（电力电子与电力传动专业论文）apfc开关电源模糊控制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h ec o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c se q u i p m e n t s ，t h e p r o b l e mo fm a i n sh a r m o n i ca n dp o l l u t i o nb e c o m e sm o r ea n d m o r es e r i o u s ， w h i c hc a u s e si n c o n v e n i e n c eo ft h ei n d u s t r y p r o d u c t i o n a n d s o c i e t y l i f e e l i m i n a t i n gh a r m o n i c sa n di n c r e a s i n gp o w e rf a c t o rh a sb e e nb e c o m i n g ah o t t o p i c b o t hi n p o w e r e l e c t r o n i c s a n di nt h e s o c i e t y a s w e l l p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ( p f c ) i sas t a t e - o f - a r tt e c h n i q u e f o rr e d u c i n g h a r m o n i cd i s t o r t i o na n di n c r e a s i n gt h ep o w e rs u p p l yn e t w o r ke f f i c i e n c y p o w e r - f a c t o r ( p f ) i so n eo ft h eq u a l i t yi n d i c e so fe l e c t r i ce q u i p m e n t ，a n dt h e a c t i v e p o w e r f a c t o r - c o r r e c t i o n ( a p f c ) t e c h n i q u ei s t h ef u n d a m e n t a lw a yt o i m p r o v ei t i na c c o r d a n c ew i t ht h en o n l i n e a ra n dt i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e a p f cs y s t e m ，t h i st h e m er e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o li nt h e a p f cs y s t e m a c c o r d i n gt ob o o s tc i r c u i tw i t c hp o w e ri s1 0 0 0 w , t h i st h e m e d e s i g n saf u z z yp ic o n t r o l l e r a n dt h e n ，t h ef u z z yp ic o n t r o l l e ri sa p p l i e dt h e s y s t e mo fa p f c a f t e rs i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o l l e ri sb e t t e r t h a np i dc o n t r o l l e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lt e c h n i q u e ，m o r ea n dm o r ec o n t r o l a l g o r i t h m sc a nb ei m p l e m e n t e di np o w e re l e c t r o n i c sb yt h ed i g i t a lc o n t r 0 1 t h e m e r i t so fd i g i t a lc o n t r o l ：s i m p l eh a r d w a r e ，n ot e m p e r a t u r ed r i f t ，f l e x i b l ec o n t r o l a n de a s yt or e a l i z ea d v a n c e da r i t h m e t i ce t c ，m a k ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u et ob e u s e di np o w e rs u p p l ym a n u f a c t u r et ol e ti tm o r ec r e d i b l ea n de a s i e rt or e a l i z ei n b a t c h e sw i t hl o w e rc o s t s i nt h ec u r r e n ti ti sp o p u l a rt ou s ed i g i t a lc o n t r o li n s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yd e s i g n t h e r e f o r e ，f o rr a i s es w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dc o n t r o la c c u r a c y ，t h i sp a p e r p r e s e n t sam e t h o do fd e s i g n i n gf u z z yc o n t r o l l e ro fa p f cs w i t c h i n gp o w e r s u p p l yu s i n gf p g a a na p f cs y s t e m i sd e s i g n e d ，a f t e rc o m p u t a t i o na n d s i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sd e s i g nc a nr a i s eo b v i o u s l yt h ep o w e rf a c t o r o fs y s t e m ，a n dt h i sd e s i g nh a st h em a n ya d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，s i m p l e a l g o r i t h m ，r a p i dr e s p o n s e ，a n dh i g ha c c u r a c y f i n a l l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e dw i t hac o r eo fe p 1k 3 0 q c 2 0 8 s l u g k e yw o r d s ：a c t i v e - p o w e r - f a c t o r - c o 盯e c t i o n ；f u z z yc o n t r o l ；b o o s tc o n v e r t e r ； s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打搿4 一) 学位论文作者签名枷矿指导老师签砺纪钞 日期：2 厶矽， 日期：留仰廖幻 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文把模糊控制应用于有源功率因数校正电路中并提出了用f p g a 作 主控制器来控制a p f c 开关电源，设计出数字化控制器，实现了模糊控制算 法的硬件化。这将对a p f c 的发展起一定的积极作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、 交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波和无功问题也日 益严重，引起了越来越多的关注。 在现代的电子产品的应用中，电源是一个重要的组成部分，电源是利用 电能变换技术将市电或电池等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电 能的系统或装置。二十世纪八十年代以来，随着电力电子技术的不断发展， 越来越多的电力电子设备被广泛的应用到各种不同的领域，如照明、通讯、 交通运输、文化娱乐、工农业生产、国防建设等等，不管什么电子设备都离 不开电源，随着电子、功率集成、自动控制、材料、计算机、电磁兼容等技 术的发展，各种各样的开关电源得到越来越广泛的开发和利用。 图1 - 1 ( a ) 所示的是传统的不控二极管整流电路，交流电源经全波整 流后，一般接一个大电容器，以得到波形较为平直的直流电压。此电路是一 种非线性元件和储能元件的组合，因此，虽然输入交流电压是正弦的，但输 入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，如图1 - 1 ( b ) 所示。此电路对输 入电流进行整流滤波时，只在输入交流电压的峰值部分才有输入电流，导致 输入电流含有很大的电流谐波含量，严重干扰了电网，并且使输入端的功率 因数下降。 ： ( a ) 不控二极管整流电路( b ) 电压电流波形 图1 - 1 不控二极管整流电路及电压电流波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电力电子装置产生的谐波对公用电网产生的危害包括： 1 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电 设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火 、 灾。 2 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和 过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝 缘老化、寿命缩短以至损坏。 3 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 会使上述1 和2 两项的危害大大增加，甚至产生严重事故。 4 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量 不准确。 5 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量， 重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作哺1 。 不同的领域、不同的负载要求不同的电源装置，一个特定用途的电源应 当具有符合负载要求的性能参数和外特性，而且必须保证安全可靠。对于电 源，我们普遍关注的品质是高效率、高功率因数、低噪音。功率因数问题可 归结为电源谐波问题的一种，它早在二十世纪二十年代就已经提出了，但由 于当时的电源数量少它们的谐波干扰也小，未能引起普遍关注。随着电源技 术的发展，无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标成为热门话题， 为了减少电子设备对交流电网的谐波污染，越来越多的国家对用电设备的输 入电流谐波含量加以限制，提出了不少限制输入电流谐波的标准，如 i e c 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 、i e c l 0 0 0 3 2 等。其中i e c 5 5 5 2 标准自1 9 9 4 年起 已在欧盟国家全面实施，从1 9 9 4 年1 月开始，美国、欧洲、日本相继禁 止没有进行高频电流抑制和功率因数改善的供电系统进入市场，并对高次谐 波电流和功率因数制定了相关的国际标准憎。这样就使世界各国的电源开发 机构投入大量的人力和物力来研究这一课题。 1 2 功率因数校正技术 1 2 1 功率因数校正技术的发展 传统的功率因数概念是在线性负载( 如电阻、电感等) 条件下得到的， 这时，交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波，相位差为，功率因数 为p f - - c o s 中。最早由于使用大量交流电动机和各种电磁开关以及照明用电 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 大量使用日光灯等感性负载，对于功率因数校正技术的研究，人们通常在感 性负载两端并联移相电容，用容性无功功率补偿感性无功功率。 进入上世纪8 0 年代以来，电力电子设备中开关电源，相控整流器等非 线性负载大量投入使用，给p f c 技术提出了新的问题，人们最初采用电感器 和电容器构成无源网络进行功率因数校正，能使p f 值提高到约0 9 。随着 功率半导体器件的发展，有源功率因数校正( a c t i r ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n 简写为a p f c ) 技术应运而生。1 9 8 6 年美国颁布l ：功率因数等于 1 的电源的专利，这是最早的较为完整的升压式p f c 电路。8 0 年代是现代 功率因数校正技术发展的初级阶段，此间的研究工作主要是基于b o o s t 变换 器，工作方式围绕连续导电模式或不连续导电模式的理论研究。 进入9 0 年代以后，p f c 技术取得了长足的进展。有关论文不断出现， 1 9 9 2 年以前p e s cr e c o r d s ( i e e e 电力电子专家会议论文集) 上有关功率因 数校正技术的报道很少，自1 9 9 2 年起，p e s c 设立了单相功率因数校正技术 专题，这被看作是单相有源功率因数校正技术发展的里程碑。从此，不断有 新颖的功率因数校正原理、拓扑结构及控制方法出现。有源p f c 控制器由分 立电路发展到集成电路，p f c 技术由理论研究也逐渐发展到实用化，已有部 分商业化产品出现。 我国p f c 技术研究起步较晚，但目前仍取得不少进展。1 9 9 4 年有关学 会组织了p f c 技术的专题研讨会。小功率带p f c 的开关电源也开始进入了实 用阶段，个别单位开始小批量生产，其p f 值达到0 9 9 ，t h d 8 。我国从 1 9 9 4 年3 月开始执行国家标准g b t 1 4 5 9 4 - 9 3 电能质量公用电网谐波，但 对于功率电子工作者，能使所有的电力电子装置都带p f c ，任重而道远。 1 2 2 功率因数校正技术的概述 功率因数可以用p f ( p o w e rf a c t o r ) 表示。 定义： p f 有功功率伏安= p v i( 1 - 1 ) 设a c d c 交流电路的输入电压v i ( 有效值v ) 为正弦，输入电流为 非正弦，其有效值为： i = 1 1 2 + 1 2 2 + + i n 2 + ( 卜2 ) 式中，1 1 ，i ：，i n 分别为电流基波分量、二次谐波、r 1 次谐波 电流的有效值。 设基波电流i ，落后电压v ，相位差为a 。则有功功率和功率因数可表 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 示为： p = v i l c o sq( 1 - 3 ) p f = v i l c o sq v i = i lc o sq i( 卜4 ) 式中 i l i = 1 1 1 1 2 + 1 2 2 + + i n 2 + ( 卜5 ) 式( 1 - 5 ) 表示基波电流相对值( 以非正弦电流有效值i 为基值) ，称为畸 变因数，c o sa 称为位移因数，即功率因数为畸变因数和位移因数的乘积。 一般情况下，因为输入电压为标准正弦，如果能够控制输入电流同样为正弦 并且和输入电压同相，如图1 2 所示，那么我们可以认为功率因数p f l 。 ： 图1 - 2 功率因数为1 时，电压电流关系 由于功率因数并不能完全表征电流波形的畸变程度，因此需引入总谐波 畸变t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 。 t h d = i 。i l = 厄了再= i 丽 ( 1 6 ) i 。为所有谐波分量的总有效值。 由式( 卜5 ) ( 卜6 ) 可得畸变因数：i 。i = 1 “了而 当口= 0 时，p f = 1 1 i = 1 打而 ( 卜7 ) 由式( 卜7 ) 可以看出功率因数与t h d 值有着密切的关系，能够通过计 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 算t h d 值来反应功率因数的高低。当总谐波畸变t h d 5 5 时，功率因数p f 可控制在0 9 9 9 左右。 而要提高整流器的输入功率因数有两个途径：一是使输入电流正弦化， 二是使输入电流与输入电压同相位。提高功率因数最简单的方法是补偿法， 即如果电路是呈感性的，可用并联电容的方法；反之如果电路是容性的，可 用串联电感的方法去提高功率因数。例如：常用的照明日光灯，因为都有一 个大电感镇流器串在电路中，故电路呈感性负载，功率因数在0 5 左右。若 并联上一个容量适当的电容器，可提高功率因数到o 9 5 以上。在日光灯转 换能量所耗有功功率不变的情况下，减少了在传输线上通过电流，大大节约 了电能。 随着非线性设备的大量运行，对公共电网污染影响越来越严重，如何消 除和抑制对公共电网的污染，已成为当今世界的重要研究课题，目前已广泛 使用的抑制谐波电流的主要方法有以下几种： 1 多脉整流：改单相整流为多相( 比如三相) 整流，提高基波频率并降低 其幅值，同时可以利用变压器绕组的不同接法对各次谐波电流移相，使 某次谐波( 通常是最大的) 在变压器次级反相侧相互叠加而抵消。这种 方案在变压器有平衡负载的情况下，对减少输入端的低次谐波是有效 的。 2 无源功率因数校正法：这种方法是在输入端加入电感很大的低频电感， 以减少滤波电容充电的尖峰电流，增加二极管的导通时间。这种方法对 抑制高次谐波很有效，方法简单，成本低，可靠性高。但滤波设备体积 庞大，提高功率因数的效果也不很理想( 通常功率因数可达0 8 5 ) 而且 运行情况受系统阻抗的影响，若不使用调谐电抗器，很可能会与系统电 抗产生并联谐振。但由于结构简单，目前仍有使用。 3 有源功率因数校正( a p f c ) 法：它利用有源开关式 c d c 变换技术，在 整流器和滤波电容之间增加一个d c d c 开关变换器，直接使输入电流成 为与电网电压同相位的正弦波，提高p f 和抑制谐波。由于方案中应用 了有源器件，故称为有源功率因数校正，简称a p f c 。这种方法对技术要 求较高，但功率因数校正效果好，在理论上可将功率因数校正到0 9 9 以上；总谐波畸变小；可在较宽的输入电压范围和频率范围下工作；体 积、重量小；输出电压可保持稳定，可以为后一级电路产生稳定的直流 电压。故目前这种技术已广泛应用于u p s 电源、电子镇流器、电机驱动 电源、程控交换机电源等哺1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 3 无源功率因数校正技术 最早p f c 技术是采用电感器和电容器构成的l c 无源滤波网络进行功率 因数校正的。最简单的无源功率因数校正变换器是在二极管整流桥后添加电 感器或是在整流桥前增加l c 滤波网络。如需进一步改善输入电流波形，可 将滤波电容加在整流桥后，这时的二极管的导通角增大，从而使输入电流波 形得到进一步改善u 引。 无源p f c 技术的主要优点是：电路简单，工作可靠、高效，电磁干扰( e m i ) 小、低价格。然而，无源方案的主要缺点是：由于l c 是低频滤波电感和滤波 电容，因此滤波电感和滤波电容的值较大，因此体积较大，电路往往较笨重， 而且难以得到高的功率因数( 一般可提高到0 9 左右) ，输入谐波电流的抑制 效果也不是很好。另外，如果电源对保持时间( h o l d - u pt i m e ) 有要求，由于电 容电压的变化范围大或当电网掉电时，需要增加电容值来满足保持时间的要 求。所以在实际应用中还受到体积、重量、性价比等各种因素的限制，目前 主要在电力系统中有些应用u 。 1 2 4 有源功率因数校正技术 有源功率因数校正技术是通过控制开关元件，切换滤波电感和滤波电容 充放电能量实现功率因数的提高。早期的有源功率因数校正电路是晶闸管电 路，进入7 0 年代后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进， 到了8 0 年代，现代有源p f c 技术应运而生。9 0 年代以来，有源p f c 技术更 是取得了长足的进展。由于变换器工作在高频开关状态，这种有源功率因数 校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数接近1 等优点哺。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 - 3a p f c 系统简图 如图卜3 所示，有源功率因数校正的基本思想是：将输入交流电压进行 全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入d c d c 变换，通过适当控制( 即 脉宽调制p 删) 使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，即将输入电流 校正为输入电压同相位的正弦波，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现稳压输出 和单位功率因数输入，使p f 提高到近似为1 0 。a p f c 技术适应了电力电子 技术的发展方向。从不同的角度看，a p f c 技术有多种分类方法。按电网供 电方式可分为单相a p f c 电路和三相a p f c 电路；从控制方法来分，a p f c 电 路可以采用脉宽调制( p w m ) 、脉频调制( f m ) 、单环电压反馈控制、双环电 流闭环控制、电压电流双闭环控制等多种控制方法。 实现功率因数校正的电路有多种多样，一般认为有两种基本的有源功率 因数校正技术，一种是变换器工作在连续导电模式的“乘法器 型，另一种 是变换器工作在不连续导电模式的“电压跟随器”型。 1 乘法器功率因数校正技术 在2 0 世纪8 0 年代中期，功率因数校正器的研究以乘法器方式为主，以 b o o s t 拓扑为主回路的p f c 电路基本原理如图1 - 4 所示，该方法是将输入电 流、电压、输出电压等反馈信号通过乘法器进行函数处理后来控制瞬时开关 电流，使电流等效值与输入电压信号成正比，从而达到功率因数校正的目的。 图中b o o s t 变换器工作在连续导电模式，其电感电流就是输入电流。 p f c 控制电路主要由电压误差放大器、电流误差放大器、乘法器和p w m 驱动组成。控制的目标是使输入电流紧密地跟随输入电压的变化，并使输出 纹波尽可能的小。为了使输入电流跟随输入电压的变化，控制电路对输入电 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 压波形采样，采样信号作为乘法器的一个输入；为了保持输出电压稳定，输 出电压经分压、比较和误差放大后作为乘法器的另一个输入，于是乘法器的 输出具有输入电压的形状且其幅值由输出电压控制。乘法器的输出作为输入 电流的基准信号，采样输入电流和这个基准比较，经误差放大后输入p w m 比较器，p w m 输出驱动波形控制变换器工作。 u o 图1 - 4 典型的乘法器方式p f c 电路 ， 电压、电流双闭环反馈控制的结果是输入电流的平均值与输入电压成 正比，从而达到较高的功率因数。输入电压、电流波形如图1 - 5 所示。为了 理解方便，图中的纹波电流被放大，而实际的p f c 变换器工作频率很高，电 流折线是看不出来的。 u ji 0 t 图1 - 5 乘法器p f c 电路输入电压、电流波形 采用乘法器的p f c 电路，其中特别是b o o s tp f c 电路，是2 0 世纪8 0 年代出现的应用广泛的p f c 电路。它的显著特点是电路工作在连续导电模 式、功率因数校正电路可以获得较大的功率转换容量，是一种技术比较成熟 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的p f c 电路，也是本论文采用的p f c 电路。 2 电压跟随器功率因数校正技术 为了研究适合2 0 0 w 以下小功率容量的p f c 电路，2 0 世纪8 0 年代末， 由d o s 、s d f r e e l a n d 首先提出了利用不连续导电模式进行功率因数校正的 概念，出现了电压跟随器p f c 技术。“电压跟随器 ( v o l t a g ef o l l o w e r ) 这 个词是首先由k h l i u 应用到功率因数校正技术中的。基本的电压跟随器 b o o s tp f c 电路如图1 - 6 所示。 u o 电压误差放大器 图卜6 电压跟随器b o o s tp f c 电路 此电路工作在不连续导电模式，开关s 由输出电压误差信号控制，开 关周期为常数。由于电感电流峰值基本上正比于输入电压，因此，输入电流 波形将自然地跟随输入电压波形。实际上，对于不一样的变换器结构，输入 电流波形会出现不同程度的畸变，但这对输入功率因数的影响不大。与乘法 器型p f c 电路相比，电压跟随器p f c 控制电路简单，仅需要一个输出电压控 制开关，现有的许多开关电源p w m 控制集成电路都可以用来作为电压跟随器 p f c 型电路的控制。变换器工作在不连续导电模式，这就可以避免b o o s t 变 换器中因输出二极管反向恢复电流而带来的问题。 这种p f c 电路的特点是：工作在不连续导电模式、采用电压跟随器控 制，可以直接采用常规的p w m 调制，同时提高输入功率因数和调节输出电压， 控制电路简单，成本低。但输入电流波形随输入与输出电压之比值的增加而 失真增大，而且开关峰值电流较大，故适合小功率场合，对于大功率，利用 乘法器控制方法有其优越性，其开关峰值电流较小，通态损耗小，效率高， 但控制电路比较复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 3 开关电源控制方法概述 传统的电路控制采用的是模拟控制系统，模拟控制技术经过多年的发 展，已经非常成熟。然而，模拟控制系统有着固有的缺点：如需要大量的分 立元件和电路板，器件数量多，制造成本高等。模拟元器件的老化问题和温 度漂移问题，以及环境( 如电磁噪声，工作环境温度等) 干扰等因素都会影 响控制系统的长期稳定性。 专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统，能方便的实现一 些电路的控制，但其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电阻电容等 模拟器件。这些元件的误差会直接影响控制环路的性能，而且元器件老化等 模拟控制的缺点依然存在。此外，由于模拟控制系统的功耗比较大，大规模 集成比较困难，专用模拟控制芯片的集成度一般很难做高。而且专用芯片的 控制仍不够灵活，要实现复杂、先进的控制算法很困难。 对于每一个采用模拟控制的电路装置，其控制系统都需要专门的设计。 每一次产品的更新换代，都需要重新设计、制造它们的控制系统。而且目前 的模拟控制手段已经大大落后与控制理论的发展。目前大多模拟控制回路仍 采用传统的p i d 调节，而很少采用现代控制理论提供的方案和算法。对于模 拟控制系统来说，监控性能也非常差。因此，随着电力电子及其控制技术的 发展，模拟控制的局限性已经越来越明显。 传统的模拟控制技术具有许多不可克服的缺点，数字控制简化了硬件 电路，克服了模拟电路中参数温度漂移的问题，控制灵活易实现先进控制等， 使得所设计的电源产品不仅性能可靠，且易于大批量生产，从而降低了开发 周期。因此，数字化控制电源已成为当今开关电源产品设计的潮流。 由于开关电源的强非线性，以及它具有离散和变结构的特点，负载性质 的多样性，主电路的性能必须满足负载大范围变化，所有这些使开关变换器 的控制问题和控制器的设计较为复杂。随着控制理论的发展，一些现代的控 制方法也被尝试应用于开关电源的控制电路中。本文所采用的就是现代控制 方法中的一种一一模糊控制技术。 1 4 本文的主要工作 本文将主要研究用现场可编程门阵列( f p g a ) 实现的开关电源的有源 功率因数校正的模糊控制。 由于有源功率因数校正是一个非线性、时变的对象，其模型的精确建 立是相当困难的，当输入电压变化较大或负载变化较大时，常规p i d 控制常 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 难以达到较高的控制要求，而模糊控制可以改善这种状况。 随着数字控制技术的不断发展，越来越多的控制策略通过数字信号处 理器( d s p ) 得以实现。然而，由于d s p 要在每个开关周期内计算一次功率器 件的占空比，系统的开关频率就会受到d s p 处理速度的限制，而f p g a 能够 实现并行运算，它不需要在每个开关周期内部计算一次功率器件的占空比， 所有在f p g a 内部的控制算法都能并行执行，因此，用f p g a 代替d s p 可以实 现更快的速度。 本论文研究的模糊控制方法将用到a p f c 的控制中，这将对a p f c 的发 展起一定的积极作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章a p f c 开关电源控制方法介绍 与主电路建模分析 电力电子技术中的六种基本变换器- - b u c k 、b o o s t 、b u c k - b o o s t 、z e t a 、 s e p i c 和c u k 在原理上都可以构成p f c 电路，在实际应用中，必须针对不同 的变换器结构采用不同的控制方法。 无论采用那一种变换器，从实现p f c 的目的来看，所需要控制的变量都 有两个： 1 输出电压，必须保证输出电压是一个( 近似) 恒定的直流电压。 2 输入电流，必须控制输入电流跟踪输入电压，使之与输入电压同频 同相，保证输入端口针对交流电网呈现“纯阻性。 ， 因此，a p f c 电路在通常情况下需要用电压电流的双环反馈来控制， 这在一定的程度上会使p f c 电路显得较为复杂，因此，如何应用不同的控制 策略，简化控制电路是目前p f c 研究的一个主要内容。 由于b o o s t 电路是常用的a p f c 开关电源主电路，所以本章主要是应用 状态空间平均法对b o o s t 电路进行建模，并推出其小信号传递函数。 2 1a p f c 开关电源传统控制方法 根据电感电流是否连续，有源功率因数校正技术可分为不连续导通模式 ( d c m ) 和连续导通模式( c c m ) ，以及介于两者之间的临界d c m 模式哺1 。有 的电路还根据负载功率的大小，使得变换器在不连续导电模式和连续导电模 式之间相互转换，称为混连模式( m c m ) 。根据是否直接选取瞬态电感电流作 为反馈量和被控制量，c c m 模式分为间接电流控制和直接电流控制两大类： 引入交流电流反馈的称为直接电流控制，没有引入交流反馈的称为间接电流 控制。 2 1 1d c m 控制模式 d c m 控制的方法又称为电压跟踪法，是a p f c 控制中一种简单而又实 用的方法，应用较为广泛。d c m 控制方法的一个基本特点就是电感能量的 完全传输，即在每一个开关周期中，转换电感都必须把从电源中获得的能量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 完全转移到蓄能电容( 输出电容) 中去。 以b o o s t 变换器的临界模式为例，来分析电压跟随控制，如图2 - 1 所示。 剁。i f ( a ) b o o s t 变换器( b ) 临界电感电流模式 图2 - 1b o o s t 的d c m 模式 在每一个开关周期，输入电流的峰值为： 一等互 ( 2 _ 1 ) k - 戮s i n 耐 ( 2 2 ) 式中，d 为占空比，互为开关周期，匕为输入电压的瞬时值，k 为输入 电压的有效值。 在每一个开关周期内，输入电流平均值为： 。- 瓦v , d 瓦、f 2 v 瓦ss i n t o t 饵 ( 2 3 ) 可见，当占空比和开关频率固定时，输入电流的平均值正比于输入电压。 输入电流的平均值能自动跟随输入电压呈正弦波。 该控制方法的优点是；电路简单，不需要乘法器；输入电流自动跟随输 入电压：功率管实现零电流开通且不承受二极管的反向恢复电流。缺点是： 由于电感电流不连续，造成电流纹波较大，对滤波电路要求高；同时输出电 流含有二次谐波，功率器件承受较大的电流应力。 2 1 2c c m 控制模式 相比于d c m 控制方法，c c m 控制模式时变换电感的电流始终是连续 的，其基本特点就是电感能量的不完全传输，每一个开关周期中，转换电感 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 都只把部分能量转移到蓄能电容( 输出电容) 中去。c c m 模式下有直接电流 控制和间接电流控制两种方式。直接电流控制是直接选取电感瞬态电流作为 反馈量和被控制量，其优点是电流的瞬态特性好，自身具有过流保护能力， 但是需要检测瞬态电流，控制电路较为复杂；间接电流控制是通过控制整流 桥输入端电压来间接实现对电流的控制，其优点是结构简单，开关机理清晰。 在c c m 模式下，直接电流控制是应用最多的方式，它也是发展的主流，适 用于对系统性能指标要求较高的大功率场合，因此本文只对直接电流控制法 进行介绍。 传统的直接电流控制都需要将输入电压信号和输出电压的反馈信号相 乘，以此作为电流控制的参考信号( 基准电流环信号) ，根据电流控制方式的 不同，典型的有峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制三种方法。 1 峰值电流控制 峰值电流控制中取样电流取自开关电流或电感电流。图2 2 所示为采样 峰值电流控制的b o o s t 功率因数校正电路原理图。电流基准为双半波正弦电 压，令电感电流的峰值包络线跟踪输入电压波形，使输入电流与电压同相位， 并接近正弦。因此，在保持输入端功率因数接近1 的同时，也能保持输出电 压稳定。 图2 2 峰值电流控制原理图 另外，当电感电流的峰值按工频变化，从零变化到最大值时，控制波形 的占空比逐渐由大到小，在半个工频周期内，占空比有时大于o 5 ，有时小 于0 5 。当占空比大于0 5 时，外部的微扰可以被放大，导致系统电流不收 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 敛，此时会产生次谐波振荡，为了防止这种情况的出现，电路中必须增加一 个斜率补偿函数，或称斜坡补偿，以使占空比在大范围内变化时，电路能稳 定工作。 峰值电流控制法来实现b o o s t 型p f c 电路时的最主要问题是：被控制 量是电感电流的峰值，因此并不能保证电感电流( 即输入电流) 平均值和输入 电压完全成正比，并且在一定条件下会有相当大的误差，以至无法满足使 t h d 很小的要求。另外，峰值电流对噪声也很敏感。因此在p f c 电路中， 这种控制方法已经逐渐趋于淘汰。 2 滞环电流控制 图3 3 是滞环电流控制法实现b o o s t 型p f c 电路的原理图和在半个工频 周期内，功率开关管的控制波形和电感电流波形的示意图。和峰值电流控制 法不同的是，被控制量是电感电流的变化范围。输入电压信号和输出电压的 反馈信号相乘，形成两个大小不同的与输入电压同频同相的电流控制参考信 号一一上限基准电流环信号和下限基准电流环信号。当功率管导通，电感充 电时，电感电流的检测信号和上限基准电流环信号相比较，当电感电流上升 到上限基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管关断，电感开始放电；当 电感电流下降到下限基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管导通，电感 重新充电。 图2 3 滞环电流控制原理图 滞环电流控制的缺点：负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率交 换幅度大，设计输出滤波器是要按最低频率设计，因此不可能得到体积和重 量最小的设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 平均电流控制模式 平均电流控制，又称三角载波控制，其控制方法的基本数学理论是正弦 脉冲宽度调制。这种控制方法中反馈量是输入电流，被控制量是输入电流的 平均值，图2 _ 4 给出了平均电流控制的b o o s t 变换器原理图。它的取样电流 取自电感电流。它与上两种控制方法的不同就是：用电流误差放大器代替电 流比较器，以输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积作为基准电流； 并且电流环调节输入平均值，使与输入整流电压同相位，并接近正弦波。 l 电压误差放大器 图2 4 平均电流控制原理图 平均电流控制模式的特点是：工频电流是高频电流的平均值，因而高频 电流的峰值比工频电流的峰值更高；t h d 很小，对噪声不敏感，电感电流峰 值与平均值之间的误差小；原则上可以检测任意拓扑任意支路的电流。并且 两种工作模式：电感电流连续( c c m ) 和电感电流不连续( d c m ) 都可以用p j 。 图2 - 5 为平均电流控制时电感电流波形图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 。二厂 几门nf 1 nnr 厂 t 图2 - 5 平均电流控制时电感电流波形 2 2b o o s t 变换器的建模分析 由于开关电源是一个线性与非线性相结合的综合系统，研究起来不太容 易，所以一直吸引着人们的注意力。现有分析方法粗分为两类：一是数字仿 真法，这种方法的核心是用适合的某一种算法求变换器特性的数字解；二是 解析建模法，这种方法的核心是用解析理论求变换器特性的解析表达式。前 者，如利用p s p i c e 软件，在计算机上仿真。这种方法优点是准确度高，可 以得到小信号扰动和大信号激励时的响应特性及波形；不足之处是物理意义 不甚明确。后者则与前者的优、缺点倒置过来。由于是用解析式表达，因此 物理意义明确，设计时可据此来调整参数，控制特性的变化；缺点是使用不 太方便。这种方法又分为离散法和平均连续法( 或两者相结合的方法) 。在平 均连续法中的状态空间平均法保持了解析法的优点，使用起来也很方便。因 此，在1 9 7 6 年，经r d m i d d i e b r o o k 等人提出并完善之后被认为是较好的 方法，它的好处是仍可用波特图来进行校正。使用波特图对从事于自动控制 的工作人员来说并不难，因此此法得到推广应用。 2 2 1b o o s t 变化器工作原理 b o o s t 变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压 器。其拓扑结构如图2 6 所示。b o o s t 变换器由功率开关管s 、二极管d 、 储能电感l 和输出滤波电容c 组成。由于电感l 上的感应电压通常高于输入 电压，加上二极管d 的隔离作用，使得并联开关变换器的输出电压高于输入 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 电麒2 1 。 当开关管s 导通时，电流屯流过电感线圈l ，在电感线圈未饱和前，电 流线性增加，电能以磁能形式储存在电感线圈l 中。此时，电容c 放电，吃 上流过电流屯，尺工两端为输出电压。由于开关管导通，二极管阳极接负 极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。开关管截止时， 由于线圈中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保持t 不变。这样线圈 l 磁能转化成的电压吒与输入电压串联，以高于的电压向电容c 、负载 & 供电。高于口。时，电容有充电电流；等于“。时，充电电流为零；当“。有 降低趋势时，电容向负载尺工放电，维持不变。由于+ 向负载吃供电 时，h 。高于，故称它为升压变换器。工作中输入电流= t 是连续的。但 流经二极管的电流却是脉动的。由于c 的存在，负载尺工上仍有稳定、连续 的负载电流f o 。 + 图2 - 6b o o s t 变换器拓扑结构图 2 2 2b o o s t 变换器的优缺点 b o o s t 有源功率因数校正器有其显著的优点，其主要优点有j ： ( 1 ) 输入电流连续，电磁干扰( e m i ) 小，射频干扰( r f i ) 低； ( 2 ) 有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电 流高频瞬间冲击； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 ( 3 ) 输出电压大于输入电压峰值，对市电电压为1 0 0 v a c 的国家和地 区特别合适。例如，输入9 0 - - 1 3 2 v 交流电，输出直流电压约为2 0 0 v ；若 输入为9 5 - - 2 4 0 v 流，直流输出将为4 0 0 v ： ( 4 ) 开关器件承受的电压不超过输出电压值； ( 5 ) 容易驱动功率开关，其参考端点( 源极) 的电位为0 v ： ( 6 ) 可在国际标准规定的输入电压和频率广泛变化范围内保持正常工 作。 但b o o s t 有源功率因数校正器也存在一些不足p j ： ( 1 ) 输入、输出之间没有绝缘隔离； ( 2 ) 在开关管、二极管和输出电容形成的回路中有杂散电感，则在2 5 - - - 1 0 0 f d - t zp w m 频率下，容易产生危险的过电压，对开关的安全运行不利； ( 3 ) 输出电压须高于输入电压峰值。 一般b o o s t _ , e d ，f c 使用于1 k w 以下的负载。常常作为开关电源或其它 电力电子设备的预调节器。除了可用硬开关b o o s t 电路，也可以用软开关 b o o s t 变换器构成a p f c ，以降低开关损耗，提高a p f c 的效率。 2 2 3b o o s t 变换器主电路分析 1 状态空间平均法原理 状态空间平均法是以某种意义的一周平均值为求解量的连续的状态方 程，近似代替在一周中不同时间段成立的分段状态方程。该方法的本质是时 间平均，其目的是将开关变换器( 时变电路) 变为非时变电路，小信号时可局 部线性化，能应用成熟的线性电路理论来分析其小信号性质i l 川。对于工作 在连续导电模式的p w m 开关变换器来说一个开关周期有两个拓扑，其状态方 程为： t h e i = 6 【彳一o ) + b