基于Sepic的功率因數(shù)校正電路

創(chuàng)新者：鄭杜成 王喜華 李晨光 藍(lán)云江 馬 悅 劉智贏

基于Sepic的功率因數(shù)校正電路

創(chuàng)新者：鄭杜成 王喜華 李晨光 藍(lán)云江 馬 悅 劉智贏

電力電子設(shè)備諧波污染問題越來越嚴(yán)重，功率因數(shù)校正技術(shù)是解決該問題的最有效方法。本文介紹了基于Sepic的功率因數(shù)校正電路工作原理，分析了該電路的工作特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上加入填谷電路改進(jìn)原有的電路拓?fù)洌档洼敵龆O管所承受的電壓應(yīng)力，減小電容體積，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。改進(jìn)后的電路應(yīng)用于LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)當(dāng)中行之有效。

電力電子設(shè)備的廣泛使用在給人們的生產(chǎn)生活帶來極大方便的同時也引起了許多問題，如諧波污染，消耗無功功率，對共用電網(wǎng)帶來不利影響等。隨著設(shè)備功率的不斷增大，及降低諧波電流標(biāo)準(zhǔn)的逐步普及，在越來越多的電源設(shè)計(jì)中均已采用功率因數(shù)校正電路（Power Factor Correction）。傳統(tǒng)的PFC電路由Boost電路構(gòu)成，這種電路輸出電壓比輸入電壓高，控制復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離。 由反激電路構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路需要較大體積的EMI濾波器。而Sepic電路的前級類似于Boost電路，輸出類似于反激電路，既可以得到連續(xù)的輸入電流，減小輸入EMI，又易于實(shí)現(xiàn)電氣隔離，因而Sepic電路適于作為功率因數(shù)校正電路。

針對Sepic-PFC電路的發(fā)展現(xiàn)狀，本文先介紹其基本工作原理，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上對原有的電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，并介紹改進(jìn)后的Sepic-PFC電路在離線式LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

Sepic-PFC電路的工作原理

epic-PFC電路如圖1所示。以流過二極管電流的連續(xù)或斷續(xù)來定義電路連續(xù)或斷續(xù)，則該電路有連續(xù)和斷續(xù)兩種工作模式。在一個開關(guān)周期內(nèi)，連續(xù)工作模式下有兩種工作模態(tài)，斷續(xù)模式下有三種工作模態(tài)。

圖1 Sepic-PFC電路

以下主要分析斷續(xù)模式下該電路的工作原理，該電路工作分為三個模態(tài)，如圖2所示。記輸入電壓、輸出電壓分別為，流過電感、的電流分別為，開關(guān)周期為，占空比為，輸入電 。

工作模態(tài)3：開關(guān)管S關(guān)斷，二極管關(guān)斷，在一個開關(guān)周期內(nèi)二極管上的電流平均值為

由于電感不吸收能量，在一個開關(guān)周期內(nèi)電感吸收與釋放的能量相等，即有：

將（5）（7）兩式代入（6）式中可得二極管上電流的平均值為

圖2　（a） 工作模態(tài)1等效電路

圖2　（b） 工作模態(tài)2等效電路

圖2　（c） 工作模態(tài)3等效電路

由于在一個開關(guān)周期內(nèi)，電容并不消耗能量，即有

圖3　改進(jìn)的Sepic-PFC電路

圖4　輸入電壓與輸入電流波形

圖5　輸出電壓波形

因此有，

即

由上述分析過程可知，Sepic結(jié)構(gòu)用于功率因數(shù)校正具有很好的效果。然而也存在著一些問題。電路中存在電流的過零畸變，限制了功率因數(shù)校正技術(shù)的實(shí)現(xiàn)；開關(guān)管均工作在硬開關(guān)狀態(tài)下，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗將會顯著增加；電路當(dāng)中的二極管從開通到關(guān)斷存在反向恢復(fù)時間，在這段時間內(nèi)，二極管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，燒壞二極管。為此，需要對傳統(tǒng)的電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)的Sepic-PFC電路

針對電路中二極管承受電壓應(yīng)力較大的問題，在原電路拓?fù)渲屑尤胩罟入娐罚筍epic-PFC電路得以完善。改進(jìn)后的電路拓?fù)淙鐖D3所示。

在原結(jié)構(gòu)中加入了填谷電路，用以解決傳統(tǒng)的Sepic-PFC電路中輸出二極管所受電壓應(yīng)力過大的問題。在開關(guān)管導(dǎo)通期間，二極管反向截止，二極管和導(dǎo)通，電容和電容均處于放電狀態(tài)，共同為電感充電。此時填谷電路結(jié)構(gòu)中的電容和組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在開關(guān)管關(guān)斷期間，二極管和反向截止，二極管導(dǎo)

因此，

即電路改進(jìn)后使得輸出二極管的電壓應(yīng)力降為原來的一半，故降低了二極管所承受的電壓應(yīng)力。并且每個電容的耐壓是原來的一半，基于CV 2的電容尺寸衡量標(biāo)準(zhǔn)可知，電容尺寸能夠減小，電容體積的減小避免了設(shè)計(jì)的電源體積過大，利于實(shí)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)的小型化。

針對改進(jìn)的Sepic-PFC電路，使用PSIM9.0軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。以220V，50Hz輸入，50V輸出，50KHz開關(guān)頻率為背景設(shè)計(jì)Sepic-PFC電路。填谷電容結(jié)果如圖4和圖5所示（為方便觀察，圖4中輸入電流放大10倍），可見輸入電流緊跟輸入電壓變化，，軟件計(jì)算功率因數(shù)值可達(dá)0.9996，很好地實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。

分析圖5所示波形可以看到輸出電壓波形波動較大，如果應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器，則燈電流波峰比等參數(shù)將達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。對于LED的照明設(shè)備而言，由于LED的光通量與通過其平均電流成正比，LED驅(qū)動電源宜采用恒流驅(qū)動方式；輸出為恒流，則不存在電流波峰比等問題，因此，改進(jìn)后的Sepic-PFC電路在LED驅(qū)動電源的設(shè)中行之有效。

結(jié)語

目前功率因數(shù)校正的解決方案越來越多，本文介紹了Sepic結(jié)構(gòu)用于功率因數(shù)校正的電路，詳細(xì)分析了Sepic-PFC電路的工作原理，并針對傳統(tǒng)電路拓?fù)渲写嬖诘膯栴}，提出了一種改進(jìn)的Sepic-PFC電路，使得電路輸出二極管的電壓應(yīng)力降低，電容器的尺寸減小，從而使Sepic-PFC電路結(jié)構(gòu)和功能更加完善；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)的Sepic-PFC電路具有良好的功率因數(shù)校正效果。本文同時分析了改進(jìn)的Sepic-PFC電路在LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用。鑒于Sepic結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)，基于Sepic結(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正電路正在得到越來越廣泛的關(guān)注，具有良好的應(yīng)用前景。

鄭杜成 王喜華 李晨光藍(lán)云江 馬 悅 劉智贏

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程

鄭杜成，男，本科，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，電氣工程與自動化；王喜華，男，本科， 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院， 電氣工程與自動化。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.021