部分有源pfc技术的理论分析与试验研究-世纪电源网.doc

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部分有源pfc技术的理论分析与试验研究-世纪电源网

部分有源PFC技术的理论分析与实验研究在谐波污染越来越严重的今天,如何提高电网的供电质量,已经逐渐成为人们关注和研究的热点。为了抑制网侧的谐波电流污染,大多数设备的前级都采用了传统的boost型有源功率因数校正器,使得功率因数接近为1。这种有源功率因数校正器一般采用完全有源pfc校正技术,即功率开关在一个电源周期中始终处于开关状态,始终承受着较高的电压、电流和热应力,这就带来了大量的开关损耗、导通损耗,限制了效率的提高。对于变频家电行业中的变频空调而言,正在朝着单相供电大功率化方向发展,单个pfc单元的功率等级也在不断扩大,甚至高达6.0kw以上,在这种情况下采用完全有源pfc控制技术,器件的发热问题就变得非常严重,因此设计既具有高功率因数校正效果同时又具有高效率的功率因数校正装置就成为人们进一步研究的主题。部分有源pfc技术正是基于这一本景而被提出的。 部分有源pfc技术是综合了完全有源pfc技术和无源pfc技术的一种新型的功率因数校正技术。采用部分有源pfc技术能够将功率器件在一个电源周期中的斩波时间减少为原来的三分之二,从而可以减少三分之一的功率器件开关损耗和导通损耗,既带来了效率的显著提高又解决了大功率情况下功率器件发热严重的问题。这一技术目前在变频家用电器等行业已经得到了广泛和成熟的应用。 本文在分析了部分有源pfc技术原理的基础上,探讨了部分有源pfc技术效率提高的原因,并进行了部分有源pfc电路的具体实验研究,验证了上述分析的正确性。 2.1 部分有源pfc技术的提出 部分有源pfc技术是结合有源pfc技术和无源pfc技术特点而提出的一种综合了两种pfc优点的新颖的pfc技术[2]。 有源pfc技术也称完全有源pfc技术,是一种完全强迫整流技术,即在整个电源周期内功率开关始终都处在开关状态。采用完全pfc技术能够很好的改善输入电流的波形,带来功率因数的显著提高,同时采用完全有源pfc技术能够在得到大大高于电源峰值电压的直流输出电压;但是这种控制技术同时又造成了整个电源周期内功率器件较大的开关损耗和导通损耗,在大功率情况下,器件的发热和损耗犹为严重,严重的降低了器件的使用寿命和限制了系统效率的提高。 无源pfc技术其实质是一种自然整流技术。与完全有源pfc技术相比较,其得到的输入电流波形较差,也不能带来功率因数的显著提高,另外采用无源pfc技术得到的直流电压低于电源峰值电压,而且还会随着负载的增加而降低;但是该技术的显著优点在于不会带来功率器件的开关损耗和导通损耗,因此不会造成器件的发热和系统效率降低等问题。 部分有源pfc技术正是基于上述分析,综合了两种pfc控制技术的优点而被提出的。在整个电源周期内电路具有两种工作模式:无源pfc工作模式(自然整流状态)和完全有源pfc工作模式(强迫整流状态)。 2.2 部分有源pfc的控制策略 部分有源pfc控制策略主要有双脉冲方案、半周期脉冲控制方案及双端脉冲控制方案等。 图1所示为双脉冲控制方案的脉冲发送规律图。在输入电源周期的每1/4时间内,给功率开关管发送两个特殊脉冲,脉冲的发送时刻及脉冲宽度根据负载的功率的大小而定。该方案的效率最高,但是功率因数校正效果较差。 图1 双脉冲控制方案 图2所示为半周期脉冲控制方案的脉冲发送规律图。在输入电源周期的每半个周期内,有一半的时间给功率开关管发送合适的脉冲,对输入电流进行斩波控制,另一半时间将开关管关闭,电路处于自然整流状态。该方案的校正效果好于双端脉冲控制方案,但是校正效果也不是很好。 图2 半周期脉冲控制方案 图3中所示为双端脉冲脉冲控制方案的脉冲发送规律图。在输入电源的每半个周期内,在输入电压幅值较低的两端控制功率开关管对输入电流进行斩波,而在输入电压幅值较高的中间位置将开关管关闭,进行自然整流。该方案在上述三种控制方案中的校正效果是最好,也是目前部分有源pfc技术应用最为广泛的控制策略。 图3 双端脉冲控制方案 与完全有源pfc一样,部分有源pfc技术在输入电压较低的区间,pwm脉冲的占空比较高,在输入电压较高的区间,pwm脉冲的占空比较低。鉴于部分pfc技术存在自然整流过程,因此它属于降压型pfc。鉴于升压电感量较大,在输入电压过零点附近即使占空比很高,电流也很难上升起来,因此在实际应用中并不设置pwm斩波。这样经过仔细分析,对于不同的pwm模式,输入电压半周期内的部分pfc的工作模式为自然整流-强迫整流-自然整流-强迫整流-自然整流,升压电感的电流模式为零电流-ccm-续流(或不出现)-自然整流-续流-ccm-续流-零电流,上述情况决定于电感量的大小和pwm模式。 2.3 部分有源pfc的效率分析 下面结合传统有源pfc技术,定性分析部分有源pfc技术效率提高的原因。 传统有源pfc电路的脉冲控制规律如图4

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