（电力电子与电力传动专业论文）零转换pwm变换器和pfc技术的研究.pdf

亘壹窒塑盔兰堡主雯焦迨窒 篁! ! 夏 一 a b s t r a c t h ig hf r e q u e n c ys o f t s w itc h in gc o i l v e r s i0 1 1isa n s u b j e c t o f p o w e r e le c tf o i l ics s in ce19 7 0s t t isa a p p r o a c h ( ) f 、i 1 1 i 1 3 im iz al jo no fs iz ea n dw e ig h lf o fp o w e r m p o r p o w e u p p l a n t f u l e s t h es in 9 1cp h a s eh r jd g ef 2 cl i f ie rint h ea cl od cr e c t i f i c a t io n s y s t e m sh a o fc u f f e nl c h a r a c te f i c lr c u l t s n o ns ln u s o s v e r yp o o rp o w e r f a clo ra n ditisth em a ins o u f c e h a r m o n ict h ef e a s o no ft h ed is t o f t i 0 nisn o n l in e a r t 1c s t h o r d a l d u et os e f l0 u s 0 f p o w e r e 1e c tr o n ic sd e v ic esu s e dint h e s e ea r eg r o w i n gc o n c e r n sa b o u tt h ep r o b l e m so f c u f r e n tw a v e f o f i l l sd r a w nf r o mt h e m a in s u p p ly l i m i t a t io n ss u c ha sie c 5 5 5 2b e in gi m p o s e do n p o w e rs u p p lyp r o d u c t s t h i sm a k e san e wt e c h n iq u ein p o w e r e e c t r o i q ica r e an a m e da c t iv ep o w e rf a c t o rc o r r e c t io n ( p f c ) isb e c o i l l in g p o p u l 8 r inr e c e n t y e a r s t h ec o i l te n to ft h is p a p e r c a nb es u m m a r iz e da sf 0 1 1o w s ： t h em a i l 3r e s o n a n ts o f t s w i tc h i n gte c h n i q u e s d e v e lo p e ds i n ce 19 8 0 s ，in c lu d in g q u a s i r e s o n a n t ，m u l t i r e s o l l a n t ，z c s z v s p w m ， f u l l b r id g e p h a s es h i f t e df e s o n a n ta n dz c t z v t p w mte c h n ia u e s h a v eb e e i le x a m in e d t h e irt o p 0 1 o g i e sa n do p e r a t i o i l a l p r i n c ip l e s a r eb r i e f l y i n t r o d u c e d w i t ht h e ir a d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k s a n a l yz e d z c t z v tp w mt e c h n iq u e iss t u d ie d s y s te m a t ic a l ly t w o to p 0 1 o g ie si m p f o v e d is p r e s e n t e d t h e s ec o n v e r t e rh a s r o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：( 1 ) a c h ie v i n gz v s z c ss w i tc h in gf o ra l1 s w i tc hd e v ic e sa n ds o f tc o m m u t a t i o i lf o rt h ep o w e rd io d e ，t h u s r e d u c i n gs w i t c h i l l glo ss e sa n de m i r f i1 3 0 is e sir lt h ec o n v e r te r ： ( 2 ) l im itin g th e v 0 1 t a g es t f e s so ns w i t c h e sa ta f e l a t iv e ly lo wle v e i ：( 3 ) s u i t a b l et oc o n sl a n tf r e q u e n c yp w mo p e r a t i o n a l m o d e 西南交通大学硕士学位论文第1 i i 页 r f h e jf i t l 0 d u c t io n0 ft h ep o w e rf a c t 0 fc o r r e c t br ie f ly 】 h ecr il ic a l c 0r l d it i0f 10 f v 0 t a g e f o b o oslp f cc0n ve fler isa n a ly z e dw iths tr ic ta n a l y 0f i1s 9 1v e n 1o w ef ( d c m ) icr 0r m u l a ， a n dak i l q d0 i b 0 0 s tb u c kp f ct0 p o l0 9 yis pr o p o s e dl0 a d j u s t t h e0 u td u tv 0 lt a g e ak in d0 fz v sb 0 0 s t b u c kp f ct o p 0 10 9 yisa 1s 0 p r o p o s e da r l d i ts p f i i q c ip 1e isa n a l ys e d e x h a us t iv e l y p s p i c ear l do i c a ds i m u la t i0 i l ls 0 fl w a r ea r ee m d l 0 y e d int h 0 p a p e ft 0 in v e s tig a t el h et o p o l o g y0 fs o f ls w it c h in gc o i 3 v e r t e fs a n dt h e t o p o l o g y 0 fp f c t e c h n o l o g y t h r o u g ht h es j m u l a t jo n w o r k s ，t h es o u n c ir l e s so ft h e t h e o r ya n dp r o c t ic ed e s ig nis d f o v e d k e y w o r d s ：s 0 f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y ；z c t ( z v t ) p w m ：a c t iv e p o w e ff a c t o fc o r r e c t i0 1 1 ( p f c ) 亘壹奎堕盔堂亟塑窒生兰焦迨窒 蔓! 夏 第1 章绪论 电力电子学是研究电能变换原理与变换装置的综合性学科，它 利用半导体功率器什和无源功率元件，微处理器及大规模集成电路， 变换理论，传感与信息处理技术，现代控制理论，计算机仿真与辅 助设计技术，以功率变换电路为核心对电能进行变换和控制。电力 电子技术经数十年的工程实践不断得到发展和完善。以相控理论和 晶闸管( s c r ) 为基础的大功率相控制整流和有源逆变装置，以脉宽 调制技术( p w m ，s p w m ) ，计算机技术和高频功率器件为基础的无 源逆变装置、变频装置、高功率因数整流器、高频d c d c 变换装置 等已进入众多工业应用领域。以谐振理论为基础的超高频软丌关变 换技术研究逐步达到实用阶段1 1 1 。 1 1 电力电子器件的新进展 电力半导体器件是电力电子应用装置的基础。一种新型电力半 导体器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。电力半导体 器件的发展经历了晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率 m o s f e t 和绝缘门极晶体管( i g b t ) 等。现代电力电子器件的主要 发展方向为高频化、大功率、低损耗和良好的可控性。功率半导体 器件另一个重要发展方向是功率集成电路( p i c ) 。功率集成电路是 微电子技术和电力电子相结合的产物，其发展和应用将使电力电子 技术进入智能化时代，当前电力电子器件的主要成果有1 2 1 ： 1 1 1i g c t 一集成门极换流晶闸管 i g c t 是一个将门极驱动器与低电感封装的g t o 元件相集成的 组件。与常规的g t o 晶闸管相比，它具有许多优良的特性：不用缓 冲电路就能实现可靠关断，存储时i 、日j 短，开通能力强，关断门极电 荷少和应用系统总的功率损耗低等。因此，在大功率m c t 未f 1 世之 前，i g c t 有望成为高功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 目前，4 5 k v 及5 5 k v ，2 7 5 a i q g 。 3 12 0 a ，1k h z i i( b ) i l r ( t 3 ) 三舻在某些 场合漏感。可直接作为谐振电感上，而无需外加电感。为简化分析： 输入可看作一个恒流源，输出可看作一个恒压源。假定电路进入稳 态，如图3 - 7 所示，一个开关周期由八个工作状态组成： d ) t 1 一t 2 卜 。誊 h ) t 5 一t 6 ( i ) t 6 - t 7 图3 7八个不同工作状态的等效电路 ( 1 ) f o 一 ：乇之前，主开关s 1 和辅助开关s 2 ，s 3 均关断，整 流二极管d 1 导通。在t o 时，辅助管s 3 导通( 零电流) 谐振电感三，线 性充电到么( 为滤波电感电流) ，整流二极管零电流关断，线性充 电时间： 亘直奎道盔兰亟塑窒生堂焦迨窒 篁丝亘 f ：二血，t t = u - t o ( 3 - 1 1 ) 。 2 d 在此期间，电容c 3 ，c 2 ，l ，2 通过s 3 谐振，c 3 的电量转移到c 2 上， 上萨下负。 ( 2 ) f t ：t 1 时i 。，= 0 ，整流二极管d l 关断，三n 通过s 3 与c l 发 生谐振，g 放电直到t 2 时，= 0 ，同时耦合电感二次侧厶的电流通过 d ：流到负载，辅助开关承受较小的电流。此阶段有： 观；l ：互：坠匾，乩一f 。 脚2 2 ( 3 ) r 2 ：f 2 时，l = 0 ，反并二极管导通 s 1 加上触发脉冲，s 1 零电压零电流接通： ：1i。一v，o、tilrl 一疋) 2 2 。一i o 卅2 j ( 3 1 2 ) 此时给主开关管 ( 3 13 ) 谐振电感中能量反馈到负载，谐振电感电流i 。线性放电。当岛= 等等 时，i 。= 0 ，此时关断辅助开关管s 3 可使辅助管零电流关断。 ( 4 ) 屯一：岛以后，i = 0 ，t ，2 = 0 ，流过s 3 的漏源电流为零， 因此f ，以后关断s 3 均可使实现s 3 零电流关断，而且在，3 时主开关管 s l 的漏源电流达到滤波电感，的电流t ，电路恢复到传统的p w m 工 作状态。 ( 5 ) f 4 一f 5 ：，4 之前，s 1 导通，c 2 的电压已充电到一v c 2 。f 。时， 辅助管s 2 导通( 零电流) ，：通过s l ，d l ，s 2 与c 2 ，c 3 发生谐振， 谐振电流i 迫使主开关管s 1 的漏源电流i 。= ，一i 以正弦规律减 小，当耐= 詈时，f 。= z m 形达到最大值。为了获得零电流关断 i 。= 7 c ：m a 形2 ，当主开关管电流降为零时，它的反并二极管导通， 此时关断主管可实现零电流，零电压关断。此段时间间隔为： 疋= l s - t 。一r 2 c , v i l “2 c ( 3 一1 4 ) ( 6 ) t ，一k ：主开关管s i 关断后，电感电流j 。对c ：，c 3 继续充 亘壹奎适查兰塑塑童生兰堡堕垄_ _ = _ 二_ 避 电，当v 。= k ，时，d 6 导通，c 2 通过d 6 ，继续谐振，直到，2 2 0 时截止，停止谐振。 ( 7 ) ， ，：k 以后，流过辅助管s 2 的漏源电流为零，此后给辅 助管s 2 加关断信号可使s 2 零电流关断，而且，。以后整流二极管d 1 已完全导通，电路又回到传统的p w m 工作状态。t ，时，辅助管s 3 导通，电路又重复上一个周期的工作。 3 2 2参数设计 1 、谐振网络的参数设计 1 1 辅助管网络参数的确定 辅助管s 2 的脉宽为主开关管s l 实现零电流关断的准备时间正+ 电感l ，2 中能量全部释放的时间瓦。 辅助管s 3 的脉宽为主管实现零电压接通的准备时间 感上。中能量全部释放的时间t 3 。本设计中取： 五+ 正= o 0 5 t ，正= 0 0 3 t ，其中t 为开关周期。 1 2 电流系数设置： 墨= 锣，k l 2 其中，。为流过电感工，电流的最大值。 1 3 电压系数e 的设置： ( 3 15 ) 驴簪，k v _ 1 ( 3 - 16 ) ：。= 撕丽，式中：。一电容c 2 的最高电压。 1 4谐振电感、电容的计算 由z v t 的工作原理可知，主开关管是零开通损耗，关断时靠电 容g 缓冲减少关断损耗，较大的g 有利于减小关断损耗，但g 越大， 存储的能量越多，c l 能量再经谐振转移到三。上，使关断损耗也同时 增大。因此，这部分谐振能量究竟取多大才能使主开关管的总损耗 最小，是设计此电路的关键。根据以上分析可得出： 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 至 。l2 而 1 + 兰f k 一1 1 g 2 而( k , - 1 ) 2 孥( 正+ 疋) 击( 正 ( 3 17 ) ( 3 - 18 ) 其中，。取电感电流最大值形 ，c i 包括谐振电容、主管寄生电容 ， j m i l l 和整流二极管的结电容。 从z c t 的工作原理可知，主管是零关断损耗，关断时靠谐振回 路的分流使主管的电流发生转移，为实现零电流关断，谐振回路电 流最大值： = 等( 3 - 1 9 ) 通过选取适当的电压系数来计算谐振电容和电感： k 2 t k v k o 象 限2 c 2 蚂钉2 茜。袭 。2 1 ) 32 3 仿真结果 在= 9 0 1 2 0 v ，p 。= 4 0 0 w ，= 2 0 0 v ，f = i o o k h z 条件下算出 l ，l = 3 0 u h ，l ，2 = l o u h ，c 1 = 3 3 0 p f ，c 2 = c 3 = 8 2 n f 。在上述参数下对 z v z c t 软开关电路进行仿真。图3 8 为主要器件电压、电流的仿真 波形。从仿真波形可以看出，主管s l 零电流、零电压开关，s 2 、s 3 也实现了零电流通断。仿真结果与理论分析一致。 西南交通大学硕士研究生学位论文苤! ! 夏 i 曩 a 瓜 卜 _ f k l f 啊， r 匕 ：z ， t _ r毽“ 叫w 叫 西南交通大学硕士研究生学位论文照曼呈亘 f ! j r 一 i 7j l ”j i i | _ + u l - r 一 p? 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 f 】 ii f 一 2 j 2 0 0 v 0 v o i ( u 0 ! 0 s2 0 u s 4 0 u s 6 0 u s8 0 u s 口v 0 t i m e l ； - 一l 一 f z f 。 一 _u i h - _r i ”， i 图3 - 8z v z c t p w m 软开关变换器电路仿真图形 3 2 4 结论 木：恬提出的一种z v z c t 软开关p w m 变换器，通过理论分析和 电路仿真，找出一种新型的软开关控制规律，使主开关管电压、电 流为梯形波，相互错开，辅管、主管均实现了零电流通断，适用于 i g b t 作为开关器件的高电压、大功率场合。 亘壶奎壅盔兰亟丛宣圭兰焦迨窒箜! ! 亟 3 3z v t - p w m 变换器 图3 9 是z v t p w m 变换器的六种基本拓扑，图3 1 0 是具有代 表性的b o o s t 型z v t p w m 变换器及其主要波形。从图中可看出，在 主开关管导通前夕，辅助管短暂导通，谐振网络产生部分谐振，使 主管的体二极管导通，使开关管上的电压为零，这时开通主开关， 则主开关为零电压导通，调节主开关管的导通时间可控制输出电压， 显然这各变换器适合恒频p w m 控制方式。 z v t p w m 变换器的优点有： 1 主开关管实现了z v s ，并且是恒频p w m 控制 2 输出二极管能零电流关断，使其反向恢复软化，从而减小了损耗 和e m i 噪声； 3 电压，电流应力小； 4 谐振支路与开关管并联，不在主回路内，在电源电压，负载电流 变化的宽范围内可实现z v s ： 5 谐振所需能量小 其主要的缺点为s 2 工作于硬开关状态s 2 的开关损耗是整个 z v t p w m 电路的主要能量损耗，下面将讨论一种新的z v t p w m 的变换电路拓扑，以使主辅都可以以良好的软开关条件下完成通 断过程。【3 9 ，4 1 ，4 2 】 a ) b u c k f b ) b 0 0 s t 西南交通大学硕士研究生学僮论文_塑! ! 夏 d l c u e e)sepic(fll z e t a 图3 - 9z v 卜p w m 变换器的六种基本拓扑 l f 1 11ii s l z j 2 一l f - 卜1 一 ： 一k 曳 f t 叫扩 1 r o 1 ： i 卜 v i nt 。i 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 t “ l r ； 1 一 t v o 一 l ， 、 一、一 lv o lr i o 一 。 v o r 、 t 5 t 6t - 图3 - l0b o o s t 型变换器及波形图 3 4 改进的b o o s tz v t - p w m 变换器 该变换器电路如图3 一1 1 ，该变换器使主管，整流二极管在良好 的软开关条件下开关，辅管在z v s 下关断，接近z c s 的情况下导通。 3 4 1 电路工作原理分析 为便于一个完整的开关周期分析，作如下假定： 1 输出电容c 0 足够大，可认为保持不变。 2 输入电感足够大，以及输入电压稳定，可等效为一恒流源。 3 谐振电容c ，谐振电感三，在辅管导通前均为v c , ：0 ，i ，：0 。 4 在岛之前，s l 和s 2 均关断，二极管d l 导通。 基于以上假设，电路在一个开关周期由八个工作状态组成。 如图3 1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 、_ i fi d s l b 卜 五 1 c r l r 1 s 2 一 l 囊d s 2 b 耻 d 1 爿；i d 2 1 2 图3 - 1 1 改进的b o o s tz v t p w m 变换器电路 d ) t 3 一t 4 ( 8 ) t 4 - t 5 f ) t 5 一t 6 r l j iklfji llllljf| fl“j万u 卜盈卜 1s nv 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 ( g ) t 6 一t 7( h ) 9 7 - t 0 图3 - 13八个不同】作状态等效电路 ( 1 ) t o t ，：辅管s 1 在t o 导通，导通期间，e ，t 在的作用下谐 振，d 1 中的电流逐渐下降，i 。，逐渐上升，s 2 的结电容的释放电流无法由 ，控制，故s 2 以接近z c s 的方式导通： 。= 孥s i n ( 州h 0 ) ) ( 3 2 2 ) v c ，( f ) 2v o v oc o s ( ( 0 1 ( f t o ) ) ( 3 - 2 3 ) 其中 z i = 1 q 2 瓦亏 ( 2 ) r 。，z ：在时刻，二极管反向恢复结束，d 1 在零电流下软关断， 同时g 开始向e ，三，释放能量，一起谐振，此阶段0 ，为 o ( d = 导s i n 锄p t o ) + c 。s 包( ，一) ) 一+ 五，“) ( 3 - 2 4 ) v o ( t ) = - s 。- kc o s ( ( 0 2 ( f r 1 ) ) 一i i z 2s i n ( c 0 2 ( f f 1 ) ) 一k 】 一5 ，( 3 2 5 ) + 苁”，1 ) + v o v c ，( f ) 詈【k c 。s ( 姒1 ) ) - i l z 2s i n ( 姒h 1 ) ) 一k 】 + 考苦。一】) + v o ( 3 2 6 ) ，( 一 亘壹銮道盔堂亟丛塞生主笪迨塞 卜“) 专h ? v 第4 0 页 ( 3 - 2 7 ) = 一v c ，( t 1 ) ( 3 2 8 ) 其忙器= 厄= 乎= 压= 藤 s 2 的正向峰值电流即的电感证向峰值电流t ，口，i l 。出现在 k 、一k ，= 0 时 铲华召c ( 3 2 9 ) ( 3 ) t ：屯：当谐振为零时，主管s i 体二极管导通( f ：时刻) ，主管 s 1 在r ：时刻后z v s 导通，c ，l ，通过s l ，s 2 构成回路谐振： i ( ，) = 2c o s ( a , 1 ( 一f 2 ) ) 一兰o s i n ( c o l ( ，一t 2 ) )( 3 - 3 0 ) v 。，( ，) = 1 2 z ls i n ( o o l ( ，一t 2 ) ) + c o s ( 卯l ( f r 2 ) )( 3 3 1 ) 其中： 札i b c 职 1 f 1 ： ( 3 3 2 ) = y c r ( f 2 ) 2 等也_ f 1 ) 每”删( 3 - 3 3 ) ( 4 ) 岛t 。：时刻，j j 时，d s 2 b 导通，s 2 可在此后z v s 关断， 当i l ，= 0 时，达一到其峰值，此值出现在f 3 ，d 2 的电压应力为 = l ，c ，通过s t ，d s 2 b 继续谐振，4 时刻，“再次为0 ， 并保持，谐振停止。主管s l 的导通电流峰值为 is1 ，p 5 i i + i l r ，p ( 3 3 4 ) ，极性反向 ( 5 ) f 。t ，：变换器进入传统的p w m 导通阶段 ( 6 ) ，5 ，6 ：由于= o ，故s i 管可以在z v s 下零电压关断 ( 3 3 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 1 页 ( 7 ) ，。，：当k 、= 一k _ ，时，d 2 在z v s 下导通，g ，c ，通过 d 2 向负载放电，直到 。= ，k ，= 0 为止。 ( 8 ) t ，l 。：，时刻k ，= ，k ，= 0 ，d 导通，d 2 同样z v s 关断， 电路进入传统的p w m 关断工作状态，t ，之后，i 。= 0 ，k ，= 0 其电流 波形如图3 13 ( 改进的b o o s tz v t p w m 变换器电流波形图) v g s l v g d v s l v m l ill ： 、 1 7 _ ， 八 l l l 。 一 一 、 l：， ： * ： ： ： ： 飞 八 j ，一、 i l j l i - p ke lbt 3t 4 4 b k b 图3 1 3 改进的b o o s tz v t p w m 变换器电流波形图 3 4 2 仿真参数与波形如下： p 。= 3 0 0 w ，f = 8 0 k h z ，。= 1 0 0 v ，c s = 2 n ，c r = l o n ，l r = 6 u h ， l m = lm h ，c o = 9 4 0 u ，v o = 2 0 0 v 由仿真波形可以看出，主管和辅助管都实现了软开关通断，仿真 结果与理论分析一致。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 _ n 一 a 犷一厂 0 。 ” fi 浮” 卜 0 8 oi ( 1 jr ) 4 0 a 2 0 0 20 4 ( ) a 2 o o a 2 0 40 u s6o u s8 0 l j 8 l ，i b 。一 o s ol ( 1 ) 1 ) 5 u s t i e 1 0 us l 0 s o l ( d 2 ) 5 u s t i t a e 1 0 u s 3 0 v 0 v s e l j ) 3 0 v 0 v 3 0 0 v 2 0 0 v 0 v 一2 0 0 v 4 0 0 v 2 0 0 v 0 v 2 0 0 v _ f | 二一一n _ ， 。一 n _ ：i j ij i 1iil! l11 一 i i 1 j 一 j i 1 一一卜l j 一 一 l if i i l 一i 一1l1一一r 一t 一r 一r 。 ov g ( s 2 ) 一卜| _ 卜一卜争一二一一卜+ 卜卜 一 lfi l l i i 一 1 i 二斗卜十一斗一 一卜_ 二_ j 一1 。 iiii llif o s ov r ( s 1 ) 5 u s t i - e l o u s 千t f 0 s ov ( s 2 ) 5 u5 t i e 10 us i ： ii i l l i ij l i _ 一 i 二 l 。 ： lj j1l ；li i = 二 i 二：湛三土i l !： - i 。| i ： ill ! l ； 1i ! il i ， 0 s ov ( s 1 ) 5 u s t i _ e 1 0 u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 a h 、 ： i 卜f 一 1 1 一弋 限 一 i r 。 i i ! 愈 j t 一卜、 f i fl o f 1 1 lj 、一 1 - ， v i i 1 l i l 图3 - 1 4 改进的z v t p w m 软开关变换器电路仿真图形 本章小结 本章对典型的z c t ，z v t 两种类型的电路进行了分析，并且提 出了两种改进的电路拓扑。使得主辅功率管以及功率二极管都可在 软开关条件下工作。 西南交道盔兰亟婴窒生堂焦迨窒 望! ! 亟 第四章b o o s t p f c 电路及其临界条件 4 1基本的p f c 技术 4 1 1 乘法器p f c 技术 8 0 年代中期，有源功率因数校正技术的研究以乘法器方式为主 其基本原理如图4 一l 所示。 幽4 1典犁的乘法器式p f c 电路的组成 图中b o o s t 变换器工作在连续导电模式，其电感电流为输入电 流。电感电流被采样并被控制，使其幅值与输入电压同相位的正弦 参考信号成正比，从而达到功率因数校正的g t 的；乘法器方式p f c 电路还可以根据输出电压反馈信号，从而获得可调整的输出电压。 有关乘法器型p f c 技术的控制方法分为三种：常频控制、常误差带 控制、变误差带控制。此类校正电路在工业上已得到广泛应用。 西南交i 里盔兰亟主塑窒皇兰焦迨塞塑兰堕亘 41 2电压跟随器p f g 技术 8 0 年代后期，d o c s d f t 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j 下的概念，有人称之为自动功率因数校正。 “k hl iu ”首先应用“电压跟随器( v o l r a g ef 0 1 1 。w e r ) ”这个词 来描述这一类有源功率冈数校正技术。 罐本的电压跟随器p f c 电路町用图4 2 所示的b o o s l 变换器来说 明。 图4 2 基于b o o s t 变换器的电压跟随器型p f c 电路的组成 该变换器工作在不连续导电模式，开关s 由输出电压误差信号 控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于输入电压， 因此，输入电流波形自然地跟随输入电压波形。与乘法器型p f c 电 路相比，电压跟随p f c 电路的控制简单，仅需要一个输出电压控制 丌关。因此，多数现有的开关电源p w m 控制用集成电路均可作为电 压跟随型p f c 电路的控制器。而且，变换器工作在不连续导电模式 下，就避免了b 0 0 s t 变换器中因输出二极管反向恢复电流而带来的 问题。 其另个缺点是输入电流波形为脉动三角波。因此其前端需添 加一个小容量的滤波电容以滤除高频纹波，实际上一个l c 低通滤波 亘壹奎塑盔兰巫丛窒圭差焦迨塞一篁巫 器会获得更为理想的效果。另 个缺点是其较高的丌犬峰值电流会 带来较人的开关关断损失。尽管如此，f h 十这种p f c 技术控制简单， 近年来对它的研究也最活跃。 改进方面，如采用软丌关技术 其动态响应速度。 413 其它p f o 技术 目前对其研究主要集中在对其性能的 多导电模式及新的拓扑结构，以提高 近年柬还提出了一些新颖的功率因数校正技术：如三电平p f c 技术，磁放大p f c 技术和不连续电容电压模式( d c v m ) p f c 技术。另 外，无源功率因数校正技术也有所发展，典型的为利用电容_ 极管 网络构成的填谷方式p f c 整流电路2 。“。 4 2b o o s t 变换器p f c 电路 在p f c 电路中，b o os t 变换器是研究和应用最多的一种变换器 ”1 。尽管如此，有关电压跟随型b o o s tp f c 电路的临界条件的严 格解析表达式仍没有获得。获得严格的解析式不仅具有理论意义， 而且对进一步改进这种结构的电路也是十分重要的，本节研究该电 路的临界条件的严格的解析表达式。 4 21 拓扑结构和电路工作状态 图4 3 为电路图，为简化分析，仍作如下假定： 1 电路工作在稳态： 2 所有器件是理想的； 3 输出电压恒定： 4 一个丌关周期内输入电压为常数： 在每一个开关周期内，该电路可看作为一个b o o s t d c d c 变换 器。当工作在d c m 时，变换器具有三个工作状态，如图44 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 c ，2l j 3 j 2 c 。 2 1 1 r l 1 v l ；、 i + ：c 。 + f1 、：1 、3 占+ l 2 + + ：f 。+ v i n s r 2 ”。 、， c o r l lv 。 c o 、”。 。 + 一| 1：i ：_ r 。 。“ 一f1 一 一1 r 。i 1 一 图4 - 3d c m b o os t d c d c 变换器的三个i 作状态等效电路 i l i ，i l d 0 v l v 1 n 0 v 1 nv o t 4t t 电流及电感两端的电压波形 ( 1 ) f 。开关s 导通，二极管d 关断，电源v 。向电感厶充电， 同时c 。给负载电阻q 提供能量，如图中( a ) 所示。 ( 2 ) ，z ，：s 关断，d 导通，电源y l n 与电感厶经二极管d 向c 。充 lll 2 s u 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 9 页 电，并给提供能量，如图中( b ) 所示 ( 3 ) f ：，：s 关断，d 关断，厶上电流为0 ，c o 继续给负载电阻r 提供能量，如图中( c ) 所示。 当l ，工作在d c m 时，根据伏秒平衡原理可知电容器c 。上的电压为 2 半1 ) 输出输入电压变比为 m ：丘：尘巫 y ! nd 2 式中d ：的定义如图4 4 所示 4 2 2 输入功率因数 由于b o o s t p f c 电路的输入电压为全波整流波形， 个开关周期，通过b o o s t 电感的电流为 州一归等l s i n 研l ，0 f 吲乃 对应的峰值电流，( ，f ) 为 ( 4 2 ) 因此在每一 ( 4 - 3 ) ，p ( ，) ：t 。，( ，) ：v j n ，d t s s i n 耐f ( 4 4 ) l 1 t s 为开关周期，d 是开关s 的导通比，f 为一个开关周期中的导 通时间，v t 。为交流输入电压峰值，国为交流输入电压频率。 为求一个开关周期内的电流平均，须知道弛预时间殆，根据伏秒 平衡原理可知 v w d = ( 圪一v 。) ( 1 一d - a )( 4 5 ) 变换器的最小直流电压变比为埘m m ，将v ，= 代入上式有 _ 卜d 瓦南 6 ) m n 札。一is m 也f 、 在一个开关周期内流过电感上1 的平均电流i l l 0 ) 可表示为： 西南窒塑盔兰亟盟窒生兰焦迨塞 篁! q 巫 一 f ，) ：；i l 1 , p ( ，舢( 1 - ) ：竿( 1 _ ) | s i l l 刎1 ( 4 - 7 ) 2 l 1 这个电流f 是输入电流，。，其均方根值，。、为 ( 48 ) 慨：胁百v , n d 2 t s 瓦m m , 丽 s i n ( a t 一c 删，卜警箬 ( 49 ) 式中 式中 l s i nc o t l ， 1 1 一m m , i s i nc o t l d ( c o t ) 丽2 + 手+ 掐瓜2 ”- a r c t g ( 意 ：矿万+ 7 + 酮百1l 瓦亍ji 1 a = 一 m m ( 4 一l0 ) d c mb o o s t p f c 电路在半个输入电压周期的平均输入功率因数p 。为： 2 百v 2 l u d 2 t s 5j s i n i 2c o t 酬2 等砌一) 厂b m m ) = f ( p 陋) ， 证明过程从略。 l 一s i n o ) t 因此，在忽略输入电压畸变的情况下，输入功率因数p f 为： 胛：血：垂丛型 l 。v 。 en z0 a 一12 1 熹 m 一。旦 n 一 扩扎 一 亘壹奎道盔兰亟主塑壅圭兰焦迨塞篁! ! 亟 上式表明：r f 随最小电压变化m 。变化。 4 ，23临界条件 。4。5 o6o7 。8 o 目 t i m mjn p f c 电路的p f 随m 。变化曲线。 为保证较高的功率因数，b o o s tp f c 电路必须始终工作在d c m 模 式。 在固定导通比的情况下，随着输入电压的增高，流经b o os t 变换器 的电感l - 的电流趋于连续，因此使b o o s tp f c 电路在整个输入电压 范围内部处于d c m 方式的最起码条件是： 当= 时，变换器恰好工作在d c m 和c c m 的边界，由( 4 一1 ) 知 2 高_ ( 4 一l3 ) 此时 m m i n2 而4 14 ) 将( 4 1 4 ) 代入( 4 - 6 ) 式可得出在任意输入电压时，有 = ( h t - 叫l s i n 巾6 0 i , 丽i ( 4 - 1 5 ) 在半个输入电压周期内d c mb o o s t p f c 电路的平均输出功率为： = 譬= 字“ ，e ) 设变换器的转换效率为，7 ，由( 411 ) 与( 4 1 6 ) 可得： 亘壶奎道盔堂亟丛窒生堂焦迨窒j 墅竺亘 = 字2 一蛾= 警帆) ( 4 - 1 7 ) 化简后可得： k 。：翌l ( 。) ( 4 18 ) 厅洲 在临界条件卜变换器的最小电压变比为( 4 14 ) 。因此可以得出 b o os t p f c 电路的临界无量纲参数k p b 为： 郴= ；1 州叫玎函1 ( 4 19 ) l 图46 ： k 嚣与开关导通比d 关系曲线图。 4 3 跟随器型b o o s t b u c k 组合p f c 尽管b 0 0 s tp f c 电路在工业上已得到广泛应用，但其输出电压 只能高于输入电压，这往往后级的稳压调节器的功率开关造成很大 的电压应力，甚至影响方案的可行性。c u k 变换器可实现任意电压变 化，但其输出电感电流伴随着较大的低频纹波，而且还包含着比平 均电流岛出几倍的高频纹波电流，因此其丌关电应力也较高。 为解决上述问题，现提出了一种b o o s t b u c k 组合p f c 电路。实 际上为一种非耦合的c u kp f c 电路”“。通过在基本的c u kd c d c 变 换器中引入一个二极管d 。来解除其两个电感的相互依赖关系，使它 们可以独赢工作在不同的导电模式，在p f c 电路中，使l 工作存d c m ， 亘壹童道盔兰巫塑宣竺兰垡堑墨二_