單級功率因數(shù)校正在AC-PDP開關(guān)電源小型化設計中的應用

 摘要：傳統(tǒng)的交流等離子顯示器（AC-PDP）開關(guān)電源采用的是功率因數(shù)校正加DC/DC變換的兩級電路。針對其結(jié)構(gòu)復雜，體積較大的缺點，設計了一種單級功率因數(shù)變換器，實現(xiàn)了小型化的目的。

    關(guān)鍵詞：單級功率因數(shù)校正；反激變換；彩色交流等離子顯示器

引言

隨著社會信息化的不斷發(fā)展以及先進制作工藝的不斷提高，作為大屏幕壁掛式電視和高質(zhì)量多媒體信息顯示的終端——彩色交流等離子體顯示器（AC-PDP）,其屏幕做得越來越大，功耗越來越小，電路結(jié)構(gòu)越來越簡單，成本也越來越低。而電源作為AC?PDP的一個重要組成部分，也向著小型化和簡單化的方向發(fā)展。

傳統(tǒng)的AC?PDP電源一般采用兩級方案，即PFC級＋DC/DC變換的電路拓撲結(jié)構(gòu)。它們分別有各自的開關(guān)器件和控制電路。盡管其能夠獲得很好的性能，但其體積過大，成本太高，電路比較復雜。因此，對其進行小型化改造也成了AC-PDP技術(shù)研究的一個方向。

    由于AC?PDP驅(qū)動控制電路的復雜性，導致了其開關(guān)電源的復雜性。分析可知，不管從傳輸能量角度還是從所占體積的角度，PFC模塊和掃描驅(qū)動電極DC/DC變換模塊都占有相當大的比例。因此，對這兩部分的改造就成為AC-PDP開關(guān)電源小型化改造的一個切入點。本文根據(jù)單級功率因數(shù)校正的工作原理，提出了一種AC-PDP電極驅(qū)動電源模塊改進方案。

1 單級PFC維持電極電源模塊的拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用的單級功率因數(shù)校正變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。單相交流電經(jīng)全波整流后，通過串聯(lián)兩個感性ICS（Input?currentshaping）接到雙管反激的DC/DC變換單元。

圖中的兩個ICS單元完全相同，即LB1=LB2，LD1=LD2，N1p=N1n。采用這種雙ICS的單元結(jié)構(gòu)是為了減小儲能電容器上的電壓以及流過開關(guān)管的電流。

下面通過開關(guān)管的動作過程分析整個電路的工作原理以及工作過程。

1）S1和S2導通期間其簡化電路如圖2（a）所示。開關(guān)管導通，儲能電容經(jīng)圖2（a）中右邊回路釋放電能，反激變換器TR開始儲能，iDC由零開始上升。線圈N1p及N1n分別感應產(chǎn)生左負右正和左正右負的電壓，D1n和D1p開始導通，D2n和D2p截止。Vin經(jīng)圖2（a）中左邊的回路給儲能電容CB1及CB2充電，iin開始上升，電感LB1，LB2，LD1，LD2充電。

    因為VLB1=VLB2，VLD1=VLD2，為了分析方便，令

VLB=VLB1＋VLB2=2VLB1VLD=VLD1＋VLD2=2VLD1在右邊的回路中，根據(jù)基爾霍夫定律有

VLB＋VLD=Vin－VB(1-2N1/Np)>0   （1）

式中：Vin為全波整流后的輸出電壓，即Vin=

Vs|sinωt|；

VB=VB1＋VB2；

N1為繞組N1n及N1p的匝數(shù)；

Np為反激變換器原邊主繞組的匝數(shù)。

又因為

VLB=VLB1＋VLB2=LB1(diin/dt)＋LB2(diin/dt)   （2）

VLD=VLD1＋VLD2=LD1(diin/dt)＋LD2(diin/dt)   （3）

將式（2）及式（3）代入式（1），可得

(LB＋LD)(diin/dt)=Vin-(1-2N1/Np)VB（4）

所以

diLB/dt=Vin-(1-2N1/Np)VB/(LB+LD)

式中：LB=LB1＋LB2；

LD=LD1＋LD2。

2）S1和S2截止期間

簡化電路圖如圖2（b）所示。此時iDC等于零，反激變換器給負載供電。線圈N1P及N1n分別感應產(chǎn)生左正右負和左負右正的電壓，D1n及D1p反向截止，D2n及D2p續(xù)流導通。根據(jù)基爾霍夫定律有

VLB=LB=Vin－VB<0所以=<0

所以diLB/dt=(Vin-VB)LB<0

從上面的分析可知，當Vin<VB時，D1n，D1p，D2n，D2p全部截止，電流iin為零，電感LB1及LB2中沒有電流流過，即回路電流iin存在一個死區(qū)θ（deadangle），是不連續(xù)的。也就是說，在半個工頻周期內(nèi)，只有一部分時間電感LB的電流連續(xù)工作，iLB在半個工頻周期內(nèi)的波形如圖3所示。

由圖3可以看出，當輸入電壓為交流正弦波時，其輸入電流為一含有高頻紋波的近似正弦波。兩者相位基本相同，提高了輸入端的功率因數(shù)。

2 試驗結(jié)果

根據(jù)4電極42英寸（107cm）彩色PDP驅(qū)動電路的要求，設計驅(qū)動電源模塊的參數(shù)為：

輸入電壓AC170～250V；

輸出電壓DC200～240V；

輸出電流1A。

實驗電路采用UC3845作為開關(guān)管的控制芯片，開關(guān)的工作頻率為80kHz。DC/DC變換部分采用雙管反激電路。

實驗測得，當輸入電壓為AC220V，50Hz，輸出功率為240W（240V/1A）時，系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.786。轉(zhuǎn)換效率為72.5％。此時得到輸入端的電壓電流波形如圖4所示。

3 結(jié)語

通過比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級功率因數(shù)校正電路在功率因數(shù)校正能力和電源的轉(zhuǎn)換效率等方面，相對于兩級功率因數(shù)校正電路而言，相對要差一些。但隨著研究的深入，新的單級PFC拓撲結(jié)構(gòu)和控制方案將不斷地被提出，單級PFC電路的性能也將逐步地得以完善。而單級功率因數(shù)校正電路體積小、電路簡單的特點使其成為AC?PDP開關(guān)電源小型化改造的一個首選方案。