姚凱

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院,江蘇 南京 210094)

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用于PFC的Buck/Boost有源儲能電容變換器研究

姚凱

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院,江蘇 南京 210094)

摘要:針對PFC變換器,推導(dǎo)輸入功率因數(shù)為1時,儲能電容容值與其電壓及輸出功率的關(guān)系,表明容值與直流母線電壓及其紋波成反比,與功率成正比。鑒于電容紋波電壓受制于直流母線電壓平均值,提出采用Buck/Boost有源儲能電容變換器取代直流母線電容,增大了其電壓變化的自由度,使電容能量實現(xiàn)滿充滿放,保證輸入功率因數(shù)為1,能將容值大幅減小,因而可以采用薄膜電容或瓷片電容作為儲能電容。分析了該變換器的工作原理,提出了采用輸入電壓移相以實現(xiàn)所需占空比的SPWM控制方法和實現(xiàn)電路,制作了60 W的樣機進行實驗驗證,實驗結(jié)果表明所提方法是有效的。

關(guān)鍵詞:功率因數(shù)校正; 電解電容; 電容值; 壽命; 有源儲能電容變換器

0引言

在功率因數(shù)校正(power factor correction,PFC)變換器中,由于瞬時輸入功率是脈動的,而輸出功率是恒定的,因此需要儲能電容來平衡瞬時輸入功率和輸出功率之間的差值。電解電容具有耐壓高、容值大的特點,被廣泛地用作PFC變換器的儲能電容。但是,電解電容體積較大,影響了電源功率密度的進一步提高,因此必須減小儲能電容容值以提高電源的功率密度[1-5]。并且,電解電容的壽命通常只有幾千小時,是制約電源壽命的關(guān)鍵元件。因而,減小甚至去除電源中的電解電容,用其他電容來替代電解電容,可以有效延長電源的壽命。文獻[6]研究了將全橋電路作為有源儲能電容變換器用于逆變器中,文獻[7]研究了將Buck-Boost作為有源儲能電容變換器用于PWM整流器中。本文研究用于PFC變換器的有源儲能電容變換器,并以Buck/Boost雙向變換器為例,提出一種新的控制方式并給出實驗驗證。

1傳統(tǒng)的PFC變換器

圖1是一個兩級式AC/DC PFC變換器模塊,不關(guān)注內(nèi)部的拓撲和控制方式,將其看作“黑盒子”,研究儲能電容的紋波電壓與電容容值的關(guān)系。為了分析方便,先作兩個假設(shè):1) 輸出電壓紋波與其直流量相比很小;2) 所有器件均為理想元件,無損耗。

圖1　AC/DC變換器示意Fig.1　Schematic of AC/DC converter

圖2　輸入電壓、輸入電流、輸入功率、輸出功率和電容電壓波形Fig.2　Waveforms of input voltage,input current, input power,output power and output voltage when input power factor is unity

定義PFC變換器的輸入電壓為

vin(t)=VmsinωLt。

(1)

其中Vm和ωL分別是輸入交流電壓的幅值和角頻率。

當(dāng)輸入功率因數(shù)為1時,輸入電流可表示為

iin(t)=ImsinωLt。

(2)

其中Im是輸入電流的幅值。

由式(1)和式(2)可以推出瞬時輸入功率為

(3)

在一個工頻周期內(nèi),輸入功率平均值為

(4)

假設(shè)輸出電壓紋波與其直流量相比很小,則輸出功率可表示為

Po=VoIo。

(5)

其中Vo為輸出電壓,Io為輸出電流。

假設(shè)PFC變換器的效率為100%,那么其工頻周期內(nèi)的平均輸入功率等于輸出功率。由式(4)和式(5)可得

(6)

圖2給出了當(dāng)輸入功率因數(shù)為1時,輸入電壓、輸入電流、瞬時輸入功率和儲能電容電壓的波形。從中可以看出,在半個工頻周期內(nèi),當(dāng)瞬時輸入功率大于輸出功率時,儲能電容Cb充電;當(dāng)瞬時輸入功率小于輸出功率時,Cb放電。因此,Cb在半個工頻周期中儲存能量的最大差ΔE為

(7)

根據(jù)儲能電容能量與其電壓的關(guān)系有

(8)

其中：Cb為儲能電容容值；Vb為儲能電容即直流母線平均電壓；ΔVb為儲能電容電壓紋波峰峰值。

由式(7)和式(8)可得儲能電容容值與其紋波電壓峰峰值、電壓平均值的關(guān)系為

(9)

從式(9)可以看出,當(dāng)ωL和Vb一定時,Cb值與ΔVb成反比,即ΔVb越小,所需Cb值越大;Cb值與Po成正比,即Po越大,所需Cb值越大。

一般來說,PFC變換器的輸出電壓平均值被控制為某一值。根據(jù)式(9)可知,若須減小Cb值,則其電壓紋波峰峰值ΔVb將變大,而這不利于前級及后級變換器的設(shè)計(磁性元件工作狀態(tài)、變換器的效率不是最優(yōu),功率器件電壓應(yīng)力增加),而且系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

2采用有源儲能電容變換器的PFC變換器

從上面的分析可以看出,儲能電容的主要目的是平衡瞬時輸入功率和輸出功率,因此,如果在PFC變換器的輸出側(cè)并聯(lián)一個變換器,如圖3所示,該變換器用來平衡瞬時脈動的輸入功率和恒定的輸出功率,那么原先并接在直流母線上的儲能電容容值可以大幅減小,只需用來濾除開關(guān)頻率的電流脈動。由于該變換器是用來替代儲能電容的,因此可稱為儲能電容變換器。

圖3　采用儲能電容變換器以減小儲能電容Fig.3　Storage capacitor converter is introduced 　　　to reduce the storage capacitance

當(dāng)瞬時輸入功率大于輸出功率時,多余的能量通過儲能電容變換器存儲到Cscc上,此時Cscc充電。當(dāng)輸入功率小于輸出功率時,不足的能量由Cscc通過儲能電容雙向變換器提供,此時Cscc放電。由于儲能電容變換器需要雙向提供能量,因此它是一個雙向變換器,可以采用Buck/Boost雙向變換器、Boost/Buck雙向變換器或者Buck-Boost雙向變換器等,如圖4所示。

圖4　儲能電容變換器Fig.4　Storage capacitor converter

3采用Buck/Boost雙向變換器作為儲能電容變換器的PFC變換器

以Buck/Boost雙向變換器為例,分析有源儲能電容變換器的工作原理與控制,其他拓撲也可以采用本文所提出的控制方法,分析過程類似,不同之處在于占空比的表達式和控制電路的結(jié)構(gòu)。與儲能電容不一樣的是,Cscc的電壓可以有很大的脈動。也就是說,當(dāng)PFC變換器的輸入功率小于輸出功率時,Cscc可釋放其存儲的全部能量,其電壓可從最大值減至零;當(dāng)PFC變換器的輸入功率大于輸出功率時,Cscc吸收能量,其電壓從零上升至最大值,實現(xiàn)“滿充滿放”。

Buck/Boost雙向變換器吸收或釋放的瞬時功率Pscc等于瞬時輸入功率與輸出功率之差。由式(3)、式(5)和式(6)可得

Pscc(t)=Pin(t)-Po=-Pocos 2ωLt。

(10)

參考圖5可得Cscc存儲的瞬時能量為

(11)

由上式可得Cscc電壓表達式為

(12)

由式(12)可知,儲能電容電壓波形與輸入電壓整流后的波形一致,相位滯后其π/4,如圖5所示。

圖5　引Buck/Boost雙向變換器后的主要波形Fig.5　Key waveforms when Buck/Boost bi-directional converter is introduced

由式(12)可得

(13)

對于Buck/Boost雙向變換器而言,其Cscc的電壓的最大值可為Vb,因此根據(jù)式(9)和式(13)可得

(14)

如果PFC變換器的輸出功率為60 W,采用傳統(tǒng)的將儲能電容并聯(lián)在直流母線上的方式,若Vb=400 V,紋波峰峰值ΔVb=4 V,則由式(9)可得Cb=120 μF。采用Buck/Boost有源儲能電容變換器后,保持電容電壓應(yīng)力不變,則Vscc,m=400 V,由式(13)可得Cscc=2.4 μF。與Cb相比,Cscc值大幅減小,這樣Cscc可以采用薄膜電容或瓷片電容,延長電源的壽命。

4Buck/Boost有源儲能電容變換器的控制

由前面的分析可知,當(dāng)Cscc實現(xiàn)滿充滿放的情況下,其電壓波形與輸入電壓整流后的波形一致,相位滯后其π/4。因此Buck/Boost雙向變換器可以采用SPWM控制,使其電壓滿足前面的要求,即可平衡PFC變換器的瞬時脈動輸入功率和輸出功率。

參考圖4(a),由式(12)可推出,開關(guān)管Q1的占空比D為

(15)

若鋸齒波的幅值為Vramp,則調(diào)制波電壓表達式為

(16)

式中Ib后級DC/DC變換器輸入母線電流,直流母線電壓Vb的恒定由PFC變換器的輸出電壓閉環(huán)控制,在變換器正常工作的情況下,由于負載的變化,式(16)中唯一的變量是Ib。

根據(jù)式(16)可以設(shè)計該有源儲能電容變換器的控制電路,如圖6所示。輸入電壓經(jīng)差分采樣后通過RC電路使其移相π/4,該信號經(jīng)整流后分為兩路,一路與乘法器的一個輸入端相連,另一路經(jīng)分壓和峰值取樣后與乘法器的另一個輸入端相連,采樣直流母線電流大小的電壓信號vIb經(jīng)開方電路后與乘法器的第三個輸入端相連,乘法器的輸出與鋸齒波交截即可以獲得如式(15)的占空比信號。之所以不采取直接將輸入電壓通過RC電路移相再經(jīng)橋式電路整流的方法,是為了避免與主功率電路短路。

圖6　有源儲能電容變換器的驅(qū)動信號獲取方法Fig.6　Duty cycle signal realization of the active filter

5實驗驗證

為了驗證前面分析的正確性,在實驗室完成了一臺60 W Boost PFC變換器的原理樣機,電感電流工作于臨界連續(xù)模式。主要參數(shù)如下:交流輸入電壓為198～264 VAC/50 Hz;輸出電壓為380 V;升壓電感為600 μH;開關(guān)管為FQPF4N60C (600 V,2.6 A);二極管為MUR460 (600 V,4 A);控制芯片采用ST公司的L6561。有源儲能電容變換器開關(guān)頻率為100 kHz;電感為600 μH;儲能電容為3.3 μF(薄膜電容);開關(guān)管為FQPF4N60C (600 V,2.6 A)?？刂菩酒瑸門I公司的UC3843。

圖7　采用有源儲能電容變換器方式時的輸入電壓、電感電流、儲能電容電壓、輸出電壓波形Fig.7　Waveforms of input voltage,inductor current, storage capacitor voltage and output voltage when input power factor is unit

圖7為輸入電壓為220 V時的滿載實驗波形,由下至上依次為整流后的輸入電壓、Boost電感電流、儲能電容電壓、直流母線電壓。直流母線電壓平均值為383.7 V,其紋波峰峰值為20.4 V,有源儲能電容峰值電壓為310 V,從功率分析儀上讀得功率因數(shù)為0.998。若用傳統(tǒng)的儲能方式,根據(jù)式(9),所需電容容值為24 μF。實驗結(jié)果表明,采用有源儲能電容變換器后,在保證輸入單位功率因數(shù)的情況下,儲能電容值可大幅減小。

6結(jié)論

針對PFC變換器中電解電容體積大、壽命短的缺點,研究采用Buck/Boost有源儲能電容變換器取代電解電容。提出了一種新的控制方式,與傳統(tǒng)的將儲能電容直接并接在直流母線上的方式相比,在保證輸入功率因數(shù)為1的條件下,可以將相同電壓定額的儲能電容容值大大減小,因而可以采用長壽命的薄膜電容或瓷片電容作為儲能電容,延長電源的壽命。

參 考 文 獻:

[1]Lazaro A,Barrado A,Sanz M,et al.New power factor correction AC-DC converter with reduced storage capacitor voltage[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,54(1): 384-397.

[2]Sharifipour B,Huang J S,Liao P,et al.Manufacturing and cost analysis of power-factor-correction circuits[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,Feb 15-19,1998,Anaheim,CA,USA,1998: 490-494.

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[5]ZHAO Q,XU M,LEE F C,et al.Single-switch parallel power factor correction AC-DC converters with inherent load current feedback[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(4).928-935.

[6]KREIN P T,BALOG R S.Cost-effective hundred-year life for single-phase inverters and rectifiers in solar and LED lighting applications based on minimum capacitance requirements and a ripple power port[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,Feb 15-19,2009,Washington,DC,USA,2009: 620-625.

[7]WANG R,WANG F,LAI R,et al.Study of energy storage capacitor reduction for single phase PWM rectifier[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,Feb 15-19,2009,Washington,DC,USA.2009: 1177-1183.

(編輯：劉素菊)

Research on Buck/Boost active storage capacitor converter for PFC

YAO Kai

(School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Abstract:In Power factor correction converter,the input power is pulsating while the output power is constant,and storage capacitor is needed to balance the power difference.Being widely used in PFC converter,electrolytic capacitor is large in size and its life-time is relatively short.For the improvement of the power density and the life time of PFC converter,it is necessary to use other kinds of capacitor instead of electrolytic capacitor.Relationship among the storage capacitance,its voltage and output power was analyzed,supposing the input power factor is 1.The proposed method of Buck/Boost active storage capacitor converter largely reduces the capacitance while the input power factor is unity and thus film or ceramic capacitor can be used as storage capacitor.The mechanism and new control method as well as the implementation circuit were analyzed.Experiments of a 60W prototype were done to verify the analysis.

Keywords:PFC; electrolytic capacitor; capacitance; life time; active storage capacitor converter

中圖分類號:TM 464

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)04-0101-05

DOI:10.15938/j.emc.2016.04.014

通訊作者:姚凱

作者簡介:姚凱(1980—)，男，博士，講師，研究方向為功率因數(shù)校正技術(shù)。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51307085)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2012400)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新-前瞻性聯(lián)合研究(BY2013004-03)；中國博士后科學(xué)基金(2012M521087)；江蘇省博士后科學(xué)基金(1202068C)；南京理工大學(xué)“卓越計劃”“紫金之星”資助項目

收稿日期:2013-06-17