倍压型Boost PFC变换器的拓扑综述

林志雄，叶开明，林添进，林永春

(国网泉州供电公司，福建泉州362000)

倍压型Boost PFC变换器的拓扑综述

林志雄，叶开明，林添进，林永春

(国网泉州供电公司，福建泉州362000)

简要总结了目前有源功率因数校正器发展过程中的热点问题，重点介绍了适用于半桥逆变器的倍压型Boost PFC变换器，对比了各个不同的倍压型Boost PFC变换器的优缺点，搭建实验平台，实验结果验证了基于平均电流法控制的传统的倍压型Boost PFC变换器的可行性。

倍压;功率因素校正;半桥逆变器

1 引言

为提高输入功率因数，同时减少由电力电子装置对电网造成的谐波污染，功率因数校正(Power Factor Correction，简称PFC)技术成为电力电子领域研究的一个热点。PFC技术的研究有:新型拓扑结构［1－5］、新颖控制算法［6－8］、新应用场合、数字控制［9－10］、新型功率器件的应用、有源箝位与软开关技术的应用、数学建模等。

针对PFC技术的研究在于寻求一种易实现、高PF值、低THDi、高效率、低EMI、高功率密度、体积小、结构简单、性价比高的功率因数校正变换器。

2 倍压型Boost PFC的应用场合

Boost拓扑因其电流连续、电磁干扰小等优点在功率因数校正中得到广泛研究和使用。Boost PFC主要应用于后级直接加阻性负载或者是全桥逆变器;对于后级负载为半桥逆变器的情况，与全变逆变器负载相比，在输出相同交流电的情况下其逆变器输入端的母线电压为全桥逆变器负载的两倍，在实际应用中因Boost电路的升压变比有限，导致由单个Boost构成的PFC电路无法满足半桥逆变器输入母线电压的要求，解决的办法是由两个Boost电路构成的倍压型Boost PFC［5－6］变换器，其产生正负母线电压，满足半桥逆变器负载其电源输入端的要求。

3 倍压型Boost PFC变换器

传统的倍压型Boost PFC变换器如图1所示。上下Boost PFC电路分别以半个工频周期交替工作，正半周期时，SCR1导通，L1、T1、D1组成Boost PFC电路产生正母线电压。负半周期时，SCR2导通，L2、T2、D2组成Boost PFC电路产生负母线电压。

传统的倍压型Boost PFC在工频周期的正负半波内等效于两个独立的Boost PFC电路，开关管、电感的利用率不高。从节省器件的角度出发，拓扑改进的思路一方面是充分利用电感，一方面是充分利用开关管。图2所示的改进I型倍压Boost PFC变换器在于充分利用电感，电感Lcom替代了图1中的L1、L2电感。图3所示的改进II型倍压Boost PFC变换器用开关管T替代了图1中的T1、T2。

图1 传统的倍压型Boost PFC变换器

图2 改进I型倍压Boost PFC变换器

图2所示拓扑电路的工作原理与图1所示完全一样，不同处在于当工作在电池态时，图2两个电感同时工作，其感值为图1的两倍，因此相对应输出电流纹波系数较小。

图3所示的改进II型倍压Boost PFC变换器相比于图1虽然少了1个开关管，但为整流输入电流电，多了2个晶闸管。

图3 改进II型倍压Boost PFC变换器

同时综合图3、图4拓扑的优点，只使用一个开关管和一个电感的拓扑如图5所示。与图1的变换器相比较，少了一个PFC开关管和一个电感，但多了两个晶闸管。

图4 改进III型倍压Boost PFC变换器

在图3、4拓扑中，只采用一个开关管，但相比于图1、2的拓扑，多了两个晶闸管，起到整流输入交流电的作用，在无需对初始时刻进行缓启动控制时，可用整流桥替代。

图4拓扑中由4个晶闸管和一个开关管构成的部分可由两个开关反串联而成，即如图5所示，可称为双向开关型无桥倍压Boost PFC变换器。与图1所示传统的倍压Boost PFC变换器相比，少了一个电感、两个晶闸管。

图5 改进IV型倍压Boost PFC变换器

4 仿真与实验

为验证倍压型Boost PFC变换器的可行性，利用PSIM9.0仿真软件，采用平均电流法，搭建传统的倍压型Boost PFC变换器进行仿真研究。输入电压220V、输出母线电压正负360V、电网频率50Hz、电感600μH、稳压电容1640μF、开关频率20kHz，额定输出功率5K，仿真控制系统如图6所示。DLL模块实现电压电流采样、控制算法程序编写、驱动信号输出。在不考虑后级半桥逆变对前级PFC的影响的情况下，正、负母线电压输出端各自直接带阻性负载。

图6 传统的倍压型Boost PFC控制仿真图

图7给出了在额定负载和半载情况下的输入电压电流仿真波形，显然，平均电流法控制的传统的倍压型Boost PFC变换器中，输入电流与输入电压同步。

参照仿真参数搭建一台5kW实验样机验证传统的倍压型Boost PFC变换器的可行性。采用Ti公司的TMS320F2808控制芯片，实验波形如图8所示。

图8(a)、(b)分别为输出功率在为2.5kW、5.1kW时的输入电压、电流波形，图8(c)为功率因数曲线随输出功率从1k～5k的曲线图。图8(a)、(b)波形表明输入电流很好的跟踪输入电压，图8(c)表明随着负载的增大，功率因数随之增大。额定负载时，PF可达到0.995。

图7 输入电压、电流仿真波形

图8 实验波形

5 结论

本文首先归纳了当前对于有源功率因数校正研究的方向和研究的几个热点问题;其次，针对Boost PFC变换器用在半桥逆变器中存在的缺陷，提出了多种倍压型Boost PFC变换器，详细对比、分析了各个不同的倍压型Boost PFC变换器的设计思路及其优缺点;最后，搭建仿真、实验平台，对采用平均电流法控制的传统的倍压型Boost PFC变换器进行验证，实验结果表明此变换器具有结构简单、控制容易、功率因数高、性价比高等的优点。

同时该变换器对本文所提出的其他改进型倍压Boost PFC变换器具有相同的实验效果，对其他适用于功率因数校正的Buck、Buck-Boost、Cuk、正激、反激、推挽等DC/DC变换器具有借鉴的意义。

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Overview of Topology in Voltage-doubler Boost PFC

LIN Zhi-xiong，YE Kai-ming，LIN Tian-jin，LIN Yong-chun
(State Grid Quanzhou Power Supply Company，Quzhou 350108，China)

The hot spot studied in the developments of the active power factor correction(PFC)is briefly summarized this paper，and the volage-doubler Boost PFC converter applied in the half-bridge inverter is investigated in detail.The advantages and disadvantages of each different voltage-doubler Boost PFC converter are analyzed.The platform is set up，and the feasibility of conventional voltage-doubler Boost PFC converter based on the average current method is verified from the experimental results.

voltage-doubler;power factor correction;half-bridge inverter

TM464

B

1004－289X(2016)04－0004－03

2015－05－20

林志雄(1984.01－)，男，硕士，工程师，电子电子数字化控制技术研究;叶开明(1988.01－)，男，硕士，工程师，电子电子数字化控制技术研究;林添进(1987.07－)，男，在职研究生，工程师;林永春(1985.05－)，男，本科，工程师。