高功率因数低输出纹波PFC变换器研究

摘要

为了消除电网谐波污染、提高功率因数，需要在电子设备的输入端增加功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)变换器。由于脉动的瞬态输入功率与恒定的输出功率之间的不平衡，PFC变换器的输出电压/电流含有较大的二倍工频纹波，且PFC变换器的动态响应速度慢，对于突变的负载不能及时调整输出电压/电流，因此对于电源质量要求高的供电设备，PFC变换器的输出不能直接用于给供电设备供电。为了减小输出电压/电流纹波，有功率因数校正功能的开关电源通常使用PFC变换器与DC-DC变换器两级变换器级联的结构。传统两级级联结构的PFC变换器，前级实现输入电流整形，后级级联DC-DC变换器给负载提供低输出电压/电流纹波和快速动态响应的电源。两级级联结构的PFC变换器需要两个开关变换器和两套控制电路，且能量经过两级变换，因此转换效率低、功率密度低、成本高、控制复杂，这些都限制了两级级联结构的PFC技术的应用。本论文致力于研究控制简单、低成本和高效率的高功率因数低输出纹波的PFC变换器。
　　与传统两级级联结构PFC变换器相比，Boost-Flyback、Boost-Forward和Buck-Flyback等已有单级单开关PFC变换器，具有控制简单、成本低等优点，但是它们需要使用高降压比的变压器才可以给低电压的负载供电。为了进一步降低成本，本论文提出了一种新的单级单开关PFC变换器-----二次型Buck PFC变换器，并基于LED负载，深入研究了基于二次型Buck PFC变换器的无频闪无变压器LED驱动电源，它由共用一个开关管的两个Buck变换器级联构成，其中前级Buck变换器实现PFC功能，后级Buck变换器调节LED电流。研究结果表明，二次型Buck PFC变换器可以实现功率因数校正，输入电流的各次谐波可以满足IEC61000-3-2 class D标准，且与传统BuckPFC变换器相比，二次型Buck PFC变换器极大的减小了流过LED的二倍工频电流纹波，可以实现无频闪。
　　单级单开关PFC技术需要同时兼顾功率因数和DC-DC变换器的低输出电压/电流纹波和快速动态响应，所以容易导致输入电流出现畸变，使其PF值略低于两级级联结构的PFC技术，并且单级单开关PFC变换器的输出能量仍然经过两级功率变换，转换效率低。为了减少功率变换的级数，以提高PFC变换器的效率，并降低输出电压的二倍工频纹波，本论文提出了一种由双输出反激变换器和Buck变换器组成的低输出电压纹波的准单级反激PFC变换器，Buck变换器的输入为双输出反激变换器的辅助输出，Buck变换器的输出与双输出反激变换器的主输出串联给负载供电，其中仅有Buck变换器输出的功率经过了两级变换。双输出反激变换器实现PFC功能;由双输出反激变换器辅助输出供电的、具有快速动态响应速度的Buck变换器补偿双输出反激变换器主输出的二倍工频电压纹波，实现低输出电压纹波和快速动态响应。本文在分析和验证了工作模式对反激PFC变换器输出电压纹波的影响的基础上，深入研究了低输出电压纹波的准单级反激PFC变换器。研究结果表明，在保持同样PF值的前提下，准单级反激PFC变换器极大的减小了反激PFC变换器的二倍工频输出电压纹波;准单级反激PFC变换器的效率高于两级级联PFC变换器，接近反激PFC变换器的效率;准单级反激PFC变换器的动态响应速度与两级级联PFC变换器的动态响应速度相近，远快于反激PFC变换器。
　　传统的恒定导通时间(Constant On-Time，COT)控制临界连续模式(CriticalConduction Mode，CRM)反激PFC变换器的输入电流并不是理想正弦波，且有很大的畸变，尤其在高输入电压时，很难满足对功率因数和总谐波畸变要求苛刻的应用场合。本论文提出了一种变导通时间(Variable On-Time，VOT)控制CRM反激PFC变换器的控制策略。引入输入电压和反激变压器辅助绕组电压参与CRM反激PFC变换器开关管的导通时间控制，解决了传统COT控制CRM反激PFC变换器PF值低和总谐波畸变（Total Harmonic Distortion，THD）高的问题。研究结果表明，VOT控制CRM反激PFC变换器在保持COT控制CRM反激PFC变换器同样高效率的前提下，提高了PF值，大幅降低了THD。本论文最后结合准单级反激PFC变换器技术和VOT控制方法，提出了可以同时实现单位功率因数和低输出电压纹波的基于VOT控制的准单级反激PFC变换器。
　　为了验证理论分析的正确性，论文搭建了相应的仿真和实验样机平台，给出了相应的仿真和实验结果。仿真及实验结果对本文的理论分析进行了很好的验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及选题意义

1．2 单级PFC技术

1．2．1 Boost-Flyback单级PFC变换器

1．2．2 Boost-Forward单级PFC变换器

1．2．3 Buck-Flyback单级PFC变换器

1．3 降低PFC变换器输出纹波的方法

1．4 提高PFC变换器PF值的方法

1．5 论文的主要工作

1．5．1 章节安排

1．5．2 主要创新

第2章 二次型Buck PFC变换器

2．1 二次型Buck PFC变换器LED驱动电源

2．1．1 LED驱动电源

2．1．2 基于二次型Buck PFC变换器的LED驱动电源

2．2 基于DCM-CRM二次型Buck PFC变换器的LED驱动电源

2．2．1 工作原理

2．2．2 电感电流iL1工作在断续模式的条件

2．2．3 中间储能电容C1电压分析

2．2．4 功率因数分析

2．2．5 开关频率分析

2．2．6 开关管的电压和电流应力

2．3 基于DCM-DCM二次型Buck PFC变换器的LED驱动电源

2．3．1 工作原理

2．3．2 电感电流iL1和iL2工作在断续模式的条件

2．3．3 中间储能电容C1电压和功率因数分析

2．3．4 开关管的电压和电流应力

2．4 基于DCM-CCM二次型Buck PFC变换器的LED驱动电源

2．4．1 工作原理

2．4．2 电感电流iL1工作在断续模式和电感电流iL2工作在连续模式的条件

2．4．3 中间储能电容C1电压分析

2．4．4 功率因数分析

2．4．5 开关管的电压和电流应力

2．5 仿真及实验结果

2．5．1 仿真结果

2．5．2 实验结果

2．6 本章小结

第3章 低输出电压纹波准单级反激PFC变换器

3．1 反激PFC变换器的输出电压纹波

3．1．1 DCM反激PFC变换器的输出电压纹波

3．1．2 CRM反激PFG变换器的输出电压纹波

3．1．3 仿真与实验结果

3．2 低输出电压纹波准单级反激PFC变换器

3．2．1 低输出电压纹波准单级反激PFC变换器工作原理

3．2．2 准单级反激PFC变换器的效率分析

3．2．3 准单级反激PFC变换器消除二倍工频输出电压纹波的条件

3．2．4 仿真与实验结果

3．3 本章小结

第4章 变导通时间控制临界连续模式反激PFC变换器

4．1 传统恒定导通时间控制CRM反激PFC变换器

4．2 变导通时间控制CRM反激PFC变换器

4．3 COT控制和VOT控制CRM反激PFC变换器特性对比分析

4．3．1 输入电流

4．3．2 输出电压纹波

4．3．3 开关频率

4．3．4 开关管峰值电流

4．3．5 开关管有效值电流

4．4 COT控制和VOT控制CRM反激PFC变换器的仿真与实验

4．5 基于VOT控制的低输出电压纹波准单级反激PFC变换器

4．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果