BIFRED单级PFC电路.doc

BIFRED电路工作原理 Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy storage DC/DC，简写为BIFRED BIFRED转换器的主电路结构 图1所示为一个DCM Boost PFC转换器和反激转换器组合而成的两级转换器，通过储能用的大容量电容并联耦合，分别由PWM开关S1、S2控制。Boost转换器工作在DCM模式，具有功率因数校正的功能，开关的控制只是用来调节输出电压。 可以将BoostPFC转换器和反激式转换器集成为单级，以省去反激式转换器中的开关S2，将变压器初级电路稍加改变。例如，把储能电容CB改成串接，把开关S1置于二极管D1之后，并改变变压器初级绕组的极性等，就形成了单级BIFRED转换器。其主电路如 图2所示。功率因数校正与输出电压调节两部分共用一个开关管S1。 图1 DCM Boost PFC转换器和反激式转换器组合而成的两级转换器 图2 BIFRED转换器主电路 BIFRED转换器虽然是单级，但分析时可以分别考虑PFC转换器和负载转换器的功能。 （1）PFC转换器。DCM升压转换器由输人电感L1、二极管D1、开关管S1，储能电容CB组成PFC转换器,储能电容CB是一个关键元件，它既是DCMBoost转换器的输出滤波电容，也是CCM反激式转换器的输入电压源。 （2）负载转换器。由变压器Tr、开关管S1、输出滤波电容C、输出二极管D2组成负载转换器，即工作于CCM模式的DC／DC反激式转换器。反激转换器中Tr既是隔离变压器，也起电感的作用，变比为n∶1，假设等效励磁电感Lm并联于次级绕组，则LM中的电流即为励磁电流im。 BIFRED转换器的工作原理 图1所示为一个开关周期内BIFRED转换器的三个等效电路。假设输出滤波电容C很大，可以等效成为电压源Uo。图2为BIFRED转换器的工作波形图。 Ton＝DuTs为开关导通的时间，Du为占空比，Ts为开关周期； Toff＝（1—Du）Ts为开关关断时间； Du1Ts为电流iL下降、但不为零的时问；（1-Du-Du1）Ts．为电流iL等于零的时间。 （1）0≤t≤DuTs，开关S1导通，D2关断。输入电流iL上升，上升的斜率为Udc/L1,为整流输入电压。L1储能，电容CB放电。变压器的励磁电感Lm储能，励磁电流上升，上升的斜率为UB／nLm。等效电路如图1（a）所示。 图1 一个开关周期内BIFRED转换器的等效电路 （2）DuTs≤t≤（Du＋Dul）Ts，开关S1关断，D2导通。L1的储能对电容CB充电，iL下降，其下降斜率为-（UB＋nUo-μdc）／L1。励磁电感Lm的储能向负载释放，使励磁电流im下降，下降斜率为-Uo/Lm。等效电路如图1（b）所示。 （3）t≥（Du，＋Du1）Ts，开关S1仍然关断，电流iL等于零，励磁电流im继续以同样的斜率线性下降。等效电路如图1（c）所示。 前面已经说明，DCM Boost PWM转换器的电感电流峰值iLPK正比于sin|ωt|，具有PFC功能。 一个BIFRED转换器样机的实验结果如下：Uo＝5V，P。＝90W，fs＝50kHz，η＝71.12％，输人电流的3次谐波为16.84％，5次谐波为2.715％，7次谐波为2.3％。 图2 BIFRED转换器的工作波形 BIFRED转换器的转换比（增益）M 假设BIFRED转换器的输出电压U0及储能电容器％上的电压UB为直流，即忽略其2倍工频纹波。根据L1和Lm承受电压的伏秒平衡规律,L1工作在DCM模式： 　　Lm工作于CCM模式： Duμdc＝Du1（UB＋nU。-U） （8－37） 可知，BIFRED转换器的转换比M与负载电流、开关频率等有关。 有源功率的储能电容CB的电压应力 对于BIFRED和BIBRED转换器来说，储能电容CB既是PFC级转换器的输出滤波电容，也是负载级转换器的输入电压源。在恒频下轻载工作时，负载电流下降，开关管的导通时间ton和占空比Du减小，但负载级转换器的电压调节作用使U。保持不变；则由式（8－40）可知UB将增大。 将式（8-42）、式（8－43）代人式（8－37），可以得到UB的估算式如下 由式（8-44）可知，在轻载情况下或输人电压增高、工作频率降低时，UB都将升高。 根据式（8－44）的计算可以得到BIFRED转换器储能电容CB的电压应力曲线UB＝f（I。，ui），如图1所示，Ui表示市电电网交流输人电压的有效值，Κ＝10，U。＝5V，fs＝50kHz，L1＝170 μH． 图1 BIFRED转换器储能电容CB的电压应力曲线，UB＝f（I。，u） 对于国际通用的电网电压（AC 85～265 V），BIFRED和BIBRED转换器在轻载时，CB的电压应力UB将达到很