黄志良，叶开明，林添进，李文泉

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108;2.国网泉州供电公司，福建 泉州 362000)

1 引言

随着电力电子装置应用的日益广泛，电网中的谐波污染也日趋严重。为符合IEC61000－3－2谐波电流的限值标准，许多装置都采用功率因数校正器。功率因数校正电路的拓扑很多种，如Boost型、Buck型、Buck－ Boost型等 DC/DC 变换器［1－3］。Boost型功率因数校正(PFC)变换器因其储能电感也可作滤波器，有效地抑制EMI噪声，具有电流波形失真小，输出功率大等优点，故广泛应用于PFC中。

随着单相有源PFC技术的成熟和功率等级的进一步提高，原有单重Boost PFC方案的使用受到限制。功率增加时，单重Boost PFC的开关器件(功率开关、升压二极管、升压电感)必然要承受过更高的电流应力，出现选择器件的困难，增大成本，而且还将增大电路中dv/dt和di/dt，造成严重的辐射和传导的EMI。对高压大功率的应用，可采用单相三电平Boost PFC，此时开关的端电压可控制在输出电压的50%。对大电流大功率的应用，交错并联 Boost PFC［4－7］既可减少单个电感容量，又可降低了开关器件的电流应力和输入电流纹波，进而减小电感磁芯尺寸、提高变换器的效率。

2 交错并联Boost PFC原理

交错并联Boost PFC变换器如图1所示，图1中每相Boost PFC变换器均可工作在连续导通模式或者是断续导通模式下，开关S1、S2的导通占空比相同，开关S2滞后S11/2个开关周期。为便于分析，先假设:①每路Boost单元均工作于 CCM;②开关 S1、S2，二极管D1、D2为理想器件;③Co足够大，输出电压稳定。

图1 交错并联Boost PFC变换器

图2 驱动信号及电感电流波形

根据以上假设，占空比在不足50%和50%以上变换器在一个开关周期内的工作状态不同，这里以50%以下的占空比进行分析，交错Boost PFC变换器在一个开关周期内有4个工作状态，图2示出电路驱动及电感电流波形。

(1)阶段 1［t0～t1］S1导通，S2关断，L1中的电流线性上升;L2中存储的能量通过二极管D2向负载放电。该阶段变换器的状态方程为:

(2)阶段2［t1～ t2］S1S2均关断，L1、L2中存储的能量通过二极管D1、D2向负载放电。该阶段变换器的状态方程为:

(3)阶段 3［t2～t3］S1关断，S2导通，L1中存储的能量通过二极管D1向负载放电;L2中的电流线性上升。该阶段变换器的状态方程为:

(4)阶段4［t3～ t4］S1S2均关断，L1、L2中存储的能量通过二极管D1、D2向负载放电。该阶段变换器的状态方程为:

图2所示电感L1、L2可采用分立电感，也可采用耦合电感，采用耦合电感时，因两只电感共用一个磁芯，提高了磁芯的利用率;另一方面由于交错导通使得输入电流的平均变化率降低，大大降低了磁芯的损耗。

3 仿真与实验

利用Psim9.0对Boost PFC和交错并联Boost PFC电路进行仿真，开关频率为20kHz，电感为1.0mH，交流输入电压为220V，直流输出电压为360V，输出功率约为3kW。图3(a)、(b)分别为Boost PFC和交错并联Boost PFC的Psim仿真图，采用平均电流法，控制算法的实现通过DLL编程实现。

图3 Boost PFC、交错并联Boost PFC Psim仿真图

Boost PFC和交错并联Boost PFC输入电流波形如图4所示，图中很难直观看出交错并联Boost PFC变换器相对于Boost PFC在输入电流上具有更小纹波的优势，图5为图4中输入电流的局部展开图及所对应的驱动信号。在输出相同功率下，相比于Boost PFC，交错Boost PFC变换器输入电流的频率增加了一倍，具有更小的电流纹波，因此其输入电流的THDi更低(如图6所示);同时电流值平均分配在两个开关管上，其承受的电流值为Boost PFC的一半，有利于功率等级的扩展。

图4 Boost PFC、交错并联Boost PFC输入电流波形

图5 Boost PFC、交错并联Boost PFC输入电流波形与驱动信号

图6 Boost PFC、交错并联Boost PFC THDi波形图

4 结论

随着功率的增大，Boost PFC在开关器件的选择受到很大的限制，交错Boost PFC的出现很好的解决这个问题。本文详细分析了交错Boost PFC的工作原理以及占空比小于50%时并且工作在连续导通模式下该变换器的工作状态;借助Psim仿真软件对Boost PFC和交错并联Boost PFC两种变换器进行了深入的仿真应用研究，仿真结果验证了交错并联Boost PFC的优越性:在同等功率下，交错并联Boost PFC相比于Boost PFC变换器，能够降低功率器件的电流应力和输入电流纹波，其频率成倍提高，从而减少前级EMI滤波器的尺寸，提高功率因数，是实现大电流大功率电路的理想拓扑。

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