李彥斌,張安堂,韓 闖,王君力
(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)
電力電子裝置的廣泛使用給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染,增加了電網(wǎng)損耗,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)質(zhì)量[1-3]。如何消除電網(wǎng)諧波、提高電網(wǎng)效率和電網(wǎng)容量已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。功率因數(shù)校正PFC(Power Factor Correction)技術(shù)因?yàn)槟軌蚴馆斎腚娏鞯南辔缓托螤罡欇斎腚妷?,從而消除電網(wǎng)諧波、提高電網(wǎng)功率因數(shù),已經(jīng)成為了電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)[4-6]。
傳統(tǒng)的全橋功率因數(shù)校正電路如圖1所示,主要由整流橋和Boost變換器組成。然而隨著輸出功率的增加,整流橋的二極管的壓降將會(huì)嚴(yán)重影響PFC電路的效率[7-8]。無(wú)橋PFC電路通過減少半導(dǎo)體器件的數(shù)量,從而減少PFC電路的損耗,提高PFC電路的效率,因而得到了廣泛地研究[9-10]。為了進(jìn)一步提高PFC電路的效率,軟開關(guān)技術(shù)因其能夠降低開關(guān)損耗而被大量應(yīng)用到了PFC電路中。文獻(xiàn)[11]中提出的軟開關(guān)無(wú)橋PFC電路雖然實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓導(dǎo)通,但是其關(guān)斷過程卻是典型的硬關(guān)斷;文獻(xiàn)[12]中,主開關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷,但是增加了主開關(guān)的電流應(yīng)力。文獻(xiàn)[13]中提出的改進(jìn)的無(wú)橋功率因數(shù)校正電路,在滿載時(shí)的效率最高可達(dá)98%,不適適應(yīng)用大功率場(chǎng)合。文獻(xiàn)[14]中提出的改進(jìn)型雙升壓功率因數(shù)校正電路,其輸出功率比文獻(xiàn)[13]中設(shè)計(jì)的電路輸出功率高,但是電路的效率有所下降。
本文在無(wú)橋軟開關(guān)PFC電路的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的零電流轉(zhuǎn)換ZCT(Zero Current Transi?tion)開關(guān)的無(wú)橋PFC電路。該無(wú)橋PFC電路減少了半導(dǎo)體器件的數(shù)量,并且實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)斷,減小了PFC電路的損耗,提高了PFC電路的效率。
圖1 傳統(tǒng)的全橋功率因數(shù)校正電路
改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該電路用兩個(gè)IGBT開關(guān)管S1、S2取代了傳統(tǒng)整流橋中的兩個(gè)整流二極管,D1、D2為開關(guān)管IGBT的內(nèi)置續(xù)流二極管。虛線框內(nèi)為改進(jìn)ZCT的諧振回路,由輔助開關(guān)管Sr、諧振電感Lr、諧振電容Cr、輔助整流二極管Dr以及Sr反并的二極管Dx組成。
圖2 基于改進(jìn)型ZCT無(wú)橋PFC電路
當(dāng)輸入電壓UAC>0時(shí),二極管Sa導(dǎo)通,Sb截止,諧振回路與開關(guān)管S1構(gòu)成ZCT軟開關(guān),開關(guān)管S2關(guān)斷,S2的內(nèi)置二極管D2處于續(xù)流狀態(tài)。升壓電感L、開關(guān)管S1和輔助諧振回路、二極管D1、S2的內(nèi)置二極管D2一起構(gòu)成Boost升壓PFC電路。當(dāng)輸入電壓UAC<0時(shí),工作過程與之類似。因此僅對(duì)UAC>0時(shí)電路的工作模態(tài)進(jìn)行分析。
圖3 UAC>0時(shí)改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路的工作過程
為了簡(jiǎn)化分析,作如下假設(shè):①所有元器件都是理想元件;②由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓的工頻頻率,升壓電感L足夠大,故在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),輸入電壓源UAC及升壓電感可以用恒流源Ii代替;③濾波電容C足夠大,故在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)濾波電容C和負(fù)載R可以等效為一個(gè)恒壓源。
該電路在一個(gè)工作周期內(nèi)可分為10個(gè)工作模態(tài),詳細(xì)分析如下:工作波形如圖4所示。設(shè)初始狀態(tài)時(shí)(t0時(shí)刻),主開關(guān)管S1處于截止?fàn)顟B(tài),升壓電感L通過二極管VD1向負(fù)載放電,輔助諧振回路不工作,電路工作在常規(guī)PWM模式。諧振電感Lr上的電流iLr(t0)=0,諧振電容Cr上的電壓VCo=IiZr。
圖4 電路的工作波形
為了不影響主開關(guān)的正常工作,諧振電路的諧振周期不能太長(zhǎng),否則將延長(zhǎng)主開關(guān)的工作周期,或者影響主開關(guān)的零電流關(guān)斷的條件,一般要求諧振周期為,
由式(35)、式(36)可以確定出合適的諧振電感值和諧振電容值。
諧振回路的加入實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)斷,大大減小了主開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。相對(duì)于硬開關(guān)而言,諧振回路的諧振卻會(huì)增加主開關(guān)管的通態(tài)損耗。主開關(guān)的通態(tài)損耗為,
通常情況下,諧振回路增加的通態(tài)損耗要遠(yuǎn)小于在硬開關(guān)下的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。
升壓電感值的取值決定了輸入電流的紋波,因此采用限制電流脈動(dòng)的原則來(lái)確定升壓電感的值??紤]最差情況,當(dāng)輸出功率達(dá)到額定功率,電感電流的紋波為峰值電流的20%時(shí),升壓電感的取值為,
濾波電容取值主要由輸出功率、輸出電壓和電壓紋波決定,其典型值為1μF/W~2μF/W。通常,在設(shè)計(jì)濾波電容時(shí)還應(yīng)兼顧到輸出電壓的保持時(shí)間,保持時(shí)間與濾波電容的關(guān)系式為
式中,Δt為保持時(shí)間,Vomin為輸出電壓的最小值,通常要求在輸出電壓的10%以內(nèi)。
在MATLAB軟件中搭建了改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路模型,對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真的條件為:輸入電壓為220 V市電,輸出電壓400 V,輸出功率1 000 W,主開關(guān)管工作頻率100 kHz,仿真結(jié)果如圖7所示。
從圖5(a)中可以看出,該P(yáng)FC電路在仿真條件下實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)輸入電壓的良好跟蹤,功率因數(shù)為0.992,且輸入電流的紋波較小。從圖5(b)中可以看出,輸入電流的諧波成分小,諧波畸變率THD=8.7%,有效地抑制輸入電流中的諧波。
圖5 電路的仿真結(jié)果
為了驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果,制作一臺(tái)輸入電壓為220 V市電,輸出電壓400 V,輸出額定功率為1000 W,工作頻率為100 kHz的改進(jìn)型ZCT無(wú)橋PFC樣機(jī)。其參數(shù)為:主開關(guān)管S1、S2選用IXGH10N60A;輔助開關(guān)管Sr選用IRG4BC30UD;二極管VD1、VD2選用DSEI12-10A;二極管Sa、Sb選用MUR360;二極管Dr選用MUR860;升壓電感L為1.2 mH濾波電容C為2 000 μF/500 V;諧振電感Lr為5.2 μH;諧振電容Cr為4.3 nH/1 000 V。
電路采用CCM控制模式,控制電路由TI公司的UCC3818控制芯片及其外圍控制電路,兩片單穩(wěn)態(tài)集成芯片CD4098以及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。CD4098作用是利用UCC 3818產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)來(lái)產(chǎn)生輔助開關(guān)管的控制信號(hào)。
圖6為輸入電壓為220 V,輸出電壓為400 V,輸出額定功率為1000 W時(shí)輸入電壓和輸入電流的波形。該工作條件下,電路的功率因數(shù)為0.987,諧波畸變率為10.1%,實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)輸入電壓的良好跟蹤。
圖6 輸入電壓波形和輸入電流波形
圖7(a)為主開關(guān)管開關(guān)過程中的電壓電流波形,圖7(b)為輔助開關(guān)管開關(guān)過程中的電壓電流波形。從圖中可以看出,主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的開通和關(guān)斷都是在零電流下完成的,有效減小了開關(guān)管的損耗。
圖8為文獻(xiàn)[13]中設(shè)計(jì)的改進(jìn)無(wú)橋Boost功率因數(shù)校正電路的效率η和功率因數(shù)λ值的變化曲線,該樣機(jī)輸入為85 VAC~265 VAC,輸出為400 V/300 W,由圖8分析可知,在全電壓范圍內(nèi),效率η保持在92.5%以上,最大可達(dá)98%。
圖7 主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的關(guān)鍵波形
圖8 電路效率η和功率因數(shù)λ值的變化曲線
圖9為本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路與全橋PFC電路的效率對(duì)比關(guān)系圖,樣機(jī)輸入電壓為220 V,輸出電壓為400 V,工作頻率為100 kHz。從圖中可以看出,在額定功率范圍內(nèi),改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路的效率高達(dá)98.15%,要明顯高于全橋PFC電路,同時(shí)也高于文獻(xiàn)[13]中所設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正電路的最大效率98%,且輸出功率為1 000 W,電路效率獲得了顯著提高,該功率因數(shù)校正電路適用于大功率場(chǎng)合。
圖9 效率與輸出功率的關(guān)系
圖10為輸入電壓為220 V,輸出電壓為400 V,輸出額定功率1 000 W時(shí),工作頻率變化時(shí),改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路與全橋PFC電路的效率對(duì)比。當(dāng)頻率由50 kHz增加到150 kHz,ZCT無(wú)橋PFC電路的效率略有下降,而全橋PFC電路當(dāng)工作頻率超過120 kHz時(shí),效率下降明顯。
圖10 效率與工作頻率的關(guān)系
提出了一種改進(jìn)型ZCT無(wú)橋PFC電路,實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)斷。本文對(duì)提出的PFC電路進(jìn)行了工作模態(tài)、工作條件和損耗分析。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)表明,該P(yáng)FC電路相對(duì)于傳統(tǒng)全橋PFC電路效率有顯著的提高,相比于其他的功率因數(shù)校正電路的效率也有所提高,與理論分析相符,并且適用于大功率場(chǎng)合。
[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(bào),2011,26(2):132-128.
[2]Hussain S.Athab,Dylan Dah-Chuan Lu.A High-Efficiency AC/DC Converter with Quasi-Active Power Factor Correction[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(5):1103-1109.
[3]賁洪奇,王大慶,孟濤,等.基于輔助繞組的單級(jí)橋式PFC變換器紋波抑制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(4):58-64.
[4]潘飛蹊,涂祺鎧,梁昆凱,等.一種Boost型PFC電路在DCM下的恒頻控制方案[J].電子器件,2011,34(4):453-458.
[5]高潮,陸治國(guó).一種新穎有源功率因數(shù)校正開關(guān)變流器電路的設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(4):98-103.
[6]Burak Ak?n,Hac? Bodur.A New Single-Phase Soft-Switching Power Factor Correction Converter[J].IEEE Transactions on Pow ?er Electronics,2011,26(2):436-443.
[7]Choi W Y,Kwon J M,Kwon B H.Bridgeless Dual-Boost Rectifier with Reduced Diode Reverse-Recovery Problems for Power-Fac?tor Correction[J].IET Power Electron,2008,1(2),194-202.
[8]郭睿東,張晶晶,劉搖欣,等.一種功率因數(shù)數(shù)字化測(cè)量算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件,2014,37(4):750-753.
[9]王議鋒,徐殿國(guó),徐博,等.圖騰柱式無(wú)橋零紋波交錯(cuò)并聯(lián)Boost功率因數(shù)校正器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(9):175-182.
[10]Ismail E H.Bridgeless SEPIC Rectifier with Unity Power Factor and Reduced Conduction Losses[J].IEEE Transactions on Indus?trial Electronics,2009,56(4):1147-1157.
[11]Wang C M.A Novel Zero-Voltage-Switching PWM Boost Rectifier with High Power Factor and Low Conduction Losses[J].IEEE Trans Ind Electron,2005,52(2),427-435.
[12]Zhang Junming,Xie Xiaogao,Wu Xinke,et al.A Novel Zero-Cur?rent-Transition Full Bridge DC/DC Converter[J].IEEE Transac?tions on Power Electronics,2006,21(2):354-360.
[13]李鎮(zhèn)福,林維明.一種改進(jìn)的無(wú)橋Boost功率因數(shù)校正電路[J].電力電子技術(shù),2012,46(2):96-98.
[14]胡瑋,康勇,王學(xué)華,等.一種改進(jìn)型雙升壓功率因數(shù)校正電路[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2013,17(3):40-48.
李彥斌(1990-),男,漢族,陜西府谷縣人,空軍工程大學(xué),碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半娏鲃?dòng),924099918@qq.com;
韓 闖(1989-),男,漢族,河南駐馬店人,空軍工程大學(xué),碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏﹄娮拥碾姶偶嫒荩?/p>
張安堂(1960-),男,漢族,陜西戶縣人,空軍工程大學(xué),副教授,研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半娏鲃?dòng)、開關(guān)電源技術(shù),zhangantang@163.com;
王君力(1991-),男,漢族,山東威海人,空軍工程大學(xué),碩士研究生,研究方向?yàn)殚_關(guān)電源技術(shù)。