新型无桥功率因数校正变换器研究

摘要

随着电力电子技术飞速发展，AC-DC变换器等电源设备给电力系统带来了严重的谐波污染问题。功率因数校正技术(Power Factor Correction，PFC)可以有效的减小输入电流谐波，提高变换器的功率因数，因此功率因数校正技术在电源设备中得到了广泛应用。
　　 传统桥式Boost PFC变换器因其结构简单、控制策略容易实现等优点，在工业界得到了广泛的应用。然而，在全范围电压(85～265Vac)输入时，桥式Boost PFC变换器前端二极管整流桥的存在导致其在低电压输入时变换器效率较低，制约了桥式Boost PFC变换器的应用。为了消除桥式Boost PFC变换器前端二极管整流桥对变换器效率的影响，本文研究了一类基于谐振支路单元的高效率无桥PFC变换器。本文分别研究了无桥Pseudo-Boost PFC变换器、隔离无桥PFC变换器、次级谐振反激PFC变换器，并且分别详细分析了变换器的工作模态，研究了变换器的功率因数及其损耗特性，提出了相应控制策略。
　　 无桥Pseudo-Boost PFC变换器由一种双极性增益Pseudo-Boost变换器直接构成，不需要前端二极管整流桥。与传统Boost变换器相比，Pseudo-Boost变换器仅仅增加了谐振支路与双向开关管。本文详细研究了无桥DCM Pseudo-Boost PFC变换器的工作模态，分析了谐振支路单元对变换器特性的影响。本文分别设计并搭建了50W无桥Pseudo-Boost PFC变换器与传统桥式Boost PFC变换器的实验样机，通过实验验证了无桥Pseudo-Boost PFC变换器具有较高的效率。
　　 在无桥Pseudo-Boost PFC变换器的基础上，引入隔离变压器，构成了隔离无桥PFC变换器。与传统桥式反激PFC变换器相比，隔离无桥PFC变换器省去了前端二极管整流桥，同时合理利用变压器次级漏感组成次级谐振支路，将次级漏感能量传送至负载，从而使得该变换器具有高效率、低开关管与二极管电压应力的特点。针对隔离无桥PFC变换器的主开关管设计复杂、驱动困难的问题，提出了次级谐振反激PFC变换器。与传统桥式反激PFC变换器相比，该变换器具有结构简单，开关管易驱动、效率高、电压应力低等优点。
　　 最后，针对隔离无桥PFC变换器与次级谐振反激PFC变换器适用于高电压、低电流的负载场合，本文将其用于大功率LED驱动电路中。本文分别基于传统反激PFC变换器、隔离无桥PFC变换器与次级谐振反激PFC变换器设计并搭建了60W LED样机。实验结果表明:隔离无桥PFC变换器与次级谐振反激PFC变换器具有优良的电路特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 功率因数校正技术概述

1．1．1 功率因数的定义

1．1．2 谐波电流的危害

1．2 功率因数校正技术的研究现状和发展趋势

1．2．1 无源功率因数校正技术

1．2．2 有源功率因数校正技术

1．2．3 无桥Boost PFC变换器的研究及其应用

1．2．4 功率因数校正技术发展趋势

1．3 本文的研究意义与主要内容

1．3．1 本文的研究意义

1．3．2 本文的主要内容

第2章 无桥Pseudo-Boost PFC变换器研究

2．1 引言

2．2 无桥Pseudo-Boost PFC变换器工作原理分析

2．2．1 双极性增益Pseudo-Boost变换器拓扑

2．2．2 正输入电压时工作模态分析

2．2．3 负输入电压时工作模态分析

2．3 Pseudo-Boost变换器直流稳态分析

2．3．1 正输入电压时稳态特性分析

2．3．2 负输入电压时稳态特性分析

2．4 无桥Pseudo-Boost PFC变换器特性分析

2．4．1 电压增益分析

2．4．2 输入电流特性分析

2．4．3 谐振支路对变换器损耗特性的影响

2．5 无桥Pseudo-Boost PFC变换器的改进

2．5．1 无桥Pseudo-Boost PFC变换器存在的问题

2．5．2 无桥Pseudo-Boost PFC变换器的改进方案

2．6 本章小结

第3章 新型隔离PFC变换器研究

3．1 引言

3．2 新型隔离无桥PFC变换器研究

3．2．1 新型隔离无桥PFC变换器拓扑分析

3．2．2 正输入电压时工作模态分析

3．2．3 负输入电压时工作模态分析

3．3 次级谐振反激PFC变换器

3．3．1 次级谐振反激PFC变换器电路

3．3．2 次级谐振反激PFC变换器工作模态分析

3．4 次级谐振反激PFC变换器特性研究

3．4．1 电压增益分析

3．4．2 开关管与快恢复二极管工作特性分析

3．4．3 输入电流特性分析

3．4．4 次级谐振支路对变换器损耗特性的影响

3．5 本章小结

第4章 无桥Pseudo-Boost PFC变换器设计与实现

4．1 功率电路设计

4．1．1 谐振支路设计原理

4．1．2 双向开关管及其驱动电路设计

4．1．3 其他关键元器件选型

4．2 基于TL494的控制电路设计

4．2．1 补偿网络设计

4．2．2 开关频率设计

4．3 实验结果与数据分析

4．3．1 功率因数特性分析

4．3．2 谐振支路波形分析

4．3．3 开关管与二极管波形分析

4．3．4 效率特性分析

4．4 本章小结

第5章 新型隔离PFC变换器在LED驱动电路中的应用

5．1 引言

5．2 功率电路设计

5．2．1 变压器设计

5．2．2 谐振支路设计

5．2．3 其他关键元器件选型

5．3 控制电路设计

5．3．1 基于LT494的恒流控制策略

5．3．2 电压基准与检测电阻设计

5．4 实验结果与数据分析

5．4．1 功率因数特性分析

5．4．2 谐振支路波形分析

5．4．3 开关管与二极管波形分析

5．4．4 样机效率特性分析

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果