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目前，全球照明損耗約占能源損耗的五分之一。開(kāi)發(fā)高效、節(jié)能、低成本的照明燈具依然是解決世界能源問(wèn)題的重要途徑。高亮度發(fā)光二極管（High- Brightness Light-Emitting Diodes, HB-LEDs）具有光效高、性能好、壽命長(zhǎng)、環(huán)保和體積小等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已逐漸成為照明領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。因發(fā)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(huán)節(jié)。

現(xiàn)有整流器按能量傳遞方式可大致分為單級(jí)、兩級(jí)和多級(jí)三大類，前級(jí)常用于功率因數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC），以滿足IEC 61000-3-2、EnergyStar等標(biāo)準(zhǔn)，后級(jí)為DC-DC變換器以提供負(fù)載所需的驅(qū)動(dòng)電流。兩/多級(jí)整流器具有功率因數(shù)高、輸出控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但成本高、效率低。

如何消除電解電容是當(dāng)前研究的另一個(gè)熱點(diǎn)。但若無(wú)電解電容消納二倍工頻的脈動(dòng)功率，負(fù)載勢(shì)必存在頻閃現(xiàn)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(jīng)成為衡量其穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 輸入、輸出功率的理論波形

根據(jù)現(xiàn)階段學(xué)者研究?jī)?nèi)容，可將消除電解電容的方法分為兩類，即改進(jìn)控制策略和優(yōu)化電路拓?fù)?。但相關(guān)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(duì)電解電容的依賴，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究，但是所提方案仍存在一定的不足。

綜上，對(duì)于傳統(tǒng)整流器而言，通常需要較大的電解電容平衡功率脈動(dòng)，因此限制了系統(tǒng)的整體壽命，同時(shí)也影響了其輕量化設(shè)計(jì)。然而，現(xiàn)有解決方案的解耦電路和控制策略較為復(fù)雜。此外，盡管Boost電路在PFC中具有良好的性能，但它會(huì)使大部分器件承受高電壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致較大導(dǎo)通損耗。

為此，四川大學(xué)電氣工程學(xué)院、河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出了一種新型虛擬三端口網(wǎng)絡(luò)整流器，其中虛擬端口特定用于功率解耦。該拓?fù)渚哂性?shù)少、功率密度高、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

該整流器的優(yōu)點(diǎn)在于：①通過(guò)多單元整合和器件共享，消除冗余元件，實(shí)現(xiàn)了能量單級(jí)變換；②控制上采用高頻脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)，消除了承受高電壓應(yīng)力的輸出電容；③大多情況下，僅兩個(gè)開(kāi)關(guān)管工作于高頻狀態(tài)，有效降低了導(dǎo)通損耗；④解耦電感可同時(shí)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(diào)制方式，并通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。他們總結(jié)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(shù)均高于0.971；2）通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)模式，消除了傳統(tǒng)電路中承受高壓應(yīng)力的輸出電容，效率得到了進(jìn)一步提高；3）通過(guò)多單元整合，有效消除了功率器件和磁性器件的數(shù)量；器件分時(shí)復(fù)用，簡(jiǎn)化了解耦單元。Q1、Q2不僅用于功率因數(shù)校正，還可實(shí)現(xiàn)大范圍亮度調(diào)節(jié)，且無(wú)需多路反饋通道，控制單元簡(jiǎn)單、易行。

此外，研究人員表示，當(dāng)輸出電流約為1A時(shí)，紋波率最大，其數(shù)值為6.6%，滿足LED無(wú)頻閃要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該整流器擁有良好的輸出電流質(zhì)量。

本文編自2022年第8期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“具有功率解耦能力的單級(jí)無(wú)橋式虛擬三端口整流器”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目的支持。