根据拓扑结构的不同,在输入端可以将PFC电路分为电感输入型和电容输入型,输出端可以分为电压输出型和电流输出型。如Buck电路为电容输入型、电流输出型;Boost电路为电感输入型、电压输出型。各种类型的变换器适用的场合不同,各有优缺点。而一般现在都采用Boost变换器作为功率因数校正电路的主拓扑有以下几个原因:
1.Boost电路的特点是升压,升压模式下导通的时候输入端都将有电流流过,而降压电路因为有电容的钳位作用,当市电电压的瞬时值低于PFC的电路输入端电压时,没有电流流入,从而产生较大的谐波。
2.Boost电路的电感串联在输入端,可以作为滤波元件,减少电流的高频纹波,抑制射频干扰和EMI噪声,并防止过电流的冲击。
3.Boost电路的高频开关的驱动可以与之共地,驱动电路简单而安全。
4.而如Cuk、Sepic电路等的结构依靠电容作为能量传递的工具,因为电容自身的容量有限,体积和温度受到较大的限制,因此只适用于小容量的场合,而像三相功率因数校正这样的大功率场合时不合适的。
总而言之,Boost变换器可以减小电流纹波,体积小,效率高,结构简单,成本低,可以保持较高的功率因数,工作可靠。缺点是控制比较复杂。
如图2.4所示,是一个典型的基于Boost变换器的功率因数校正电路【9】:
图2.4 基于Boost变换器的功率因数校正电路
它有两种工作模式,即连续电流模式和断续电流模式。工作在断续电流模式时,它有三个状态,如图2.5-2.7:
1.状态一
因为开关导通的频率为10KHz或更大,所以经过桥式整流器的整流后的电压可以认为在开关周期中是直流。此处使用直流源模型。状态一中开关管导通,因此二极管截止,电路分成两部分。电源给电感L充电,电容C为负载R提供能量。令直流电压为 ,输出电压为 ,电感上的电流为 ,则该状态下的方程为:
(2.15), (2.16)
令开关导通的时间为 ,则此时的电流的表达式为:
(0<t< )(2.17)
此时电流 斜坡上升。
2.状态二
此时驱动停止给开关信号,开关关断,则二极管导通,电源和 L同时给C充电和给负载提供能量。该状态下的方程为:
(2.18), (2.19)
设该状态的持续时间为 ,解式2.18得电流的表达式为:
( <t< )(2.20)
在稳定工作的条件下,电感满足伏秒平衡原理,即一个周期T中,电感L积蓄的能量与释放的能量相等于是有表达式:
(2.21)
其中 是开关管处于断开状态的时间。对2.21变形得到:
,(2.22)
其中 为占空比。将2.22带入2.20可以得到:
( <t< )(2.23)
可见此时电感电流斜坡下降。
3.状态三
此时开关管仍处于关断状态,而由于电感量较低,电感的能量释放完毕,二极管截止,仅由电容C为负载提供能量,与状态一的情况相同,微分方程同2.16为:
此时电感上电流为 ( <t< )(2.24)。
如果电感量较大,在状态二中电感的能量不能释放完毕,则不存在第三种工作状态。
图2.5 状态一 图2.6状态二 图2.7状态三
由式2.17、2.23、2.24可以得到电流在断续模式下的波形如图2.8:
图2.8 电流断续时的波形
由以上三个式子可以看出,电感电流 与整流后的电压 是正相关的,而 又由市电直接整流而来, 跟随 就是跟随市电的正弦输入电压,而 是输入电流整流而来的电流,那么输入电流也就能够跟随输入电压了,从而实现了功率因数的校正。
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