（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的单相半桥pfc电路的研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 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 ne s p e c i a l l yc o n v e n t m n a la c d cr e c t i f i e r g e n e r a t e da 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 ti np o w e re l e c t r o n i c s f i e l d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n i q u e ，m o r ea n dm o r ep f cc 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 ls i g n a l p r o c e s s o r s ( d s p ) n o w a d a y s i ti sp o p u l a rt ou 8 ed i g i t a lc o n t r o li np o w e r s u p p l y d e s i g n b a s e do na c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) o fa v e r a g ec u r r e n tm o d e c o n t r o l ，t h ep a p e ri n t r o d u c et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faf u l l yd i g i t a l c o n t r o l l e ds i n g l e - p h a s en o v e lh a l f - b r i d g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t o r t h ec o n t r o l m e t h o di sr e a l i z e du s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o o e s s o r ( d s p ) a tf i r s t ，t h eb a s i c w o r k i n gp r i n c i p l eo fn o v e ls i n g l e - p h a s eh a l f - b r i d g ei ss t u d i e d t h ep a p e r r e s e a r c hs m a l ls i g n a lm o d e lo fp f cc i r c u i ta n db u i l dt h es i m p l i f i e da v e r a g e s m a l ls i g n a lm o d e lo ft h es y s t e m t h ed o u b l ec l o s e l o o pf r a m e w o r ki sa p p l i e d i nt h ep f cc o n t r o lc i r c u i ta n dt h ep ia l g o r i t h mi sa d o p t e d b a s e do ns i m p l i f i e d a v e r a g es m a l ls i g n a lm o d e l ，t h ep a p e rd e v e l o pd e s i g nm e t h o do f hr e g u l a t o r s w h i c ha r ea p p l i e di nd o u b l ec l o s e l o o ps y s t e m t h eh a r d w a r e d e s i g n a n d s o f t w a r ed e s i g na r ep r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，t h em a i np r o g r a mf l o wc h a r ta r e g i v e n a tl a s t ，ap o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e s ts y s t e mi si n t r o d u c e db a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h ew h o l es y s t e mc a na c h i e v ec l o s et ou n i t yp o w e rf a c t o r , l o w e rc u r r e n th a r m o n i c sa n dc o n s t a n to u t p u tv o l t a g e e x p e r i m e n t a lr e s u r s i n d i c a t et h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o ls c h e m ea n dt h ev a l i d i t yo ft h e o r ya n a l y s i s a n t i c i p a t i o ni sr e a l i z e d k e y w o r d sp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ；a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l ；p ir e g u l a t o r ； h a l f - b r i d g e ；d s p 燕山大学硕士学位论文原创。| 生声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的单相半桥p f c 电路的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 一 1， 作者签字 苏崮伟 日期： 彳年争月“日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的单相半桥p f c 电路的研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匹 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 欲目讳 翩娩诲浯彩导师签名：惭争季易 日期： 口年牛月：6 日 日期：。i 年卑，耳2 7 白 ， 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在大部分用电设备中，如开关电源、不间断电源( u p s ) 等，a c d c 变换 是必不可少的一部分。交流电源经全波整流后，一般接一个大电容，如图 1 - 1 f a ) 所示，从而在负载五两端得到较为平滑的直流电压。由于整流器加大 电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因而虽然输入交流电 压吃是正弦的，但输入交流电流。却发生严重畸变，波形呈脉冲状 i 】，如 图1 1 f b ) 所示。 再 川 k ( a ) 传统的二极管整流电路( ”输入电压与输入电流波形 ( a ) c o n v e n t i o n a ld i o d er e c t i f i e r( b ) w a v e f o r mo f i n p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t 图1 1 二极管整流桥及输入电压和输入电流波形 f i g 1 - 1d i o d er e c t i f i e ra n dw a v e f o r mo f i n p u tc u r r e n ta n di n p u tv o l t a g e 电流波形的这种畸变及由此产生的网侧电压波形的畸变给系统本身和 周围的电磁环境带来一系列的危害，对电力系统产生污染，对通信系统产 生干扰，还可引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作，这就是通常所 说的谐波污染”。 1 2 电网谐波污染问题 1 2 1 谐波电流的危害 脉冲状的输入电流中含有大量谐波，因此在a c d c 整流输入端需加滤 波电路，从而增加了电路的体积和成本。谐波电流对电网的危害主要表现 】 燕山大学工学硕士学位论文 在以下几个方面： ( 1 ) 电流的“二次效应”，即电流流过线路阻抗而造成的谐波压降反过来 使电网电压波形( 原来是正弦波) 发生畸变； ( 2 ) 谐波电流引起电路故障，损坏设备。如使线路和配电设备过热，谐 波电流还会引起电网l c 谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使 之过流、过热而导致电容器损坏： f 3 1 三相四线制电路中，三次谐波在中线中的电流同相位，合成中线电 流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，使中性线过流而导致中性 线过热而引起火灾并损坏电气设备； ( 4 ) 谐波电流对自身及同一系统中的其他电子设备产生恶劣的影响，如 引起电子设备误操作，引起电话网噪音，引起照明设备故障等。 1 2 2 谐波抑制方法 针对高次谐波的危害，从1 9 9 2 年起国际上就开始以立法的形式限制高 次谐波。随着i e c 一1 0 0 0 3 2 和e n 6 1 0 0 0 3 2 等国际标准的颁布和强制执行， 使用有效的校正技术来降低谐波污染己是当务之急。抑制电力电子装置产 生谐波的方法有两种：一种是被动式的，即装设谐波补偿装置来补偿谐波， 如有源滤波器p 。j ；另一种方法是主动式的，从源头入手，即设计输入电流 为正弦，谐波含量低，功率因数高的高性能整流器 6 - - 8 1 。 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。建立在现代高频功率变换技术之上的有源功 率因数校t ( a p f c ) 技术就是解决谐波污染的有效手段，a p f c 技术应用到新 型开关电源中，己成为新一代开关电源的主要标志之一。 因此，有源功率因数校正技术越来越受到人们的关注。通常情况下， 有源功率因数校正技术就是在整流器和电容之间增加一个d c d c 开关变换 器。其主要思想是：选择输入电压为一个参考信号，使得输入电流跟踪参 考信号，实现了输入电流的低频分量与输入电压为一个近似同频同相的波 形，以提高功率因数和抑制谐波：同时采用电压反馈，使输出电压为近似 2 第1 章绪论 平滑的直流输出电压。其主要优点是：可得到较高的功率因数，如 0 9 7 , 4 ) 9 9 ；n m 小；可在较宽的输入电压范围和宽频带下工作；体积重量 小；输出电压也保持恒定。 1 3 有源功率因数校正技术( p f c ) 的现状与发展 1 3 1 有源功率因数校正器的拓扑结构 有源功率因数校正器的研究始于7 0 年代末【9 】，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，于9 0 年代形成热点。至今方兴未 艾。经过多年的研究与实践。目前，常见的拓扑结构有以下几种口0 】： ( 1 ) 二极管不控桥 j i d c d c 结构图1 - 2 所示为采用此种结构的b o o s t 型功率因数校正电路。前端二极管不控桥可以是三相或单相。d c d c 变换 器可以采用所有的斩波器拓扑，各种拓扑的功率因数校正能力不同，总的 来说，升压型( b o o s t ) 拓扑综合性能具有无可比拟的优势m ”】。该拓扑结构 具有控制简单，在相同功率等级下，开关利用率较高等优点、在实际中得 到大量的应用。但由于只有一个开关，限制了在较大功率场合的应用。尤 其在断续工作模式工作，适用范围为单相2 0 0 瓦和三相1 0 千瓦以下场合” 。 图1 - 2 二极管不控桥自i d c d cp f c 电路图 f i g1 - 2c i r c u i td i a g r a md i o d er e c t i f i e rp l u sd c d cc o n v e r t e r ( 2 ) 半桥结构 由于同一部分能量只经过两个或一个开关器件即可完成 变换( 不控桥+ d c d c 变换器结构则需经过三个器件) ，半桥结构有较高的效 率，且电感位于交流侧，使电感的设计变的简单。其中，图1 3 电路功率 燕山大学工学硕士学位论文 因数可在一定范围内变化【“】，且在任何时候，功率通道上只有一个功率管 导通。但输出电压至少为两倍的输入电压峰值，为降低器件承受电压应力， 要求输入电压尽可能低。为了扩大输入电压范围，可采用图1 - 4 拓扑结构。 这时，功率通道上器件变为两个。 图1 - 3 传统的单相半桥电路 f i g1 - 3c o n v e n t i o n a ls i n g l e - p h a s eh a l f - b r l d g ec i r c u i t 删日z 三ci厂1 啦 l = 萄b z、 图1 - 4 适合于高输入电压的单相半桥电路 f i g 1 - 4s i n g l e p h a s eh a l f - b r i d g ec i r c u i tf o rh i g hi n p u tv o l t a g e 图1 - 5 传统的单相半桥中性点二极管箝位电路 f i g 1 - 5c o n v e n t i o n a ls h a g l e - p h a s eh a i l - b r i d g en e u t r a lp o i n td i o d ec l a m p e dc i r c u i t 4 第1 章绪论 图1 - 5 所示电路是单相半桥中性点二极管箝位电路1 1 ”，此电路中每个功 率开关的电压应力为直流侧电压的一半，采用滞环电流控制，实现了输入 侧高功率因数和稳定的直流电压。图1 - 6 所示是单相半桥中性点电容箝位电 路 1 ”，使用了四个功率开关和一个飞跨电容器，给出了两种p w m 控制策略， 获得了很好的控制效果。 图1 - 6 单相半桥中性点电容箝位电路 f i g1 - 6s i n g l e - p h a s eh a l f - b r i d g en e u t r a lp o i n tc a p a c i t o rc l a m p e dc i r c u i t 圈1 - 7 单相半桥中性点开关箝位电路 f i g 1 - 7s i n g l e - p h a s eh a l f - b r i d g en e u t r a lp o i n ts w i t c hc l a m p e dc i r c u i t 图1 7 为单相半桥中性点开关箝位电路 1 9 】，在此电路拓扑中，使用了三 个功率开关，提出的控制算法和电路结构同样适用于有源滤波器，以消除 谐波电流和补偿由非线性负载产生的无功功率。但是这三种电路都有一个 共同的缺点就是结构比较复杂，所用的功率管数量多。 5 燕山大学工学硕士学位论文 图1 _ 8 所示是一种功率双向流动的单相半桥电路口”，与单相半桥中性点 箝位电路相比，所用器件较少，两个功率管的电压应力为v o 2 ，两个功率 管的电压应力为v o ，由于仅工作在三种工作模式下，所以控制方法相对于 传统的中性点筘位电路要简单。但是使用了四个功率管，控制还是相对复 杂，而且电路成本较高。 图1 - 8 功率双向流动的单相半桥功率因数校正电路 f 培1 - 8s i n g l e p h a s eh a l f - b r i d g ep f cc i r c u i tw i t hb i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w ( 3 ) 全桥结构这种结构适合于功率较大或能量需双向流动的场合。多 个开关给电路带来了较大的控制自由度，同时也使控制的复杂性增加，图 i - 9 为全桥电路的典型电路口1 1 。 申。： = j厂1f j c= 型串到串 图1 - 9 典型的单相全桥电路 f i g1 - 9a y p i c a lc i r c u i to f s i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g e f 4 ) - - - - 电平式结构三电平式拓扑的主要特点是通过开关控制，整流桥 前点电压可与输出电压中点相连，从而使前点电压有三个电平。与普通的 两电平拓扑( 如三相全控桥) 相比，主开关器件承受的电压应力减小一半，可 使电路采用速度更快、额定值更小的器件。对于同样的输入电感电流脉动 要求，可采用更小的电感。从谐波抑制角度，三种电压等级提高了输出电 6 第1 章绪论 压控制精度，使输入电流更接近正弦。图1 - 1 0 是一种三电平式拓扑结构【2 2 】。 _ _ _ 璃q 土 2l j 一辩( 2i 2 图1 1 0 单相三电平b o o s t 功率因数校正电路 f i g 1 - 1 0s i n g l e - p h a s et h r e e - l e v e lb o o s tp o w e rf a c t o rc o t r e c t j o l lc i r c u i t ( 5 ) 软开关技术应用于p f c 电路为了降低输入电流谐波，p f c 电路多工 作于较高的频率。高频状态下开关应力和e m i 降低了装置的可靠性。采用软 开关技术是解决问题的有效途径。图1 1 1 是单相升压型准谐振功率因数校正 电路口”，它在传统的b o o s t 硬开关p f c 主电路的基础上，增加了一个由谐振 电感，、谐振电容e 和辅助开关管t 组成的谐振电路，采用平均电流控制 策略，实现了p f c 电路的零电压( z v s ) 软开关。采用软开关技术后，开关应 力和电路效率普遍得到改善，但在采用软开关技术之后，由于使用了辅助 元件，使得主电路和控制电路复杂化，而且如果拓扑选择不当、参数选择 不当或工作点的变化，都可能造成软开关失败，使电路性能恶化。 _ - i i州l = 2l j i 哥毒：j 2r 2 图1 - 1 1 单相升压型准谐振功率因数校正电路 f 培1 - 1 1s i n g l e - p h a s e b o o s t q u a s i - r e s o n a n t p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n c i r c u i t 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 2 有源功率因数校正器的工作模式 有源功率因数校正器的工作模式，大致可分为两种，一种是变换器工 作在连续导电模式的“乘法器”型( m u l t i p l i e r ) ：另一种是变换器工作在不连续 导电模式的“电压跟随器”型( v o l t a g ef o l l o w e r ) 2 4 j 。 ( 1 ) 不连续导电模式2 0 世纪8 0 年代后期，d o e 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，有人称之为自动功率因数 校正。k h l i u 首先应用“电压跟随器 ( v o l t a g ef o l l o w e r ) 这个词来描述这一类 有源功率因数校正技术。在断续模式下输入电流无需控制自然跟随输入电 压。对于脉宽调制型变换器系统的控制主要是通过调节开关导通比，使输 出电压稳定。控制器结构为单电压环结构。通过控制方法的改进可以减小 电流畸变率，如采用变频控制，谐波注入瞄】、占空比调制等。 有关电压跟随器型p f c 电路的研究主要集中在对其性能的改进方面，如 采用软开关技术、多导电模式以及新的拓扑结构，以提高其动态响应速度 等。 ( 2 ) 连续导电模式在该模式下，无论输入电压或输入电流都处于连续 状态。通过开关控制使输入电流紧密跟随输入电压。该模式下，电路的特 点口6 j ：由于输入与输出电流纹波小，t h d 和e 蛐小，e m i 滤波器的体积小； 器件导通损耗小；适用于功率较大的功率场合；控制电路较复杂，控制器 的结构为多环。 连续导电模式根据电路控制原理的不同，可以分为直接电流控制和间 接电流控制。 直接电流控制检测整流器的输入电流作为反馈和被控量，通过内环电 流环控制输入电流跟随输入电压，由电压外环调节器输出与输入电压同步 信号相乘得到电流内环参考信号。通过改变电流参考信号使输出电压保持 稳定。根据电流环结构的不同，常用的三种控制方式有：滞环电流控制【2 7 1 、 峰值电流控制和平均电流控制【2 8 】。 除此之外，先进的控制方法也应用到p f c 电路中，如单周期控制t z g - - “1 ， 8 第1 章绪论 预测电流控制 3 2 】、无差拍控制9 3 , 3 4 、滑模变结构控制 3 5 】、模糊控制【3 6 ，3 7 1 等。 表1 1 常用的三种p f c 控制方法比较 t a b 1 - 1c o m p a r a t i o no f t h r e ec o m m o np f cc o n t r o l 控制方法检测电流开关频率工作模式对噪声使用拓扑 备注 电流峰值开关电流恒定 c c m 敏感 b o o 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电流误差放大 与直接电流控制不同，间接电流控制不直接控制输入电流，而是通过 控制整流器输入电压基波的幅值和相位来间接控制输入电感的电流，因此 又称为相位幅值控制( p h a s e a m p l i t u d ec o n t r 0 1 ) 1 3 5 , 3 9 1 。 1 3 3p f c 的模拟控s t l 币n 数字控制比较 功率因数校t ( p f c ) 的控制方法可分为模拟控制和数字控s l i t 4 ”。在传 统的功率因数校正领域，模拟p f c 技术占据了主导地位，但是随着高速度、 廉价的数字信号处理器( d s p ) 的出现，p f c 的数字控制是今后的发展方向。 图1 - 1 2 ( a ) 所示是基于u c 3 8 5 4 的模拟控制电路结构框图。p f c 的模拟控 制方法简单直接，但是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。模拟元器件的元器件老化问 题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境干扰等因素都会影响控制系统的 长期稳定性，因此模拟控制方式有被数字控制方式取代的趋势。 图1 - 1 2 是p f c 的数字控制原理框图。类似于模拟方法，数字控制方 法使用了两个控制环路，即电压环和电流环。电压环通过调节平均输入电 流来控制直流母线电压，电流环控制交流输入电流使之跟踪输入电压。控 制过程由d s p 完成，通过d s p 的软件来实现电流和电压的调节。d s p 控制系 统克服了模拟控制系统电路功能单一、控制精度不高的缺点【4 2 】。 目前，文献 4 3 ，4 4 对d s p 控制的p f c 电路的研究都是以b o o s t 变换器的主 拓扑结构为基础的。当然b o o s t 变换器拓扑结构并不是实现p f c 电路的唯一 拓扑，多年来，人们也在不断的研究基于其他拓扑结构的p f c 电路，并在理 9 董坐奎兰三兰堡主兰些丝苎 论和实验上取得了一定的成果。本文采用的就是一种新型的半桥拓扑结构 通过理论和实验验证了方案的可行性。 ( a ) p f c 的模拟控制原理框图 ( a ) b l o c kd i a g r a mo f p f ca n a l o gc o n t r o l l d v h ( b ) p f c 的数字控制原理框图 ( b ) b l o c kd i a g r a mo f p f cd i g i t a lc o n t r o l 图1 - 1 2p f c 控制的原理框图 f i g 1 - 1 2p r i n e i p l eb l o c kd i a g r a mo f p f cc o n t r o l 1 0 第1 章绪论 在大多数文献中，p f c 数字控制仍采用模拟电路的电压环与电流环双闭 环控制结构，控制算法采用经典的p i 算法，它的结构简单，实现起来比较 容易，加上软件系统的灵活性，p i 算法还可以不断得到修正和完善，因而 能够满足一般系统的设计要求。伴随现代控制理论的不断发展，许多更新 更高级的控制算法随之涌现。文献 4 5 1 中，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和s t 5 2 x 4 2 0 为控制核心，采用模糊控制算法实现数字控制p f c 电路，并取得了理想的控 制效果，文献 4 6 ，4 7 中，用滑模控制算法代替传统的p i 控制算法，使系统具 有强鲁棒性和快速性等特性，此外还有自适应控制1 4 8 ( a d a p t i v ec o m r 0 1 ) 、预 测控制【4 9 ( p r e d e e t i v ec o n t r 0 1 ) 等。相信随着研究的不断深入，将会有更多、 更合适电源控制的智能控制策略。 近年来，人们在数字控制p f c 技术这个领域的研究又有了进一步的深 入，文献 5 0 1 中所提出的p f c 技术，突破了传统的基于乘法器的双闭环控制 结构，采用了新颖的控制结构和采样方法，并且取得了相当好的效果。以 上即为多年来国内外文献中所反映的在数字控带o v v c 技术领域的主要研究 概况。 1 4 本课题的研究意义 单相整流电路广泛用于单相变频器和其它电力电子装置中，它是电源 污染的一大来源。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。 在各类电气装置的控制器由模拟控制转向数字控制的今天，数字控制 由于其控制理论与实施手段的不断完善，并且具有高度集成化控制电路、 精确的控制精度、以及稳定的工作性能，如今己成为电力电子学的一个重 要的研究方向，而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、 绿色化的有效手段。 随着高速、廉价的数字信号处理器的问世，高性能、低成本、数字控 制的高功率因数整流器将具有广阔的市场。因此，高功率因数整流器的研 究具有重大的现实意义和经济意义。 燕山大学工学硕士学位论文 1 5 本课题的主要研究内容 本文主要研究内容是在大量查阅相关文献资料的基础上，简单介绍了 常见的有源功率因数校正的拓扑结构，指出了各种拓扑的优缺点；阐述了 有源功率因数校正电路的两种工作模式；对模拟控制和数字控制的特点进 行了比较，所有这些，构成了本文的研究基础。 本文的第2 章和第3 章在对新型单相半桥p f c 电路进行分析研究的基础 上，对电路的工作原理、小信号数学模型进行了全面而深入的研究，详细 阐述了本课题采用的控制算法，设计了电流环和电压环调节器，并通过仿 真验证了调节器设计的合理性和控制方案的可行性。 本文的第4 章和第5 章主要是对整个系统进行了硬件设计和软件设计， 包括系统参数设计、控制电路设计和d s p 程序设计，并通过实验对新型单相 半桥p f c 电路的工作原理和控制策略进行了实验验证。 第2 章主电路分析及系统建模 2 1引言 第2 章主电路分析及系统建模 传统的单相半桥p f c 的电路结构 5 1 - 5 3 1 如图2 1 所示，与全桥p w m 整流 器相比，单相半桥p f c 电路用两个分压电容取代全桥p w m 整流器的两个开 关管，从而构成半桥式电路。单相半桥整流器有如下特点：相对于全桥p w m 整流器，单相半桥p f c 电路所用的功率器件少，同时有倍压作用，即同样 的交流输入电压，单相半桥p f c 电路的直流输出电压可以是全桥p w m 整流 器输出电压的两倍；与单相全桥p w m 整流器一样，单相半桥p f c 电路可以 实现电能的双向流动即所谓的可逆变流，其网侧电流及功率因数均可控， 当电路从电网吸取能量时，其工作于整流状态；而当电路向电网传输能量 时，其运行于有源逆变状态。 幽2 - 1 传统的单相半桥p f c 电路 f i g 2 - 1c o n v e n t i o n a ls i n g l e - p h a s eh a l f - b r i d g ep f cc i r c u i t 传统的单相半桥p f c 路明显存在以下缺点：开关管z 和正承受的电 压应力过高，对开关管的安全运行不利；为避免开关管z 和正同时导通， 应增加一个死区电路，这样不仅使控制复杂，而且由于死区电压包含丰富 的高次和低次谐波，均为奇次谐波，而低次谐波对输入电流的影响较大， 增大了输入电流的t h d ，降低了系统的功率因数。 由于传统的单相半桥p f c 电路存在以上不足之处，所以本文采用新型 单相半桥单功率流向p f c 主电路，拓扑结构如图2 2 所示5 ”。此拓扑结构具 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 有以下特点：同样条件下，开关管承受的电压应力比传统的单相半桥电路 减少了一半；由于在任一时刻仅有一个开关管或二极管导通，所以可以实 现更高的效率。 岛 图2 2 单相半桥p f c 主电路 f i g 2 - 2s i n g l e - p h a s eh a l f - b r i a g ep f cm a i nc i r c u i tt o p o l o g y 2 2 主电路的工作条件和工作原理 2 2 1 主电路的工作条件 为使图2 2 所示新型单相半桥p f c 电路工作在可控整流状态，必须使其 满足下列条件mj ： ( 1 ) 直流侧两个电容c l 、c 2 开始必须经反并联二极管充电，使电压达 到网侧电压峰值，电容必须足够大，使直流侧电压几乎恒定不变，只有很 小的纹波。在充电过程中由于c 1 、c 比较大，如考虑交流电压正半周情况， 这时电路的阻抗为：l t o , + 1 c 6 0 ，一般三为几毫亨，c = e = g 一般为几 百到几千微法。如l = 1 0m h ，c - - 47 0 0g f ，。= 3 1 4r a d s ，这时电路阻抗 为3 8 2q 。因而充电过程有很大的启动电流，所以必须采用软启动的办法 进行初始化充电。也可以先通过蓄电池直流升压，使电容电压接近交流电 压峰值，然后运行p w m 整流器。这样可以避免产生很大的启动电流。 ( 2 ) 直流侧电容电压必须高于网侧电压峰值，否则反并联二极管始终导 通，功率开关将不起作用，这时单相半桥p w m 整流器工作于半桥不可控整 流状态，使得输入电流、电压失去控制。 1 4 第2 章主电路分析及系统建模 2 2 2 主电路的工作原理 在本文采用的如图2 2 所示的新型单相半桥p f c 的主电路中，采用了两 个开关器件，根据这两个开关器件的导通，关断状态，电路可工作在四种工 作状态。在电源的正半周期，电路工作在状态1 和状态2 ，此时f 。 0 ；在电 源的负半周期，电路工作在状态3 和状态4 ，此时f 。 0 ，此时 c a b = v o 2 。 图2 3 工作状态1 f i g 2 - 3o p e r a t i n gs t a t e1 c 图2 - 4 工作状态2 f i g 2 - 4o p e r a t i n gs t a t e2 ( 2 ) 工作状态2 在电源电压v 5 的正半周期，随着电容c 1 两端电压的升 高，电源电流下降。此时开通五，则电感丘承受电源电压k ，使得电感 电流线性增加，此时= 0 ，电容c l 和c 2 均放电以提供负载电流t 。 1 5 垄坐盔兰三兰堡主兰堡丝苎 ( 3 ) 工作状态3 在电源电压v ；处于负半周期时，五和正关断，电源v 。通 过电感厶、二极管d 2 给c 2 充电， 0 ，此时v 曲= - 2 。 图2 - 5 工作状态3 f i g 2 - 5o p e r a t i n gs t a t e3 ( 4 ) 工作状态4 在电源电压v s 的负半周期，随着电容c 2 两端电压的升 高，电源电流t 下降。此时开通五，则电感承受电源电压v s ，使得电感 电流线性增加，此时v 曲= 0 ，电容c i 和c 2 均放电以提供负载电流t 。 b 圈2 - 6 工作状态4 f i g2 - 6o p e r a t i n gs t a t e4 由上面的分析可知，在电源电压的正半周期，当r l 导通时，则电感电 流增加，当耳关断时，则电感电流t 减小。在电源电压的负半周期，当正 导通时，则电感电流i s 反向增加，当正关断时，电感电流c 反向减小。这 样就可以得到主电路的p w m 调制方式：在电源电压的正半周期，正始终关 断：在电源电压的负半周期，五始终关断。这种调制方式由于在电源电压 的任意半周总有一个开关器件处于截止状态，很明显可以减小开关管的开 关损耗。 1 6 第2 章主电路分析及系统建模 2 3主电路的数学模型与分析 在p f c 电路中，电压和电流变量是在两种不同的频率上变化：方面 按开关频率f 高速切换，另一方面又按输入电压频率，( 工频) 缓慢变化， 从系统的角度来看这是一个复杂的时变系统。在对这样的复杂时变系统进 行动态分析之前首先要解决好建立数学模型问题。而对一个强非线性系统 来说，研究起来不太容易，所以一直吸引着人们的注意力。 一般来讲，变换器的建模方法可分为两大类。一类称为数字仿真法， 一类称为解析建模法口“。数字仿真法是指利用各种各样的算法以求得变换 器某些特性数字解的方法执行这类方法常常要利用数字计算机辅助来完 成，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和精确 度都高，可以得n 4 , 信号扰动和大信号激励时的完整波形；适用范围广， 既可进行小信号分析，也可进行大信号分析，用起来方便；不足之处是物 理意义不甚明确，对设计的指导意义不大。解析建模法，是指利用解析理 论的方法以求得变换器运行特性的解析表达式使之能对变换器进行定性 和定量分析的建模方法。这种方法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。 解析建模法也可进一步分为两种，一种是离散法，一种是连续法。 连续法也称连续平均法，是指把本来是在一个周期有两个或三个不同 电路拓扑的电路，经过某种意义的平均处理，变为只有一个电路拓扑连续 工作的电路，即其工作可用一个连续的微分方程式或曲e 传递函数来描述。 通过求解微分方程式或进行s 域分析得到其稳态和动态小信号特性的解析 解。这种方法的优点是简单，物理概念清楚，可以利用线性电路理论和控 制理论来对变换器系统进行稳态和动态分析，对于变换器的设计有重要的 指导意义。因此这种方法有重要的实用价值，是目前应用最广泛的，最基 本的方法。 连续平均法也可分为两种形式：一种是状态空间平均法，一种是平均 值等效电路法。状态空间平均法是从变换器的不同拓扑下的状态空间方程 出发，经过平均一小信号扰动一线性化处理，得到表征变换器稳态和动态 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 小信号特性的数学模型，最后也给出一个统一的电路模型；平均值等效电 路法是从原变换器出发进行电路处理，最后得出一个等效电路模型。其实， 在推导平均值等效电路时只是处理电路中的开关元件如开关晶体管和二极 管等非线性元件，对它们进行平均和线性化处理，而线性元件不变。 在本文中主要是应用状态空间平均法对新型单相半桥p f c 主电路进行 小信号分析和研究。这种小信号模型的思想是：考虑到开关频率f 远大于 输入电压频率，所以在当分析电流内环时，假定输入电压是不变的，得 到基于，频率的电流环小信号模型：当分析电压外环时，假定电流理想地 跟随输入电压变化，这样也可以得到基于，频率的电压环小信号模型。下 面将推导出图2 - 2 所示的新型单相半桥p f c 电路在电流连续模式( c c m ) 下的 小信号模型。 由图2 - 2 以及上面的分析可以得到主电路在以下假设条件下的状态方 程。 在电源电压的正半周期，定义开关函数 f o 开关耳关断 s = ( 2 1 ) 1 1开关z 导通 在电源电压的负半周期，定义开关函数 s 书蓑篓 ( 2 - 2 ) 需做如下四 ( 1 ) 假设功率开关和二极管均为理想开关，即忽略它们的导通压降和截 止电流，同时认为开关过程是瞬时完成的； ( 2 ) 假定开关频率z 比变换器中低通滤波器的转折频率五大的多，即有 l 域： ( 3 ) 假定产生动态过程的扰动信号的频率远远小于开关频率，即有 t ； 1 8 第2 章主电路分析及系统建模 f 4 ) 假定扰动信号远远小于稳态值。 由于p f c 电路是一个强非线性电路，对这样的电路进行精确的分析是 很困难的。为简单起见，根据假设条件( 1 ) ，工作在连续导电模式下的单相 半桥p f c 主电路在电源电压的正半周期和电源电压的负半周期，分别可以 用两个线性非时变电路来表示，分别与两种开关状态相对应。其状态方程 分别为： 在电源电压的正半周期 当z 导通时 当z 关断时 在电源电压的负半周期 当正导通时 磅一， c d y e l = 一鲁 ( 2 3 a ) 1 出r r c 堕：一生 2 西r 卜鲁= t 飞 j q 誓寸鲁 b 鲁一鲁 哮叩， c 盟：一v o 1 d tr c 丝：一生 卉r v 0 。v 。i + 屹 1 9 r 2 3 b ) r 2 4 a ) ( 2 4 b ) r 2 5 a ) ( 2 - 5 ” 燕山大学工学硕士学位论文 当z 关断时 卜言d i = k 饥吧 c t 誓一鼍 c 2 盟d t d t = 一一生r x v 。= k 1 + 1 ，吐 ( 2 - 6 a ) ( 2 6 b ) 式中k 为电源电压，t 为输入电感电流，工为输入电感，k ，分别为电容 g g 上的电压，r 为输入电感内阻，v n 为输出直流电压，r 为输出阻抗。 式( 2 3 ) 、式( 2 - 4 ) 、式( 2 - 5 ) 、和式( 2 - 6 ) 所示的p f c 主电路的分段线性方 程是精确方程。再根据假设条件( 2 ) 、( 3 ) ，即可得到描述其稳态和动态小信 号特性的基本的状态空间平均方程，这需要以下几个步骤： ( 1 ) 平均状态空间平均法的第一步就是把分段线性的状态方程用一 个平均值状态方程来代替。 在电源电压的正半周期，由式( 2 3 ) x d + 式( 2 - 4 ) x ( t d ) 得： 写成矩阵形式 斑 出 d l 硪 仉 出 哮= k 叫_ ( 1 删k 。 c 盟d t - ( 1 咖卜半 、 r c 盟：一! 当! 堡! d tr v 0 = v c l + ”n i1 一d 2 i 丁 o d 一1 l 1 矗c 1 月c = 【o 1 0 l 且c i 胄c卧 ( 2 - 7 a ) r 2 7 b ) ( 2 - 8 b ) 第2 章主电路分析及系统建模 简记为 式中l = 以 西 噍， 出 饥 出 且= 上 l d c 0 孟= 4 x + 骂v s v = c x d 一1 三 1 月c 1 r c o 1 r c 1 胄c 丑= r 2 9 a ) f 2 - 9 b ) c = 0 1 1 式中d 为开关量s 去除p w m 高频分量后在时间上的平均值。 式( 2 - 7 ) 是在电源电压的正半周期，得到的基本状态空间平均方程。 在电源电压的负半周期，由式( 2 - 5 ) d + 式( 2 6 ) x ( 1 一d ) 得： 写成矩阵形式 简记为 以 前 咄， 出 吼 出 嗤= 州1 一d ) v o ，吨 c盟：一血廷2(2-10a)dt r c 警一( 呐卜虹 三 0 d 一1 c 垴= i + 玉 0 1 胄c 1 胄c v o = 0 l d 工 1 r c 1 r c 量= 4 x + 旦u v = c x 2 l 卧 1 一 上 0 o r 2 1 0 h ) ( 2 - 1 1a ) f 2 1 l b l r 2 - 1 2 a ) ( 2 - 1 2 b ) 卜h k 燕山大学工学硕士学位论文 式中i = 以 出 啦。 出 虬 出 4 =一0 d 一1 c 0 1 月c l r c i j 工 1 且e 1 r c ，丑= c = o 1 1 式中d 为开关量s 去除p w m 高频分量后在时间上的平均值。 式( 2 - 1 0 ) 是在电源电压的负半周期，得到的基本的状态空间平均方程。 ( 2 ) 扰动扰动是在稳态量的基础上进行的。现在对基本的状态空间平 均方程( 2 - 8 ) 、( 2 - 1 1 ) ，在某一稳态条件下进行小信号扰动，即令t ：+ ， k - = k 。+ 吃1 ，= + 屯，v s = l + t ，v 0 = k + 岛，d = d + 矗，式中， 屯，屯，也，帚0 ，d 分别是i ，k 。，k ，k ，d 的扰动量。 将以上定义式分别代入式( 2 _ 8 ) 和式( 2 1 1 ) ，将稳态分量与扰动分量分离得： 在电源电压的正半周期，稳态方程的表达式为： 简记为 式中以=