（电力电子与电力传动专业论文）通信电源功率因数校正技术的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h ec o m m u n i c a t i o nd o m a i nr a p i dd e v e l o p m e n t a l s od a yb yd a y i n c r e a s e st ot h ec o m m u n i c a t i o nf a c i l i t yp o w e rs u p p l y p o w e rs u p p l yt ot h eq u a l i t y r e q u i r e m e n t sh a v eb e c o m em o r es o p h i s t i c a t e d 1 1 伦t r a d i t i o n a lc o r r e s p o n d e n c e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi n p u ti s t h ed i o d er e c t i f i c a t i o na n dt h ef i l t e r c a p a c i t y c o m b i n a t i o nc i r c u i t , t h ei n p u tc u r r e n tw a v ep r e s e n t sp u l s es h a p e a n dl e a d st ot h e p o w e rf a c t o ro na gl i n es i d ei sv e r yl o w t h e r e f o r e c a r r y i n go u tp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o no nt h ec o m m u n i c a t i o ns w i t c hp o w e rh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ， w h i c hn o to n l yi s h e l p f u li ns a v e st h ee n e r g y , b u ta l s o i sa d v a n t a g e o u st ot h e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mo v e r a l lp e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n t i nt h i st h e s i s ，t h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ys t r u c t u r eh a sb e e na d o p tt ob o o s tt y p e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nw i t i lf l y b a c kc o n v e r t e r d e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rf a c t o r c o m m u n i c a t i o np o w e r t h r o u g ht h ep w mc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hh a so v e r c o m et h e t r a d i t i o n a lr e c t i f i c a t i o nf i l t e rc i r c u i th a r m o n i cc o n t e n tb i ga n dt h ep o w e rf a c t o rl o w s h o r t c o m i n g ，c a nr e a l i z et h em u l t i - c h a n n e lo u t p u t s ，s a t i s f i e st h ec o r r e s p o n d e n c o p o w e rs o u r c ei o a dt h em u l t i p l er e q u e s t , m e a n w h i l ec a nr e a l i z et h ei n d u ta n do u t p u t e l e c t r i c i t yi s o l a t i o n , r e d u c e st h ed i s t u r b a n c eo f t h ei n p u ta n do u t p u t t i l i st h e s i sf i r s td e t a i l e d a n a l y s i s o fc o m m u n i c a t i o n p o w e rp f cb a s i c p r i n c i p l e b yc o m p a r i n gs e v e r a ld i f f e r e n tp f cc o n v e r t e rt o p o l o g yo ft h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s s e l e c tt h eb e s tt o p o l o g yw h i c ha p p r o p r i a t e sc o m m u n i c a t i o np o w e r s u p p l yp f c t h e n w i mp o o rp o w e rf a c t o rc a u s e so fc o m m u n i c a t i o np o w e r s u p p l y ，b o o s tt y p ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o no fp r i n c i p l e ，c o m m u n i c a t i o np o w e rl o a d d i v e r s i t y , f u r t h e ri d e n t i f i e db o o s tp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nf o rt h eb e s tc o n t r o ls t r a t e g y a n d t o t a l i t yd e s i g np l a n t i l i st h e s i si n t r o d u c e st h ea v e r a g ec u r r e n t - m o d ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc h i p u c 3 8 5 4 a ，bi n t e r n a ls t r u c t u r e f u n c t i o nw h i c hm a d ei nt e x a si n s t r u m e n t s c o r p o r a t i o no ft h eu n i t e ds t a t e s a c c o r d i n gt ot h em a i nc i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e q u i r e m e n t s u s i n gu c 3 8 5 4 a ba st h em a i nc o m p o n e n to f t h ec o n t r o lc i r c u i t d e s i g n as p e c i f i c ，p r a c t i c a lm u l t i o u t p u ts w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi nt h ec o m m u n i c a t i o nf i e l d ， w h i c hh a st h ep f cf u n c t i o n ，h a sg i v e ns p e c i f i cd e s i g ns t e p sa n dt h em a i np a r a m e t e r s o f t h ec i r c u i t f i n a l l y , t h et h e s i sh a dt h ec i r c u i tw i t hp f ca n dt h ec i r c u i tw i t h o u tp f ct om a k e t h em a t l a bs i m u l a t i o n a n do b t a i n e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t b yc o m p a r i n ga n d a n a l y z i n gf u r t h e rs h o w e dt h a tt h et h e s i sr e f e r r e dt ot h ep f c c i r c u i tt oa c h i e v ea ci i n e s i d es i n u s o i d a lc u r r e n tc o n t r o l ，a n dt oa c h i e v et h ei n p u tc u r r e n ta n di n p u tv o l t a g ew i t h t h es a m ep h a s e ，s oa st oa c h i e v eh i g hp o w e rf a c t o rr e c t i f i e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ， m e a n w h i l ec o u l dr e a l i z et h es t a b l eo u t p u t k e y sw o r d s ：p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o np o w e rs u p p l y ， b o o s tc o n v e r t e r ，s i m u l a t i o n i i 武汉理1 大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着社会的发展，现代社会各方面都离不开通信，任何一种现代化的通信 设备如程控交换机、光通信设备、无线通信设备等，都离不丌电能，而在很多 情况下，发出的电能并不符合通信设备使用的要求，必须再进行一次电能变换， 因此，高效能的通信电源是确保通信系统正常运行的关键设备。 在功率半导体开关器件不断发展、控制技术r 益先进的同时，由于需要采 用变流举措的负载设备( 如大量的通信设备) 日益增加，其复杂的负载性质带 来的负面影响也日益突出，在能源不断紧张的今天，节约电力，减少电力浪费 的绿色供电已经势在必行，如何提高电网的功率因数。进行电能质量控制在世 界范围内已成为一个非常重要的研究领域。 1 1 课题概述 1 1 1 课题研究背景 进入二十一世纪，由于通信产业的蓬勃发展，各种各样的通信设备在同常生 产和生活中己经得到了越来越广泛使用，通信开关电源是通信设备的重要组成 部分之一，因此也被称为通信设备的“心脏”。开关电源技术是一门以运用半导 体功率器件实现电能的高效率变换、将粗电变换成精电，以满足供电质量要求 的技术。由于开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高 效率、高功率密度、高可靠性的特点。 现代高频开关电源技术涉及的内容非常广泛，它横跨了三个学科：一是微 电子精细加工的智能化专用集成电路控制芯片：二是正在快速更新的高性能功 率半导体m o s f e t 和i g b t 等电力电子器件；三是各种电感器件和高频变压器所 用的磁性材料，如软磁铁氧体、金属铁粉芯、非晶和微晶等。 由于开关电源的突出优点，开关电源取代线性电源是发展的必然趋势。目 前，现代高频开关电源已广泛用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源( 电 焊、电解、加热、充电、超声、电机调速等) 、通信电源、( 舰船、飞机) 逆变 电源、计算机电源、u p s 不问断电源、医疗和照明电源、雷达高压电源、音响和 视频电源等。 武汉理t = 大学硕十学位论文 随着现代通信设备的迅速发展，特别是微电子技术的发展，任何通信设备 都离不开电源，开关电源设备的质量直接影响通信的质量。作为整个通信系统 的原动力通信开关电源，其地位也日益增高。复杂的通信设备和系统对通 信电源的组成和性能在多方面提出了较高的要求【1 1 ： 1 、直流供电：现代通信设备普遍是电子电路和计算机电路，需要多种直流 电压供电。通常，大型通信设备和大型计算机等专用设备用直流供电。目前， 直流供电的通信设备占大部分。 2 、电压准确稳定：对于要求不高的一般数字电路为5 v + 0 2 5 v ，对于1 2 位 a d 转换器，若要保证其分辨率，其基准电压必须有2 x 1 0 。v 的精确度，对于 保证不问断供电的蓄电池的长期浮充电压通常应为2 2 3 v 士o 0 2 v ，否则会导致蓄 电池寿命的缩短。 3 、杂音电压小：对通信的干扰小，例如，语音通信时的杂音小，图像通信 时的条纹干扰小，数字通信时的误码率低等。 4 、高效率：节能、减少电源设备的发热、提高可靠性、减小设备的体积与 重量都要求高效率，许多电路技术( 软开关、回能吸收等) 的发展都是为了高 效率。 5 、少污染：要求通信电源输入功率因数高、输入谐波电流小、采用软启动 减少冲击电流等。 由于大部分通信设备中，工作电源直接来自交流电网，但是几乎所有的电 子线路又必须采用直流供电，因此a c d c 变换器成为电子产品中必不可少的部 分。通信开关电源采用二极管整流、电容滤波的整流环节使输入电流严重畸变， 不仅对交流电网产生严重的谐波污染并造成输入功率因数低下，而且产生严重 的电磁干扰，使通信质量下降，无法满足复杂的通信设备和系统对通信电源的 组成和性能在多方面提出的较高要求。 因此，电能质量控制刻不容缓，为了解决传统通信直流开关电源存在的缺 陷电力电子技术研究人员对电网谐波抑制和改善功率电子装置的功率因数进 行了卓有成效地研究，提出了无源功率因数校正技术和有源功率因数校正( a p f c ) 技术，特别是有源功率因数校正( a p f c ) 技术已经成为现在研究的热点。虽然功 率因数校正电路使通信电源设备的成本增加了约2 0 * 0 - 3 0 ，但它所产生的节能 效能将显著超过初期投资，特别是在当前能源紧缺的时代，对于功率因数校正 技术的研究显得尤为重要。 2 武汉理j ：大学硕士学位论文 1 1 2 课题研究的目的及意义 本课题主要是设计一种基于b o o s t 升压变换器和d c - d c 反激变换器相结合 的单级p f c 电路拓扑结构，通过实行p w m 脉宽调制控制策略，克服传统的二极 管整流器和相控整流器的谐波含量大、功率因数低的缺点，同时具有p w m 整流 器的高功率因数和低谐波含量的优点。 通信电源通常采用从2 2 0 v 交流电网经整流供给直流这种在电力电子技术及 电子仪器中应用极为广泛的传统整流和滤波方案。“”“1 。传统的整流装置由整流 变压器和二极管整流桥或相控晶闸管整流桥组成，并通过大电容滤波后得到较 为平直的直流电压，这种结构虽然电路结构简单，但由于整流器与电容滤波电 路是一种非线性元件和储能元件的结合，因此，虽然输入交流电压是j 下弦波， 而输入交流电流却是一个周期很短、峰值却很高的周期性尖峰电流，波形发生 严重畸变，对这种畸变的输入电流进行傅立叶分析，可以看出它除含有基波外， 还含有高次谐波分量。这些高次谐波分量倒流入电网，引起严重的谐波“污染”， 对电网造成了严重的污染，并使得网侧功率因数低。随着电力电子技术的不断 发展，具有高功率因数和低谐波含量的p w m 脉宽调制整流器得到了社会广泛的 关注。 本课题研究的通信电源功率因数校正技术主要是针对目前通信电源应用的 情形来进行设计和改造的，在当前对通信质量的要求越来越高和能源紧缺的时 代，对于功率因数校j 下技术的研究显得非常重要。选择此课题的目的和意义具 有如下几点： 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 性已经得到了广泛的认可，如何提高功率因数已成为当今电力电子界的研究热 点。 2 、提高功率因数是节约能源，提高电能质量保证通信系统安全稳定运行的 要求。 3 、针对谐波污染，基于限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净的 宗旨，使用功率因数校正技术把谐波污染控制在相应标准要求的范围内已成为 当务之急。 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，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的重要意义。 武汉理。t = 大学硕士学位论文 可以预见，针对功率因数校正技术的研究成果将在我国的工业生产中具有 十分重要的意义，其应用将在通信等行业具有十分良好的i ；i 景。 1 2 通信电源的发展现状与趋势 通信电源专指对通信系统直接供电的电源。通信系统设备可概括的分为交 流供电的通信设备和直流供电的通信设备两大类。程控交换、光通信、微波通 信、移动通信设备均属直流供电的通信设备，而卫星地球站设备则属于交流供 电的通信设备。目i j i 直流供电的通信设备占绝大部分嘲阍“1 。 通信电源必须安全可靠并且不间断，根据供电设备的需求，它又可以分为 交流不间断供电电源系统( a c u p s ) 和直流不问断供电电源系统( d c u p s ) 两 大类。这两大类电源又可划分为三级： l 、第一级为保证能源供应 2 、第二级为保证不问断供应 3 、第三级为主机提供多电压多品种的电源 9 6 37 07 5 8 0 ， 9 0 图1 - l 通佰开关电源高频化的历止进程 4 m叭 ， ： 旷 ， ： 旷 ， ： = 堇 一 ， ： 一 ， ： 坩 ， 2 武汉理下大学硕十学位论文 随着通信系统尺寸的不断减小，使得供电电源所占的尺寸相对变得大得多， 发展小型化轻型通信电源，对于便携式通信电子设备显得尤为重要。为了实现 高功率密度，必须提高p 州通信开关电源工作频率。8 0 年代以前，功率变换器 的开关频率为2 0 5 0 k h z ，从2 0 世纪8 0 年代起，提高通信电源开关频率成为减 少开关电源尺寸的最有效手段，同时，也能改善电源的动态性能。现在 2 0 0 5 0 0 k h z 已成为i o o w 以上输出d c = d c 功率变换器的标准开关频率。图卜1 所 示为2 0 世纪6 0 9 0 年代通信用开关电源高频化的历史进程。可见，随着工作频 率的提高，开关电源的单位功率体积( c m u w ) 也在不断减小。 目前我国开关电源的所有应用领域中，通信电源时增长速度最快的一部分， 许多新型技术的应用也有力的推动了通信电源的进一步发展。2 0 世纪推动通信 开关电源发展的主要技术有： l 、功率半导体器件技术的发展。2 0 世纪7 0 一8 0 年代，我国的晶闸管整流器 的生产和应用逐渐成熟。但是晶闸管是半控型器件( 不可控制关断) ，需低频变 压器，电感体积、重量大。8 0 年代以来，国外应用微电子工艺的功率半导体器 件发展，高频化场控型全控器件问世，目i j ，功率m o s f e t 和i g b t 己完全可替 代晶体管( g t r ) 和中小电流的晶闸管，使实现开关电源高频化有了可能，超快 恢复功率二极管和m o s f e t 同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的 高频通信开关电源创造了条件。 2 、电路的换代与发展。整流器电路从低频的相控整流发展为高频开关电源， 开关变换器的功率上限和开关频率提高。2 0 世纪9 0 年代，数千瓦的大功率变换 器的开关频率在2 0 - 4 5 0 k h z 之间，市售功率变换器的开关频率在l o o k h z 一1 m l l z 之间。 ( 1 ) 体积与重量。采用高频开关技术，所使用的高频变压器和电感比5 0 h z 变压器和电感时，电磁元件的体积和重量( 在中小功率范围内) 约减少两个数 量级，整流器的体积和重量约减少一个数量级。 ( 2 ) 通信用开关整流器中高频变换器方案。随着提高设备的效率和减少体 积重量的趋势，发展了软开关技术。由于采用p w m 脉宽调制控制策略的通信开 关电源通常按硬开关模式工作，在开关过程中，开关器件的电压和电流波形有 重叠，导致开关损耗大，采用高频开关技术虽然可以提高设备的效率和减少体 积重量，但频率越高，开关损耗越大，为此研究开关电压和电流波形不交叠的 技术，即零电压开关( z v s ) 和零电流( z c s ) 技术，称为软开关技术。目前国 内较成熟的变换技术先进方案大致有三种： 武汉理i ：大学硕十学位论文 在硬开关的p w m 脉宽调制技术的基础上，用m o s f e t 使i g b t 软关断 的方案。 软开关的准谐振调频电路方案，该方案可使开关频率高达4 5 0 k h z 。 移相控制一零电压开关一脉宽调制( p s z v s p w m ) 电路方案。 3 、控制技术。由于丌关变换器的强非线性，以及它具有离散和变结构的特 点，负载性质的多样性，主电路的性能必须满足负载大范围的变化，所有这些 都使得开关变换器的控制问题和控制技术较为复杂。一些新的控制方法，如自 适应、模糊控制、神经网络控制、电荷控制、单周期控制、d s p 控制等技术及各 种调制策略使通信开关电源动态性能有了很大提高，电路也大幅度简化。 4 、有源功率因数校正技术。由于输入端有整流元件和滤波电容，许多整流 电源供电的电子设备，使电网侧( 输入端) 功率因数仅为0 6 5 ，用有源功率因 数校正技术( a p f c ) 可使功率因数提高到0 9 5 0 9 9 ，既治理了电网的谐波“污 染”，又提高了电源的整体效率。 5 、高频磁元件技术的发展。通过采用平面磁芯及平面变压器技术、集成磁 元件技术、兆赫级高频变换器磁元件技术、压电变压器技术，可使高频变压器 的效率相对传统高频变压器功率密度，效率，工作频率等性能有了大幅提升。 从长远眼光看，通信开关电源技术的发展趋势可以概括为以下五个方面： 1 、小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要由储能 元件( 磁性元件和电容) 决定，因此开关电源小型化实质上就是尽可能的减少 其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减少电 容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统得动态性能，因此， 高频化是通信开关电源的主要发展方向。 2 、高可靠性。从设计方面着眼，尽可能使用较少器件，提高集成度，以解 决电源电路复杂、可靠性差的问题，提高系统得平均无故障时自j 。 3 、低噪声。随着电源高频化的发展，噪声也随之变大，采用部分谐振转换 回路技术，在原理上既可以提高频率，又可以降低噪声，尽可能的降低噪声影 响也是通信开关电源的又一发展方向。 4 、采用计算机辅助设计和控制。采用c a a 和c d d 技术设计最新变换拓扑和 最佳参数，使通信开关电源具有最简结构和最佳工况。 5 、实现全面监控。一般监测通信开关电源电压、电流、功率因数、温度、 工作状态等参数已是必备的功能，将电源所处环境温度、高压系统、备用油机 发电机及安全、火灾用摄像机进行全面现场监控，并组成各级监控网络是电源 6 武汉理1 ：大学硕十学位论文 监控的重要发展方向。 总之，通过发展新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，以及监控网 络技术的运用，推动通信开关电源向小型、高频、低噪声、高可靠性及可全面 监控的方向发展。 1 3 功率因数校正技术的研究现状与发展趋势 传统的用于电子设备在前端的二极管整流器后，一般接一个大电容，这种 非线性元件和储能元件的组合，导致输入电流为脉冲电流，并干扰电网线电压， 产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源的利用效率下降。近几年 来，为了符合国际电工委员会i e c l 0 0 0 - 3 - 2 的谐波标准，功率因数校正技术正 越来越引起人们的注意。功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有 源电路；从传统的线性控制方法到非线性控制方法，新的拓扑和技术不断涌现 嘲【。】嗍【口】 无源功率因数校正技术通过在整流电路中使用滤波电感和滤波电容增大整 流电路导通角，使输入电流满足谐波限制要求，提高功率因数。虽然无源功率 因数校正技术成本低廉、e i i 小、可靠性高，但由于其存在体积较大、重量重、 不能得到较高的功率因数、谐波含量较高，无法进一步适应通信电源技术的发 展趋势，因此，目前有源功率因数校正( a p f c ) 技术已成为电力电子领域研究 的热点，尤其是9 0 年代以来，有源功率因数校正( a p f c ) 技术取得了长足的进 步。 目前，带有有源功率因数校正( a p f c ) 功能的开关变换器按结构通常可以 分为两级和单级两种类型。 1 、两级p f c 技术的现状和发展趋势 在两级结构中，第一级为b o o s t 型p f c 电路，其目的在于提高输入的功率 因数并抑制输入电流的商次谐波；第二级为d c d c 变换器或d c a c 变换器，其 目的在于调节输出以便与负载相匹配。对于b o o s t 型p f c 前置级电路，研究的 热点主要有以下两个方面： ( 1 ) 功率级的进一步完善。 ( 2 ) 功率因数校正( p f c ) 的简化。 由于b o o s t 电路为典型的升压电路，因此其输出电压比输入电压高，使得 最低的母线电压也必须大于最高的输入电压峰值，如果考虑单相电网输入且最 7 武汉理工大学硕十学位论文 高输入电压为2 7 0 v ，则该母线电压就必须设置为3 8 5 - 4 0 0 v 。由于m o s f e t 的开 通损耗和二极管的反向恢复损耗在p w m 硬开关工作状态下都会相当大，因此最 大的问题就是如何减少或者消除这两个损耗。相应地就有许多软丌关b o o s t 变 换器理论的研究，现在较具代表性的有两种技术，其中种是有源吸收技术， 另一种是无源吸收技术。 有源吸收技术采用附加的一些有源开关，例如辅助m o s f e t 和一些无源l 、c 和二极管元器件。通过控制开关的时序使得b o o s t 变换器电路中的主开关和主 二极管实现z v s 和z c s 。许多b o o s t 变换器电路己经得到应用，如z c t b o o s t 变 换器、有源嵌位b o o s t 变换器以及z v z c s b o o s t 变换器等。有源吸收技术虽然 能较好地解决主开关的软开关问题，但辅助开关自身往往还是硬开关，仍会产 生很大的功率损耗，再加上复杂的时序控制，使得变换器的成本增加、可靠性 降低，在实际的产品设计中并不经常采用这种技术。 无源吸收技术则是采用由无源元件l 、c 和二极管组成的网络来减少m o s f e t 的d v d t 值和二极管的d i d t 值，从而减小开通损耗和反向恢复损耗。这类吸 收技术最近又获得了新的发展，原因是它的成本较为低廉，不需要复杂的控制， 可靠性较高。 两级技术中的后一级一般是一个隔离d c d c 功率变换器，它的作用是将母 线电压变成所需的负载电压。很多负载对该电压的要求是低纹波、高精度、好 的动态响应和小的e m i 等，因此对这一个d c d c 变换器及其控制也会提出很高 的要求。 2 、单级p f c 技术的现状和发展趋势 为了使矗c d c 开关电源在满足谐波标准的同时能够实现低成本、高性能， 对单级p f c 变换器的需求也越来越紧迫。单级p f c 变换器中将p f c 级和d c d c 级共用一个开关管，只有一套控制电路用来同时实现输入电流的整形和输出电 压的调节。 功率因数的高低、谐波电流的高低与电感的大小和电路的拓扑结构等密切 相关，这便是近五六年来研究单级p f c 结构的真j 下动机。 回顾单级p f c 技术的研究历程，不难发现国际电工委员会i e c l 0 0 0 3 2 标 准只对各次电流谐波做了要求，而对功率因数并没要求，一个功率因数只有0 7 0 左右的开关电源仍可满足各次电流谐波的要求，所以只要有改善的电流波形， 电源产品就有可能达到谐波标准，与真正的有源p f c 技术不同，它对功率因数 仅作开环控制。事实上单级p f c 技术己不能称为单级p f c 技术，但鉴于传统， 8 武汉理l ：大学硕+ 学位论文 这里仍称之为单级p f c 技术。单级p f c 电路实际上存在着一个非常严重的问题： 当负载变轻、达到临界连续状态时，由于输出能量迅速减小，但控制占空比( 由 负载决定) 此时没有变化，输入能量维持不变，使得输入功率大于输出功率，多 余的输入能量将对中间储能电容充电，电容器两端的电压增加，导致占空比减 小，从而使输入功率减小，最终达到一个新的平衡态，即输出功率等于输入功 率。这一过程使中白j 储能电容两端的电压达到一个很高的值。在电路中，对于 9 0 2 6 5 v 的交流电网，该电压会达到甚至超过1 0 0 0 v 。就目的的电容技术和功率 器件技术而言，这么高的电压都是不实际的，因此无法得到实际应用。在此后 的许多单级p f c 电路的研究中都努力将电容两端电压降至4 5 0 v 以内，以便可以 利用现有的电容和功率器件。目前已开发的电路很多，但有代表性的电路可总 结为下面几个： ( i ) 1 9 9 2 年中同电源应用技术会议( 北京) 上的一篇文章提出了一个单级 p f c 电路，它用一个电容代替放电支路中的二极管，详细的工作原理要通过s p i c e 仿真。这个单级p f c 电路可以获得较高的功率因数，轻载时中自j 储能电容电压 可以控制在4 5 0 v 以下。对于窄范围( 9 0 1 3 2 v ，1 7 6 2 6 4 v ) 的电网输入，其性 能会更好，其中中间电容容量的大小对功率因数、效率和其两端的电压影响很 大。中间电容的容量愈大，功率因数愈高，但效率愈低，其两端的电压就愈高， 反之亦然。 ( 2 ) 在i n t e l e c9 4 上日本的一位技术人员提出了所谓的磁开关电源，它 在变压器上增加一个绕组且与输入电感串联。这一串联的绕组可以降低中间储 能电容两端的电压，将其控制在4 5 0 v 之内。 ( 3 ) 在i n t e l e c9 5 上，c a if u s h e n 在此电路的基础上作了稍许改进，增 加的绕组移至放电支路，同样可将中间储能电容两端的电源控制在4 5 0 v 之内。 目前他们生产的计算机多输出电源中已采用此案。一年后，v p t 也提出了一个单 级p f c 电路，其中与放电支路中的二极管相串联的不是变压器绕组，而是另一 个分离的电感。该技术已获准美国政府专利，它也可以实现将电容两端的电压 控制在4 5 0 v 之内。 单级p f c 技术的研究目前仍然呈上升的趋势，原因是其性能尚未达到最优， 许多问题有待进一步解决( 如将中间储能电容两端的电压继续降到4 0 0 v 以下) ， 最终达到简单的结构和高效率。 根据电网供电方式的不同，p f c 电路又可分为单相和三相两大类。三相p f c 电路遇到的一大难题是三相之间的耦合。因为三相不控整流电路中三相电压通 9 武汉理r 人学硕十学位论文 过a c d c 不控整流桥互相耦合，不可能同时兼顾三相输入电流，使任何一相输 入电流都不能独立控制为j 下弦波。为使三相输入电流都为正弦波，必须对三相 输入电压进行解耦。寻求成本低廉、结构简单、控制方便、具有软开关性能、 响应速度快、低直流输出电压的三相p f c 整流器是科技研究人员的追求目标， 也是今后一段时间内电力电子技术的一个研究热点。 1 4 本文内容与结构安排 本文在阐述对通信电源进行功率因数校正的目的和意义的基础上，综述了 国内外对通信电源进行功率因数校正的研究现状和发展动态，在比较目前对通 信电源进行功率因数校正的各种方法的基础上，以单级隔离型p f c 为研究对象， 对所适用的拓扑结构、控制方法、所面临的主要技术难点等方面进行理论分析 和比较深入的研究，提出了一种用于通信系统中功率因数高，效率高、能量密 度高、输入适应性宽、动态响应快以及电磁兼容性好的a c d c 变换器。论文主 要工作及内容如下： 第l 章介绍了通信电源功率因数校正技术的概况以及国内外的研究现状及 其意义，简述了本课题的主要研究内容。 第2 章在介绍通信开关电源工作原理的基础上，讨论通信开关电源的工作 过程及存在的不足，说明开关电源在通信领域应用中进行功率因数校正设计的 紧迫性，分析了目前广泛使用的d c d c 变换器的工作原理及拓扑结构，对其优 缺点进行剖析，从而，有针对性的引出本课题所研究的b o o s t 变换器，并对主 电路的工作过程进行简单介绍。 第3 章在强调通信开关电源必须进行功率因数校j 下的基础上，介绍了功率 因数校正技术的分类、基本原理、校正方法与各种控制策略，论述了b o o s t 变 换器电路进行有源功率因数校正( a p f c ) 的工作过程，指出合适的通信开关电 源功率因数校正技术控制策略。 第4 章提出了单相功率因数校正的总体方案，并分析了主电路和控制电路 的工作原理。 第5 章提出了主电路和控制电路的参数设计原则，对设计方案的a p f c 进行 电路建模仿真，给出仿真结果，并与传统的电路对比分析。 第6 章对全文进行了总结，对系统设计提出了改进的方案，提出了对未来 研究的展望。 1 0 武汉理。i ：大学硕士学位论文 第2 章通信电源工作原理 2 1 通信电源系统 通信主机设备的供电要求有交流供电和直流供电之分，因此通信电源也分为 交流不问断供电和直流不问断供电两大系统，其中，这两大系统的不间断供电 是由蓄电池储备的能源来实现的。通信电源系统除了包括对主机不间断供电的 电源外，还应包括允许短时中断的保证建筑负荷、机房空调等的供电电源和允 许中断的一般建筑负荷用的电源。集中供电通信电源系统中。交流不问断供电 和直流不问断供电两大系统可划分为三级：第一级保证能源供应：第二级保证 不问断供电；第三级为主机提供多电压多品种电源，如图2 - i 所示。 图2 一l 集中供电通信电源系统 注：( a ) 不间断( b ) 可短时中断( c ) 允许中断 1 、变电室大中型局站一般设有变电室。 ( 1 ) 高压开关柜：安装在高压室，对高压进线系统操作、保护和计量。 ( 2 ) 降压电力变压器：安装在变压器室，将三相1 0 或6 k v 、5 0 h z 交流电 变为三相2 2 0 v 3 8 0 v 、y ( 星形) 连接，有中性线的三相四线制低压 电。 武汉理i ：大学硕十等乏位论文 2 、备用发电机组通常为柴浊发动机带动的三相交流发电机组，安装在油 机室。当市电停电时能自动开机发电作为备用电源。 3 、市电油机转换屏可以选择有市电或备用发电机组( 含移动电站) 供电， 以保证交流配电屏及保证建筑负载的可靠用电。 4 、低压配电屏安装在低压室，具有操作、保护、计量和功率因数校正等 功能。其中分为： ( 1 ) 动力用电：三相三线制。线电压为3 8 0 v ，对称用电。 ( 2 照明用电：三相四线制，相线对中性线可引出单相2 2 0 v 电压。 5 、交流配电屏与各整流器组和直流配电屏并列安装在电力室，供操作、 保护和计量，提供向通信直流系统供电的各整流器组、交流不问断电源和通 信用空调的可短时中断的交流保证用电。 6 、整流器是将交流变为直流( a c d c ) 的大功率开关电源，多台并联运行， 输出大电流，是保证通信机用电质量的关键。 7 、直流配电屏分路、保护、计量及对小电流分路( d c d c ，d c - a c ) 的操 作。 8 、蓄电池1 - 4 组蓄电池安装在蓄电池室，通过直流配电屏与整流器和用 电设备相连，蓄电池的输出电压为直流不问断电压。 9 、交流不问断电源设备将交流电压变为不问断交流电压。 1 0 、通信用空调通信电源供给通信设备的电功率大量消耗在通信机内，必 须要靠空调将热量散到室外。 1 l 、机架电源多种d c - d c 变换、d c - a c 变换等。 1 2 、监控对系统中所有设备的主要参数都进行监控，并将数据送到监控中 心。 1 3 、接地为工作、保护和防雷所不可缺，要求每台设备和机房都需可靠接 地。 由于交流部不问断供电系统包括由交流整流为直流，再由直流逆变为交流两 个环节的转变，直接影响到系统得效率及可靠性，并且交流的并联冗余技术及 旁路技术也相对复杂，因此，目前通信设备及供电电源主要还是以直流不问断 供电为主7 m “制。 1 2 武汉理。【：大学硕十学位论文 2 2 通信高频开关电源 通信高频开关电源是指通过使用半导体功率器件作为开关，将通信电源系 统交流配电屏提供的电源转换为目前通信设备广泛使用的直流电源，在转变的 过程中采用自动控制实现闭环稳定输出并使用保护环节。 在无功率因数校j 下电路的通信开关电源中，交流输入电压经整流后，直接 加到滤波电容器两端。只有交流输入电网电压高于滤波电容两端电压时，滤波 电容才开始被充电，因此输入电流波形为宽度很窄的脉冲，这种电流的谐波分 量很大，同时因为只有基波电流与输入电压同相位，基波电流有效值与电网电 流有效值相比而言较小，故功率因数低，通常只有o 6 左右。低功率因数的通 信开关电源存在的主要问题有叫嘲： 1 、谐波电流污染电网，干扰其他用电设备工作。 2 、在输出功率一定的条件下，输入电流有效值较大，因此必须增大输入熔 断器、断路器及电源线的规格，导致硬件成本上升、资源浪费。 3 、较低的功率因数不仅降低了电源利用率，同时因谐波电流流过线阻抗引 起交互干扰，产生e m c 难题。 4 、使线路压降增大，冲击性无功负载会使公用电网电压剧烈波动。 通信高频开关电源主要由电网侧整流滤波电路、d c d c 变换器、控制电路、 启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路组成。如图2 2 所示，该框图为通信 高频开关电源电路框图。 市 电 电网调整流滤波电路 i i d c d c 变换级 罾雷罾卧髓 l 寸万卜 直流 输出 图2 2 通信高频开关电源基本电路框图 其中，电网侧滤波电路由抗干扰滤波、电网侧整流、平滑滤波三部分电路组 成。抗干扰滤波电路既可以抑制后级高频开关变换电路运行时的高频脉动电流 成分对电网的干扰，又可以抑制电网中出现的尖峰脉冲电压损坏开关整流器的 武汉理_ _ f ：大学硕士学位论文 器件，并抑制电网对直流输出电压的尖峰脉冲电压干扰。电网侧整流电路将工 频交流输入电压直接整流。平滑滤波器滤除交流成分，得到较高电压的不稳压 的直流电压( 如6 0 0 v 等级) “儿。 d c d c 变换器是通信用开关电源的主要组成部分，按开关控制方式可分为脉 宽调制( p w d 方式、谐振式和它们的结合式；每一种方式中从输入与输出之间 是否有变压器隔离，可以分为有隔离、无隔离两类。它们是通信开关电源设计 的重要方面，也是提高通信开关电源功率因数的有效手段。 2 3 d c - d c 变换器 d c d c 变换器的主要功能是变压。带隔离变压的变换器，除了完成变压外， 还有输入输出之间隔离的功能；无高频变压器的变换器，主电路在输入与输出 之间有电气连接，主要分为b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k - b o o s t 变换器和 b o o s t b u c k 变换器等最基本电路，另发展出多种电路，如：s e p i c 型变换器电 路等m 帅”嘲。 i 、b u c k 变换器。b u c k 变换器又称为降压变换器、串联丌关稳压电源、三 端开关型降压稳压器。其主电路拓扑见图2 - 3 ，b u c k 变换器的输出电压小于输 入电压，即u o u 。 工作原理：当开关管v t 导通时，输入电流流过电感线圈l ，电流线性增加， 电能以磁能的形式存储在电感线圈中，二极管由于承受反压而截止，此时，仅 有电容c o 放电给负载，极性为上正下负；当开关管v t 受控制电路控制而截止时， 由于电感线圈l 中的磁场将改变线圈两端的电压极性，以维持输入电流不变， 这样使得电感线圈l 磁能转换成的电压u 。与电源u 。相串联，以高于u o 的电压向 电容c o 和负载供电。当供电电压高于u o 时，电容有充电电流；等于u o 时，充 电电流为零；小于u o 时，电容c o 向负载放电，以维持u 0 不变。 图2 - 4b o o s t 变换器电路 由于开关管v t 导通时，输出电流完全由电容c 0 提供，因此，电容c o 应选 的足够大，以满足在开关管v t 导通时段向负载供电时其电压降低能满足要求。 输出电压的调整是通过负反馈控制电路来控制开关管v t 的导通时间来实现的， 若直流负载电流上升，则开关管v t 的导通时间会自动增加为负载提供更多的能 量。若输入电源u 。下降而开关管，t 的导通时间维持不变，则电感线圈l 的储能 将下降，导致输出电压u o 下降，通过负反馈控制电路检测到电压的下降，进而 增加开关管v t 的导通时自j 以维持输出电压稳定。由于电感线圈l 磁能转换成的 电压u 。与电源u 。相串联向负载供电时的输出电压u o 高于输入电压u 故b o o s t 武汉理_ t 大学硕十学位论文 变换器又称为升压变换器。 3 、b u c k b o o s t 变换器。b u c k b o o s t 变换器又称为降压一升压变换器、反号 型变换器。其主电路拓扑见图2 5 ，b u c k b o o s t 变换器既能实现升压，也能实 现降压。 图2 - 5b u o k - b o o s t 变换器 工作原理：当开关管v t 导通时，z 极管d 的阴极电压为u 。，二极管反偏而 截止，电流流过电感线圈l 而储存能量，由于电感线圈l 上的电压u 。恒定，所以 其电流以d i d t = u ，l 的斜率线性上升，经过导通时间t 。，电感l 的电流达