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单级反激式功率因数校正的主要特点
来源: 日期:2013-11-18 21:53:38 人气:标签:
从30w led路灯技术参数中,我们可以知道,该驱动电源对功率因数与总谐波失真有要求,因此我们在设计整个电路结构时必须考虑该技术要求。我们知道,对于30w路灯电源的pfc来讲,我们可选择的方案有逐流电路、单级反激式pfc电路和有源两级的pfc电路,上表给出了三种pfc技术的定性比较,下表给出三种100wpfc技术的评价比较。但要综合考虑电路成本、体积、效率及可靠性的等因素, 后我们还是选择单级反激式功率因数校正电路。
1.单级反激式pfc转换器的优点
(1)有绝缘隔离。
(2)输出电压可以升压,也可以降压。
(3)有启动和短路保护。
2.单级反激式pfc转换器的缺点
(1)开关管的电压应力高。
(2)电流峰值和有效值高。
(3)效率较低。
(4)输出功率低,一般小于150w。
(5)输入电流纹波较大。
(6)保持时间(hold-up time)短。
单级功率因数校正由于控制电路简单、成本低、功率密度高,在中小功率场合得到了广泛的应用。一般单级pfc转换器电路内部需要一个低频储能电容cbulk,以平衡输入、输出的瞬时功率,并滤除二次谐波纹波,使负载端不出现两倍市电电网频率的波形,并使其有足够的保持时间。该电容的电压随着负载电流和市电电网电压的变化而变化。
例如轻载时,转换器的输出功率减小,输入给储能电容的能量大于从电容取出的能量,导致电容上的电压上升,其峰值可能高达450v以上,需要选用耐高压的储能电容,因而增加了成本。但是,我们将单级pfc用在led路灯驱动器中,那么可以认为负载是固定的,因此在设计初期可以比较容易地满足在储能电容上的电压小于dc450v的要求。
由上表可知,100w左右的有源单级pfc转换器,成本比有源两级pfc转换器低,所用元器件少,而效率则较高。
典型的单级隔离反激升压式pfc电路如下图所示,该拓扑是由升压型pfc级和反激式dc/dc变换器组合而成。有源开关vt为共享开关,cl为缓冲电容。通过控制v的通断,电路同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。
下图所示为dcm反激式pfc转换器的原理图,它是一个单环电压反馈pwm控制系统。dcm反激式pfc转换器开关管电流平均值为
式中:udc为整流输入电压;ton为导通时间;t为周期。
由上式可知,dcm反激式pfc转换器开关管电流平均值/vav与输入整流电压ucc呈线性关系。可以证明,下图所示的理想dcm反激式pfc转换器,对输入而言,可以等效为一个受占空比d控制的无损电阻(lossfreeresistor)。因此下图中的电路无需电流控制器,就可以实现输入端功率因数近似等于1。众所周知,电流断续模式(dcm)的boost变换器在固定占空比下电流自动跟随输入电压,因此,pfc级工作在dcm下可以得到较高的功率因数。但是,输入和输出电感电流的峰值较高,增加了有源开关的电流应力和开关损耗,变换器的效率低,另外电路需要一个更大的emi滤波器。如果要求减小开关器件的电压、电流应力,那就需要pfc级工作在电流连续模式(ccm)下,同时可以提高整个变换器的效率并减小emi。对于dc/dc变换器而言,为了提高变换器的效率,一般工作在ccm下,因此,占空比不随负载变化。当负载变轻时,输出功率减小,而pf'c级输入功率同重载时一样,则充入储能电容的容量大于从储能电容抽走的能量,导致储能电容电压上升。为了保持输出电压一致,电压反馈环调节输出电压,使占空比减小,输入能量也相应减小,这个动态过程要到输入和输出功率平衡后才停止。负载减小带来的后果是直流总线电压明显上升,也就是电容电压明显上升,甚至达到上千伏。
降低电容电压通常有两种方法:①采用变频控制,可以使电容电压低于450v,但是频率变化范围可能高达数十倍,不利于磁性元件的优化设计;②采用变压器绕组实现负反馈。如果pfc级和dc/dc变换器都工作在ccm下,输出功率减小时,虽然占空比不变,但输入功率也会相应减小,抑制了储能电容电压增加,它的效率是 高的,pf值有所降低,但是,很难找到一种拓扑完全工作在ccm下,设计上也相对复杂,此种控制方式不在本例的讨论范围之内。
和boostpfc转换器一样,反激式pfc转换器工作在dcm模式时的固有特点是:
输出电压调节采用电压型pwm控制时,稳态占空比d为常数(即导通时间ton为常数),输入电流接近于正弦波。因此,控制电路中无需乘法器和电流控制,就可以实现功率因数校正。
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