（电气工程专业论文）基于移相全桥软开关pwm变换器的数字开关电源的研究与设计.pdf

l 工作 的地 包含 共同 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 e l 期：址年月丛日 。、l气净 摘要 随着社会的不断发展和进步，电子设备已经广泛地应用于各行各业中，电子 设备安全、可靠运行的关键在于电源系统。经过多年的发展，开关电源以其高性 能、高效率、高功率密度等优点，已经取代了传统的线性调整器电源，成为电子 设备中电源系统的首选。同时，新材料、新技术等的发展，推动着开关电源朝着 高频化、数字化、分布式电源系统、系统集成等方向发展。 本文在研究了开关电源的发展历程和研究热点后，以开关电源的拓扑结构作 为切入点，对移相全桥z v sp w m 变换器进行了深入的研究，在前人研究的基础 上提出了一种新的移相全桥z v sp w m 变换器。新的变换器不仅可以在全负载范 围内实现所有开关器件的零电压开关，将占空比丢失减少到最小程度，抑制输出 整流二极管上的电压振荡，并通过在电路中增加一个双向开关，控制在续流期间 为滞后桥臂开关管的零电压开关提供的能量，在满足所有开关器件在全负载范围 内实现零电压开关的前提下，减少了续流期间的环流及其带来的损耗，提高了整 个变换器的效率。同时，还对有源功率因数校正技术、数字控制技术等进行了研 究。在此基础上，设计了一款1 2 0 0 w 、工作频率为1 2 0 k h z 的开关电源。该电源 采用t i 公司生产的基于平均电流控制模式的u c c 2 8 0 1 9 实现有源功率因数校正， 用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现移相全桥z v sp w m 变换器的数字控制，并引入了模糊自 适应p i d 控制以获得更好的动态性能。 本文研究和设计并重，在研究的基础上进行了详细的电路设计，并通过相关 的仿真实验研究验证了上述研究成果的正确性和优越性。 关键词：移相全桥，软开关，功率因数校正，数字控制，模糊自适应p i d a bs t r a c t n o ww i t ht h es o c i a ld e v e l o p sa n da d v a n c e sc o n s t a n t l y , e l e c t r o n i c d e v i c e sa r eu s e dw i d e l yi nm a n ya r e a s t h ek e yo fe l e c t r o n i cd e v i c e s w o r ks a f e l ya n dr e l i a b l yi st h ep o w e rs u p p l ys y s t e m a f t e rm a n yy e a r s d e v e l o p m e n t ，s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sr e p l a c e dt h ec o n v e n t i o n a l l i n e a rr e g u l a t o rp o w e rs u p p l ya n db e c o m et h ef i r s tc h o i c eo ft h ep o w e r s u p p l ys y s t e mi ne l e c t r o n i cd e v i c e s a tt h es a m et i m e ，d e v e l o p m e n ti n n e wm a t e r i a l ，t e c h n o l o g ya n do t h e ra r e a sp r o m o t e s s w i t c h i n gp o w e r s u p p l yd e v e l o p i n gt o w a r d sh i g hf r e q u e n c i e s ，d i g i t a lc o n t r o l ，d i s t r i b u t e d p o w e rs y s t e m sa n ds y s t e mi n t e g r a t i o n ，e t c i nt h i sp a p e r ，ab r e a k t h r o u g hp o i n ti sf o u n di n s w i t c h i n gp o w e r s u p p l yt o p o l o g ya f t e rr e s e a r c h i n gs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y sd e v e l o p m e n t h i s t o r ya n dh o tt o p i c i n d e p t hr e s e a r c ho np h a s e s h i f t e df u l l b r i d g ez v s p w mc o n v e r t e ri sd o n ea n dan e w p h a s e - - s h i f t e df u l l b r i d g ez v sp w m c o n v e n e ri s p r o p o s e db a s i n g o n p r e d e c e s s o r s r e s e a r c h t h en e w c o n v e r t e r , a d d i n gab i d i r e c t i o n a ls w i t c h ，n o to n l ya c h i e v e sa l ls w i t c h e s z v si na ne x t e n d e dl o a d ，r e d u c e sl o s so ft h ed u t yc y c l e ，r e s t r a i n sv o l t a g e r i n g i n go nt h eo u t p u tr e c t i f i e rd i o d e ，b u ta l s or e d u c e st h ec i r c u l a t i n g c u r r e n ta n dp o w e rl o s sw h i c ha r ec a u s e db yt h ec i r c u l a t i n gc u r r e n ta n d i m p r o v e st h ec o n v e r t e r se f f i c i e n t yt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ee n e r g yw h i c h i ss u p p l i e dt ot h el a g g i n gl e gf o rz v si nt h ef r e e w h e e l i n gb yt h ea d d i n g b i d i r e c t i o n a ls w i t c ho nt h ep r e m i s eo ft h ez v so fa l ls w i t c h e si na n yl o a d m e a n w h i l e ，a p f c ，d i g i t a lc o n t r o la n do t h e rt e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d b a s i n go nt h e s er e s e a r c h e s ，a12 0 ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo f12 0 0 wi s d e s i g n e d t h ep o w e rs u p p l yu s e su c c 2 8 019p r o d u c e db yt 1w o r k i n gi n a v e r a g ec u r r e n tm o d et oa c h i e v ea p f ca n dt m s 3 2 0 f 2 812t of u l f i lt h e d i g i t a lc o n t r o lo ft h ep h a s e - - s h i f t e df u l l - - b r i d g ez v sp w mc o n v e r t e r i n o r d e rt o g e tm o r ee x c e l l e n td y n a m i cp e r f o r m a n c e ，f u z z ya d a p t i v ep i d c o n t r o li si n t r o d u c e d t h ep a p e ri sf o c u s e do nr e s e a r c ha n dd e s i g n ，d e t a i l e dc i r c u i td e s i g n i sb a s e do nc o r r e l a t i v er e s e a r c h ，a n ds o m es i m u l a t i o nr e s e a r c hi sd o n et o v e r i f yi t sc o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s s i i i yw o r d s ：p h a s e s h i f t e df u l l - b r i d g e ，s o f t s w i t c h i n g ，p f c ，d i g i t a l c o n t r o l ，f u z z ya d a p t i v ep i d i v 目录 摘要兽i a b s t r a c t i i i 目蜀之v 第一章绪论。1 1 1 课题的研究背景1 1 2 开关电源的发展概述l 1 3 我国电源行业的发展和面临的挑战4 1 4 开关电源的研究热点5 1 5 论文的主要研究内容7 第二章功率因数校正技术9 2 1 概述9 2 2 功率因数校正的方法1 0 2 3 无源功率因数校正技术10 2 4 有源功率因数校正技术1 1 2 4 1 有源功率因数校正电路的拓扑结构1 1 2 4 2b o o s t 型有源功率因数校正电路的控制策略1 3 2 5 有源功率因数校正电路的设计1 5 2 5 1u c c 2 8 0 1 9 简介1 5 2 5 2 基于u c c 2 8 0 1 9 的功率因数校正电路的设计1 6 2 5 3 电路参数的计算1 6 2 6 小结2 3 第三章移相全桥z v sp w m 变换器的研究2 4 3 1 移相全桥z v sp w m 变换器的概述2 4 3 1 1 传统的移相全桥z v sp w m 变换器2 4 3 1 2 加钳位二极管的移相全桥z v sp w m 变换器2 5 3 1 3 副边加缓冲吸收回路的移相全桥z v sp w m 变换器2 6 3 1 4 加入辅助换流支路的移相全桥z v sp w m 变换器2 7 3 2 移相全桥z v sp w m 变换器的改进2 8 3 2 1 两种变换器的工作过程的分析2 9 3 2 2 两种电路的效率分析3 3 3 3 仿真结果3 5 3 4 小结。3 6 v 四章1 2 0 0 w 开关电源的整体实现3 7 4 1 开关电源性能指标的确定3 7 4 2 高频变压器的设计3 7 4 3e m i 输入滤波器的设计4 0 4 4 功率开关器件的选择。4 1 4 5 输出滤波电路的设计。4 2 4 6m o s f e t 驱动电路的设计一4 4 4 7 输出电压电流检测电路的设计。4 7 4 8 辅助电源的设计。4 9 4 9 小结一5 0 五章移相全桥软开关p w m 变换器的数字控制51 5 1 开关电源数字控制技术概述51 5 2d s p 数字信号控制芯片简介51 5 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 双供电电源的设计5 2 5 4 移相全桥变换器控制信号的生成5 4 5 5 移相全桥变换器的建模和反馈环路的补偿5 5 5 5 1 移相全桥变换器的建模5 5 5 5 2 反馈环路的补偿5 7 5 6 模糊自适应p i d 控制器的设计5 8 5 6 1 模糊控制的基本原理5 9 5 6 2 模糊自适应p i d 控制器的设计6 1 5 7 系统的m a t l a b 仿真6 5 5 8 小结。6 6 总结。6 8 参考文献6 9 致 射一7 3 攻读学位期间主要的研究成果7 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着当今社会的飞速发展，电子系统的应用越来越广泛，种类也越来越丰富。 电子设备已成为人们的工作、生活中必不可少的一部分。作为电子设备的“心脏”， 电源系统给电子设备提供所需要的能量，起着至关重要的作用。电源系统良好的 安全性和可靠性是电子设备正常运行的重要保障。同时，通信、航天、军事、汽 车、计算机、办公和家用电器等行业的飞速发展，对电源系统也提出了越来越高 的要求。传统的电源系统由于性能的限制，在一定程度上制约了其他行业的发展。 近年来，国内的各大电源厂商、研究机构、高等院校都投入了大量的人力物 力，在新材料、拓扑结构、控制方法、加工工艺等方面进行了深入的研究，并取 得了一系列的成果，但离实际应用还有一段距离。因此，对高性能电源系统的进 一步研究具有重要的意义和广阔的前景。 1 2 开关电源的发展概述 上世纪六十年代初期以前，线性调整器一直占据着电源市场的主要份额。线 性调整器由一个工作在线性区的晶体管与负载串联构成，结构简单，整个回路中 不存在开关损耗。但是，线性调整器效率低，只能降压，输出与输入之间有公共 部分，且其初始直流输入电压一般由工频变压器次级整流获得，而工频变压器的 体积和重量限制了它的推广应用【l 】。 上世纪六十年代初期，p w m 技术的出现极大地改变了直流变换器的设计 方式，不仅降低了开关电源的体积和重量，还提高了电源的功率因数和效率，很 快就取代了线性调整器的位置。 上世纪六七十年代是半导体技术飞速发展的时期，新的功率器件不断涌现， 如门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力双极型晶体管( b j t ) 、电力场效应管 ( m o s f e t ) 等全控型器件，以及在八十年代异军突起的绝缘栅极双极型晶体管 ( i g b t ) 。这些器件不仅可以工作在更大的电压电流定额下，而且开关速度得到 了极大的提高。同时，非晶、微晶磁芯和高频铁氧体等磁性材料的研究也取得了 进展【2 】。因此，开关电源可以工作在越来越高的频率，从而使开关电源向着高频 化、小型化、高功率密度的方向发展【3 j 。 开关电源的高频化也会带来一些问题。由于开关器件不是理想化的，在其开 频变压器的漏电感和串接的换向电感作为谐振元件，谐振电感对功率开关管两端 的输出电容充放电，使开关管两端的电压下降为零，从而有效地降低了电路的开 关损耗和噪声干扰【6 】【7 1 。移相全桥软开关p w m 变换器也存在一些问题：1 、输出 整流管上存在电压尖峰和电压震荡；2 、在电路的续流期间环流比较大；3 、副边 存在占空比丢失的问题；4 、无法在整个负载范围内实现所有器件的软开关。为 了解决这些问题，很多学者正在进行相关的研究，并提出了一些方案。到上个世 纪末，已经有很多成功的商业应用了。然而，要想实现更高频率级别软开关电源 的实用化，仅依靠电路的开发是很困难的，还需依靠电力电子器件性能的改善、 器件封装技术的提高等。虽然，软开关的研究已经进行了将近四十年，但仍有继 续研究的现实意义。例如，新型开关器件的出现及开关器件性能的改善，需要研 究最佳的软开关变换器电路，对于过去已开发而未得到应用的电路，在新的条件 下，应用于高频软开关技术的可能性也要重新评估【4 】。 开关电源中的谐波问题也是人们比较关注的。开关电源直接接入电网的应用 已经很普遍，特别是在离线式应用中。开关电源中用到了很多非线性的器件，如 功率开关管，如不进行功率因数校正，开关电源输入电流将发生严重的畸变，谐 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 波含量非常大，功率因数不能满足要求，对电网的污染比较严重【8 】。随着用电设 备越来越多，谐波问题已引起了越来越广泛的关注，在开关电源中使用功率因数 校正技术是一个有效的解决谐波问题的方法。 最先通过在电路中加大电感和大电容来实现功率因数校正，称为无源功率因 数校正。这种方法电路简单、实现容易，但也存在只能固定地补偿无功、对负载 变化的适应性差、滤波器的体积和重量较大等明显的不足【9 1 。 有源功率因数校正技术是解决开关电源谐波问题的最佳方法。通过在电路中 引入电流反馈，把输入电流的波形从窄脉冲变为接近于正弦波，有源功率因数校 正电路能实现输入电流的波形跟踪输入电压的波形，并维持直流输出电压的稳定 【l o 】 o 晶闸管在早期的有源功率因数校正电路中应用十分广泛。有源功率因数校正 技术在上世纪七十年代末进入了飞速发展的时期，从此跨入了现代有源功率因数 校正技术的时代。这一时期在有源功率因数校正技术上取得了很多的研究成果， 加上可以工作在更高的开关频率，此时有源功率因数校正电路已具有体积小、重 量轻、效率高、功率因数接近于1 等优点。 这个时期的有源功率因数校正技术是基于b o o s t 变换器的，且b o o s t 变换器 工作在连续导通模式( c c m ) 下，大多采用“乘法器 原理来实现其控制。连续导 通模式下的功率因数校正技术传输的能量比较大，但因为这种方式比较复杂，不 太适用于大量应用的2 0 0 w 以下的中小功率容量的电源。8 0 年代末提出了利用 工作在不连续导通模式( d c m ) 下的变换器进行功率因数校正的方法，其输入电流 的波形自动跟随输入电压的波形，可自动实现功率因数近似为1 。这种方法的控 制比较简单，但一般不能应用于功率较大的场合【9 j 。 有源功率因数校正技术在九十年代进入了全新的发展阶段，p e s c 在1 9 9 2 年设立单相功率因数校正专题更被看作是有源功率因数校正技术发展史上的一 座里程碑【1 0 】。近年来，一些新的控制算法被应用于有源功率因数校正电路的控 制，如单周期控制、滑模控制、模糊控制和神经网络控制，同时功率因数校正原 理和拓扑结构等方面也有一些进展【l l 】【1 2 】。以前提出的基于b o o s t 变换器的有源 功率因数校正电路的结构分为两级，前一级主要实现功率因数的校正，后一级主 要提供一个稳定的输出给负载。这种校正电路的校正效果是比较理想的，但存在 元件多、费用高、电路效率低等问题。 为解决两级有源功率因数校正电路存在的问题，近十多年中提出了很多单级 功率因数校正电路，希望将功率因数校正级和功率变换级结合到一起，能量只被 处理一次，用一个控制器就能同时完成输入功率因数校正和输出电压调节【1 3 】【1 4 】。 但这种电路的输入电流不是非常接近正弦波，还有待进一步研究。 电子、计算机、电视等行业，取得了较好的效果。工作频率为10 0 k h z 2 0 0 k h z 的 高频开关稳压电源于8 0 年代初期就已开始试制，9 0 年代初期试制成功，并已进入 实用阶段。 3 ) 大发展阶段( 1 9 9 0 年至今) 这一阶段，国际上在电源领域的研究日新月异，而我国的电源行业也取得了 很大的发展。邮电、铁路、电力、高等院校、研究所、军工系统等都有电源的开 发和生产，电源企业大量涌现，出现了一批产值过亿，甚至过十亿的企业【1 5 】。 纵观我国电源行业和技术的发展，虽实现了从无到有，并取得了可喜的成就， 但与一些先进国家相比仍有较大的差距。 在我国电源行业的大发展阶段，国内电源市场巨大的商机也吸引了国外大批 的公司。它们大多通过在中国设厂，降低生产和运营成本，占据了较大的市场份 额。经过多年的发展，国内电源行业生产规模不断扩大，技术不断提高，国产产 品已快速地将中小功率模块电源市场夺回。但在同步整流、软开关、有源钳位、 平面变压器等高端技术方面，由于成本高、工艺复杂、配套能力差、行业认可度 低等原因，离在产品中大规模的应用还有一段距离。因此，在未来几年内，2 0 0 w 以上功率模块电源的市场份额仍将可能以国外产品为主导【1 6 1 。 目前，我国电源企业所面临的问题主要有： 1 、数量虽多，但规模都比较小。电源种类多、应用广、投资小，各种档次 4 中南大学硕士学位论文第章绪论 的产品都有一定的生存空间，所以电源的生产企业数量多，但大部分是中小企业 1 5 1 o 2 、布局分散，无法形成整体优势。由于电源应用领域广，所以很多行业都 有电源的生产商和研究机构，资金、技术分散，无法形成整体优势【1 5 】。 3 、市场竞争大目前，国外著名的电源厂商都已在我国建厂。另外，台湾 地区电源产品大部分已转移到东南亚和大陆。外商产品已占领了通信电源、不间 断电源( u p s ) 、变频电源等市场的大部分份别1 6 1 。 面对挑战，我国电源厂商只有以积极的态度去面对，努力扩大生产规模，降 低生产成本，提高管理水平，培养专业的技术队伍，提高自身竞争力，才能满足 市场快速变化的要求。 1 4 开关电源的研究热点 开关电源从诞生之日起就一直处在不断的发展中，目前在开关电源领域出现 了很多新的研究热点。下面介绍几个主要的最有发展前景的研究热点。 l 、电力电子器件 电力电子器件是开关电源乃至整个电力电子行业不断发展的基础，其发展水 平制约着开关电源以及整个电力电子行业的发展，所以电力电子器件的研究一直 是电力电子行业的研究热点。各半导体厂商一直在提高原有器件的性能和开发新 的器件，并取得了一些成果。 i g b t 刚面世时，其电压电流定额都很低，只能到达6 0 0 v 、2 5 a 。经过不断 的研究和改进，现在i g b t 的电压、电流定额已经可以分别达到4 5 0 0 v 、1 8 0 0 a ， 高压i g b t 单片耐压已经能够达到6 5 0 0 v t l 。7 1 。i g b t 的工作频率一般只能达到 2 0 k h z - 4 0 k h z ，采用穿通型结构制造的i g b t ，其工作频率可达到1 5 0 k h z ( 硬开 关) 和3 0 0 k h z ( 软开关) 。i g b t 技术的进展实际上是快速开关、通态压降和高 耐压值三者间的综合考虑。随着工艺和结构形式的不同，i g b t 在二十年发展进 程中，有以下几种类型：穿通型、非穿通型、软穿通型、沟漕型和电场截止型【l 7 1 。 i n f i n e o n 公司于1 9 9 8 年推出了一种基于“超级结”结构制成的冷m o s 管， 其工作电压可达到6 0 0 v - - 8 0 0 v ，而且其通态电阻降低了差不多一个数量级，仍 保持开关速度快的特点，是一种发展前途很好的高频功率半导体器件【1 7 1 。 近年来，人们在新材料的研究中发现，砷化镓、碳化硅、磷化铟及锗化硅等 新型化合物材料具有半导体的特性，而且在某些方面的性能比传统半导体材料还 要好，用这些材料制成的新的电力电子器件正在不断涌现，下面以碳化硅为例进 行介绍。 碳化硅是现在发展得最成熟的宽禁带半导体材料，可制作出性能更加优异的 5 子交换系统、通讯系统等的电源，其优点是：可实现d c d c 变换器组件模块化； 可采用n + i 冗余方案，提高系统可靠性；易于扩增负载容量；可降低母线上的电 流和电压降；容易做到热分布均匀、便于散热设计；瞬态响应好；可在线更换失 效模块等啪1 。 4 、数字控制技术 传统的开关电源中使用的主要是模拟控制，其性能受到很多的限制。近几年 来，国外的i c 厂商已经生产出了很多可用于高频开关电源控制的高性能数字信号 处理器，价格也已降到可以接受的水平。 数字控制是开关电源一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应 用。数字控制的优点有：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片 价格也更便宜；可以对电流检测误差进行精确的数字校正，电压检测也更精确； 可以实现快速、灵活的控制设计。但数字控制技术在开关电源中的应用还不是很 成熟【2 1 】【2 2 】。 5 、电力电子集成技术 开关电源的特点是：非标准件多、设计周期长、成本高、可靠性低、工作量 大等，而用户要求厂商生产的电源产品要实用、可靠性要高、体积重量要小、成 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 本要低。这使电源厂商迫切需要开展集成电源模块的研发，实现电源产品的模块 化、标准化、可制造性、规模生产、降低成本等【4 】。 近几年，单片开关电源以其集成度高、性价比高、外围电路简单、性能指标 高等特点，已成为中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集 成电路。 系统集成的设计观念，随着大规模分布式电源系统的发展而被推广到更大容 量、更高电压的电源系统，出现了集成电力电子模块。集成电力电子模块将功率 器件与电路、控制以及检测等元件封装在一起，得到标准的，可制造的，既可用 于标准设计，也可用于专用、特殊设计的模块，可快速高效为用户提供产品，显 著降低成本，提高可靠性【4 j 。 总之，电力电子集成技术是当今国际电力电子界的研究热点之一。 1 5 论文的主要研究内容 本文的主要目标之一是设计一款通讯用的输出可达到1 2 0 0 w 的离线式开关 电源模块，开关频率可达到1 2 0 k h z ，同时对有源功率因数校正、移相全桥、数 字控制等关键技术进行了深入的研究，并提出了一种新的移相全桥软开关变换器 拓扑。 移相全桥软开关变换器以其电路结构和控制方式简单，容易实现软开关等优 点成为了在大中功率场合下研究和应用最多的一种拓扑，但也存在一些缺点，如 占空比丢失、续流期间环流过大、输出整流二极管上存在电压振荡和电压尖峰等。 本文在已有的研究成果的基础上，提出了一种的新的移相全桥z v sp w m 变换器拓 扑结构，能够解决传统的移相全桥变换器输出整流二极管上存在的电压振荡和电 压尖峰，最大限度地减少了占空比的丢失，并减少了在续流期间变换器的损耗， 提高了整个变换器的性能。 本论文的主要内容如下： 第一章首先介绍了论文选题的意义，然后在查阅了大量文献的基础上对国内 外开关电源技术的发展、我国电源行业的发展和面临的挑战和目前在开关电源领 域中出现的新的研究热点进行了介绍。 第二章先介绍了各种功率因数校正技术的原理、优缺点和应用场合等内容， 然后以t i 公司最新推出的u c c 2 8 0 1 9 作为有源功率因数校正电路的控制器，设计 了一个可用于1 2 0 0 w 开关电源中的有源功率因数校正电路。 第三章是本文的重点，在研究已有成果的基础上，提出了一种新的移相全桥 软开关p w m 变换器。为了证明其优越性，进行了详细的理论分析、对比研究和 仿真实验。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第四章在前面所进行的研究的基础上设计了一款通讯用的1 2 0 0 w 的离线式 开关电源模块，并阐述了详细的设计过程。 第五章首先介绍了开关电源的数字控制技术和本文设计的开关电源中用到 的数字信号处理器，然后详细设计了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的双电源供电电路，对移相 全桥功率开关管控制信号的生成的原理进行了深入的研究，并建立了移相全桥软 开关变换器的数学模型，在此基础上设计了一个模糊自适应p i d 控制器，并通过 相关的m a t l a b 仿真，与传统的p i d 控制器进行了比较，证明了模糊自适应p i d 控制 器能获得更好的控制性能。 第六章对全文的工作进行了系统的总结。 8 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 第二章功率因数校正技术 功率因数校正技术的出现极大地促进了开关电源的发展。它不仅可以消除输 入电流中因非线性器件而产生的谐波电流、提高整机的功率因数，同时还可以提 高开关电源整机的效率。现在，功率因数校正技术仍然是开关电源领域中的研究 热点之一，本章将对功率因数校正技术进行研究。 2 1 概述 开关电源一般直接通过电网的交流市电供电。输入的交流市电经过整流电路 整流和电容滤波后，得到的是一个比较平滑的直流电压，然后经d c d c 变换后得 到一个与负载相匹配的直流电压。但是在这个过程中，只有当输入电压的绝对值 大于滤波电容上的电压值时，才有电流从电网流向滤波电容和负载，输入电流失 真很严重，功率因数一般只能达n o 乱0 7 ，输入总谐波的失真率可达1 0 0 1 3 0 。 开关电源的谐波含量大、功率因数低会造成很严重的影响。例如，大量的谐 波电流流入电网，会对电网造成污染，不仅会造成二次效应，即电流流过线路阻 抗造成谐波电压降，使电网电压发生畸变，还有可能会造成电路故障、损坏电力 设备、降低供电系统的功率因数、增大系统的供电量和干扰仪器、仪表、计算机 的正常工作等【4 1 。随着电力电子设备总的容量不断地扩大，造成的影响越来越严 重，谐波问题己引起了人们的广泛关注。为了治理谐波，许多国家制订了相应的 谐波管理标准，通过立法来限制高次谐波。国际电工委员会于1 9 9 8 年对谐波标准 i e c5 5 5 2 迸行了修改，另外还制定了新的谐波标准i e c6 1 0 0 0 3 2 。我国也在1 9 9 3 年颁布了g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波 1 0 l 。 这些规定的主要目的在于： ( 1 ) 对用电设备输入电流中的谐波电流进行严格的限制，减少其对电网的 污染和对其他用电设备的影响，同时还规定未达到该标准要求的产品不准进入市 场【1 0 】； ( 2 ) 减小电网和电力设备因谐波电流造成的不必要的损耗，提高电能的利 用效率。 由于有关标准的强制规定、研究人员的不懈努力、采用功率因数校正技术带 来的效益和性能的提升，功率因数校正技术得到了不断的发展和广泛的应用。 9 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 2 2 功率因数校正的方法 功率因数校正是在校正电路中引入一个电流反馈，使交流输入电流的波形跟 随交流输入电压的波形，即使输入电流和输入电压同相位，达到提高功率因数的 目的。 功率因数的定义为f = y c o s t p ，其中f 是功率因数，y 是输入电流的基波因 数，妒是输入电流中基波与输入电压的相位差。因此，可通过两个途径去提高功 率因数： ( 1 ) 使输入电压和输入电流基波的相位相同，即够= 0 ，从而c o s ( a = 1 ， f = y ； ( 2 ) 使输入电流的有效值与其基波电流的有效值相等，即正弦化输入电流， 使肿k = 1 ，f = c o s 【。 从上述两个途径就可实现功率因数为l 的目标，即f = y c o s 簟o = l x l = l 。 根据用到的器件的不同，功率因数校正技术可分为无源和有源功率因数校正 技术两种。 2 3 无源功率因数校正技术 无源功率因数校正技术利用无源器件来进行功率因数校正、降低谐波含量， 其电路结构如图2 1 所示。无源功率因数校正电路有电路结构简单、成本低廉、 可靠性高、e m i 小等特点，且在简单无失真的电抗负载情况下能工作得很好，不 需要的电抗部分可用大小相等、极性相反的电抗来抵消掉【1 0 】。 - i 2、 i i + c 1 = = c o ： l l v 州丰 i _- - z i2i 图2 - 1 无源功率因数校正电路 但是无源功率因数校正技术应用的灵活性非常差，并且不能滤除由非线性器 1 0 有源功率因数校正的基本思路是：交流输入电压经全桥整流后，再进行 d c d c 变换，通过适当的控制使有源功率因数校正电路的输入电流的平均值自 动跟随整流后的电压波形，使输入电流波形正弦化，同时保持输出电压稳定在预 定值f 2 3 】。 有源功率因数校正技术是目前抑制电流谐波、提高功率因数的最佳方法，其 原理框图如图2 2 所示。 因为要同时控制输入电流和输出电压两个量，所以有源功率因数校正电路一 般都是一个双闭环的系统：内环为电流环，使电路的输入电流波形与全桥整流电 压波形相同；外环为电压环，使d c d c 变换器输出稳定的直流电压。相对无源 功率因数校正技术，有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率 因数高等诸多优势。随着功率半导体器件的发展，有源功率因数校正技术的应用 将更加广泛【1 3 】。 2 4 1 有源功率因数校正电路的拓扑结构 在进行有源功率因数校正时，主要是通过d c d c 变换来提高输入电流的功 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 率因数，同时保持输出电压稳定在预定值1 9 。d c d c 变换的基本拓扑结构有很多 种，如b u c k 型、b o o s t 型、c u k 型、f l y b a c k 型等。其中，b u c k 型的功率开关管 直接接在整流桥的输出端，功率开关管的噪声将直接影响电网，给滤波带来了很 大的困难。而且，以m o s f e t 为例，其源极的电位是浮动的，所以其驱动电平 也是浮动的，使得驱动电路复杂，所以较少使用。c u k 型有两个功率开关管，且 有一个功率开关管与b u c k 型一样，所接电位是浮动的，使得驱动电路复杂。 f l y b a c k 型中的功率开关管承受很高的电压应力和电感峰值电流，适用的功率场 合一般比较小1 1 0 1 。b o o s t 型结构简单，方便使用电流进行控制，可在一定的电压 输入范围内保持较高的功率因数，是一种常用的拓扑，其基本结构如图2 3 所示。 输入的交流市电经二极管整流后得到半波正弦信号，之后送至升压变换器。升压 变换器由升压电感、功率开关管、续流二极管、输出电容和功率因数校正器等组 成。通过控制功率开关管的通断，使交流输入电流跟随交流输入电压，成为近似 同频同相的正弦波，从而实现功率因数近似等于1 t 1 0 1 。 图2 - 3b o o s t 型有源功率因数校正电路的基本结构 b o o s t 型有源功率因数校正电路有以下特剧8 j ： ( 1 ) 电路中有升压电感，对输入滤波器的要求比较低，并可防止电网中浪 涌电流对主电路的瞬态冲击； ( 2 ) 工作在连续电流模式，对电网的电磁干扰相对来说比较小； ( 3 ) 输出电压大于输入电压的峰值； ( 4 ) 开关器件所承受的电压应力不超过输出电压的值，且开关管的源极( 或 双极晶体管的发射极) 所接的电位是固定的，因此开关管的驱动电路比较简单； 1 2 中南人学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 ( 5 ) b o o s t 电路能在相关标准规定的输入电压和频率的变化范围内正常的工 作。 b o o s t 型有源功率因数校正电路可以看作是一个两级结构。其中，b o o s t 变 换器是第一级，主要完成提高输入功率因数并抑制输入电流谐波的功能，d c d c 或d c a c 变换器是第二级，主要任务是调节输出，以便与负载匹配。由于两级 分别有自己的控制环节，因此电路的性能能很好地满足要求，但其电路结构较复 杂，成本也较高f 2 4 】。 近年来，为了追求低成本、高性能，同时又满足谐波限制标准的a c d c 变 换器，特别是在小功率场合，单级功率因数校正电路的概念被提出。单级功率因 数校正电路的基本思想是将p f c 级和d c d c 级合二为一，两个变换器共用一个 开关管和一套控制电路，同时实现输入电流整形、输出隔离和输出电压快速调节 等功能。单级功率因数校正电路的功率因数校正变换器不被控制，电路本身应该 具有能使输入电流波形完全或部分的跟随输入电压波形的功f i e , 1 4 】。b o o s t 、 b u c k b o o s t 、s e p i c 、c u k 、z e t a 等变换器，在占空比固定并且工作在d c m 模式 时，具有固定的功率因数校正功能。为了简化电路，大部分的单级功率因数校正 变换器的功率因数校正部分都采用工作在d c m 模式的b o o s t 或b u c k b o o s t 变换 器来实现输入电流的波形自动跟随输入电压的波形。尽管单级功率因数校正变换 器的性能不如两级功率因数校正变换器好，但在要求不是很高的场合，还是能够 满足要求i l4 。 2 4 2b o o s t 型有源功率因数校正电路的控制策略 根据选取的反馈信号的不同，b o o s t 型有源功率因数校正电路的控制方式， 可分为电压控制和电流控制两种模式。电压控制模式是一个单闭环的电压控制系 统，只有一个反馈环路，系统响应慢，很难达到较高的精度。电流控制模式与电 压控制模式相比，多了一个检测电流、具有逐周期限流功能的电流内环。与电压 控制模式相比，电流控制模式具有较好的电源电压和负载调整特性、响应速度快， 因此应用也比较广泛。 根据升压电感上的电流是否连续，b o o s t 型有源功率因数校正电路的工作模 式可分为连续导通( c c m ) 、临界导通( 刑) 和不连续导通( d c m ) 三种模式 2 4 1 ，图2 - 4 为各种模式下电感电流的波形。 ( 1 ) 采用连续导通模式的功率因数校正电路的电感电流波形如图2 4 a 所示， 其主要特点为：电流纹波较小，滤波容易，适用于大功率场合，但功率器件和续 流二极管工作在硬开关状态，开关损耗大，尤其是在续流二级管有较大反向恢复 电流的情况下【2 4 j 。 利用d c m 模式进行功率因数校正的方法是根据某些d c d c 拓扑具有电压 “跟踪”特性，控制开关管的导通方式，使输入电流平均值跟踪输入电压，达到 功率因数校正的目的。 在连续导通模式中，按照反馈量是否直接选取电感的瞬态电流，电流控制可 分为间接和直接电流控制两种。在直接电流控制中，按照检测电流不同，又分为 峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制三种【l o j 。 ( 1 ) 滞环电流控制是检测升压电感上的电流，当升压电感上的电流上升到 一定值时，功率开关管导通，下降到一定值时，功率开关管截止。开关管的导通 和截止的控制采用的是p f m 控制方式。 ( 2 ) 平均电流控制是开关电源和电子镇流器中用得最多的一种方法，有 t h d 值小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，有恒定的工 作频率，输入电压可以调节。其缺点是控制电路比较复杂，需要增加电流误差放 大器，且外围器件的参数计算和选型也较为复杂i l o l 。 ( 3 ) 峰值电流控制是检测峰值电流，开关频率恒定。因为只有稳定的工作 频率才能有效地、快速地检测出峰值电流，并将检测到的峰值电流均化后，再用 来控制开关管的导通和截止，对输入电流进行调节，使其波形跟随输入电压的波 1 4 中南大学硕士学位论文 形，从而提高功率 行斜坡补偿【1 0 1 。 2 5 有源功率因数校正电路的设计 为使控制电路简单化、小型化，并且具有高的可靠性，已经有很多的i c 厂 家生产出了各种不同性能和用途的专用功率因数校正控制芯片，如德州仪器 ( t i ) 、安森美、国家半