基于SEPIC的功率因數(shù)校正電路的參數(shù)設(shè)計與分析

1、基于sepic的功率因數(shù)校正電路的參數(shù)設(shè)計與分析 張洋，龔春英 (南京航空航天大學航空電源重點實驗室，江蘇    南京    210016） 1    引言     電力電子裝置日益廣泛的應用，使得諧波污染問題引起了人們越來越多的關(guān)注。電力電子技術(shù)的進步，使得功率因數(shù)校正問題的研究也越來越深入。傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路由boost電路構(gòu)成。這種電路控制復雜，輸出電壓比輸入高，難以實現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離。而由反激電路構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路必須工作在電感電流斷續(xù)的狀態(tài)，往往需要大體

2、積的emi濾波器。而sepic電路用于pfc有著其天然優(yōu)勢。由于其前級類似于boost，從而可以保證輸入電流的連續(xù)，減小了輸入emi；而其輸出又類似于反激，易于實現(xiàn)電氣隔離。近來，sepic-pfc電路正受到越來越多的關(guān)注。1234     單獨的sepic電路只須工作在電流斷續(xù)狀態(tài)就能自然實現(xiàn)pfc，這里所說的斷續(xù)是指二極管上的電流斷續(xù)，而輸入升壓電感上的電流是連續(xù)的。在開環(huán)工作狀態(tài)下其理論功率因數(shù)為1，因此，無需專用控制芯片2。 2    sepic-pfc電路的工作原理     sepic-pfc電

3、路原理如圖1所示，輸入交流電壓ui=uisint。假設(shè)開關(guān)頻率比母線頻率大得多，由“準穩(wěn)態(tài)”的分析方法及sepic電路的工作原理6可以知道：電容cc上的電壓ucc=ui|sint|。 圖1    sepic-pfc電路     在一個開關(guān)周期內(nèi)，電路工作可以分為三個模態(tài)2。 2.1    工作模態(tài)1     s開通，電路模態(tài)如圖2（a）所示，假定電路工作在二極管電流斷續(xù)，l1電流連續(xù)的狀態(tài)。s開通前有     il1=il2=i1當ton=dts

4、，s導通結(jié)束時，如圖2（d）所示，應有     il1,pk=i1dts    （1）     il2,pk=i1dts    （2） 式中：d為占空比；       ui=ui|sint|；       ts為開關(guān)周期；       i1，i1，il1,pk，il2,pk分別為s開通前l(fā)1，l2上的電流及此模態(tài)結(jié)束時l1，l2

5、上的電流。 2.2    工作模態(tài)2     s關(guān)斷，d導通，電路模態(tài)如圖2（b）所示，此時，l1，l2同時向副邊傳輸能量，cc充電。s關(guān)斷瞬間，二極管上電流最大值為     id,pk=    （3） 式中：n為變壓器副邊與原邊匝數(shù)之比；       leq=。     模態(tài)2結(jié)束時應有     il1=i1dtsdts    （4）

6、    il2=i1dtsdts    （5） 式中：dts為該模態(tài)持續(xù)時間。     顯然，當dts=dts時該模態(tài)結(jié)束，可以得出該模態(tài)持續(xù)時間為     dts=|sint|    （6） 式中：m=uo/ui。 （a）    電路模態(tài)1等效電路 （b）    電路模態(tài)2等效電路 （c）    電路模態(tài)3等效電路 （d）   

7、; il1，il2，id電流示意圖 圖2    電路三個工作模態(tài)等效電路與相關(guān)電流示意圖 2.3    工作模態(tài)3     s關(guān)斷，d關(guān)斷，電路模態(tài)如圖2（c）所示，此時，l1，l2上的電流分別為i1，i1。     如圖2（d）所示，二極管上的電流id在一個開關(guān)周期的平均值為     id,avg= 將式（3），式（6）代入可得     id,avg=    （7）  

8、60;  id在一個母線周期內(nèi)的平均值為     id,avg=    （8） 由于在一個開關(guān)周期內(nèi)，l1，l2，cc并不吸收能量， 因此有     uiiin=uoid,avg從而輸入電流在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值iin為     iin=id,avg=|sint|=i1|sint|    （9） 式中：i1=。     因此，iin在理論上是一個與ui同相位的正弦量。 3   

9、; 輸出電壓二倍線頻紋波     與很多pfc預調(diào)節(jié)器一樣，sepic-pfc電路的輸出存在二倍線頻的紋波電壓。由式（7），式（8）可以得到     id,avg=id,avgid,avgcos(2t)     可導出二倍線頻紋波電壓v為         v=    (10) 4    占空比對于輸入電流諧波的影響     由式（9）可知，如果占空

10、比固定，則輸入電流是一個理想的正弦量。由于實際穩(wěn)壓需要，往往要加上電壓環(huán)，對占空比進行調(diào)節(jié)。設(shè)d=dd，假定dd，則應有     d2d22dd=d2=d22d2 則iin=i1|sint|2i1|sint|    (11) 式中：d，d，分別為d的平均值，d的變化量，d的相對變化量；       i1為i1的直流分量。     顯然，如果是個時變的量，輸入電流就會出現(xiàn)畸變，只要占空比的相對變化量是一定的，其輸入電流畸變就是一定的。因此，為了保證輸入電流t

11、hd的要求，d/d應控制在一定的范圍內(nèi)。 5    sepic-pfc電路的主要參數(shù)設(shè)計原則 5.1    等效電感l(wèi)eq設(shè)計原則     要保證輸入電流的正弦性和與ui的同相位性，必須讓電路工作在二極管電流斷續(xù)和恒占空比狀態(tài)，因此有     t=dtsdts<ts 即    dts|sint|<ts 可以得到    d(1|sint|)<1 考慮最惡劣的條件|sint|=1則應有  &#

12、160;  d<    （12） 由式（8）可解得d=代入式（12）可得     leq<    （13） 5.2    d與n的設(shè)計原則     由d<可知，若d與m都是已知的，可得n<m，這樣，滿足電路斷續(xù)的條件關(guān)鍵在于變壓器匝比n的選擇。如果n選擇過大，則d必須很小，由式（13）知leq會很小，一般l1l2，leql2，這樣，l2上的電流脈動就會很大，如果n選擇過小，l2上的電流脈動會減小，由式（3）可知i

13、d,pk會很大。因此，n的選取將對電路器件應力有著很大影響。     由式（3）可知，在半個線周期內(nèi)id,pk,max=給定id,pk,max<id,max，其中id,pk,max為二極管電流最大值，id,max為二極管允許電流最大值。一般，由l1l2可知id,pk,max。因此，只須<id,max?？紤]n<m，可綜合解得n的范圍為     <n<m 要使n有值，必須滿足     m> 這樣，可以解得：1d>，將式（8）代入可得    

14、; id,max>     顯然，占空比越大，二極管上的峰值電流就越大，并且d>0，則id,max必須大于4倍的輸出平均電流。這里與變壓器匝比無關(guān)。不管如何設(shè)計，只要工作在斷續(xù)狀態(tài)，二極管上的峰值電流就一定大于4倍的輸出平均電流。     在給定id,max的情況下又有     d<1    （14） 5.3    控制電路參數(shù)設(shè)計原則     雖然pfc電路的工作方式與普通dc/dc變換器一樣，但

15、對于控制電路的設(shè)計，卻有本質(zhì)上的區(qū)別。一般dc/dc補償器原則是提高穩(wěn)定性和抑制開關(guān)噪聲，而pfc的主要目的在于抑制二倍線頻的電壓紋波2。     為了滿足thd的要求，輸出電壓紋波對補償器的輸出的影響應在一定的范圍中5，即     gu<u    （15） 式中：g為補償器在二倍線頻處的增益；             u為電壓紋波；     

16、0; u為補償器輸出值的直流分量。     由此可以確定電壓補償器的參數(shù)范圍。如采用圖3所示電壓補償器，應有 待添加的隱藏文字內(nèi)容3    g(j2)=    （16） 圖3    電壓補償器 若2rfcf>>1，則有     |g(j2)|=    （17） 6    實例設(shè)計及仿真分析     根據(jù)以上分析，以220v，50hz輸入，48v，

17、500w輸出，50khz開關(guān)頻率為背景設(shè)計sepic-pfc電路，控制電路采用圖3所示電壓補償器，占空比相對變化量控制在2。濾波電容為10000f，l1可根據(jù)輸入電流紋波條件進行選取，cc可根據(jù)式（18）進行選取5。     (510)s=    （18）     圖4(a)為d=0.5時，按上述原則設(shè)計的主電路參數(shù)所得到的開環(huán)輸入電流波形，圖4(b)為相同主電路參數(shù)d=0.8時的開環(huán)輸入電流波形，由于d=0.8時電路已不滿足斷續(xù)條件，輸入電流畸變明顯變大。 (a)    d

18、=0.5 (b)    d=0.8 圖4    不同占空比下的開環(huán)輸入電流波形     表1，表2，表3為在不同的占空比下的電路仿真數(shù)據(jù)。由這組數(shù)據(jù)可以看出，在同一額定占空比的情況下，thd隨著負載的減小而減小，由于占空比的變化率受到控制，相同負載不同額定占空比情況下thd變化不大。隨著占空比的增大，輸出電壓負載調(diào)整率在減小，電路穩(wěn)壓能力提高，這與理論分析一致。圖5,圖6分別為額定工作占空比為0.5，滿載和1/3負載時的輸入電壓、電流波形，其中幅值較大的為輸入電壓，較小的為輸入電流。 表1 &#

19、160;  d=0.2的仿真數(shù)據(jù) uo/u u/u thd/ /° pf 滿載 48.0 2.4 0.15 0.8 0.989 2/3載 49.2 1.9 0.11 0.5 0.994 1/3載 51.0 0.6 0.05 0.3 0.999 d=0.2    n=0.5    l1=2mh   l2=38h cc=0.51f    cf=2.3f    rf=6.9k 表2    d=0.3的仿真數(shù)據(jù) uo/u u/u thd/ /° pf 滿載 47.8 2.2 0.17 1.3 0.986 2/3載 48.5 1.4 0.11 1.1 0.994 1/3載 50.2 0.7 0.06 0.7 0.998 d=0.3    n=0.3    l1=3mh    l2=8