《电子技术应用》

CCM模式BOOST和SEPIC功率因数校正电路对比分析

2017年电子技术应用第10期
沈黎韬,陶雪慧,杨 斌
(苏州大学 城市轨道交通学院,江苏 苏州215131)
摘要: 对比分析了BOOST和SEPIC两种单级功率因数校正电路。通过对电路参数的设计,使得两个电路都工作在电感电流连续模式下,并且具有相同的功率等级。通过实验分析了两个电路在不同负载以及宽输入电压范围时的功率因数值、总谐波畸变率、效率以及输出电压纹波系数上的优劣性。并以此为依据,分析了两个电路在实际应用中的价值。最后,以LED驱动电源为实际应用,验证了分析结果的正确性。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170462
中文引用格式: 沈黎韬,陶雪慧,杨斌. CCM模式BOOST和SEPIC功率因数校正电路对比分析[J].电子技术应用,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.

A comparative performance investigation of single-stage Boost and Sepic power factor controller

Shen Litao,Tao Xuehui,Yang Bin
(School of Urban Rail Transportation, Soochow University,Suzhou 215131,China)
Abstract: This paper presents a comparative investigation of single-stage BOOST and SEPIC power factor controller. Because of the careful design of parameters, the two converters operate in continuous conduction mode and have the same power level. A comparison among the two proposed topologies in terms of power factor,total harmonic distortion,efficiency and output voltage ripple factor is also performed. The value of the two converters in practical application based on the analysis is also presented. Finally, a LED driver was built to verify the correctness of the analysis result.

0 引言

    近年来,开关变换器在军事、工业、农业等各个领域的应用越来越广泛,但其存在一个由非线性特性带来的功率因数低等缺陷[1]。较低的功率因数会给电网和电力设备造成很大的损坏[2]。随着非线性负载使用日益广泛,改善电能质量越显重要[3]

    针对这一问题,国际电工委员会制定了IEC61000-3-2标准,对注入电网的谐波电流提出了限制要求。对于一些特殊工业产品,比如照明设备等,需要满足更加苛刻的IEC61000-3-2的C类标准[4]

    对于各种功率因数校正电路的优劣性,文献[5]分析比较了BOOST电路在不同工作模式下的结果。文献[6]分析了双BOOST功率因数校正电路和BOOST功率因数校正电路的优劣性。文献[7]中对比分析了BOOST电路和交错并联BOOST电路的特性。文献[8]在此基础上分析比较了BOOST电路、交错并联BOOST电路、移相半桥BOOST电路、无桥交错并联BOOST电路以及无桥谐振交错并联BOOST电路的优劣性和适用场合。文献[9]则是比较了多种CUK电路在功率因数校正场合的应用。

    本文分析了BOOST和SEPIC两个单级功率因数校正电路,在相同的输入电压范围以及相同的负载功率等级情况下,分析比较两个电路功率因数、电流谐波、电路效率和输出电压纹波系数几个方面的特性,为实际应用中单级功率因数校正电路的选取提供了依据。

1 电路工作模式

    由于在中大功率场合功率因数校正电路一般工作在CCM(Continuous Conduction Mode)模式下,并且SEPIC电路在DCM模式下电流自动跟随电压,不需要特殊的设计,所以本文以CCM模式为研究背景。CCM模式下,SEPIC和BOOST电路工作模式都可分为两种情况:开关管导通时和开关管关断时。SEPIC电路工作时的等效电路见图1和图2。

dy3-t1.gif

dy3-t2.gif

dy3-gs1-6.gif

    开关管关断时,电感L1电感L2都通过二极管D向负载放电,放电电流为式(4)和式(5)。此时,二极管D导通,输入端通过二极管向负载供电。二极管的电流iD为电感L1和L2上的电流。为了保证电路工作在CCM模式下,电感电流不能下降到零,也就是说开关管关断时,二极管D不能关断。BOOST电路工作模式与SEPIC类似,这里不再介绍。

2 参数计算

2.1 CCM模式电感设计

    SEPIC电路中,为了保证电感电流工作在连续电流模式下,占空比D应该满足下式。

dy3-gs7-8.gif

    其中,Leq为等效电感值,R为最小负载电阻。可以得出Leq应满足式(9)。

dy3-gs9-11.gif

2.2 电容值设计

    SEPIC电路的输出存在二倍线电压频率的纹波电压,输出二极管上的电流平均值为:

dy3-gs12-15.gif

3 实验部分

3.1 对比实验

    这部分从实验角度对BOOST和SEPIC功率因数校正器的性能进行了对比分析。两个电路均工作在CCM模式下,MOS管的开关频率都是100 kHz,并且两个校正器的功率等级相同,所以具有可比性。两个电路中元件具体参数见表1。所有电压波形是通过KEYSIGHT N2791A电压探头测得,电流波形是通过CP0030A电流探头测得,功率因数值由远方PF9800功率分析仪测得。

dy3-b1.gif

    满载时输入电压分别为110 V和220 V时,输入电压和电流波形如图3所示。

dy3-t3.gif

    从图3可以看出,两个电路在110 V和220 V输入时都能达到功率因数校正的效果,并且输入电流波形接近正弦,PF值较高。具体的PF值见图4。

dy3-t4.gif

    由图4可以看出,SEPIC电路无论是在满载、2/3载还是1/3载时,所得到的功率因数普遍在0.99以上,最高可达0.998。而BOOST电路在满载和2/3载时功率因数的校正效果较好,在1/3载时,随着输入电压的升高,PF值下降得较快,这是由于当负载减轻时,输入电流会相应地减小,BOOST电感电流可能会出现不连续导通的情况,从而电路工作在CCM和DCM混合导通的模式下。而SEPIC电路工作在DCM时输入电流自动跟随输入电压,所以负载减轻时对功率因数的影响不是很大。实测BOOST电路最小PF值为0.953。

    实测BOOST电路在满载、2/3载和1/3载时的THD值分别为2.78%、3%和4.92%。SEPIC电路分别为6.08%、10.06%和9.01%。SEPIC电路在满载时,各次谐波所占比例均比BOOST电路大,但是在负载变轻时,SEPIC电路二次和三次谐波比例有所上升,但是其他各次谐波比例均呈现下降的趋势。而BOOST电路的各次谐波比例均随着负载的变轻呈现上升的趋势,尤其是高次谐波的上升趋势较为明显。这是由于SEPIC电路包含两个电感,非线性度比BOOST电路要大,所以对电流的阻碍作用要比BOOST电路明显,从而导致了THD要大一些。经测试验证,所设计的两个电路都达到了IEC61000-3-2A类、B类和C类标准。

    BOOST电路以及SEPIC功率因数校正电路的效率和输出电压纹波系数见图5所示。

dy3-t5.gif

    由于SEPIC电路中输出电流大小等于两个电感电流的和,并且两个电感的上升和下降时刻刚好相反,所以其中有一部分电流相抵消了,由图5可以看出,SEPIC电路的输出电压纹波在相同的负载的情况下明显比BOOST电路的输出电压纹波小。实测SEPIC功率因数校正电路输出电压纹波系数最小为1.23%,BOOST功率因数校正电路最小为2%。所以,SEPIC功率因数校正更适用与对输出电压波动要求较高的场合。但正是由于SEPIC电路包含两个电感,并且MOS管上的电压为输入电压与输出电压的和,而BOOST电路MOS两端电压为输出电压,从而使得SEPIC电路的整体效率相比于BOOST电路来说要略低一点,所以BOOST功率因数校正电路更适用于对电路整体效率要求较高的场合。

3.2 实际应用分析

    从上文实验结果分析可以看出,SEPIC功率因数校正电路的功率因数要高于BOOST电路,并且输出电压纹波系数小,更适用与对功率因数和输出电压纹波要求较高的场合,比如LED驱动电源。这个部分以LED驱动电源为例,验证上文分析的正确性。LED驱动器原理图见图6。

dy3-t6.gif

    SEPIC LED驱动器采用双闭环控制,外部电压环输出作为内部电流环输入,在实现功率因数校正的同时也达到了稳定输出电流的目的。实测满载时SEPIC LED驱动器功率因数为0.995,输出电流纹波系数为3.16%。实验结果见图7,实验结果表明,SEPIC功率因数校正电路应用于LED驱动电源时可以很好地达到功率因数校正的目的,并且可以满足LED对电流纹波的严格要求。

dy3-t7.gif

4 结语

    本文通过分析,设计了BOOST和SEPIC两款单级功率因数校正器。在相同的功率等级,相同的输入电压范围以及相同的开关频率的情况下比较两个转换器的优缺点。通过比较发现,BOOST功率因数校正电路整体效率较高,并且在负载变化时THD值可以维持在一个较低的水准。所以,BOOST功率因数校正电路更适合用于对电路体积和效率要求较高的场合,如UPS电源和弧焊电源等。而SEPIC功率因数校正电路相比于BOOST而言可以达到更高的功率因数,并且在负载变化时功率因数比较稳定。同时,SEPIC电路的输出电压纹波系数要明显低于BOOST电路。所以SEPIC功率因数校正电路更适合于对功率因数和输出电压纹波要求较高的场合,如LED驱动电源等。因此,在实际应用中,选择一个更适合具体应用场合的功率因数校正电路需要考虑各方面的因素,应根据不同的需要来选择在一些方面表现出更好特性的电路。

参考文献

[1] 胡萍.平均电流型有源功率因数校正技术的研究[D].成都:西南交通大学,2011.

[2] 李宏,赵家贝.浅析高频开关电源的发展[J].电气应用,2011(4):50-54.

[3] 黄翌阳,曼苏乐,刘岩,等.基于二象限APF的单相功率因数校正器[J].现代电子技术,2014(7):121-125,128.

[4] 王楠,许建平,刘雪山.单开关Buck-Flyback功率因数校正变换器[J].中国电机工程学报,2015(3):679-687.

[5] 袁海斌.千瓦功率应用范围下功率因数校正的最佳化探讨-在相同设计方法下的不同功率因数校正模式拓扑的比较[J].电力电子,2011(4):39-43,49.

[6] 曹玲玲,陈乾宏.变电压DBPFC与BoostPFC效率分析与对比[J].电力电子技术,2010(5):38-40.

[7] 叶锋,孙泽昌,戴海峰,等.车载充电机功率因数校正电路分析与对比[J].机电一体化,2014(11):47-51.

[8] MUSAVI F,EDINGTON M,EBERLE W,et al.Evaluation and efficiency comparison of front end AC-DC plug-in hybrid charger topologies[J].IEEE Transactions on Smart  Grid,2012,3(1):413-421.

[9] 秦青.多种CUK电路在功率因数校正应用中的比较[J].通信电源技术,2008(6):69-71.



作者信息:

沈黎韬,陶雪慧,杨  斌

(苏州大学 城市轨道交通学院,江苏 苏州215131) 

继续阅读>>