皇甫宜耿, 王愛(ài)本, 趙犇, 馬雨輝, 馬瑞, 夏磊

(1.西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院, 廣東 深圳 518057; 2.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 陜西 西安 710072)

隨著化石能源的枯竭和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，以集中式、化石能源發(fā)電方式為主的傳統(tǒng)電網(wǎng)正在向以分布式發(fā)電、清潔能源為主的智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。微電網(wǎng)是從傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)的過(guò)渡，開(kāi)發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入[1]。微電網(wǎng)中有許多需要低壓直流電源的應(yīng)用場(chǎng)合，電能的傳輸、存儲(chǔ)、離網(wǎng)[2]，例如蓄電池充電、電解水制氫等。因此，非常有必要開(kāi)發(fā)具有低輸出電壓和高效率的AC-DC變換器。橋式整流引起嚴(yán)重的電流諧波失真，因此功率因數(shù)校正(power factor correction，PFC)技術(shù)得到了快速發(fā)展。

傳統(tǒng)的單相有源功率因數(shù)校正(active power factor correction，APFC)變換器由前級(jí)橋式整流電路和后級(jí)DC/DC電路組成，常用的DC/DC電路包括Buck、Boost、Buck-Boost、CUK、Sepic和Zeta電路[3]。Buck變換器具有一段死區(qū)時(shí)間，輸入電流為零，這會(huì)導(dǎo)致較大的總諧波失真(total harmonic distortion，THD)和較低的功率因數(shù)(power factor，PF)[4-5]。Boost變換器由于輸入電流連續(xù)和較低的輸入電流THD等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛，但其輸出電壓高于輸入電壓、不適合低壓應(yīng)用場(chǎng)合[6]。Buck-Boost變換器具有輸入電流不連續(xù)、PF低的缺點(diǎn)[7]。Sepic變換器的缺點(diǎn)是輸出電流不連續(xù)，從而導(dǎo)致高輸出電壓紋波[8]。CUK變換器的輸入電流連續(xù)，紋波小，輸出電壓范圍寬，已廣泛應(yīng)用于低壓電源場(chǎng)合[9]。

傳統(tǒng)的CUK PFC變換器的電流導(dǎo)通路徑經(jīng)過(guò)3個(gè)功率半導(dǎo)體器件，包括整流電路中的2個(gè)二極管和DC/DC電路中的1個(gè)開(kāi)關(guān)管，增加了變換器的導(dǎo)通損耗，使其效率受到了極大限制[10]。文獻(xiàn)[11]提出了3種新型的單相無(wú)橋CUK PFC變換器，它們可以減少電流路徑中1個(gè)半導(dǎo)體器件，從而降低了導(dǎo)通損耗，但無(wú)橋CUK PFC變換器的輸出電壓為負(fù)，因此需要1個(gè)附加的反相放大器電路，這會(huì)增加變換器的尺寸和成本。而且，文獻(xiàn)[11]所提出的3種變換器都有2個(gè)開(kāi)關(guān)管，這增加了控制的復(fù)雜性。

為了減小變換器的尺寸和成本，參考文獻(xiàn)[12]提出了一種新型無(wú)橋CUK PFC變換器，該變換器將所有開(kāi)關(guān)管與二極管進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，不需要反相放大器電路，使輸出電壓為正。與文獻(xiàn)[11]提出的無(wú)橋CUK PFC變換器相比，反相放大器電路被省去，從而減小了變換器的尺寸和成本。

本文提出了一種新型的無(wú)橋CUK PFC變換器。與文獻(xiàn)[12]中的無(wú)橋CUK PFC變換器相比，開(kāi)關(guān)管S1上方的2個(gè)二極管D3,D4被移至輸入電感的后面，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1在輸入電壓的正半周期導(dǎo)通時(shí)，切斷了輸入電感L1和串聯(lián)二極管D3的電流路徑，從而減少了變換器的導(dǎo)通損耗。由于二極管位置的移動(dòng)，每工頻半周期內(nèi)的2個(gè)工作電容可以減小到1個(gè)，并且二極管D3,D4從高頻的大電流工作狀態(tài)到工頻的小電流工作狀態(tài)，可以使用價(jià)格較為便宜的普通整流二極管代替價(jià)格相對(duì)較高的快恢復(fù)二極管，從而減小了變換器的尺寸和成本。

1 新型正輸出無(wú)橋CUK PFC變換器工作原理分析及設(shè)計(jì)

1.1 新型無(wú)橋CUK PFC變換器工作原理分析

本文提出的新型的無(wú)橋CUK PFC變換器如圖1所示,在分析提所出的變換器之前,假設(shè)所有器件都是理想的,并且變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode,DCM)下。在交流輸入電壓的1個(gè)周期內(nèi),正負(fù)半周期的工作原理相同,因此僅在正半周期對(duì)工作原理進(jìn)行分析,可以將其分為3種工作模態(tài)。定義D1為開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)的占空比,即t0～t1,D2是S1關(guān)斷但二極管Do導(dǎo)通的占空比,即t1～t2。

圖1 新型正輸出無(wú)橋CUK PFC變換器

模態(tài)1 [t0～t1]:主要理論波形及模態(tài)1等效電路如圖2和圖3a)所示,在此模態(tài)下,開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通。二極管D1正向偏置,電源給電感L2充電,輸出電感Lo兩端的電壓為VC1-Vo。假設(shè)輸入電容C1足夠大,其電壓在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS內(nèi)被認(rèn)為是恒定的。根據(jù)模態(tài)3中的電壓關(guān)系,可以得到VLo=Vac(t),因此Lo充電斜率為Vac(t)/Lo。電感L2和Lo的電壓電流關(guān)系為

圖2 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)主要理論波形

圖3 模態(tài)1～3的等效電路

(1)

(2)

流經(jīng)開(kāi)關(guān)管S1的峰值電流可以表示為

(3)

式中：Vm為輸入電壓Vac(t)的幅值；D1為開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通時(shí)的占空比；Le為L(zhǎng)1(L2)與Lo的并聯(lián)等效電感。

模態(tài)2 [t1～t2]:在模態(tài)2中,開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi),續(xù)流二極管Do導(dǎo)通。電感L2兩端的電壓為VC1-Vac(t),在模態(tài)1中,有電壓關(guān)系:VC1=VLo+Vo,且VLo=Vac(t),所以得到VL2=Vo,因此電感L2開(kāi)始以Vo/L2的斜率放電。Lo兩端的電壓等于Vo,以Vo/Lo斜率放電。放電完成后,二極管Do在零電流開(kāi)關(guān)(zero current switching,ZCS)條件下關(guān)斷。電感L2和Lo的電壓電流關(guān)系為

(4)

(5)

模態(tài)3 [t2～t3]:在此模態(tài)下,僅二極管D1和D4保持導(dǎo)通給電源和負(fù)載提供一個(gè)電流路徑,此時(shí),電感L2和Lo可以等效成電流源,電壓為零。其電壓關(guān)系為

VC1=Vac(t)+Vo

(6)

電源給電容C1充電,電容Co給負(fù)載供電。該模態(tài)一直持續(xù)到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS開(kāi)始。模態(tài)3持續(xù)的時(shí)間,即S1和Do都關(guān)斷的時(shí)間為

toff=TS-ton-tdon

(7)

式中：ton是開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通的時(shí)間,即t0～t1；tdon是輸出二極管Do導(dǎo)通的時(shí)間,即t1～t2。

根據(jù)(2)式和(5)式,電感Lo在ton的充電電量等于在tdon的放電電量。占空比D1和D2的關(guān)系為

(8)

式中：M是電壓轉(zhuǎn)換比(M=Vo/Vm)；ω是輸入電壓角頻率。

1.2 新型無(wú)橋CUK PFC變換器的設(shè)計(jì)

1) 輸入電感設(shè)計(jì)

如圖2所示,輸入電感L2以Vac(t)/L2的斜率充電,輸入電流紋波ΔIL2為Vac(t)/L2與D1*Ts的乘積,可以得到輸入電感L2的值(L1一樣)

(9)

2) 電壓轉(zhuǎn)換比M

根據(jù)文獻(xiàn)[12]提出的CUK PFC變換器的大信號(hào)模型,可以得到平均輸入電流,在輸入和輸出端根據(jù)功率守恒,可以求得輸入等效電阻,進(jìn)而可以推出電壓轉(zhuǎn)換比M為[13]

(10)

3) CCM和DCM的界限[13]

為了確保所提CUK PFC變換器工作在DCM模式下,可以獲得Ke的最小值和最大值,如下所示

(11)

(12)

這里Ke為

(13)

因此,當(dāng)滿(mǎn)足不等式Ke

4) 輸入與輸出電容的確定

要求輸入電壓頻率fL遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率fs，諧振頻率fr根據(jù)(15)式確定?？梢源_定輸入電容C1的值。變換器輸出紋波頻率是輸入電源頻率的2倍。當(dāng)半個(gè)周期內(nèi)的輸出電流全部由輸出電容Co提供時(shí)，可以得到Co。

fL

(14)

(15)

(16)

5) 開(kāi)關(guān)管與二極管上的電壓電流應(yīng)力分析

基于圖3,可以得到以下開(kāi)關(guān)管和二極管的電壓和電流應(yīng)力表達(dá)式。

VD1,D2max=Vacmax

(17)

VD3,D4,Domax=Vacmax+Vo

(18)

VS1max=Vacmax+Vo

(19)

IDmax=IS1max=Iacmax+ΔIL

(20)

式中：VD1,D2max是二極管D1和D2上的最大電壓應(yīng)力;VD3,D4,Domax是二極管D3和D4和Do上的最大電壓應(yīng)力;VS1max和IS1max分別是開(kāi)關(guān)S1上的最大電壓和電流應(yīng)力;IDmax是所提CUK PFC變換器二極管上的最大電流應(yīng)力;ΔIL是電感L1或L2上的電流紋波。

2 仿真結(jié)果分析

基于以上對(duì)所提新型的CUK PFC變換器的分析和設(shè)計(jì),搭建了PSIM電路仿真模型,進(jìn)行驗(yàn)證。具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4a)為輸入電壓電流波形,可以看出,輸入電壓電流同相位,保持了較好的正弦性;圖4b)是開(kāi)關(guān)S1滿(mǎn)載時(shí)的電壓和電流波形,開(kāi)關(guān)S1在ZVS條件下導(dǎo)通;圖4c)是輸出二極管Do的電壓和電流波形,可以看出Do在ZCS條件下關(guān)斷。控制所提CUK PFC變換器工作在DCM模式下可以降低變換器的開(kāi)關(guān)損耗。

圖4 仿真波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表2給出了所提CUK PFC變換器所用器件的型號(hào)和參數(shù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示,包括主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制器、電壓差分探頭、高頻電流探頭和功率分析儀等?？刂乒δ芡ㄟ^(guò)dSPACE實(shí)現(xiàn),由于變換器工作在DCM模式下,省去了電流控制環(huán),只需要1個(gè)電壓外環(huán),采集輸出電壓信號(hào),反饋到dSPACE中,與給定參考電壓比較,得到誤差信號(hào),通過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到輸出占空比,從而保證變換器輸出電壓的穩(wěn)定性。

表2 器件型號(hào)參數(shù)

圖5 CUK PFC變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合,開(kāi)關(guān)S1在ZVS條件下開(kāi)通,Do在ZCS條件下關(guān)斷,分別如圖6a)、6b)所示。從而減少了變換器的開(kāi)關(guān)損耗,提高了變換器的效率。

圖6 滿(mǎn)載時(shí)開(kāi)關(guān)S1 ZVS導(dǎo)通與二極管Do ZCS關(guān)斷

圖7a)至7c)是變換器分別帶載100%、50%和30%的輸入電壓和電流波形。滿(mǎn)載時(shí)輸入電流THD為3.78%、PF為0.995 7。隨著負(fù)載的減小，輸入電流幅值變小，正弦性變差，帶載30%時(shí)正弦性最差，滿(mǎn)載時(shí)正弦性最好。圖8是所提變換器在不同輸出功率下的效率折線(xiàn)圖，最差效率為輸出30 W時(shí)的86.05%，最高的效率為輸出150 W時(shí)的94.86%。

圖7 不同負(fù)載下輸入電壓電流波形

圖8 所提變換器的在不同輸出功率下效率圖

4 結(jié) 論

提出了一種新型無(wú)橋CUK PFC變換器拓?fù)?，無(wú)需附加反向放大器電路即可使變換器輸出電壓為正，通過(guò)優(yōu)化拓?fù)?，減少了1個(gè)輸入電容。該變換器工作在DCM下，不需要電流控制環(huán)，從而簡(jiǎn)化了控制電路。此外，所提出的變換器前級(jí)4個(gè)二極管都工作在工頻小電流工作狀態(tài)，可以選擇普通整流二極管代替快恢復(fù)二極管，進(jìn)一步減小了變換器的體積和成本。對(duì)所提無(wú)橋CUK PFC變換器的工作原理進(jìn)行了理論分析，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)關(guān)S1在ZVS條件下導(dǎo)通，輸出二極管Do在ZCS條件下關(guān)斷，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了變換器的效率。變換器滿(mǎn)載時(shí)PF為0.995 7，輸入電流THD為3.78%，最佳效率為94.86%。