新型单相无源功率因数校正整流器的电路拓扑、工作原理和设计分析

林维明1   林慧聪1   何塞安2

(1.  福州大学电气工程系，福建 福州市350002；2、西班牙奥维多大学电力电子中心)

摘  要：满足电磁兼容标准的功率因数校正方法是当今发展趋势。由于无源功率因数技术具有简单、低成本的优点，在小功率应用场合具有广阔的前景。然而当功率大于300瓦的功率水平时，现有的基本LC滤波器电路需要笨重的电感。本文提出一种LC滤波器类型的新的无源功率因数校正电路，它以满足新的电磁兼容标准为前提。新电路简单且电感尺寸为原来的一半。本文建立新的电路拓扑、设计分析，计算机仿真和样机实验验证。

关键词：电磁兼容  功率因数校正  电路拓扑

中图分类号：TM46

A new single-phase passive power factor corrected rectifier: topology, operation, and design for compliance

Lin Wei-Ming1 Lin Hui-Cong1  J. Sebastian2

(1. Fuzhou University, Fuzhou 350002; 2. University of Oviedo, Gijon, 33204, Spain)

Abstract ：The modification of the new version of IEC1000-3-2 regulations should be taken into account for design in order to comply with them. Passive solutions are very attractive topologies for low power applications, due to theirs simplicity and low cost. However, the inductor needed to comply with the regulations is quite bulky if the power level is higher than 300W. A new LC type filter structure to comply with the new version of IEC1000-3-2 regulations is presented in this paper. The topology is very simple and the size of the inductor can be halved. A prototype of the converter has been built and the experimental results are also presented.

Key words: Electromagnetic Compatibility, Power factor correction, Circuit Topology

1  概  述

为了限制用电设备的电流谐波分量，自从1975年以来，许多国家和国际组织制订和颁发了电磁兼容标准。欧洲国家的标准（IEC1000-3-2[1]）和北美洲的标准（IEEE519）是不同的。为了满足这些标准，研究设计人员可以选择许多不同的方法，但所有这些方法可以分为两类：有源功率因数校正和无源功率因数校正。有源功率因数校正存在复杂、昂贵和产生电磁干扰 (EMI)。无源功率因数校正不产生电磁干扰，但尺寸大、重量重和多数情况增加直流输出阻抗。然而，一些简单无源功率因数校正电路（例如，LC滤波器的基本单相整流器 [3] 和 LCD 滤波器电路 [4]) 是非常经济的，它们因此应用在许多低成本的电力电子设备中。因此如果它们的尺寸能够进一步减少，无源功率因数校正技术将有广阔应用前景.

本文提出了一种满足新版电磁兼容标准的新的无源功率因数校正电路。这个电路减少基本LC滤波器[3]的滤波电感，相应地降低成本。同时新电路也取得高的功率因数。

本文介绍了新版IEC1000-3-2电磁兼容标准，回顾了现有的无源功率因数校正电路、提出了新电路拓扑和工作原理。最后本文分析了满足新电磁兼容标准的设计。进行了计算机仿真和样机实验测试验证。

2  新的电磁兼容标准

欧洲国家应用IEC1000-3-2电磁兼容标准控制和限制电力系统谐波。2000年制订并开始执行新的IEC1000-3-2电磁兼容标准。

新版的IEC1000-3-2电磁兼容标准如图1所示。以满足电磁兼容标准为准则的功率因数校正方法必须考虑新标准要求与变化。而新IEC1000-3-2电磁兼容标准最重要的不同是如何划分D类电力电子设备

在新IEC1000-3-2标准规定中,D类标准的应用,只取决与产品设备的分类,而与输入电流波形无关,新的规定不存在D类电流波形模式.只有输入功率在600瓦(包含600瓦)以下,属于下列类型之一

(1) 个人计算机和个人计算机显示器

(2) 电视接收器的电力电子产品其输入电流谐波分量应满足由表1推导出D类各次谐波限制规定.

3  现有无源功率因数校正方法的分析

参考文献[3]和[4]探讨了应用无源功率因数校正方法如何满足旧版的IEC1000-3-2电磁兼容标准。文[3]中，建立了LC滤波器+典型整流器的奇次归化输入电流谐波分量与归化滤波电感的关系，它们与归化D类电流谐波标准相比较如图所示。图2也表明满足IEC1000-3-2D类电流谐波标准的最小归化电感由三次谐波电流决定。同时可以分析，满足电磁兼容标准的最小电感与输出功率的函数关系，如图3所示。

由于电感的尺寸大小，文[2]的无源功率因数校正方法只适合功率水平小于300W

表1  D类电流谐波限制规定*

Table 1 Class-D Harmonic Current Limits

电流谐波 　 便携与焊接设备   三相平衡设备   照明设备                     n	相对谐波限制         HLn ClassD (mArms/W)	最大允许电流谐波                   (Arms)
3	3.4	2.30
5	1.9	1.14
7	1.0	0.77
9	0.5	0.40
11	0.35	0.33
13	0.296	0.21
15 n 39	3.85/n	2.25/n

　

个人计算机及电视接受器

*D类限制规定应用于输入功率从75瓦到600瓦的电力电子产品

文[4]提出一种基于改变输入电流波形的方法。这个电路的目的是通过使的输入电流超出标准规定输入电流模式5%的电源周期而使电力电子设备用A类电磁兼容标准替代D类标准。但在新的电磁兼容标准中，输入电流D类波形模式已经不再存在，所以这种方法不再有效。

4  新电路拓扑和工作原理

图4为本文提出新的无源功率因数校正电路。这个电路，本文称为 TLC 整流器，由传统的LC滤波器电路附加一个抽头电感、一个小电容和一个二极管构成。

图5给出了电路的主要波形。这些波形由PSPICE仿真获得。下面分析工作波形，将其划分为四个时间段：

·         T1时刻：当瞬态电源电压Vg升到 谐振支路电压Vx时，谐振电路开始导通。这个时间段，扼流电感没有电流流过。

·         T2时刻：当瞬态电源电压Vg升到输出电容电压，电流开始通过扼流电感。

·         T3时刻：流过谐振支路和扼流电感的电流同时开始减少，同时输入电流开始减少到零。

·         　

Fig.4   Proposed TLC rectifier 图解4  本文新电路

T4时刻：流过谐振支路和扼流电感的电流同时减少到零。这个期间，TLC电路的任何元件都没有流过电流，只有输出电容提供给负载能量。

TLC整流器与基本LC滤波器主要的差别是，由谐振支路产生的附加电流分量，在两个方面改变了输入电流波形：（1）降低低次谐波分量；（2）减少电流峰值。

但是必须指出的是，由于上述情况，对于图5电路也将同时增加输入电流高次谐波分量。

根据文[2]的分析，LC滤波器电路的扼流电感设计主要决于电流低次谐波分量，而且主要是三次谐波电流限制规定。图2给出了分析曲线。根据本文提出的TLC整流器电路，可以减少输入电流低次谐波分量，相应地，可以设计更小和更低成本的电感来满足电磁兼容标准。

5  设计分析

功率因数校正电路参数的设计取决于设计者的目标。本文中，主要的目标是以最低的成本来满足电磁兼容标准[IEC1000-3-2]，实现高性能价格比。

5.1  输入电流的分析

由图电路可知，输入电流波形由两个因素影响：直流侧扼流电感和附加谐振电路。考虑到输入电流波形是由两个非线性电路叠加获得的，写出相关电路变量的数学表达式是困难的。然而，我们可以通过如OrCAD PSPICE软件仿真很容易获得输入电流的波形。因此，通过仿真可以获得各种功率水平满足电磁兼容标准的电路电感值和电容值。需要说明的是输出电容也对输入电流波形有重要的影响。但它的值 由传统AC/DC变换器的保持时间所决定（如10毫秒或20毫秒）。本文中不讨论这个电容的设计分析。

满足电磁兼容标准的最小扼流电感与输出功率的函数关系如图3所示。通过下面分析，适当设计本文提出电路，可以减少最小扼流电感值。

本文提出的电路中，附加了谐振电路支路和二极管。谐振电流波形的影响如图6所示。实际分析，如果改变谐振电路参数，输入电流波形也相应地改变。合理设计选择谐振电路参数，输入电流的低次谐波分量将减少，尤其是三次谐波分量。而扼流电感的尺寸大小主要由三次谐波决定。然而谐振电路支路的存在也同时增加高次电流谐波分量，所以为了以最低成本，也就是最小电感尺寸满足电磁兼容标准，必须在设计中取得高次谐波与低次谐波的平衡。

图6举例说明了谐振电路参数的影响。从图中可以看出，当谐振电容太小（如零）或太大（如例中14.7uF ），功率因数校正整流器不能满足电磁兼容标准，因为某些高次电流谐波分量超过D类电流谐波限制规定。而设计适中谐振电容（如4.7uF），本文提出的整流器电路可以满足电磁兼容标准中D类电流谐波限制规定。电路仿真结果如表2所示。

5.2  满足标准的电路设计

由上述分析可以知道，必须合理设计谐振电路使得扼流电感尺寸比原有基本LC滤波器电路可以减少。在这样的情况下，输入电流谐波低次分量小于电磁兼容标准给出的规定，而高次谐波分量又没有增加许多。这种设计分析方法可以应用在IEC1000-3-2电磁兼容标准中D类电流谐波限制规定所有功率范围（75W到600W）的任一功率水平。本文设计LC滤波器的电感值为传统基本电路的一半而且满足电磁兼容标准。图7给出了计算仿真结果。从图7a中可以看出，满足电磁兼容标准的最小电感值是原来的一半。而在所有的应用功率范围，抽头电感的匝数比保持恒定，在本例中是7：1。同时也计算了满足电磁兼容标准的谐振电路的电容。

Fig.6 Line current waveform with different line capacitance.

图6  不同谐振电感电容参数下输入电流波形

Fig.8 Measured line current waveform, Scales:0.5A/div

图8 实验测量输入电流波形。

图7b 给出了计算计算仿真结果。D类电流谐波限制给出的是相对值，与应用的功率水平有关，输入电流波形在整个功率范围是非常相近的。

6  实验结果

本文建立实验样机以验证计算机仿真结果。实验样机参数选择设计如下：

Lr=0.45mH, Cr=4.7uF, Lf=23mH, Co =100uF, R=1kW.

额定电源电压是 230 Vrms, 50Hz 和额定输出功率是 100W.

图8给出了额定条件下的输入电流波形。这个电路，谐振电路电容是 4.7mF。可以分析比较，电流波形与计算机仿真结果基本一致。同时分析可知，输入电流谐波分量满足IEC1000-3-2电磁兼容标准，如图9所示。

　

Fig.9 Experimental harmonic compared with Class-D 图9  实验谐波与D类标准限制比较。

图10给出当谐振电路电容为14.7mF 的输入电流波形。从图中可以看出，随着电容的增加，初始谐振作用更为显著和有较大 di/dt。相应地，高次电流谐波分量增加并且不能满足电磁兼容标准。

图11给出当谐振电路电容不存在的情况下输入电流波形。这种情况，输入电流谐波分量也不能满足电磁兼容标准。但是此电路是因为低次电流谐波分量超出标准限制规定。

上述分析，谐振电容参数选择设计以满足电磁兼容标准。合理设计可以同时使得电感尺寸减少和满足电磁兼容标准。

7  结  论

本文提出一种新型无源功率因数校正电路，TLC 整流器。这个整流器由基本全桥LC滤波器通过使用抽头电感和附加电容、二极管构成。与原有的基本基本全桥LC滤波器相比，该电路能够以小得多的电感尺寸来满足电磁兼容标准。电感尺寸的减少是因为通过合理的设计，TCL整流器可以减少输入电流低次谐波分量。但是高次谐波分量也同时增加，适当设计可以使得它符合标准的限制规定。

参考文献:

[1] Electromagnetic compatibility (EMC)-part 3: Limits-section 2: Limits for harmonic current emissions (equipment input current<16A per phase), IEC1000-3-2 Document, 1995.

[2] Draft of the proposed CLC Common Modification to IEC 61000-3-2 Ed.2.0: 2000

[3] Milan M. Jovanovic et al, “Merits and Limitations of Full-Bridge Rectifier with LC Filter in Meeting IEC 1000-3-2 Harmonic-Limit Specifications” IEEE on Industry Applications, Vol.33, No.2, 1997

[4] Richard Redl et al, “An Economical Single-Phase Power-Factor-Corrected Rectifier: Topology, Operation, Extensions, and Design For Compliance”  APEC´98

[5]Weiming Lin, J.Sebastian, A.Fernandez, M.Hernando and P.Villegas, “Design of the basic rectifier with LC filter to comply with the new version of the IEC1000-3-2 current harmonic-limit specifications(Edition2.0)”,IEEE Applied Power Electronic Conference and Exposition(APEC’2002), pp.1215-1220

[6]E.Maset, E.Sanchis, J.Sebastian and E.de la Cruz, “Improved passive solutions to meet IEC1000-3-2 regulation in low-cost power supplies”, IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC’96), pp.125-130