多相交叉升壓電路及其在有源功率因數(shù)校正技術(shù)中的應(yīng)用

摘要：提出一種新的,已獲專利的多相交叉升壓電路拓?fù)?專利申請?zhí)朜o.00257426＆00130365)。使用這種多相電路拓?fù)?，可將電力電子產(chǎn)品的有源功率因數(shù)校正的輸出功率擴(kuò)展至2～4kW，以滿足IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。多相交叉升壓式的有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有輸出功率大，電路簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。對雙端推挽式升壓電路的主功率級和控制器做了分析，并給出了輸出功率為2kW樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：多相交叉；升壓電路；有源功率因數(shù)校正；雙端推挽式升壓電路

1  引言

    在脈寬調(diào)制技術(shù)上發(fā)展起來的高頻變換技術(shù)大大提高了電能的變換效率；縮小了電力電子產(chǎn)品的體積；減輕了其重量；從而降低了能耗；節(jié)省了材料。但因?yàn)楦哳l脈寬調(diào)制變換技術(shù)大多采用電容濾波型整流電路（輸入電流受濾波電容的影響為脈沖狀態(tài)，如圖1所示），所以功率因數(shù)低、輸入電流諧波成分大，是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源，對電力系統(tǒng)造成很大危害^[1]。隨著諸如開關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器、電機(jī)變頻調(diào)速裝置及家用電器等大量電力電子產(chǎn)品的應(yīng)用，電力系統(tǒng)出現(xiàn)了日趨嚴(yán)重的高次諧波電流污染問題^[2]。另外大多數(shù)電力電子產(chǎn)品的功率因數(shù)低,這樣就給電網(wǎng)帶來額外的負(fù)擔(dān),造成零線發(fā)熱，影響供電質(zhì)量。同時(shí)還增加了用戶的電費(fèi)^[3]。

(a)  電容濾波型整流電路

(b)  輸入電流波形

圖1  電容濾波型整流電路及其電流波形

    抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)所面臨的一個(gè)重大課題,正在受到越來越多的關(guān)注。功率因數(shù)的提高不僅可抑制電網(wǎng)諧波，同時(shí)還可以降低輸入電流及所消耗的功率，提高電網(wǎng)效率，改善電磁兼容性（EMC）。世界上許多國家和國際組織都對電力電子產(chǎn)品的功率因數(shù)及諧波成分作了限制。其中較有影響的是IEC555?2標(biāo)準(zhǔn)及IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)^{[4]，[5]}。我國也于1984年和1993年分別制定了限制諧波的規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn)[6]。

    為了使電力電子產(chǎn)品的功率因數(shù)及諧波成分滿足上述的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，可在整流橋和濾波電容之間加一級用于功率因數(shù)校正的功率變換電路，使輸入電流為正弦波，從而提高功率因數(shù)，這就是有源功率因數(shù)校正技術(shù)。在用于功率因數(shù)校正的功率變換電路中，

    最常采用的是升壓式電路。尤其是在小功率（幾十瓦至上千瓦）的電力電子產(chǎn)品中，采用升壓式的有源功率因數(shù)校正技術(shù)可使交流輸入電流與交流輸入電壓保持同相位，使功率因數(shù)接近于1^[1]。但由于這種簡單的傳統(tǒng)升壓式電路為單端電路拓?fù)?，一般只適用于對輸出功率為幾十瓦至1千瓦左右的小功率電力電子產(chǎn)品進(jìn)行有源功率因數(shù)校正，應(yīng)用范圍受到很大的局限。盡管在諸如分布式通訊電源等一些產(chǎn)品中，可通過電源模塊的并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)較大功率的輸出^[7]。但必須對各并聯(lián)模塊進(jìn)行較為復(fù)雜的均流控制，因此成本高，電路復(fù)雜。

    本文所提出的多相交叉升壓電路是一種新的,已獲專利的多相升壓電路拓?fù)?專利申請?zhí)朜o.00257426 ＆ 00130365)。在有源功率因數(shù)校正技術(shù)中使用這種多相交叉升壓電路拓?fù)洌恍鑼刂齐娐纷龊苄〉母淖?，就可將采用有源功率因?shù)校正的電力電子產(chǎn)品的輸出功率擴(kuò)展至2～3kW以上。多相交叉升壓式的有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有輸出功率大，電路簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。這種新電路拓?fù)涞牟捎么蟠髷U(kuò)展了有源功率因數(shù)校正技術(shù)在電力電子產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍。

2  多相交叉升壓電路的幾種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    多相交叉升壓電路為多端電路拓?fù)?，既可以做成雙端的推挽式（即二路交叉移相），也可以做成三端式（即三路交叉移相）以及四路，五路．．．．．．直至N路（N≥2，整數(shù)）。從實(shí)用的角度來看，2路將會(huì)得到較廣泛的應(yīng)用。

    圖2為推挽式升壓電路拓?fù)洹膱D2可看出，它與圖1所示的傳統(tǒng)的單端式升壓電路不同,推挽式升壓電路由兩路完全相同的單端升壓電路并聯(lián)組成。由兩組相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件S₁、S₂，使兩路交叉導(dǎo)通。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。如采用同樣容量的功率開關(guān)器件，其輸出功率為單端式升壓電路的2倍。

圖2  推挽式升壓電路  [!--empirenews.page--]

    圖3為雙路并聯(lián)推挽式升壓電路拓?fù)洹Ｓ蓛陕吠仆焓缴龎弘娐分苯硬⒙?lián)，共用輸入整流電路和輸出電容。如采用同樣容量的功率開關(guān)器件，其輸出功率為單端式升壓電路的4倍。只要驅(qū)動(dòng)容量足夠，可用同一組推挽的脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的4只功率開關(guān)器件。

圖3  雙路并聯(lián)推挽式升壓電路

    多相交叉升壓電路既可應(yīng)用于單相交流電源的有源功率因數(shù)校正，也可應(yīng)用于三相交流電源的有源功率因數(shù)校正。圖4為由3個(gè)單相推挽式升壓電路組成的三相推挽式升壓電路拓?fù)洹?

圖4  由三個(gè)單相推挽式升壓電路組成的三相推挽式升壓電路拓?fù)?[!--empirenews.page--]

3  多路交叉移相升壓電路的工作原理

    推挽式升壓電路是最簡單，也是最基本的多路交叉移相式升壓電路。以下是對推挽式升壓開關(guān)電路工作原理的敘述。其它多路交叉移相式升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如雙路并聯(lián)推挽式升壓電路等可在此基礎(chǔ)上推出。

    圖2所示的推挽式升壓開關(guān)電路可看作由兩路輸入端和輸出端并聯(lián)連接的單端式升壓子電路組成。這兩路單端式升壓子電路分別由功率開關(guān)器件S₁、電感L₁、二極管V_D1和功率開關(guān)器件S₂、電感L₂、二極管V_D2組成。圖5為推挽式升壓電路的各點(diǎn)波形圖。交流輸入u經(jīng)全波整流后的電壓u_d加到推挽式升壓電路的輸入端。由有源功率因數(shù)校正控制驅(qū)動(dòng)電路提供的兩組相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_gs1和u_gs2分別驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件S₁、S₂，使兩路交叉導(dǎo)通。從圖5中可看出,與通常單端式升壓電路不同,推挽式升壓電路的輸出電壓是由兩個(gè)完全相同的波形相移180°疊加而成。其輸出功率可擴(kuò)展為單端式升壓電路的2倍。

(a)交流輸入u

(b)全波整流后的電壓u_d

(c)功率開關(guān)器件S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)_ugs1

(d)功率開關(guān)器件S₂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_gs2

(e)功率開關(guān)器件S₁上的電壓u_ds1

(f)功率開關(guān)器件S₂上的電壓u_ds2

(g)輸出電壓u_c(電容上的電壓)

圖5  推挽式升壓電路的各點(diǎn)波形圖

    圖3所示的雙路并聯(lián)推挽式升壓電路由圖2所示的兩組推挽式升壓有源功率因數(shù)校正電路直接并聯(lián)組成。由兩組相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_gs1和u_gs2分別去驅(qū)動(dòng)雙路并聯(lián)的推挽式升壓電路中功率開關(guān)器件S₁、S₃和S₂、S₄，使雙路并聯(lián)推挽式升壓電路中功率開關(guān)器件S₁和S₃分別與S₂和S₄交叉導(dǎo)通。雙路并聯(lián)推挽式升壓電路的各點(diǎn)波形與推挽式升壓電路的基本相同。其輸出功率可擴(kuò)展為單端式升壓電路的4倍。

    圖4所示的三相有源功率因數(shù)校正電路拓?fù)渲忻恳幌嗨鶎?yīng)的推挽式升壓電路的工作原理及相應(yīng)各點(diǎn)的波形與單相推挽式升壓電路的相同。

    雙端推挽式升壓有源功率因數(shù)校正控制及驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖6所示，由推挽式升壓主電路和有源功率因數(shù)校正控制驅(qū)動(dòng)電路組成。圖中虛線框內(nèi)為推挽式升壓有源功率因數(shù)校正的專用控制電路，該電路由有源功率因數(shù)校正專用集成電路，分頻器及驅(qū)動(dòng)器組成。功率因數(shù)校正控制電路可采用任意一種有源功率因數(shù)校正專用集成電路，例如UC3854、MC34261、ML4812、TDA4814、CS3810等^[3]，[8]。由有源功率因數(shù)校正專用集成電路輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)經(jīng)分頻器給出兩組相位相差180°的脈沖信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)器提供兩組相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u_gs1和u_gs2分別驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)器件S₁、S₂，使兩路開關(guān)即兩路升壓電路交叉導(dǎo)通。

圖6  雙端推挽式升壓有源功率因數(shù)校正控制及驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4  主電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

    實(shí)驗(yàn)采用最簡單，最基本的多相交叉式升壓電路——雙端推挽升壓式的電路。實(shí)驗(yàn)條件如下：

    主電路功率開關(guān)器件采用IR的功率MOSFETIRFP460，耐壓500V，最大電流20A。對應(yīng)輸出功率1kW，由2個(gè)主功率開關(guān)器件交叉組成。2個(gè)電感分別為1mH，采用材料為R2KB的EE40磁芯，電感中流過的電流為4A。對應(yīng)輸出功率2kW的電路，2個(gè)主功率開關(guān)器件分別由4個(gè)IRFP460并聯(lián)組成，2個(gè)電感分別為0.5mH，采用材料為R2KB的EE55磁芯，電感中流過的電流為8A。對應(yīng)輸出功率4kW的電路，2個(gè)主功率開關(guān)器件分別由8個(gè)IRFP460并聯(lián)組成，2個(gè)電感分別為0.25mH，采用材料為R2KB的EE65B磁芯，電感中流過的電流為16A。每路的開關(guān)頻率為f_s=100kHz。

    推挽升壓式電路的控制及驅(qū)動(dòng)由PWM專用集成電路SG3525的兩路輸出經(jīng)射隨功放器來完成。圖7為雙端推挽升壓式控制及驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)電路圖。

圖7  雙端推挽升壓式控制及驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)電路圖

5  結(jié)語

    雙端推挽升壓式電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本電路適用于2～4kW電力電子產(chǎn)品的有源功率因數(shù)校正。具有成本低，控制電路簡單的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)減少了輸出直流電壓的脈動(dòng)。是一種實(shí)用性很強(qiáng)的基本電路拓?fù)洹?