0 引言

    近年來，開關(guān)變換器在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但其存在一個(gè)由非線性特性帶來的功率因數(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)這一問題，國際電工委員會(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、無橋交錯(cuò)并聯(lián)BOOST電路以及無橋諧振交錯(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：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)和開關(guān)管關(guān)斷時(shí)。SEPIC電路工作時(shí)的等效電路見圖1和圖2。

    開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感L₁電感L₂都通過二極管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，輸入端通過二極管向負(fù)載供電。二極管的電流i_D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，也就是說開關(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，L_eq為等效電感值，R為最小負(fù)載電阻。可以得出L_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)見表1。所有電壓波形是通過KEYSIGHT N2791A電壓探頭測(cè)得，電流波形是通過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值見圖4。

    由圖4可以看出，SEPIC電路無論是在滿載、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BOOST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BOOST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BOOST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電路來說要略低一點(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

    本文通過分析，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）