（电力电子与电力传动专业论文）单传感器数字控制功率因数校正技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t r a d i t i o n a ld i o d er e c t i f i e rr e s u l t si nal o to fi n p u tc u r r e n th a r m o n i c s ，w h i c h b r i n g sh a r m o n i c sd i s t o r t i o nt ot h em a i n s i no r d e rt ol i m i tt h ei n p u tc u r r e n t h a m o n i c s ，m a n y c o u n t r i e sh a v ee s t a b l i s h e ds o m er u l e st of o r c et h e i m p l e m e n t i o nf o rs o m el i m i t a t i o ns t a n d a r d s a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) t e c h n o l o g yc a na c h i e v eh i g hp o w e rf a c t o ra n dl o wh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) ，a n db e c o m eah o t s p o to fr e s e a r c hi np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d d u et ot h e h i g hp o w e rc o n s u m i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h en e x tg e n e r a t i o np r o c e s s o r s ，t h e r e g u l a t i o nr e q u i r e m e n tf o rp o w e rc o n v e r t e rs y s t e m sb e c o m e sm o r ea n dm o r e d e m a n d i n gi ni n d u s t r y s i n c ei th a st h ea d v a n t a g e so fg o o dp r o g r a m m a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mh a st h ep o t e n t i a lt oa c h i e v eh i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o lo fs w i t c h i n g m o d ep o w e rs u p p l y ( s m p s ) n o w a d a y si ti s p o p u l a rt ou s ed i g i t a lc o n t r o li np o w e rs u p p l yd e s i g n b a s e do na v e r a g ec u r r e n t m o d e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faf u l l yd i g i t a l c o n t r o l l e ds i n g l e p h a s eb o o s tp o w e rf a c t o rc o r r e c t o r t h ec o n t r o l l o o pc i r c u i ti s r e a l i z e du s i n gd i g i t a lc o n t r o la n dt h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t o rc a nt e n dt ou n i t y p o w e rf a c t o r , l o w e rc u r r e n th a r m o n i c s a n dh i g ht r a n s f e re f f i c i e n c y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d yo ft h ed i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h mt oi m p r o v e t h et r a n s i e n tr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fs w i t c h i n gc o n v e r t e r b a s e do nt h e t r a d i t i o n a ld o u b l ep i - l o o pc o n t r o l ，t h eo u t p u tv o l t a g es a m p l e a n d h o l da l g o r i t h m i si n t r o d u c e di n t ot h ev o l t a g ec o n t r o ll o o pw h i c hf i l t e r sv o l t a g er i p p l eo ft h e o u t p u t v o l t a g ef e e d b a c ks i g n a la n di m p r o v e st h el o a dr e s p o n s es p e e do ft h e c o n v e r t e r an o v e li n p u tv o l t a g ef e e d f o r w a r dc o n t r o la l g o r i t h mw i t hc o r r e c t i n g t h er e f e r e n c ei n i t i a lp h a s ea n g l ei sp r o p o s e d ，w h i c hr e d u c e st h ec o m p u t a t i o n p r o c e s s ，i m p r o v e st h ei n p u tv o l t a g er e s p o n s es p e e da n de l i m i n a t e sz e r o c r o s s i n g d i s t o r t e dp h e n o m e n o na n dd c mm o d eo ft h ep f cc o n v e r t e r b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i sr e s u l t s ，d e s i g no ft h eb o o s tc o n v e r t e rm a i n c i r c u i tp a r a m e t e r s ，t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r eh a sa l s ob e e np e r f o r m e d t h es o f t w a r es y s t e mc o n s i s to fm a i np r o g r a ma n di n t e r r u p ts u b p r o g r a m ，w h i c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 c o n t a i n e ds o m em o d u l e st or e a l i z ei n d e p e n d e n tf u n c t i o n s ，s u c ha sl n i t i a l i z a t i o n m o d u l e ，p ia l g o r i t h mm o d u l e ，s o f t s t a r ta l g o r i t h mm o d u l ea n dd u t yc y c l e s a t u r a t i o nm o d u l e ，e t c u n d e rc o n n e c t i o no ft h em a i np r o g r a m ，t h e s em o d u l e s r e a l i z ea ni n t e g r a t e ds y s t e m 。i ti se a s i e rt od os o m em a n a g e m e n ta n du p g r a d e w h e nt h ep r o g r a ma tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n a s s e m b l yl a n g u a g ea n dc l a n g u a g ei su s i n gt op r o g r a m m i n gi no r d e rt oa c h i e v et h eb e s tu s eo ft h ed s p c h i ps o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e s a l ld e s i g nt h o u g h t sa n dt h e o r e t i c a la r e v e r i f i e db ye m u l a t i o na n de x p e r i m e n t k e y w o r d s ：s w i t c h i n g - m o d ep o w e rs u p p l y ；p f c ；d i g i t a lc o n t r o l ；z e r o c r o s s i n g d i s t o r t i o n ； 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酊使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：苏楼 指导老师签名： 日期：黝吼谚眵 日期： 磷。；t l 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 一、本论文在传统双p i 环控制功率因数校正技术的基础上，对其数字 控制方式的实现进行了研究，首次提出了基于输入电压一输入电流相位差的 修正参考电压初相角控制算法，减弱了输入电流过零畸变的现象；针对传统 输入电压有效值前馈控制算法计算量大的缺点，提出了输入电压峰值前馈控 制算法，无需传统输入电压前馈环路中的低通滤波器，提高了开关变换器对 输入电压的响应速度，获得了优异的功率因数校正特性，这是本论文的主要 创新点。 二、对传统功率因数控制器电压环带宽比较低的问题进行了分析，基 于数字控制功率因数校正技术，应用了一种消除输出电压纹波影响的输出电 压过零采样控制算法，并将传统输出电压采样控制算法和输出电压过零采样 控制算法进行了比较分析，通过仿真分析验证了消除输出电压纹波影响的输 出电压过零采样控制算法具有更优异的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 电力电子技术( 变换和控制) 是电力技术、电子技术、器件技术与控 制技术多学科结合的交叉学科【1 , 2 】。目前，电力电子技术已广泛应用于电力、 工业、交通、航空航天、通讯和家用电器等领域，具有巨大的经济意义。 电力电子技术的发展带动了电源技术和电源产业的发展，电源制造业已 成为非常重要的基础产业，并广泛应用于各个部门【3 j 。电源是各种电子设备 必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠 性。开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占据主导地位。电源 设备都是通过整流器接入电力网的，传统的整流器是由二极管或晶闸管组成 的非线性电路。因此，传统的开关电源存在功率因数较低( 一般仅为0 4 5 o 7 5 ) 的致命弱点，产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，其中三次 谐波幅度约为基波幅度的9 5 ，五次谐波的幅度约为基波幅度的7 0 ，七 次谐波的幅度约为基波幅度的4 5 ，九次谐波的幅度约为基波幅度的2 5 。 目前，开关电源已成为电网中最主要的谐波源之一和严重的电力公害【4 j 。 针对高次谐波的危害，1 9 9 2 年以来，国际上开始以立法的形式限制高 次谐波的产生。我国国家技术监督局在1 9 9 3 年颁布了国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波，国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 于19 9 8 年对谐波标准i e c 5 5 5 2 进行了修 正，另外还制定了i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准，其a 类标准对电网谐波的要求见表 1 1 。传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。 抑制开关电源谐波的方法主要有两种：一种是被动法，即采用无源滤 波或有源滤波电路来旁路或消除谐波；另一种是主动法，即设计新一代高性 能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点， 即具有功率因数校正功能。国内外改善开关电源功率因数工作的重点，主要 集中在功率因数校正电路拓扑的研究和功率因数校正控制集成电路的开发 ( 如u c 3 8 4 2 u c 3 8 5 5 系列、k a 7 5 2 4 、t d a 4 8 1 4 等) 。采用功率因数校正 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 技术后，开关电源的功率因数可达到o 9 5 - - 0 9 9 ，接近于1 ，已成为新一代 开关电源的主要标志。 表1 1i e c 6 1 0 0 0 3 2 a 类标准对电网谐波的要求 谐波次数1 1最大允许谐波电流( 4 ) 32 3 51 1 4 70 7 7 奇次 90 4 0 1 1 o 3 3 13o 2 l 1 5 3 90 1 5 1 5 n 21 0 8 40 4 3 偶次 6o 3 0 8 - 4 0o 2 3 x 8 n 1 1 功率因数 1 1 1 功率因数的定义 根据电工学的基本理论，功率因数( p f ) 定义为有功功率( p ) 与视在 功率( s ) 的比值【5 】，用公式表示为： 胛：一p ：u , 6 _ c o s # , ：巡= y c o s 西( 1 - 1 ) s u 1 i ri r h 式中：u 为输入电压基波有效值；五为输入电流基波有效值；，舟为电网电 流有效值，厶= 矸+ e + + 鬈，其中：厶、厶、l 为输入电流各次谐 波有效值，y 为输入电流的波形畸变因数，c o s 锄为基波电压和基波电流的 位移因数。 可见，功率因数由输入电流的波形畸变因数y 以及基波电压和基波电流 的位移因数c o s 破共同决定。c o s 么越小，表示设备的无功功率越大，电力利 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 用率越低，导线和变压器绕组的损耗越大；y 越小，表示设备输入电流的谐 波分量越大，将造成电流波形畸变，使功率因数降低，严重时会造成电子设 备损坏。采用无源电容滤波的二极管整流电路，其输入端的功率因数通常只 能达到0 6 5 左右。由式( 1 1 ) 可知，通过抑制谐波电流分量即可达到减小y 、 提高功率因数的目的。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变。所有谐波电流分量的总有 效值与基波电流有效值的比值称为总谐波畸变( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ， t h d ) ，其表达式为： t h d ：生： ( 1 2 ) 其中，厶为所有谐波电流分量的总有效值。总谐波畸变t h d 用来衡量电网 的污染程度，当办= 0 时，功率因数与总谐波畸变的关系为： 胛：乒：喜( 1 - 3 ) i r4 1 + t h d 2 1 1 2 不良功率因数的成因 由p f = 2 c o s 硒l 知，p f 值由以下两个因素决定：一是输入基波电压与输 入基波电流的相位差破，二是输入电流的波形畸变因数y 。 ( 1 ) 相控整流电路 对于常见相控整流电路，其基波电压和基波电流的最大位移因数如表 1 2 所示： 表1 2 常见相控整流电路基波电压和基波电流的最大位移因数 电路形式单相电路三相电路1 2 相电路 基波电压和基波电流的 o 9 1 10 9 4 9 0 9 8 6 最大位移因数c o s c t 相控整流电路功率因数低的主要原因是受基波电压和基波电流位移因 数c o s 矽t 的影响，即受可控硅控制角口的影响，使电流滞后于电压，c o s 矽t 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 一般通过在负载端并联一个性质相反的电抗元件( 若电网呈感性，通常采用 电容补偿的方法) 的方法来进行补偿，以改善功率因数。 ( 2 ) 开关整流电路 对开关整流电路而言，a c d c 前端通常由桥式整流器和大电容滤波器 组成，如图1 1 所示。在这种电路中，只有当线路输入电压大于滤波电容两 端的电压时，整流元件中才有电流流过，如图1 2 所示。图中t ，为输入电流， 1 ，。，为输入电压。输入电流t ，呈尖脉冲形式，产生一系列奇次谐波，使功率 因数较低( 一般仅为0 6 - - - ，0 7 ) 。所以，对桥式整流电路而言，电流波形的 畸变是产生不良功率因数的主要原因。 - 2土2 _ v 口c c , - -= r ： 一 一 2 -_ lzl + 图1 1a c d c 前端电路图1 2 输入电压电流波形 1 1 3 谐波电流对电网的危害 脉冲状的输入电流中含有大量谐波，需要在a c d c 整流输入端需加滤 波电路，但因此增加了电路的体积和成本。谐波电流对电网的危害主要表现 在以下几个方面【4 j ： a ) 谐波电流引起电路的“二次效应”，即电流流过线路阻抗而造成的谐 波压降反过来使电网电压波形也发生畸变。 b ) 谐波电流引起电路故障，损坏设备，如使线路和配电设备过热；谐 波电流还会引起电网l c 谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，造 成电容器的过流、过热而导致电容器损坏。 c ) 三相四线制电路中，三次谐波电流在中线是同相位，合成的中线电 流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，会使中线因过流而导致过热， 进而引起火灾并损坏电气设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 d ) 谐波电流对自身及同一系统中的其它电子设备产生恶劣的影响，如 引起电子设备误操作、电话网噪音、照明设备故障等。 1 2 功率因数校正技术 根据是否采用有源器件，p f c 技术可以分为无源p f c 技术和有源p f c 技术。 1 2 1 无源p f c 技术 传统的无源p f c 技术使用电感和电容构成l c 滤波网络消除高次谐波， 滤波电感可以串联在整流桥之后或者整流桥之前，如图1 3 所示。滤波器的 设计要保证能够消除高于电网频率的高次谐波电流，特别是奇次谐波。 ( a ) 滤波电感在整流桥前( b ) 滤波电感在整流桥后 图l 一3 无源p f c 的l c 滤波器 无源p f c 技术电路简单、成本低、可靠性高、电磁干扰小；但是体积 大、重量重、难以得到高功率因数。由于无源p f c 技术采用电感和电容进 行输入滤波，工作性能与输入电压频率、负载变化及输入电压变化有关，因 此它比较适合于功率小于3 0 0 4 i , 对体积和重量要求不高、对价格敏感的应 用场合。 1 2 2 有源p f c 技术 上世纪8 0 年代中期，有源p f c 技术的研究集中在b o o s t 变换器工作在 电感电流连续模式( c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，c c m ) 的乘法器型【6 】，其优点 是功率因数高，流过开关管的电流有效值小( 与电流断续模式相比) ，因此 广泛应用在中大功率场合。其缺点是需要检测电感电流、输出电压和输入电 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 压的瞬时值，采用电压电流双环控制，控制电路中需要乘法器，控制复杂， 成本高。 上世纪8 0 年代后期，人们提出利用电流断续模式( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n t m o d e ，d c m ) 进行功率因数校正的概念【7 1 。与c c mp f c 技术相比，d c mp f c 的控制电路简单，仅需检测输出电压；此外，电感工作在电流断续模式，避 免了b o o s t 变换器中升压二极管的反向恢复问题。其缺点是输入电流波形是 断续的，需要输入滤波电路消除高频纹波。它适用于小功率、对成本敏感的 场合。 上世纪9 0 年代早期，有人提出利用临界断续导电模式( d c mb o u n d a r y m o d e ) 进行功率因数校正 8 】。该模式控制的复杂度介于c c m 和d c m 之间。 其优点是输入电流的高频脉动量相对较小，避免了b o o s t 变换器中升压二极 管的反向恢复问题，功率因数高，适用于中小功率场合；缺点是开关频率随 输入电压和负载的变化而变化，电感的设计较复杂。 从不同的角度看，对于有源p f c 电路还有很多种分类方法： a ) 从电网供电方式可分为单相p f c 电路和三相p f c 电路； b ) 从控制模式来划分，有源p f c 电路可分为脉冲脉宽调制( p w m ) 【9 】、脉冲频率调制( p f m ) 1 0 , 1 1 、电压单环控, t i t 7 1 、电压电流双环控制6 1 、 滑模控制( s l i d i n gm o d e ) d 2 】以及单周期控制( o n ec y c l e ) 0 3 等； c ) 从开关变换工作模式来划分，有源p f c 可分为硬开关模式和软开关 模式【1 4 】；软开关模式主要包括两类：零电流开关( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ， z c s ) p f c 技术【m 18 】和零电压开关( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，z v s ) p f c 技术 1 9 - 2 1 o 不同类型的开关变换器用作p f c 时具有各自的特点，下面以b u c k 、 b u c k b o o s t 和b o o s t 变换器为例，分别分析它们工作在c c mp f c 和d c m p f c 时的特点。 ( 1 ) 基于b u c k 变换器的p f c 变换器 b u c k 变换器只有当输入电压高于输出电压时才能正常工作 2 2 - 2 4 。而变 换器输入电压是交流电，整流后的输入电压是从零到峰值周期变化的。因此 当整流后的输入电压瞬时值低于输出电压时，开关管关断，输入电流为零。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图1 4 断续模式下b u c kp f c 变换器 对于工作在d c m 下的b u c k 变换器，只需要检测输出电压，如图1 4 所示。当输入电压高于输出电压时，在一个开关周期内，输入电流的峰值 f ：f ，l ( 础) 等于流过电感的0 9 流峰n i l ( 础) ；稳态工作时占空比恒定，输入电流可 以自动跟踪输入电压的变化，因此d c mb u c kp f c 也称作电压跟随型p f c 电路。其输入功率因数为【2 2 】： 】一“2n 一巫 p f = ( 1 4 ) 式中，d 为开关占空比。可见，对于d c mb u c kp f c 电路，其输入功率因数 只与开关的占空比d 有关。 【 t “q i 圭 _【2 。k 【d c o = 广 j【2l i b 婚江 岬 图1 5 连续模式下b u c kp f c 变换器 对于c c mb u c k 变换器，。如果只检测输出电压，输入电流将不能自动 跟随输入电压变化，这时输入功率因数会很低。因此还需要检测输入电压瞬 时值和输入电流，如图1 5 所示。输入电压减去输出电压后，乘以电压环的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 输出，作为电流环的基准信号。当输入电压低于输出电压时，减法器输出为 零，电流环基准信号为零，开关管始终截止。当输入电压刚好高于输出电压 时，开关管开始高频开关工作。但此时输入输出电压比较接近，电感电流还 是断续。此后随着输入电压的升高，输入电流才能够跟踪基准信号变化【2 3 1 。 b u c kp f c 变换器的优点是输出电压较低，在低输出电压( 3 3 v 、1 8 v 等) 两级式变换的场合，可以减小后级变换器的电压传输比。但其缺点是无 论其工作在d c m 或者c c m ，在输入电压过零附近，输入电流为零，不能 取得高功率因数。并且在每个开关周期内，输入电流都是断续的，输入端需 要较大的l c 滤波器消除高频纹波。d c m 和c c m 工作模式下b u c kp f c 变 换器的输入电压、输入电流厶波形如图1 6 中虚线所示，图中i l 和圪 分别为电感电流和输出电压波形。 ( a ) d c m 模式( b ) c c m 模式 图1 - 6b u c kp f c 变换器的输入电压电流波形 ( 2 ) b u c k b o o s t 变换器 b u c k b o o s t 变换器可以进行升压或者降压变换。也就是说，输出电压 可以高于或者低于输入电压的峰值，这种输出电压的自由度有利于后级变换 器的优化设计【2 5 2 8 1 。 d c mb u c k b o o s t 变换器的控制方式与d c mb u c k 变换器相同，只需要 检测输出电压，如图1 7 所示。在一个开关周期内，输入电流平均值如式( 1 5 ) 所示。稳态工作时占空比恒定，输入电流是纯正弦波，且与输入电压同相位， 因此输入功率因数理论上是1 。 “归警s i n ( w f ) l ( 1 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 7 断续模式下b u c k b o o s tp f c 变换器 c c mb u c k b o o s t 变换器的控制方式与c c mb u c k 变换器基本相同。由 于该变换器在整个输入电压范围内都可以正常工作，因此不再需要采样输入 输出电压的幅值，作减法运算，如图1 8 所示。采样的输入电压瞬时值经过 乘法器，作为电流环的基准信号，调节开关管的占空比，保证了输入电流的 平均值随输入电压变化。 图1 。8 连续模式下b u c k b o o s tp f c 变换器 b u c k - b o o s tp f c 变换器的优点是输入功率因数高，并且与输入输出电 压的变比无关，输出电压的设计灵活，便于后级变换器的优化设计。缺点是 开关管串联在输入端，无论电感电流工作在c c m 还是d c m ，在一个开关 周期内，输入电流总是断续的，含有较高的高频分量；同时输出电压相对于 整流后的电压反向，开关管电压应力高。d c m 和c c m 工作模式下 b u c k b o o s tp f c 变换器的输入电压、输入电流五九波形如图1 - 9 中虚线所 示，图中i l 和圪分别为电感电流和输出电压波形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 旆赢图一 一i t , v n 图一 ( a ) d c m 模式( b ) c c m 模式 图1 - 9b u c k b o o s tp f c 变换器的输入电压电流波形 ( 3 ) b o o s t 变换器 图1 1 0 断续模式下b o o s tp f c 变换器 b o o s t 变换器只有在输入电压低于输出电压时才能正常工作【2 9 3 5 1 。 d c mb o o s t 变换器的控制方式与d c mb u c k 变换器相同，只需要检测 输出电压，如图1 1 0 所示。其输入功率因数为 3 0 】： p f = 南l 一生陋耐矿叫v o 、7 l 2 三r l s i n ( c o t ) i d ( o g t ) 1 一铷删l ( 1 - 6 ) 上式说明输入功率因数与输出电压输入电压的比值有关。利用m a t l a b 可以得到如图1 1 l 所示输入功率因数的变化曲线，输出电压输入电压的比 值越大，功率因数越高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 、 i 图1 1 l 断续模式下b o o s tp f c 变换器的输入功率因数 - ， 三 i 葛 【2【+ i _ _= c ，一q = c o 。 i 口c v 弧 - _ 一 e2l 一 l忆 忑 。 图1 1 2 连续模式下b o o s tp f c 变换器 c c mb o o s t 变换器的控制方式与c c mb u c k b o o s t 变换器相同，如图 1 1 2 所示。采样的输入电压瞬时值经过乘法器，作为电流环的基准信号，调 节开关管的占空比，保证输入电流的平均值随输入电压变化。d c m 和c c m 工作模式下b o o s tp f c 变换器的输入电压、输入电流厶波形如图1 1 3 中 虚线所示，图中i t 和圪分别为电感电流和输出电压波形。 ( a ) d c m 模式( b ) c c m 模式 图1 1 3b o o s tp f c 变换器的输入电压电流波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 b o o s tp f c 变换器具有以下优点： 曲滤波电感串联在输入端，输入电流的高频纹波小； b ) 输出电压高，输出滤波电容储能大； c ) 在整个输入电压范围内均保持较高的输入功率因数： d ) 电路结构简单、成本低，工作可靠。 通过对三种基本变换器拓扑p f c 性能的分析和对比可得：b u c k 变换器 适用于输出电压较低，输入功率因数要求不高的场合；b u c k b o o s t 变换器的 理论输入功率因数很高，但输入电流断续，因此适用于低输入输出电压、低 功率场合：b o o s t 变换器适用于输入电压范围宽，输入功率因数要求高的场 厶 口o 1 2 3p f c 技术的发展方向 近年来，p f c 技术的研究热点主要集中在以下几个方面： a ) 新控制方法的提出 1 2 , 1 3 】。针对p f c 变换器提出的一些新的控制方法， 如单周期控制、滑模控制、非线性载波控制等，可以简化控制过程，提高控 制性能。 b ) 新拓扑结构的提出。基于已有的原理、或新原理下的新拓扑结构的 提出，比如磁放大p f c 技术 3 0 】，交错并联p f c 技术【3 1 q 5 】等。 c ) 新型功率器件的应用 3 缸3 引。c o o l m o s 的导通电阻较低，可以减小 p f c 变换器的导通损耗；s i c 二极管的反向恢复电流很小，可以减小c c m b o o s t 变换器二极管反向恢复电流导致的开关损耗。 d ) 单级p f c 稳压开关变换器稳定性的研究。采用单级结构后，由于p f c 和d c d c 变换器部分存在不可避免的相互联系，因此有必要研究这类变换 器的稳定性，以便设计出达到期望性能指标的开关电源。 e ) 软开关技术的应用 1 抛1 1 。为了减小变换器体积，提高开关频率，降 低开关损耗，将d c d c 变换器中的软开关技术应用到p f c 变换器中。 总之，成本低、结构简单、容易实现、高输入功率因数、高效率、低 e m i 的p f c 变换器是研究人员追求的最终目标。因此，研究基于b o o s t 的 p f c 变换器符合p f c 技术的发展方向，具有很好的研究意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 3 数字控制系统概述 1 3 1 数字控制的意义 传统的功率因数校正技术采用模拟电路控制，人们从控制策略、建模 分析、电路拓扑等多角度对有源功率因数校正技术进行了深入的研究，取得 了长足的发展。模拟p f c 电路实现了对信号的处理，具有很高的带宽，从 而大大提高了功率因数，减小了输入电流谐波，达到了很好的控制效果。然 而，模拟控制电路所固有的不足是： a ) 对开发人员来说，模拟控制完全是一种固定模式的黑盒应用，抑制 了开发人员发挥创造力的激情；同时模拟控制对电源进行同步跟踪、电压排 序、故障诊断及适应环境变化的能力比较差。 b ) 模拟控制需要通过无源器件产生的模拟信号进行设置和控制，即使 是具有最先进拓扑结构的高性能转换器，也需要使用外部电阻、电容来进行 诸如启动时间、输出电压及开关频率等参数的设定。这些电阻、电容都是设 计调试时确定的，制造完成后不可轻易更改，因此不可能实现自适应的电源 管理；而且为实现更多功能，需要设计更多的直接反馈电路，控制环路会变 得非常复杂。 c ) 模拟控制使用元器件多，需要很大空间，且这些元器件本身的值还 会随使用时间、温度和其他环境条件的变化而变动，从而对系统稳定性和响 应能力造成负面影响。 d ) 模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，它总是面向 一个范围狭窄的特定负载，因此无法为所有输入电压值或负载点提供最优的 控制响应。若需要一个可以在很多产品中重复使用而不必更换部件的设计平 台，则模拟方案难以胜任。除此之外，模拟系统的测试和维修都非常困难。 随着i c 技术和现代电力电子技术的迅速发展，高速数字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片的出现，使得数字化控制在更广阔的电气控 制领域中的应用成为可能，以d s p 为核心的数字控制技术已广泛应用于电 力电子技术领域中，成为主要发展趋势之一。一般认为，在设计d c d c 变 换器时，1 0 0 w 以上的系统中会应用数字控制技术；而在设计a c d c 变换 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 器时，2 5 0 w 以上的系统会应用数字技术，从而达到较高的经济效益。因此， 在未来的电源系统中，模拟与数字技术将共存一段时间。 众所周知，数字控制电路具有如下优点： a ) 数字控制实现了数字和模拟技术的融合，提供了很强的适应性与灵 活性，具有易于进行监控、处理并适应系统条件的能力，能够满足几乎所有 电源的控制要求。 b ) 数字控制可通过远程诊断以确保系统的可靠性，实现故障管理、过 电压( 流) 保护等功能。 c ) 数字控制管理芯片易于在同步信号下进行多相并联应用，可扩展性 与重复性优秀，能减少e m i ，并简化滤波电路设计。 d ) 数字控制的集成度很高，系统的复杂性不随功能的增加而增加，外 围器件很少( 数字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求) ， 减少了占板面积，简化了设计制造流程，同时数字电源的自动诊断、调节能 力使调试和维护工作变得轻松。 e ) 数字控制的智能化可保证在各种输入电压和负载点上都具有最优的 功率转换效率。 f ) 数字控制的运算特性使它更易于实现非线性控制( 可改善电源的瞬 态响应能力) 和多环路控制等高级控制算法；更新软件即可实现新的控制算 法，无须更改电源板卡上的元器件参数。 曲数字控制的独特优势还包括在线可编程能力、更先进的控制算法、 更好的效率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管理和互联功能。 近年来，d s p 器件的性价比有望进一步提高，这使得高质量数字控制 p f c 的实现成为可能，数字控制取代模拟控制势必成为今后发展的趋势。 1 3 2 数字控制p f c 技术的发展 d s p 控制有源功率因数校正技术( a p f c ) 在国内外引起了广泛的关注， 开展了大量的研究工作，提出了一些经典的控制方法与算法。从目前国内外 研究的现状来看，在这个领域的研究主要集中在以下几个方面：拓扑结构、 控制算法和采样算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 a 1 拓扑结构的研究现状：许多参考文献【3 州4 j 对数字控制p f c 的研究都 是以b o o s t 变换器拓扑结构为基础。但是b o o s t 变换器并不是实现p f c 的唯 一途径，尤其近年来，针对单级p f c 的研究使基于b o o s t 变换器拓扑的改 进结构也越来越多，在理论和实验上都取得了一定的成果。由于分布式电源 技术的日益发展，复杂的负载可以被分离为几组，分别由单独的电源供电。 这样，使用简单的功率变换单元，通过不同的级联方式，就可以满足不同的 变换需要。因此，在今后的研究中，对数字控制p f c 电路的研究，势必将 继续优先选择简单的单相b o o s t 变换器为主拓扑结构。 b ) 控制算法的研究现状：通常的数字控制策略采用传统的电压环和电 流环双闭环的控制结构，控制算法采用经典的p i 控制策略，主要是因为此 算法结构简单、容易实现，加上软件设计的灵活性，p i 算法还可以不断得 到修正和改进。随着现代电力电子技术的不断发展，更多更新更高级的算法 不断涌现。文献 4 5 , 4 6 中将模糊控制算法引入数字控制p f c 系统，将模糊逻 辑控制技术结合到开关占空比调节控制的环节，从而调整输入电流的波形使 之与整流后的输入电压波形保持一致，取得了较好的控制效果。文献【4 7 硼】 在电流控制环中采用系统的t h d 作为目标函数，使用最速下降的优化法则 作为控制方法，不断减小系统的t h d 从而提高系统功率因数，可以克服由 于d s p 固有的处理速度导致的对开关频率的限制。文献【5 0 j 提出的无差拍改 进控制策略，开关占空比经过几个开关周期才更新一次，进一步减小了处理 器的计算工作量。该控制系统中没有电流检测的环节，在每半个工频周期中， 要实现功率因数为1 所需要的占空比，可以通过无差拍法则提前得到，极大 的减小了每个开关周期d s p 的运算量。此外，预测控制算法，优化控制算 法，滑模控制算法，自适应控制算法的应用，也得到了一定的探讨。各种控 制算法都有它们的优缺点，多种控制算法结合使用，相互取长补短，将是 p f c 数字控制算法研究的中心方向。 c ) 采样算法的研究现状：对采样算法而言，主要集中在对采样点选取 的研究。由于数字控制的根本在于d s p 芯片的性能，其内部a d 转换模块 的转换速度使得要满足实时检测与反馈有一定的难度。数字控制p f c 电路 需要对三个模拟量进行采样检测，即电感电流f ，整流输入电压v 洒和输出电 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 压1 ，其中电流采样点的选取最为重要，采样点选取的不合适，会加重电流 波形的畸变，甚至导致系统不稳定。大多数文献采用的是每个周期采样一次 的采样方法，即s s o p ( s i n g l es a m p l i n gi no n ep e r i o d ) 。文献【”】采用的是一 种固定延迟采样的算法，以每个开关周期的起始时刻为起点，延迟一定的时 间后，a d 转换器开始采样。这种方法虽然能够避免采样点选取在振荡区， 但会导致在实际采样值和理想控制值之间产生较大的误差，最终使得控制效 果不太理想。文献【5 2 】使用改进的s s o p 算法，考虑开关开通、关断过程的噪 声振荡时间和a i d 采样保持时间，调节采样点的选取，使之每次采样时刻 并不固定在某一点，避免了开关噪声的影响，提高了基于平均电流模式控制 的开关电源抗干扰性能，但该算法计算量较大，实现起来比较复杂。而文献 5 3 , 5 4 】在传统的上升沿或下降沿采样算法的基础上，提出了更替边沿采样的思 想，采样点的选择取决于电感电流上升时间和下降时间，亦即开关导通时间 和关断时间长度比较的结果，此方法在数字控制中易于实现，用一个定时器 就可以达到预想。 近年来，人们在数字控制p f c 领域又有了进一步的深入的研究，文献睁驯 突破了传统的基于乘法器的双闭环控制结构，采用新颖的控制结构和采样算 法，用二极管电流代替电感电流来推导开关占空比的表达式，取得了相当好 的效果。在设计电压p i 控制环的时候，为了抑制输出电压信号中的二次谐 波引入到电流p i 控制环中，电压环的截止频率需设计的很低，仅为1 0 2 0 h z ， 造成变换器系统对输出电压的动态响应较慢。文献【5 6 j 在输出电压引入电压 控制环之前，使用了一个数字陷波滤波器，解决了上面提及的问题，提高系 统的动态响应速度，得到较好的控制效果。 1 4 选题依据与本文主要研究内容 1 4 1 选题依据 国内外学者对于功率因数校正技术已经做了大量的研究，提出了各种电 路拓扑以及控制方案，以提高功率因数。采用平均电流控制方案的b o o s tp f c 变换器具有输入功率因数高、结构简单的优点，目前广泛应用在中大功率的 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 开关电源中。 传统的数字控制b o o s tp f c 需要三路模数转化通道采样控制信号，通过 两个p i 环来产生p w m 控制信号，控制b o o s t 电路实现p