（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的全数字通信高频开关电源的研究与设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r y , t e l e c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ki ng e n e r a lc o n t i n u e st oe x p a n dt h es c a l ea n d b e c o m e sm o r ea n dm o r ee n o r m o u sa n dc o m p l i c a t e d t h es u p p o r ts y s t e m f o rc o m m u n i c a t i o nw i t ht h ec o m m u n i c a t i o np o w e rs y s t e mb a s e do n m a r k e td e m a n dh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a r , a n dt h ei m p o r t a n c eo ft h e s o u r c eo fp o w e ri si n c r e a s i n g l yc o n s p i c u o u s t oe n s u r et h a tt h eh u g e t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kr u n s e f f i c i e n t l y , s a f e l y a n d o r d e r l y , t h e i n c r e a s i n g l ys t r i n g e n tq u a l i t yr e q u i r e m e n t sh a v eb e e np u tf o r w a r d e d ， w h i c h p r o m o t e s t h ec o m m u n i c a t i o np o w e rt o w a r d h i g h e f f i c i e n c y , h i g h f r e q u e n c y , m o d u l a r , d i g i t a ld i r e c t i o n o nt h eb a s i so ft h eu n d e r s t a n d i n go ft h ec o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y s t a t u sa n dp o w e ro nh o ts p o t s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h eb a s i ct e n e t so f s w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e si n d e p t h l y , a n da n a l y z e s t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fp o w e rf a c t o rc o r r e c tt e c h n o l o g ya n d p h a s e - s h i f t i n gs o f t - - s w i t c h i n gf u l l b r i d g ep w mt e c h n o l o g y b a s e do n e t h i s ，at e l e c o ms w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym o d u l eo f4 8 v 2 5 ai sd e s i g n e d t h i sp o w e r s u p p l yi sm a d eu po ft w oc i r c u i t s - - - p o w e rf a c t o rc o r r e c t o ra n d d c d cc o n v e a o li no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o w e r s u p p l y , ac e r t a i na d v a n c e dt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d f i r s t ，p s p b z v s - p w mc o n v e r t o ri sa d o p t e dt oa c h i e v ez e r o - v o l t a g es w i t c ho p e n e d ，r e d u c e t h eu l l a g eo fm o s f e ta n de n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fp o w e rs u p p l y s e c o n d ，d i g i t a lp w m i sc r e a t e dw i t ha h i g h - p o w e r e dd s p , w h i c he x p o r t s h i g hp r e c i s ep w ma n da c h i e v e ss i n g l e c y c l ec o n t r 0 1 t h i r d ，f lf u z z y c o n t r o l l e ri sa d v a n c e dt oi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r , a n d o b t a i n sa ne x c e l l e n te f f e c t o nt h eb a s eo ft h e o r yo fs w i t c h i n g p o w e rs u p p l y , t h ep a p e r c o m p l e t e st h ed e s i g no fm a i nc i r c u i t ，a s s i s t a n tc i r c u i t ，c o n t r o ll o o p ， s o f t w a r e ，a n dc o m p l e t e st h es i m u l a t i o nw i t hm a t l a b k e yw o r d s ：t e l e c o ms w i t c h i n g p o w e rs u p p l y , p o w e r f a c t o r c o r r e c t o r ( p f c ) ，p w mc o n v e r t o r ，f u z z y p i d ，d s p 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或 其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩 印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 剔磴名修净醐：比年月上日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 通信电源作为通信主设备的配套产品，主要是给大型交换系统、传输设备和 移动通信设备提供4 8 v 或2 4 v 的直流电源。其应用范围除了传统的电信系统 外，还有电力、铁道、公安以及各大工矿企业，但现在绝大部分的市场需求还是 来自中国电信、中国移动、中国联通、中国网通、中国铁通等几大电信运营商。 随着电信行业竞争格局的初步建立，各大电信运营商都为抢占到尽可能多的市场 份额而不断进行大手笔的投资。 随着电信事业的迅猛发展，电信网络总体规模不断扩大，网络结构日益复杂 先进。作为通讯支撑系统的通讯用基础电源系统，市场需求逐年增加，其动力之 源的重要性也日益突出。庞大的电信网络高效、安全、有序的正常运行，对通信 电源系统的品质提出了严格的要求。近几年来，我国通信技术有了很大提高，交 换机、接入网、会议电视以及传输网及其终端设备等民族通信产品已达到或接近 世界先进技术水平，但通信电源系统的技术水平却相对落后。传统通信电源无论 从供电制式还是从电源设备的技术性能指标方面看，都还不能满足快速变化的电 信网络的技术要求。通信电源与其他通信设备技术档次的不协调，严重威胁着电 信网的稳定运营。我国现在已经成为世界电信大国，各种通信网络蓬勃发展，迫 切需要一个功能强大、性能稳定的先进电源系统作支撑。因此，开发研制出品质 优秀、性能可靠的新型智能化通信高频开关电源系统，已经成为通信设备制造厂 家抢占市场先机、获得竞争优势、保持快速发展的决定性条件。 1 2 通信电源产品的行业现状 目前国内通信电源制造企业在数量上不下3 0 0 家，但在企业规模、产品质 量和市场份额上真正有竞争力的企业不过十几家。这些企业中既有各类电源的综 合厂家，又有高频开关电源的专业企业。依据客户分布、市场份额、技术力量等 因素，可以把这十几家企业分成三大集团： 第一集团：企业规模庞大，技术力量雄厚，市场份额领先，其代表企业有艾 默生网络能源、洲际、中达、中兴等。 第二集团：企业规模中等，产品技术质量精湛，市场价格较高，其代表企业 有西门子、珠江等。 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 第三集团：企业生产成本低廉，产品以自己开发为主，应用范 t 4 _ t 要是农话 和移动基站，其代表企业有动力源、通力环、普天等。 目前国内主要通信电源厂商的市场分额情况如图卜1 所示。 蔓黜生 b 力源 6 通讯 3 。 图1 - 1 国内主要通信电源厂商市场分额情况 1 3 通信电源的技术发展 随着电子信息技术的飞速发展和用户对多种业务需求的与日俱增，使原来独 立设计运营的传统的电信网、互联网和有线电视网正在走向融合，“三网融合” 已成为社会发展的一个重要大趋势。这些变化的特征使原来业务独立的运营商逐 步改变，对网络设备提出了新的需求。 信息业的巨大发展，给电源市场带来了巨大的市场机会和挑战，同时对电源 提出了一些新的需求。例如：多种物理设备放在一起，有电磁兼容的需求和机房 而积和承重的要求；网络设备种类变多使电源的负载变大，负载种类变多，对电 源效率和种类有要求；机房和基站数目增多，对电源的可靠性和易维护性提出更 高的要求，以满足无人值守需要。电源工作环境的差异对电源的应用环境也提出 了新的需求，如更强电网适应能力、环境适应能力等，户外电源就是这一需求的 典型代表。电源是整个信息网络的动力心脏，新的网络需要更可靠的电源。另外， 随着运营商的全球化的趋势，电源设备也需要满足全球不同市场对产品的特殊要 求。 目前，通信电源技术发展呈现以下几大趋势i i 。3j ： ( 1 ) 高频化、高效率、高功率密度 随着运营商的改备的不断增多，用电量加剧，机房面积紧张等客观因素的存 在，对电源产品提出了商效率，高功率密度，宽的使用环境温度的要求。 高频化是缩小f _ 乜源体积、提高功率密度的重要途径。理论分析和1 实践经验证 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。新 型高性能器件的不断研发、涌现与应用，例如：绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、 功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、智能i g b t 功率模块( i p m ) 、m o s 栅控晶闸管( m c t ) 、 静电感应晶体管( s i t ) 、超过恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型磁材 料和变压器、e m i 滤波器等。这些新型器件的应用可以提高通信电源的开关频率， 减少电源外型尺寸，提高电源的功率密度。 高频化的结果使开关损耗显著增加。因此，8 0 年代后期以来，软开关变换 技术的研究，始终是电源技术研究的热门课题。软开关技术中的具有代表性的是 谐振变换、移相谐振、零开关p t t g l 、零过渡p w m 等电路拓扑。随着软开关拓扑理 论研究的深入以及应用的普及，大大减少了硬开关模式下电源中功率器件在开 通、关断过程中电压下降上升和电流上升下降波形交叠产生的损耗和噪声，实 现了零电压零电流开关，降低损耗，提高电源系统的效率。 ( 2 ) 网络化智能化的监控管理 随着网络的日益发展，网络设备需要的大量人力、物力投在设备的管理和维 护工作，如：通信设施所处环境越来越复杂，人烟稀少、交通不便都增大了维护 的难度。这对电源设备的监控管理提出了新的需求。 通信电源系统的集中分散式监控系统需要对系统中状态量和控制量进行监 控，还可对电池进行全自动管理；可以直接利用i n t e r n e t 上传输控制数据，使 维护人员通过i n t e r n e t 进行数据查询、控制等维护工作。利用友好的人机界面， 使维护人员能够方便地得到需要的信息。如各种保护、告警和数据信息存储、处 理、打印等功能；维护计划，资产管理等工作。 ( 3 ) 全数字化控制 数字化技术的发展逐步表现出了传统模拟技术无法实现的优势，如：采用全 数字化控制技术，有效地缩小电源体积降低了成本，大大提高了设备的可靠性和 对用户的适应性。整个电源的信号采样、处理、控制( 包括电压电流环等) 、通 信等均采用d s p 数字技术，可以大量的减少器件数目，提高功率密度，并消除模 拟控制技术的器件离散性和温漂，保证每个模块均达到最优指标，提高电源可靠 性。可以采用更加灵活的控制方式，在各种电压、温度下优化电源的输出，如降 额保护、p f c 数字控制谐波。利用d s p 技术可以实现更简单稳定的通信和均流， 可以获得良好的e m c 指标。智能化程度更高，如灵活的l e d 报警指示组合，无监 控的情况下可以通信。模块智能化程度更高，易于使用维护。 ( 4 ) 模块化 模块化是为了适应分布式电源系统供电的需要。过去功率不大时，通信电 源系统均是采用单一集中的供电方式。近年来开始采用分布式供电，这样当需要 中南大学硕士学位论文第一章绪论 大功率输出时，可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件，组成 积木式智能化大功率供电电源，极大的减轻了大功率元器件及大功率电源装置的 研制压力，同时具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高的优点。 ( 5 ) 环保 环保的一方面的指标是，通信电源的电流谐波符合要求。降低电源的输入谐 波，不但可以改善电源对电网的负载特性，减小给电网带来严重的污染，也可减 少对其他网络设备的谐波干扰，目前在谐波治理方面主要是采用有源功率因数校 正方法。另一个重要方面是，材料可循环利用和对环境无污染。这方面需要产品 满足w e e e r o t t s 指令。 以国内通信电源行业领导者艾默生网络能源公司为例，其目前在通信电源的 研发情况如表1 所示1 4 1 。 1 4 数字电源技术的研究现状 一直以来，业界对于数字电源的概念争论不一，对应的产品也是五花八门， 有全数字控制芯片，也有披着“数字外衣”的模拟控制器，还有模拟和数字混合 的电源控制器。时至今日，业界比较认同的是t i 公司从功能上对数字电源进行 的定义：数字电源就是数字化控制的电源产品，它能提供配置、监控和管理功能， 并延伸到对整个回路的控制。也就是说，数字电源包括两部分：p 1 j l m 反馈回路的 全数字控制，电源管理与通信。而基于这一概念，自2 0 0 5 年下半年开始，以“全 数字控制回路”为特征的数字电源控制芯片开始出现，t i 、s “i c o nl a b s 、z i l k e r l a b s 、凌力尔特、艾默生等公司纷纷推出了产品，并进入到高端a c d c 电源设计 中，标志着数字电源丌始由热炒的概念走如实际应用。 目前数字电源技术并非十分成熟，实现全数字化控制还存在许多难点，需要 有大的突破。具体包括以下几个方面： ( 1 ) 数字信号处理速度与高频开关的开关速度不相称。以普通的5 0 k h z a c d c 变换器为例，开关周期仅为2 0 雕。要在这期问完成信号检测、控制方程 计算、p w m 驱动信号生成这些复杂的任务，同时还要实现与整个系统的通讯，这 就需要数字信号控制芯片有极高的运行速度。单片机在速度上无法达到要求。目 前用于电源控制的d s p 芯片可以实现开关频率在i o o k h z 左右的a c d c 变换器控 制，要满足更高频率或者更复杂的控制要求，仍将是十分困难的。 ( 2 ) 变换器开关动作对采样的严重干扰。开关功率变换中的模拟控制器信 号取样一般是连续进行的，而数字控制的采样是离散完成的，这就使得变换器的 瞬问开关噪声对后者影响更严重。高频功率变换器本身的开关噪声发生时刻与信 号采样时刻往往不容易错开，采集到的信号不能用来进行有效的控制。由于在一 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 表1 艾默生网络能源公司通信电源的研发情况 项目方向成果应用技术水平 开关频率高达3 0 0 4 0 0 i g b t 、 主攻谐振变换、移相 k h z ，小功率电源己实现 m o s f e t 、 高效率拓谐振、零开关p w m 、1 m h z ，提高了电源功率i p m 、m c t 、 扑技术零过渡p w m 等电路密度，实现了零电压零电 s i t 、超快恢业内领先 拓扑技术。流开关，降低损耗，提高复二极管、 电源系统的稳定性和效e m i 滤波等 率。 具有智慧型人机界面。网 络技术人员可以随时监 视电源设备运行状态、各大型的电信优秀的业 网络化管 大局域网系统、广域项技术参数。具有各种保基站和电信内系统集 理技术网系统逐渐采用护、告警和数据信息存机房系统成商 储、处理、打印等功能。 具有远程开关机功能。网 络技术人员可以定时开 关交流或备用电源 出现故障及时上报，加快 解决维护人员远程观故障排除效率。缩小体积 察电源设备的运行参降低成本，提高设备可靠通信设施面 全数字化 数和状态而进行的所性和用户适应性。实时监 临的条件艰业内领先 控制技术有控制技术研发。如控设备本身运行状态、预苦、人烟稀 a c d c 整流稳压、警功能和故障诊断功能。少、交通不便 d c a c 逆变、s p w m 、 有效实现了通信动力设 的恶劣环境 同步锁相等备的无人职守与远程监 控。 开发软体谐波处理技 低电流谐 术可以较好解决电源有源谐波处理技术的成低谐波输入 业内第一 波处理技的输入特性，增强环功研发，改善电源对电网的新一代绿阵营 术 保、安全意识、推动的负载特性，减少了对其色电源 电力电子技术和功率他网络设备的谐波干扰。 器件的发展 中南大学硕士学位论文第一章绪论 个开关周期内仅仅来得及采样一两次，对于那些需要快速反应的信号来说，模拟 和数字滤波的方法均难以应用。因此，必须探索符合开关功率变换技术特点的新 的有效采样方法及控制方法。 ( 3 ) 检测信号的量化误差导致输出响应极限环振荡，从而会大大降低控制 精度。 ( 4 ) 高速运行下数字p w m 分辨率急剧下降。在数字化控制中，p w m 的脉宽 时间分辨率取决于d s p 的指令周期与开关周期的比值。仍以普通的5 0 k h za c d c 变换器为例，若d s p 速度为2 0 m h z ，则p w m 调节的最高分辨率为1 4 0 0 。这一分 辨率即使不考虑极限环的影响，往往也不能满足变换器的控制要求。如果分辨率 要求达到1 6 位，则d s p 的时钟频率将需要3 2 8 g h z 以上! 因此，在不断提高d s p 本身时钟频率外，必须探索新的提高p w m 分辨率的方法。 目前，国内外学者针对以上问题提出了许多的解决方案1 1 ，这些解决方案 进一步推动了数字电源技术走向成熟。 同时，基于数字控制方式，一些先进的控制方法逐渐应用于数字电源控制中， 以提高电源的动态响应性能，如安森美公司提出改进型v 2 控制，仙童公司提出 v a l l e y 电流控制，i r 公司提出多相控制，并且美国的多所大学也提出了多种其 他的控制思想 j 2 - 1 6 i 。特别是模糊控制在数字电源中的应用，由于该控制方法能够 弥补传统p i d 控制在高性能开关电源中存在的缺陷，近年来一直成为国内外学者 的研究热点，并在各种数字电源拓扑中得以实现【1 7 - 2 0 。 1 5 本文的主要工作 本文以设计一款4 8 v 2 5 a ( 1 2 0 0 w ) 的全数字a c d c 通信开关电源模块为目 标，开关频率为i o o k h z 。重点研究开关电源中的有源功率因数校正( p f c ) 技术 及数字化实现、移相全桥软开关d c d c 变换技术及数字化实现、模糊控制技术在 开关电源控制中的应用、开关电源中磁性元件的设计等内容。 系统设计方案如图卜2 所示。主功率电路由抗电磁干扰( e m i ) 滤波器、单 相整流桥、功率因数校正( p f c ) 电路、移相全桥软开关d c d c 变换器、输出整 流滤波电路组成，控制环路由一块d s p 芯片完成，采用t i 公司最新的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。主功率电路与控制电路在电气上隔离，电压电流检测采用电压电 流传感器实现隔离，开关管驱动器采用带脉冲变压器隔离的驱动电路实现隔离。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图卜2 系统整体框图 本设计的创新点表现在如下几个方面： ( 1 ) 采用高性能的d s p 芯片对电源实现数字p w m 控制，克服了一般单芯片 控制器由于运行频率有限，无法产生足够高频率和精度的p w m 输出及无法完成单 周期控制的缺陷。 ( 2 ) 引入了智能控制技术，以模糊自适应p i d 控制算法取代传统的p i d 算 法，提高了开关电源的动态性能，如减小了负载变化时的输出电压恢复时间，减 小了电源启动时输出电压的超调量。 ( 3 ) 采用了数字控制的功率因数校正技术，治理了电网侧的谐波污染问题。 7 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 第二章功率因数校正技术 2 1 功率因数校正技术的概述 2 1 1 开关电源中谐波的产生及危害 对开关整流电路而言，a c d c 前端通常由桥式整流器及其后面的储能电容 器组成，如图2 1 所示，该电容器能够将输出电压维持在接近于输入正弦波峰值 电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入 波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在 下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入 电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲 为周期的l o 到2 0 是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5 到1 0 倍。图2 2 描述了这种情况。此时，功率因数降低为0 6 0 7 【2 i 2 2 】。 划 l v = n i u r 、 v i i i 图2 - 1 基本的整流滤波电路 l i 爪爪 v t 图2 - 2 输入电压电流波形图 电流波形的畸变及因此产生的谐波给系统本身和周围的环境带来一系列的 8 中南大学硕士学位论文 第二章功率因数校正技术 危害，特别是对电力系统、通信系统、仪器仪表和办公自动化设备的危害引起了 广泛的关注，具体来说，这些危害主要表现在以下几方面【2 4 】： ( 1 ) 大的尖峰电流使电网内阻抗电压降增大，使电压波形出现平顶波趋 势，污染电网； ( 2 ) 谐波电流产生电磁干扰，影响周边通信、电力等设备的正常运行； ( 3 ) 输入电流有效值大，要求更大容量的断路器、传输线及配电变压器等 供电设备； ( 4 ) 波形系数( 即有效值平均值) 明显大于正弦波的1 1 1 ，使功率损耗增 大； ( 5 ) 若由开关型交流电源设备( 如u p s ) 供电时，峰值电流大意味着瞬时 过载倍数大，影响设备可靠性。 对开关整流电路而言，不良功率因数主要源于电流波形的畸变。因此必须通 过电路方法抑制输入电流中的谐波分量，将输入电流波形校正为正弦波或使其无 限接近正弦波，并保持与输入电压同相，从而实现功率因数校正的目的。其基本 思想是将整流电路与滤波电容隔开，使整流电路由电容性负载变为电阻性负载。 2 1 2 功率因数校正技术及基本方法 功率因数p f ( p o w e rf a c t o r ) 的定义是指：交流输入有功功率与输入视在功 率之比，其表达式为 p f ：生：匕雹：兰! ! 型! ! 璺竺：互型! ! ! 翌：，c o s 口( 2 1 ) 岛在k 式中，是电网电压的有效值，k 是电网电流的有效值，k 。是电网基波电 压有效值，。是电网基波电流有效值，c o s 是基波电压电流的相移因数， ，= 一k 是电网电流的失真因数。在以下的讨论中，都认为电网电压是理想 的正弦波，因此巧。，= 。因此，功率因数p f 又可以定义为电流失真因数和相 移因数的乘积。在电工原理中，线性电路的功率因数习惯性定义为c o s c p ，这是 功率因数定义的一种特殊情况，当输入电流也为纯净的正弦波时，电流失真因数 ，= l ，由式2 - l ，p f = c o s ( p 。 由功率因数的定义就可以看出功率因数校正有两方面的任务： ( 1 ) 正弦化：尽量使输入电流接近正弦，则失真因数厂= 1 ： ( 2 )同相位：使输入电流基波和输入电压同相位，矽= 0 0 ，c o s c p = l 。 实现功率因数校正的方法主要分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。 1 无源功率因数校正技术 9 中南大学硕士学位论文 第二章功率因数校正技术 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。 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2 5 i 。 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。 2 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l 等优点。 图2 - 3a p f c 基本电路 如图2 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问加入d c d c 变换，通过适当控制( 即脉宽 调制p w m ) 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 。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 2 2 有源功率因数校正( a p f c ) 的基本原理 2 2 1p f o 电路的拓扑 从原理上讲，任何一种d c d c 变换器拓扑，如降压式( b u c k ) 、升压式 ( b o o s t ) 、反激式( f l y b a c k ) 、升降压式( b o o s t - b u c k ) 变换器等，都可以作为 p f c 的主电路瞄】，如图2 - 4 所示。 1 _ 下 t j 降压式( b u c k ) 反激式( f l y b a c k ) 升压式( b o o s t ) 兀ij _ 1 一 。一 - - 1 - _j j【 一1卡 升降压式( b o o s t - b u c k ) 图2 - 4 几种p f c 电路的拓扑 这几种p f c 的特点如下【2 6 】： ( 1 ) 降压式p f c ：噪声( 纹波) 大，滤波困难，开关管上电压应力大。 ( 2 ) 反激式p f c ：输入、输出之间隔离，输出电压可任意选择，属于简单 电压型控制器，适用于1 5 0 w 以下的电源。 ( 3 ) 升降压式p f c ：需用两个电子开关，电路比较复杂，采用较少。 ( 4 ) 升压式p f c ：电感电流连续，储能电感可作滤波器抑制r f i ( 射频干扰) 和e m i ( 电磁干扰) 噪声，并可防止电网对主电路的高频瞬态冲击，由于电路有 升压斩波电路，输出电压高于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，提 高了电源的适应性。由于升压斩波电路的稳压作用，整流输出的电压是稳定的， 有利于后级工作稳定，提高控制精度和效率。升压式p f c 控制简单，适用于 7 5 2 0 0 0 w 功率电源，应用最为普遍，因此本设计采用该电路形式。 2 2 2a p f c 电路的工作模式 根据电路输入电流检测和控制方式，a p f c 电路的工作模式可分成两种：电 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 感电流连续( c o n t i n u ec u r r e n tm o d e ，c c m ) 和电感电流不连续工作( d i s c o n t i n u e c u r r e n tm o d e ，d c m ) 两大类7 1 。 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完全转移到储能 电容( 输出电容) 中去。d c m 模式的输入电流自动跟踪电压，功率管实现零电流 开通，不承受二极管的反向恢复电流。但是由于变换器工作在不连续导电模式下， 需要较大的输入滤波器。开关不仅要导通较大的通态电流，而且将关断更大的峰 值电流并引起很大的关断损耗，使开关的使用寿命降低，同时还会产生严重电磁 干扰，d c m 模式可以采用恒频控制、变频控制、等面积控制等控制方法，这种 工作模式的p f c 一般功率小于2 0 0 w 。 c c m 模式的电感电流连续，输入电流纹波和输出电流纹波小、e m i 小，滤 波器体积小，电流峰值比d c m 模式要小，器件的应力相对也更小。但是它的 控制方法比较复杂，开关损耗较大，制作成本也比较高，通常需要使用乘法器， 采用电流闭环控制，且开关管工作于变频或p w m 控制方法。这种工作模式一 般适用于大功率、大电流的产品中。 2 2 3a p f c 电路的控制方法 有源功率因数校正电路的控制方法有三种：电流峰值控制法、电流滞环控制 法和平均电流控制法。由于本设计中采用的是b o o s t 功率因数校正电路，这里以 b o o s t 电路来介绍三种控制方法。 1 电流峰值控制法 电流峰值控制b o o s t 功率因数校正电路的原理图如图2 5 所示。在该电路中， 被控制电流是开关管的开关电流，。输出电压乩经除法器l h ，将u 送到 电压误差放大器瑚与参考电压相比较，蹦的输出作为乘法器m 的一个输入 x 。m 的另一个输入y 是桥式整流器输出电压经除法器l k 而得到的。m 的 输出z = x y 作为电流基准送到电流比较器c ，4 。c 爿的另外两个信号分别是，。尺和 斜率补偿信号。电流基准的波形为双半波正弦波形，因此，受电流比较器c a 输 出信号u ，控制，在开关管导通和关断交替进行的过程中，电感电流j ，的峰值包 络线跟踪电压睨的波形。这也就保证了有较高的输入端功率因数。 在半个工频周期内电感电流j ，的波形如图2 - 6 所示。图中虚线为每个开关周 期内电感电流峰值，。，的包络线。当开关频率较高时，电感电流，的纹波很小， 电感电流峰值与平均电流值很接近。 1 2 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 图2 - 5 电流峰值控制b o o s t 功率因数校正电路的原理图 i l p 图2 - 6 电流峰值控制的电感电流t 的波形 2 电流滞环控制法 电流滞环控制b o o s t 功率因数校正电路的原理图如图2 7 所示。在该电路中， 被检测电流是电感电流，。与电流峰值控制法不同之处是电流峰值控制法只有一 个电流基准，而电流滞环控制法有两个电流基准。这两个电流基准为电流基准上 限值，m 。和电流基准下限值l 一电感电流l 与两个电流基准相比较。当t 达到 电流基准下限值l ；。时，开关管v 导通，电感电流，上升；当，达到电流基准上 限值l 。，时，开关管矿关断，电感电流，下降。 电流滞环控制时电感电流，的波形图如图2 - 8 所示。，随开关管v 的导通和 关断，呈现上升和下降的变化，厶在l 。和，m 洫之间变化，l 为其平均值。l 。和 l 蛔之间呈现一个环带，称为电流滞环。 电流滞环控制器的缺点是负载对开关频率的影响较大，所以电流滞环控制法 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正技术 是变频的，由于开关频率变化较大，设计输出滤波器时，只能按最低开关频率来 考虑，所以重量和体积较大。 图2 - 7 电流滞环控制b o o s t 功率因数校正电路的原理图 图2 - 8 电流滞环控制时电感电流丘的波形图 3 平均电流控制法 平均电流控制b o o s t 功率因数校正电路的原理图如图2 - 9 所示。在该电路中， 被检测电流是电感电流厶。输出电压眈经电压误差放大器蹦后，输出电压误差 放大信号。该信号与输入电压在乘法器肘中相乘获得乘积作为电流基准。电 感电流，被检测后，在电流误差放大器c a 中与电流基准相比较，其高频分量( 开 关频率) 的变化在c a 中被平均化处理。平均电流误差经c a 放大后，与给定的 锯齿波斜坡在p w m 中比较，提供某一数值的占空比信号，经驱动器输出驱动信 号u 。，驱动开关管v ，这就形成了电流环。电流误差能被迅速而精确的校正。 由于电流环具有较高的增益和带宽，使跟踪电流误差产生的畸变小于1 ，容易 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章功率因数校正技术 实现功率因数接近于i 。 平均电流控制时电感电流j ，的波形图如图2 1 0 所示。图中的实线为电感电 流l ，而虚线为平均电流l 。由于平均电流控制法对噪声不敏感，电感电流的 峰值与平均值之间误差很小，所以平均电流控制法在要求较高的场合获得了广泛 的应用。 l + 图2 - 9 平均电流控制b o o s t 功率因数校正电路的原理图 图2 - 1 0 平均电流控制时电感电流屯的波形图 表2 - 1 给出了上述三种控制方法的比较2 8 1 。 表2 - 1 三种p f c 控制方法的比较 中南大学硕士学位论文 第二章功率因数校正技术 2 o 本章小结 功率因数校正技术是电源技术中的研究热点之一，本章介绍了开关电源中引 入功率因数校正技术的必要性，并重点介绍了目前广泛应用的b o o s t 有源功率因 数校正电路的工作原理，为本文中的p f c 电路的设计提供理论基础。 1 6 中南大学硕士学位论文 第三章功率因数校正( p f c ) 电路的设计 第三章功率因数校正( p f c ) 电路的设计 3 1 数字控制p f c 系统总体设计方案 本文以设计一款4 8 v 2 5 a ( 1 2 0 0 w ) 的通信电源为目标，前级p f c 的主要技 术指标及参数如下： 输入电压：。2 2 0 v a c 1 5 输入频率：厂：。= 5 0 h z 输出电压：圪= 4 0 0 v d c 输出功率：只。，= 15 0 0 w ( 考虑后级d c o c 变换器的损耗) 开关频率：六= 1o o k h z 采用基于d s p 数字控制的平均电流模式b 0 0 s t p f c 电路，其框图如图3 1 所示。 芷，前馈增益，k 电流采样系数，髟嘞出电压采样系数p 咖调制器增益 ( 电流p i 控制器( 乙电压p i 控制器p 电压基准 图3 - 1 基于d s p 数字控制的平均电流模式b o o s t - - p f c 原理框图 该电路主要由浪涌抑制电路、e m i 滤波器、整流桥、b o o s t 升压电路，信号 检测，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片组成，其控制原理与模拟控制p f c 的控制原理是一 样的，都是基于“乘法器”功率因数校正技术，与模拟控制不同的是控制部分完 1 7 中南大学硕士学位论文 第三章功率因数校正( p f c ) 电路的设计 全由一块d s p 所取代，分别由一个电流p i 控制器和电压p i 控制器代替了电流误 差放大器和电压误差放大器。控制参数完全由程序来设定。 在这种控制方式下，由整流桥输出电压的检测信号和电压p i 控制器输出信 号的乘积产生电流基准信号( 当输入为宽电压范围时需增加一路输入电压平均器 做为乘法器输入) ，此基准信号与电感电流采样信号经电流p i 控制器输出比较信 号，送给d s p 的全比较单元产生一个新的比较值，该比较值将在下一个开关周期 改变p w m 波形的占空比，通过隔离驱动电路驱动功率开关管的开通和关断。通过 这种方式使输入电流的平均值跟踪输入电压的波形，可使输入电流和输入电压同 相位，实现接近1 的功率因数。 3 2 主电路元件参数设计与选择 3 2 1 升压电感设计 电感器由绕组和磁芯组成，起着能量的传递、储存和滤波等作用，决定了输 入电流中高频纹波的大小。通常l 值越大，电流纹波越小，越有利于射频干扰 的抑制，有利于降低磁损耗和提高控制回路的稳定性。然而，过大的电感值不但 会使输出功率下降，也会造成磁饱和i 2 9 1 。电感器的设计对发挥电路的特性、效 率和作用，以及能否得到满意的校正效果是至关重要的。 1 电感的计算3 0 l 电感电流的最大峰值出现在交流输入电压最低且满载时，即 k ：篓奠：4 互x 1 5 0 0 ：1 2 6 ( a )(3-1)0 v 刁岫、 9 x 1 8 7 州 允许电感电流有2 0 的波动，则 a = 2 0 i 础= o 2 x 1 2 6 = 2 5 2 ( a ) ( 3 2 ) 电感电流出现最大峰值时的占空比为 d ：v o - 形n ( m i n ) ：4 0 0 - , 4 r 2 x 1 8 7 ：o 3 4( 3 3 ) 屹400 升压电感值为 =!三竽=丽,4r2x187x034=。36(，卯日) ( 3 4 ) ，= 一= 一= i n m ，t i 一ni f 1 0 0 1 0 3 2 5 2 、。 2 电感的设计 由于升压电感为直流电感，即流过的电流主要是直流电流，脉动电流( 电流 的交流分量) 相对较小1 3 1 1 ，在选择磁芯时需选择导磁率低的磁芯，如m p p ，铁粉 1 8 中南大学硕士学位论文第三章功率因数校正( p f c ) 电路的设计 心等，本文选用m a g n e t i c s 公司的m p p 磁芯。而由于m p p 磁芯用作直流电感时磁 导率会随着磁通的变化而变化，我们在设计中要求磁芯的导磁率变化幅度不能超 过2 0 。这就是说，电流从o a 增大到1 2 6 a ，电感值下降不超过2 0 ，即直流电 流为0 时电感值应该为0 4 5 m h ( 0 4 5 m h 8 0 = 0 3 6 m h ) 。 设计过程如下f 3 2 i ： ( 1 ) 计算电感的两倍储能三，2 。直流电流为1 2 6 a 时，两倍储能为 l 1 2 = o 3 6 x 1 2 6 2 = 5 7 2 ( m j ) 。 ( 2 ) 选择磁芯型号。通过m a g n e t i c s 公司提供的选择指导【3 3 l ，结合三，2 值， 选取磁芯型号为5 5 4 4 0 ，其初始磁导率为2 6 。 ( 3 ) 计算绕组匝数。5 5 4 4 0 型磁芯的a l = 5 9 ( 磁芯绕制1 0 0 0 匝所对应的电 感量) ，则需要的匝数为 肚任= v 0 5 - 3 1 6 2 删万n n 硼( 匝) ( 3 - 5 ) 由于前面提到，直流电流从0 增加到1 2 6 a 时，对应的磁导率会发生变化， 其磁场强度为： h = h n i n x ，= 0 1 1 7 x 7 8 x 1 2 6 = 1 1 5 ( q ) ( 3 6 ) 其中，h n i = 0 4 万磁路长度= o 4 万l o 7 4 = 0 1 1 7 。 从图3 2 中的曲线可以得到初始磁导率百分数。选择2 6 9 对