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6kW开关电源PFC电路实现

发布时间:2020-06-30 17:26:26 阅读: 来源:木盒厂家

引言在各种单相PFC电路拓扑结构中,Boost电路具有结构简单、变换效率高、易于控制等优点而得到广泛应用。高频化方法可以有效地减小有源功率因数电路的体积、重量,从而提高电路的功率密度。但是,高频化也带来了诸多问题,其中最为引人关注的是开关损耗的急剧增大。有源功率因数校正电路的软开关技术能够有效地解决这一问题,本文将要介绍的电路就是这一类电路。

软PWM 技术是指具有软开关环境的PWM 技术。这种技术的特点是:在开关周期中,电路具有软开关环境,而在非开关周期中,仍然保持原来硬开关PWM电路的各种优点[1]。软开关技术理论上可使开关损耗降为零;实际上,可使目前的各种电源模块的变换效率由80豫提高到90豫以上,达到高频率、高效率的功率变换。

此电路是在传统PFC 电路的基础拓扑结构上,加入了有源缓冲电路结构。缓冲电路的引入改善了电路的开关环境、增加了电路效率。对大部分自关断器件组成的电路,由于开关频率高,缓冲电路着重于改善开关器件的开关轨迹,控制EMI,减小电流、电压应力,从而降低开关损耗,为器件提供安全的开关环境,最大限度地利用器件特性,充分发挥器件的效能。

传统的有源缓冲电路单元,大多是既复杂、高功耗又难于控制,且输入电压范围较小、带负载能力较弱。

本文所研究的电路具有结构简单,带负载能力强,允许输入电压范围宽,以及很方便地实现PWM控制等优点。并且,通过实际的运行与测试,效果理想。

1 工作原理

在实际6 kW的PFC 电路中,由于电流较大,主开关管由4只大功率IGBT 管并联运行,辅助开关管由两只大功率IGBT管并联运行,主二极管也是多管并联运行。在图1所示的原理图中,由Lr,Cr2,Dr,D1,D2及T2共同组成了缓冲器单元。

为方便电路分析,在不改变电路运行条件的基础上,进行了以下假设:

1)输入电压为恒定值;

2)输出电容C0充分大;

3)输入电感L 充分大;

4)谐振电路为理想谐振;

5)主电感L 远大于谐振电感Lr;

6)各器件的寄生电容忽略不计;

7)除主二极管D 以外,其它二极管的反向恢复时间忽略不计。

工作过程分8 个阶段,各阶段等效电路如图2所示,波形图如图3所示。

1)[t0,t1] 在t0时刻之前,主开关管T1与辅助开关管T2均处于截止状态,主二极管D 处于导通状态。在t0时刻(iD=Ii ,vCr2=0),辅助开关管T2导通。此时,Dr和T2为零电流情况下导通(ZCT),Lr 限制通过Dr和T2的电流上升率。此时段中,通过主二极管D的电流线性下降,同时,通过T2的电流线性上升。

2)[t1,t2] 在t=t1时刻,由于二极管的反向导通,D 上电流继续下降,而流过Dr 和T2的电流继续上升。直到t=t2时刻,二极管反向恢复电流达到负的最大值。

2 电路的设计

2.1 主电感的选择

依据电感元件的伏秒平衡原理,在主开关T1导通期间,储能电感L 上的电流增加量应与主开关T1截止期间的电流下降量相等,方向是相反的。即

在实际设计中,储能电感L 上的峰峰值电流Ii+驻IL 不应大于最大平均电流的20豫,这可以避免储能电感的磁饱和,也能达到限制主开关的峰值电流、峰值电压和功率损耗的目的。这里我们选择驻IL=1.4Ii,代入式(21)中得到储能电感的电感量为

2.2 输出电容的选择

输出电容C0 中将流过i0的交流分量,在C0两端,电压将产生脉动,该脉动量与C0的数值有关。因此,在设计中,要求选择输出电容C0 使输出电压u0的纹波啄V 低于规定值,一般电压纹波啄V 臆2%,即输出电压脉动量为驻u0。

2.3 谐振电感的选择

谐振电感的选择依据是,在3 倍的主二极管反向恢复时间内,使其上流过电流不超过输入的最大电流,即

2.4 谐振电容Cr1的选择

谐振电容Cr1的选择依据是,在与谐振电感Lr谐振的半个周期内,其上能量全部传递给谐振电感Lr,即

2.5 谐振电容Cr2的选择

谐振电容Cr2 的选择依据是,在与谐振电感Lr谐振的半个周期内,其上能量全部传递给谐振电感Lr,即

式中:Irrmax是主二极管D反向恢复最大电流。

3 电路的仿真与试验结果及分析

3.1 仿真结果

仿真所得的波形如图4-图8所示。

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