（电力电子与电力传动专业论文）单相boost功率因数校正技术研究.pdf

单相b o o s t 功率阴数校止技术研究 a b s t r a c t a g r e a td e a la p p l i c a t i o n so fp o w e re l e c t r o n i cp r o d u c t sr e s u l ti nv e r yb a dh a m l o n i c p o l l u t i o n a sar e s u l to fi t p f ch a db e c a m eo n eo f t h es t u d yf o c r i s e si np o w e re l e c t r o n i c s s i n c e19 9 0 s p e o p l eh a v ef o u n dm a n yo fn o v e lt 1 1 e o r i e sa n dc i r c u i tt o p o l o g i e sa n dm a d ea g r e a tp r o g r e s s i np f c a l o n gw i t hh i g hs p e e da n dl o wp r i c ed s p , p f ct e c h l o n o g y c o m b i n i a g w i t hd i g i t a lc o n t r o lg e t sm o r e p o w e r f u lm e a n s i nt h i sp a p e r , b o o s tc i r c u i tf o rp f ch a db e e na n a l y z e di i l d e t a i l c h a p t e r li st h e s u m m a r y o ft h i sp a p e ra n di n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fp f ca n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r a n de x p l a i n st h eb a c k g r o u n da n dt h ea i mo fr e s e a r c ht a s k c h a p t e r2w a sm a d e u p o ft w o p a r t s ：0 d ei st h ei n t r o d u c t i o no f p f cc i r c u i to p e r a t i o ni nd i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e f d c m ) i h a da n a l y z e di t sp r i n c i p l ea n dd e d u c e dr e s t r i c t e df o r m u l a sa b o u tt h i sm o d ea n d b u i l ta p r o t o t y p ed e m o t ov e r i f yt h ef a v o r a b l ep e r f o r m a n c er e s u l t e df r o md s p c o n t r 0 1 a n d a n o t h e ri st h ei n t r o d u c t i o no fp f cc i r c u i to p e r a t i o ni nb o u n d a r y c o n d u c t i o n m o d e ( b c m ) l i k e w i s e ，lh a dg i v e nt h er e s t r i c t i o na b o u tt h i sm o d ea n di m p l e m e n t e da5 0 0w a t t p r o t o t y p ed e m o c o n t r o l l e db y s p e c a i li c c h a p t e r3f o c u s e so np o w e r f a c t o rc o n r r e t i o ni n c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n - m o d e ( c c m ) c o n t r o l l e db yd s p f i r s t 、t h e r ea r ei n t r o d u c t i o no f t h e d e v e l o p m e n to fd s pa n d t h e p r i m a r y f e a t u r eo fm c 5 6 f 8 3 2 3 s e c o n d l y ，ih a d i m p l e m e n t e dd i g i t a lp f cw i t ht h i sd s pc h i pa n dg o te x c e l l e n tp e r f o r m a n c e c h a p t e r4 f o c u s e so np f cw i t h z e r o v o l t a g e s w i t c h i n ga n da n a l y z e st h ee x p e r i m e n tr e s u l t c h a p t e r5 i st h ec o n c l u s i o no fa l lw e r k sa n dt h ee n do f t h i sp a l e ) e r k e y w o r d s ：b o o s t ，p f c ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d c m ，b c m ，c c m ，z v t 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：昌聋罕 曰期：耐、略2 1 南京航空航犬人学硕士学位论文 注释表 功率因数校正 功率因数 电感电流断续导电模式 电感电流临界连续导电模式 电感电流连续导电模式 数字信号处理器 电压跟随器 零电流开关 零电压开关 三电平 每秒百万条指令 电磁干扰 通用输入输出口 脉宽调制 异步串行通信接口 串行外设接口 程序控制器 算术逻辑单元 地址产生单元 数据总线 地址总线 总畸变率 功率系统模块 嗽阡吣一删脚嬲娜n洲螂k舢枷黼黼m鹇 南京航空肮天人学硕t 学位论文 11 功率因数校正技术概述 第一章绪论 功率因数校正技术( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 是电力电子产品满足绿色环保要求 的必需手段，是未来开关电源发展的关键技术之一。基于限制电流波形畸变和谐波， 使电磁环境更加干净的宗旨，一些世界性的学术组织提出了谐波限制标准，如 i e c 5 5 5 2 ，i e e e 5 1 9 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，所 有在欧盟市场销售的用电装置都必须满足这一标准。采用现代高频功率变换技术的有 源功率因数校正技术是解决谐波污染最有效的手段。与传统的p f c 电路相比，有源 p f c 电路的输入电流接近正弦波且与输入电压同相位，因此避免了对同一电网上其他 用电设施的干扰“”。 从p f c 技术的发展历程来看，人们最早是采用电感器和电容器构成的无源网络 进行功率因数校正。采用这种技术所需的滤波电容器和滤波电感器的体积和重量较 大，因此电路往往较笨重，并且对于输入电流波形中的谐波电流的抑制效果并不理想。 早期的有源功率因数校正电路是晶闸管电路。七十年代以后，随着功率半导体器件的 发展，丌关变换技术突飞猛进。到八十年代，现代有源p f c 技术应运而生。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、 功率因数可接近1 等优点。这一时期是有源功率因数校正技术发展的初级阶段，其间 提出的一些基本技术是有源功率因数校证技术的基础。可以说，8 0 年代是基于b o o s t 变换器的功率因数校正的年代。当时的研究工作主要集中在工作于连续导电模式 ( c c m ) 下的b o o s t 变换器上，其控制方式一般是基于乘法器( m u l t i p l i e r ) 原理：这 种模式下可以获得很大的功率转换能量，但这种方式的控制电路复杂，对于2 0 0 w 以 下的中、小功率容量场合并不适合。八十年代末提出了工作在不连续导电模式( d c m ) 下的功率因数校j 下技术，其输入电流自动跟随输入电压，输入功率因数可接近1 。这 种变换器也叫电压跟随器( v o l t a g ef o l l o w e r ) ，其控制简单，在小功率场合倍受青睐。 九卜年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展。特别是提出了一些功率因 数校正的软开关技术和新的控制方法。经过这一发展历程，有源功率因数校正技术已 经具备了高性能、低成本的特征，获得了广泛应用。 目前，功率因数校正技术种类繁多，主要有以下几种类型”“： 乘法器p f c 技术 这种p f c 方法是根据输出电压反馈信号，利用乘法器电路 来控制f 弦参考电流信号，从而使电感电流( 即输入电流) 跟踪输入电压，并获得稳 单相b o o s t 功奎网数投止技术研究 定的输出电压； 电压跟随器p f c 技术该方法控制简单，让变换器工作在不连续导电模式，其 峰值电感电流基本 二i 卜比于输入电压。因此，输入电流波形自然地跟随输入电压波形。 但是，其输入电流波形为脉动三角波，在前端需要添加一个小容量的滤波电容以滤除 高频纹波。另外，其较高的开关峰值电流也会形成较大的开关关断损耗； 新型无源p f c 技术目前，无源功率因数校正技术也有所发展，新的无源功 率因数校正技术可使功率因数达到0 , 9 以上。但是同传统无源功率因数校正技术一样， 其电路中的输入电流谐波不能得到很好的抑制： p f c 的软开关技术功率开关管、二极管以及吸收电路( s n u b b e r s ) 上的能量 损失随着开关频率的提高而增加，这将使变换器的效率明显降低。借助各种软开关技 术进一步提高有源功率因数校正电路的性能是解决这一问题的最有效途径。主要有零 电流丌关( z c s ) 和零电压开关( z v s ) 两种p f c 软开关技术，其中，在有源功率因 数校f 电路中引入零电压开关被认为是最好的软开关p f c 技术。 其他p f c 技术近年来，还出现了一些新颖的功率因数校正技术，如三电平 ( t h r e e l e v e l ) p f c 技术、磁放大p f c 技术等。 功率因数校正技术是电力电子产品的“健康保证”，是提高用电质量的关键手段。 总之，这一领域的进步和发展有着重大的科学意义和现实需求。 1 2 数字信号处理技术概述 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来 的。数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如，在 数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具， 与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、敌障诊断等也密切相关。近来新兴的 一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。虽然 数字信号处理的理论发展迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实现方法的限制，数 字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初世界上第 一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统 中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年来通 信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用n d s p 芯片，也称数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是一种特别适合于 进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号朴理 南京航空航大人学硕十学位论文 算法。经过2 f l 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各 个方面。目前，对d s p 爆炸性需求的时代已经来临，前景十分可观。 缩小d s p 芯片尺寸始终是d s p 的技术发展方向。当前的d s p 多数基于r t s c ( 精 简指令集计算) 结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各d s p 厂商纷 纷采用新工艺，改进d s p 芯核，并将几个d s p 芯核、m p u 芯核、专用处理单元、外 围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为d s p 系统级集成电路。 可编程d s p 给生产厂商提供了很大的灵活性，也为广大用户提供了易于升级的 良好途径。人们已经发现，许多微控制器能做的事情，使用可编程d s p 将做得更好 更便宜。例如冰箱、洗衣机，这些原来装有微控制器的家电如今已换成可编程d s p 来进行大功率电机控制。据统计，去年的可编程d s p 销售额占了整个d s p 市场的4 0 份额。 目前，一般的d s p 运算速度为1 0 0 m i p s ，即每秒钟可运算1 亿条指令。但仍嫌 不够快。由于电子设各的个人化和客户化趋势，d s p 必须追求更高更快的运算速度 才能跟上电子设备的更新步伐。d s p 运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。 当前d s p 器件大都采用0 5 m o 3 5 9 m c m o s 工艺，按照c m o s 的发展趋势，d s p 的运算速度再提高1 0 0 倍( 达到1 6 0 0 g i p s ) 是完全有可能的。 。 从理论上讲，虽然浮点d s p 的动态范围比定点d s p 大，且更适合于d s p 的应用 场合，但定点运算的d s p 器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。 因此，定点运算的可编程d s p 器件仍是市场上的主流产品。 数字信号处理系统以数字信号处理为基础，具备数字处理的全部优点： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼 容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得 多； ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活 方便地对软件进行修改和升级： ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小， 可靠陛高； ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到l o 的精度： ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基 本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 d s p 系统的突出优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、 单相b o o s t 功率因数校正技术研究 仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 1 3 课题背景和研究目的 经过过去几十年的发展，功率因数校f 技术伴随着电力电子产品更加广泛的应用 已经日趋完善，其控制方法和手段也同趋灵活多样。目前，基于已有原理或新原理下 的新拓扑结构的提出、把其他类型变换器的新技术引入这一领域以及对于新拓扑结构 采用新的控制方法，这些进展都在不断地丰富着功率因数校正技术。随着社会的进步 和人民生活水平的提高，对电能质量的要求也越来越高。谐波限制标准的实施也进一 步促进了高功率因数电源的研究。 但是，许多有源功率因数校正技术给电器设备带来了附加成本和复杂性，这极大 地限制着这一技术的广泛应用。比如高功率因数电子镇流器带来的过高成本很大程度 上妨碍了这个产品的推广应用。因此，高性能、低成本的功率因数校正技术具有极大 的市场潜力和应用前景。由单片集成电路控制实现的不连续导电模式的功率因数校正 技术正是满足这一要求的最佳典范。该电路采用电压单环调节，其输入电流波形自然 地跟随输入电压，具有控制简单、成本低，功率因数可接近l 的特点，适用于大量应 用的2 0 0 w 以下中小功率场合“1 3 。 另外，随着大规模集成电路技术的发展，d s p 将是未来集成电路中发展最快的电 子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。从t 9 8 2 年诞生了首枚d s p 芯片到8 0 年代后期第三代d s p 芯片问世，其运算速度进一步提高，应用范围逐步扩大到通信、 计算机领域。9 0 年代d s p 发展最快，相继出现了第四代和第五代d s p 器件。现在的 d s p 属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将d s p 芯核及外围元件综 合集成在单一芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手， 而且逐渐渗透到人们日常消费领域。目前，许多d s p 厂商都已经有用于电力电子领域 的专用芯片产品，并且芯片的速度已经能满足电力电子产品高频化的要求，而其相对 模拟控制芯片的性价比也大为提高。电力电子产品的数字化消除了模拟控制方法带来 的器件多、体积庞大以及模拟器件的工作点漂移等问题，并且数字控制系统能有效避 免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰，如今已成为功率电子学的一个 重要研究方向。因此，将功率因数校正技术和数字控制技术相结合也是提高功率因数 校f 电路性能的必然手段，这将最终实现开关电源的模块化、集成化、智能化和绿色 化。 本文研究的内容是单相b o o s t 功率因数校正技术。对于大量应用的2 0 0 w 以下中 南j i 航空航天人学硕十。、位论文 小功率场合，高性能、低成本、电路简单的功率因数校正方法是最佳选择：对于大功 率场合，集成化、智能化的功率因数校正模块是必然要求。本文f 是针对这些不同的 情况：博p f c 技术应用到d c d c 、d c a c 等电能变换领域，验证了不同开关电源的功 率因数校正方案，以便最好的改善系统性能。 1 4 本文研究的主要内容 从课题的背景和目的出发，本文酋先分析了电流断续模式功率因数校正技术，给 出参数设计公式与约束关系，并进行了实验验证。然后对f r e e s c a l e 公司的功率因数 校正专用控制芯片m c 3 4 2 6 2 作了详细介绍，基于该芯片设计了临界连续模式的b o o s t 型功率因数校正电路，对该电路的工作原理作了理论分析与讨论。并给出实验结果： 另外，针对f r e e s c a l e 公司最新推出的m c 5 6 f 8 3 2 3 芯片，介绍了其性能和硬件资源， 设计了基于d s p 的电感电流连续模式c c m ( c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e ) 数字功率 因数校正系统，在此基础上提出了正弦电流数字给定的p f c 算法，并引入软开关技 术进一步提高了数字功率因数校正电路的性能。 本文第二章研究了电感电流断续模式和临界连续模式的功率因数校正技术。其主 要内容包括：1 d c mp f c 的原理与约束关系；2 d c mp f c 系统设计与实现； 3m c 3 4 2 6 2 芯片的特点及基本性能；4 b c mp f c 的原理与设计。 本文第三章阐述了基于d s p 的电感电流连续模式下数字功率因数校正技术。详 细介绍了基于m c 5 6 f 8 3 2 3 的数字功率因数校正电路。其主要内容包括：1 数字 b o o s t p f c 的一般方法与实现；2 改进的数字e 弦电流给定算法；3 试验结果与分析。 本文第四章在数字功率因数校正电路中引入软开关技术进一步提高电路性能。主 要内容有：1 实现软开关的原理分析；2 p f c 软开关电路的硬件设计；3 z v tp f c 的数字控制方法；4 试验结果与总结。 本文第五章对全文进行了总结。 单相b o o s t 功率冈数校正技术研究 第二章电感电流临界连续和断续模式p f c 技术 21引言 提高功率因数的方法有两种：一是无源功率因数校正法，在整流器和电容滤波器 之间串联体积庞大的滤波电感，或在交流侧接入谐振滤波器，来扩大输入电流的导通 角，这种方法难以实现功率因数p f 为10 的单位功率因数校正：二是有源功率因数 校f ( a p f c ) 法，特别是高频有源功率因数校正技术，在整流器和负载之间接一个 d c d c 变换器，应用电流反馈技术，使电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入 的电网电压保持同相位，从而把功率因数提高到0 9 9 或更高“o 】【o “”。 本章首先简要介绍了有源功率因数校正的基本原理和控制方法，然后按照不同原 理分别叙述了实现p f c 的两种方案。本章第三节是基于m c 5 6 f 8 0 1 3 的电感电流断续 模式的功率因数校正技术，介绍了f r e e s c a l e 公司最新推出的高性价比d s p 芯片 m c 5 6 f 8 0 1 3 的基本特点与性能，说明了电路实现p f c 的工作过程，设计了主电路参 数，并制作调试了台原理样机。本章第四节是电感电流临界连续模式时的功率因数 校f 技术，具体分析了电路工作在该种模式的过程，介绍了峰值电流控制模式的功率 因数校e 控制芯片m c 3 4 2 6 2 的特点，设计了由该芯片实现的p f c 电路，并在一台 5 0 0 w 样机上加以验证。 2 2 有源功率因数校正的基本原理和控制方法 有源功率因数校正控制芯片种类繁多，有平均电流控制法、峰值电流控制法、电 流滞环控制法等。其中，单相b o o s t 电路因具有电路简单、效率高、成本低等优点， 而得到广泛应用。相应地，该电路实现功率因数校正的原理主要有电压跟随器型p f c 技术和乘法器原理p f c 技术。 8 0 年代后期，d o c s d f r e e l a n d 首先提出t n 用不连续导电模式进行功率因数校 诈的概念，也称之为自动功率因数校正。b o o s t 变换器工作在不连续导电模式时，开 关管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，输入电流波形自然地跟随输入电压波形，电路不需要电流控制环即可 实现p f c 功能。与乘法器型p f c 电路相比，电压跟随器型p f c 电路的控制简单，仅 需要一个输出电压控制开关。而且，变换器工作在不连续导电模式下，避免了b o o s t 电路中因输出二极管反向恢复电流带来的e m i 、过高的电压应力以及关断损耗等问 南京航等 航犬入学碗卜学位论文 题。电压跟随器型p f c 技术的一个缺点是输入电流波形为脉动三角波，其前端常需要 添加一个小容量的滤波器以滤除高频纹波，一定程度上增加了电路的复杂性。另一个 缺点是丌关管关断的峰值电流较高，引起较火的关断损耗。f 一节将重点讨论由 m c 5 6 f 8 0 1 3d s p 芯片实现的该类p f c 技术l 。 b o o s t 变换器工作在连续导电模式时，其电感电流就是输入电流。电感电流被采 样并被控制，使其幅值与和输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因 数校f 的目的；乘法器p f c 电路还可以根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路 来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压。按电流控制方式又可分为峰 值电流控制、电流滞环控制以及平均电流控制等。本章第四节将具体介绍由基于该原 理的峰值电流控制芯片m c 3 4 2 6 2 实现p f c 的方法。 2 3 电感电流断续模式d c m 功率因数校正技术 b o o s t 型电感电流断续模式( d i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o n m o d e ) 功率因数校正原理 如图2 1 所示，采用电压跟随控制方式。流过其开关、二极管和电感的电流波形如图 2 2 所示。半个输入电压周期内，其电感电流与，f 关管门极控制信号如图23 所示。 ld r 。 卜f l ； ! l ： f i 卜州：i t rl i| 1 1 i 絮鬻 j l 【 j 参考电压 图2 1d c mp f c b 路原理图 图2 2d c m 主要电流波形 目2 3 d c m 电感电流与开关管极驱动波形 单相b o o s t 功率冈数校正技术研究 231m c 5 6 f 8 0 1 3 芯片特点与资源介绍 m c 5 6 f 8 0 1 3 是f r e e s c a l e 公司最新的高性价比d s p 型号，基于增强型内核5 6 8 0 0 e ， 其芯片主频3 2 m h z ，内部有4 k 程序数据r a m 幂n 1 6 k 程序f l a s h 。主要的外没资源有： 一个p w m 模块，包含六个p w m 言号通道；一个a d c 模块，包含8 路1 2 位a d 转换通道， 有两个a d 转换器，最高转换时钟为5 3 3 m h z ，完成一次转换最快需1 5 9 印；一个1 6 位定时器模块，包含四个定时计数器，它们可以单独使用也可级联，可以计量外部 事件在一段时间里发生的次数，电可以通过计量内部h j 钟得到外部事件发生的间隔时 i k ；另外，还提供了片内晶振，2 6 个通用输入输出口g p i o ，一个异步串行通信接口 s c i 和一个同步串行外设接口以及，2 c 总线接口等”3 - t 6 j 。 23 2 电路工作状态 为了简化分析，作如下假定： 1 电路工作在稳定状态，且所有元件都为理想的； 2 电容c 足够大，保证输出电压恒定： 3 一个开关周期内输入电压为常数。 由假设3 ，在一个开关周期内，基于b o o s t 的p f c 电路可以看作为个b o o s t 直流变 换器。其工作在d c m 模式时，有三种工作状态，等效电路如图2 4 所示。 ( a ) 工作模态1( b ) 工作模态i i ( c ) 工作模态 图2 4b o o s t 电感电流断续时的等效1 作电路 模态i ，丌关管q 导通，二极管d 关断，电源为电感储能，同时c 为负载r 提 供能量，如图2 4 ( a ) 所示。 南京航空航天人学硕七学位论叟 模态i i ，开关管q 关断，二极管d 导通，电源，。和电感三共同为电容c 充电，并 为负载r l 提供能量，如图2 4 ( b ) 所示。 模态i i i ，州：关管q 和二极管d 均关断，电感上上电流为0 ，电容c 为负载供电，如 图2 4 ( c ) 所示。 b o o s t 电路工作在d c m 时，一个开关周期内，其电感电流与电压波形如图2 5 所示。 。 t lf 2 bj g - |，d ：瓦、 i i 、 7 ，t 、 l i _ f r 叫 倒2 5d c m 时b o o s t 电感电流和电压波形 由伏秒积平衡原理可知，输出电压n 为： d 】瓦= ( 一。) d 2 瓦( 21 ) 圪：垃掣形。( 2 2 ) 输出输入电压变比聊定义为：m ：皇：鱼二生( 23 )d 2 式中为整流后输入电压，为输出电压，d l 为开关管导通比，d ，为二极管导通比 7 ：为开关周期。 2 ，3 3 电感电流断续时的导通比与输入功率因数 1 电感电流断续时的约束关系( 开关管导通比公式) 这种实现功率因数校正的原理是建立在电感电流断续的基础上的，为此要让电路 始终工作在断续状态。在推倒导通比公式时，认为电路处于稳态且在一个输入电压周 期内，导通比d 。为常数。 电流断续时，在一个开关周期t 内，b o o s t 二极管电流峰值和平均值分别为： 。l ：掣；x xt ， l 旷擎 为电感值( 2 4 ) dlx d 2 g t 5 r ， 、 2 上 3 单相b o o s t 功率冈数校m 技术研究 由式( 21 ) 得剑： d ，：型i ! 坠( 2 6 ) v ，一v ? n 整流后输入电压：k 。= s i n 耐，其中o 耐 ，r ，为输入电压幅值，万输入 电压角频率。 龇一锻= 毫糍 ， 在半个输入电压周期咒内，b o o s t _ - 极管电流平均值为： 2 孙卅耐= 壤势。一s i n 2 z 。v i t = m m i n 其中n n f i n = 专r 为半个输入电压周期内变换器的最小输出输入电压比。 = 一z m 。一刀优。2 + 赢m 3 丌+ za r c t a n 丽1 巴= 圪i 。，7 ；i ：墨二! 毕厂( m 。，。) ( 29 z 丌m m l n l 因此，开关管导通比公式为： ( 2 1 0 ) 在电路参数和输出电压不变时，它是最小输出输入电压比的函数。输出电压恒定 时，矾随输入电压幅值减小而增大。 2 电路的输入功率因数柙 在固定导通比时，随着输入电压的升高，b o o s t 电感电流逐渐趋于连续，因此， 考虑最严重情况：当= ，时，变换器应该工作在电感电流临界连续模式b c m 。 在一个开关周期内，b o o s t # g 感电流为： t ， i t ( r ，) = 二譬l s i n t o tj ，0 f d l f ( 2 1 1 ) 誊 塑j ! 墼至塾鲞叁鲎塑主1 兰堡堡塞 其中 任一个开关周期内，电感电流峰值为 忆。( ，) ：坠鍪胁g o r l 将d 2 = ( 1 一d i 一) 代入式( 21 ) 得到 ( 21 2 ) 将= 。i s i n 耐 代入上式 = l 一 ， m i n d 。一 s i n 舒t i 在= 巧时，由式( 7 1 ) 可知：= 了二 因此聊。= _ 与，将其带入式( 2 1 4 ) 得 1 一d 捌一而1 南d ) l 丽s i n r o t n 一，1 一个开关周期内，电感电流的平均值为： 锹) = 知( f ) ( 1 _ ) = 警( 1 删l s i n 耐1 v l n a j ls 2 m n 。i s i n m t ( m 。- t s i n = 1 ) 在半个输入电压周期内，电感电流均方根值为： z = 双( 聊m l 。 麟2 i s i n i 一s i n 甜i ) 也2 拙 卜 ：堑生堕逛 2 l 口 = 暴3 ，m 。2 + 2 m 。i m i n 3 搿卜c 文意 半个输入电压周期内，平均输入功率只一* 为： 。= = 1 _ f ( s i n 耐) y o d l 2 t sf 犷 v m d t 2 瓦 2 l 。旦盟! ! ! 竺竺d 耐 ( m 。1 s i n ) m m m s i n 2 耐 ( m m n s i n r a ) ( 21 4 ) ( 2 15 ) ( 21 6 ) 訾m 。) 单相b o o s l 功率冈数校f l 技术研究 假定电网内阻抗为0 ，输入电压为理想正弦波，那么输入功率因数j p f 为： p f ：一垒堕一：筵掣 ( 21 8 ) lr 。v r s ni z 它是一个与最小输出输入电压比有关的量。在其他参数一+ 定时，输入功率因数 尸，随最小输出输入电压比增大而增大。在m 较大( 即输入电压幅值较小) 时。输 入功率因数较大。随着输入电压幅值的增大，p f 将下降至0 ，9 以下。 2 3 4d c m 电感的设计 在半个输入电压周期内，任意开关周期均满足 j ：= 乒v 面vs i n 删矾 因此，d = d 。+ d 2 ：血旦。 m i n i n s i n m t ( 21 9 ) 将式( 21 0 ) 代入上式得： d = d ，+ d ：2 可i 耍i 高v2 a x l x 。f 。, ，_ x p o s i nf ( m 一( 2 2 。) 1 。m 一耐) v。j 要保证电感电流断续，必须满足d 1 。随着m 椭的增加，参数d 先减小再增大。 因此，在输入电压较小与较大时均会使电感电流趋于连续。又由式( 21 8 ) 可知，功 率因数校正的效果随输入电压幅值增加而变差。本文的设计中按最低输入电压时确定 参数。 基于上述分析，设计一台输出功率5 0 0 w 的功率因数校正器，输出电压圯为 3 8 0 v ，选择开关频率为i o o k h z 。考虑输入电压8 5 m s 时，输出功率满载的情况： m 。= 3 1 6 2 ( 2 2 1 ) 当m t = 鲁时，将d 1 代入式( 2 2 0 ) 得： l 5 1 p h( 22 2 ) 墩l = 5 0 t h 。 任意一个开关周期内， t l p k 2 电感电流峰值为： v i n 。、，s 。i n w t x d t x t s ：= f2 叱 正f ( m 。) 半个输入电压周期内，最大电感电流峰值为： 恸m a x 2、一l。fs x f ( m m i n ) f2 识 ( 22 4 ) 南京航空航天人学硕十学位 文 它是最小输出输入电压比m m m 的函数，随惹研。的增大而增大。输入电压为 8 5 v r m s d ，i 幻m a x = 1 7l 爿。 依据式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 8 ) 、式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 4 ) ，- 由- m a t h c a d 软件分别画出d ，、 j d f 、参数d 以及f 印t 。k g , n 。变化的关系曲线如图2 6 、n 2 7 、n 2 8 7 n 2 9 所示。 蚓2 6 d c m 导通比d l 与聊m 。的关系曲线图2 8 d c m p p 与脚m 。的关系曲线 图27 d c m d 参数与研m ，n 的关系曲线幽29 d c m i l p k m a x 与m m m 的关系曲线 23 5 控制程序 本文基于f r e e s c a i e 公司新型号d s p 芯片m c 5 6 f 8 0 1 3 设计了上述电路的控制器。控 制环采用p i 调节器，其计算周期为1 0 0 肺，开关管控制信号由定时器生成，其程序流 程如图2 1 0 所示。 整个电压环控制的中断服务子程序采用c 语言编程，折算为汇编语言共需要2 0 3 条单周期指令，芯片的主频为3 2 m h z ( 即3 l - 2 5 n s 条指令) ，那么占用的c p u 计算资源 约为6 3 5 , u s ，这样p f c 部分控制的软件开销仅占d s p 全部软件资源的6 4 ! 在由 b l d c 等电机控制的家电设备以及其他数字控制的中小功率用电设备中引入本屯流 断续模式d c mp f c 方案作为前级预涧整器时，根本不用附加额外的芯片，仅由用f = 臼 设备本身的数字控制器即可实现p f c 级的全部控制功能，并且系统中p f c 的拧制不圭， 单相b o o s t 功率网数饺止技术研究 图21 0d c m 数字控制程序流程 用额外a d 采样( b u s 电压采样往往也是主控制所必需) ，仅需增加一路p w m j 醴道和 很少的软件开销，即可完成整个系统的数字控制，这将使系统具备很高的性能和性价 比1 23 6 实验结果 本文在制作的原理样机上对上述理论分析与设计进行了验证。图2 1 1 为输入电压 1 1 0 v r m s ，输出3 0 0 w 时的输入电压和输入电流波形，2 通道为电压波形，3 通道为电流 波形。图2 1 2 为开关管的门极驱动波形和b o o s t 电感电流波形，1 通道为驱动信号，2 通道为电流波形。其中电压波形的比例为1 ：2 0 0 ，驱动信号的比例为l ：1 0 ，电感电流的 比例为1 ：l 。从波形看出，电感电流断续，电路实现了p f c 功能。表2 1 为输入电压 1 1 0 v r m s t , j - 的负载效应数掘，表2 2 为输出满载时的源效应数据，它们表明电路在较 大负载范围内和较宽输入电压范围内均保持了较高的功率因数。 ： 一 厂、；厂 i 1 i i| 。么 ， ”。“丫“一“。“ ，1 ：j ，1 、- i ：， 、o j j u ! 卜 n ，一、上h 。oi + + “+ + + 一。“，+ + - f + + + 。+ 。j 弋：凇a j i i 幽2 儿d c m 输入电压电流波形幽2 1 2 d c m f i 芙管门极驱动和电感电流波形 叁，一 塑塞堕至堕垄查堂堡! ! 堡堡茎 表2 1d c m 负载效应实验数据 输入参数 输山参数 电豫电流功率 电压电流功率 效率 p fa t h d vawvaw 1 1 3 112 2l ：j j80f ) 8 61 69 5 3 8 00 ：3 21 2 l68 95 1 1 2 6l9 02 1 1 1 o9 8 51 6 9 08 8 0o 5 01 9 009 00 i i i - 8 2 9 l3 2 0509 8 81 4 7 23 8 00 7 62 8 8 89 0 l 】i i i 1 3 8 44 1 6 809 7 8 2 04 93 8 010 03 8 009 12 i 1 0 9 748 65 2 3 90 9 8 3 1 7 2 53 8 0l2 64 7 889 l4 表2 2d c m 源效应试验数据 l输入参赘 输出参数 电v 压 电流功率电压电流功率 效率 p fa t h d awva w 2 4 l236 34 9 6o ，5 7 81 3 563 8 01 2 64 7 8 89 65 2 2 3 324 45 0 0 40 9 2 34 05 23 8 0l2 64 7 8 89 57 2 0 1 42 6 25 0 4 10 9 5 03 l5 73 8 012 64 7 8 89 50 l7 5 829 85 0 8 80 9 7 22 3 2 23 8 012 64 7 8 89 4 1 l5 093 ，4 95 1 4l0 9 7 72 08 43 8 012 64 7 8 89 3 1 13 034 0 9 5 2 1 309 8 51 68 03 8 01 2 64 7 8 89 l - 9 1 0 9549 15 2 7 ，80 9 8 61 5 5 63 8 01 2 64 7 889 0 7 9 186 2 6 5 5 0 609 4 63 2 7 63 8 01 2 64 7 888 70 2 4 电感电流临界连续模式b c m 功率因数校正技术 从前述分析与实验知道，b o o s t 电路工作在电感电流断续模式较好的实现了功率 因数校正的功能，系统可以获得较高的性能和性价比，但是这种方案导致开关电流峰 值较大，且系统功率因数校正的效果会随着输入电压幅值的增加而变差。根据乘法器 p f c 原理，并让电路工作在电感电流临界连续模式，同样能达到功率因数校正的目的， 这时不仅将开关电流峰值限制在平均输入电流的两倍，而且电路对输入电网来说将呈 纯阻性，系统可以实现单位功率因数校币，其校正的效果与其他因素无关。基于 m c 3 4 2 6 2 芯片的b o o s t 电路电感电流临界连续模式( b o u n d a r y c o n d u c t i o n m o d e ) 功 率因数校正电路如图2 13 所示，采用峰值电流控制方式。流过其开关、二极管和电 感的电流电压波形如图21 4 所示。开关管导通时，电感电流峰值为： 荦相b o o s t 功率冈数校t i 技术研究 k 加) = 竿呱， 2 5 ) 其中i 。( ，) = vs i n 耐，为正弦交流电压的全波整流结果，t o 。为功率管一个开关周期 内的导通时削，l 为电感值。 刿； 图2 13m c 3 4 2 6 2 实现的p f c 电路原理图 i 险i 仝， i ： ： 隧 习几 il l 7 图21 4b c m 主要电流电压波形 一个丌关周期内电感电流平均值为： = 半= 笃竽吸 ：s ， 南京航空航天人学颐十学位论文 平均电感电流就是电路输入电流，从整流桥输入侧看，电路输入阻抗为： r ，。= 掣= 兰0 22 7 ) i l “g u ) i 。“ 显然，在电路参数一定时，如果保持功率管导通时间为常数，那么整流桥的负载 将呈纯阻性，输入电流将与输入电压成f f 比且同相位，电路可以实现单位功率因数校 正，其电感电流与开关管门极控制信号如图2 1 5 所示【7 ，2 8 川。 图2 15 b c m 电感电流与开关管门极驱动波形 2 4 1 m c 3 4 2 6 2 芯片的特点与基本性能 m c 3 4 2 6 2 是美国m o t o r o l a 公司生产的一种高性能、临界导通、电流型功率因数 控制器。芯片采用8 脚双列直插和表面贴装两种封装形式。m c 3 4 2 6 2 的内部电路框 见图2 1 6 所示，主要包括：乘法器、零电流检测电路、电流比较放大器、低频反馈