低輸入電感電流紋波二次型BoostPFC變換器

1、網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013-01-08 10:04第33卷 第0期 2013年0月00日 中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào)(2013) 00-0000-00 中圖分類號(hào)：TM 46 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 學(xué)科分類號(hào)：47040 文章編號(hào)：0258-8013低輸入電感電流紋波二次型Boost PFC變換器楊平，許建平，董政，張斐，張士宇(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川省 成都市 610031)Quadratic Boost Power Factor Correction Converters WithSmall Input Inductor Current RippleABSTRACT: To reduce

2、 the input inductor current ripple and EMI of boost power factor correction (PFC) converters, the quadratic boost converter is utilized to realize PFC in this paper. The operation modes of quadratic boost PFC converters are discussed. When the input inductor operates in a continuous conduction mode

3、(CCM), according to the operating mode (CCM and (discontinuous conduction mode，KEY WORDS:摘要：針對(duì)Boost功率因數(shù)校正(power factor correction，PFC)變換器輸入電感電流紋波大、電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)問(wèn)題嚴(yán)重的缺點(diǎn)，提出將二次型Boost 變換器應(yīng)用于PFC變換器，簡(jiǎn)稱二次型Boost PFC變換器，并分析其電路工作模態(tài)。當(dāng)輸入電感工作于連續(xù)導(dǎo)電模式(continuous conduction mode，CCM)時(shí)，根據(jù)儲(chǔ)能電

4、感的工作模式(CCM和斷續(xù)導(dǎo)電模式(discontinuous conduction mode，DCM)，將CCM二次型Boost PFC變換器分為CCM-CCM二次型Boost PFC變換器和CCM-DCM二次型Boost PFC變換器。分析不同交流輸入電壓等級(jí)下CCM Boost PFC變換器和二次型Boost PFC變換器的輸入電感電流紋波和占空比變化范圍。結(jié)果表明，與CCM Boost PFC變換器相比，CCM二次型Boost PFC變換器減小了輸入電感電流紋波和占空比變化范圍。最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。關(guān)鍵詞：二次型Boost變換器可分為模式9：連續(xù)導(dǎo)電模式(c

5、ontinuous ，CCM)，臨界連續(xù)導(dǎo)電模式(critical ，CRM)和不連續(xù)導(dǎo)電模式，DCM)。Boost功率(power factor correction，PFC)變換器在這3種工作模式下均存在輸入電感電流紋波大的問(wèn)題，導(dǎo)致前級(jí)電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)濾波器的尺寸增大，增加了電路的體積和系統(tǒng)成本7-8。因此，研究具有低輸入電感電流紋波的PFC變換器具有重要意義。文獻(xiàn)9-12提出了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，以降低輸入電感電流紋波，但它需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，增加了控制環(huán)路的設(shè)計(jì)難度和系統(tǒng)成本。文獻(xiàn)13利用耦合電感和隔直電容將高頻電流旁路，以削弱輸入電

6、流紋波并減小EMI干擾，但它增加了主電路拓?fù)涞膹?fù)雜性。文獻(xiàn)14利用并聯(lián)在Boost電感和輸出二極管的電容來(lái)提供高頻電流通路，但其僅適用于DCM模式。與級(jí)聯(lián)型開(kāi)關(guān)變換器15相比，二次型開(kāi)關(guān)變換器僅用一個(gè)開(kāi)關(guān)管即可實(shí)現(xiàn)與占空比成平方關(guān)系的直流傳輸比16-18。此外，文獻(xiàn)17提出將二次型Boost變換器輸入電感電流和輸出電容電壓作為反饋信號(hào)的峰值電流控制策略，簡(jiǎn)化了控制環(huán)路設(shè)計(jì)。二次型變換器因其拓寬了DC-DC變換器的輸入2 中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào) 第33卷電壓變化范圍以及控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注17-21。本文提出將二次型Boost變換器應(yīng)用于PFC變換器，本文稱為二次型Boost P

7、FC變換器。由于CCM Boost PFC變換器具有比DCM Boost PFC變換器更小的輸入電感電流紋波22，為得到低輸入電感電流紋波的PFC變換器，本文研究輸入電感工作于CCM模式的CCM二次型Boost PFC變換器。根據(jù)儲(chǔ)能電感的工作模式（CCM和DCM模式），可以將CCM 二次型Boost PFC變換器分為CCM-CCM二次型Boost PFC變換器和CCM-DCM二次型Boost PFC時(shí)d1=1d、d2=1d；當(dāng)CCM二次型Boost PFC變換器的電感L1工作在CCM模式、電感L2工作在DCM模式時(shí)，即CCM-DCM二次型Boost PFC變換器，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)其等效電路如

8、 圖2(a)、(b)和(c)所示，此時(shí)d1=1d、d2<1d。+uo+uoC+uo3所 (1)1）所有的開(kāi)關(guān)管、二極管、電感和電容均為理想元件。2）f、fline分別為變換器的開(kāi)關(guān)頻率和電網(wǎng)頻率，f>>fline，T=1/f為變換器的開(kāi)關(guān)周期，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓保持不變。3）儲(chǔ)能電容C2足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸出電壓保持不變。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，d為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間占空比，d1、d2分別為電感L1、L2的放電時(shí)間占空比。當(dāng)二次型Boost PFC變換器的電感L1、L2均工作在CCM模式時(shí)，即CCM-CCM二次型Boost PFC變換器，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)其等效電路如圖2(a

9、)、(b)所示，此為輸入電壓角頻率。利用時(shí)間平均等效原理22對(duì)二次型Boost變換器進(jìn)行直流穩(wěn)態(tài)分析，可得CCM-CCM二次型Boost變換器電壓傳輸比M為M=1(2)(1D)2CCM-DCM二次型Boost變換器電壓傳輸比M與各變量之間的關(guān)系為M=(D+D1)(D+D2)(3)D1D2D1=1D (4)第 期 楊平等：低輸入電感電流紋波二次型Boost PFC變換器 3或uu23圖3 Fig. 3 (6)(7)式中：K1=D1、D2(8)1.2 CCM圖4壓ue (9)PI關(guān)管S控制環(huán)(10)22式(6)、(8)可得CCM-CCM二次型Boost PFC變換器占空比隨時(shí)間變化關(guān)系為d=1 (

10、11) 根據(jù)文獻(xiàn)2,5可知CCM Boost PFC變換器的占空比隨時(shí)間變化關(guān)系為d=1UMsint (12) Uo圖4 二次型Boost PFC變換器控制框圖Fig. 4 Control block diagram of quadratic Boost PFC converter因此，當(dāng)交流輸入電壓有效值分別為110和220 V時(shí)，由式(10)(12)可得3種變換器的占空比變化范圍，如圖5所示，其中，CCM Boost PFC變D中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào) 第33卷將式(10)(12)的占空比關(guān)系式代入式(13)、(14)，由(15)可得CCM Boost PFC變換器的輸入電感電流紋波

11、變化趨勢(shì)，如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)輸入電壓Uin分別為110和220 V時(shí)，CCM Boost PFC變換器的輸入電感電流紋波最大值分別為0.93和t/s圖5 不同交流輸入電壓等級(jí)下占空比變化范圍Fig. 5 Range of duty ratio underdifferent AC input voltageDCM二次型Boost PFC變換器具有最小的輸入電感EMI 大(b) 輸入電壓220 V由圖3和式(1)可知，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)輸入電感電流的變化量為Iup=UMsintL1dT (13)圖6 一個(gè)工頻周期內(nèi)輸入電感電流紋波 Fig. 6 Current ripple o

12、f input inductor in a line cycle3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文分別對(duì)CCM Boost PFC變換器和CCM二次型Boost PFC變換器進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，電路參數(shù)選取如表1所示。同理，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)輸入電感電流的變化量為Idown=uC1UMsintL1(1d)T (14)圖7為Uin=220 V時(shí)，CCM Boost PFC變換器和因此，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電感電流紋 波為CCM二次型Boost PFC變換器的仿真結(jié)果。由圖7可知，CCM Boost PFC變換器，CCM-CCM二次型Boost PFC變換器和CCM-DCM二次型Boost P

13、FC變I=max(Iup,Idown) (15)換器的輸入電感電流紋波最大值分別約為第 期iL1/A楊平等：低輸入電感電流紋波二次型Boost PFC變換器 5iL1/A2 1iL1/A2 1變換器二次型0.65、PFC圖8變變換CCMuo波形；i可知，感電流紋波最大值約為0.4 A，CCM-DCM二次型CCM-DCM二次型Boost PFC變換器中電感電流iL2的峰峰值較大，造成變換器中開(kāi)關(guān)管與二極管的導(dǎo)通損耗增加，從而降低了CCM-DCM二次型BoostBoost PFC變換器的輸入電感電流紋波最大值約為0.22 A，僅為CCM Boost PFC變換器輸入電感iFFT iL1 uin,

14、uo(50 dB/格) (500 mA/格) (100 V/格)PFC變換器效率。效率/W90858075功率/W圖9 PFC變換器效率曲線(a) CCM Boost PFC變換器Fig. 9 Efficiency curves of PFC converter6 中 國(guó) 電 機(jī) 工 程 學(xué) 報(bào)Electronics，2000，15(1)：51-57第33卷4 結(jié)論本文提出了一種二次型Boost PFC變換器，當(dāng)輸入電感工作于連續(xù)導(dǎo)電模式時(shí)，根據(jù)CCM二次型Boost PFC變換器儲(chǔ)能電感的工作模式，將其分為CCM-CCM二次型Boost PFC變換器和CCM- 并分析了其工作原DCM二次型B

15、oost PFC變換器，理。研究了CCM Boost PFC變換器和CCM二次型7 鄧衛(wèi)華，張波一種全新的臨界工作模式下的單級(jí)功率因數(shù)校正電路工作特性研究J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(7)：36-40Deng Weihua，Zhang BoResearch on a novel boundary conduction mode of single-stage PFC circuit JProceedings of the CSEE，2003，23(7)：36-40(in Chinese)8 Kolar J W，Ertl H，Zach F CSpace vector-basedanalyt

16、ical analysis of the input current distortion of a three-phase discontinuous-mode boost rectifier system JIEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(6)：733-7459 Buck-Boost2010，30(21)：7-12，2010，30(21)：A 3-kW unity-power-factorIEEE Transactions on ，1999，14：209-217，Lee Y S，David K WSteady-state ana

17、lysis ofJIEEE Transactions on Power Electronics，2000，47(4)：785-79512 Giral R，Martinez-Salamero L，Leyva R，et alSliding-mode control of interleaved boost convertersJ IEEE Trans. on Circuits and Systems I：Fundamental Theory and Applications，2000，47(9)：1330-133913 Chou E，Chen F，Adragna C，et alRipple ste

18、ering AC-DCconverters to minimize input filterC/Proceedings of the Energy Conversion Congress and ExpositionCalifornia：IEEE，2009：1325-133014 Garinto DA new zero-ripple boost converter withseparate inductors for power factor correctionC/IEEE Power Electronics Specialists ConferenceFlorida：IEEE，2007：1

19、309-131315 Matsuo H，Harada KThe cascade connection ofswitching regulatorsJIEEE Trans. on Industry Application，1976，12(2)：192-19816 Maksimovic D，Cuk SSwitching converters with wideDC conversion rangeJIEEE Trans. on Power Electronics，1991，6(1)：151-15717 楊平，許建平，張士宇，等峰值電流控制二次型Boost變換器J電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(5)：

20、101-107Yang Ping，Xu Jianping，Zhang Shiyu，et alTheBoost PFC變換器的輸入電感電流紋波和占空比變化范圍。結(jié)果表明，與CCM Boost PFC變換器相比，CCM二次型Boost PFC變換器在不同的交流輸入電壓等級(jí)下減小了占空比變化范圍，簡(jiǎn)化了PI控制器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；同時(shí)其輸入電感電流紋波較小，可降低EMI濾波網(wǎng)絡(luò)的尺寸，從而減小了電路的體積和系統(tǒng)成本。最后通過(guò)仿真模型和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析的正確性。參考文獻(xiàn)1 王鴻雁，徐立烽，江泓，等單相多電平功率因數(shù)校正變換器應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究J2004，24(11)：28-33Wang Hongyan，

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22、波，丘東元，等電流連續(xù)型Boost變換器狀態(tài)反饋精確線性化與非線性PID控制研究J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(8)：45-50Deng Weihua，Zhang Bo，Qiu Dongyuan，et alThe research of state variable feedback linearization method on the CCM Boost converter and nonlinear PID control lawJProceedings of the CSEE，2004，24(8)：45-50(in Chinese)6 Gotfryd MOutput voltage

23、 and power limits in Boostpower factor corrector operating in discontinuous inductor current modeJIEEE Transactions on Power第 期 楊平等：低輸入電感電流紋波二次型Boost PFC變換器 7and reduced voltage stressC/7th international Power Electronics And Motion Control ConferenceHarbin：IEEE，2012：1164-1168peak current control-mo

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