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Ch1 DCM模式下PFC原理

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超级蒜苗
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  • 2021-2-6 01:09:22
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1.尝试从数学角度解释PFC实现原理

2.解答:在Vout一定时,为何PF值会随着输入电压Vm的减小而变的更好。
(日常习惯使用软件Notion做文档记录,由于在本站编辑公式不易,现在把notion中相关文档链接共享,里面的公式比较清晰)
Ch1 DCM模式下PFC原理

一、DCM Boost PFC 变换器基本工作原理   

      DCM 模式下,一个开关周期内电感电流可以分成三段区间,三段区间对应电感电流三种不同的状态,电感的电流三种不同的状态可将变换器等效成三种对应的电路, 图1.1 给出了这三种等效电路的电路图。

     图 1.1(a)对应开关管导通,电感电流上升的阶段,此时整流后输入电压,升压电感,开关管构成一个回路,电解电容与输出负载构成一个回路,
电感充电,电解电容放电;
     图 1.1(b)对应开关管关断电感电流下降阶段,开关管所在支路断路,整流桥整流后的电压流经升压电感,二极管,电解电容和负载,构成回路,
升压电感和电解电容共同向负载供电由此使输出电压升高;
     图 1.1(c)对应开关管关断且电感电流为零阶段,此段区间,电感不再向输出供电,仅由输出电容向负载供电。如图 1.1 给出了在开关周期中这三个等效电路综合形成的关键点的波形, 其中 vgs 为开关管驱动电压波形, iQb为开关电流波形, iDb为二极管电流波形, iLb为电感电流波形。
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超级蒜苗
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  • 2021-2-6 01:12:56
 

图 1.1 DCM Boost PFC 变换器在一个开关周期内的三种状态


超级蒜苗
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  • 2021-2-6 10:38:37
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图 1.2 DCM Boost PFC 变换器各点波形图

超级蒜苗
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  • 2021-2-6 10:43:30
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输入电源是电路工作的基础,输入电压的形式往往是电路运行的决定性因素:

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  • 2021-2-10 14:11:35
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  • 2021-2-10 14:13:36
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输入电压接入后首先会经过保险丝,然后经过二极管整流电路,二极管整流电路为两个桥臂构成,它的作用是将交流变成直流,但电压形式仍然为正弦,且频率加倍


超级蒜苗
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  • 2021-2-10 14:14:39
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        二极管整流桥电路之后即是升压电感,我们主要关心电感的电流特性, 结合图 2.2,首先可得出峰值特性, 电感电流上升的斜率与开关管导通时间的乘积,即

        其中,Dy 为开关管开通时间占开关周期的比值,Ts 为开关周期,这里两者均为定值。

备注:式1.3的成立,是基于开关频率fsw远大于工频,即认为电感电流的上升与下降时间极短,认为这一段时间内电感电压是不变的。
超级蒜苗
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  • 2021-2-10 14:20:30
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        在一个开关周期内电感电流包含上升阶段,下降阶段和持零阶段,为了后面的求解,需要求解出电感电流上升阶段和下降阶段的时间关系,这可以从电感在一个开关周期内的充电和放电量相等的角度推出(伏秒积平衡),即

Vo 为输出电压, DR 为电感电流下降阶段的时间占开关周期的比值

        由式(1.1)和式(1.4)可得:

       开关周期内电感电流平均值为电感电流与时间轴构成三角形面积与开关周期的比值, 式(1.3)给出电感电流峰值即对应三角形的高和式(1.5)给出了电感电流下降的时间占比, 由此可得到电感电流开关周期平均值 i_Lb_av表达式:
fs为开关频率。

       电感电流经过适当的滤波器滤波后为电感电流平均值,也即变换器的输入电流:
        不考虑变换器的损耗,假定输出功率等于输入功率,得到

        由式(1.1)、 式(1.7)和式(1.8)可得到输出功率关于电路基本参数的表达形式:


Tline 是工频周期。

        由式(1.9)中,可知占空比的大小将决定输出功率,由此可得到要达到固定输出功率对应的占空比表达式:



        功率因数可表达为工频周期内输入有功功率与视在功率的比值,有功功率为输出电压与输入电流乘积在工频周期内的平均值,视在功率为输入电压有效值与输入电流有效值的乘积,结合式(1.7)和式(1.9)可得传统控制下功率因数PF的表达式为


其中 I_in_rms为输入电流有效值。



超级蒜苗
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  • 2021-2-10 14:40:43
  • 倒数3
 
对于传统定占空比控制,根据第一节的分析得到电感电流峰值的包络,以及电感电流平均值即输入电流的表达式(1.3)和式(1.6), 将电感电流峰值包络, 电感电流以及输入电流画在同一图中可得到如图 2.1 所示。

超级蒜苗
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  • 2021-2-10 15:19:09
  • 倒数2
 
此时电感电流峰值包络为正弦形式,但输入电流发生一定的畸变,包含一定量的谐波。为了简化分析, 分析清楚变量的影响因素,经常采用的方式是删繁就简,把无关的部分去除,此处省略输入电流表达式的常数系数,得到简化的输入电流表达式


       根据式(2.1), 如图 2.1 所示,其中\alpha=V_m/V_o,图中做出了四个不同\alpha取值对应的简化输入电流波形,并作出正弦电流波形作为对比,由图中可以看出\alpha值越大,输入电流波形中间凹陷越严重,越偏离正弦波形。很明显我们所要达到的目的应该是输入电流越接近正弦功率因数特性越好,当输入电流完全正弦时功率因数理论上达到 1。由于输入电流为电感电流滤波后的频平均值,那么输入电流偏离正弦化,一定可以在电感电流中找到解释。
结合图 2.1 可分析得出其内在原因, 在电感电流上升阶段,电感电流峰值为V_m *|sin(wt)| D*_on*T_s/L_b, 此时电感电流的平均值呈正弦,但在电感电流下降阶段, 电感电流下降斜率为 Vo-aVo|sinwt|, a越小下降斜率越大,电流下降越快,电感电流在下降阶段的平均值越接近零, a越大下降斜率越小,电流下降越慢,电感电流在下降阶段的平均值越远离零,而电感电流下降阶段的平均值不是按正弦变化的,因此整体的平均值随a的增大,越偏离正弦化。
超级蒜苗
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  • 2021-2-10 15:26:55
  • 倒数1
 
matlab 绘图代码如下:
PFC.zip (153.38 KB, 下载次数: 5)

nc965
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  • 2021-2-6 18:39:05
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Buck PFC相反,输入电压越高PC越高
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