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平均电流型BoostPFC非线性现象分析
摘要
功率因数校正(PFC)技术在现代电气化系统中得到广泛应用，因为它可以提高系统的功率因数、减少线路损耗、降低使用成本。BoostPFC拓扑电路常用于高powerfactor(PF)需求的应用中，但在实际应用中，存在BoostPFC非线性现象，如谐波失真、翻转电容器电压等。本论文旨在对BoostPFC非线性现象进行分析和探讨，结合实验结果进行讨论，并给出相应的改进方案，以提高BoostPFC运行的可靠性和稳定性。
关键词：功率因数校正，BoostPFC，非线性分析，谐波失真，翻转电容器电压，改进方案
1.引言
近年来，由于社会对电力效率和能源可持续性的需求不断增加，功率因数校正(PowerFactorCorrection,PFC)技术在电气化领域的应用越来越广泛。在AC/DC开关电源中，几乎所有的电子设备都需要通过PFC技术来提高功率因数。功率因数校正的主要作用是使系统能够以更高效率地转换交流电源，从而减少电网污染和线路输电损耗。因此，研究如何提高PFC技术的效率和性能，对于当今电气化系统的可持续发展至关重要。
BoostPFC拓扑电路由于其具有简单结构、高效率、能量转移可控等优点，以及在大功率因数校正电源中广泛应用。然而，由于BoostPFC拓扑电路中存在多个有限元素（诸如二极管、电感器、电容等）以及非线性元件（例如开关管），从而导致BoostPFC拓扑电路中存在非线性现象。这些非线性现象表现为谐波失真、翻转电容器电压等问题，从而使BoostPFC电源工作不稳定、损坏元器件、影响输出功率等问题出现。
因此，为了提高BoostPFC拓扑电路的性能和运行稳定性，本论文将分析BoostPFC拓扑电路的非线性现象和产生原因，提出解决方案，以达到提高系统的功率因数、减少线路损耗、降低使用成本等目标。
2.BoostPFC拓扑电路的工作原理与传输特性
BoostPFC拓扑电路如图1所示，它是一种常见的Buck-Boost型DC/DC转换电路，而且具有较好的电气特性和灵活性。
图1BoostPFC拓扑电路示意图
在BoostPFC拓扑电路中，输入交流电source（V_in）经桥式整流器进行整流后，输入Boost拓扑电路进行升压，电流通过Boost升压电路后经过输出滤波器C_o缓冲并输出，最终输出直流电压V_out供给负载。
BoostPFC拓扑电路的输出特性是电压输出一定，能量输入与负载要求的能量匹配，这需要在其输出端引入输出滤波电路，从而达到输出纹波小、功率因数高等良好的电性能特性。
BoostPFC拓扑电路的传输特性可以通过多种因素进行分析，如输出电压与负载电流的关系，输出纹波电流与输出滤波电容的关系等。BoostPFC拓扑电路的输出电压受输入电压、负载阻值、开关频率、占空比等多种因素的影响。同时，由于交流电流的变化特性，BoostPFC拓扑电路使用一定频率的PWM波调节开关管导通的时间，通过桥式整流器将输入电压转化为平滑的DC电压，可提高电源的效率和可靠性。
3.BoostPFC拓扑电路的非线性现象分析
3.1谐波失真
BoostPFC拓扑电路存在谐波失真问题，其主要原因是应用交流电流本身就具有含有谐波成分。当输入电流存在谐波成分时，BoostPFC拓扑电路将会引入更多的谐波成分，从而导致电源输出电压的波形失真。谐波失真会导致电源输出功率降低，损耗电气和机械部件，不稳定的输出电压等问题。因此，降低谐波失真是提高BoostPFC拓扑电路性能的重要途径之一。
3.2翻转电容器电压
BoostPFC拓扑电路中的电容器充电与放电过程是由开关管状态切换产生的，同时还会受到输入电流、电压等多种因素的影响。在BoostPFC拓扑电路中，电容器的充电问题可以通过耦合输出电感进行改进以降低功率损耗。但是，当峰值输入电压过大时，电容器电压会翻转。翻转电容器电压将导致电容器介质损坏，甚至会引起电路短路，对电气安全和设备稳定性带来影响。
4.BoostPFC拓扑电路的改进方案
4.1谐波失真改进方案
降低谐波失真的方法有多种，可采用二次侧电流采样补偿、差分电子不平衡修正、谐振运行模式等，但缺点是复杂度高、电路稳定性差等问题。提出一种改进方案是限制输入电容器峰值充电电流的大小，由于输入电容器充电电流对输出电流的干扰是引起谐波失真的主要原因。通过选择合适的电容器、电感器、开关管和占空比，可以最小化电容器峰值电流的波形失真，并将空间叠加的谐波成分降到最小值。
4.2翻转电容器电压改进方案
为了避免翻转电容器电压的问题，可采用两个电容器交替使用或两个交互式Boost拓扑电路并联的方案。当一台转换器输入电压在脉冲幅值峰值范围时，另一台转换器将工作，从而保持电容器电压始终处于安全水平，减少电容器电压增量和其它电源元件的损坏