一种新颖的完全断续箝位电流模式功率因数校正电路
一种新颖的完全断续箝位电流模式功率因数校正电路
摘要：提供了一种新颖的宽输入范围、完全dcm、箝位电流工作模式的boost功率因数校正电路控制方法。该控制方法不存在boost电路中二极管的反向恢复，从而提高了整个电路的效率，同时，该方案获得了低的总谐波畸变（thd）和较高的功率因数（pf）。该方案适合于中低功率场合的应用。给出了具体的理论分析和一个100w的电路实验数据。
关键词：电流箝位升压；功率因数校正；完全断续电流模式
0 引言
在以往的有源功率因数校正电路拓扑中，一个带乘法器的控制芯片不可避免。为了降低成本，一种电流箝位（clamped current boost,ccb）的控制方法可以简化电路。在这种电路中，每半个周期中开关电流峰值被箝位至一个参考值。输入电流的波形跟随输入电压，这样就可以得到理想的thd。由于它不需要乘法器来提供一个电流参考值，而可以利用任何一种峰值电流控制的芯片（如uc3843）来完成这个功能，从而大大降低了成本，简化了电路。
但是，以往提出的箝位电流模式电路，在低输入电压时工作在断续电流dcm，在高输入电压时工作在连续电流模式ccm。而ccm的工作方式存在两个缺点：一是电路中的续流二极管的反向恢复，这降低了电路的效率；二是电路中的电感值比较大，这给提高电路的功率密度带来了困难。
本文提出了一种在通用的整个输入电压范围内工作在dcm的ccb pfc电路。该电路消除了二极管的反向恢复问题，从而提高了电路的工作效率；同时，由于工作在电流断续模式，电感量减小，这样就可以减小电感的体积，提高功率密度。
本文给出了该电路拓扑的数学分析并且给出了一个100w的电路实验结果。
1 理论分析
电路原理图如图1所示。在进行分析之前，假设以下条件成立：
——所有的元器件都是理想的；
——变换器工作在稳态时，开关频率远大于交流母线的频率，从而可以认为在一个开关周期内，输入电压是恒定的；
——输入电压是理想的正弦波vac=vmsin(ωlt)，其中ωl为交流母线的频率；
——参考电压在一段时间内是一个恒定值vref；
——输出电压是恒定的。
图1 ccb pfc电路
为了便于分析，使得计算的结果与具体的电路参数无关，我们采用标幺值，即令
vb=vo；
ib=vo/rt(rt=2l/ts，ts为开关周期)；
则输入的电压峰值为：
vm=vm/vb（1）
与传统的ccb pfc电路不同，在整个母线电压输入周期内，该电路工作在电流断续模式。在每半个周期内，有两种电流断续工作模式。如图1所示，在开关周期开始阶段，boost电路中的开关管处于开通的状态，电感中的电流il从零开始增加。在采样电压（riil）达到参考电压（vref）和斜率补偿电压（vr）的和,或者达到最大占空比时，开关管关断，电感电流线性减小（如图2）。这两种工作模式分别定义为dcm2和dcm1。
(a) dcm1(d=dmax) (b) dcm2(d=2iinp（7） 式中：vinpmin为最小输入电压峰值； dlmin为在最小输入电压时的最小占空比，即 dlmin=(vo－vinpmin)/vo（8） 输出电容必须满足式（9）。 co>=po/(2πflinevoδvo)（9） 标幺化的功率因数可以由式（10）获得。 pf=pin/(vinrmsiinrms)（10） 式中： pin=vm|sin(ωlt)|ilav(ωlt)dωlt（11） =（12） vinrms=vm/（13） 那么, ii,k=(ilavdcm1sin(kωlt)dωlt＋ilavdcm1sin(kωlt)dωlt ＋ilavdcm1sin(kωlt)dωlt（14） thd=，k=3,5,...(2n＋1)（15） 2 实验结果 设定以下工作条件： vm=127～311v；fline=50hz；vo=380v； po=100w；η=0.92；fs=77khz；dmax=0.95。 参数设定为： l=370μh；kr=0.22；c=68μf，选用68μf/400v铝电解电容。 电路图如图4所示。 图4 实验电路图 获得的电路波形如图5所示，由图5可以看出，实验结果符合理论分析。 (a) vin=90v (b) vin=120v (c) vin=220v (d) vin=265v 图5 实验电路波形图 表1为实验获得的pf和thd与vin,rms关系。由表1可以看出，该电路符合iec-3-2的标准。 表1 pf，thd与输入电压关系表 vin/v 90 120 220 265 pf 0.997 0.994 0.961 0.911 thd/％ 5.6 12.1 17.2 32
该电路在满负载(vo=380v，io=0.263a)下的效率测试如图6所示。 图6 满负载、不同电压下的电路效率 3 结语
本文对一种在通用的整个输入电压范围内实现dcm ccb pfc的电路拓扑，进行了详细的理论分析，实验结果证明了该电路可以满足iec1000-3-2标准。同时，由于它消除了二极管的反向恢复，采用电流断续模式，提高了电路的工作效率和功率密度。这对于中小功率的应用有很大的吸引力。
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