适用于小功率场合的PFC变换器研究与设计

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目前,笔记本电脑等使用小功率电源的用电设备应用广泛,对电力系统造成一定的谐波污染,因此国际电工委员会出台了IEC60000-3-2电流谐波标准。可以抑制电流谐波的功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)技术方案众多,但是在性能和成本方面各有所长,在小功率场合下,如何综合考虑性能和成本等因素确定合适的PFC技术方案具有重要的研究意义。基于这一应用需求,本课题探索了适用于小功率应用场合的PFC技术方案并做出综合方案评价,旨在为PFC变换器在小功率场合中的方案应用提供一种设计参考。主要工作及研究方法如下:基于两级PFC技术方案,研究了前级Boost PFC变换器和后级反激变换器组成的两级PFC变换器,详细地分析了其工作原理、总结了其工作模式的优缺点并进行了前、后级控制方案的设计。最后在PSIM软件中对相关分析进行了仿真验证。基于单级PFC技术方案,研究了Boost-Flyback型单开关单级(single-switch single-stage,S~4)PFC变换器,即BF-S~4单级PFC变换器。分析了其PFC级可以实现自动PFC功能的原理,并从稳态和暂态的角度用数值分析解释了其轻载下中间母线电容必然承受高压应力的原因。研究证实,母线电压应力高的根本原因在于输出电流的负反馈机制,在此基础上,给出了一种高压应力优化电路。最后在PSIM软件中对相关结论和优化方案进行了仿真验证。为了进一步验证上述两种PFC技术方案在小功率场合的适用性,依据100~240V交流输入,12V/7.5A直流输出的设计指标,分别设计了两台90W的电源样机。给出了样机的参数设计和器件选型过程,并使用Mathcad、Saber软件验证了控制环路工作的稳定性,最后搭建实验平台对样机的输入输出性能进行测试。实验结果表明,两种方案都满足设计指标。两级PFC变换器的功率因数为0.991,总谐波失真为9.602%,适用于小功率场合中注重PFC性能的电源设备上;BF-S~4单级PFC变换器功率因数为0.929,总谐波失真为39.5%,比两级结构单机成本低6.3%,效率高2%,适用于小功率场合中注重成本、效率的电源设备上。此外,BF-S~4单级PFC变换器在轻载时母线电压突增量降低了45.6%,验证了本文提出的电压应力优化电路的可行性。本课题研究成果为PFC技术在小功率场合的方案应用提供一定的参考价值。
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