采用耦合電感的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器.pdf

1、Boost電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、輸入電流脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),是功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)變換器中常用拓?fù)渲?。采用多路Boost PFC變換器交錯(cuò)并聯(lián)工作,可以進(jìn)一步降低輸入輸出電流脈動(dòng),減小濾波器體積。將多個(gè)電感耦合起來(lái),可進(jìn)一步減少磁性元件數(shù)量,提高功率密度。Boost PFC變換器可以工作在電感電流連續(xù)模式(Continuous Current Mode,CCM)、臨界連續(xù)模式(Cri

2、tical Continuous Current Mode,CRM)和斷續(xù)模式(Discontinuous Current Mode,DCM)。對(duì)于交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器,采用耦合電感可降低輸入電流和電感電流的脈動(dòng),減小磁芯的體積,相關(guān)研究已有較多文獻(xiàn)。本文則針對(duì)工作在CRM和DCM的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器中,探索采用耦合電感后變換器等效電感值和工作模態(tài)的變化,及其對(duì)輸入電流、電感電流、開(kāi)關(guān)頻率和磁芯磁鏈等的

3、影響,并討論了耦合電感的設(shè)計(jì)。
　　Boost PFC變換器工作在CRM時(shí),耦合前后半個(gè)工頻周期內(nèi)的電感電流脈動(dòng)及其平均值以及占空比均保持不變,則電感耦合會(huì)使變換器的開(kāi)關(guān)頻率、輸入電流脈動(dòng)和磁芯磁鏈發(fā)生變化。本文第二章針對(duì)兩路交錯(cuò)并聯(lián)CRM Boost PFC變換器,首先分析耦合電感在不同開(kāi)關(guān)模態(tài)下的等效電感值,然后推導(dǎo)出不同耦合系數(shù)下的電感電流脈動(dòng)、輸入電流脈動(dòng)、開(kāi)關(guān)頻率和磁芯磁鏈的表達(dá)式。若耦合前后自感值相等,分析表明:采用耦

4、合電感使變換器的最低開(kāi)關(guān)頻率比采用獨(dú)立電感時(shí)有所提高;磁芯的最大磁鏈隨著耦合的增強(qiáng)而降低,若采用相同磁芯則可減少電感匝數(shù),若匝數(shù)不變則可減小磁芯尺寸;不過(guò),電感耦合導(dǎo)致輸入電流脈動(dòng)有所增大。本文基于輸入電流脈動(dòng)、最低開(kāi)關(guān)頻率和最大磁芯磁鏈與耦合系數(shù)的關(guān)系式,給出了相應(yīng)的曲線,以指導(dǎo)耦合系數(shù)的選取。最后,完成了一臺(tái)輸入85~265Vac,輸出功率為300W的兩路交錯(cuò)并聯(lián)CRM Boost PFC變換器原理樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

5、明上述分析的正確性。
　　Boost PFC變換器工作在DCM時(shí),半個(gè)工頻周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)頻率和占空比恒定,因此電感耦合將改變開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電感電流工作波形、進(jìn)而影響電感電流的峰值和平均值,改變輸入 PF和磁芯磁鏈。本文第三章針對(duì)兩路交錯(cuò)并聯(lián)DCM Boost PFC變換器,首先分析采用耦合電感后在不同輸入電壓和輸出功率下變換器出現(xiàn)的各種開(kāi)關(guān)模態(tài),在此基礎(chǔ)上分析半個(gè)工頻周期內(nèi)變換器工作模態(tài)的變化情況及其對(duì)輸入 PF的影響。接著,基于電感

6、電流斷續(xù)的條件,得到不同耦合系數(shù)下的臨界自感值,并計(jì)算了電感耦合前后全輸入電壓范圍內(nèi)的輸入PF、最大電感電流峰值以及磁芯最大磁鏈。分析表明:與獨(dú)立電感相比,耦合電感的臨界自感值增大,由此可以降低電感電流峰值,且耦合越強(qiáng),電感電流峰值越低。但電感耦合加劇了電感電流平均值在半個(gè)工頻周期內(nèi)的畸變,使輸入 PF降低,且磁芯最大磁鏈增加,由此導(dǎo)致電感匝數(shù)增多或磁芯體積增大。而且,隨著耦合系數(shù)的增大,輸入 PF降低和磁芯最大磁鏈增加情況更為嚴(yán)重,因

7、此耦合系數(shù)不宜選取過(guò)大。文中給出了輸入 PF降低和磁芯最大磁鏈增加變化較小時(shí)的耦合系數(shù)范圍和相應(yīng)的臨界自感值,以指導(dǎo)耦合電感設(shè)計(jì)。最后,完成一臺(tái)輸入85~265Vac,輸出功率300W的兩路交錯(cuò)并聯(lián)DCM Boost PFC變換器原理樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。
　　本文對(duì)單路CRM Boost PFC變換器和電感耦合前后的兩路交錯(cuò)并聯(lián)CRM Boost PFC變換器的傳導(dǎo)差模電磁干擾(electromagne

8、tic interference,EMI)進(jìn)行了分析。由于CRM Boost PFC變換器的開(kāi)關(guān)頻率是變化的,獲得其最?lèi)毫硬钅８蓴_頻譜需要大量的仿真、計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)試。本文第四章首先對(duì)單路CRM Boost PFC變換器的傳導(dǎo)差模電磁干擾進(jìn)行了分析。根據(jù)EMI接收機(jī)數(shù)學(xué)模型,計(jì)算不同輸入電壓和輸入功率下變換器的差模干擾頻譜,并分析其變化規(guī)律。分析表明,出現(xiàn)最?lèi)毫硬钅８蓴_頻譜時(shí),150kHz的差模干擾值達(dá)到最大值。接著,基于相同頻率的脈動(dòng)電

9、流幅值和差模干擾值具有相似的變化規(guī)律,推導(dǎo)了最大150kHz脈動(dòng)電流幅值,即最?lèi)毫硬钅８蓴_頻譜,對(duì)應(yīng)的的輸入電壓和輸入功率表達(dá)式,以指導(dǎo)計(jì)算和實(shí)際測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)150W的單路CRM Boost PFC變換器,并測(cè)試了不同輸入電壓和輸入功率下的差模干擾頻譜,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本吻合。接著采用上述方法分析了耦合前后兩路交錯(cuò)并聯(lián)CRM Boost PFC變換器的最?lèi)毫硬钅８蓴_頻譜,其仍滿(mǎn)足150kHz的差模干擾值達(dá)到最大值,且通過(guò)對(duì)