摘要
传统的降压型功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器由于存在高谐波电流的缺点,较难满足IEC61000-3-2 C类限值,其应用受到很大限制。文中设计并搭建了一种集成式功率因数校正变换器,该变换器由一个降压PFC变换器和一个反激PFC变换器组成,其中降压和反激PFC变换器采用输入并联和输出并联连接方式共用一个GaN开关管和控制电路,降低变换器成本。集成式变换器在临界导通模式(critical conduction mode,CRM)恒定导通时间(constant on time,COT)控制下,反激单元消除了降压输入电流死区的影响,利用降压和反激PFC变换器的优势和GaN开关管的优异性能,变换器可以在宽电压输入范围下实现高效率和低总谐波失真。文中介绍了电路结构和工作原理,通过PSIM(power simulation)仿真验证理论推导的正确性,最后搭建了满载效率为94.1%的120 W样机,验证了该方案的可行性。
关键词
近年来,电力电子装置已经广泛地应用于能源、工业和交通等相关领域。为了减小电力电子装置对电网的谐波污染,一些国家和学术团队颁布并实施了一系列的电流谐波标准,如IEC555-2、IEEE519和IEC61000-3-2等。为了满足这些谐波标准,必须使用功率因数校正(power factor correction,PFC)技术来限制变换器的输入电流畸变与谐波以达到标准限值要
在通用电压(90~265 V)输入的变换器应用中,传统的降压型PFC变换器存在输入电流死区影响导致功率因数过低,对电网产生谐波污染,难以满足如IEC555-2、IEEE519和IEC61000-3-2等电流谐波标准。目前,研究人员已经进行了许多研究来改善降压型PFC变换器的性能。Wu
为了解决以上问题,笔者设计并搭建了一种基于GaN单开关管的降压-反激集成式PFC变换器。该变换器由降压和反激PFC变换器组成,仅使用一个GaN开关
为了提高降压型PFC变换器的输入谐波电流,通过单个开关管将其集成到无输入电流死区的PFC变换器中。通过这种方法,降压型PFC变换器和另一个PFC变换器可以由相同的导通时间控制。因此,降压输入电流死区的影响可以通过另一个PFC变换器单元来消除,两者采用输入并联和输出并联的连接结构,如

图1 集成式变换器电路拓扑
Fig. 1 Circuit topology of the integrated converter

图2 集成式PFC变换器拓扑及其控制环路
Fig. 2 Topology and control loop of integrated PFC converter
为了简化所提出的PFC变换器的分析,原理分析基于以下假设。
1)所有元器件均为理想元件。
2)输出电容C足够大,变换器在稳定输出时,忽略输出电压纹波,将输出电压vo视为恒定值。
3)变换器开关管工作频率fS远大于工频电频率fL。
4)输入电压为全波整流正弦波,即|vin(t)| = Vp|sin(ωt)|,其中Vp为输入电压幅值,为输入电压的角频率。
降压型PFC变换器仅在|vin|高于输出电压vo时工作。当所提出的变换器工作在稳态时,可能存在2种不同的工作条件:T2(θ≤ωt ≤π-θ);T1(0≤ωt<θ)和T3(π-θ<ωt≤π),为比值,有
(1) |
在T2工作条件,变换器有6个工作模式,其等效电路图如

图3 集成式变换器工作条件T2下的等效电路图
Fig. 3 Equivalent circuit of integrated converter under operating condition T2
模式a [t0,t1):在t0时刻,开关管S导通,二极管D1和D2反向截止,二极管D3导通,输入电压源为电感Lf、Lk和Lb充电。因此反激变压器初级绕组电流iLf1(t)、漏感电流iLk(t)和降压电感电流iLb(t)可表示为
(2) |
RCD吸收电路中,Ca由Ra放电。当开关管S关闭时,该模式结束,iLf1(t)、iLk(t)和iLb(t)的最大值为
(3) |
式中:ton为开关管的导通时间;τ1为持续时间。
模式b [t1,t2):在t1~t2时刻,当开关管S在t1时刻关闭,S的寄生电容Cs开始充电,由于GaN开关管的寄生电容非常小,充电时间τ2很短,因此,在此时间段,iLf1、iLk和iLb可视为不变。
模式c [t2,t3):在t2时刻,Cs充电到输入电压与反射电压之和(vin +nvo)时,该模式开始,二极管D3反向截止,续流二极管D1和D2导通,变压器次级绕组电流iLf2(t)和降压电感电流iLb(t)可表示为
(4) |
式中:n为反激变压器的匝数比;变压器的漏感Lk电流被RCD吸收电路回收,由于Lk很小,该模式的持续时间τ3很短。
模式d [t3,t4):在t3时刻,iLf2(t)、iLb(t)与模式c时间段相同的斜率下降,直至当iLb(t)降为零,D2关闭,该模式结束。模式c与模式d的持续时间为
。 | (5) |
模式e [t4,t5):在t4时刻,S、D2 和D3关闭,D1保持导通,iLf2(t)以与模式d时间段相同的斜率下降,直至t5时刻iLf2(t)降为零时,二极管D1截止,该模式结束。此模式的持续时间为
。 | (6) |
模式f [t5,t6]:在t5时刻,S、D1、D2和D3关闭,Cs与Lf谐振,当vCs降至vin时,ZCD辅助绕组电压变负,开关管S导通,该模式结束,在t6时刻完成周期切换。由于Cs很小,该模式持续时间τ6很短。
由
(7) |
式中,、、、、、为各个模式的持续时间。
综上,集成式变换器的理论关键波形如

图4 集成式变换器的理论关键波形
Fig. 4 Theoretical key waveforms of the integrated converter
由于变压器漏感Lk很小,在分析时忽略其对变换器的影响,以下所有分析计算均基于90~265 V通用电压输入,80 Vdc/1.5 A/120 W输出。
根据电路工作原理,一个开关周期内,变换器的平均输入电流可以表示为
(8) |
式中,μ=Lb/ Lf,为降压电感与反激变压器初级绕组电感之比,由
, | (9) |
式中
(10) |
由
。 | (11) |
将
(12) |
根据

图5 不同μ和vin下的输入电流
Fig. 5 Input current with different μ and vin
集成式变换器的输出功率由降压PFC变换器和反激PFC变换器提供。不考虑电路损耗,在半个工频周期内,各PFC变换器的平均输出功率等于输入功率,即:
(13) |
式中:、分别为反激PFC变换器的输出功率和输入功率;、分别为降压PFC变换器的输出功率和输入功率。
由
。 | (14) |
降压PFC变换器的输出功率在集成式变换器的总输出功率的占比
。 | (15) |
根据

图6 不同μ的输出功率分布曲线
Fig. 6 Output power distribution curves with different μ
为验证理论推导的正确性及集成式变换器拓扑的可行性,采用PSIM电力电子仿真软件对变换器电路进行系统级仿真。

图8 PSIM搭建的仿真模型
Fig. 8 Simulation model built by PSIM
为了确保降压电感电流工作在DCM模式,降压电感电流iLb在iLf2变为零之前达到零,即
。 | (18) |
, | (19) |
即在输入电压为90~265 V、输出电压为80 V的条件下,n应小于1.27。
。 | (20) |
。 | (21) |
由
为了验证

图10 样机电路图
Fig. 10 Prototype circuit
集成式变换器在不同输入电压下的稳态输入电流和电压波形如

图11 不同输入电压下的稳态输入电流和电压波形
Fig. 11 Steady-state input current and voltage waveforms at different input voltages
为了与传统的降压型PFC变换器对比,分别搭建了2台降压电感为150 μH,工作在CRM模式下的Si基和GaN基降压型PFC变换器实验样机,其余电路参数均与集成式变换器保持一致。


图12 3种变换器的性能指标对比
Fig. 12 Comparison of performance indicators of three converters
传统的单级降压型PFC变换器具有高次谐波电流的缺点。笔者设计并分析了一种降压-反激集成式GaN单开关管PFC变换器,详细分析了参数对功率因数,效率和输入谐波电流的影响。实验表明降压-反激集成式PFC变换器可消除降压型PFC变换器输入电流死区影响,在通用输入电压下具有低总谐波失真,能够达到IEC61000-3-2C类标准。此外,得益于采用的第三代宽禁带半导体GaN功率器件的优异性能,集成式PFC变换器可达到94.1%的较高能量转换效率。因此,所设计的变换器可以在通用输入应用中实现高效率和低总谐波失真性能。
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