大功率场合Boost型功率因数校正的应用方案

徐小杰  侯振义  （空军工程大学 电讯工程学院 ，西安 710077）

摘  要：在分析现有功率因数校正电路不足的基础上，提出了一种大功率场合Boost型功率因数校正的应用方案，并给出了具体的电路分析。

关键词：功率因数校正   升压变换器      大功率

The Application of Boost Power Factor correction in High Power

XU Xiaojie   HOU Zhenyi

(The Telecommunication Engineering Institute, AFEU.，XI’AN  710077,China)

Abstract: Based on the analysis of shortness in present PFC circuit, a set of project used in high power is brought up. And introduces the concrete circuit.

Key words: PFC          boost circuit      high power

1  概  述

普通的升压式变换电路，对于几百瓦小功率的功率因数校正，这是较成熟的技术，但对于3~5KW或更大功率的功率因数校正，还存在许多实际的应用问题。

图1  普通Boost型功率因数校正电路原理图

普通Boost电路如图1所示，当Q导通时，L储能，当Q关断时，L将储存能量通过D释放到C，对于功率因数校正电路，电容两端电压约为400V左右。由于L工作于电流连续模式，当Q导通时，二极管处于反向恢复状态，在反向恢复时间内400V高压通过接近“短路”状态的二极管D直接加于Q两端，使得Q开启瞬时有一个较大的峰值电流。对于小功率功率因数校正，D结温增加不多，反向恢复时间也增加不多。但对于大功率功率因数校正，D结温很容易升高。当D结温升高时，反向恢复的时间增大，峰值电流持续时间增大，再使结温上升，进入恶性循环，最终使Q开启瞬时电流增加至较大值，并且持续时间不断增大，因而Q和D极容易损坏，也就是说图1所示功率因数校正主电路对于较大功率来说是不实用的。

本文将介绍两种用于大功率场合的功率因数校正方案，应用这两种电路，有效的解决了二极管反向电流冲击问题，通过对电路工作过程的分析，证明了本文提出的电路的正确性。

2  无损缓冲型Boost功率因数校正电路

具有无损缓冲的Boost电路原理图如图2所示，由L1、Q1、L2、D1、C1组成升压电路，缓冲电路由D6、C2、D7、C3、D8组成。开关管Q1采用PWM方式工作，下文主要对该电路开通、关断时刻进行分析如图3所示。

图2  无损缓冲型Boost功率因数校正电路原理图

（1）  t0~t1

    这一期间Q1关断，D1导通，此时电路工作与普通升压电路二极管导通状况相同。VC2等于VOUT，VC3为0。直到t1时，开关管Q1加上触发脉冲开始导通。

（2）        t1~t2

    t1时刻，开关管Q1导通，D1由于有电流流过，尚未关断。VOUT加在L2两端，L2上的电流线性增加直至大于IL，VC1、VC2保持不变。t2时刻，D1的反向恢复期结束，二极管D1关断。

  （3）  t2~t3

    t2时刻，二极管D1关断，C2、C3与L2通过Q1、D7构成谐振回路，L2中的电流继续增大，C2放电，C3充电。到t3时刻，VC2＝0，二极管D6导通。

  （4）  t3 ~t4

t3时刻起，L2、C3通过D6、D7谐振，至t4时刻，IL2＝IL1，D6、D7关断，此时除了Q1、D6、D7上微小的损耗外，C2上的能量基本上都转移到C3上。

（5）  t4 ~t5

    t4时刻，换流过程结束，L1和L2上的电流相等。此时电路工作与普通升压电路开关管导通状况相同。至t5时刻，触发脉冲撤去，开关管Q1关断。

  （6）  t5~t6

    从t5时刻起，Q1管关断，L1、L2通过D6向C2恒流充电，C2上电压线性增长。至t6时刻，VC2与VOUT相等后，D7、D8导通，C2上电压维持不变。

  （7）  t6~t7

    从t6时刻起，L2、C3通过D6、D7形成并联谐振电路，C2向L2放电，使IL2下降。经四分之一周期的谐振后，至t7时刻，L2上的电流降为零，D6、D7关断。

  （8）  t7~t8

t7时刻，若VC3尚未放电到零。则IL1流经C3、D8至C1，使C3恒流放电。直至t8时刻，VC3为零，D1开始导通。至此关断换流结束，C3上所储存的能量都释放到负载上。至此，一个完整的工作周期结束。

在开通过程中，C2上所存储的能量、L2上因二极管反向恢复而增加的能量除了在    D6、D7、开关管Q1上极小的损耗外，都转移到C3上；在关断过程中， C3上的能量除了D6、D7、D8上极小的损耗外，都转移到负载上。因此，这种缓冲电路基本没有损耗。同时，由于开关管上串了一个小电感，所以有效地抑制了反向恢复电流。

3  交替型Boost功率因数校正电路

这种方案是将两个Boost电路相并联，如图4所示，两个Boost电路工作于相同的频率，但是两个开关管交替导通，这就提高了电路的整体工作频率，减小了对滤波的要求，由于这种电路是由两个变换器共同承担功率，因此可以采用价格低的开关管，采用这种方案，可以提高功率密度，而且效率也不会降低。

图3  无损缓冲Boost电路的八个工作状态

图4  交替型Boost功率因数校正电路

图4为交替型Boost功率因数校正电路，其由一个二极管整流桥和两个升压变换器组成。

当工作于电感电流连续模式时，交替型升压变换器有四种工作状态如图5所示。

图5  交替型Boost功率因数校正电路的四个工作状态

（1）  t0~t1

开关管Q1和Q2都导通，电感电流IL1、IL2增加。这时，由电容C1给负载提供能量。

（2）  t1~t2

在此工作阶段，开关管Q1关断，而开关管Q2导通。电感电流IL1减小，而电感电流IL2增加。这时，电路的工作过程相当于Boost变换器工作在开关管导通时。

（3）  t2~t3

在此工作阶段，开关管Q2关断，而开关管Q1导通。电感电流IL2减小，而电感电流IL1增加。

（4）  t3~t4

在此工作阶段，两个开关管Q1和Q2都关断。结果，两个电感L1、L2中的电流都减小。这时，电路的工作过程相当于Boost变换器工作在开关管关断时。

当 时，变换器的工作过程只包括状态1、2、3，当 时，变换器的工作过程只包括状态2、3、4。

这种变换器的主要优点有以下几点：

（1）       和传统的升压变换器相比，电感可减小四分之一。

（2）       开关管的电流等级可减小一半。

（3）       减小了输入电流的谐波，

（4）       有效解决了二极管反向恢复电流的冲击问题。

4  结  论

Boost电路被广泛应用于功率因数校正电路中，但是在大功率场合，由于二极管的反向恢复电流的冲击问题，使得这种电路不能得到应用。本文提出了两种改进型Boost功率因数校正电路，通过对电路工作过程的分析，可以看出，这两种电路很好的解决了反向电流冲击问题，适用于大功率应用场合。

参考文献:

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[4]   华伟，金新民.大功率单相功率因数校正主电路方案[J].电工技术学报，1998，NO.6，PP50~53.

[5]   James P.Noon Dhaval Dalai. Practical design issues for PFC circuit[Ｍ].IEEE PESC, 1997, PP51~58.

作者简介：

徐小杰  男，1978年生，空军工程大学电讯工程学院电力电子与电力传动专业硕士。主要研究方向位电力电子装备的智能检测与控制。

侯振义  男，1952年生，空军工程大学电讯工程学院教授，主要从事通信电源领域的教学和科研工作。