一种高功率因数反激AC/DC变换器

Abstract：The reasons of low power factor in the electronic and power equipments are simply analyzed in this paper. A high frequency charge pump power-factor-correction(PFC) AC/DC converter is proposed. The principle of the circuit are discussed. The chip of TDA16846 was simply introduced. The simulation and experimental results show that unity power factor and low THD can be achieved, which proves that the performance of the converter is excellent.

Keyword：electronics Power;Power-Factor-Correction;charge pump;

一. 引言

近二十年来电力电子技术得到了飞速发展，已广泛应用到电力、冶金化工、煤炭、通讯、家电等领域。然而随着电力电子装置的日益普及，电力电子装置把大量的谐波注入电网，给电力系统带来了严重的谐波污染，对电网的安全运行构成了严重的威胁。这个问题引起了社会的广泛关注，提出了一系列的谐波限制标准，如IEC 555-2、IEEE 519、IEC 1000-3-2等，对电力电子和电气设备的电流谐波进行限制[1]。

导致电力电子装置谐波增大和功率因数降低的主要原因是装置常采用了整流和大电容滤波电路，只有当电源电压高于滤波电容电压时，整流二极管才能导通，因此网侧输入电流为高充电尖峰的脉冲波，如图1中Im所示，因而造成网侧输入电流谐波含量大，功率因数低。如果在整流二极管和大滤波电容之间加一个PFC电路，如方块图2所示。该电路在输入电压过零点时，输出达到最大值，在输入电压达到峰值时，输出最小值;而电流

为一整流的正弦波形，其输出特性如图3所示(

是电网经桥式整流电路获得的正弦双半波电压，

是PFC电路的输出电压)。这样就可以改善网侧输入电流波形，使其如图1中Imp的波形所示，达到提高功率因数的目的。

图1 PFC校正前后的电流波形

常用的功率因数校正采用两级方案。第一级是PFC级，通常采用Boost变换器，PFC级强迫线电流跟随线电压，实现高功率因数;第二级是功率变换器，对输出电压进行调节。该方案可以实现高性能功率因数和快速输出电压调节功能，并且相对成熟，适用于各种功率应用，但是该电路的缺点是电路结构复杂、元器件多、成本高、效率低。为了克服这些缺点，近些年来提出了单级功率因数校正方案。PFC级和第二级共用一个开关管，这样就可以减少开关管和控制电路的数量，降低了电路成本，减小了重量和体积，也提高了效率。

图2 PFC变换器方块图

图3　PFC电路的特性

本文提出一种高频电荷泵电路和反激变换器相结合的PFC电路，该电路结构简单，成本低，控制方便，能有效地消除谐波，在中小功率电力电子设备中有很广阔的应用前景。

二.高频电荷泵电路的提出及电路工作原理

经过理论考察和实验验证[2 ]，谐振电路具有类似图3的输出特性。在本电路设计中，利用由电感

、电容

和二极管

构成的电荷泵电路实现图2中的PFC电路功能，后级的功率变换器采用反激变换器，两级共用一个开关管，电路如图4所示。由于开关频率远高于输入整流电压

和母线电压

的频率，所以在每个开关周期内，

和

的值可视为常数[3]。电路工作电压和电流波形如图5所示，电路的工作过程可分为6个模态，图6是各模态的等效电路图。电路具体分析如下：

图4 单级单开关基本模型

图5电路的各点电压和电流的波形

模态1

在

时刻，开关S导通，直流母线电压

加到变压器的原边，原变电感电流

线性上升。由于m点电压

小于

，二极管

不能导通，

、

形成串联谐振从电网吸收能量，其等效电路如图6(a)所示。到

时刻，电压

达到

，此模态结束。

模态2

当电压

上升到

，二极管

自然导通，电感

存储的能量存储到大电容

中。由于整流输入电压

小于

，电流

逐渐下降。在此模态中，由于

被钳位于

[p]

，电容

中无能量变化。等效电路如图6(b)所示。

模态3

在

时刻，电流

和输入电流之差给电容

放电并反相充电，

的电压

逐渐下降。当变压器副边整流二极管

导通，即

时刻，此模态结束。

模态4

在

时刻，

导通，等效电路如图6(d)所示，变压器向负载传送能量，电流

逐渐下降。同时，电感

继续向大电容

转移能量。当电流下降到零，此模态结束。

图6各模态等效电路

图7　TDA16846启动电路

模态5

在

时刻，

下降到零，

自然关断，变压器原边绕组电压为零，电容

的电压

加到二极管

上，使二极管承受反压关断。等效电路如图6(e)所示，输入电感电流

通过变压器原变电感给电容

充电。该模态结束在

时刻，接下来下一个模态开始。

三.驱动电路

本文在设计时采用德国西门子公司的TDA16846芯片来驱动开关管。该芯片复合了PWM和PFC的功能，支持电荷泵电路，具有高效、简易、可靠的特性[4]。该芯片有自由振荡和固定频率两种方式，本文采用固定频率方式来控制开关管。该芯片具有以下特点：

1. 无需专门的启动电路

TDA16846不需要单独的启动电路，而是通过芯片内部与2脚相连的二极管来启动的。其内部局部结构如图7所示(在电路中采用变压器辅助绕组给TDA16846供电)。下面分析该芯片的启动过程。当接通电源时，由于开关不动作，变压器的辅助绕组不能给芯片提供能量，芯片不能工作。而母线电压

通过

、芯片2脚及其内部二极管

给电容

充电。当电容

上的电压达到芯片的启动电压时，芯片启动，电路开始工作。芯片再由变压器的辅助绕组通过

来供电。从上面的分析可以看出TDA16846不需要附加复杂启动电路就可以启动，结构简单。

2. 原边电流模拟和电流限制功能

TDA16846可以通过2脚外接的电阻和电容来检测并限制开关管的电流。由于开关管导通时母线电压通过

给

充电，开关管关断时芯片2脚电压

被限制在1.5V，所以

充电时间和开关导通的时间基本一致，可以设电容

充电时间为

。电容

的充电电流可以近似表示为：

(

相对于

可以忽略)。则充电后的

为：

(1)

电感

也可以认为在开关导通期间，电流值为：

(2)

由式(1)和式(2)可以得到：

(3)

式(3)可以计算出开关管中可以流过的最大电流。控制电压40的最大值是 [p] 芯片内部基准参考电压5V，当

超过了5，则驱动电路关断，进行电流限制。

四，仿真和试验结果

为了验证上述理论的可行性，仿照图4的电路制作了一台电荷泵高功率因数AC/DC变换器(由于电路复杂，一些辅助电路和控制电路未画出)。其主要参数如下：

图8是用Simetrix软件对电路仿真的输入电流和电压波形，可以看出输入电流波形已经不再是尖峰脉冲波，而是良好的正弦波。

采用基于HP I/O库建立的虚拟仪器测试平台测量了电路的功率因数及谐波，图9是输入电压和电流的波形，图10是输入电流的谐波频谱图。可以测得该电路的功率因数为0.972，总谐波畸变率为24.29%;电路的输出电压

，满足开关电源的要求。

图8 输入电压、电流的仿真波形

图9 输入电压、电流的实验波形

图10　输入电流的谐波频谱图

五.结论

通过上述的理论分析和实验研究表明，由高频电荷泵和反激变换器结合的AC/DC变换器电路，结构简单，性能优良，成本低，并且能够达到接近于1的功率因数和符合国际标准IEC1000-3-2的谐波含量，在中小功率的电力电子设备中有很广阔的应用前景。

参考文献

[1] 严百平, 刘　建. 不连续导电模式高功率因数开关电源[M]. 北京: 科学出版社, 2000.

[2] Qian Jinrong and Lee Fred C. Charge pump power-factor-correction technologies[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2000,15(1):121-128.

[3]张卫平等. 绿色电源-现代电能变换技术及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2001.

[4]刘胜利.　现代高频开关电源实用技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2001.9