基于Flyboost模塊的新型單級功率因數(shù)校正變換器

1、基于 Flyboost 模塊的新型單級功率因數(shù)校正變換器摘要：提出了一種新型的功率因數(shù)校正模塊(flyboost 模塊)，它具有兩種工作狀態(tài)(反激變換器狀態(tài)和 Boost電感狀態(tài))。基于這種PFC模塊，得到了一 種新型的單級PFC變換器，實驗證明這種變換器不僅可以得到很高的功率因 數(shù)，而且可以顯著提高變換器的效率并自動限制中間儲能電容上的電壓。關(guān)鍵詞：單級功率因數(shù)校正；Flyboost 模塊；效率1 引言近年來，提出了很多單級功率因數(shù)校正(PFC變換器1 2。然而，這些變換 器存在著不少缺點，如低效率，不適用于大功率應(yīng)用，儲能電容電壓變化大等。這些缺點都限制了單級 PFC變換器的應(yīng)用。一般的單

2、級PFC變換器都是由Boost電感和DC/D吸換器組成，通過控制Boost 電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式，可以使得輸入電流自動跟隨輸入電壓，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。然而，無論是兩級PFC變換器還是通常的Boost電感型單級PFC變換器，輸入 功率都是先經(jīng)過中間儲能電容然后再經(jīng)過 DC/DC變換器輸出,這樣，從輸入到 輸出，功率經(jīng)過兩級變換。本文提出了直接功率變換的概念，基于這種概念，提出了一種新型的單級功率因數(shù)校正AC/DC變換器。實驗證明，這種新型的變換器不僅具有很高的功率因數(shù)，而且能夠顯著提高變換器的效率并自動限制中間儲能電容上的電壓。(a) 典型變換器功率流向(b) 帶直接功率變換模塊的變換器

3、功率流向圖 1 變換器的功率流向圖2 直接功率變換的概念在如圖1 (a)所示的典型功率因數(shù)校正 AC/DC變換器中，包含了兩個功率模塊，即PFC模塊和DC/DC真塊。首先，脈動的卒&入交流功率經(jīng)過 PFC模塊輸入 到儲能電容上，然后經(jīng)過 DC/DC變換器，得到穩(wěn)定的直流輸出。如果 PFC莫塊 和DC/DC變換器模塊的效率分別是 “1和“2,那么，AC/DC變換器的總效率 7為4二41 , 7 2 (1)實際上，希望得到穩(wěn)定的直流輸出并不需要經(jīng)過兩次功率變換。我們可以讓一部分交流功率只經(jīng)過一次功率變換就到達直流輸出端；而其余部分輸入功率則經(jīng)過兩次功率變換。這樣，既可以得到高效率，又可以獲

4、得穩(wěn)定的直流輸出3,5,如圖1 (b)所示。如果m表示能量的直接變換部分，那么(1 M則是間接變換的能量，則Po=Pinr 1m Pin 4 1 ” 2(1 m) (2)y =y 1nn-k 4 1 ” 2(1 m)=r 1 4 2+ m4 1(1 一 4 2) (3)所以，具有直接功率轉(zhuǎn)換的變換器的效率比原來提高了m” 1 (1-2) o3直接功率變換及功率因數(shù)校正模塊設(shè)工頻交流經(jīng)過全波整流后加在反激變換器上的電壓為Vin,輸入電流為i1 ,變壓器的變比為n:1 ,輸出電壓為Vo,輸出電流為io , Re表示等效輸入無損電 阻。在一定占空比下，當反激變換器(flyback)工作在不連續(xù)導(dǎo)電模

5、式(DCM下， 輸入電流i1為三角波，其平均值近似為正弦波。另外，對輸入而言，反激變換 器可等效為一個受占空比D控制的無損電阻4,等效電路如圖2所示。3 1等效輸入電阻Re在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，Vin近似不變，反激變換器原副邊電流為i1 , io呈三 角波。0 DTs期間i1以斜率Vin/n2L線形增大(L為變壓器副邊的電感值)。DTs- (D+ D2) Ts期間副邊電流io以斜率一Vo/L減小，D2Ts為輸出整流管 導(dǎo)通時間。顯然原邊峰值電流ip為ip=(4)輸入平均電流 i1(avg)為 i1(avg)=i1dt= - DTs=ipD=(5)從而得至U Re=(6)3.2平均輸出電流和輸出

6、功率副邊峰值電流為ip ',則平均輸出電流i0(avg)為i0(avg尸i0dt=(7)根據(jù)伏秒積平衡VinDTs=nVoD2TsmD2=VinD/nVo(8)將式(8)代入式(7)中，得到i0(avg)=DVinip ' /2nVo=D2Vin2Ts/2n2LVo=Vin2/VoRe(9)所以，輸出平均功率為Po=Vo io(avg)=Vin2/Re=Pin(10)上述分析說明：1)輸出功率=輸入功率，沒有功率損耗, 實現(xiàn)直接功率傳遞的概念；2)在式(5)中，Vin=|Vpeak sint| ,可知輸入平均電流滿足正弦規(guī)律，實現(xiàn) 功率因數(shù)校正。盡管工作在DCM勺反激變壓器具有

7、以上優(yōu)點，但是，它同時也存在不少缺點，例如，由式(9) 可知，輸出電流中含有很大的二倍工頻的紋波。4 基于 Flyboost 模塊的單級功率因數(shù)校正AC/DC變換器在反激變壓器的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新型的單級PFC變換器，即基于Flyboost模塊的單級PFC變換器，如圖3所示。當工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM下，F(xiàn)lyboost模塊的工作狀態(tài)可以概括為兩種狀態(tài)，即反激變壓器狀態(tài)和Boost 電感狀態(tài)，兩個工作狀態(tài)的工作波形如圖5 所示。1)反激變壓器狀態(tài)當|Vin(t)|<(Vc1 nVo)(式中Vin(t)表示交流輸入電壓瞬時值， Vc1 表示中間儲能電容電壓，n 表示 T1 的變比)。T