（电力电子与电力传动专业论文）铁路25hz信号电源屏的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a i l w a y2 5 h zs i g n a lp o w e rs u p p l yp a n e li s t h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti n e l e c t r i c a lr a i l w a ys y s t e m ，i t p r o v i d e s t w od i f f e r e n t m a g n i t u d e 2 5 h z a c o u t p u t s ：1 1 0 v a n d2 2 0v t h i s p a p e rd e t a i l s t h e d e s i g n o fr a i l w a y2 5 h z s i g n a lp o w e rs u p p l yp a n e l h a r d w a r ec i r c u i tf r o mf o u rp a r t s f i r s tp a r td e s c r i b e sp f cc i r c u i t ，p f cc a ni n c r e a s e t h ep o w e rf a c t o ro f f r o n te n da n dr e d u c et h eh a r m o n i c p o l l u t i o nb r o u g h tb y t h ep o w e r s u p p l y , a n d i ta l s op r o v i d es t a b l ed cv o l t a g e ；t h es e c o n dp a r tc o n t a i n sd c d c c o n v e r t e r , e l e c t r i c a li s o l a t i o nb e t w e e ni n p u ta n do u t p u t , t w oo u t p u t sa r er e a l i z e d t h e t h i r dp a r ti n t r o d u c e si n v e r t e rc i r c u i t ，i tp r o v i d e st w on e e d e ds i n eo u t p u tv o l t a g e a n d t h el a s tp a r ti sa b o u tp a r a l l e lo p e r a t i o nc u r r e n ts h a r i n gt e c h n i q u e ，p a r a l l e lo p e r a t i o n g r e a t l yi m p r o v e ss y s t e ms t a b i l i t y t w o g e n e r a t i o ns c h e m e so fs p w m f o rt h eu n i p o l a ri n v e r t e ra n dt h e i rr e s p e c t i v e c o n t r o lt e c h n i q u ea r ei n t r o d u c e d ，t h e nd e t a i l e da n a l y s i si sf o l l o w e d s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w st h a td u a l s i d es p w mg e n e r a t i o ns c h e m ei sm o r e p r e f e r a b l e m o r e o v e r t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r da na u t o m a t i cm a s t e r - s l a v es e l e c t i o np a r a l l e l o p e r a t i o nt e c h n i q u e h o tp l u g a n d - p l a yi n v e r t e rp a r a l l e lo p e r a t i o ni sr e a l i z e d k e y w o r d s ：p f c ，s o f ts w i t c h i n g , i n v e r t e bs p w m ，p a r a l l e lo p e r a t i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景和意义 电气化铁路中应用大量不同规格的电源，信号电源是其中重要的一部分。截 至2 0 0 0 年底。中国铁路总营业里程已达到6 8 ，0 0 0 k m 以上，电气化率达到2 0 左 右。目前在一万多公里的电气化铁路上，有近9 0 的车站( 大约6 0 0 0 余车站) 采用 2 5 h z 相敏轨道电路，因此该制式已成为电气化区段铁路站内轨道电路的首选。 2 5 h z 变频器是2 5 h z 相敏轨道电路的电源设备，是2 5 h z 相敏轨道电路的重要器 材之一。 以往基本采用铁磁分频器，从工频电源经分频后直接获得2 5 h z 的信号电源， 具有频率和工作稳定，维修周期长，能长期连续工作和就地变频的特点。但铁磁 式2 5 h z 变频电源的缺点“1 1 也不少，主要有： 1 ) 供电质量受外界因素影响大； 2 ) 组成信号电源系统时，在输入电源转换或主备机切换时，影响供电连续 性： 3 ) 体积大，重量重，频率低，能耗高，并且监控不便，不能满足新一代铁 路信号电源系统的要求。 随着铁路“安全、重载、信息化”发展的要求，电子式的2 5 h z 变频电源被 重视，它具有系列优点： 1 ) 控制精度高； 2 ) 波形品质好，负载适应性强； 3 ) 体积小、重量轻、噪音低、效率高 4 ) 数字式面板和计算机通讯接口。 电子式变频电源能够克服目前铁磁变频器的缺陷，更便于实现对电源的智能 化升级，满足新一代铁路信号电源系统的要求，为我国电气化铁路发展实现铁路 信号电源的智能化，信息化，网络化奠定坚实的基础。 由于用于铁路信号系统的交流电子电源的技术难度高，虽然经过多年开发， 目前2 5 h z 电子变频电源应用远未普及( 尤其是大功率的信号电源) ，是市场紧缺 的品种，市场前景十分看好。 浙江大学硕学位论文 铁路电气化是我国铁路现代的目标，不仅今后在新建设的里程中将大量采用 电气化铁路，而且大量繁忙路段今后将分批实行电气化改造。在这规模浩大的基 建投资中，而其中的电子电源设备又占据不少比例。在铁路电气化设备中，电子 电源是属于基础设施，应用面广、数量多。交流电源生产技术难度大、经济价值 高，获得高技术含量的交流电子电源生产技术，将占据铁路电源行业的制高点， 有利于形成产业优势。 浙江省电源行业在国内有一定地位，在通讯电源、电力操作电源、普通逆变 电源、变频电源等方面都有一定市场规模。在高端电源方面，具有自主知识产权 的产品和品牌则较为少见。随着电源行业的激烈竞争、兼并，浙江品牌的电源在 一些大的市场( 如通讯电源) 中与国内外大公司的竞争中处于不利地位，且利润 率越来越低，迫切需要寻找新的产品和市场。另一方面，由于电子电源产业需要 资金、技术与劳动密集有机结合的特点，国际间的产业分工趋势是该行业大量向 中国聚集。这既是机遇也是挑战。铁路电气化设备是一个新的领域，行业竞争不 如通讯电源业成熟，技术门坎又比较高，市场尚在培育阶段，我省企业进军获得 成功的把握比较大。具有高质量的2 5 h z 电子变频电源是市场急需的品种，具有 较高社会效益和经济价值的产品，也是进军铁路电气化设备制造业的一个很好的 开端。 1 2 现代开关功率变换器技术现状和发展趋势 1 、p w m 软开关技术 p w m 软开关技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电 力电子技术高频化的最佳途径，也是一项理论性很强的研究工作。它的研究对于 功率变换器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有 十分重要的意义，是当前功率变换器的发展方向之一。但这里必须指出，软开关 并不是没有损耗的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实现软 开关而附加的谐振电路中的谐振元件上，总量上可能有所减少。 软开关技术研究的重要目的之一是，实现p w m 软开关技术，也就是将软 浙江大学硕士学位论文 开关技术引进到p w m 控制的变换器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软 开关丁作。为此，必须把l c 与开关器件组成一个谐振网络，使p w m 逆变器只 有在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电压开通和关断，一般工作情况 下则不发生谐振，以保持p w m 功率变换器8 1 工作特点。 2 、多电平技术 d a n a b a e 等针对大功率开关变换器开关器件速度低的缺点，于1 9 8 1 年提 出了多电平技术”1 ，成为当前高压大功率开关变换器的一个发展方向。与p w m 高频软开关技术的思路相反，多电平技术的出发点是通过对主电路拓扑结构的改 进，使所有开关都工作在基频或低频，以达到减小开关应力和改善输出电压或电 流波形的目的。 3 、并联技术 电源系统的发展方向之一是用分布式电源供电系统代替集中式电源供电系 统”1 1 。和集中式电源系统相比，分布式电源具有以下优点：提高系统的灵活性， 可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了模块的功率密度，使电源系统的 体积、重量下降。1 ；各个模块的功率半导体的电流应力减小，提高了系统的可靠 性；分布系统可方便的实现冗余；减少产品种类，便于标准化“。 4 、低谐波、高精度输出技术 开关电源技术近年来发展迅速，对低谐波、高精密电源需求也越来越多“。 高精度、低谐波电源对保护用电设备、减小对电网的污染等方面都具有很大的作 用。 5 、数字化控制 电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势“，传统的电源技术面临 淘汰局面，美国电源产品制造商协会主席( 中国电源学会学术年会特邀代表) 去 年在沪宣布，今后5 年有4 0 的电源( 容量) 将是数字化控制的电源。虽然数字 控制极大地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠性和控制精度。，但数 控变换器在实际使用中还存在许多亟待解决的问题，例如：变换器开关动作对采 样的严重干扰；检测的量化误差导致控制精度显著下降；高速运行下数字化脉宽 调制时间分辨率的下降；开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等。在 很多实际应用的场合，往往采用模拟控制和数字界面。 程控电源的应用场合极其广泛，在现代通讯、仪器仪表、计算机、医疗仪器、 浙江大学硕士学位论文 工业自动化、电力工程等领域得到普遍使用。许多高新技术需要高质量、高效率、 高可靠性、高精度的电源，不仅对电源的电压、电流、频率、相位和波形提出了 高要求，还要求能够对这些参数进行实时监测和精确的控制，尤其在医疗、仪表、 自动测试、校验用交流测试行业更是广泛要求有高精度的三相电源。各种交流电 流表、分流器等标准仪器出厂前需要校验，通常要求准确而又稳定的交流电源来 提供测试。程控交流电源主要有主功率回路、检测电路、波形发生电路、通讯接 口、人机界面、结果输出打印等。通过与计算机组合，形成即可手动也可自动测 试，使用方便灵活。 1 3 开发技术方案 根据铁路系统对2 5 h z 的信号电源的要求( 为1 2 k v a 轨道电源+ 8 0 0 v a 局部 电源的模块，双路模块并联共4 k v a ，1 5 倍负载冲击) ，对电源开发提出的技术 要求包括四个方面： 1 ) 采用先进的高频开关电源技术； 2 ) 可靠的模块式并机工作方式： 3 ) 数字式系统控制技术； 4 ) 可靠的热插拔技术与故障模块退出机制。 i 、先进的高频开关电源技术 采用三级功率变换方式，包括输入功率因数校正、d c d c 高频隔离、d c a c 交流逆变。其中，两路相位正交的电源共享一级输入功率因数校正电路。 高频开关电源可以大幅度减轻重量、降低体积、提高静态精度与动态响应速 度，符合电源技术发展的趋势。但常规电子式电源往往其输入电流谐波丰富，冲 击电流峰值高，功率因数低，会引起电网电压的畸变。有源功率因数校正电路是 目前电子产品解决这一问题的对策，它虽有成本较高的缺点，但其功率因数校正 的效果非常显著，功率因数非常接近于l ，并具有输入电压范围宽的优点。目前 在一些电子产品中，有源功率因数校正电路正开始应用，但几个k w 的电源产品 上的应用还不多见。考虑到本电源在铁路系统应用的特点，决定采用有源功率因 数校正方案。本电路是在常规b o o s t 型功率因数校正电路的基础上，采用高性能 浙江大学硕士学位论文 非晶磁性材料的尖峰抑制器，有效抑n - 极管反向恢复电流，降低了开关应力与 e m i 噪音。 根据铁路信号电源要求，输入与输出电路之间必须具有电气隔离。采用高频 隔离电源，能够真正体现整体装置体积小、重量轻的优点。虽然因其电路比较复 杂，现阶段成本比较高，但随着金属市场上铜与硅钢片的价格持续上扬，高频隔 离电路的成本将逐步接近传统工频变压器，甚至更低。为改善d c d c 高频隔离级 的性能，该级采用了零电压软开关工作方式，具有较高的效率。 信号电源的最后一级采用了高频直接逆变工作方式，采用了桥式单极性逆变 的主电路。与双极性逆变相比，单极性逆变具有效率高。开关纹波低的优点。同 时，在控制电路方面则采取了独特的单极性双边s p w m 控制模式，能使电路在容 性与感性负载的适应性方面达到与双极性同样的水平。 提高开关频率有利于降低体积、重量，但考虑到信号电源整机功率比较大， 许多主开关必须采用i g b t ，滤波电感需要使用铁硅铝材料，开关工作频率又不 宜提得太高，确定功率因数校正电路开关频率3 1 2 5 k h z ，d c d c 开关频率6 2 5 k h z ，逆变电路开关频率3 1 2 5 k h z 为宜。 考虑到铁路应用场合，电源模块必须具有比较完善短路、限流。欠压、过热、 输入电压瞬变尖峰抑制等一系列保护功能，还应能满足额定与冲击负载要求。 在容量方面要充分考虑合理的短时间1 5 倍过载能力，在过载持续时间比较长 的情况下，则采用计算机芯片实现反时限控制。 另外在冷却设计方面，充分考虑到现场的要求，采取散热器自然冷却方式。 2 、可靠的模块式并机工作方式 采取模块并机供电，具有提高可靠性与减少生产的产品规格、实现扩大电源 容量的较好方式。但与直流电源相比，交流电源的并联技术上要求更高。由于技 术难度高，目前这项技术尚未推广。考虑到铁路电源的应用场合，与今后铁路大 站电气化发展要求，交流电源的并联运行势在必行。 与直流电源并联运行一样，交流电源并联控制的方式主要有：下垂特性并联 法、主从并联法、平均并联法等大类。对于一个机箱或并联模块距离很近的装置， 主从并联法具有控制简单、性能稳定、均流精度高的好处，可以为本电源所采用。 主从法的主要缺点是：若其中一台出现故障，就会使整个装置瘫痪。本电源采用 了智能同步并机技术，独特的竞争型主从并联控制方案能够在主机失效时，控制 浙江大学硕士学位论文 权自动掌挂在竞争产生的正常模块中，从而避免了常规主从法的缺陷。 3 、数字式系统控制技术 本电源系统采用单片机数字控制，特别是每个模块均有自己的单片机控制系 统，数字控制具有系统参数偏离小、长期老化性能稳定、装置设计参数调整方便、 硬件系统简化、易于实现复杂的智能控制等系列优点。 本电源上的一些保护设计就采用了软件方案，至于要求微秒级快速上应的保 护，还是配套应用了硬件电路。功率半导体开关部分也采用了模拟控制。 本电源高精度的输出正弦波形、相位、幅度、频率等参数的控制是由单片机 控制来保证的。 单片机系统还要给出单极性双边控制信号、软起动信号，并完成竞争型主从 并联控制、模块失效与正常判断、数字化面板等任务，还应是有2 3 2 4 8 5 通讯接 口。 4 、可靠的热插拔技术与故障模块退出机制 本电源最重要的指标之一是可靠的热插拔技术与故障模块退出机制。这与直 流电源的要求相仿，却并非易事。原因在于交流电源输出电流具有双向性，并联 之前各模块必须充分接近，并且一旦出现故障不能依赖二极管等组件对摸块进行 自然封锁。 因此，本电源在设计中考虑了采用计算机芯片的在线状态自动诊断和智能化 并机方案。当并联机插入时，计算机芯片侦测到插入模块正在插入，被插入模块 从处于封锁状态过渡到前级电路的软起动，完成并机准备工作。然后被插入模块 进行同步操作的控制，当达到同步时( 相位、幅度一致) ，被插入模块才能正式 与系统主回路并联。当系统中有一模块需要退出时，被拔出的模块中的计算机能 自动侦测到这一过程，封锁主回路安全地退出运行。与此同时，若该模块为主模 块。则会在完全退出前，将并联系统的控制权交给其余之一模块( 由竞争自动产 生) 。 当运行中个别模块发生故障，计算机芯片将会控制其退出运行。在紧急短路 故障情况下则通过主回路切换( 如继电器) 强行将故障模块分离，并在过程中使 其余模块处于短路限流状态，确保整个系统的安全。 浙江大学硕士学位论文 第二章输入功率因数校正电路 2 1 功率因数校正技术简介 1 、输入电流谐波分量及其危害 从2 2 0 v 交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为广 泛的一种基本变流方案。例如在离线式开：关电源( 即a c d c 开关电源) 的输入端， a c 电源经全波整流后，一般接一个大电容器，如图2 - l ( a ) ，以得到波形较为平 直的直流电压。整流二极管的非线性和滤波电容储能作用，使得输入电流成为一 个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，如图2 - 1 ( b ) 所示。 i 二 _ 土。 ljl 一 ，、 ： - jl v 瓜 vv 图2 - 1 ( a ) 不控整流电路图2 - 1 ( b ) 输入电压电流波形 把输人电流用傅里叶级数分解可得如下表达式： j 。= i ，s i n c o t + j 3 s i n 3 c o t 十i ，s i n 5 c o t + 式中厶为基波分量；厶，j 分别为三次和五次谐波分量、由于输入电流是一个奇谐 函数所以，表达式中只有奇次谐波。 理想的公共电网所提供的电压应该是恒频恒压的正弦波，谐波电流的出现对 电网是一种污染，它使用电设备的工作环境恶化，也对通信系统和电网以外的系 统造成影响。谐波对电网和其他系统的危害大致有以下几个方面： ( 1 ) 谐波会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，大量的三次谐波电流会使电网中线过热甚至起火。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工：作。谐波对电机和变压器的影响除了 引起附加损耗之外，还会产生机械震动、噪声和过电压，使电机或变压器局部过 热。同时，谐波还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波被放大， 形成恶性循环，大大增加上述危害。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置受到干扰而误动作，并会影响电气测 量仪表的准确性。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量； 重者导致信息丢失。 2 、功率因数校正技术 实现功率因数校正( p f c ) 电路有如下四种技术： ( 1 ) 无源滤波技术 无源滤波技术是在图2 - l ( a ) 所示电路的整流器和电容之间串联一个滤波电 感，以增加整流二极管的导通时间降低输人电流的幅值。另一种技术是在交流 侧接人一个谐振滤波器，主要是滤除三次谐波。其主要优点是：简单、成本低、 可靠性高、e m i 小。主要缺点是：尺寸、重量大，难以得到高功率因数f 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 容问有大的充放电电流等。 ( 2 ) 逐流技术 逐流技术是以荧光灯电子镇流器为工程背景提出的一种无源p f c 技术，其基 本思想是采用两个串联电容作为滤波电容；适当地配合几个二极管，使其电容串 联充电，并联放电，以增加整流二极管的导通角，改善输人侧的功率因数，其代 价是直流母线电压大约是在输人电压最大值和最大值的一半之间脉动。如果配合 适当的高频反馈，也能实现p f 0 9 8 。 ( 3 ) 有源功率因数校正技术( a p f c ) 有源p f c 技术是在整流器和滤波电容之间增加一个d c d c 开关变换器。 其主要思想如下；选择输人电压为一个参考信号，使得输人电流0 跟踪参考信号， 实现了输入电流 的低频分量与输入电压为一个近似同频同相的波形，以提高 p f 和抑制谐波；同时采用电压反馈，使输出电压为近似平滑的直流输出电压。 有源p f c 主要缺点是：电路复杂；m t b f ( 平均故障问隔时间) 下降；成本高； 效率会有所降低。主要优点是：可得到较高的功率因数，如o 9 7 09 9 ，甚至接 浙江大学硕士学位论文 近1 ：t h d 低，可在较宽的输人电压范围内( 如9 0 2 6 4 v a c ) 工作：体积小， 重量轻，输出电压也保持恒定。 ( 4 ) s 4 电路 s 4 是s i n g l e - s t a g e - s i n g l e - s w i t c h 的简写。为了降低成本，在小功率的场合 下把p f c 电路d c d c 变换器合成为一级，称之为单级p f c + d c d c 电路。 2 2 功率因数校正电路设计 1 、主电路拓扑及工作模式 有源p f c 电路选择输入电压作为输入电流的参考信号，理论上任何形式的拓 扑均可以用于p f c 电流。降压式变换器由于v o 。v 。，当输入电压很低时，输入 电流严重畸变，因此不适合做p f c 电路。升压式( b o o s t ) d c d c 变换器是p f c 的 理想选择，其输入端是电感，因此可以获得连续的输入电流，从而减小了输入电 流的高频成分，减小了传导噪声，获得最佳的输入电流波形。用b o o s t 电路实现 p f c 的基本结构如图2 - 2 所示。 图2 2b o o s t 电流实现p f c 的基本结构 工作原理如下：主电路输出电压v o 取样值与基准电压v r 进行比较，经电压 9 浙江大学硕士学位论文 误差放大器h 调节后，产生电压误差信号v 。；v e 和整流后的电压v d 。同时作为 乘法器m 的输入，m 的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与直流母线电流 i d 的检测值通过电流误差放大器( c a ) 进行p i 调节，产生调制信号v 。；v 。与载 波锯齿波进行比较后产生开关管t 的驱动信号从而控制t 的通断，使输入电流 ( 即电感电流i l ) 的波形与输入电压v d 。的波形保持一致，迭至4 提高输入电流功 率因数的目的。 根据b o o s t p f c 电路中电感电流的不同，可分为三种工作模式：电流连续 模式( c c m ) 、电流断续模式( d c m ) 和电感电流临界连续模式( c r m ) 。三种 工作模式下，电感电流波形如图2 - 3 所示。 ( a ) c c m ( b ) d c m( c ) c r m 图2 - 3b o o s t p f c 在不同工作模式下电感电流波形 由图可见，在相同的平均电流下，c c m 工作模式电感峰值电流最小，功率 器件导通损耗最小，同时电感的纹波电流最小，磁芯损耗也相应较小。但该模式 下由于存在二极管反相恢复问题，将会产生较大的开关损耗。d c m 和c r m 工 作模式下，由于不存在二极管的反相恢复问题，开关损耗较小。但d c m 和c r m 工作模式输入纹波电流大，该纹波电流增加了功率器件的导通损耗和磁芯损耗。 c r m 工作模式具有d c m 工作模式的所有优点，所以一般p f c 电路工作在c c m 或c r m 工作模式。 图2 - 4 为在不同功率等级下，电感电流连续模式跟临界模式的效率。在小于 浙江大学硕士学位论文 3 0 0 w 时，c r m 工作模式较c c m 工作模式有更高的效率。随着输出功率增大， 开关管的导通损耗和磁芯损耗成为决定效率的主要因素，因此，在大功率下一般 选用c c m 工作模式。 i i o 静 一 i m 心 k 1 。淤 一 矿 _ 1 、 、 + 气 、k 誊7 | 1 - 嚣- l、 虬 猫。| ；悯啪薯雌 n 岫1 蠲啊 o ；：jj 阳u ，槲i 。_ ； 图2 - 4c r m 和c c m 功率一效率曲线 2 、c c m 工作模式的电流型控制技术 c c m 工作模式下的电流控制方法主要有三种，即峰值电流控制，滞环电流 控制，以及平均电流控制。 ( 1 ) 峰值电流控制 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 电流环的编程信号不再是直流而是按正弦规律变化。开关管开通时，电感电流上 升，当到达编程电流值时，开关管关断，电流下降，下一个时钟周期到来时，开 关管再次开通，这样，电感电流峰值按编程的正弦规律变化，电感电流波形如图 2 5 所示。 用峰值法控制时，最主要的问题是：电感电流的峰值i 。( 它是控制的基准) 与状态空间平均值之间的误差，在一定条件下相当大，以至无法满足使t h d 很 小的要求；电流峰值对噪声相当敏感；当电感电流峰值按工频变化，从零变化到 最大值时，占空比d 逐渐由大到小。即半个工频周期内，占空比有时大于0 5 ， 铋 釉 飘 雏 馘 氍。琴互_口目墨 浙江大学硕士学位论文 有时小于o 5 ，因此有可能产生次谐波振荡。为了防止次谐波振荡的出现，必须 在比较器的输入端增加一个斜率补偿，以便在占空比广泛变化范围内，电路能稳 定工作。 v s ：r 1 且几nm 图2 - 5 峰值电流控制技术 ( 2 ) 平均电流控制 平均电流控制在乘法器输出与比较器之间增加了一电流调节器，电流调节器 控制输入电流平均值，使其与电流编程信号波形相同。由于电流环有较高的增益 带宽，跟踪误差小、瞬态特性较好。采用平均电流控伟0 方法时，电感电流波形如 图2 - 6 所示。 飞：厂 厂 r 几几r 。几r 厂 图2 - 6 平均电流控制技术 平均电流控制的特点是：工频电流的峰值是高频电流的平均值因而高频电 浙江大学硕士学位论文 流的峰值比工频电流的峰值更高。t h d 很小；对噪声不敏感；电感电流峰值与 平均值之间的误差小；原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流；并且两种工 作模式c c m 和d c m 都可以用。 ( 3 ) 滞环电流控制 滞环电流控制中，编程信号和滞环宽度决定电感电流的上限i 。与下限i ， 当电感电流l 升到i 。时，功率管断开，电感电流下降到i | t i i 。时，功率管导通， 如此反复，电感电流在滞环宽度内变化，电流波形如图2 7 所示。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宽 度。 滞环电流控制的特点是：控制简单、电流动态响应快、内在的电流限流能力 强；负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变化幅度大，设计输出滤波器 时，要按最低开关频率考虑。因此，不可能得到体积和重量最小的设计。滞环宽 度对开关频率和系统性能影响较大，需合理选取。 、：厂 厂 r 几n n 厂 r 厂 图2 - 7 滞环电流控制技术 3 、u c 3 8 5 4 a b 控制芯片原理及功能 u c 3 8 5 4 a b 是一种常用的高功率因数校正器集成控制电路芯片，是在 u c 3 8 5 4 基础上的一种改进。其特点是采用平均电流控制，功率因数接近1 ，具 有高带宽电流放大器，限制电网电流t h d 小于3 。其内部结构框图见下图2 - 8 。 u c 3 8 5 4 a b 主要由电压放大器、模拟乘法器m 、电流放大器和脉宽调制器 组成。此外还包含振荡器、门极驱动器、3 v 电压基准、输入电压前馈、输入电 浙江大学硕士学位论文 压筘位、软启动的比较器、欠压锁存比较器等。 器黜总品 i b e o tr s e t 图2 - 8u c 3 8 5 4 a b 内部结构框图 v e o o t d r y a n u c 3 8 5 4 a b 核心是一个乘法器电路，其输出作为与电流检测比较的基准电 流。乘法器的输入电乘法器i m 共有三个输入端，a 输入端与电压放大器的输出 端相连。6 脚( i a e ) 是i m 的b 输入端，通过一个外接电阻连接到主功率电路整流 桥的正输出端，其作用是引入交流电压经过整流后的正弦半波信号。6 脚是一个 电流型的输入端，正常工作时由内部电路筘位在6 v 。i m 的c 输入端是由8 脚( v 的信号经过平方电路x 2 产生，v f f 是一个电压前馈信号，是交流电压经过整流后 的半波正弦电压的平均值。i m 的输出( i m o ，引出脚为5 脚) 是由a 、b 、c 运算 得到，i m = a b c 。c 的作用在于使电压环的增益不随输入电压变化而变化，提高 系统的调节性能和稳定性。例如：设电压放大器的输出不变( 即a 输入端不变) ， 输入电压增加一倍时，b 输入端增加一倍，c 输入端变为原来的四倍，i m 输出 变为原来的一半，从而通过控制调节使输入电流减半，结果输入功率保持不变。 因此通常采用u c 3 8 5 4 a b 控制的p f c 电路都具有很宽的输入电压范围。 4 、p f c 电路参数设计 根据整机设计要求，确定p f c 电路的技术指标如下 输入电压：v i n = 1 5 0 2 8 6 v a c ，f - - - 4 5 一6 3 h z 1 4 一意嚣 v 浙江大学硕士学位论文 输入功率因数：p f ， 0 9 9 输出电压：v o = 4 0 0 v d c 额定输出功率：p o = 2 3 0 0 w 最大输出功率：p o ( m a 】【) = p o 1 5 0 = 3 5 0 0 w 掉电维持时间：1 5 0 m s 开关频率：w = 3 1 2 5 k h z p f c 电路如图2 9 所示。 ( 1 ) 电感设计 电感量的大小决定了输入高频纹波电流的大小，一般取电感电流纹波峰- 峰值 为输入电流最大值峰值的2 0 ，当输入电压最小时，输入电流最大。 、2 x p o ( 。m a x ) ：= f i n r m i n ) 1 4 1 4 x 3 5 0 0 。3 3 a 1 5 0 a = l l i n e p t x 2 0 = 3 3 x 2 0 = 6 6 a 由b o o s t 输入电压跟输出电压关系得： v o ：l 阳h 1 一d 当输入电压最低时，占空比d 为： dvo-42。vin(min)400-2x150：o47 y o4 0 0 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 三= 1 1 2 v i n 而( m i n 广) x d = 裟32 5 等等6 6 o 5 槲 ( 2 - 5 ) 枷x 雠1 x 1 x 实际电路由两个0 3 m h 电感串联而成，磁芯元件选用上海钢研精密合金器材研 究所s a 3 5 环形铁硅铝磁芯，其内径d i = 4 8 c m ，外径d o = 8 0 c m ，高度h t = 2 0 c m ， 平均磁路长度l = 1 9 7 8 c m ，磁芯截面积s = 3 o o c m 2 ，有效磁导率u - 3 5 ，b m a x = 0 8 t ：n 2 1 q t o s f 则n = = 、0 3 1 03 + 1 1 旷9 7 + 8 。1 1 0 - 2 3 5 4 7 30 - ；6 7 匝v + 1 0 一+ + 1 磁芯最大工作磁感应强度验算 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 鼯 浙江大学硕士学位论文 b h 一半瑚。1 4 1 0 - 7 皇写篙产别，删册( 2 - 8 ) 所以，该磁芯在最大工做电流时不会饱和。 图2 - 9p f c 电路 ( 2 ) 输出滤波电容设计 影响电容选择的因素很多，但对于本设计而言，要求在输入市电发生换相或 者掉电情况时，能够在额定负载下维持1 5 0 m s 时间，维持时间t 是决定性的因 素。维持时间取决于电容中存储能量的多少、负载功率p 0 、输出电压v o 和负载 仍能正常工作的最低电压v o ( 。i 。) 。由后续分析可知，要维持正常工作，p f c 输出 电压应不低于3 0 0 v ，因此， 1 6 浙江大学硕士学位论文 c o ：害氅：百2 “2 3 0 0 x 1 5 0 。1 0 - 3 ：1 1 9 7 m f ( 2 - 9 ) 砌一场f m i n ) 2 4 0 0 2 3 2 0 2 电容的耐压应不低于输出电压4 0 0 v 。本设计中使用6 8 0 u f 4 5 0 v 铝电解电容1 8 个，容量为6 8 0 1 8 1 2 2 4 m f 。 ( 3 ) 功率半导体器件选择 整流桥额定电压应至少高于输入电压最大值的峰值，即： 2 8 6 , 2 v a 4 0 4 v( 2 - 1 0 ) 额定电流应大于输入电流最大值峰值，在输入电压最低时计算，即： l 热：3 5 0 0 。2 3 3 a ( 2 1 1 ) 4 。( m i n ) 1 5 0 、 选取整流桥型号为v u o3 6 a 0 6 3 0 8 ( 3 6 a 6 0 0 v ) 。 主功率开关管k 1 0 1 和二极管d 1 0 2 具有相同的额定电压和额定电流。其额 定电压应至少高于输出电压v o ，即4 0 0 v 。额定电流应大于电感电流峰值的最大 值，即： i r , n - i l i n e p k + 了3 d ：3 3 + 譬爿* 3 6 6 a ( 2 - 1 2 ) 实际应用中，应考虑二极管反向恢复电流对开关管的影响，开关管k 1 0 1 的 电流余量要适当加大，本设计中开关管k 1 0 1 选用f a i r c h i l d 公司的 h g t g 3 0 n 6 0 a 4 d ( 6 0 a 6 0 0 v ) ，两个并联：工作。二极管d 1 0 2 选用i x y s 公司 d s e l 6 0 1 0 a ( 6 0 a 10 0 0 v ) 快恢复二极管。 二极管d 1 0 1 仅在上电启动过程中起作用，使该过程中输入电流经d 1 0 1 向 输出滤波电容充电，避免输入电流经电感、d 1 0 2 向输出电容充电，这样可以有 效防止上电过程电感饱和引起的故障。d i o i 选用4 0 e p s l 2 佗o a 8 0 0 v ) 。 2 3 功率因数校正电路调试及实验结果 p f c 电路的调试大致可分为以下几个步骤： 首先，在未上主功率电的情况下，检查u c 3 8 5 4 各引脚信号，应着重检查锯 1 7 浙江大学硕士学位论文 齿波和输出脉冲信号的频率；此后应检查开关管栅极驱动信号波形。正常情况下， 脉冲的频率应与设定值( 3 1 2 5 k i q z ) 相近，占空比应该达到芯片所能达到的最大占 空比，而幅值应在1 5 v 左右。 然后，在主功率电路空载情况下缓慢升高输入交流电压，观察输出直流电压 的闭环电压值，应为4 0 0 v 左右；因为p f c 电路在没有闭环前，2 直以最大占空 比工作，在输入电压很低时输出电压就能达到闭环值。若此时电路有负载，输入 端的电流就会很大，可能导致整流桥和开关管过流烧毁。 最后，把输入电压升高到电路允许的范围内( 1 5 0 2 8 6 v a c ) ，在不同负载， 不同输入电压下，观察电路工作是否稳定、输出电压幅值及波动情况、输入电流 波形等情况。 调试过程中比较常见的问题有： 电压环闭环工作不稳定。表现为电感有杂音、u c 3 8 5 4 输出脉冲宽窄不规则 或脉冲丢失。可以通过调节电压误差放大器反馈网络的放大倍数和时间常数来解 决这个问题。适当减小电压环放大倍数( 减小r 1 2 7 ) 和增大时间常数( 增大c 1 2 3 ) 都有利于电压环稳定。 输入功率因数偏低。可以适当增大电流误差放大器的放大倍数( 增大r 1 3 0 ) 。 如果效果不理想，则可适当调节电压环参数，减小放大倍数( 减小r 1 2 7 ) 有利于提 高功率因数。但是增大r 4 1 和减小r 3 7 都会增大输出直流电压的低频波动。 重载时，输出电压大幅度下跌。这种情况可能是由干扰引起，应增加额外的 抗干扰措施；也可能是由于u c 3 8 5 4 限流值设置不当引起，可适当放宽电流的限 定值。 轻载时，输出电压不断升高。这种情况主要是由干扰引起。当轻载时，u c 3 8 5 4 应工作在跳周模式。实验中发现，当控制芯片受到干扰后，u c 3 8 5 4 失去了跳周 工作能力，只能以最小占空比工作，由于b o o s t 电路是升压变换器，所以导致 输出电压不断上升，直到电路最终损坏。解决该问题的关键在于合理布线及加入 抗共模和差模干扰的措施。 p f c 电路调试实验结果如下( 电流波形经0 0 3 5q 电阻采样获得) ； 浙江大学硕士学位论文 u 7 ”一一r ”一”_ 一j 1 r 一“一1 1 。”1 1 厂”。 嘏涎i她矩蠲 澎ji 狮ii _ ：。鄹_ i 狮i v ：v - v v ：v ；l l c h t r - ：t o m s i n p u t c u f , e # r m “ 靠枷l t ， 矗矗i 鞴 a 霸蚋 帆i ，2 t 1 1 5 a m 州赡 图2 1 0 额定负载下输入电压、电流波形 ll1 ill _ 1 1i i h hi - l - - 一i , i i l l i b - i j 。l i u i l h i i n l 山i 图2 - 1 1 额定负载下输入电流谐波分析 表2 - 1 额定输入电压2 2 0 v a c 、不同负载下实验数据 输入电压 2 2 0 v a c 输入电压 r l t d 3 1 0 负载电阻( o )输出电压0 3输出功率删输入电流1 皿输入功率因数 3 8 83 8 63 8 41 0 叭0 9 7 1 2 4 53 8 56 0 59 2 2 0 9 8 5 1 9 53 8 57 6 0 17 1 1 0 9 9 1 4 63 8 51 0 1 526 4 3 0 ，9 9 4 1 1 83 8 41 2 4 965 9 8 0 9 9 6 1 0 23 8 41 4 4 5 ，65 8 1 0 9 9 6 7 33 8 32 0 0 9 4 6 ，1 6 0 9 9 8 5 33 8 12 7 3 8 95 6 5 0 9 9 8 1 9 浙江大学硕士学位论文 表2 - 2 额定负载、不同输入电压下实验数据 负载电阻 7 3 q输入电压t h d3 1 0 输入电压t v )输出电压p c )输出功率t w )输入电流t h d输入功率因数 1 5 03 8 21 9 9 8 96 8 8 0 9 9 7 1 7 03 8 32 0 0 946 3 4 0 9 9 8 2 0 02 8 32 0 0 9 46 2 7 0 9 9 8 2 2 02 8 32 0 0 9 46 1 6 0 9 9 8 2 4 03 8 32 0 0 9 46 1 8 0 9 9 7 2 5 63 8 32 0 0 9 46 2 5 0 9 9 6 2 8 03 8 32 0 0 9 46 6 5 0 9 9 5 表2 - 1 所示为额定输入电压( 2 2 0 v a e ) 时，在不同负载下的实验数据。由表 可见，在相同输入电压下，功率因数随负载加重而提高，输入电流t h d 相应减 小。这主要跟b o o s t 电路工作状态( d c m 或c c m ) 和采样电流受器件误差披 干扰信号影响有关。 表2 2 所示为在额定负载下，输入电压变化时的实验数据。由表可见在额定 负载下，功率因数及输入电流t h d 随输入电压变化而变化，表现为两端功率因 数低，电流t h d 大，中间功率因数高、电流t h d 小。输入电压较低时，受控制 芯片最大占空比限制，在输入电压过零点附近，电流畸变相对比较严重。输入电 压过高时，又受控制芯片最小占空比限制，在输入电压峰值附近，电流畸变相对 严重。所以输入电压过高或是过低都会影响功率因数和输入电流的t h d 。 本章小结 本章详细介绍了b o o s t 型功率因素校正电路工作原理、设计过程及调试步 骤，最后给出实验结果。并结合实验结果和电路的实际情况，分析了在不同条件 下，影响输入功率因数的几个原因。 浙江大学硕士学位论文 第三章全桥d c d c 电路 3 1 隔离型直流变换器拓扑选择 d c d c 拓扑发展到现在已有非常多种，常见的几种隔离型直流变换器拓扑如 图3 - 1 所示： ( a ) 正激 ( c ) 推挽 ( ”反激 高 j k j _ = d d ( 卜d ) 。上面是对于p w m 型的d c d c 而 言的，对于谐振型的d c d c 就是输入输出电压和频率f 的关系。通常r a n g e 1 5 ， 我们就可以认为有宽范围要求，在选用拓扑时就要考虑拓扑的宽范围适用性。因 此，d c d c 变换器的输入输出变化范嗣分界可以定在1 ，5 倍。 d 功率大小等级：功率大小决定了候选拓扑的开关数量的多少。一般d c o c 变换器的主开关有1 个、2 个、4 个和4 个以上。通常主开