新型三相单开关隔离型DCM PFC电路

1　引言

　　单相PFC从提出概念到实用化很快、很顺利，并可根据不同的需要设计成电流临界连续型、电流连续型、电流断续型。而三相PFC从提出概念至今已经历十多年，但并没有进入实用化，其根本原因是由于三相PFC多用于大功率变换器供电。但三相PFC必将是高功率因数三相整流方式一大分支。为此，在本章种提出了一种可以实用化的电源和控制电路简单的三相单开关隔离型功率因数校正电路，并对其静态特性进行分析。

　　为了分析电路静态运行特性，可以提出以下假设：

　　#8226; uN,(ABC)为正弦波对称电源电压；

　　#8226; iU,1(ABC)为电源电流，高次谐波受到抑制—理想电源滤波器；

　　#8226; 忽略滤波器电容CN的电压波动；

　　#8226; 与电源相电压幅值UN相比，通过LN的基波分量电压可以忽略，从而可认为滤波器电容电压与电源相电压相等；

　　#8226; 每相两个初级绕组和次绕组理想磁耦合；

　　#8226; 输出电压UO恒定；

　　#8226;（输出）负载电流恒定；

　　#8226; fP >200 fN或者TPTN，（在开关周期内电源相电压为常值）；

　　#8226; 理想元件（尤其是忽略系统损耗和开关时间等）。

　　其中尤为重要的是开关频率要远高于主频率。这个假设可以得到电流对系统元器件的应力的近似值，如下所述。分析其内部关联时，可以更深入地研究系统特性，所以器件应力受参数变化的影响。


2　三相单开关PFC演变过程

　　为了在交流输入的各种功率变换器中，改善输入侧的电流波形，减小电流谐波，提高功率因数，需要把传统的功率变换器（AC-DC）改为具有功率因数校正（PFC）的电路结构，基本功能为：

　　（1）控制输入电流的波形，使其跟随输入电压的波形。理想的输入电流波形应当是与输入电压波形相同的正弦波；

　　（2）在一定范围内调节直流输出电压；

　　（3）维持输入功率和输出功率平衡。

　　除具备以上几项基本功能外，PFC电路还应具有体积小，重量轻，效率高，电路结构不太复杂等一般电路应具有的特点。因此，采用单开关来实现三相PFC好一些。

　　整个电路的演变过程如图1所示，图1(a)为三相正半波PFC电路，而图1(b)则为三相负半波PFC电路。通过两个电路的结合，就可以得到图1(c)所示的电路。而图中所示的中性线，对电路没有什么影响，因此，可以将其省略。图中两个开关作用相同，因此就可以用一个开关工作。这样，就节省了一个开关元件，从而得到图(d)。将每一相转变成反激式变换器，这样就得到了我们所要研究的三相单开关隔离型DCM PFC电路，如图(e)所示。

3　电路工作原理

　　三相单开关隔离型DCM PFC电路，如图2所示：主电路输入为一理想Y型电压源uN,(RST)；电源滤波器（LN，CN）滤除了断续型变换器输入电流iU,(RST)的部分高频分RO为负载阻抗；功率晶体管T1导通时间

恒定。系统稳态时，功率晶体管T1受控于fP与

。fP>>fN。

　　ABC三相电压对称，各相差120°，因此，我们可以只分析uN,A>0，uN,C≤uN,B≤0时的情况，而其它情况的分析与之类似。

图2 三相单开关隔离型DCM PFC电路的功率与控制电路基本结构

　　在uN,A>0，uN,B≤uN,C≤0内，有多个开关周期，在这里，我们可以考虑一个开关周期的工作情况，将一个开关周期分成五段：[0，tu1]、[tu1、tu2]、[tu2、tu3]、[tu3、tu4]、[tu4、Tp]在一个开关周期以前，各相初、次级电流均为零（DCM工作方式）。下面详细说明各段运行情况（设tu为运行在一开关周期内的瞬时时间）：

　　tu∈[0，tu]，变换器初级电感储能阶段。开关管在tu=0时导通，反激式变换器初级侧（电源侧）工作。iU,1,(ABC)≠0；iU,2,(ABC)=0。因在T1导通以前，电路初级形式为整个电路电流为零，因此，在这一阶段，T1导通，变换器初级电感储能，为反激式变换做准备。如图3 (a)所示。

　　tu∈[tu1、tu2]，变换器次级三相电流运行阶段。tu=tu1时，开关管T1关断，初级侧电能通过反激式变换转移到了次级，为负载供电。此时iU,1,(ABC)=0；iU,2,(ABC)≠0。如图3(b)所示。

　　tu∈[tu2、tu3]，A、C相次级电流运行阶段。由于

最小（uN,A>0，uN,B≤uN,C≤0的假设），所传递的能量小，因此B相次级能量最先耗尽。B相次级电流为0。tu=tu2时，B相次级电流为0。iU,1,(ABC)=0，iU,2, B=0，iU,2,(AC)≠0。如图3(c)所示。

　　tu∈[tu3、tu4]，A相次级电流运行阶段。tu=tu3时，C相次级电流减小到0，A相次级提供电流，为负载供电。iU,1,(ABC)=0，iU,2, (BC)=0，iU,2,A≠0。如图3(d)所示。

　　tu∈[tu4、Tp]，电流断续阶段。tu=tu4时，A相次级电流为0。这样，电路里不再有电路，电流处于断续状态。这种状态一直持续到下一开关周期开始，为下一周期的开始做准备。这也是DCM方式运行决定的。iU,1,(ABC)=0，iU,2, (ABC)=0。电路图如图3(e)所示。

　　由断续运行特性可知，T1导通前，iU,1,(ABC)=iU,2,(ABC)=0。T1在tu=0时导通。