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一种新型无桥部分有源PFC的实验研究2008-9-16 13:58:00　王 晗 杨喜军 雷淮刚 裴玉明　供稿1?引言????在变频家电行业，交直交变频器的应用越来越广泛。这种变频器的前级一般都采用不可控整流桥和电解电容滤波，在网侧产生了严重的谐波电流污染，致使产品不能通过iec61000-3-2和iec61000-3-12[1-2]，所以必须在这些装置的前级加装有源功率因数校正器。传统的有源功率因数校正器，属于一种完全有源pfc，虽然校正效果良好，但是大功率情况下，功率器件损耗较大，发热也比较严重。文献[3]提出的部分pfc电路，其实质属于一种buck型pfc电路，虽然校正效果和效率都很好，但是由于斩波区间电角度不可调，在大功率情况下，直流侧电压跌落比较厉害，造成后级逆变器系统调制度的减小，降低了电动机的恒转矩范围。另外部分pfc电路在斩波区间采用开关频率固定的调制方案，使得系统在开关频率附近产生较强的emi，如果采用开关频率变化的调制策略则将大大降低开关频率附近的emi。 ????鉴于上述几点，本文基于无桥pfc这种高效率的电路拓扑，采用开关频率调制方式研究了一种新型的部分有源pfc电路，通过调节斩波区间的电角度去调节直流母线电压，属于一种buck-boost型的变换器。通过理论分析揭示了无桥pfc电路的本质，并进行了仿真分析和实验研究。2?部分pfc电路的原理分析2.1?传统的部分pfc电路????文献[3]提出的部分pfc电路，基于传统的单相boost拓扑如图1所示，采用固定电角度斩波的双端脉冲控制方案如图2所示。图1?传统的单相pfc电路拓扑图2?固定电角度的双端脉冲控制方案????图1所示的传统单相pfc电路一共使用了六个功率器件，在电路工作的每一个时刻都有3个功率器件处于工作状态，具有损耗较大，成本过高等不足，且电路不对称，因此emi也较强。图2所示的部分pfc采用的固定电角度的双端脉冲控制方案，在输入电源的正/负周期内，在电源电压较低的区间（0-θ1和θ2-π）内，对功率开关s进行控制，在电源电压峰值附近的区间内（θ1-θ2），功率开关s始终处于关断过程。一般情况下，θ1取π/3，θ2取2π/3。采用上述斩波电角度不变的双端脉冲控制方案，在大功率输出情况下，直流母线侧电压跌落得比较厉害，这将降低变频器后级电动机的恒转矩范围。因此，传统的部分pfc电路，效率偏低，只适合于对直流母线电压要求不高的中、高功率应用场合。 2.2?新型无桥部分pfc电路????基于传统的部分pfc电路的两点不足，本文采用高效率的无桥pfc拓扑见图3和可变电角度的双端脉冲控制方案见图4来设计改进的部分pfc电路。????图3所示的无桥pfc拓扑[4-5]，电路结构简单，只采用了4个功率器件，在电路工作的每一时刻，只有两个功率器件处于工作状态，与图1所示的传统单相pfc电路相比，在相同工作条件下降低了一个功率器件的损耗，因此损耗较低，效率较高，而且电路完全对称，也有利于降低系统的emi。图3?单相无桥pfc的电路拓扑图4?改进的可变电角度的双端脉冲控制方案????图4所示为本设计采用的可变电角度的双端脉冲控制方案。与图2所示的传统的固定电角度的双端脉冲控制方案不同的是，在电源电压的正/负半个周期内，在0～θ1时间，因为电源电压很低，此时即使调节占空比接近100%，电流上升也非常缓慢，因此在0～θ1时间内并不控制功率开关对输入电流进行斩波；在θ4～π时间，同样不对电源电压进行斩波，而是利用电感的续流作用，让输入电流自然下降为零。在电源电压的θ1～θ2和θ3～θ4时间内控制功率开关工作让电路处于强迫整流状态；而在电源电压较高的θ2～θ3的时间内，让功率开关停止工作从而让电路处于自然整流状态。θ2、θ3的时刻由负载功率决定，负载越大，有源pfc作用时间θ2值就越大，一般情况下，电角度θ2与θ3互补。????采用上述脉冲控制方案，可以根据负载大小通过调节电角度θ2方便的对直流母线电压进行调节。其中理论上θ2变化范围可从0～π/2，一般为了得到较好的电流校正效果，实际应用中θ2一般取π/3～π/2。当θ2较小时候，得到的直流母线电压将低于输入交流电压的峰值，此时电路属于buck型；当θ2为π?/2时，电路工作与完全pfc状态相同，此时直流母线电压将远高于输入交流电压的峰值，属于boost型。因此，这种改进的部分pfc电路属于一种buck-boost型pfc电路。 2.3?采用开关频率调制降低系统emi的实现???传统的部分pfc电路在斩波区间一般采用开关频率不变的调制方式，因而造成在开关频率及其整倍数附近具有较强的emi。而采用开关频率调制方式，可以大大降低了系统的emi强度。部分pfc本身就包含了一种特殊的开关频率调制方式，再加上m