黃志良，葉開明，林添進，李文泉

(1.福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108;2.國網泉州供電公司，福建 泉州 362000)

1 引言

隨著電力電子裝置應用的日益廣泛，電網中的諧波污染也日趨嚴重。為符合IEC61000－3－2諧波電流的限值標準，許多裝置都采用功率因數校正器。功率因數校正電路的拓撲很多種，如Boost型、Buck型、Buck－ Boost型等 DC/DC 變換器［1－3］。Boost型功率因數校正(PFC)變換器因其儲能電感也可作濾波器，有效地抑制EMI噪聲，具有電流波形失真小，輸出功率大等優(yōu)點，故廣泛應用于PFC中。

隨著單相有源PFC技術的成熟和功率等級的進一步提高，原有單重Boost PFC方案的使用受到限制。功率增加時，單重Boost PFC的開關器件(功率開關、升壓二極管、升壓電感)必然要承受過更高的電流應力，出現選擇器件的困難，增大成本，而且還將增大電路中dv/dt和di/dt，造成嚴重的輻射和傳導的EMI。對高壓大功率的應用，可采用單相三電平Boost PFC，此時開關的端電壓可控制在輸出電壓的50%。對大電流大功率的應用，交錯并聯 Boost PFC［4－7］既可減少單個電感容量，又可降低了開關器件的電流應力和輸入電流紋波，進而減小電感磁芯尺寸、提高變換器的效率。

2 交錯并聯Boost PFC原理

交錯并聯Boost PFC變換器如圖1所示，圖1中每相Boost PFC變換器均可工作在連續(xù)導通模式或者是斷續(xù)導通模式下，開關S1、S2的導通占空比相同，開關S2滯后S11/2個開關周期。為便于分析，先假設:①每路Boost單元均工作于 CCM;②開關 S1、S2，二極管D1、D2為理想器件;③Co足夠大，輸出電壓穩(wěn)定。

圖1 交錯并聯Boost PFC變換器

圖2 驅動信號及電感電流波形

根據以上假設，占空比在不足50%和50%以上變換器在一個開關周期內的工作狀態(tài)不同，這里以50%以下的占空比進行分析，交錯Boost PFC變換器在一個開關周期內有4個工作狀態(tài)，圖2示出電路驅動及電感電流波形。

(1)階段 1［t0～t1］S1導通，S2關斷，L1中的電流線性上升;L2中存儲的能量通過二極管D2向負載放電。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

(2)階段2［t1～ t2］S1S2均關斷，L1、L2中存儲的能量通過二極管D1、D2向負載放電。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

(3)階段 3［t2～t3］S1關斷，S2導通，L1中存儲的能量通過二極管D1向負載放電;L2中的電流線性上升。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

(4)階段4［t3～ t4］S1S2均關斷，L1、L2中存儲的能量通過二極管D1、D2向負載放電。該階段變換器的狀態(tài)方程為:

圖2所示電感L1、L2可采用分立電感，也可采用耦合電感，采用耦合電感時，因兩只電感共用一個磁芯，提高了磁芯的利用率;另一方面由于交錯導通使得輸入電流的平均變化率降低，大大降低了磁芯的損耗。

3 仿真與實驗

利用Psim9.0對Boost PFC和交錯并聯Boost PFC電路進行仿真，開關頻率為20kHz，電感為1.0mH，交流輸入電壓為220V，直流輸出電壓為360V，輸出功率約為3kW。圖3(a)、(b)分別為Boost PFC和交錯并聯Boost PFC的Psim仿真圖，采用平均電流法，控制算法的實現通過DLL編程實現。

圖3 Boost PFC、交錯并聯Boost PFC Psim仿真圖

Boost PFC和交錯并聯Boost PFC輸入電流波形如圖4所示，圖中很難直觀看出交錯并聯Boost PFC變換器相對于Boost PFC在輸入電流上具有更小紋波的優(yōu)勢，圖5為圖4中輸入電流的局部展開圖及所對應的驅動信號。在輸出相同功率下，相比于Boost PFC，交錯Boost PFC變換器輸入電流的頻率增加了一倍，具有更小的電流紋波，因此其輸入電流的THDi更低(如圖6所示);同時電流值平均分配在兩個開關管上，其承受的電流值為Boost PFC的一半，有利于功率等級的擴展。

圖4 Boost PFC、交錯并聯Boost PFC輸入電流波形

圖5 Boost PFC、交錯并聯Boost PFC輸入電流波形與驅動信號

圖6 Boost PFC、交錯并聯Boost PFC THDi波形圖

4 結論

隨著功率的增大，Boost PFC在開關器件的選擇受到很大的限制，交錯Boost PFC的出現很好的解決這個問題。本文詳細分析了交錯Boost PFC的工作原理以及占空比小于50%時并且工作在連續(xù)導通模式下該變換器的工作狀態(tài);借助Psim仿真軟件對Boost PFC和交錯并聯Boost PFC兩種變換器進行了深入的仿真應用研究，仿真結果驗證了交錯并聯Boost PFC的優(yōu)越性:在同等功率下，交錯并聯Boost PFC相比于Boost PFC變換器，能夠降低功率器件的電流應力和輸入電流紋波，其頻率成倍提高，從而減少前級EMI濾波器的尺寸，提高功率因數，是實現大電流大功率電路的理想拓撲。

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