（电力电子与电力传动专业论文）具有功率因数校正的单级隔离式dcdc变换器的研究.pdf

登坐查堂王堂堡主竺堡丝壅 a b s t r a c t r e d u c i n gh a r m o n i cp o l l u t i o na n di m p r o v i n gt h ep o w e rf a c t o ra r eh o t s p o t si np o w e re l e c t r o n i cf i e l d s r e c e n t ly ，i n t e r n a la n do v e r s e a si n v e s t i g a t o r s a r e d e v e l o p i n gs i n g l e - s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) c i r c u i t s ，w h i c h h a v eh i g h e rp o w e rf a c t o ra n dl o w e rp r i c e t h es t u d yo n s i n g l e - s t a g e p f c t e c h n i q u eh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e f o rr e s t r a i n i n gh a r m o n i cp o l l u t i o na n d r e a l i z i n gm i n i a t u r i z a t i o na n dl i g h t w e i g h to fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l i e s o nt h eb a s i so fl o t so fl i t e r a t u r e s ，t h e p a p e rs u m m a r i z e st h e c u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o no fc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yf o ra c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a n d a n a l y s e s t h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h ev i r t u e sa n dd e f e c t so fc o n t r o l t e c h n o l o g y f o ra c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n o nt h el a b o rb a s i s ，t h et o p o l o g yo fn o v e ls i n g l e s t a g ei s o l a t e dh a l f - b r i d g e p f cc o n v e r t e ri s p r o p o s e d a n dt h ew o r k p r i n c i p l e o ft h ec i r c u i ti n d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( d c m ) a n dc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) i sa n a l y z e d i t c a l l e f f e c t i v e l yr e d u c et h eo v e r s h o o tv o l t a g e o ft h e p o w e rd e v i c e s t h eh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e rn e e d n td e m a g n e t i z a t i o na n d r e s e t t i n g i na d d i t i o n ，h a l f - b r i d g es t r u c t u r eh a sg o o db a l a n c ea b i l i t y o nt h e b a s i so ft h ed c ma n dc c m ，p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) a n do n e c y c l e c o n t r o l ( o c c ) a r ed e s i g n e di ni t sc o n t r o lm e t h o d s ，w h i c hh a v e t h ea d v a n t a g e o f s i m p l i f y i n gc i r c u i t ，w o r k i n gw i t hi n v a r i a b l ef r e q u e n c y a n de a s i l ya c h i e v i n g s t a b i l i t y t h ep a p e r d e d u c e ss m a l l s i g n a l m o d ea n da n a l y s e s s t a b i l i t y c o n d i t i o n t h ec r i t e r i o nf o rm a i np a r a m e t e ri sd e d u c e d a tl a s tt h er e s e a r c ho fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti si m p l e m e n t e do nt h e p r o p o s e dt o p o l o g ya n dc o n t r o lm e t h o d s a 2 0 0 w p r o t o t y p ei sd e s i g n e d t h e m e a s u r e d i n p u t c u r r e n tt h di s6 8 p o w e rf a c t o r a t t a i n so 9 8 5 t h e p r o t o t y p e r e a l i z e st h ee x p e c t a t i o n i i 摘要 k e yw o r d ss i n g l e s t a g ep f c ；h a r m o n i cd i s t o r t i o n ；h a l f - b r i d g e ；d c m ；c c m ； o n e - c y c l ec o n t r o l t h i sw a r kw l t t ss u p p o s e db yt h on a t u r es c i e n c ef u n dp 喇c do f h e b e ip r o v i n c e 讲o ，6 0 2 2 3 4 ) i h 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 近年来，高效的电能变换日益得到重视，随着其应用的日益广泛，电 网中的谐波污染也日趋严重。由电力电子装置产生的大量谐波注入公共电 网不仅严重影响了供电质量，增加了电网损耗，而且还可能造成某些设备 不能正常工作，甚至损坏。另外，许多电力电子装置的功率因数很低，也 给电网带来额外负担。因此，抑制谐波和提高功率因数己成为电力电子技 术领域面临的一项重大课题，正在受到越来越多的关注，是国内外争相研 究的热点【l q 】。 1 2 电网谐波污染问题 1 2 1 谐波产生的原因及其危害 进入七、八十年代后，各种电力电子装置在电力系统、各工业部门、 交通及家庭和民用事业中的应用日益广泛，由电力电子装置所产生的谐波 成为电力系统中谐波的主要来源。在电力电子装置中，整流装置所占的比 例最大【，目前常用的整流装置几乎都采用二极管或晶闸管相控整流。相控 整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后是众所周知的，丽实际上直流 侧含滤波电容的二极管整流电路也是污染严重的谐波源，其输入电流的基 波分量相位与电网电压相位大体相同，位移因数接近l ，但由于其输入电流 呈尖峰状造成的谐波分量却很大，而总功率因数又很低，给电网造成严重 污染。除了整流装置外，逆变器、斩波器、开关电源等直流电压也大多是 由二极管整流再经电容滤波得到的，因此谐波污染和无功问题也很严重例。 此外彩电、个入计算机和各种家用电器及办公设备，都内含开关电源，它 们的日益普及带来的谐波污染问题也日趋严重。 谐波的存在，对供电系统主要危害有 s l ：谐波的存在，将导致系统的功 率因数降低；谐波使公用电网中的元件产生附加损耗，降低了效率；谐波 影响各种电气设备的正常工作：谐波引起公用电网中局部的并联谐振和串 联谐振是一些严重事故的根源；谐波会导致保护装置误动作，并会使电气 测量仪器计量不准确；谐波会对其它设备产生干扰，严重时会导致信息丢 燕山大学工学硕士学位论文 失。 1 2 2 谐波的限制标准 为了减小a c d c 变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的 谐波“污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性：同时也为了提高 输入端功率因数，以达到节能的效果，必须限制a c d c 电路的输入端谐波 电流分量。目前，国际电工委员会( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，i e c ) ，欧洲电工技术标准委员会( e u r o p e a nc o m m i t t e ef o r e l e c t r o t e c h n i c a l s t a n d a r d i z a t i o n ，c e n e l e c ) 和美国i e e e ( i n s t i t u t e o f e l e c t r i c a l & e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) 对谐波的限制都制定了相应的标准。在 这些标准中，当每相电流小于1 6 a 时。电气装置的谐波应满足i e c l 0 0 0 3 2 标准，欧洲的相应标准为e n 6 1 0 0 0 3 - 2 ；当每相电流在1 6 7 5 a 时，相应的 标准为i e c 3 4 。谐波测量的标准为i e c l 0 0 0 4 7 。我国也先后于1 9 8 4 年和 1 9 9 3 年分别制定了限制谐波的规定和国家标准【6 ，1 。 1 2 3 谐波的解决方法 解决电力电子装置谐波污染和低功率因数问题的主要途径有两条：一 是对电网实施谐波补偿i 二是对电力电子设备自身进行改进。相比两言， 针对电网的有源谐波补偿是一种被动的方法，解决谐波问题的积极方法是 清除或降低电力电子设备产生的谐波污染陋】。这种方法的优点是：可得到较 高的功率因数，如o 9 7 0 9 9 ，甚至接近1 ；t h d 小；可在较宽的输入电压 范围和宽频带下工作；体积、重量小；输出电压可保持恒定。其缺点是： 电路复杂、成本高、e m l 高、效率会有所降低。 目前这两个方面的研究都是电力电子技术领域的热点，本课题的研究 重点是应用不同的控制方法对提出的新型拓扑实现功率因数校正。 1 3 功率因数校t ( p f c ) 技术 1 3 1功率因数和总谐波畸变率 功率因数p f ( p o w e rf a c t o r ) 的基本定义m 0 1 是指交流输入有功功率p 与 视在功率s 的比值，如式( 卜1 ) 所示： 胁昙= 南 m ， 2 第1 章绪论 式中：p _ 一有功功率： s 视在功率； n 电压的有效值； 卜一电网电流的有效值。 在a c d c 变换电路中，略去谐波电流的二次效应，可以认为输入电压 为正弦，输入电流为非正弦，这里电流有效值为： l 。； 式中，。，( 疗) 是第n 次谐波的有效值。 设基波电流滞后于输入电压的角度为0 ，则尸f 定义为： 阿：堡! 生坐翌： y 。s i m ； ( 1 2 ) i r m 。 v ( ，i ) c o s o = k , ( 1 - 3 ) 式中k d ( = ，。，( i ) ，) 是电流波形畸变因子( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ，k 目( = c o s o ) 相移因数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) ，即功率因数为电流波形畸变因子与相移因数 之积。 总谐波畸变率m d 是表征谐波电流含量多少的一个重要参数，定义如 下： 脚：霉：簪 ( 1 - 4 ) 则功率因数与总谐波畸变率的关系为： p f ：! ! ! 竺( 1 5 ) 1 + ) 2 由上式可知，在c o s 0 一定时，t h d 越大，功率因数也就越低，因此， 提高功率因数也就应该从减小基波电压、电流之间的相角差口和总谐波畸变 率t h d 两方面入手。以上公式是整个论文的基础。 1 3 2 两级功率因数校正 功率因数校正器的研究始于7 0 年代末，但直到8 0 年代中期，自关断 器件的诞生，才极大的推动了功率变换技术的发展，促进了功率因数校正 燕山大学工学硕士学位论文 技术问题和可逆变流技术的研究。经过8 0 年代各种自关断器件的应用和脉 宽调制理论的逐渐成熟，功率因数校正的拓扑研究成为电力电子领域研究 的热点，至今方兴未艾。 随着功率电子学领域技术的发展，理论研究的不断深化，功率变换器 拓扑的日趋完善，开关电源技术以其强大的生命力，适应当今高效率、小 型化、轻量化的要求。进入9 0 年代，开关电源相继进入各种电子、电器设 备领域，程控交换机，通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广 泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。此后的研究基 本上是在b to o i 提出的电路拓扑结构下进行的，重点很快就集中升压变 流器上，研究也逐渐向系统控制技术方面发展。 d c ，d c 图1 - 1 两级p f c 变换器方框图 f i g 1 - 1b l o c kd i a g r a mo f t w o s t a g ep f c c o n v e r t e r 功率因数校正常用的一种方法是将一个与输入电压成正比的量作为电 流的基准，这种方法假定输入电压的谐波小的不足以影响对电流谐波的控 制效果。在大部分情况下，功率因数校正由一个独立的环节来完成，我们 称之为p f c ( p o w e r f a c t o rc o r r e c t o r ) 环节。p f c 的输入通常是电网，输出通 常是一个直流电压。这个直流电压会接到下面的d c i d c 变换器，或是 d c a c 变换器，以得到所需的输出形式。一个典型的带有功率因数校正的 两极变换器的结构图如图1 1 所示。第一级类似于b o o s t 型p f c 电路，目 4 第1 章绪论 的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波；第二级为d c d c 变换器或d c a c 变换器，目的在于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，使得这个电路具有良好的性能，但因元器件个数太 多，所以与没有p f c 的相同电路相比，成本将增加【“】。 两级p f c 变换器是由两个相互独立的变换器分别实现输入电流整形和 输出电压调节。前级通常采用b o o s t 变换器实现输入电流整形，输出电压为 储能电容c 。的电压k ，k 具有一个小的二次谐波，电压的变化范围一般为 3 8 0 - - 4 0 0 v 。再通过d c d c 变换器实现隔离和变换，得到直流输出电压。 d c d c 变换器实现对输出电压的快速调节。 两级p f c 方案具有优良的性能，如输入电流的t h d 一般小于5 ，功 率因数可以到o 9 9 或更高；由于k 近似恒定，d c d c 变换器可以被优化； 此外，由于以相对较高，对于一个给定的保持时间可采用较小的储能电容。 但两级p f c 方案因为具有至少二个开关管和二套控制电路，增加了成本和 复杂度，效率低，尤其在中小功率场合应用时，很不经济。 1 _ 3 3 单级功率因数校正 两级p f c 技术具有t h d 低、p f 高、p p c 级输出电压恒定、保持时间 高、输入电压范围宽、适合于各种功率应用范围等众多优点。但带来的问 题是电路复杂、成本高、体积较大。由于在低功率应用中采用两级方案的 成本太高，在竞争日益激烈的环境下，许多厂商和科研机构都开始关注单 级p f c 技术。目前欧洲强制要求市场上出售的7 5 w 以上的电子设备必须满 足i e c l 0 0 0 3 2 电流谐波限制标准，而且今后会改为对5 0w 以上的电子设 备强制执行。现在国内外开发的单级高功率因数电路，功率因数可达0 9 ， 而成本只增加5 ，因而研究单级功率因数校正及变换技术成为很迫切的要 求。 单级p f c 变换器的目标就是低成本和高效率。从拓扑结构上讲，依然 可以将单级p f c 变换器分为p f c ( 输入级) 和d c d c 变换级( 输出级) 两个部 分，这两个部分结合在一起，共用一个开关元件( 对单开关而言) ，一个控制 系统，两级间需要一个储能元件平衡输入输出能量间的差异，往往是一个 储能电容。 燕山大学工学硕士学位论文 单级隔离式p f c 变换器可分为串联式和并联式两种。建立在b o o s t 基 础上的串联式单级隔离p f c 变换器与两级d c d c 变换器相比有电压应力 高，损失较多的缺点。 k 岔谜 b 盒r ( a ) 加低频辅助开关的单级p f c 变换器 ( a ) a ni m p r o v e dc c m s 4 - p f cc o n v e n g rw i t ha u x i l i a r ys w i m hs r tv d 3 厂嗣r l - l j ( b ) 带有源箝位和软开关的b o o s t - f l y b a c k 单级隔离式p f c 变换器 ( b ) as i n g l e - s t a g e i s o l a t e dp f cc o n v e n e rw i t ha c t i v ec l a m p i n ga n d s o f ts w i t c h i n g ( c ) 加入大电容电压反馈的单级p f c 变换器 ( c ) as i n g l e s t a g ep f c c o n v e n e rw i t hb u l kc a p a c i t o rv o l t 8 9 ef e e d b a c k 图1 - 2 三种新型的单级p f c 变换器拓扑 f i g1 - 2t h r e e k i n d so f n o v e l s i n g l e - s t a g ep f c c o n v e r 钯f s 6 霎 气t 一堕 一 一 坷 第1 章绪论 近些年来，许多研究者在r i c h a r dr e d l 提出的拓扑的基础上研究出各 种更完善的单级隔离式p f c 变换器【1 2 叫钔。它们与先前研究的变换器相比， 在降低贮能电容电压，减少谐波失真和快速调节输出响应等方面有很大的 改善。这里简单介绍三种新型的单级p f c 变换器 ”_ 7 1 ，并给出电路原理图， 如图1 2 。 1 4 功率因数校正技术典型控制方案 有源功率因数校k ( a p f c ) 的控制方法必须保证实现稳压输出和单位输 入功率因数。为了实现以上目标，众多学者提出了多种不同的控制方案， 以实现不同性质的整流器和满足不同应用场合的需要 1 8 - 2 2 】。根据电感电流 是否连续，a p f c 可分为不连续导通模式d c m ( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o n m o d e ) 和连续导通模式c c m ( c o n t i n u o u s c o n d u c t i o nm o d e ) 两种控制【2 3 0 引，其 中，在c c m 模式控制中，根据是否选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制 量，又可分为间接电流控带1 ( i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 ) 和直接电流控匍 ( d i r e c t c u r r e n tc o n t r 0 1 ) 两大类：引入电流反馈的称为直接电流控制，没有引入电流 反馈的称为间接电流控制【2 5 , 2 6 1 。 1 4 1 d c m 控制模式 d c m 控制又称为电压跟踪控制( v o l t a g e - f o l l o w e rc o n t r 0 1 ) ，它是a p f c 中 简单而实用的一种控制方式，应用较为广泛 2 7 - 3 2 。为了获得理想的稳定输 出电压，需要输出电压闭环反馈控制环节，开关由输出电压误差信号控制。 在一个开关周期电感电流的平均值正比于输入电压，因此输入电流自然跟 随输入电压。 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。因 此，不再需要电流控制环，输入电流的平均值能自动跟踪输入电压呈正弦 波形。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 踪输入电压：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【2 9 1 ，对滤波电路要求高； 同时输出含有二次谐波，功率器件承受较大的电流应力。 1 4 2c c m 控制模式 c c m 控制模式有直接电流控制和间接电流控制两种方式。直接电流控 7 燕山大学工学硕士学位论文 制的优点是电流瞬态响应特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬 态电流，控制电路过于复杂。间接电流控制的优点是结构简单，开关机理 清晰。 1 4 2 1 间接电流控制间接电流控制又称为相位幅值控制，是一种基于工频 稳态的控制方法，它通过控制整流器输入端电压，使其与电源电压保持一 定的相位、幅值关系，从而控制交流输入电流呈正弦波形，且与电源电压 保持同相位，使装置运行在单位功率因数状态。它的缺点是自身无限流功 能，需另外加过流保护电路：系统从一稳态向另一稳态过渡时电流中会出 现直流分量：系统动态响应慢。 1 4 2 2 直接电流控制直接电流控制是目前应用最多的一种控制方式。基本 思想就是将输入电压信号与输出电压信号相乘作为电流控制器的电流给定 信号，电流控制器控制输入电流按给定信号变化。由于控制结构中含有乘 法器，因此直接电流控制又称为乘法器控常j ( m u l t i p l i e ra p p r o a c hc o n t r 0 1 ) 。由 于输入电流总带有一些开关频率纹波，因此必须决定反馈哪一个电流，由 此产生了峰值电流控制、滞环电流控制和平均值电流控制三种控制方法， 但都需要使用乘法器控制。它的缺点：电路复杂，需要检测电感电流、输 入电压，并且需有电流环补偿网络；输出具有二次谐波，动态响应慢；乘 法器的非线性失真也增加了输入电流的谐波含量。 1 4 3 其它新型控制方式 除了上述几种控制方式外，近年来又不断出现许多新的控制方法如极 点配置控制【3 4 】，无差拍控制【3 5 1 和模糊控制【3 6 】等。这几种控制方法侧重点是 放在替代传统的p i 调节器上，以控制理论方式来考虑整体系统，目的是提 高整流器系统的稳定性和快速性。但是由于整流器是一个非线性系统，其 数学模型是一个近似模型，因此以上控制方案还处在研究阶段。单周期控 制【3 n 9 1 ( o n e c y c l ec o n t r 0 1 ) 是马可月博士提出的新控制技术，其主旨是在一 个开关周期内控制平均电流或电压以期达到参考值，单周期控制的优点为 控制线路简单，能在一周期内消除输入线电压扰动，开关频率恒定，而且 可以得到非常快的动态响应。 1 4 3 1 无差拍控制无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础上发 第1 章绪论 展起来的全数字化的控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值及 各种开关状态下逆变器电流输出，选择某种开关模式作为下一时刻的开关 状态，从而达到电流误差为零的目标。无差拍控制最显著的优点就是系统 动态响应快，缺点是它要求建立精确的数学模型，当理想模型与实际对象 有差异时，剧烈的控制动作会引起输出电压的振荡，不利于系统稳定运行。 但近年来不断有新的改进方法提出1 4 0 1 。 1 4 3 2 单周期控制传统的c c m 模式下电流的控制需要乘法器和对输入电 压与输入电流进行检测，控制电路复杂且成本高，乘法器的非线性失真也 增加了输入电流的谐波含量，因此，不带乘法器的简化控制方式成为a p f c 研究中的一个热点。将这种控制方法应用于功率因数校正是近年来一种新 的尝试，有许多相关理论和问题尚有待探讨和解决。 该方法的突出特点是：无论是稳态还是暂态，它都能保证受控量的平 均值恰好等于或正比于给定参考，即能在一个周期内，有效的抵制电源侧 的扰动，即没有静态误差，也没有动态误差。这种方法可广泛应用于非线 性系统的场合，比如脉宽调制、谐振、软开关等电路。 1 5 p f c 技术的发展方向及课题研究的意义 1 5 1p f c 技术的发展方向 近年来，功率因数校正技术研究的热点问题集中在以下几个方面j ： ( 1 ) 基于已有的原理或新原理下的新拓扑结构的提出。 ( 2 ) 把d c d c 变换器中的新技术( 如软开关技术和开关电容功率网络等) 应用于p f c 电路中。 ( 3 ) 新控制方法( 基于已有的拓扑结构的新控制方法) 以及基于新拓扑的 特殊控制方法的研究。一般来说，目前控制技术的研究日趋复杂，广泛使 用的中小功率用电设备难以承受随之带来的成本增加。因此，对中小功率 电器设备来说，控制简单的低成本功率因数校正电源是比较受欢迎的。 单级p f c 稳压开关变换器的稳定性的研究。采用单级结构后，由于 p f c 和d c d c 变换部分存在不可避免的相互联系，因此有必要研究这类变 换器的稳定性，以便设计出达到期望性能指标的开关电源。 总之，成本低、结构简单、容易实现，并且具有软开关性能、高响应 9 燕山大学工学硕士学位论文 速度、低输出纹波的单级隔离高功率因数变换器是研究人员的最终目标。 1 5 2 本课题的意义 单级隔离式功率因数校x e ( p f c ) 技术与两级p f c 相比效率高，控制简 单，是高性能开关电源的发展方向。研究适合中等功率并有软开关功能的 单级隔离式p f c 技术对进一步提高开关电源性能和效率，简化系统复杂度， 减小对电网的谐波污染都有重要意义。 从1 9 9 8 年在美国加州阿拉海姆举行的i e e e 应用电子技术第十三届年 会可以看出，中小功率开关电源在美国电源工业总产值中占有比例最大。目 前国外对p f c 控制技术、数学模型、检测技术及软开关等方面都做了大量 的研究，并已经开始大规模应用。而国内在理论上也有一些研究，只是实 际应用方面刚刚起步。今后，随着我国对“绿色”电网的要求日益严格， a p f c 技术的应用将越来越受到重视。p f c 技术已成为电力电子学领域重要 的研究课题，带有p f c 的开关电源的发展与应用在节约能源、资源及保护 环境方面都具有重要的意义【4 2 1 。同时，此项研究对开关电源的国产化以及 是否能把我国电气产品打入国际市场都有深远的意义。 1 6 本文主要研究内容 ( 1 ) 在查阅相关文献资料的基础上，阐述了电网谐波污染问题和谐波抑 制的方法：简要回顾了功率因数校正技术的发展及现状；分析了目前常用 的有源功率因数校正控制技术的分类和优缺点；并展望了功率因数校正技 术的发展方向及本课题的研究意义。 ( 2 ) 在第2 章中，提出了一种新型的单级功率因数校正主电路拓扑方案， 详细分析了其在d c m 和c c m 下的工作过程，分别总结了在两种工作模式下 电路的优缺点，同时讨论了高频变压器的设计要点，并详细计算了主电路的 参数。 ( 3 ) 第3 章中，分别对电路的两种工作模式建, - c r y 数学模型，并详细介绍 了各自的控制原理，进行了稳定性分析。 ( 4 ) 在第4 章介绍了脉宽调制控制和单周期控制在单相单级p f c 变换器 中的具体实现。根据所进行的理论分析，使用脉宽调制控制器s g 3 5 2 5 和光 耦控制电路( t i j 5 2 l 和t l 4 3 1 组合) 实现d c m 下的闭环控制；同时运用单周 1 0 第1 章绪论 期控制原理，获得了实现单相p w m 整流器单位功率因数的关键方程式，并 且用一个具有复位功能的积分器、比较器和d 触发器来实现该方程式，控制 简单，成本低。最后给出了相关参数的具体设计过程。 ( 5 ) 最后一章通过分析仿真和实验波形，验证了理论的正确性，并对 出现的问题进行了讨论，最后得出了结论。 一一一 苎些u 大堂三堂堡圭堂垡堡壅 第2 章单级半桥功率因数校正电路 的工作原理与设计 2 1 引言 从八十年代起，人们开始研究p f c 电路拓扑和控制方案，与普通的两 级d c d c 变换器相比，单级p f c 变换器的功率器件和储能电容要承受更高 的电压应力，产生更多的损失。在广泛调研和大量仿真研究的基础上，针对 现有单级功率因数校正电路的缺陷，研究了单相p f c 电路的拓扑结构，提 出了一种新型的单级隔离式p f c 半桥d c d c 变换器。这种半桥结构有许多 优势【4 3 】，它能使电流正反两个方向变化，不需要去磁复位处理，并减小了储 能电容的电压应力，同时，还具有良好的平衡能力。 2 2 主电路工作原理 2 2 1 主电路拓扑 如图2 1 所示，电路可以看成是b o o s t 升压式p f c 变换器和后级的半桥型 d c d c 变换器的串联组合，这两个变换器共用开关v t l 、v t 2 ，结点a b 既是 p f c 单元的输出，又是d c d c 单元的输入。 t 图2 1 主电路拓扑 f i g ，2 - 1t h e m a i nc i r c u i tt o p o l o g y 这种拓扑形式有下述一些优点： ( 1 ) 单级p f c 拓扑在性价比上比两级变换有更多的优势，对于实现当今 1 2 茎! 翌鱼堕塑三堡壁矍皇堡盐 开关电源的小型轻量化有重大意义； ( 2 ) 半桥结构有许多优势，它能使变压器原边的电流正反两个方向变 化，不需要去磁复位处理，同时具有对变压器漏感的续流回路，所以功率 器件的电压过冲小，同时，还具有良好的平衡能力： ( 3 ) 通常的b o o s t 型变换器，储能缓冲电容在开关断开后，由于电感中 的电流不能突变，将产生极性为左负右正的电势并与输入电源叠加，使储 能电容承受较高的电压应力。而此电路的半桥结构解决了这个问题，电容 c l 和c 2 分担升压后的电压，且和基本保持恒定，减小了电容上的电 压应力。 2 2 2 工作过程分析 根据电感电流是否连续，p f c 电路的工作模式可分为不连续导电模式 ( d c m ) 和连续导电模式( c c m ) 。d c m 模式具有控制简单、输入电流自动跟 踪电压、电感量小等优点。c c m 控制模式有直接电流控制和间接电流控制 两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态响应特性好，自身具有过流保 护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路过于复杂。 为了更好的比较这两种工作模式的优缺点，本文对提出的拓扑前级升 压电感电流在d c m 和c c m 下都进行了详细的分析和设计，以比较它们的性 能，找出相对更为适合的应用场合和范围。而d c d c 部分采用电流连续导 电模式，此模式下当负载变轻时，输出功率减小，占空比不随负载变化而 变化。这样充入储能电容的能量大于从储能电容抽走的能量，导致储能电 容电压上升。为了保持输出电压一致，电压反馈环调节输出电压，使占空 比减小，从而相应地减少输入能量。这个调节过程要到输入和输出功率平 衡后才停止，负载减小的结果是明显地增加了电容电压，所以半桥的两个 储能电容能够很好地解决这个问题。 2 2 2 1 不连续导电模式在图2 】所示的变换器中，当p f c 单元工作在d c m 下，电路具有控制简单、功率因数高、电感量小等优点，并且不需要缓冲器。 根据两个功率m o s f e t 的开关状态，在一个开关周期内电路的工作过程可以 分为五个阶段，图2 2 是稳态时变换器的驱动电压和电感三l 、电容c l 、c 2 及变 压器t 的电流波形。 燕山大学工学硕士学位论文 。1广。 缫 ff。 ni ul j 。 r 1广，1广， l ju t nt l t ，t 1t _ t t 图2 2 变换器的稳态波形 f i g 2 - 2s t e a d y - s t a t ew a v e f o r m s o f t h ec o n v e r t e r ( 1 ) t o t l 阶段：t o m 刻，开关v t l 关断，v t 2 导通，二极管d 2 导通后经过 v t 2 给电感1 充电，电感电流屯逐渐增大；同时d 3 导通，电容c 2 放电，在变 压器原边形成反向电流一i r ，电容c 2 中也为反向电流一i c 2 ，电路在，0 “阶段 的电流流向如图2 3 所示。 图2 3 如f l 阶段电流流向 f i g 2 - 3c u r r e n t d i r e c t i o na tf 0 “s t a g e d i ， 印素刮 q 百d u q = 铲+ 号q 百刮r2 + 青 k 等飞 1 4 ( 2 1 ) 峰 u 冲 第2 章电路的工作原理与设计 式中：i 。电感三i 的电流； u 。电容c 2 两端的电压； i ，变压器原边的电流； f 电感2 的电流； f ，。变压器的激磁电流。 这一阶段电路中各量的状态方程由式( 2 1 ) 给出，其中“为电网电压整流 后的直流输入电压“= i s i n 耐 ，n 为变压器的变比，变压器的激磁电感为上卅。 ( 2 ) t l f 2 阶段：t l 时刻，开关v t 2 关断，此时v t l 仍关断，变压器t 原边无法形成回路，i ，为零，副边负载通过整流二极管续流。电感三，开始 放电，二极管d l 导通，电感电流f 。逐渐减小；电容c l 和电容c 2 中的电流 也逐渐减小，但两个电容始终处于充电过程。电路的电流流向如图2 - 4 所示， 状态方程为式( 2 2 ) ，其中电容c l 和电容c 2 的串联等效为电容c 。 t 图2 4t l t 2 阶段的电流流向 f i g 2 - 4c u r r e n t d i r e c t i o na tt l t 2s t a g e 厶。詈+ + ( 2 - 2 ) c d 出g l c = 屯 ( 3 ) f 2 ，3 阶段：也时刻，开关v t l 导通，v t 2 关断，电感l 继续放电，电容 c l 的电流屯突然减小，减小值等于，即变压器原边的电流。原因是当开关 v t 导通时，电容c l 开始通过v t i 放电，电流流过变压器的原边，放电电流与 电感的充电电流方向相反，所以表现为电容电流屯的突然减小a 图2 5 是这 皿 厂l 燕山大学工学硕士学位论文 一阶段的电流流向，电路的状态方程如式( 2 3 ) ： t 图2 5t 2 t 3 阶段的电流流向 f i g 2 - 5c u r r e n t d i r e c t i o na tt 2 t 3s t a g e 西， 炉印吾c t + 。c 2 ( 2 - 3 ) ( 4 ) f 3 “阶段：如时刻，开关v t i 仍旧导通，但功率开关管v t 2 关断，此 时升压电感工，上的电流f l 减小到零。电容c ，继续放电，提供变压器原边的电 流。，向后级传输能量，f 为正向电流，即0 = 一i q ，电容q 因无法形成导 电回路，所以电流为零。这一阶段电路工作时的电流流向如图2 - 6 所示，电路 的状态方程为式( 2 4 ) ： c 川 _ j l 一 l j 图2 6t a t 4 阶段的电流流向 f i g 2 - 6c u r r e n t d i r e c t i o na tt 3 t 4s t a g e 1 6 野衄 k 一 丸百咆 堕防也堕出 q c = ( 5 ) t a r t s 阶段：“时刻，开关v t i 关断，v t 2 仍关断，由于二极管d 4 反向 关断，i 。为零，i ，也为零，电路中只有负载侧通过整流二极管续流，因此本 阶段的电流流向图不再给出。 由这些详细的阐述我们不难得出，当p f c 级电感电流工作在不连续导 电模式时，电路具有以下一些优势： ( 1 ) 输入侧工作在不连续导电模式，自动实现了功率因数校正。 ( 2 ) 通常的b o o s t 型变换器，储能缓冲电容在开关断开后，由于电感中的 电流不能突变，将产生极性为左负右正的电势并与输入电源叠加，使储能 电容承受较高的电压应力。而课题中提出的电路的半桥结构解决了这个问 题，电容c l 和c 2 分担升压后的电压，且和v 。基本保持恒定，两个电容 上的电压应力都较小。 ( 3 ) 半桥结构具有对变压器漏感的续流回路，因此功率器件的电压过冲 小。 ( 4 ) f l q 于流过变压器的电流为正、反两个方向，所以变压器的磁芯不断地 被正、反向磁化，不需要对隔离式变换器进行去磁复位处理。 2 2 ，2 2 连续导电模式在图2 ，l 所示的单级隔离式功率因数校正变换器中， 当p f c 单元工作在c c m 下，根据两个功率m o s f e t 的开关状态，个开关 周期内电路的工作过程可以分为四个阶段，图2 7 是稳态时变换器的驱动电 压和电感、电容c 1 、c 2 及变压器t 的电流波形。为了清晰直观地说明变换 器的工作原理，详细分析了各个工作阶段，并给出了电路工作于各个阶段 的电流流向及状态方程。 ( 1 ) t o u t l 阶段：t o 时刻，开关v t l 导通，v t 2 关断，电感三l 继续放电，电 容c l 通过开关v t i 释放能量，电流通过变压器原边和电容凸形成回路，向后 级传输能量。电路的工作电流如图2 8 所示，状态方程见式( 2 5 ) ，各量的表示 符号同d c m 下一致。 陋 k 一 ”盟田 争一 q ” 一一一夔生奎兰三堂堡主兰垡堕奎 图2 7 稳态时变换器的主要电流、电压波形 f i g 2 7s t e a d y s t a t ec u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m s o f t h ec o n v o r t e r lj - lj c l u ，l ， 2 c i 吾“m + 青 。争 (2-5)d c ：百u c 2 屯，+ 等 。 “= 厶i d u + - b c 2 ( 2 ) t l t 2 阶段：，1 时刻，开关v t 2 关断，此时v t i 仍关断，变压器t 1 8 第2 章电路的工作原理与设计 原边无法形成回路，为零，副边负载通过整流二极管续流。电感l 继续 放电，给电容c i 、c 2 充电。将电容c i 和电容c 2 的串联等效为电容c ，这 一阶段的状态方程为式( 2 6 ) ，工作电流如图2 - 9 所示。 t 瑚 lj 、一 _ lj 图2 9f l ，2 阶段的工作电流 f i g 2 9c u r r e n t d i r e c t i o na tt r o t 2 s t a g e ( 2 6 ) ( 3 ) t 2 t 3 阶段：t 2 时刻，开关管v t , 关断，v t 2 导通，此时二极管d 2 导通，经过功率开关管v t 2 形成回路给升压电感电感l 1 充电：同时d 3 导通， 电容c 2 放电，在变压器原边形成反向电流，向负载传输能量。这一阶段的 状态方程为式( 2 7 ) ，工作电流如图2 - 1 0 所示a t w 2 1 0t 2 t 3 阶段的工作电流 f i g 2 - 1 0c u r r e n t d i r e c t i o na t ，2 岛s t a g e 1 9 刮 犯 忆 + | l 魄盟出 堕旃d l 燕山大学工学硕士学位论文 l 堕：。 d t c 2 百d u g 唱= ，+ 号 ( 2 _ 7 ) 厶等强二 ( 4 ) t 3 t 4 阶段：t 3 时刻，开关v t l 和v t 2 都关断，此时电感三，开始放电， 二板管d l 导通，电感电流减小，给电容c l 、c 2 充电。工作电流同卸龟阶段， 如图2 9 所示，电路的状态方程同式( 2 6 1 。 当p f c 级电感电流工作在连续导电模式时，除了以上分析的拓扑本身具 有的优势外，电路还具有以下一些优点： ( 1 ) 输入电感电流工作在连续导电模式，可以减小开关管的电流应力， 同时相同的装置，在该模式下电路可以从电网吸取更大的功率； ( 2 ) p f c 电路输入滤波器对电路输入功率因数和电路动态稳定性都有较 大的影响。在c c m 模式，由于输入与输出电流纹波小，电流畸变率低，e m i 小，对滤波器要求低，所以可省去输入滤波器，这样就减小了输入相移因 子，提高了功率因数。 2 3 主电路的参数选择 2 3 1 输入电感的选取 2 3 1 1 不连续导电模式对于升压变换部分，设输入的