基于Boost变换器的宽输入电压范围功率因数校正技术的研究

摘要

传统电子设备的电源输入端采用二极管整流和电容滤波，其输入电流含有大量的奇次谐波，对电网造成巨大的谐波污染。为了限制谐波污染，各国都强制实施了一些限制输入电流谐波的标准。有源功率因数校正（APFC）技术的优点是总谐波含量小，功率因数高。在过去的二十年里，APFC技术得到了系统而深入的研究，并得到了广泛应用。现在越来越多的电子设备要求其电源能够同时使用110V和220V两种电网，再考虑电压波动，其电源的输入电压范围是从90V到265V。因此具有宽输入电压范围的APFC技术是目前的一个研究热点。 在几种基本的非隔离型PFC变换器中，Boost PFC变换器的优点是：输入电流的高频纹波小；输出滤波电容储能大；在整个输入电压范围内可以保持较高的输入功率因数。因此，Boost PFC变换器得到了深入的研究和广泛的应用。但是，在宽输入电压范围的应用场合，Boost PFC变换器在低压输入时存在损耗大，效率低的问题。本文提出一种新的控制方式，保证输出电压随输入电压的变化而线性改变。当输入电压较低时，适当调低输出电压。这样可以减小开关管的导通时间，从而降低其导通损耗。并且由于开关管的截止电压（等于输出电压）的减小，开关管开通和关断瞬间电压电流交叠产生的开关损耗也可以减小。采用变输出电压控制后，在低压输入端，电感电流的纹波也可以减小，从而进一步提高Boost PFC变换器的效率。 在低功率应用中，电源通常采用Boost PFC变换器与不对称半桥变换器。当PFC级采用变输出电压控制后，为了减小后级变换器的输入电压范围，本文提出一种复合式PFC变换器。该变换器储能电容电压可以自动跟随输入电压变化，减小PFC级的损耗，还可以保证后级变换器的输入电压始终保持稳定，有利于后级变换器的优化设计。在此变换器的基础上，还可以对其拓扑扩展，推导出一系列新的拓扑，总结出其三端通用结构。根据一定的转换规律，根据三端结构的拓扑还可以推导出对应的两端结构的拓扑。 在中大功率应用场合，两级式AC-DC变换器的DC-DC级通常使用移相控制的全桥变换器。当PFC级使用变输出电压控制后，DC-DC变换器的输入电压范围变大，不利于全桥变换器的设计和使用。而三电平DC-DC变换器的研究发现，复合式全桥三电平变换器不仅可以降低原边开关管的电压应力，还可以减小输出滤波电感量，适用于宽输入电压范围。变输出电压的Boost PFC变换器结合复合式全桥三电平DC-DC变换器，具有变换效率高，磁性元件体积小的优点。同时设计了两个输入电压范围不同的全桥变换器，与以上这种方案对比。