一種單級全橋PFC變換器變壓器偏磁抑制策略

賁洪奇 趙志強 丁明遠

摘 要：單相單級全橋PFC變換器變壓器雙向勵磁，具有功率密度高和電氣隔離等特點，適用于中大功率場合，但該變換器由于其工作方式的特殊性，存在特有的變壓器偏磁現(xiàn)象。通過對單級全橋PFC變換器的工作原理與變壓器偏磁產(chǎn)生機理進行分析，得出每1/4工頻周期內(nèi)磁化曲線中心點偏移情況，并遞推得到偏移量的最大值。在此基礎(chǔ)上，提出一種正負半周對稱的數(shù)字抑制策略，通過設(shè)計開關(guān)管的時序，使每個開關(guān)周期內(nèi)變壓器正負向勵磁時間相等，進而消除了變壓器偏磁;與傳統(tǒng)偏磁抑制方式相比，該策略不增加電路的復(fù)雜程度與系統(tǒng)的體積、重量，實現(xiàn)較為容易。最后，通過搭建額定輸出電壓/電流為48V/12A的樣機驗證了所提出的偏磁抑制策略的可行性。

關(guān)鍵詞：單級全橋;PFC變換器;偏磁;抑制策略;數(shù)字

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.003

中圖分類號：TM 461文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0020-08

Abstract：Singlephase singlestage fullbridge PFC converter transformer bidirectional excitation， with high power density and electrical isolation characteristics， is suitable for medium and high power applications. However， due to the particularity of its working mode， the converter has its own transformer bias phenomenon. Through the analysis of the working principle of singlestage fullbridge PFC converter and the generation mechanism of transformer magnetic bias， the central point offset of the magnetization curve was obtained in every quarter of the power frequency cycle， and the maximum value of the offset was obtained recursively. On this basis， a digital suppression strategy with positive and negative halfcycle symmetry was proposed， which makes the positive and negative excitation time of transformer equal in each switching period， then eliminates the transformer bias. Compared with the traditional suppression method， the strategy does not increase the complexity of the circuit and the volume and weight of the system， and the realization method is easier. Finally， a prototype with rated output voltage and output current of 48V/12A was built to verify the feasibility of the proposed strategy.

Keywords：singlestage fullbridge; PFC converter; biasmagnetic; suppression strategy; digital

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備的大量使用，對電網(wǎng)造成的諧波污染也日趨嚴重。功率因數(shù)校正（power factor correction，PFC）技術(shù)能有效消除輸入電流諧波，提高功率因數(shù)，因此一直是電力電子領(lǐng)域研究的熱點[1-3]。有源功率因數(shù)校正（active power factor correction， APFC）技術(shù)相對于無源功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正效果更好，效率更高，應(yīng)用更為廣泛。有源功率因數(shù)校正變換器從電路結(jié)構(gòu)來分，可分為單級APFC結(jié)構(gòu)和兩級APFC結(jié)構(gòu)。兩級式結(jié)構(gòu)中APFC和DCDC變換分別獨立完成，體積大、功率密度低。單級APFC將APFC和DCDC變換合二為一，電路減少了元器件、提高了功率密度，因此應(yīng)用更為廣泛[4-5]。單級橋式APFC變換器變壓器雙向勵磁，磁心利用率高，適用于中大功率場合，但由于其工作方式的特殊性，存在固有的變壓器偏磁問題。當偏磁嚴重到一定程度， 磁心將進入單向飽和區(qū)，此時磁心磁導(dǎo)率急劇下降，磁心損耗增加，變換器效率降低;此外，還會造成變壓器單向磁化電流急劇增加，最終導(dǎo)致功率器件燒毀[6-8]。為了使系統(tǒng)正常運行，有必要對變壓器進行偏磁抑制。

文獻[9-10]提出在變壓器原邊串聯(lián)隔直電容來抑制變壓器偏磁;該方案增加了電路的復(fù)雜程度，降低了變換器的性能。文獻[11]提出先設(shè)計正向死區(qū)，再通過積分復(fù)位的方法確定負向死區(qū)，使變壓器正負向伏秒積平衡，從而實現(xiàn)偏磁抑制。這種方法死區(qū)時間設(shè)計較復(fù)雜，而且會影響到系統(tǒng)最大占空比。文獻[12-13]提出一種數(shù)字補償算法，通過對量化誤差補償實現(xiàn)偏磁抑制，但該方法不能在每個開關(guān)周期內(nèi)消除偏磁。

針對單級全橋PFC變換器變壓器偏磁問題，基于數(shù)字處理器（digital signal processor，DSP）TMS320F28335，提出一種正負半周對稱的數(shù)字抑制策略，該策略不需要改變主電路，通過設(shè)計開關(guān)管的開關(guān)時序，就能消除變壓器偏磁，不需要添加輔助電路和隔直電容，簡單且易于實現(xiàn)，具有不影響PFC效果、不影響變換器性能等優(yōu)點。基于理論分析，搭建額定輸出電壓/電流為48 V/12 A的單級全橋PFC變換器的實驗樣機，驗證了所提出的正負半周對稱的偏磁抑制策略的可行性。

1 變換器偏磁機理分析

1.1 變換器工作原理

單級全橋PFC變換器如圖1所示，使用同一級電路實現(xiàn)功率因數(shù)校正及DC/DC變換。

從圖9（a）、9（b）、9（c）、9（d）中能得出：在使用偏磁抑制策略之后，變壓器原邊電流正常工作，沒有發(fā)生劇變，且每個開關(guān)周期內(nèi)正負向勵磁時間相等，正負向伏秒積基本平衡，變壓器勵磁電流在每個開關(guān)周期內(nèi)基本復(fù)位（變壓器未勵磁時電流基本為0），偏磁得到有效抑制。

4 結(jié) 論

對單級全橋PFC變換器變壓器的偏磁產(chǎn)生機理進行分析，得出每半個工頻周期內(nèi)、在1/4工頻周期時刻勵磁電流達到最大值，磁化曲線中心點偏移量也達到最大值，此時變壓器磁感應(yīng)強度最大，變壓器容易飽和。

為了解決單級全橋PFC變換器變壓器偏磁問題，提出一種正負半周對稱的數(shù)字抑制策略。該策略在開關(guān)時序上就能使每個開關(guān)周期的變壓器正負向勵磁時間相等，變壓器正負向伏秒積平衡，實現(xiàn)偏磁抑制。搭建額定輸出電壓/電流為48V/12A的實驗平臺，從實驗結(jié)果可以得出，本文所提出的偏磁抑制策略能很好的抑制變壓器偏磁，且不影響系統(tǒng)性能，電路能夠較好的實現(xiàn)功率因數(shù)校正，對單級全橋PFC變換器偏磁問題解決有較大的參考價值。但該策略僅能利用數(shù)字控制方式來實現(xiàn)，并不適用于采用模擬控制方式的場合。

參 考 文 獻：

[1] 曹太強， 李清， 王軍，等. 無橋DualSepic PFC變換器分析與設(shè)計[J]. 電機與控制學(xué)報， 2015， 19（2）：39.

CAO Taiqiang， LI Qing， WANG Jun，et al.Analysis and design of bridgeless dualsepic PFC converter [J]. Journal of Electrical Engineering and Control， 2015， 19（2）：39.

[2] 紀丙華， 龔超， 黃學(xué)龍，等. 一種新型無橋雙Boost PFC變換器[J]. 電力電子技術(shù)， 2018， 52（12）：129.

JI Binghua，GONG Chao， HUANG Xuelong，et al. A new bridgeless double boost PFC converter[J]. Power Electronics， 2018， 52（12）：129.

[3] FUHR T，KUPKAupka T.Innovative single stage isolated AC/DC converter with power factor correction[C]//International Scientific Conference on Electric Power Engineering（EPE）.Kouty nad Desnou， Czech Republic， 2019，1-4.

[4] ANAND G，SINGH S S K.Design of single stage integrated bridgelessboost PFC converter[C]//International Conference on Medical Imaging， mHealth and Emerging Communication Systems （MedCom）， Greater Noida， 2014，458-463.

[5] MORAIS A S，GALLO C A，TOFOLI F L，et al.A high power factor ballast with a single switch and a single power stage[C]//Applied Power Electronics Conference. California：IEEE，2004：149-152.

[6] XU W，WU Y，WU F，et al.Study on the influence factors of power transformer DC magnetic bias[C]//12th IET International Conference on AC and DC Power Transmission，Beijing， 2016，1-6.

[7] 段善旭， 劉邦銀， 彭力，等.全數(shù)字化逆變電源輸出變壓器偏磁問題與抑制[J]. 高電壓技術(shù)， 2003（10）： 1.

DUAN Shanxu， LIU Bangyin， PENG Li，et al.The analysis and eliminating techniques of magnetic biasfor output transformer in the fully digitized intermediate frequency inverters[J]. High Voltage Technology， 2003 （10）： 1.

[8] 李曉萍， 文習山， 陳慈萱. 單相變壓器直流偏磁勵磁電流仿真分析[J]. 高電壓技術(shù)， 2005（9）：8.

LI Xiaoping， WEN Xishan， CHEN Cixi. Simulating analysis of exciting current of single phase transformer on DC bias[J]. High Voltage Engineering， 2005（9）：8.

[9] 賁洪奇， 金祖敏， 王鳳平.單級橋式 PFC 電路功率變壓器偏磁的產(chǎn)生機理分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)報， 2004， 36（9）： 1215.

BEN Hongqi， JIN Zumin， WANG Fengping.The mechanism of magnetic bias exists in power transformer of the singlestage full bridge PFC converter [J].Journal of Harbin Institute of Technology， 2004， 36（9）： 1215.

[10] 王大慶， 賁洪奇， 孟濤. 基于鉗位電路的新型單級 PFC技術(shù)研究[J]. 電力自動化設(shè)備， 2010， 30（5）： 53.

[11] 王大慶， 賁洪奇， 孟濤. 基于死區(qū)調(diào)節(jié)的單級橋式PFC變換器變壓器偏磁抑制策略[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2012， 32（30）：46.

WANG Daqing， BEN Hongqi， MENG Tao. A flux DC bias suppression scheme of singlestage fullbridge PFC converters based on dead zone adjustment[J].Proceedings of the CSEE， 2012， 32（30）： 46.

[12] 杭麗君， 陽岳豐， 呂征宇，等. 5 kW全數(shù)字控制單級隔離型功率因數(shù)校正變換器的研究[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2007， 27（19）： 68.

HANG Lijun， YANG Yuefeng， LU Zhengyue et al. Investigation of 5 kW fully digital controlled singlestage isolated PFC converter [J]. Proceedings of the CSEE， 2007， 27（19）：68.

[13] 杭麗君， 呂征宇，GuE，等.中大功率單級功率因數(shù)校正變換器中的偏磁分析及其數(shù)字化抑制技術(shù)[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2009， 29（3）：14.

HANG Lijun， LU Zhengyu， GuE，et al.Flux DC bias and digital suppression scheme for isolated fower factor correction converter [J]. Proceedings of the CSEE. 2009， 29（3）： 14.

（編輯：賈志超）