文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170462
中文引用格式: 沈黎韜,,陶雪慧,,楊斌. CCM模式BOOST和SEPIC功率因數(shù)校正電路對(duì)比分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(10):149-152,156.
英文引用格式: Shen Litao,,Tao Xuehui,,Yang Bin. A comparative performance investigation of single-stage Boost and Sepic power factor controller[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(10):149-152,,156.
0 引言
近年來(lái),,開(kāi)關(guān)變換器在軍事、工業(yè),、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,,但其存在一個(gè)由非線性特性帶來(lái)的功率因數(shù)低等缺陷[1]。較低的功率因數(shù)會(huì)給電網(wǎng)和電力設(shè)備造成很大的損壞[2],。隨著非線性負(fù)載使用日益廣泛,,改善電能質(zhì)量越顯重要[3]。
針對(duì)這一問(wèn)題,,國(guó)際電工委員會(huì)制定了IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn),,對(duì)注入電網(wǎng)的諧波電流提出了限制要求。對(duì)于一些特殊工業(yè)產(chǎn)品,,比如照明設(shè)備等,,需要滿足更加苛刻的IEC61000-3-2的C類標(biāo)準(zhǔn)[4]。
對(duì)于各種功率因數(shù)校正電路的優(yōu)劣性,,文獻(xiàn)[5]分析比較了BOOST電路在不同工作模式下的結(jié)果,。文獻(xiàn)[6]分析了雙BOOST功率因數(shù)校正電路和BOOST功率因數(shù)校正電路的優(yōu)劣性。文獻(xiàn)[7]中對(duì)比分析了BOOST電路和交錯(cuò)并聯(lián)BOOST電路的特性,。文獻(xiàn)[8]在此基礎(chǔ)上分析比較了BOOST電路,、交錯(cuò)并聯(lián)BOOST電路、移相半橋BOOST電路,、無(wú)橋交錯(cuò)并聯(lián)BOOST電路以及無(wú)橋諧振交錯(cuò)并聯(lián)BOOST電路的優(yōu)劣性和適用場(chǎng)合,。文獻(xiàn)[9]則是比較了多種CUK電路在功率因數(shù)校正場(chǎng)合的應(yīng)用。
本文分析了BOOST和SEPIC兩個(gè)單級(jí)功率因數(shù)校正電路,,在相同的輸入電壓范圍以及相同的負(fù)載功率等級(jí)情況下,,分析比較兩個(gè)電路功率因數(shù)、電流諧波,、電路效率和輸出電壓紋波系數(shù)幾個(gè)方面的特性,,為實(shí)際應(yīng)用中單級(jí)功率因數(shù)校正電路的選取提供了依據(jù)。
1 電路工作模式
由于在中大功率場(chǎng)合功率因數(shù)校正電路一般工作在CCM(Continuous Conduction Mode)模式下,,并且SEPIC電路在DCM模式下電流自動(dòng)跟隨電壓,,不需要特殊的設(shè)計(jì),所以本文以CCM模式為研究背景,。CCM模式下,,SEPIC和BOOST電路工作模式都可分為兩種情況:開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)和開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)。SEPIC電路工作時(shí)的等效電路見(jiàn)圖1和圖2,。
開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),,電感L1電感L2都通過(guò)二極管D向負(fù)載放電,放電電流為式(4)和式(5),。此時(shí),,二極管D導(dǎo)通,,輸入端通過(guò)二極管向負(fù)載供電。二極管的電流iD為電感L1和L2上的電流,。為了保證電路工作在CCM模式下,,電感電流不能下降到零,也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),,二極管D不能關(guān)斷,。BOOST電路工作模式與SEPIC類似,這里不再介紹,。
2 參數(shù)計(jì)算
2.1 CCM模式電感設(shè)計(jì)
SEPIC電路中,,為了保證電感電流工作在連續(xù)電流模式下,占空比D應(yīng)該滿足下式,。
其中,,Leq為等效電感值,R為最小負(fù)載電阻,??梢缘贸鯨eq應(yīng)滿足式(9)。
2.2 電容值設(shè)計(jì)
SEPIC電路的輸出存在二倍線電壓頻率的紋波電壓,,輸出二極管上的電流平均值為:
3 實(shí)驗(yàn)部分
3.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)
這部分從實(shí)驗(yàn)角度對(duì)BOOST和SEPIC功率因數(shù)校正器的性能進(jìn)行了對(duì)比分析,。兩個(gè)電路均工作在CCM模式下,MOS管的開(kāi)關(guān)頻率都是100 kHz,,并且兩個(gè)校正器的功率等級(jí)相同,,所以具有可比性。兩個(gè)電路中元件具體參數(shù)見(jiàn)表1,。所有電壓波形是通過(guò)KEYSIGHT N2791A電壓探頭測(cè)得,,電流波形是通過(guò)CP0030A電流探頭測(cè)得,功率因數(shù)值由遠(yuǎn)方PF9800功率分析儀測(cè)得,。
滿載時(shí)輸入電壓分別為110 V和220 V時(shí),,輸入電壓和電流波形如圖3所示。
從圖3可以看出,,兩個(gè)電路在110 V和220 V輸入時(shí)都能達(dá)到功率因數(shù)校正的效果,并且輸入電流波形接近正弦,,PF值較高,。具體的PF值見(jiàn)圖4。
由圖4可以看出,,SEPIC電路無(wú)論是在滿載,、2/3載還是1/3載時(shí),所得到的功率因數(shù)普遍在0.99以上,,最高可達(dá)0.998,。而B(niǎo)OOST電路在滿載和2/3載時(shí)功率因數(shù)的校正效果較好,,在1/3載時(shí),隨著輸入電壓的升高,,PF值下降得較快,,這是由于當(dāng)負(fù)載減輕時(shí),輸入電流會(huì)相應(yīng)地減小,,BOOST電感電流可能會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)導(dǎo)通的情況,,從而電路工作在CCM和DCM混合導(dǎo)通的模式下。而SEPIC電路工作在DCM時(shí)輸入電流自動(dòng)跟隨輸入電壓,,所以負(fù)載減輕時(shí)對(duì)功率因數(shù)的影響不是很大,。實(shí)測(cè)BOOST電路最小PF值為0.953。
實(shí)測(cè)BOOST電路在滿載,、2/3載和1/3載時(shí)的THD值分別為2.78%,、3%和4.92%。SEPIC電路分別為6.08%,、10.06%和9.01%,。SEPIC電路在滿載時(shí),各次諧波所占比例均比BOOST電路大,,但是在負(fù)載變輕時(shí),,SEPIC電路二次和三次諧波比例有所上升,但是其他各次諧波比例均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),。而B(niǎo)OOST電路的各次諧波比例均隨著負(fù)載的變輕呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),,尤其是高次諧波的上升趨勢(shì)較為明顯。這是由于SEPIC電路包含兩個(gè)電感,,非線性度比BOOST電路要大,,所以對(duì)電流的阻礙作用要比BOOST電路明顯,從而導(dǎo)致了THD要大一些,。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,,所設(shè)計(jì)的兩個(gè)電路都達(dá)到了IEC61000-3-2A類、B類和C類標(biāo)準(zhǔn),。
BOOST電路以及SEPIC功率因數(shù)校正電路的效率和輸出電壓紋波系數(shù)見(jiàn)圖5所示,。
由于SEPIC電路中輸出電流大小等于兩個(gè)電感電流的和,并且兩個(gè)電感的上升和下降時(shí)刻剛好相反,,所以其中有一部分電流相抵消了,,由圖5可以看出,SEPIC電路的輸出電壓紋波在相同的負(fù)載的情況下明顯比BOOST電路的輸出電壓紋波小,。實(shí)測(cè)SEPIC功率因數(shù)校正電路輸出電壓紋波系數(shù)最小為1.23%,,BOOST功率因數(shù)校正電路最小為2%。所以,,SEPIC功率因數(shù)校正更適用與對(duì)輸出電壓波動(dòng)要求較高的場(chǎng)合,。但正是由于SEPIC電路包含兩個(gè)電感,,并且MOS管上的電壓為輸入電壓與輸出電壓的和,而B(niǎo)OOST電路MOS兩端電壓為輸出電壓,,從而使得SEPIC電路的整體效率相比于BOOST電路來(lái)說(shuō)要略低一點(diǎn),,所以BOOST功率因數(shù)校正電路更適用于對(duì)電路整體效率要求較高的場(chǎng)合。
3.2 實(shí)際應(yīng)用分析
從上文實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以看出,,SEPIC功率因數(shù)校正電路的功率因數(shù)要高于BOOST電路,,并且輸出電壓紋波系數(shù)小,更適用與對(duì)功率因數(shù)和輸出電壓紋波要求較高的場(chǎng)合,,比如LED驅(qū)動(dòng)電源,。這個(gè)部分以LED驅(qū)動(dòng)電源為例,驗(yàn)證上文分析的正確性,。LED驅(qū)動(dòng)器原理圖見(jiàn)圖6,。
SEPIC LED驅(qū)動(dòng)器采用雙閉環(huán)控制,外部電壓環(huán)輸出作為內(nèi)部電流環(huán)輸入,,在實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時(shí)也達(dá)到了穩(wěn)定輸出電流的目的,。實(shí)測(cè)滿載時(shí)SEPIC LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)為0.995,輸出電流紋波系數(shù)為3.16%,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7,,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SEPIC功率因數(shù)校正電路應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)可以很好地達(dá)到功率因數(shù)校正的目的,,并且可以滿足LED對(duì)電流紋波的嚴(yán)格要求,。
4 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)分析,設(shè)計(jì)了BOOST和SEPIC兩款單級(jí)功率因數(shù)校正器,。在相同的功率等級(jí),,相同的輸入電壓范圍以及相同的開(kāi)關(guān)頻率的情況下比較兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),,BOOST功率因數(shù)校正電路整體效率較高,,并且在負(fù)載變化時(shí)THD值可以維持在一個(gè)較低的水準(zhǔn)。所以,,BOOST功率因數(shù)校正電路更適合用于對(duì)電路體積和效率要求較高的場(chǎng)合,,如UPS電源和弧焊電源等。而SEPIC功率因數(shù)校正電路相比于BOOST而言可以達(dá)到更高的功率因數(shù),,并且在負(fù)載變化時(shí)功率因數(shù)比較穩(wěn)定,。同時(shí),SEPIC電路的輸出電壓紋波系數(shù)要明顯低于BOOST電路,。所以SEPIC功率因數(shù)校正電路更適合于對(duì)功率因數(shù)和輸出電壓紋波要求較高的場(chǎng)合,如LED驅(qū)動(dòng)電源等,。因此,,在實(shí)際應(yīng)用中,,選擇一個(gè)更適合具體應(yīng)用場(chǎng)合的功率因數(shù)校正電路需要考慮各方面的因素,應(yīng)根據(jù)不同的需要來(lái)選擇在一些方面表現(xiàn)出更好特性的電路,。
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作者信息:
沈黎韜,陶雪慧,,楊 斌
(蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院,,江蘇 蘇州215131)