（电力电子与电力传动专业论文）基于单周期控制的三相高功率因数整流器研究.pdf

a b s t r a c t t h ea t t e n t i o nd e v o t e dt or e d u c i n gh a r m o n i c p o l l u t i o ni si n c r e a s i n g p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ( p f c ) i sa ne f f e c t i v em e t h o dt or e d u c eh a r m o n i cc u r r e n ti np o w e rg r i d s i g n i f i c a n c eo fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni sc l a r i f i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h er e c e n td e v e l o p m e n ta n dp r i n c i p l e so fv a r i o u st o p o l o g i e s a n dc o n t r o l s t r a t e g i e s i na c t i v ep f ca r eg i v e n o n ec y c l ec o n t r o lt e c h n o l o g y i n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sak i n do fl a r g es i g n a l ，n o n l i n e a rc o n t r o lt e c h n i q u e i ti s a p p l i e ds u c c e s s f u l l y t ot h ec o n t r o lo ft h r e e p h a s eh i 曲p o w e rf a c t o r ( h p f ) r e c t i f i e r s t h e s es t u d i e si nt h ed i s s e r t a t i o nh a v eb e e n d o n ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h eo n ec y c l ec o n t r o lt e c h n o l o g y , ag e n e r a la n dn o v e lp f cc o n t r o l l e ri s p r o p o s e df o rs i n g l e p h a s er e c t i f i e r s t h ep r i n c i p i eo ft h ep f cc o n t r o l l e ri si l l u m i n a t e d p a r t i c u l a r l y t h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rd o e sn o tr e q u i r em u l t i p l i e r s ，a n do n l yc o n s i s t so f o n ei n t e g r a t o rw i t hr e s e ta l o n g 、i t l ls o m el o g i ci ca n dl i n e a rc o m p o n e n t s i ts i m p l i f i e s t h es t r u c t u r ea n dc o m p l i c a t i o no f c i r c u i ta n di se a s yt or e a l i z e w i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ， t h r e e - p h a s eg e n e r a lp f cc o n t r o l l e rb a s e do no n ec y c l ec o n t r o lf o rt h r e e - p h a s e t h r e e s w i t c hr e c t i f i e ri sd e d u c e d t h ep r o p o s e dc o n t r o l l e rh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ： r i on e e d i n gf o rm u l t i p l i e r sa n di n p u tv o l t a g es e n s o r s ，c o n s t a n ts w i t c h i n gf f e q u e n c y ， c i r c u i ts i m p l e n e s s ，u n i t yp o w e rf a c t o ra n dl o wd i s t o r t i o n s i m u l a t i o na r ep r e s e n t e da t l a s t ，t h e yp r o v et h a tw i t ht h ep r o p o s e dt h r e e - p h a s ep f cc o n t r o l l e rr e c t i f i e r si n p u t c u r r e n tt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o ni so n l y4 11 a n di t sp o w e rf a c t o r ( p f ) c a nr e a c h 0 9 9 9 ， k e y w o r d ： o n ec y c l ec o n t r o l ；p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ； h i g hp o w e rf a c t o r ( h p f ) ；h a r m o n i cd i s t o r t i o n ； r e c t w l e r ； i n t e g r a t o r ； l i 西北工业大掌硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 1 1 功率因数校正的重要性与意义 谐波问题f 8 l 【9 1 既是一个旧话题也是一个新话题。甚至在晶闸管的问世之前， 传输系统中的谐波问题就已经引起了工程师们的注意。随着电力电子技术的不断 发展，带非线性负载的电力电子装置应用日益广泛，电网系统中的谐波污染也日 趋严重。因此电力电子装置已经成为电网最主要的谐波源之一。这些电力电子装 置多数通过整流器与电力网接口，在电网中产生大量的电流谐波。这些谐波电流 污染了电网系统，干扰了电气设备，增加了功耗，降低了传送容量，成为电力公 害。因此，谐波问题引起人们越来越多的关注。 在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路 几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路的非线性电路。其中以三相桥 式和单相桥式整流电路最多，其具体电路如图1 1 。但工频二极管和晶闸管整流 器存在两个缺点：一是从公共连接点吸取高峰值脉冲电流，使网侧功率因数降低， 网损增加；二是给电网注入大量的谐波，造成严重的谐波污染。这种电路的一个 显著特点是：在稳态时负载只在输入电压峰值附近获得电能，输入电流为尖脉冲。 对图1 1 所示电路分别进行仿真可得到其仿真波形如图1 2 和图1 3 。 -。l 习 lj c= lj -_c t jljl j 1 4 # 三 c 2 牟“ _ 一一 i f r _ _ jljlj ( a ) 单相整流电路( b ) 三相整流电路 图1 1 常规整流电路 0 0 “0 。50 0 6口叮0,0 i o q0 0 2 k0 3 k0 4 ko 鼽06 kqt ko 月ko g kfo k c ( o )f ( h z ) ( a ) 输入电压和输入电流的仿真波形 输入电流的谐波分量频谱图 图1 2 单相整流电路的仿真波形 o0“0衡 口0 6 00 7 uu1 0 00 o2 k0 3 1 ( u 删叶o ” t l ，) k i n ：) ( a ) 输入电压和输入电流的仿真波形( b ) 输入电流的谐波分量频谱图 图1 3 三相整流电路的仿真波形 从图1 2 和图l 一3 的仿真结果可以看出，传统整流电路的输入电流波形严重 畸变，总谐波畸变率( t e d ) 高达9 5 6 ，功率因数只有0 6 8 9 3 ，含有大量谐波， 从而污染了电网。 1 1 1 功率因数的定义 传统上功率因数( p d 【1 3 用c o s 晰, ，其中妒为电压与电流之间的相角差，这 只有当电压和电流均为正弦时才正确，功率因数一般意义上的定义为： p f = 有功功率视在功率= p v 1( 1 - 1 ) 其中p 有功功率 矿、电压、电流的有效值 在大多数情况下，输入电压v ，是纯正弦的，其有效值为n 而输入电流i 为 非正弦，含有大量的谐波，其有效值为： 些! ! 兰些查兰至圭兰堡竺兰：= ： = ：一= ：= ：! ：! ：篓兰= ：兰 r - 卜j 善鬈 ( 1 _ 2 ) 式中，1 、丘、厶、电流的基波分量、二次谐波分量、n 次谐波分 量的有效值。 假设基波电流f ，滞后于输入电压e ，相角差为妒1 ，则有功功率和功率因数可 以表示为： p = v t c o s o t f l 一3 a ) p f = v i c o s cj v = 1 1 c o s 妒i( 1 - 3 b ) 定义畸变因子为： r - 州卜 善露 ( 1 4 ) 于是 p f = ，c o s p l ( 1 - 5 ) 从式( 1 - 5 ) 可以看出，功率因数尸f 即为两个因子的乘积：一个是相移因子 c o s ( a t ，电有文献称之为相移因数，它描述了负载的电抗特性；一个是畸变因子y ， 也有文献称之为失真因数，它与电流的波形有关。 定义总谐波畸变率( t h d ) 为总谐波有效值与基波有效值之比，即： f - _ t h d = h 1 l = 、1 l ( t - 6 ) y 月2 由( i - 4 ) 、( 1 - 5 ) 式可得t h d 与畸变因子y 的关系为： ，= l 、i + t h d 2( 1 7 ) 由式( 1 - 7 ) 所得的计算值与实测值的对比如表1 - l 。 表1 1 已知p f 值时t h d 计算结果举例 p f0 5 8 1 2 0 ，9 9 0 30 9 9 50 9 9 8 7 50 9 9 9 5 5 t h d ( 计算值) 1 4 0 1 41 053 t h d ( 实测值) 1 074 2 7 由表1 - 1 可知，当t h d 5 时，p f 值可以控制在o 9 9 9 左右。 由上面的推导我们不难得到功率因数和总谐波畸变率的关系： p f ：11 1 1 竺( 1 8 ) 1 + ( 掰y 由式( 1 8 ) 可知，在c o s 饼一定时，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。 1 1 2 谐波的危害及限制标准 从图i - 2 和图1 3 的仿真结果可以看出，传统整流电路的输入电流波形严重 畸变，总谐波畸变率( t h d ) 高达9 5 6 ，功率因数只有o 6 8 9 3 ，含有大量谐波。 经有关文献嘲分析这种电路的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 、谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备 的效率，大量的3 次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾； ( 2 ) 、谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热， 使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以 至损坏； ( 3 ) 、谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使 上述( 1 ) 和( 2 ) 两项的危害大大增加，甚至引起严重事故； ( 4 ) 、谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确； ( 5 ) 、谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量，重 者导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。 谐波的污染与危害已经引起了世界各国的广泛关注。美国海军最先注意到谐 波污染问题，并且制定了世界上第一个用于限定电子装置所产生的谐波标准，即 u s m i l s t d 4 1 6 b ，这个标准至今仍为美国军方采用。为了减小谐波危害，国际 电工委员会0 z c ) 也于1 9 8 2 年制定了许多关于电磁兼容的国际标准，如针对中小 功率电气设备的i e c 5 5 5 2 ，适合大功率电气设备的i e c 5 5 5 4 等。而i e c l 0 0 0 - 3 - 2 制定于1 9 9 5 年，是最新、最严格的标准，它适合于每相电流小于1 6 a 的电子设 西北业大学硕士学位论文 第章综述 备，此标准对谐波电流的限制参见表1 2 。我国国家技术监督局于1 9 9 4 年3 月也 颁布了电能质量公用电网谐波标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 。为减少装置对电网的谐 波污染和电磁干扰，提出了相应的谐波抑制方法和功率因数校正电路。因此，对 单位功率因数整流器研究引起了人们的兴趣。对谐波必须采取有效的抑制和改善 措施。 表1 2i e c1 0 0 0 3 2 对谐波电流的限制( 用于相电流小于1 6 a 的设备) 奇次谐波偶次谐波 谐波 357 91 1 1 31 5 3 92468 4 0 次数 允许 2 31 1 40 7 70 4 0o 3 3o 2 10 1 5 1 5 n1 0 80 ，4 30 3 00 2 3 * 8 n 值 1 2 谐波抑制与功率因数校正的方法措施 解决电力电子装置谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条：( 1 ) 、装 设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率；( 2 ) 、对电力电子装置本身进行改进，使 其本身不产生谐波，且不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行控制。目 前这两个方面的研究都是电力电子技术领域的热点。 按照思路( 1 ) ，装设的典型补偿装置为各种无源和有源滤波器，其主要优点是： 简单、成本低、可靠性高、e m i ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 小、滤波效果也比 较显著等，因而被广泛应用。但也存在如下缺点：尺寸、重量大，难以得到高功 率因数( 一般可提高到o 9 左右) ，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关， 电感和电容间有大的充放电电流等。 与思路( 1 ) 相比，更为积极的方法是丌发不产生谐波且功率因数为1 的新型变 流器，也就是采用思路( 2 ) 。其主要思想是：在整流器和负载之间加入一个d c d c 开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入难弦电压波形， 可以使输入电流波形近似为正弦，从而使输入端t h d d 、于5 ，功率【司数可提高到 o 9 9 或更高。优点为；可得到较高的功率因数，如0 9 7 0 9 9 ，甚至接近1 ；丁z 国小： 可在较宽的输入电压范围和宽频带下：e 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 i 高，效率会有所降低。 由上述知，解决电力电子装置的谐波污染问题，除了采用补偿装置对谐波进 行补偿之外，就是开发新型交流器，使其不产生谐波，且功率因数为1 ，这种变 流器称之为单位功率因数变流器( u n i t yp o w e rf a c t o rc o n v e r t e r ) 。 下面介绍几种主要的高功率因数变流器技术。 n 】、多重化技术 多重化技术就是将多个方波进行叠加，以消除低次谐波，从而得到接近正弦 波的阶梯。其连接方式有串联和并联多重化，而控制方式则有移相、顺序控制、 非对称控制和滞后超前控制等几种形式。多重化技术若配合p w m 控制技术，可获 得更理想的效果。 ( 2 ) 、功率因数校正器 功率因数校正器是在二极管不控整流桥和滤波电容之间加上一级用于功率 因数校正的功率变换电路，这种功率变换电路一般为p w m 斩波方式。目前，单相 p f c 技术业己成熟，软开关技术应用于p f c 电路也得到了广泛的研究。 ( 3 ) 、矩阵变换器 三相交一交矩阵变换器开环系统由控制器、驱动电路、主电路、输入频率检 测电路、输入状态码检测电路、输入滤波器、输出滤波器、过流保护电路、过压 吸收电路组成。由于矩阵变换器自身所具有的双向结构，使得四象限运行易于实 现，可以实现能量的双向流动。矩阵变换器输入电流为正弦，并可实现输入功率 因数为】，且与负载情况无关。矩阵变换器的主要缺点在于：由于自身电路的限 制，其最高电压转换率为0 8 6 6 ，由于真正意义的双向开关还未实现，因而控制及 保护电路复杂。 ( 4 ) 、p w m 整流器 p w m 整流技术是中等容量的单位功率因数变流器采用的主要技术。三相 p w m 整流器电路有电压型与电流型之分，其控制方法可将p w m 逆变电路中使用 的p w m 技术移植到整流电路中。电流源型可应用各种成熟的p w m 技术，对功率 开关的频率要求不高，缺点是：输入电流不连续，输出直流电压脉动大。电压源 6 西北 业丈学坝士学位论文 第一章综述 型拓扑不仅可采用各种合适的控制策略，而且可以实现能量的双向流动，它的主 要优点是具有较快的响应速度和结构简洁，只要加入简单的输入滤波器就可以实 现较低的电磁干扰，因此三相p w m 整流器一般多采用电压型。 1 _ 3 国内外研究现状 众所周知，工频二极管和晶闸管整流器存在两个缺点：一是从公共连接点吸 取高峰值脉冲电流，使网侧功率因数降低，网损增加：二是给电网注入大量的谐 波，造成严重的谐波污染，影响供电质量，危及电力系统安全、优质、经济运行。 因此，必须对这类整流器采取有效的抑制和改善措旌。 对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波和提高功率因数的 基本思路有两条：一是装设补偿装置对其谐波进行补偿；二是对整流器本身进行 改进。与设置补偿装置来补偿谐波相比，改进变流器自身性能的方法是一种更积 极的方法，也是目前的研究热点之一。 近年来三相p f c 的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 、新颖的三相p f c 电路拓扑结构的研究； ( 2 ) 、三电平、交错并联等技术以a r , l , 输入谐波和e m i 滤波器的研究； ( 3 ) 、软开关技术在三相p f c 电路中的研究； ( 4 ) 、三相单级p f c 电路的研究： ( 5 ) 、控制策略的研究。 目前，国内外在三相a p f c 方面作了大量的研究工作，这主要集中在控制策 略和拓扑结构方面的研究。例如，文献 1 2 3 、( 1 3 】、【1 4 利用三次谐波注入法来控 制功率因数，但是产生合适的三次谐波却非常困难；在文献 1 5 中，为了减少输 入电流的总谐波畸变，采用了三次谐波和六次谐波注入技术，并提出了一种优化 的设计方案：在3 谳 1 6 1 、 1 7 忡，通过设置三组串联的l - c 分支并调谐到电网频 率来实现三次谐波电流注入法。文献u s 、【1 9 1 提出了校正电路的几种拓扑结构， 然后运用滞后控制技术，但是开关频率变化非常明显，对滤波电路设计造成诸多 的困难；文献 2 0 】、 2 1 】、【2 2 】、 2 3 】采用d - q 转换控制，但是该控制方法是基于数 字信号实现的，这造成了电路系统的复杂性：文献 2 4 1 提出用固定丌关频率调制 西北工业大学硕士学位论文 第一章综述 来实现控制的方法，但是这种方法是需要检测三相电压来实现六阶段工作，而且 需要乘法器来实现三相相电流的控制参考量。 国际上三相p f c 研究较旱，国内研究稍晚，目前以实验研究为主。国内三相 p f c 研究的文献最早出现于9 0 年代中期，随后三相p f c 技术的研究迅速引起关 注，各种有关p f c 技术的研究论文频频出现，取得了不少成果，到目前为止，三 相p f c 技术的研究在国内方兴未艾，主要的研究工作和成果概括起来主要包括： 仿真分析、建模分析、控制方法研究、控制电路改进研究、三相软开关p w m 整 流器研究。对控制技术的研究主要集中在以下几个方面：电流型控制、多环控制、 电荷控制、单周期控制、d s p 控制及相应专用集成控制芯片的研制成功。 根据电感电流是否连续，p f c 分为不连续导通模式( d c m ) 和连续导通模式 ( c c m ) ，d c m 控制尽管简单但由于器件承受较大的开关应力限制了其应用范 围，c c m 中直接电流控制应是发展的主流，它适用于对系统性能指标和快速性要 求较高的大功率场合，但是c c m 模式下的电流控制需要依据输出功率电平来检 测电流参考量的乘法器和对输入电压、输入电流进行检测的高速微处理器，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成为p f c 研究的一个热点。 9 0 年代初期美国学者k e y u ems m e d l e y 提出了不需要乘法器的新颖控传方法 即单周期控制】，单周期控制的理念是基于实时控制开关的占空比，使每个周期 内开关整流器二极管输出的脉冲波形的平均值恰好等于或者正比于控制参考量， 平均输入电流跟踪参考电流且不受负载电流的约束，即使负载电流具有很大的诣 波也不会使输入电流发生畸变。因而将单周期控制技术应用于p f c 整流器中可以 实现低电流畸变和高功率因数，这种控制方法取消了传统控制方法中的乘法器， 使整个控制电路的复杂程度降低，是一种很有发展前景的控制方法，而且目前国 外正准备推出基于该控制方法的单相专用集成控制器。 总之，三相p f c 技术是近几年刚兴起的一个电力电子领域的研究热点。国内 目| j i 的研究特点是集中于控制方法的实验研究，分析各参数与系统性能之间的关 系，并找出改善电流跟踪性能、提高输入功率因数的方法，仿真和实验是主要手 西北工业大掌坝士学位论文 第一章综述 段，对于系统建模研究较少。三相高功率因数整流的研究正处于发展中，今后的 方向是新的拓扑结构研究和新的控制策略研究。 1 4 课题研究的目的和意义 进入二十一世纪，p f c 技术的研究方兴未艾，特别是在我国，对于这方面的 要求和标准规范还不健全，选择该课题研究的目的和意义具有如下几点 4 1 1 1 “i ： ( 1 ) 、开关电源功率因数校正技术作为电源的一门新兴技术，它的作用和重要 性已得到广泛的认可，如何提高功率因数已成为当今电力电子界的研究热点。 ( 2 ) 、提高功率因数，开发新型高功率因数变流器是节省能源、提高电能质量、 保证电力系统安全稳定运行的要求。 ( 3 ) 、针对谐波污染，国际上已制定了各种相关的标准和规定，以限制谐波的 危害，净化电磁环境，如m i l s t d 1 3 9 9 、b e l l c o r e 0 0 1 0 8 9 、i e c 5 5 5 2 、i e e e 5 1 9 等，其中i e c 5 5 5 2 标准自1 9 9 4 年起在欧盟国家全面实施，所有不符合此标准的用 电装置不准在欧洲销售。随着这些标准的强制执行，以及i c 厂家的积极努力，p f c 技术势在必行。 ( 4 ) 、在用电设备中采用p f c 技术来提高功率因数、提高效率，可以减少电源 整机成本，提高可靠性，对于提高产品的竞争力具有十分重要的意义。 ( 5 ) 、在航空、航天等领域中，负载多为非线性负载，而且负载性质比较恶劣， 对飞机电力系统和供电质量造成严重影响，致使飞机发电系统与机载设备、机载 设备之间不能正常协调工作。采用本文提出的基于单周期控制技术的开关变换器 能在每个开关周期抑制输入电压波动并且平均电流能快速跟踪控制参考蠢，且不 受负载电流的约束，即使负载电流有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。因 此，该控制方案对航空、航天领域的功率因数校正有着重要意义。 可以预见，该研究项目的研究成果无论在工业生产中，还是在航空、航天领 域，都具有十分良好的应用翦景。 1 5 本文主要研究内容 单周期控制是一种非线性控制技术，该控制技术的突出优点是：无论是稳态 还是暂态，它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开 9 西北工业火学硕士学位论文 第一章综述 关周期内，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种 控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，现己在d c d c 变换器、开关功率放 大器、有源电力滤波器、静止无功发生器以及功率因数校正器等方面得到大量应 用。论文将单周期控制技术成功的应用于单相和三相功率因数校正器中，主要做 了以下几方面的工作： ( 1 ) 、在第一章介绍了功率因数校正的目的和意义；阐述了电网谐波污染问题 和谐波抑制的方法；分析了功率函数校正技术的研究背景与研究现状。 ( 2 ) 、在第二章中，分析了三相高功率因数整流器的拓扑结构，介绍了几种典 型拓扑结构的优缺点及其应用场合；总结了p f c 技术的经典控制策略和新型控制 策略，并对比分析了几种典型控制策略的优缺点，指出了p f c 控制技术的发展趋 势。 ( 3 ) 、在第三章中，分析了传统反馈控制中电压反馈控制和电流模式控制的缺 点，在此基础上以b u c k 变换器为例介绍了单周期控制技术的工作原理，分析了 单周期控制原理及其可行性分析：并将其结论应用到p f c 中。 ( 4 ) 、在第四章中，针对基于单周期控制的三相三开关p f c 整流器，分析了 其工作原理，提出了一种新型通用的三相p f c 控制器，给出了主电路和p f c 控 制器的详细设计过程，并进行了总体仿真，最后给出了仿真结果与结论。 ( 5 ) 、在第五章中，对本论文的工作进行了总结和展望。 西北1 业大学硕士学位论文 第1 二章p f c 常用电路的拓扑结构与控制镱略 第二章p f c 常用电路的拓扑结构与控制策略 2 1高功率因数整流器的拓扑结构 2 1 1三相六开关p f c 电路 六开关三相p f c 2 6 科1 是由6 只功率开关器件组成的三相p w m 整流电路， 电路如图2 1 所示。每个桥臂由上下2 只开关管及与其并联的二极管组成，每 相电流可通过桥臂上的这2 只开关管进行控制。如a 相电压为正时，s 4 导通使 l 。上电流增大，电感l 。充电；s 4 关断时，电流i 。通过与s i 并联的二极管流向输 图2 一l 三相六开关p f c 电路图2 2 由三个单相p f c 组成三相p f c 电路 出端，电流减小。同样a 相电压为负时，可通过s l 及与s 4 并联的二极管对电流 i 。进行控制。在实际中控制电路由电压外环、电流内环及p w m 发生器构成。p w m 控制可采用三角波比较法、滞环控制或空间矢量调制法( s v m ) 。由于三相的电 流之和为零，所以只要对其中的两相电流进行控制就足够了。因而在实际应用中， 对电压绝对值最大的这一相不进行控制，而只选另外两相进行控制。这样做的好 处是减小了开关动作的次数，因而可以减小总的开关损耗。该电路的优点是输入 电流的t h d 小，功率因数接近l ，输出直流电压低，效率高，能实现功率的双向 传递，适用于大功率应用。不足之处是使月的开关数目比较多，控制复杂，成本 高，而且每个桥臂上两只串联开关管存在直通短路的危险，对功率驱动控制的可 靠性要求高。为了防止囊通短路危险，可以在电路的直流侧串上一只快恢复二极 管。 西北工业大学硕士学位论文 第二章p f c 常用电路的拓扑结构与控制簧略 2 1 2 单相p f c 组合的三相p f c 由三个单相的p f c 电路组合构成三相p f c 电路如图2 2 所示。在图2 - - 2 中每个单相p f c 后跟随一个单相p f c 后跟随一个隔离型d c d c 变换器。这些变 换器输出并联后向负载供电，该电路由于需3 个外加隔离的d c d c 变换器，因 此成本较高。也可以3 个单相p f c 变换器在输出端直接并联而成的。每个单相 p f c 的控制可采用平均电流控制法、峰值电流控制法或固定导通时时间控制法。 单相p f c 组合成三相p f c 的技术优势是：可以利用比较成熟的单相p f c 技术， 而且电路由三个单相p f c 同时供电，如果某一相出现故障，其余两相仍能继续向 负载供电，电路具有冗余特性。与三相六开关p f c 相比，开关器件少，没有直通 问题，控制可沿用单相p f c 成熟的控制技术。但是这种电路由3 个单相p f c 组 成，使用的元器件比较多。 单相p f c 组合的三相p f c 还可以通过工频变征器把三相电压变换成2 个单 相，这两相的输出电压幅值相同，相位相差9 0 0 。然后用2 个单相p f c 电路来实 现三相p f c 的功能。与上述方法相比，这种电路少用一个单相p f c 模块。变压 器可以实现p f c 电路与输入网侧间的隔离作用。而且通过变压器变比的设计，可 以调整p f c 的输入电压，但使用变压器增大了系统的体积和重量。 2 1 3 三相单开关p f c 电路 由于无论是三相六开关p f c 还是由单相p f c 组成的三相p f c 成本都比较高， 所以人们一直在寻找更简单有效的三相p f c 拓扑。于是文献吐83 中提出了三相单 开关p f c 拓扑结构。三相单开关p f c 电路及控制框图如图2 3 所示。 图2 3三相单开关p f c 电路及其控制电路 三相单开关p f c 电路可以看成是单相电流断续( d c m ) p f c 在三相电路中 的延伸。控制中只有一个电压环，输出电压与参考电压的误差经过放大后与三角 波 匕较来控制开关的动作。三褶单开关p f c 电路开关频率远高于电网频率，在一 个开关周期内，输入电压近似不变。在开关导通期间，加在三个b o o s t 电感上的 电压分别为各相此时的相电压( 近似不变) ，电感电流线性上升，在这期间各相 的电流峰值正比于对应各相相电压瞬时值。但在开关关断时，加在输入各电感上 的电压由输出电压与此时的相电压瞬时值决定，因两此时电感上的电流平均值与 输入电压瞬时值不再满足线性关系，电流也就产生了畸变。为了减小输出电压值 和输入电流的t h d 值，可用注入谐波的方法来实现开关管的脉宽微调，从而减 小电流t h d 值。谐波注入法电路如图2 - 4 所示。谐波注入法主要是通过注入6 图2 4 谐波注入法电路国 次谐波来以抑制输入电流谐波。但是注入6 次谐波时，可以减小5 次谐波，但同 时也增大了7 次谐波。另外一种减小谐波的方法是改变开关频率法。这种方法是 当三相b o o s t 电感电流均。f 降到零时，_ _ i = 关管立即导通，开始下一个开关周期。 在这种条件下b o o s t 电感工作在d c m 与c c m 的临界情况，由于各个时刻输入电 压值不同，因而开关频率电不同，即开关是工作在变频情况下。这种方法的优点 是：由于开关频率改变，谐波不会集中分布在某个开关频率附近而是分布在某个 频率区域范围内。这就减小了谐波的幅值，p f c 电路前的e m i 滤波器可以设计的 比较小。 西- i e z 业大学硕士学位论文 第二章p f c 常用电路的拓扑结构与控制策略 通过两个三相单开关p f c 电路的交错并联( i n t e r l e a v i n g ) 的方法也可以减小 输入电流的t h d 值。这种并联的思想是让这两个三相单开关p f c 电路尽可能工 作在接近d c m 与c c m 临界的情况下，然后两只开关的驱动信号在相位上错开 1 8 0 0 。这样对单个三相单开关p f c 电路来说是工作在d c m 下，但这两个模块的 电流之和有可能是连续的，输入网侧电流的谐波显著减小。交错并联的好处是： 一方面减小了输入电流的t h d 值，另一方面由于两只开关驱动信号在相位上错 开了，i 8 0 0 ，使系统的等效开关频率提高了i 倍，这可以使e m i 滤波器的截止频率 提高。这两方面都可以减小e m i 滤波器的体积和重量。电路即便不采用任何电流 控制方式，这两个三相单开关p f c 电路都有较好的均流效果。但是，由于使用两 个三相单开关p f c 电路模块，会使整个系统的成本提高。另外为了减小两个模块 内部的相互影响，每个模块还要如一个隔离二极管。 | 、百s i d l 。d 2jd 3l r v b 0 ，v 。 o 时让s b 合上。这时电路就可 以等效成两个单相b o o s t 电路串联或并联。这样就可以用单相p f c 的控制技术对 电路进行控制。这种控制方法与滞环控制相比有个优点就是在任何时刻只有2 只 开关管工作在高频情况下，因而损耗较小。但这种控制方法要用三相解码电路来 选择工作区。另外，在b o o s t 电感放在直流侧时，交流侧有直逶短路危险。 2 1 6 三相四开关p f c 电路 三相四开关p f c 电路如图2 _ 8 所示。该电路与半臂控制电路( 只对整流桥上 半臂或下半臂进行控制，而另外半臂则使用整流二极管器件) 相比，只是增加了 一桥臂( 由图中s 。与d t 组成) 和接在输入侧用来构造中点电压的3 个y 型接法 r - 上电路。在电压的正半周通过可控的半臂( s l ，s 2 ，s s ) 进行控制，而在负 图2 8 三相四开关p f c 电路 半周则通过第4 桥臂( s 4 ，d 4 ) 来控制。该电路与六开关整流器相比没有直通短 路危险，而且少用2 只丌关。但是这种电路电流正负半波不对称，电流存在偶次 谐波。文献 3 0 1 中通过两个模块并联的方法，一个模块上半臂可控，另一个模块 下半臂可控，这样可使总输入电流正负半波对称，从而消除了电流的偶次谐波。 2 2p f c 整流器的经典控制策略 在这一节中简要回顾了有源功率因数校正器发展过程中出现的各种控制方 案，分析和介绍了各控制方案的优缺点及应用场合，展望了功率因数校正器控 制策略的发展趋势”。 西北工业大学硕士学位论文 第二章p f c 常用电路的拓扑结构与控制策略 电力电子电路的六种基本拓扑结构瞳1 ( b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、f l y b a c k 、 s e p i c 、c u k ) 原则上都可以构成p f c ，但因b o o s t 电路的独特优点，在实际中应 用最多。根据电感电流是否连续，p f c 分为不连续导通模式( d c m ) 和连续导通 模式( c c m ) 。d c m 的控制可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。c c m 模 式根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控制量，有直接电流控制和间接 电流控制之分。直接电流控制有峰值电流控制( p c m c ) 、滞环电流控制( h c c ) 、 平均电流控制( a c m c ) 、预测瞬态电流控制( p i c c ) 、线性峰值电流控制( l p c m ) 、 非线性载波控制( n l c ) 等方式。电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压 的方式间接实现，称为间接电流控制或电压控制。 2 2 1 d c m 控制模式 d c m 控制又称电压跟踪方法，它是p f c 中简单而实用的一种控制方式，应 用较为广泛。d c m 控制模式的特点：输入电流自动跟踪电压并保持较小的电 流畸变率；功率管实现零电流开通( z c s ) 且不承受二极管的反向恢复电流； 输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求较高；峰值电流远高于平均电流， 器件承受较大的应力；单相p f c 功率一般小于2 0 0 w ，三相p f c 功率一般小于 1 0 k w 。 2 2 1 ，l 恒频控制 下图2 - 9 为b o o m 电路的d c m 控制原理图，电压调节器e a 的频带宽度取 1 0 2 0 h z ，确保稳态时输出占空比在半个工频周期保持不变。恒频控制时开关周 期恒定，电感电流不连续。电感电流在一个开关周期中的平均值为： = 坚l 熹( 2 导 ( _ ， ” n 、 。 式中 u 。一整流后的电压 t 0 。一功率开关管v s 的导通时间 t d 。一二极管v d 的续流时间 t 。一开关周期 式( 2 1 ) 中若t 山。恒定，d c d c 变换器输入侧等效为阻性负载，整流器交 流侧电压电流同相位。实际上，1 1 d 0 。在半个工频周期中并不恒定，导致输入平均 电流有一定程度的畸变。输出电压和输入电压峰值的比值越大，输入电流畸变程 度越小。该控制方式下的电流t h d 可控制在1 0 以内。 图2 9 d c m 控制原理图 2 2 i 2 变频控制 式( 2 一1 ) 中，若t s = t o 。+ t d o 。，则输入平均电流只与导通时间有关，保持 t 。恒定，输入电流理论上无畸变，这就是变频控制的原理。变频控制方式下的电 流工作于l 临界d c m 状态。有的文献提出以中等面积控制方法减小电流t h d ，它 通过控制实际电流在一个开关周期的时间积分面积与电流参考信号的时间积分 面积相等，从而实现输入平均电流与参考电流的零误差。此外，占空比调制、谐 波注入p w m 等方式也可以减小输入电流谐波含量。有文献对三相单开关电路提 出一种优化的占空比调制方法，实现了系统对输出电压的快速调节，减小了输入 电流中与电网频率相关的纹波。 2 2 2c c m 控制模式 c c m 相对d c m 其优点为：输入和输出电流纹波小、t h d 和e m i 小、滤 波容易；r m s 电流小、器件导通损耗小 适用于大功率应用场合。c c m 模 式下有直接电流控制与间接电流控制两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态 特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控割电路复杂。间接电 流控制的优点是结构简单、开关机理清晰。 2 2 2 1 直接电流控制 直接电流控制是目前应用最多的控制方式，它来源于d c d c 变换器的电流 西北工业人掌硕士学位论文 第二章p f c 常用电路的拓扑结构与控制策略 模式控制。将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后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。根据控制方式的不同，较典 型的控制方式有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制等。 1 、峰值电流控制( p c m c ) p f c 中的峰值电流控制和d c d c 变换器中的峰值电流控制原理相同，只是 电流环的程控信号不再是直流而是按正弦规律变化。峰值电流控制实现较为容 易，相关的控制i c 有m l 4 8 1 2 、m l 4 8 1 9 、t k 8 4 8 1 2 、t k 8 4 8 1 9 等。峰值电流控 制的缺点：电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足t h d 很小的要求； 电流峰值对噪声敏感；占空比大于0 5 时系统产生次谐波振荡；需要在比较 器输入端加斜坡补偿。在p f c 中，这种控制方法趋于被淘汰。 2 、平均电流控制( a c m c ) 平均电流控制，又称三角载波控制，在峰值电流控制的基础上，在乘法器输 出与比较器之间增加了p i 电流控制器，控制器控制输入电流平均值，使其与电流 程控信号波形相同。由于电流环有较高的带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。平 均电流控制的特点是：t h d 和e m i 小、对噪声不敏感、开关频率固定，适用于 大功率应用场合，是目前p f c 中应用最多的一种控制方式。以平均电流控制原理 设计的p f c 集成控制器u c 3 8 5 4 ，在单相b o o s t 型电路中得到了普遍应用。其它 平均电流控制i c 有t k 8 3 8 5 4 、m l 4 8 2 l 等。 预测瞬态电流控制( p i c c ) 是针对数字式控制提出的一种控制策略，它通过 推导一个开关周期内电感平均电压和电流表达式，根据期望的电流值预测下一个 开关周期的平均电感电压( 开关占空比) 。将其连续化处理后，可以发现它和平 均电流控制有相似的结构。 3 、滞环电流控制( h c c ) 滞环电流控制最初用于控制电压型逆变器的输出交流电流，对b o o s t 电路而 苦，它是最简单的电流控制方式。滞环控制中没有外加的调制信号，电流反馈控 制和调制集于一体，可以获得很宽的电流频带带宽。滞环电流控制的特点：控 制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制能力；开关频率在一个工频周 西北工些大学硕士学位论文 第二章p f c 常用电路的拓扑结构与控制策略 期中不恒定，引起e m i 问题和电流过零点的死区；负载对开关频率影响很大， 滤波器只能按最低频率设计：滞环宽度对开关频率和系统性能影响大，需合理 选取。 传统的滞环控制改变频率的缺点促使研究者寻求改进的方法，主要思路是将 滞环控制的优点和恒频控制的优点结合起来。有文献通过改变滞环宽度的方法降 低最高开关频率；有文献通过“期望等充电方法”实现恒频控制；也有文献介绍 通过锁相环( p l l ) 变滞环宽度实现恒频控制。以上这些改迸方法虽然改进了系 统的性能指标，但都是以增加控制电路或软件的复杂程度为代价的。 4 、减小t h d 的控制方法 c c m 模式下的直接控制方法中，除滞环控制可以保持一个周期内参考信号和 实际电流平均值为零误差外，峰值电流控制和平均电流控制都存在误差。平均电 流控制可以将电流的t h d 降低到5 以下，但参考电流与实际电流的误差随着占 空比的变化而变化，这可能引起低次电流谐波。文献 3 2 】提出一种优化的零平均 电流误差( z a c e ) 控制方法，它将电流误差信号用于控制主电路开关的通断， 开关频率恒定，系统的控制不依赖于