（电力电子与电力传动专业论文）基于新型boost+pfc和flyback结合软开关电路的研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p i n go ft h es o c i e t ya n de c o n o m y ，p e o p l ea r ew i i l i n gt o o b t a i nb e t t e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s t h es o f ts w i t c h i n gt e c h n i q u e ，w h i c h c a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y ，r e d u c et h ev o l u m ea n dw e i g h ，r e d u c et h e e 1 e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) a n dt h ep o w e rf a c t o tc o r r e c t i o n ( p f c ) t e c h n i q u e w h i c hc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fe le c t r i c i t y ，1 i m i t i n gt h e h a r m o n i c sp o l l u t i o n h a v eb o t hb e c o m et h em a i nf ie l d sa n dh o ta r e a so ft h e e l e c t r o n i cp o w e rs t u d yn o w a d a y s t om e e tt h ec h a l l e n g e so ft h ee v e r p r e s e n tr e q u i r e m e n t ( e s p e c i a l lyi n t h ec o m m u n i c a t i o np o w e rs y s t e m ) t od e c r e a s et h e s i z oo fp o w e rc o n v e r s i o n e q u i p m e n t s ，p o w e rs u p p l i e so p e r a t i n ga th i g h e rs w i t c h i n gf r e q u e n c i e sa n d u t i l i z i n ga d v a n c e dp a c k a g i n ga n dt h e r m a lm a n a g e m e n tt e c h n i q u e sh a v eb e e n i n t r o d u c e d s p e c i f i c a l l y ，i nr e c e n ty e a r s ，s i g n i f l e a n te f f o r t sh a v eb e e n m a d et or e d u c es w i t c h i n gl o s s e so fc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ( c c m ) b o o s t t o p o i o g yf o ri m p le m e n t a t i o no faf r o n te n dw i t hp f co v e rt h er a n g ef r o m m e d i u mt o h i g hp o w e r s of a r ，an u m b e r o fs o f t s w it c h i n gb o o s tp f c r e c t i f i e r sa n dt h e i rv a r i a t i o n sh a v eb e e np r o p o s e d t h e nan e ws o f t s w i t c h i n gb o o s tp f cr e c t i f i e rw i t ha ni n t e g r a t e d f l y b a c kc o n v e r t e riss t u d i e di nd e t a i l j nt h is p a p e r t h i st o p o i o g yi sm a d eu po fab o o s tp f cr e c t i f i e ra n daf l y b a c kc o n v e r t e r ( a s as t a n d b y p o w e rs u p p l y ) ， 1 i n k e d u pt o g e t h e rb y a na u x i1 i a r y s o f t s w i t c h i n gb r a n c h t h eb o o s tp f cr e e t i f i e ri sw o r k i n go nc u r r e n t c o n t i n u o u sm o d e ( c c m ) ，w h i l et h ef l y b a c ko nc u r r e n td is c o n t i n u o u sm o d e ( d c m ) a 1 lt h es w i t c h e sc a nr e a l i z es o f ts w i t c h i n g t h eb o o s ts w i t c ha n d t h ef l y b a c ks w i t c hc a nh et u r n e do nz e r ov o l t a g e t h ea u x i l i a r ys w i t c hi s t u r h e do na h do f fz e r oc u r r e n t t h ed i o d eo ft h eb o o s tp f cr e c t i f i e ris t u r n e do f fs o f t l yw i t ht h ed i 西r a t ec o n t r o e d w h a tism o r e ，t h e c o n d i t i o n sf o rs o f t s w it c h i n ga n dt h ec o m p a r e dr e s u l t sa r eb o t hd is c u s s e d i n d e t a i l t h ec o n t r 0 1m e t h o da d o p t e di nl h i sp a p e ri ss i m p l ea n dr e l i a b l e u s i n g u c 3 8 5 4t oc o n t r o lt h eb o o s tp f cr e c t i f i e ra n du c 3 8 4 2t oc o n t r o lt h ef l y b a c k c o n v e r t e r 1 h e ya r eb o t hc o m m o na n dc h e a pc h i p s w h i l es o m es i m p l er e s is t o r a b s t r a c t a n dc a p a c i t o r ( r c ) d e l a yn e t w o r k sa n ds o m el o g i cg a t e sa r eu s e dt od e s i g n t h ea u x i l i a r ys o f t s w i t c h ir i gb r a n c h a tl a s t ，t h isn e ws o f t s w i t c h i r i gt o p o l o g yi ss i m u l a t e db ys i m e t r i x 4 2 u s i n gc o m p u t e ra n dt e s t e db yt h ed e s i g n e dh a r d w a r e b o t ht h er e s u l t sh a v e p r o v e dt h a ta 1 1t h es w i t c h e sh a v er e a l i z e ds o f t s w i t c h i n g t h ee x p e r i m e n t s c a na l s oc o n f i r mt h a tt h e p o w e r f a c t o ra n d e f f i c i e n c y o ft h en e w s o f t s w i t c h i n gt o p 0 1 0 9 ya r eb o t hv e r yh i g h l o s sa n a l y s i si sc a r r i e do u t b r i e f l yt o o ， w h i c ha l s op r o v e st h ee x c e l l e r i tp e r f o r m a n c e so ft h en e w t o p o l o g y i ns o m e a r e a ss u c ha sc o m m u n i c a t i o i 3p o w e rs y s t e m ，t h i sn e w s o f ts w i t c h i n gt o p o l o g ym a yh a v em o r ea d v a n t a g e st h a nt h ec o n v e n t i o n a l 0 n e k e y w o r d s ：s o f t s w i t c h i n g ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，m a g n e t i cc o u p l i n g ， b o o s t ，f l y b a c k 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导f 独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：叉1 ) 衍年 日期：舻月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密酗。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：邓锣了孕 导师签名： 韵乏响 e t 期：彬年占月，o 日 日期：沙哆一年彳月。日 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对各种用电 设备的需求不断提高，对这些设备质量的要求也越来越严格。电力电子技术作为 一种能够提高电能质量的技术，随着功率半导体元件的更新换代，得到了迅速的 发展。其中开关电源的出现和发展成熟，在提高用电效率、减小设备体积等方面 起着及其重要的作用。目前，软开关( s o f t s w i t c h i n g ) 技术和功率因数校正( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，简写为p f c ) 技术都是开关电源研究领域内的重点和热点问 题。软开关技术是一种能够显著降低功率开关管的损耗，进而提高电源变换效率 的技术。它使开关电源的工作频率可以提高到1 0 0 k h z 以上，采用更小的感性和容 性元件，进而大大提高功率密度、减小设备的体积。功率因数校正技术是一种能 够减少用电设备产生的谐波污染，提高用电质量的技术。目前许多国家和国际机 构都颁布了不同的谐波标准来控制电磁干扰( e 1 e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e ，简写 为e m i ) ，如i e e e 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 、i e c l 0 0 0 3 2 等。因此，研究软开关技术和功 率因数校f 技术，对于设计符合标准的电子产品具有重大的实际意义。 1 1 软开关技术的概况 1 1 1 软开关技术的概念 珞犀珞盛瞄商臣二盎匿 丑之i 匣 芷i 厅，j | 耋l 生l _- 忍坤一i 忍，村i 7 忍，枷) 忌，蚶】7 忍，中耐 忌。螂 7 ( a ) 硬开关( b ) 零电流开关( c ) 零电压开关 图卜1 丌关管不同的电压和电流波形 f i g1 - ld i f f e r e n tw a v e f o r m so ft h es w i t c h 电力电子技术的发展依赖于功率开关管的更新换代，功率开关管的工作状态 直接决定了设备的性能。在开关电源中，一般都采用脉冲宽度调制方法( p u ls e w i d t hm o d u l a t i o n ，简称为p w m ) 来对电路进行控制，它的功率丌关管都工作在高 频状态下。若不加额外的电路和控制，开关管将工作在硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 状态，在其开通和关断期间，承受的电压和电流波形如图卜l ( a ) 所示，它们存在 着交叠区域( 阴影部分) ，产生开通损耗( t u r n e d o nl o s s ) 和关断损耗( t u r n e d o f f l o s s ) ，统称为开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 。 华南理t 大学硕+ 学位论文 在一定条件下，开关管在每个丌关周期中的开关损耗是恒定的，变换器总的 开关损耗与开关频率成f 比，开关频率越高，总的开关损耗就越大，变换器的效 率就越低。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的 小型化和轻量化。 另外，丌关管工作在硬开关时还会产生很高的别出和驯衍，从而产生很大的 e m i 。并且，开关轨迹很容易超出安全工作区，导致损坏开关管。 为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。要提高开关频率，同时提 高变换效率，就必须减小开关损耗。减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开 关，软开关技术应运而生，图卜l ( b ) 和( c ) 给出了开关管实现软开关的波形图。软 开关技术是指采用合适的谐振电感和谐振电容，构造谐振或准谐振支路，利用合 适的控制方法，使得开关管在开通或者关断的时候，其电压为零或电流为零，从 而降低开关的损耗。减小开关管开通损耗的方法有： 1 ) 在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小 电流和电压的交叠区，即零电流开通( z c s ) ； 2 ) 在开关管开通前，使其电压下降到零，即零电压开通( z v s ) ；见图1 一l ( c ) ； 3 ) 同时做到上面两点，即零电流零电压开通( z c z v s ) ，损耗为零。 减小关断损耗的方法有： 1 ) 在开关管关断前，使其电流减小到零，即z c s ，见图卜1 ( b ) ； 2 ) 在开关管关断时，使其电压保持为零，或者限制电压的上升率，从而减小 电流和电压的交叠区，即z v s ； 3 ) 同时做得前面两点，关断损耗为零。 能够使开通损耗和关断损耗都降到零，是最理想的软开关技术。但在实际电 路中，往往不容易做到。必须根据具体的情况，设计合适的软开关技术。若选用 金属氧化物场效应管( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o tf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ， m o s f e t ) 作为开关管，由于其丌通速度快、寄生电容大，适合采用z v s 丌通技术。 若选用绝缘栅双极性晶体管( i s o l a t eg a t eb i p o l a rt r a n s is t o r ，i g b t ) ，由于 i g b t 在关断的时候存在电流拖尾现象，适合采用z c s 关断技术【2 j 。 1 1 2 软开关技术的分类 变换器的软开关技术实际上是利用电感和电容来对开关管的开关轨迹进行整 形，最直接的方法是利用有损缓冲电路来实现。常用的有损缓冲电路如图卜2 ( a ) 所示【 j ，它是一个由电阻r 1 、电容c 1 和二极管d l 组成的r c d 缓冲电路。当开关 管q 1 关断的时候，d 1 导通给c 1 充电，由于c 1 上面的电压不能突变，限制了q l 在关断的时候的电压上升率，实现了z v s 关断。但是q 1 再次开通的时候，c 1 将会 通过r 1 和叭放电，将之前充电存储的能量放掉。因此在能量转换的角度来说， 第一章绪论 这种缓冲电路对改善效率的作用不大。但由于将开关损耗转移到电阻上，改善了 丌关管的散热条件；同时它还限制了开关管关断时候的电压上升率，改善e m i ；在 某些情况下还可能减小开关管的电压和电流的交叠区域，减少开关损耗。 无源无损缓冲电路也是比较常用的缓冲电路 4 - 1 0 j ，图卜2 ( b ) 就属于这种类型。 其原理是将开关管关断时候的能量转移到无损元件( 如电容或者电感) 上，在其 再次开通时将无损元件上面的能量转移到输出或者输入，从而达到“回收”开关 能量的效果，它比前面的r c d 缓冲电路更加有效。该电路一般都是实现z c s 开通 和z v s 关断，其设计要根据电路拓扑来确定，发展受到了一定的限制。 j 口 ( a ) r c d 缓冲电路( b ) 无源无损缓冲电路 图卜2 常用的缓冲电路 f i g1 - 2c o m m o ns n u b b e rc i r c u i t s 前面的两种方法对于变换器来说都是“被动”的方法，都是在开关损耗出现 后的处理方法，属于转移开关损耗。损耗转移后要么消耗在电阻上，要么再次回 馈利用( 由于没有无损器件，仍然存在一定损耗) ，这对提高变换器效率的作用不 够明显。无源无损缓冲电路还有比较严重的占空比丢失问题，限制了工作频率的 提高。而目前所研究的软丌关技术大多数是“主动”地减小开关损耗，从根源上 真正解决问题。本文所研究的电路拓扑也是采用这种方法。这类技术发展了几十 年，出现了许多不同的电路拓扑和不同的控制方法l l - 1 2 ，如表卜l 所示。 表卜1 软开关变换技术的发展进程 t a b l e 1 - 1d e v e l o p m e n to ft h es o f t - s w i t c h i n gt e c h n i q u e s 出现时间 名称应用 7 0 年代全谐振变换器半桥或全桥变换器 8 0 年代初准谐振和多谐振变换器单端或桥式变换器 8 0 年代中零开关p w m 变换器单端或桥式变换器 8 0 年代术移相控制全桥变换器全桥变换器 9 0 年代初零转换p w m 变换器单端或桥式变换器 1 全谐振变换器。这类变换器实际上是负载谐振型变换器，分为两类：一类 是负载与谐振回路相串联，称为串联负载谐振变换器；另一类是负载与谐振回路 华南理工大学硕士学位论文 相并联，称为并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作， 参与能量变换的全过程。该变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般 采用频率调制方法。 2 准谐振和多谐振变换器。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点 是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，而不是全程参与。准谐振变换器分为零 电流开关准谐振变换器和零电压开关准谐振变换器。多谐振变换器一般实现开关 管的零电压开关。这类变换器需要采用频率调制控制方法。 3 零开关p w m 变换器。它可分为零电压开关p w m 变换器和零电流开关p w m 变 换器。这是在准谐振变换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的 谐振过程，实现恒定频率控制，即p w m 控制。与准谐振变换器不同的是，谐振元 件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关管周期的1 1 0 1 5 。 4 移相控制全桥变换器。这种变换器适合于中大功率场合，采用移动相位控 制方法，可以分为零电压开关、零电压零电流开关和零电流开关三种软开关方式。 这种变换器的优点是：电路简单，p w m 控制，无需附加缓冲电路就可以实现软开关， 电压和电流应力都很小。其缺点是：负载轻的时候，滞后桥臂难以实现软开关； 原边容易产生环流；输出整流二极管不能实现软开关，加大了损耗。 5 零转换p w m 变换器。它可以分为零电压转换p w m 变换器和零电流转换p w m 变换器。这类变换器是软开关技术的又一个飞跃。其特点是：p w m 控制，辅助谐振 电路只是在主开关管开关过程工作一段时间，协助实现开关管的软开关，在其他 时间则停止工作，损耗很小。 本文研究的新型b o o s tp f c 和f l y b a c k 结合软开关电路所采用的软开关技术 属于零转换p w m 变换器。 1 1 3 软开关技术的发展前景 传统r c d 缓冲电路由于简单可靠、技术成熟，在很多变换器( 如正激变换器、 反激变换器等) 得到广泛的应用。无源无损缓冲电路结构简单，无需额外的控制 电路，也成为目前软开关技术研究的一个重点，文献 4 一1 0 均为最新的无源无损 缓冲电路的研究成果。 软开关技术的发展需要结合具体的电路拓扑和性能要求。前面提到的几种软 开关谐振变换器，都是目前研究的重点。 一方面，现代控制技术中的滑模变结构控制、单周期控制等都逐渐应用在丌 关电源中；最新发展起来的d s p 芯片具有卓越的数字处理功能，也开始用在开关 电源中；软开关技术需要结合这些变化，做出相应的改善和发展。 另一方面是对现有的电路拓扑进行改善，设法通过对主电路和控制电路的小 修改，达到实现软开关的目的1 1 3 1 。或者对磁性元件进行处理，利用电感耦合和变 4 第一章绪论 压器耦合的原理协助构造软开关辅助支路。本文研究的电路就属于后面一种，构 造了含有反激变换器的变压器耦合绕组的软开关辅助支路。 另外，目前所有的软开关技术都应用了谐振原理，电路中存在串联或者并联 的谐振网络。谐振网络的工作必然引起额外的谐振损耗，并使电路受到固有问题 ( 如占空比损失、开关应力大等) 的影响，限制了软开关技术的发展。国内外有 许多科研人员在研究能否实现以及如何实现无谐振网络的软开关变换器技术，并 已取得了一定的进展1 1 4 1 。 1 2 功率因数校正技术的概况 1 2 1 功率因数校正技术的概念 在含有a c d c 变换器的电力电子装置( 如开关电源) 中，d c d c 变换器或 d c a c 变换器一般由交流市电经大电容滤波后得到较为平滑的直流电压来供电。 由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，输入电流成成为一个持续时间 很短的周期性尖峰电流，如图1 3 所示。 d c ，d c c o n v e r t b r 图1 3a c d c 变换器及输入电压和电流的波形 f i g1 - 3t h ea c d cc o n v e n e ra n dt h ei n p u tv o l t a g ea n di n p u tc u r r e n t 对输入电流进行傅立叶级数分解，可得： i ；= i is i n c o t + 1 3s i n 3 c o t + 厶s i n 5 c o t + - ( 1 1 ) 可见，输入电流除了含有基波外，还含有丰富的奇次高次谐波分量，这些高 次谐波将会对用电设备、电网、环境等带来谐波严重的污染，引致很多危害： 1 谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使得电网电压( 原来为正弦波) 发生 畸变，影响各种电气设备的正常工作。 2 谐波电流会造成输电线路和变电设备过量发热，导致损坏，引起故障。 3 谐波影响用电设备正常工作。例如在电机中引发附加的谐波振动等。 4 谐波影响测量设备的正常工作，导致额外的谐波误差等。 5 谐波对通信电路造成干扰。高频谐波电流会通过电场耦合、磁场耦合以及 共地线耦合的作用，对工作于高频状态的通信电路造成影响。 为方便分析输入电流所出现的高次谐波，引入功率因数的概念，以定量分析 华南理_ 大学硕士学位论文 输入电流的畸变程度。 功率因数( p o w e rf a c t o r ，简称为p f ) 的定义为【1 5 】： 胛2 瓦南j 或者p f 2 焉( 1 - 2 ) 这里，p 为实际输入功率，和分别为输入电压和电流的有效值。p f 值越大，输入电流的畸变程度就越小。最大为1 0 ，发生在负载为纯电阻的情况下。 若a c d c 变换器的功率因数能够达到1 0 ，如图1 4 所示，这是最理想的情况。 d c t d c c o n v er t e r 图1 4 带p f c 功能的a c d c 变换器及其理想的电压电流波形 f i g1 - 4t h ea c ，d cc o n v e r t e rw i t hp f ca n dt h ei d e a lw a v e f o r m s 在实际中，a c d c 变换器的功率因数难以达到1 0 。若略去谐波电流的二次 效应，假设输入电压为正弦波，电流为非正弦波，则有： lr m s2 ( 1 - 3 ) 式中，。( ”) 为n 次谐波的有效值。设基波电流滞后于电压的角度为0 ，得： p f ：丁v r m s m s ( i ) c o s 0 ：挚c 。s 口：如k 口( 1 - 4 ) v i m si 式中，k 。为电流波形畸变因子，世。为位移因子。 总谐波畸变( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 的定义为： t h d = ( m ( ) ，m ( 1 ) ) 1 0 0 ( i - 5 ) r - - 一 式中，。( 。) = 1 。2 ( ) ，电流波形畸变因子k d 与t h d 的关系如下： k d = 1 4 1 + ( t h d ) 2 ( 1 6 ) 在a c d c 变换电路中，通常有0 = 0 ，k 。= 1 ，此时有： p f = k d ( 1 7 ) 6 一 唇 第一章绪论 1 2 2 谐波标准 表1 - 2c l a s sa d 设备输入电流谐波限制标准( i e c l 0 0 0 3 2 ) t a b l e 1 2t h ec l a s sa t dh a r m o n i cl i m i t e ds t a n d a r do f i n p u tc u r r e n t ( i e c l 0 0 0 3 - 2 ) c l a s s ac l a s s cc l a s s d 最大允最大允相对谐绝对谐 许谐波许谐波波电流波电流 谐波次数电流谐波次数电流谐波次数 ( m a ( a ) ( n )( a ) ，( n )( ) ，( n )w ) ( 均( 均方 均方根占基波方根)根值) 32 3 0百分比 5 1 1 422 33 42 3 0 7o 7 733 0 丑51 91 1 4 90 4 051 071 o0 7 7 1 1 0 3 3 77 9 o 5 0 4 0 1 3o 2 l951 l0 3 5o 3 3 1 5 r l 3 92 2 5 n1 l n 3 93 21 0 81 3 0 2 9 5 0 2 1 40 4 3 备注：五= c o s 1 5 n 3 9 3 8 5 n 2 ，2 5 n 60 3 0 8 n 4 01 8 4 n 其中： c l a s sa ：平衡的三相设备； c l a s sb ：轻便的工具，其限制不超过c l a s s a 给出值的1 5 倍； c l a s sc ：照明设备； c l a s sd ：带有特殊波形的输入电流的设备，功率小于6 0 0 w 。 为了减小电子设备对交流电网的谐波污染，很多国家都制定了谐波标准，强 制要求电子设备必须满足一定的谐波要求，如i e e e 5 5 5 2 ，i e e e 5 1 9 ，i e c l 0 0 0 3 2 等等。在此，仅简介i e c l 0 0 0 3 2 标准。该标准适用于所有的与5 0 h z 或6 0 h z 的 公共电网相连的电子设备；市电电压两线或三线制单相2 2 0 v 或2 4 0 v ，三线或四 线制三相，线电压3 8 0 v 或4 1 5 v 。这些电子设备可分为a 、b 、c 、d 四类，对应 的谐波标准如表1 2 所示1 6 。1 9 】。 在i e c l 0 0 0 - 3 2 d 类谐波标准中，输入电流谐波含量的规定是相对值，同时也 给出了高次谐波的最大值限定。显然在轻载时，由于输入电流很小，容易满足其 规定：在重载时，由于最大允许谐波电流分量不变，满足该标准就有一定的难度。 华南理j 二大学硕士学位论文 1 2 3 功率因数校正技术的种类 按照输入电流的形状，功率因数校正技术可分为两类：正弦形和非正弦形【2 0 1 。 1 2 3 1 输入电流为正弦形的功率因数校正技术 能使输入电流为正弦形的功率因数校正技术很多，以b o o s tp f c + d c d c 两级 变换器为参考，将这些技术分为五大类，如图1 - 5 所示。 输入电流为正弦形的功率因数校正技术 电压跟随嚣 去ll 无源滤波法il 平衡能量法i l 优化能量法ii 有源滤波法 图1 5 输入电流为正弦形的功率因数校正技术的分类 f i g1 5a l t e r n a t i v e st ot h ep f ct e c h n i q u e sf o rs i n u s o i d a ll i n ec u r r e n t 这里简要介绍电压跟随器法、无源滤波法和有源滤波法。 电压跟随器法：一些工作于电流断续模态的变换器便是电压跟随器，它们的 控制电路不含电流环，很容易设计。输入电流的包络线自然为正弦形，功率因数 为1 0 。如b u c k b o o s t 变换器、f 1 y b a c k 变换器等。b o o s t 变换器也可以设计为电 压跟随器类型，但由于峰值电流很大，只适合于低功率场合。 无源滤波法：无源滤波技术通常在图l 一3 中的整流器和电容间串联一个滤波电 感，增加整流二极管的导通时间。若电感足够大，可得到理想的输入正弦电流。 另一种方法是做交流侧接入一个l c 滤波器，主要是滤除三次谐波。浚技术的优点 是简单可靠，e m i 极少。但滤波电感工作于工频状态，笨重庞大：并且难兼容全球 不同的网压，其应用受到很大的限制。 有源滤波法：有源滤波技术在高功率场合应用广泛。最显著的优点是可以在 现有的系统中，将非正弦形的电流转换为工f 弦形。 1 2 3 2 输入电流为非正弦形的功率因数校正技术 在实际中，采用何种技术进行功率因数校正取决于多个因素，其中成本是考 虑的重点之一。图1 6 表示了成本和输入电流质量的关系图，输入电流越接近正 弦波，功率因数越高，成本就越高【20 1 。在很多场合中，输入电流并不一定需要是 正弦形，而只需要其谐波分量满足谐波标准的要求就可以了。为降低这些变换器 的成本，近年来发展起来了很多种输入电流为非正弦波的功率因数校正技术。 跟前面的类似，输入电流为非正弦形的功率因数校正技术也有很多种，如图 1 7 所示，这里也仅仅介绍其中常见的几种。 第一章绪论 图1 6 输入电流波形和变换器成本的关系趋势 f i g1 4t r a d e o f fo ft h ew a v e f o r m so f t h ei n p u tc u r r e m sa n dt h ec o s t 输入电流为非正弦渡的功率因数校正技术 无源滤波法| i 减少开关法| | 减少控制环法ll 结台拓扑法i 旧改d c d c 变换器法 图1 7 输入电流为非正弦波的功率因数校正技术的分类 f i g1 - 7a l t e r n a t i v e st ot h ep f ct e c h n i q u e sf o rn o n s i n u s o l d a 1 i n ec u r r e n t 无源滤波法：跟前面的不同，这里的无源滤波法不能使输入电流变成正弦形， 但它也能提高功率因数。常见的“削峰填谷”法便是其中一种，用两个电容和三 个二极管组成的网络代替原先单个的电容滤波，使两个电容能够串联充电并联放 电，从而扩大整流二极管的导通时间，实现功率因数校f 。 减少控制环法：该方法不减少开关管数量，但两级调节都使用同一个脉冲。 只要选择了适当的拓扑，就可以得到接近正弦形的线电流。比如，将一个工作于 电流连续模态( c c m ) 的、占空比固定的后级调节器，与一个工作于电流断续模态 ( d c m ) 的前级功率因数校正器结合起来，就可以构造一个这种类型的变换器。 结合拓扑法：近年来出现了很多种将两个已知的拓扑结合成一个，仅使用一 个控制环路的功率因数校正电路。在这类变换器中，拓扑和工作模态的选择决定 了输入电流的形状和储能电容的电压，如b i f r e d 变换器和电荷泵变换器。 b i f r e d 变换器是将b o o s t 和f l y b a c k 通过变压器的耦合关系结合起来的变换器， 电路简单，只需一个开关管、一个控制环，带有隔离功能，有一部分功率是直接 传送的，有利于提高效率。其缺点是储能电容电压取决于负载，轻载时该电压会 很高。若采用变频控制，可以将储能电容电压抑制在可接受的范围内。电荷泵变 换器可看成是一个谐振变换器和p w md c d c 变换器的结合。仅用一个开关和一个 控制环，功率的处理过程很简单。储能电容的电压跟随负载和输入变化，但相对 于其他拓扑而言，其变化很小，适用于所有的网压。主要的缺点是它的谐振电路 的设计比较困难。 9 零霾 鍪黧| | 一 薰黧蒸 冀一 隧糕蘸黧瓣程妻镳 霉一 黧女一纛 一 辩。攀鍪i_i i；“i“i i m $ # |# him 漂擐 一燃燃 舞裁可麟一 |鞫n鞋|_ 华南理j 二大学硕士学位论文 本文研究的电路属于输入电流为正弦形的功率因数校正技术，是应用最广泛、 技术最成熟的b o o s t p f c 变换器。将这种变换器和作为后备电源的f l y b a c k 变换器 有机地结合起来，达到高功率因数，同时实现所有开关管的软开关，提高效率。 1 2 4 功率因数校正技术的发展前景 随着人们对电网谐波污染危害性认识的不断加深，和各个国家谐波标准要求 的不断提高，功率因数校正技术越来越重要，已经成为电力电子技术( 尤其是开 关电源技术) 重要的研究方向之一。迄今为止，虽然功率因数校正技术已经得到 了相当程度的发展，并在实际中得到广泛的应用，但仍然需要继续深入的研究。 目前，功率因数校正技术的研究热点主要集中在以下几个方面1 2 1 3 6 j ： 1 新型拓扑结构的提出。主要是基于已有的或新原理得到的新拓扑结构； 2 把d c d c 变换器中的新技术( 如软开关技术) 应用于p f c 电路中； 3 新控制方法( 基于已有拓扑的新控制方法) ，以及基于新拓扑的特殊控制 方法的研究；本文研究的电路即属于这种类型。 4 单级p f c 变换器的研究。 5 三相p f c 技术【3 7 4 们。在中大功率场合，三相a c d c 变换器是最佳的选择， 但其p f c 技术在电路拓扑结构和控制策略上都存在着难点。这方面的研究除了要 借鉴单相p f c 技术外，还需要针对三相p f c 的特点，发展新的电路拓扑和控制策 略。另外，利用最新的高速数字处理芯片和现代控制理论与算法，数字化的三相 p f c 变换器也是现在和今后的主要发展趋势之一。 总之，成本低、结构简单、容易实现、可靠性高，并且具有软开关性能、高 相应速度、低输出电压纹波、隔离、高功率因数变换器是研究的最终目标。因此， 本文研究的将b o o s tp f c 变换器和f l y b a c k 变换器结合起来的软开关电路符合p f c 技术的发展方向，具有很好的研究意义。 1 ，3 本文的主要内容 本文的选题为“基于新型b o o s tp f c 和f l y b a c k 结合软开关电路的研究”，是 研究一种将b o o s tp f c 变换器和f l y b a c k 变换器结合起来，利用f l y b a c k 变压器 的磁耦合绕组协助实现所有开关管的软开关效果的电路，及其简单的控制方法。 主要内容由以下四个部分组成： 第一部分是介绍课题背景。包括介绍软开关技术和功率因数校正技术的概况， 简要论述它们的基本概念、基本工作原理和发展状况等。 第二部分是理论分析。首先，在结构上详细分析新型的b o o s tp f c 和f l y b a c k 结合软开关电路带有磁耦合的特点。然后对这种新型电路的两种工作模式及其各 个工作模态进行详细分析，论证了在一定的条件下，新型电路的所有开关管都能 l o 第一章绪论 实现软开关的条件，其中b o o s t 和f l y b a c k 的开关管为z v s 开通，辅助开关管为 z c s 开通和z c z v s 关断。最后对新型电路和传统电路进行各个方面的性能对比，得 出了新型电路的某些性能优于传统电路的结论，使得它在具有固定负载的应用场 合中具有更大的优势。 第三部分是电路设计。针对新型电路的特点，结合传统电路的成熟设计方法， 利用常用的芯片u c 3 8 5 4 和u c 3 8 4 2 ，分别设计b o o s t 和f l y b a c k 的主电路和控制电 路。再根据理论分析设计辅助软开关支路，采用电阻和电容组成的延迟网络和逻 辑门电路设计将两个变换器连接起来的中问结合电路。 第四部分是仿真和实验结果分析。采用s i m e t r ix 4 2 软件对电路进行仿真， 并制作了一台实验样机：输入为8 5 2 6 5 v ( 交流) 、输出为4 0 0 r 1 7 5 w 和1 2 v 3 6 w ( 均为直流) 。仿真和实验的结果都证实了理论分析，进一步证明了所设计的电路 简单可靠，既能实现高功率因数，又能令所有的开关管都能够实现软开关。最后 对电路的损耗进行了简要的分析，再次证明新型软开关电路的优良性能。 华南理工大学硕士学位论文 第二章新型软开关电路的稳态分析 2 。1 新型b o o s tp f c 和f i y b a c k 结合软开关电路的提出 目前，在数字信号处理系统和通讯系统的a c d c 电源模块中，一般都用b o o s t 变换器来进行前级功率因数校正，后面再接一级d c d c 变换器，将b o o s t 输出的 高电压转换为需要的电压等级。这样不仅整机的功率因数高、能够有效抑制谐波， 电压调整特性也非常好。其主要缺点是主电路和控制电路都比较复杂，不利于提 高整机的效率和可靠性。但由于这种技术成熟，能够满足通讯电源系统的要求， 得到了广泛的应用。为了进一步提高电源模块的效率，一般同时采用软开关技术。 而在整个电源系统中，除了含有b o o s t + d c d c 变换器外，还有一路或者几路 带有固定负载的后备电源，如图2 1 所示【4 。 l整流和输入滤波 1 - v 警“ l前级功率因数校正 i r v a l d c d c l 变换器 后各电源 j整流和输人滤波 ll j 厂v i ：。十j ， l前级功率因数校正 b 细，i 黎 d c d c 店备电源 l 变换器 v d c l c nv o t _ i i b n 、k l c nv o l n ( a ) 传统变换器框图伯) 新型变换器框图 图2 1 传统变换器和新型变换器的框图 f i 9 2 1b l o c kd i a g r a m sf o rt h ec o n v e n t i o n a la n dn e wc o n v e r t e r s 图中，v d c 。为第n 路d c d c 变换器输出，v o 。为第n 路后备电源输出。 图2 - 1 ( a ) 为传统类型的电源系统框图，其前级功率因数校正和后备电源系统之 间除了前者是后者的输入电源( 也即后者是前者的负载) 的关系之外，没有其他 的联系。为了满足目前和未来电能转换装置对体积不断缩小的要求，电源的工作 频率越来越高。近年来，工作于c c m 状态的b o o s t 作为前级p f c 变换器具有优异 的性能，这方面的研究做得也特别多。提出了大量改进的软开关b o o s t 变换器 2 5 - 3 4 1 ，并深入研究了它们的性能特点。这些变换器中，都是通过控制一个辅助开 第二章新型软开关电路的稳态分析 关管的开通时阳j 去创造主开关管的软开关条件，同时达到控制b o o s t 输出二极管 关断期间的电流下降速率疥出的目的。 但是，它们都把焦点放在如何提高前级功率因数校正变换器的性能上，而不 是从整机乃至整个电源系统的角度来研究问题。 若能够从整个电源系统的角度研究问题，将前级功率因数校正变换器和后备 电源结合起来，更深入地去研究软开关技术，进一步提高整机的效率和体积，将 是一种更好的方法。文献 4 1 1 提出了一种新型的软开关电路，其电路框图如图2 - l ( b ) 所示。在这个电路中，