- 頭條川大學者提出一種具有功率解耦能力的單級無橋式虛擬三端口整流器2022-09-05 作者：田涵雷、夏益文 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為消除電解電容對高亮度發光二極管（HB-LEDs）壽命的影響，并迎合輕量化設計理念，四川大學電氣工程學院、河北科技大學電氣工程學院的研究人員田涵雷、夏益文、陳茂林、梁國壯，在2022年第8期《電工技術學報》上撰文，提出一種具有功率解耦能力的單級無橋式虛擬三端口整流器。 該拓撲采用路徑優化的方式縮短能量傳輸路徑，并通過功率器件共享的方式實現多級整合，極大地提升了器件利用率與電路功率密度；虛擬第三端口專用于功率解耦，從而有效緩解系統對大電容的依賴，為薄膜電容替代電解電容提供可能。此外，所提整流器可實現功率因數校正（PFC），控制單元簡單、易行。該文分析該整流器的工作原理，詳述關鍵電路的參數設計，并通過額定輸出功率為90W的實驗樣機驗證了該整流器的優越性。
目前，全球照明損耗約占能源損耗的五分之一。開發高效、節能、低成本的照明燈具依然是解決世界能源問題的重要途徑。高亮度發光二極管（High- Brightness Light-Emitting Diodes, HB-LEDs）具有光效高、性能好、壽命長、環保和體積小等優點，近年來已逐漸成為照明領域的主流產品。因發光二極管（LED）本身不能直接與交流源相連接，常采用整流器作為中間環節。
現有整流器按能量傳遞方式可大致分為單級、兩級和多級三大類，前級常用于功率因數校正（Power Factor Correction, PFC），以滿足IEC 61000-3-2、EnergyStar等標準，后級為DC-DC變換器以提供負載所需的驅動電流。兩/多級整流器具有功率因數高、輸出控制簡單等優點，但成本高、效率低。
如何消除電解電容是當前研究的另一個熱點。但若無電解電容消納二倍工頻的脈動功率，負載勢必存在頻閃現象，輸入、輸出功率的理論波形如圖1所示。圖中，vs、is、Pin和Pout分別為輸入電壓、輸入電流、輸入功率和輸出功率；VC-av、VC-max和VC-min分別為電容CD兩端的平均電壓、峰值電壓和谷值電壓。因此變換器是否采用電解電容已經成為衡量其穩定性的重要標準。
圖1 輸入、輸出功率的理論波形
根據現階段學者研究內容，可將消除電解電容的方法分為兩類，即改進控制策略和優化電路拓撲。但相關方案缺陷為并未完全消除電解電容，電路仍需較大電容平衡輸入、輸出功率。為消除對電解電容的依賴，有關學者進行了研究，但是所提方案仍存在一定的不足。
綜上，對于傳統整流器而言，通常需要較大的電解電容平衡功率脈動，因此限制了系統的整體壽命，同時也影響了其輕量化設計。然而，現有解決方案的解耦電路和控制策略較為復雜。此外，盡管Boost電路在PFC中具有良好的性能，但它會使大部分器件承受高電壓應力，從而導致較大導通損耗。
為此，四川大學電氣工程學院、河北科技大學電氣工程學院的研究人員提出了一種新型虛擬三端口網絡整流器，其中虛擬端口特定用于功率解耦。該拓撲具有元件數少、功率密度高、成本低、效率高等優點。
圖2 實驗樣機
該整流器的優點在于：①通過多單元整合和器件共享，消除冗余元件，實現了能量單級變換；②控制上采用高頻脈動電流驅動，消除了承受高電壓應力的輸出電容；③大多情況下，僅兩個開關管工作于高頻狀態，有效降低了導通損耗；④解耦電感可同時用作輸出濾波，大大削減了磁損和鐵耗。
研究人員理論分析了該整流器的工作原理和調制方式，并通過樣機實驗驗證了理論分析的正確性。他們總結指出：1）采用3×2.2μF/400V的薄膜電容替代了電解電容，且功率因數均高于0.971；2）通過改變驅動模式，消除了傳統電路中承受高壓應力的輸出電容，效率得到了進一步提高；3）通過多單元整合，有效消除了功率器件和磁性器件的數量；器件分時復用，簡化了解耦單元。Q1、Q2不僅用于功率因數校正，還可實現大范圍亮度調節，且無需多路反饋通道，控制單元簡單、易行。
此外，研究人員表示，當輸出電流約為1A時，紋波率最大，其數值為6.6%，滿足LED無頻閃要求。實驗結果也表明，該整流器擁有良好的輸出電流質量。
本文編自2022年第8期《電工技術學報》，論文標題為“具有功率解耦能力的單級無橋式虛擬三端口整流器”。本課題得到了國家自然科學基金和中央高校基礎科研業務費專項資金資助項目的支持。
