（电力电子与电力传动专业论文）中大功率单级隔离型pfc的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tt h e 丘d n t e i 通，t om e e tm er e q u 妇即n t so fl a r g 口p o w e rc a p a c i 吼m o r es m c t l i l n i t so f 1 a 1 1 n o n i cd i s t o m o na i i d1 0 w e rc o s t b a s e do nd e 哳l e da n ds p e c m ca i l a l y s i s o fi n t 阴试砷e dt e c l l i l 0 1 0 9 ya b o u tp f c as i n g l e s t a g ei s o l a t ef u n - b r i d g ep f c ( s s 邱 p f c ) c o n v 眦e ri si n 昀d u c e da n di ss u c c e s s f u u yd e v e l o p e d i si u u g 嘶t e dm a t c o m p a 删w i 血m e 仃a d m o n a l 铆。一s t a g ep f cs o l u d o n ，m ea d o p t e dt 叩0 1 0 9 yi sa p r e 晒a b l ec a i l d i d a t ef o ra p p l i c 撕o nw 油c h a r a c t 商s t i co fl l i 曲e rp o w e rl e v e l ，l l i g h p o w e rf a c t o ra n di s o l a t i o n m o r e o ve r l l i 曲e rp o w e fd e n s 时锄dh i 曲e rc h a r a c 缸i s t i c o fc o s te 目眈t i v ea r ea c h i e v e d f i r s to fa u ，t t l ec o n v e n d o n a ls o l u t i o nf o rs a t i s f y m gh i g hp o w e r1 e v e l ，h 培hp o w e r f a c t o ra i l di s 0 1 a d o ni ss p e c i 丘c a u ya l i a l y z e d 卸dt h ea c h i e v e m e n to fc o i i l _ b i i l i n gm e p f c 、v i t hi s o l 撕o nt e d u l o l o g yi sa l s op r e s e n t e d t 1 1 e 仃a d i t i o n a lt e c l l n o l o g i e sh a v e t h es h o r t c o m i i l g so fh i g hc o s t ，c o m p l e xs m l c t i l r e ，a n dh a r dt 0c o n 廿0 1 i ti sn e c e s s a r y t od e v e l o paf a v o u m b l ec o n v e f t e rw h j c hc a i ls a t i s 母t l l er e q u 咖e n t so fi l i 曲p o w e r d e n s i 吼 l i 曲p o w e rf a c t o ra n di s o l a t i o n b 印p l i c 撕o no fi i l d u s y m ep r e v i o u s s i n 西es t a g ek o l a t 甜p f ct e c h n o l o g yc a n tr e s o l v ea l lm ep r o b l e m sa s1 0 wp o w e r c 印a c i t ) ，l e v e l ，c o m p l e xs m l c t l l r e ，a n dt l l ec o n m c tb e t w e e np o w e r f a c t o ra n dv 0 1 t a g e p r e s s u r e0 v e rd e v i c e s t ba c h i e v em ee x c e l l e n tp e r f o m a n c ee i t h e ri np o w e rf a c t o ro r 血i s o l a d o ni n h i g hp o w e ro c c a s i o n s 、v i ms i n g l es t a g e 如l a t e dp f c ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t i l d i e sm e b 0 0 s tp f ca n dc o n 廿0 1m e t l l o d ，a b s 0 工b s 也ei n p u tc u r r e n ts h a p e rt e c h n o l o g yo f b o o s ts m l c t u r ea i i dc o n n d l 1 0 百cw h i c h i se s t a - b n s h e d b ym u l t i p e r t h a t c o m p m 血s eb e m e e ni s o l a t i o n ，p 蜘a n c e ，c o s ta n d 仃a i l s f 色r r i n ga b i l i t yo fl l i 曲 p o w e ri ss u c c e s s f u u ya c l l i e v e db ys i n 西 s t a g ef u u _ b r i d g ep f ct o p o l o g y w ec a n d e v e l o pan e wh 曲p o w e rs i n g l es t a g e b o l a t e dp o w e rf a c t o rc o 廿e c t i o n t e c l l o l o g yb yc o m b i n i i l gb 0 0 s tp f c 砌u c t o rw i 血f u - b r i d g e i s o l a t i o n t e c h n o l o g y i 浙江大学硕士学位论文a b s w u c t r ) rc o n v e n d o n a lf i l l l - b r i d g ec o n w ! n m ei n p u ti sv o l t a g e 帅e ，w h e r e a s ，m e o u t p u ti sc 嘲tt y p e h o w e v e r c o i n b i l l i i l gt t l ef l l n - b r i d g et 叩0 l o g y 谢mp f c o p e r a t i o n ，m em p u t i sc u 砌t 帅e ，w h e r e a s ，m eo u t p l ni s v o l t a g et y p e c 蛳s p o n d i n g l y 却od i 街c u np m b l e m s ，血o s eh i 曲v 0 1 t a g es t r e s sr e s u l t i n gi nb y l e a k a g ei n d u c t a i l c eo ft h es w i t c 血e sb r i n g so nm o r el o s sa n dv o n a g e s e c o n db a l a i l c e o f 仃a n s f b m e ri sd e s 的y e db ys w i t c h i n gm o d e ，0 c c 吐f o rs 0 1 v i n gm ep m l e m0 f 瑚卿e t i = 曲gb i a s ，an e w 咖s f 0 肋e r 慨 l i l i ci s 脚叫t e d 柚dc o n 昀ls 仃a c e g yi s o p 吐1 1 1 i z e d f o rf i l n h e ri n v e s t i g a t i o n ，s e v e r a ls o f ts w i t c l l i n gc a l l d i d a t et o p o l o 西e sa r e p r o p o s e d f i n a l l y l i sd i s s e n a t i o ns h o w sb o 山t i l ed e s i 鲥n gc o n s i d e m t i o no ft l l ed i 百t a l c o n 仃d e ra 1 1 d d e s i g i l i n gp m c e s so fm a i nc o n v e n nt h ee x p 硎m e n tr e s u l t s s u c c e s s f u n ym a t c h 廿l ed e s i r e ds p e c i f i c a d o n k e yw o r d s ：p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，s i n 班es t a g ei s o l a t e dp f c ，h i 曲p o w e r i v 浙江大学硕士学位论文第一章引言 1 1 1 背景 第一章引言 1 。1 立题背景及意义： 随着当今人类文明高度发展，电力成为了人们日常生活以及生产活动中最 重要的能源形式。电能从发电厂产生，通过输电线送至用电地域，经过降压后 分配给各用电单位。对于大部分用电场合来讲，电能不能直接从电网取用，而 是需要经过转换才能为各种设备和用电电器所利用。电网电能的转换主要由开 关电源、不控整流器或者晶闸管整流器来完成。传统的电能转换装置会在电网 中产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为公害，损害电网，造成巨 大能源浪费和经济损失。 几乎目前所有的电网送到用户端的都是正弦波形式的交流电源，而实际上 绝大部分的电子设备都需要直流。很多的场合都是将1 1 0 v a c 或者2 2 0 v a c 的电 源直接整流后获得初放的直流电源，然后再将其经过d c 仍c 方式转换成精细的 直流电供给用电设备。这个整流方式可以认为是市电带r c d 负载( 整流性负 载) ，其电流只在输入电压的峰值部分有一个很高的的尖峰，其他部分则没有电 流。这样有一个很严重后果，电流含有很大成分的谐波，这个谐波不做功，但 是在电网里流动，在线路上消耗大量的功率，严重影响电网的效率和运行安全。 解决这个问题的最根本的办法就是将所有的用电设备都设置成电阻性的负载。 图1 1 整流性负载的电流 针对高次谐波的危害，从二十世纪九十年代初，各国就开始以立法形式来 限制电网高次谐波，传统的开关电源都在限制之列。如何抑制和消除谐波对公 共电网的污染、提高功率因数已成为当今国内外电源界研究的重要课题。p i = c 浙江大学硕士学位论文第一章引言 ( p o w e ff a c t o rc o r r e c 垃0 n ) 技术应用到新型开关电源中，已经成为现代电源的 重要组成部分。纯阻性负载的输入电流跟随输入电压，当输入电压是一个标准 的正弦波，则其输入电流也是一个标准的正弦波。如图1 2 所示。其输入电流 只含有工频基波成分，没有高频成分，因此电网只需要给这种负载提供一个纯 净的与电压同步的正弦波电流，可以使得电网的效率最大化，提高运行安全， 并可保护敏感设备。p i 电路的最大目标，就是要把所有的负载特性都调制成 阻性负载形式。 图1 2 ( 纯阻性载) 功率因数为l 的情况下输入电流与输入电压的关系 信息技术产业的发展对开关电源提出更高的要求，对功率等级、负载特性、 功率密度和可靠性等要求不断抬高，开关电源技术的发展成为信息技术产业的 一个重要基石。在相当多的场合，用电设备需要和电网电气绝缘，以保证用电 设备的安全稳定和操作人员的人身安全。因此稳定可靠的电源隔离技术是电源 领域的重要部分，有着巨大的需求。 此前的兼具p f c 与电气隔离的开关电源解决方案都存在结构复杂、功因 低、效率低、功率小等缺点中的一项或者几项。随着开关电源技术的发展，开 关器件更加接近理想器件的特征，磁性材料具有更低损耗、更高功率等级，高 性能d s p 得到广泛推广应用，以及电源控制技术特别是d s p 在电力电子中应 用的长足发展，使得我们有更多的手段和更充分的知识准备来研究中大功率等 级的兼具结构简单、高功率因数、高效率等优点的单级隔离型p f c 解决方案。 1 1 。2 意义 中功率单级隔离型p f c 有着巨大的需求和广泛的应用前景，它将应用在不 间断电源、中大功率通信电源、中大功率变频器等中大型复杂开关电源系统中。 现有的单级隔离型p f c 技术大多在反激或者正激架构上发展而来，采用断 浙江大学硕士学位论文第一章引言 续模式或者变频控制等，功率等级无法上去，结构复杂，电压应力大，效率低 下。为防止偏磁，线路中大多热入隔直电容，造成很大的电压应力，限制了功 率等级。这类单级隔离型p f c 一般应用在小功率、谐波要求低的场合，无法适 用在i k w 以上的应用领域。 在当前中大型开关电源系统需要采用隔离方式时，大多在输入p f c 级前加 工频隔离变压器或者在p f c 后加入一个高频隔离变压器。第一种方式简单，易 于实现，但是馒褥憩源系统笨重且代价不菲；第二种方式使 ：导开关电源系统大 大复杂化，并面对多级级联系统难以稳定等问题的困扰，并降低了系统的可靠 性，同样也有成本方蟊鹃压力。从安全瞧方面考虑，用电设备都应该与电网隔 离。由于电气隔离在中大功率领域遇到以上的困难，当前相当多的不间断电源 与变频器在设计时就干脆放弃电气隔离的要求，随着社会和科技的发展，这种 做法必将成为过去。 将传统p f c 功能与高频隔离系统结合起来形成单级隔离型p f c 使得系统 更加简洁、节省了部分的功率半导体器件、节省了部分储能电容、将两个独 立的控制器简化成一个，不仅简化了设计，节省了成本，还避免了两级以上系 统稳定性方面的难题，缨小体积、提舞功率密度，也能提高系统效率。 综上所述，发展一种单级隔离型p f c ，实现中大功率电源功率因数校正和 隔离一体化，将解决现有电源系统遇到的成本、体积、效率与控制等方面的难 题，推进中大功率的电源系统的发展，产生巨大的社会和经济效应。 1 2 当前的技术状况： 1 2 1 单级隔离型功率因数校正技术的现状 在2 0 世纪9 0 年代初，美国科罗拉多大学教授e r i k s o n 教授等提出将前置 级b o o s t 电路和詹随的f l y b a c k 变换器或者f o r 张r d 变换器的妁s f e t 共用，提 出了所谓的单级p f c 变换器。研究单级p f c 技术的目的使减少元器件数量，降 低成本，提高效率和简化控制等。其控制采用了般的p w m 方式，敌而简单。 为保证高输入功率因数输入电感的电流应当为电流不连续模式，在这里控制 浙江大学硕士学位论文第一章引言 器的作用是保证快速、稳定的输出。对于输入功率因数，则需功率级自身获得。 功因的高低、谐波电流以及中间电容的高低与电感的大小和电路的拓扑结构等 密切相关，这成为前段时期内国外研究较多的方面。但是这类拓扑都只能在小 功率的场合使用，2 0 0 w 以上就勉为其难了，各项性能也只能在各项指标之间折 衷组合。美国李泽元博士等曾提出过的p u s 艘u l l 9 和日本开发人员尝试过的 全桥架构 1 8 ，都是向中功率级别发展的努力，取得了非常大的进步，但是仍 未得到完善和推广，功率等级仍然被限定在2 k w 以内，尚无大规模商业应用的 先例。国内发表的一些研究成果大多还在仿真论证阶段，离实际应用距离尚远。 因为单级隔离p f c 性能尚未达到最优，许多问题有待改进，与传统的p f c + 隔 离技术相比尚无大的相对优势，单级隔离p f c 方面仍然有大量工作需要去做。 1 2 2 传统的功率因数校正电路+ 隔离d c d c 在单级隔离p f c 正式投入实用前，当用电设备需要和电网隔离时，一种最 简单的方式是在输入前加一个工频变压器，对于输出是交流方式的逆变器或者 不问断电源，也可以在输出端接入一个工频变压器，这都不符合电力电子系统 设计者和用户的初衷。若要全部用电力电子的方式来解决问题，办法就是在p f c 级后厦加入一个专门用于隔离的高频隔离电路，分别实现功率因数校正和电气 隔离，如图l 所示。 r j _ p f c 级a c d c t 图1 3p f “高频隔离结构 图1 4p f c + 高频隔离d c d c 结构的能量流图 这种方式的优点： 1 、 相对于增加工频变压器的方式来讲，它的体积大为缩小，成本也有 一定程度的降低； 2 、 对于最终为直流的输出系统，基本上不需要再变换即可满足要求； 4 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 3 、如果没有后续输出级，控制系统的实现分为p f c 的控制和高频隔 离级的控制，互相间的影响不大，实现起来难度较小。 缺点： 1 、这是一种过渡时期的解决方案，对比于单级隔离p f c ，太过复杂，变 换次数太多，效率低下，也影响了体积和成本的进一步缩小； 2 、对于后面需要第三级变换的应用场合，级联间稳定性将使得控制系统 设计困难，很难得到一个全负载范围的稳定系统。 1 2 3 有_ b o o s t 型输入电流整型电路( i c s ) 的单级p f c 系列 这一系列电路的主要特征是整流后b o o s t 级t c s 连接有一个隔离型d c d c 级，中间级有储能电容，两级电路由同一个开关管进行操作( 除软开关) 。隔离 型d c 扛) c 可以是f 1 y b a c k ，也可以是f o n a r d 。从能量流的观点来看，单级p f c 可以分为两类：级联型和并联型。级联型在目前所有的单级隔离式h 变化器 中占主导地位。级联型按照电容所在位置又分为并联式和串连式。从i c s 来分 类，有三端式与两端式。 图1 5 所示为现有典型单级级联式隔离式p f c 变换器的能量流图，能量 从电网进入后，先进行整流，然后送入p f c 级a c d c ，一部分能量直接送到输 出端，还有一部分则送入缓冲电路，缓冲电路的能量则在a c ，d c 的开关过程中 送至输出端。在不同的输入条件和不同的负载下，缓冲电路都需要找到不同的 平衡点来维持输入与输出能量的相等。图1 6 为三端式单级p f c 电路框图。 图1 5 典型单级级联式隔离p f c 的能量流图 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 卜塑时厂 土 一咂垂叫_ 。干j 图1 6 基本三端式单级隔离p f c 电路框图 单级p f c 电路有自己的缺点，当p f c 级工作在d c m 下且轻载时，直流母线 上的电压将成为主要问题。对于工作在d c m 下的b 0 0 s t 变换器，可以自动获得 电流的波形跟踪，但是增加了开关的电流应力和开关损耗，变换器的效率较低。 如果要求减小开关器件的电压应力和电流应力，那么就需要p f c 级工作在c c m 下，这样同时可以提高整个变换器的效率并减小e m i 。但是当负载变轻时，输 出功率减小，在c c m 模式下，占空比基本不变，而输入能量在占空比不变的情 况下也保持原来的大功率输入，这样会使储能电容c b 上产生高压，迫使占空比 减小到一个新的平衡点。因此负载减小带来的后果就是储能电容的大幅上升， 甚至高达上千伏。 f 。 t 亡 一， 1 ，e = 0 ：2 e ：0 j3 ：3e = o 674 8 _ 0 79 ( a ) 开关波形 ( b ) 平均输入电流波形 图1 7 基本三端式单级隔离p f c 电路主要电流波形 上图中= 茜詈，u 卿，u c b 分别表示输入峰值电压、中间电容c b 电压。上 图( b ) 可以看出，输入电流的畸变随着输入u c b 电压的上升而减小，因此就造 成了功因与中间电容电压的矛盾关系，必须在它们中间做一个折衷。该系列的 单级隔离p f c 发展最早，缺点明显，被研究的相当多，因此有着各种各样的变 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 体，但大多只是针对某些方面的改进，而且相当程度上增加了电路的复杂性， 抵消了它最重要的优势。在文献【2 】中，总结了三端式与两端式之闻的转化规律。 证明这个系列里无数种新的变体最后都是等价的，不可能在功因与谐波等表现 上有根本静改善。 该系列电路的优点：部分电路结构和控制简单，在小功率场合可以满足谐 波标准，是一种经济的小功率解决方案； 缺点：内部储能电容上产生高压的情况无法根本消除，降低储能电容电压 要以加大成本、降低功因和增加复杂性为代价，谐波成分大，无法满足大功率 下的谐波标准，其立足的隔离拓扑也不适合做中大功率。 1 2 4 反激功率因数校正电路 其原理图如图5 所示。在工频半周期内，高频p w m 开关作用下的输入电流 波形如图5 ( b ) 所示。工作模式为d 叫，双半波正弦虚线为电流峰值i 。的包络 线。三角波为输入电流i 。；的波形，取其平均值，则输入电流近似为正弦波半波， 满是p f c 的形式。 f “。，= 旦丢毪等 ( 式3 2 ) 其中n 为原副边匝比 ( a ) 电路图( b ) 输入电流波 彤 图1 8 反激功率因数校正电路原理图 这类功率因数校正电路拓扑非常简单，控制方式也相当简单，实现起来难 度不大。这种电路必须工作在d c m 模式下，输入电流谐波大，输入滤波困难： 因为峰值电流高，开关管和变压器能力浪费严重，经济效益低。 啬 浙江大学硕士学位论文第一章引言 1 2 5 推挽式b o o s t 型功率因数校正电路 图1 9 推挽式b o o s t 型功率因数校正电路 上图所示为b o o s t 型i c s 级联推挽电路【9 】。其工作方式如下：当s l 、s 2 同时开通，相当于变压器原边短路，相当于b o o s t 型p f c 电路开关开通阶段， l f 充电；当s 1 、s 2 为一个开通一个关断，l f 通过变压器给副边放电。s 1 、s 2 轮流关断。当s 1 、s 2 同时导通的占空比符合正常的b o o s t 型p f c 的规律时， 即可使得输入电感i j f 流过的电流呈正弦规律变化，实现功率因数校正。这个电 路采用p w m 控制方式来实现输入电流跟踪输入交流电压，控制思路同u c 3 8 5 4 控制器，因此可以实现很高的功因和很小的d 。它的最大缺点是拓扑复杂， 控制器设计复杂，对漏感要求高，对偏磁反应灵敏。 1 2 6 全桥式b o o s t 型功率因数校正电路 全桥式的功率因数校正电路，式在b o o s t 型i c s 后级联全桥电路，b o o s t 与全桥公用开关管，如图7 。当全部开关管闭合或者某一个桥臂上下管同时闭 合，电网通过整流桥为b o o s t 电感l i 充电，变压器原边短路。当开关管只有 一组对角开通( 如t 1 、t 4 开通，t 2 、t 3 关断，或者t 2 、t 3 开通，t 1 、t 4 关 断) ，电网和u 通过变压器向输出端泄放能量。当占空比符合正常的b 0 0 s t 型p f c 的规律时，即可使得输入电感l f 流过的电流呈正弦规律变化，实现功 率因数校正。这个电路采用p w m 控制方式来实现输入电流跟踪输入交流电压， 控制思路同u c 3 8 5 4 控制器，因此可以实现很高的功因和很小的王d 1 8 】。 浙江大学硕士学位论文 第一章引言 到d 到d 土 型昌型崮 图1 1 0 全桥式p f c 电路 优点：可以实现接近1 的功因，极小的输入i ，是目前最方便实现大功 率应用的方案。 缺点：拓扑复杂，控制器设计复杂，变压器工艺要求高，漏感必须低，对 偏磁反应敏感。 本课题通过比较分析，选择了全桥式电路作为我们的研究方向，充分利用其 优点，分析其缺点并改进。后面的章节将仔细分析之。 1 3 、本课题预计达到的目标： 本课题的最终目标是发展出稳定可靠的适用于3 k w 级别的具有电气隔离能 力的功率因数调整电路，获得比p f c + 隔离的级联结构更高效率、性价比，更易 稳定的解决方案。充分利用山特公司内丰富的相关经验与流程，力争项目成果 贴近实用。 1 3 1 性能指标： 1 、输出功率：3 k w ( 最大输出功率5 k w ) 2 、输入电压范围：1 7 0 2 7 0 3 、输入频率范围：4 6 6 4 h z 4 、输入功率因数：9 9 5 、输入谐波标准：参照玎蔸6 l o o o 3 4 6 、输出电压： 3 8 0 v d c ( 一1 0 ，+ 1 0 ) 7 、负载响应时间( 负载5 0 = 1 0 0 ) ：2 0 0 聪恢复到5 8 、效率：9 0 浙江大学硕士学位论文第一章引言 9 、采样方式：原副边全隔离，采样方式全隔离 1 0 、控制方式：数字控制，保留全功能硬件控制器 1 1 、含过欠压、过流保护：是 1 4 、论文的主要工作 本文以中大功率单级隔离型p f c 为研究对象，对所适用的架构、控制方式、 所面临的主要技术瓶颈进行了理论分析、计算机仿真和样机实验三个方面进行 了比较深入的研究。论文主要工作及内容如下： 第一章首先介绍了本课题的立题背景和意义，然后介绍了现有技术的发展水 平，找出它们的成功经验和不足之处，为后面的工作做了一些前期的准备工作， 并提出了本课题要达到的目标。 第二章针对本课题需要的大功率以及单级隔离型p f c ，分别研究当前的最主 流的p f c 技术，分析了大功率场合下的隔离方式的优劣，最终选择全桥方式； 接下来分析了适用的控制模式，可能适用的箝位电路、软开关电路、软启动电 路等等，确定了最终的总体技术方案。 第三章针对大功率单级隔离型p f c 最棘手的磁路问题展开研究，分析了偏 磁起因，找出解决偏磁的手段，并设计了性能优良的5 k w 级别的全桥型的变压 器。 第四章分析了适用全桥型电路的谐振式软开关方式，包括前级方式和后级方 式，另外简单介绍了有源箝位。 第五章在单b o o s t 型p f c 的基础上研究了p f c 的控制理论，提供了控制 对象和控制模型，整理出一种简易的电流环和电压环补偿系数的计算方式。 第六章介绍了演示样机的原理图，以及关键部分的计算过程。 第七章为试验结果展示，大量的波形表明了试验样机具有5 k w 的稳定输出 能力，与b o o s t 型p f c 在输入输出指标上相媲美，保持了高效率的能量隔离 传送。 第八章对整个研究的成果进行了总结。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章整体技术方案 第二章整体技术方案 2 1 单开关b o o s t 型p f c 技术 在中大功率领域，单开关b o o s t 型p f c 技术在当前具有不可撼动的主要地 位。它具有结构简介、控制简单、低的输入谐波电流和高的功率密度，利用现有 的集成控制芯片可以很方便地得到接近1 的功率因数。图2 1 为单开关b o o s t 型p f c 的模型，它包含有一个全桥整流电路和一个b o o s t 电路。 图2 1 传统的单开关b 0 0 s t 型p f c 单开关b o o s t 型p f c 的工作方式：当开关管s 1 导通，则快恢复二极管d 1 反向截止，输入电压通过整流桥后加在输入电感“n 上，电感电流上升，上升速 度与输入电压成正比；当开关管s 1 截止，在d 1 导通，电感l j n 通过二极管放 电，放电速度与输出电压和输入电压之差成正比。通过调节s 1 的占空比，就可 以控制l j n 的电流大小。 单开关b o o s t 型p f c 技术其最大的优点在它的输入电感上。电感具有电流 不可突变的特性，当输入电感工作在c c m 模式下，输入电流开关纹波最小，滤 波器的设计非常简洁经济，大大的降低了在输入e m i 设计方面的难度。输入电 感也可以称为输入电流整形器( i c s ，h l p u t c u t s h a p e r ) ，这个名字非常贴切， 它可以通过对开关管s 1 进行p w m 调制，使得输入电流跟随输入电压波形，实 现单位功率因数。如图2 2 所示。 图2 2 采用c c m 模式的单开关b o o s t 型p f c 电路的输入电感电流波形 在目前的所有可以参考的技术中，只有b o o s t 型p f c 及其派生出来的各种 拓扑才能实现单位功率因数的同时实现低的e m i ，其关键在于输入前接入的i c s 浙江大学硕士学位论文 第二章整体技术方案 电感。这里重点强调b 0 0 s t 形式p f c 的i c s 是因为它同样适用于单级隔离型 p f c ，是我们要研究和应用的核心部分之一，所有的控制系统的模型其核心也是 在于调制i c s 的电流。通过前言里提到的各种拓扑，只有采用i c s 的并利用c c m 模式的单级隔离型p f c 才有可能实现我们的预定目标。因此我们必须先摸透单 开关b 0 0 s t 型p f c 电路的情况，然后才可以在此基础上继续研究单级隔离型 p f c 。 因为基本拓扑采用了b 0 0 s t ，所以这种p f c 电路工作在升压模式下，即其 输出电压始终高于市电电压才能正常工作。 2 2 适用于大功率传送的隔离技术 如果要求电源的输出与原边完全电气隔离，那么能量不通过导电材料直接传 送到输出端，一定需要某种手段将其转化为其他形式能量方可实现电气隔离。虽 然就当前的技术来讲可以有多种方式来传送能量而不需要导体的连接，如转化为 磁能、电磁能、动能、势能等，但在电力电子电路中，能量的隔离传送都是依赖 于磁性元器件来实现的，即将电能转化为磁场能再转换为电能。也就是说我们可 以采取的功率隔离传送技术其核心是必须有个变压器。我们要研究单级隔离型 p f c ，其中一个重要部分就是要实现功率的隔离传送，因此必须研究和选取一种 适用的高频变压器隔离方式。 目前的高频变压器隔离方式主要由以下几种拓扑构成，其他的各种形式都是 在它们的基础上派生出来的。它们是：正激变换器( f o m a r d ) 、反激变换器 ( f l y b a c k ) 、推挽变换器( p u s h - p u l l ) 、半桥变换器( h a 壕b r i d g e ) 、全桥变换器 ( f u l l 一嘶d g e ) 、不对称半桥变换器( a s 皿l l n e m ch a l f b i i d g e ) 等等。从拓扑本身的特性 和前人的大量经验告诉我们，在以上所提到的所有形式的变换器中，只有推挽变 换器和全桥变换器能够胜任大于1 k w 的应用场合。这是因为两种拓扑不需要电 容作为中间转换过程的能量储存介质。也不需要在磁心中储存需要传递的能量， 磁心磁化区间位于一、三象限因而利用率高等等特性，这就大大缩小了我们的选 择范围。 浙江大学硕士学位论文 第二章整体技术方案 v s 】 i 。 v 广一 广一1 广1 厂 厂 厂 图2 3 推挽变换器拓扑图原边、副边电压及原边电流波形 l oi o _ _ _ d 4 】 c 。 、： 一d 置 lj v d i 。 r n 。厂 、 u 广一1 广1、 l j 厂厂 、 u 图2 4 全桥变换器拓扑图 原边电压原边电流及副边电压波形波形 b 衄 i 图2 5 推挽及全桥交换器的磁化曲线 2 3 大功率单级隔离型p f c 备选方案 上面分析了目前最成功的b 0 0 s t 型p f c 工作的基本理念，以及适用于大功 率场合的推挽和全桥的隔离方式。我们这个专案的目的就是要将两者的优势结合 起来，实现它们两者的功能，又要摈弃它们由两套控制系统和两套电路系统所带 浙江大学硕士学位论文第二章整体技术方案 来的复杂性。因此有了以下两种基本的方案，根据它们采用的隔离的架构不同， 分别称之为推挽型单级隔离p f c 和全桥型单级隔离p f c ( 也可以称为桥式单级 隔离型p f c ) 。 2 3 1 推挽型单级隔离p f c i r _ | ， l 、抄，、 小l 一小 ， h卜 、 图2 6 推挽型单级隔离p f c 的示意图及其开关状态图 将图2 1 中开关管和二极管替换成直流变换电路中的推挽电路，即可得到如 图2 6 所示的推挽型单级隔离p f c 电路。整个系统包含了i c s 电流检测( 电感电 流检测) ，输出电压检测，输入电压检测，电网波形采集，偏磁检测，驱动，以 及软启动与保护，以及软开关等。其工作方式：t 0 t 1 期间，开关管s 1 、s 2 同 时导通，变压器的绕组1 和绕组2 反方向并联，形同短路，s l 、s 2 并联工作， 电网为l i n 充电，电流上升，d l 、d 2 反向截止，压降等于输出电压v o 。t 1 t 2 期间，s 2 关断，s 1 继续导通，则绕组1 接受负向压降，二极管d 1 导通，电网 能量和l i n 储存能量向变压器副边传递，l j n 电流下降，加在绕组1 、绕组3 的 压降为v o ，加在s 2 上的电压为2 n p v c n s 。t 2 t 3 期间，s 1 、s 2 同时导通，l i n 再次进入充电阶段，同t o t 1 阶段。t 3 至t 4 期间，s 1 关断，s 2 继续导通，则绕 组2 接受正向压降，二极管d 2 导通，电网能量和l 抽储存能量向变压器副边传 递，u n 电流下降，加在绕组2 、绕组4 的压降为v o ，加在s 1 上的电压为2 n p v c l ，n s 。 t 4 t 5 阶段同t o t 1 阶段，系统进入下一个周期的循环。 9 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章整体技术方案 2 3 2 全桥型单级隔离p f c ：( i n 傩蓬 lj d 4 一 电到叭 j 【一 i 、l 一，、卜 广 r 叫、 nnh 、 图2 7 全桥型单级隔离p f c 系统各部分示意图与开关状态图 全桥型单级隔离p f c 建立在b o o s t 型p f c 的基础上，它结合了b o o s t 电 路的输入电感特性和全桥电路的隔离能力，如图2 7 所示。整个系统还需包含i c s 电流检测( 电感电流检测) ，输出电压检测，输入电压检测，电网波形采集，偏 磁检测，驱动，以及软启动与保护，以及软开关电路等。 其工作方式参照图2 7 ：t 0 t 1 期间，开关管s 1 s 4 同时导通，变压器的原 边短路，s 1 s 4 并联工作，电网为l i n 充电，电流上升，d 1 d 4 反向截止，各 管压降等于输出电压v 0 2 。t 1 t 2 期间，s 2 、s 4 关断，s 1 、s 3 继续导通，则原 边绕组接受正向压降，二极管d 1 、d 3 导通，电网能量和l i n 储存能量向变压器 副边传递，l i n 电流下降，加在原边绕组的压降为n p v o ，n s ，加在s 2 、s 4 上的 电压为n p v o n s 。t 2 t 3 期间，s 1 一s 4 同时导通，l i n 再次进入充电阶段，同t 0 t 1 阶段。t 3 至t 4 期间，s l 、s 3 关断，s 2 、s 4 继续导通，则原边绕组接受负向压 降，二极管d 2 、d 4 导通，电网能量和l i n 储存能量向变压器副边传递，u n 电 流下降，加在原边绕组压降为n p 、b ，n s ，加在s 1 、s 3 上的电压为n p v c n s 。t 4 t 5 阶段同们t 1 阶段，系统进入下一个周期的循环。 1 8 2 3 3 本专案选定的基本拓扑 桥式单级隔离p f c 与推挽型等价，它与推挽电路相比，省去了部分繁复的 绕组，代之以桥式连接的开关管和桥式连接的二极管，减少了变压器方面的开支， 但增加了功率半导体的数量和开支，减少了推挽电路所需要的高压器件的开关损 浙江大学硕士学位论文第二章整体技术方案 耗，但器件开通期间因为串连的开关管和二极管而增加了导通损耗。总的来讲， 在符合我们研究要求的大功率隔离型p f c 应用中，桥式电路相比推挽电路，其 优势是很明显的： 推挽电路的功率管耐压是正常输出电压的二倍，必须选择耐压1 0 0 0 v 以上的 功率管，现阶段只有i g b t 各选，开关频率难以超过3 0 k h z ，同样二极管也必须 耐压1 0 0 0 v 以上，反向恢复功耗很大。受i g b t 开关频率所制，输入电感和变压 器的设计以6 0 k h z 为上限，不利于系统的体积，过低的频率也将迫使我们采用 更保守的变压器设计方案，以防饱和，使得变压器更加臃肿沉重。而采用桥式电 路开关管的最高耐压值不超过输出电压( 除电压毛刺) ，因此实际应用中采用耐 压6 0 0 v 的m o s 肿即可胜任，适用于本设计的3 k w 电路的采用c 0 0 u 0 s 技 术的k k8 5 n 6 0 c ，其导通电阻仅为3 6 毫欧，开关的损耗也优于6 0 0 v 级别的 i g b t 。在效率允许的范围内，桥式电路开关频率可以设置在5 0 k h z 以上，输入 电感和变压器工作频率可以设置在1 0 0 k h z 以上，可以大大缩小系统的体积。 总结如下： l 、从功率等级出发，选定推挽或者全桥作为其隔离方式：从功率因数出发， 选择b o o s t 型的i c s 作为前级电流调制； 2 、推挽与桥式单级隔离型p f c 电路在建模与控制特性分析方面与b o o s t 电 路等价，因此控制理论仍可延续成熟的b 0 0 s t 控制方式； 3 、桥式电路与推挽电路相比具有较易实现、更高的效率等优点，是中大功率 型p f c 电路的优先选择方案； 4 、软开关电路可能为电路效率的提高带来一定的好处。 我们选定全桥作为最终隔离方式，以下的分析和试验都以全桥型单级隔离p f c 为中心进行。 2 4 1 电流连续模式 2 。4 控制模式简介 b o o s t 型p f c 电路根据其输入电感( i c s ) 的电流状态分为三种工作模式， 浙江大学硕士学位论文 第二章整体技术方案 连续导电模式( c c m ，c 0 n d n u o u sc o n d u c 吐o nm 0 d e ) ，断续导电模式( d c m ， d i s c o 埘n u o u s c o n d u c d o n m o d e ) ，以及连续导电模式( b c m ，b o i l l l d a r y c 0 n d u c 证o n m o d e ) 。 d c m 模式的优点是控制简单，有比较高的转换效率，但由于断续的电感电 流引起输入电流低频畸变，降低输入功率因数，有较大的开关纹波电流，加重 e m i 负担，并降低了功率器件的利用率。 c c m 模式具有最高的功率器件利用率，低的开关纹波和高的功率密度，易 于实现单位功率因数，是最为理想的一种方式，应用最广。其主要的一个缺点在 于高压快恢复二极管反向恢复带来的损耗比较高，影响整个系统的效率并造成一 些e m i 问题。 b c m 模式可以实现开关管开通的z v z c s ，降低二极管反向恢复带来的问题， 可以实现更高的转换效率，也可以实现高的功率因数。但是它的开关频率不固定， 会随着输入电压的变化而变化，开关频率随着输出功率的减小而增加，还需要有 较大体积的e m l 装置来抵消其较大的纹波电流，使得其应用受到一定的限制。 从上面的分析我们可以看出，c c m 模式在大功率应用的场合具有相对较大 的优势，是我们的优选方案。 2 4 2 平均电流模式 常用的适用与p f c 的电流型控制方法有三种，即电流峰值控制，电流滞环控 制，平均电流控制，它们之间的特性列表如下 控制方法检测电流 开关频率工作模式对噪声适用拓扑备注 电流峰值开关电流 恒定c c m敏感 b 0 0 s t 需斜率补偿 电流滞环电感电流变频c c m敏感 b o o s t 需逻辑控制 平均电流电感电流恒定任意 不敏感 任意需电流误差放大 平均电流模式对噪声不敏感，能处理好连续模式与非连续模式下的电流波 形，对轻重载都能实现很好的功因调整，因此大部分的p f c 控制方式都采用平 均电流模式。 浙江大学硕士学位论文 第二章整体技术方案 2 4 3 基本控制方案 功率因数调整的核心在于使得输入电流按照输入电压的变化规律相应变化。 输入市电a c 经全桥整流后得到半波，在整个工作过程中，b 0 0 s t 电路工作在 升压状态，输入电流处于受控状态。控制系统的目的是要把输入电流根据负载大 小按照输入电压的的形状进行调制，如图1 2 所示。图2 8 的控制系统由电压外 环和电压内环组成。电压外环包含电压反馈和前馈部分，反馈部分使得系统有稳 定的电压输出，通过对比输出电压与参考电压，经p i 调制后，获得电压环误差 送入乘法器；前馈部分的作用是获得输入电压波形，作为功率因数调整的条件， 前馈电路采集输入电压波形，送入乘法器，该波形随着输入电压的升高而升高， 形成正反馈，造成系统不稳，因此需要再采集一个输入电压的有效值，乘法器除 以该有效值的平方，即可使的输入电压波形的采集信号随输入电压有效值的升高 而降低，获得平稳的输入特性。因为正弦波有效值与平均值成正比，系统以采平 均值代替之。乘法器的输出成为电压外环的输出，该信号是一个正弦全波整流信 号，作为电流环的参考信号，电流环通过对比电压环的输出信号经p i 后得到电 流环的输出值，该值与三角载波信号比较后得