性的电力电子变换器有Boost型变换器、Buck-Boost型变换器、Cuk型变换器、反激式变换器、Sepic型变换器、Zeta型变换器等，如图3-5所示。

图3-4 电压传输比T_VV（ωt）与时间的关系

假定有源PFC变换器能够实现单位功率因数，开关器件的开关频率f_s远高于工频，输入电流i_s（ωt）开关纹波较小，可以忽略，则输入电流i_s（ωt）可近似视为与电网电压v_s（ωt）同相位的一个正弦波，即有

于是，整流桥直流输出侧的电流i₁为

式（3-7）表明，整流桥直流输出侧的电流i₁为一个馒头形波。

有源PFC变换器的输入瞬时功率为

有源PFC变换器输出瞬时功率为

p_o=V_oi_o （3-9）

如果忽略插入子电路中的功率损耗，而且子电路内部没有储能元件，根据功率守恒定律，输入瞬时功率等于输出瞬时功率，即

p_s=p_o （3-10）

将式（3-8）和式（3-9）代入式（3-10），得到

2V_sI_s[sinωt]²=V_oi_o （3-11）

图3-5 有源PFC变换器

于是得到输出电流io

另外，输入平均功率为

(www.xing528.com)

输出平均功率为

式中，I_o为输出电流i_o的平均值。根据功率守恒原理，结合式（3-13）和式（3-14），得到输出电流i_o的平均值I_o为

将式（3-15）代入式（3-12）得到

i_o=I_o-I_ocos（2ωt） （3-16）

可见，输出电流i_o由一个直流分量I_o和一个频率等于两倍的电网频率的交流分量组成，如图3-6所示。

图3-6 有源PFC变换器的输出电流io

基于以上分析，得到插入子电路的需要满足的条件：

1）为实现PFC，插入子电路的电压传输比要满足公式T_VV（ωt）=V_o/v_d（ωt）=给出的T_VV（ωt）特性要求，即插入子电路必须具有升压功能。

2）插入子电路的输入电流i₁可控，并跟踪v_s（ωt）的波形变化。

3）i₁的幅值需要调节到适当的值，以满足输出负载功率的要求，使输出电压V_o稳定在所需电压。

为了实现PFC，需要对插入子电路的输入电流i₁的波形进行控制，使其波形跟踪v_d（ωt）=v_s（ωt）瞬时值的变化，即输入电流i₁波形的形状与|v_s（ωt）|的形状相同，而i₁的幅度调节到适当的值，使输出电压V_o稳定在所需电压。图3-7给出了实现PFC的控制框图。i₁^*为输入电流i₁的参考值，这里参考值i₁^*波形具有与v_d（ωt）=v_s（ωt）相同的波形，i₁^*等于v_d（ωt）信号与误差放大器（VA）的输出I_C的乘积。误差放大器的输出电压I_C为

I_C=K（s）（V_o^*-V_o） （3-17）

式中，K（s）为误差放大器（EA）的传递函数；V_o^*为输出电压参考值。误差放大器的作用是使输出电压V_o跟踪参考值V_o^*。为了抑制输出电压V_o的开关纹波，一般误差放大器的频带设计得较低，因此可以近似地认为，在一个工频周期中，误差放大器（EA）的输出I_C近似恒定，这样乘法器的输出i₁^*的波形与v_s（ωt）的相同。整流桥直流侧电流i₁的控制采用电流跟踪控制，根据实际电流i₁与电流参考值i₁^*误差，调节PWM的输出脉冲的占空比，最后调节插入子电路中电力电子开关器件的占空比。

图3-8所示的单相Boost型PFC变换器，采用Boost型变换器作为插入子电路。由于全桥式整流器直流侧没有大容量滤波电容存在，因此后级Boost型变换器的输入端的电压V_d将在0V到输入电网电压的峰值之间波动。由于Boost型变换器具有升压特性，为使Boost型变换器正常工作，输出电压V_o必须大于输入电压的峰值，即

图3-7 PFC的控制框图

图3-8 单相Boost型PFC变换器

假设输入电网电压有效值V_s的变化范围为85～265V，那么输出电压为

通常选择V_o为400V。

为了实现PFC，需要通过对单相Boost型PFC变换器中开关管V进行PWM控制，使得整流器交流输入电流的瞬时值跟踪电网交流电压的瞬时值的变化，以达到PFC的目的。对于Boost型变换器，根据Boost型电感L中电流的导通情况，可以分成两种模式：电感电流连续模式（CCM）、电感电流断续模式（DCM），如图3-9所示。对应地，单相Boost型PFC变换器也有两种类型：CCM单相Boost型PFC变换器、DCM单相Boost型PFC变换器。