用于PFC的Buck/Boost有源储能电容变换器研究

姚凯

(南京理工大学 自动化学院,江苏 南京 210094)



用于PFC的Buck/Boost有源储能电容变换器研究

姚凯

(南京理工大学 自动化学院,江苏 南京 210094)

摘要:针对PFC变换器,推导输入功率因数为1时,储能电容容值与其电压及输出功率的关系,表明容值与直流母线电压及其纹波成反比,与功率成正比。鉴于电容纹波电压受制于直流母线电压平均值,提出采用Buck/Boost有源储能电容变换器取代直流母线电容,增大了其电压变化的自由度,使电容能量实现满充满放,保证输入功率因数为1,能将容值大幅减小,因而可以采用薄膜电容或瓷片电容作为储能电容。分析了该变换器的工作原理,提出了采用输入电压移相以实现所需占空比的SPWM控制方法和实现电路,制作了60 W的样机进行实验验证,实验结果表明所提方法是有效的。

关键词:功率因数校正; 电解电容; 电容值; 寿命; 有源储能电容变换器

0引言

在功率因数校正(power factor correction,PFC)变换器中,由于瞬时输入功率是脉动的,而输出功率是恒定的,因此需要储能电容来平衡瞬时输入功率和输出功率之间的差值。电解电容具有耐压高、容值大的特点,被广泛地用作PFC变换器的储能电容。但是,电解电容体积较大,影响了电源功率密度的进一步提高,因此必须减小储能电容容值以提高电源的功率密度[1-5]。并且,电解电容的寿命通常只有几千小时,是制约电源寿命的关键元件。因而,减小甚至去除电源中的电解电容,用其他电容来替代电解电容,可以有效延长电源的寿命。文献[6]研究了将全桥电路作为有源储能电容变换器用于逆变器中,文献[7]研究了将Buck-Boost作为有源储能电容变换器用于PWM整流器中。本文研究用于PFC变换器的有源储能电容变换器,并以Buck/Boost双向变换器为例,提出一种新的控制方式并给出实验验证。

1传统的PFC变换器

图1是一个两级式AC/DC PFC变换器模块,不关注内部的拓扑和控制方式,将其看作“黑盒子”,研究储能电容的纹波电压与电容容值的关系。为了分析方便,先作两个假设:1) 输出电压纹波与其直流量相比很小;2) 所有器件均为理想元件,无损耗。

图1　AC/DC变换器示意Fig.1　Schematic of AC/DC converter

图2　输入电压、输入电流、输入功率、输出功率和电容电压波形Fig.2　Waveforms of input voltage,input current, input power,output power and output voltage when input power factor is unity

定义PFC变换器的输入电压为

vin(t)=VmsinωLt。

(1)

其中Vm和ωL分别是输入交流电压的幅值和角频率。

当输入功率因数为1时,输入电流可表示为

iin(t)=ImsinωLt。

(2)

其中Im是输入电流的幅值。

由式(1)和式(2)可以推出瞬时输入功率为

(3)

在一个工频周期内,输入功率平均值为

(4)

假设输出电压纹波与其直流量相比很小,则输出功率可表示为

Po=VoIo。

(5)

其中Vo为输出电压,Io为输出电流。

假设PFC变换器的效率为100%,那么其工频周期内的平均输入功率等于输出功率。由式(4)和式(5)可得

(6)

图2给出了当输入功率因数为1时,输入电压、输入电流、瞬时输入功率和储能电容电压的波形。从中可以看出,在半个工频周期内,当瞬时输入功率大于输出功率时,储能电容Cb充电;当瞬时输入功率小于输出功率时,Cb放电。因此,Cb在半个工频周期中储存能量的最大差ΔE为

(7)

根据储能电容能量与其电压的关系有

(8)

其中：Cb为储能电容容值；Vb为储能电容即直流母线平均电压；ΔVb为储能电容电压纹波峰峰值。

由式(7)和式(8)可得储能电容容值与其纹波电压峰峰值、电压平均值的关系为

(9)

从式(9)可以看出,当ωL和Vb一定时,Cb值与ΔVb成反比,即ΔVb越小,所需Cb值越大;Cb值与Po成正比,即Po越大,所需Cb值越大。

一般来说,PFC变换器的输出电压平均值被控制为某一值。根据式(9)可知,若须减小Cb值,则其电压纹波峰峰值ΔVb将变大,而这不利于前级及后级变换器的设计(磁性元件工作状态、变换器的效率不是最优,功率器件电压应力增加),而且系统稳定性变差。

2采用有源储能电容变换器的PFC变换器

从上面的分析可以看出,储能电容的主要目的是平衡瞬时输入功率和输出功率,因此,如果在PFC变换器的输出侧并联一个变换器,如图3所示,该变换器用来平衡瞬时脉动的输入功率和恒定的输出功率,那么原先并接在直流母线上的储能电容容值可以大幅减小,只需用来滤除开关频率的电流脉动。由于该变换器是用来替代储能电容的,因此可称为储能电容变换器。

图3　采用储能电容变换器以减小储能电容Fig.3　Storage capacitor converter is introduced 　　　to reduce the storage capacitance

当瞬时输入功率大于输出功率时,多余的能量通过储能电容变换器存储到Cscc上,此时Cscc充电。当输入功率小于输出功率时,不足的能量由Cscc通过储能电容双向变换器提供,此时Cscc放电。由于储能电容变换器需要双向提供能量,因此它是一个双向变换器,可以采用Buck/Boost双向变换器、Boost/Buck双向变换器或者Buck-Boost双向变换器等,如图4所示。

图4　储能电容变换器Fig.4　Storage capacitor converter

3采用Buck/Boost双向变换器作为储能电容变换器的PFC变换器

以Buck/Boost双向变换器为例,分析有源储能电容变换器的工作原理与控制,其他拓扑也可以采用本文所提出的控制方法,分析过程类似,不同之处在于占空比的表达式和控制电路的结构。与储能电容不一样的是,Cscc的电压可以有很大的脉动。也就是说,当PFC变换器的输入功率小于输出功率时,Cscc可释放其存储的全部能量,其电压可从最大值减至零;当PFC变换器的输入功率大于输出功率时,Cscc吸收能量,其电压从零上升至最大值,实现“满充满放”。

Buck/Boost双向变换器吸收或释放的瞬时功率Pscc等于瞬时输入功率与输出功率之差。由式(3)、式(5)和式(6)可得

Pscc(t)=Pin(t)-Po=-Pocos 2ωLt。

(10)

参考图5可得Cscc存储的瞬时能量为

(11)

由上式可得Cscc电压表达式为

(12)

由式(12)可知,储能电容电压波形与输入电压整流后的波形一致,相位滞后其π/4,如图5所示。

图5　引Buck/Boost双向变换器后的主要波形Fig.5　Key waveforms when Buck/Boost bi-directional converter is introduced

由式(12)可得

(13)

对于Buck/Boost双向变换器而言,其Cscc的电压的最大值可为Vb,因此根据式(9)和式(13)可得

(14)

如果PFC变换器的输出功率为60 W,采用传统的将储能电容并联在直流母线上的方式,若Vb=400 V,纹波峰峰值ΔVb=4 V,则由式(9)可得Cb=120 μF。采用Buck/Boost有源储能电容变换器后,保持电容电压应力不变,则Vscc,m=400 V,由式(13)可得Cscc=2.4 μF。与Cb相比,Cscc值大幅减小,这样Cscc可以采用薄膜电容或瓷片电容,延长电源的寿命。

4Buck/Boost有源储能电容变换器的控制

由前面的分析可知,当Cscc实现满充满放的情况下,其电压波形与输入电压整流后的波形一致,相位滞后其π/4。因此Buck/Boost双向变换器可以采用SPWM控制,使其电压满足前面的要求,即可平衡PFC变换器的瞬时脉动输入功率和输出功率。

参考图4(a),由式(12)可推出,开关管Q1的占空比D为

(15)

若锯齿波的幅值为Vramp,则调制波电压表达式为

(16)

式中Ib后级DC/DC变换器输入母线电流,直流母线电压Vb的恒定由PFC变换器的输出电压闭环控制,在变换器正常工作的情况下,由于负载的变化,式(16)中唯一的变量是Ib。

根据式(16)可以设计该有源储能电容变换器的控制电路,如图6所示。输入电压经差分采样后通过RC电路使其移相π/4,该信号经整流后分为两路,一路与乘法器的一个输入端相连,另一路经分压和峰值取样后与乘法器的另一个输入端相连,采样直流母线电流大小的电压信号vIb经开方电路后与乘法器的第三个输入端相连,乘法器的输出与锯齿波交截即可以获得如式(15)的占空比信号。之所以不采取直接将输入电压通过RC电路移相再经桥式电路整流的方法,是为了避免与主功率电路短路。

图6　有源储能电容变换器的驱动信号获取方法Fig.6　Duty cycle signal realization of the active filter

5实验验证

为了验证前面分析的正确性,在实验室完成了一台60 W Boost PFC变换器的原理样机,电感电流工作于临界连续模式。主要参数如下:交流输入电压为198～264 VAC/50 Hz;输出电压为380 V;升压电感为600 μH;开关管为FQPF4N60C (600 V,2.6 A);二极管为MUR460 (600 V,4 A);控制芯片采用ST公司的L6561。有源储能电容变换器开关频率为100 kHz;电感为600 μH;储能电容为3.3 μF(薄膜电容);开关管为FQPF4N60C (600 V,2.6 A)。控制芯片为TI公司的UC3843。

图7　采用有源储能电容变换器方式时的输入电压、电感电流、储能电容电压、输出电压波形Fig.7　Waveforms of input voltage,inductor current, storage capacitor voltage and output voltage when input power factor is unit

图7为输入电压为220 V时的满载实验波形,由下至上依次为整流后的输入电压、Boost电感电流、储能电容电压、直流母线电压。直流母线电压平均值为383.7 V,其纹波峰峰值为20.4 V,有源储能电容峰值电压为310 V,从功率分析仪上读得功率因数为0.998。若用传统的储能方式,根据式(9),所需电容容值为24 μF。实验结果表明,采用有源储能电容变换器后,在保证输入单位功率因数的情况下,储能电容值可大幅减小。

6结论

针对PFC变换器中电解电容体积大、寿命短的缺点,研究采用Buck/Boost有源储能电容变换器取代电解电容。提出了一种新的控制方式,与传统的将储能电容直接并接在直流母线上的方式相比,在保证输入功率因数为1的条件下,可以将相同电压定额的储能电容容值大大减小,因而可以采用长寿命的薄膜电容或瓷片电容作为储能电容,延长电源的寿命。

参 考 文 献:

[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.

[4]MADIGAN M,ERICKSON R,ISMAIL E.Integrated high quality rectifier regulators[C]//Power Electronics Specialists Conference,Jun 29-Jul 03,1992,Toledo,Spain,1992: 1043-1051.

[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.

(编辑：刘素菊)

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

中图分类号:TM 464

文献标志码:A

文章编号:1007-449X(2016)04-0101-05

DOI:10.15938/j.emc.2016.04.014

通讯作者:姚凯

作者简介:姚凯(1980—)，男，博士，讲师，研究方向为功率因数校正技术。

基金项目：国家自然科学基金(51307085)；江苏省自然科学基金(BK2012400)；江苏省产学研联合创新-前瞻性联合研究(BY2013004-03)；中国博士后科学基金(2012M521087)；江苏省博士后科学基金(1202068C)；南京理工大学“卓越计划”“紫金之星”资助项目

收稿日期:2013-06-17