多相交叉升壓電路及其在有源功率因數校正技術

摘要：提出一種新的,已獲專利的多相交叉升壓電路拓撲(專利申請號No.00257426＆00130365)。使用這種多相電路拓撲，可將電力電子產品的有源功率因數校正的輸出功率擴展至2～4kW，以滿足IEC1000-3-2標準的規定。多相交叉升壓式的有源功率因數校正技術具有輸出功率大，電路簡單，成本低等優點。對雙端推挽式升壓電路的主功率級和控制器做了分析，并給出了輸出功率為2kW樣機的實驗結果。

關鍵詞：多相交叉；升壓電路；有源功率因數校正；雙端推挽式升壓電路

1 引言

在脈寬調制技術上發展起來的高頻變換技術大大提高了電能的變換效率；縮小了電力電子產品的體積；減輕了其重量；從而降低了能耗；節省了材料。但因為高頻脈寬調制變換技術大多采用電容濾波型整流電路（輸入電流受濾波電容的影響為脈沖狀態，如圖1所示），所以功率因數低、輸入電流諧波成分大，是公用電網中最主要的諧波源，對電力系統造成很大危害^[1]。隨著諸如開關電源、電子鎮流器、電機變頻調速裝置及家用電器等大量電力電子產品的應用，電力系統出現了日趨嚴重的高次諧波電流污染問題^[2]。另外大多數電力電子產品的功率因數低,這樣就給電網帶來額外的負擔,造成零線發熱，影響供電質量。同時還增加了用戶的電費^[3]。

(a) 電容濾波型整流電路

(b) 輸入電流波形

圖1 電容濾波型整流電路及其電流波形

抑制諧波和提高功率因數已成為電力電子技術所面臨的一個重大課題,正在受到越來越多的關注。功率因數的提高不僅可抑制電網諧波，同時還可以降低輸入電流及所消耗的功率，提高電網效率，改善電磁兼容性（EMC）。世界上許多國家和國際組織都對電力電子產品的功率因數及諧波成分作了限制。其中較有影響的是IEC555?2標準及IEC1000-3-2標準^[4]，[5]。我國也于1984年和1993年分別制定了限制諧波的規定和國家標準[6]。

為了使電力電子產品的功率因數及諧波成分滿足上述的規定和標準，可在整流橋和濾波電容之間加一級用于功率因數校正的功率變換電路，使輸入電流為正弦波，從而提高功率因數，這就是有源功率因數校正技術。在用于功率因數校正的功率變換電路中，

最常采用的是升壓式電路。尤其是在小功率（幾十瓦至上千瓦）的電力電子產品中，采用升壓式的有源功率因數校正技術可使交流輸入電流與交流輸入電壓保持同相位，使功率因數接近于1^[1]。但由于這種簡單的傳統升壓式電路為單端電路拓撲，一般只適用于對輸出功率為幾十瓦至1千瓦左右的小功率電力電子產品進行有源功率因數校正，應用范圍受到很大的局限。盡管在諸如分布式通訊電源等一些產品中，可通過電源模塊的并聯來實現較大功率的輸出^[7]。但必須對各并聯模塊進行較為復雜的均流控制，因此成本高，電路復雜。

本文所提出的多相交叉升壓電路是一種新的,已獲專利的多相升壓電路拓撲(專利申請號No.00257426 ＆ 00130365)。在有源功率因數校正技術中使用這種多相交叉升壓電路拓撲，只需對控制電路做很小的改變，就可將采用有源功率因數校正的電力電子產品的輸出功率擴展至2～3kW以上。多相交叉升壓式的有源功率因數校正技術具有輸出功率大，電路簡單，成本低等優點。這種新電路拓撲的采用大大擴展了有源功率因數校正技術在電力電子產品中的應用范圍。

2 多相交叉升壓電路的幾種基本拓撲結構

多相交叉升壓電路為多端電路拓撲，既可以做成雙端的推挽式（即二路交叉移相），也可以做成三端式（即三路交叉移相）以及四路，五路．．．．．．直至N路（N≥2，整數）。從實用的角度來看，2路將會得到較廣泛的應用。

圖2為推挽式升壓電路拓撲。從圖2可看出，它與圖1所示的傳統的單端式升壓電路不同,推挽式升壓電路由兩路完全相同的單端升壓電路并聯組成。由兩組相位相差180°的驅動信號分別去驅動功率開關器件S₁、S₂，使兩路交叉導通。通過調節驅動信號的占空比，可在一定范圍內調節輸出電壓。如采用同樣容量的功率開關器件，其輸出功率為單端式升壓電路的2倍。

圖2 推挽式升壓電路

圖3為雙路并聯推挽式升壓電路拓撲。由兩路推挽式升壓電路直接并聯，共用輸入整流電路和輸出電容。如采用同樣容量的功率開關器件，其輸出功率為單端式升壓電路的4倍。只要驅動容量足夠，可用同一組推挽的脈沖信號來驅動相應的4只功率開關器件。

圖3 雙路并聯推挽式升壓電路

多相交叉升壓電路既可應用于單相交流電源的有源功率因數校正，也可應用于三相交流電源的有源功率因數校正。圖4為由3個單相推挽式升壓電路組成的三相推挽式升壓電路拓撲。

圖4 由三個單相推挽式升壓電路組成的三相推挽式升壓電路拓撲

3 多路交叉移相升壓電路的工作原理

推挽式升壓電路是最簡單，也是最基本的多路交叉移相式升壓電路。以下是對推挽式升壓開關電路工作原理的敘述。其它多路交叉移相式升壓電路拓撲結構如雙路并聯推挽式升壓電路等可在此基礎上推出。

圖2所示的推挽式升壓開關電路可看作由兩路輸入端和輸出端并聯連接的單端式升壓子電路組成。這兩路單端式升壓子電路分別由功率開關器件S₁、電感L₁、二極管V_D1和功率開關器件S₂、電感L₂、二極管V_D2組成。圖5為推挽式升壓電路的各點波形圖。交流輸入u經全波整流后的電壓u_d加到推挽式升壓電路的輸入端。由有源功率因數校正控制驅動電路提供的兩組相位相差180°的驅動信號u_gs1和u_gs2分別驅動功率開關器件S₁、S₂，使兩路交叉導通。從圖5中可看出,與通常單端式升壓電路不同,推挽式升壓電路的輸出電壓是由兩個完全相同的波形相移180°疊加而成。其輸出功率可擴展為單端式升壓電路的2倍。

(a)交流輸入u

(b)全波整流后的電壓u_d

(c)功率開關器件S1的驅動信號_ugs1

(d)功率開關器件S₂的驅動信號u_gs2

(e)功率開關器件S₁上的電壓u_ds1

(f)功率開關器件S₂上的電壓u_ds2

(g)輸出電壓u_c(電容上的電壓)

圖5 推挽式升壓電路的各點波形圖

圖3所示的雙路并聯推挽式升壓電路由圖2所示的兩組推挽式升壓有源功率因數校正電路直接并聯組成。由兩組相位相差180°的驅動信號u_gs1和u_gs2分別去驅動雙路并聯的推挽式升壓電路中功率開關器件S₁、S₃和S₂、S₄，使雙路并聯推挽式升壓電路中功率開關器件S₁和S₃分別與S₂和S₄交叉導通。雙路并聯推挽式升壓電路的各點波形與推挽式升壓電路的基本相同。其輸出功率可擴展為單端式升壓電路的4倍。

圖4所示的三相有源功率因數校正電路拓撲中每一相所對應的推挽式升壓電路的工作原理及相應各點的波形與單相推挽式升壓電路的相同。

雙端推挽式升壓有源功率因數校正控制及驅動電路原理圖如圖6所示，由推挽式升壓主電路和有源功率因數校正控制驅動電路組成。圖中虛線框內為推挽式升壓有源功率因數校正的專用控制電路，該電路由有源功率因數校正專用集成電路，分頻器及驅動器組成。功率因數校正控制電路可采用任意一種有源功率因數校正專用集成電路，例如UC3854、MC34261、ML4812、TDA4814、CS3810等^[3]，[8]。由有源功率因數校正專用集成電路輸出的脈寬調制信號經分頻器給出兩組相位相差180°的脈沖信號，使驅動器提供兩組相位相差180°的驅動信號u_gs1和u_gs2分別驅動功率開關器件S₁、S₂，使兩路開關即兩路升壓電路交叉導通。

圖6 雙端推挽式升壓有源功率因數校正控制及驅動電路原理圖

4 主電路實驗結果的分析

實驗采用最簡單，最基本的多相交叉式升壓電路——雙端推挽升壓式的電路。實驗條件如下：

主電路功率開關器件采用IR的功率MOSFETIRFP460，耐壓500V，最大電流20A。對應輸出功率1kW，由2個主功率開關器件交叉組成。2個電感分別為1mH，采用材料為R2KB的EE40磁芯，電感中流過的電流為4A。對應輸出功率2kW的電路，2個主功率開關器件分別由4個IRFP460并聯組成，2個電感分別為0.5mH，采用材料為R2KB的EE55磁芯，電感中流過的電流為8A。對應輸出功率4kW的電路，2個主功率開關器件分別由8個IRFP460并聯組成，2個電感分別為0.25mH，采用材料為R2KB的EE65B磁芯，電感中流過的電流為16A。每路的開關頻率為f_s=100kHz。

推挽升壓式電路的控制及驅動由PWM專用集成電路SG3525的兩路輸出經射隨功放器來完成。圖7為雙端推挽升壓式控制及驅動實驗電路圖。

圖7 雙端推挽升壓式控制及驅動實驗電路圖

5 結語

雙端推挽升壓式電路的實驗結果表明本電路適用于2～4kW電力電子產品的有源功率因數校正。具有成本低，控制電路簡單的優點。同時減少了輸出直流電壓的脈動。是一種實用性很強的基本電路拓撲。