（电工理论与新技术专业论文）基于saber的功率因数校正电路优化仿真研究.pdf

山东大学硕士学位论文 2 2 0v 5 0h z 条件下，对优化后的有源功率因数校正电路的输入滤波器、功率变 换部分和脉动补偿部分的参数进行了计算确定，并应用s a b e r 仿真软件进行了仿 真计算。仿真结果与理论设计比较，表明了两者相当一致。同时，与传统的有源 功率因数校正电路比较，本文提出的改进设计使系统的性能得到明显提商，表明 了本文所做的优化工作的正确性。 关键词：有源功率因数校正电路；输入滤波器；脉动补偿；电流纹波；电压纹波： 椭圆滤波器 i v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g no fs i n g l ea 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 ) c i r c u i tw i t hh i g i l p o w e r f a c t o ra n dl o w e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) h a sb e e np e r f o r m e di nt h i s p a p e r t h et r a d i t i o n a la p f cc i r c u i ti sa n a l y z e di nd e t a i l b a s e do nt h ec o m p a r i s o n b e t w e e ns i n g l es t a g ea n dd u a ls t a g es t r u c t u r e sf o ra p f cc i r c u i t , as i n g l es t a g eo n e i s u s e di np r e s e n tw o r k a l s o ，as i n g l e - p h a s eb o o s tc h o p - m o d ec o n v e r t e ri sc h o s e na s t h ep o w e rs t a g ec i r c u i t , a n di t sc o m p o s i n ga n dw o r k i n gp r o c e s s e sa r ed e s c r i b e d f u r t h e r , t h ec o m p a r i s o n sa n da n a l y s e sa r em a d ef o rb o t ht h ec u r r e n tm o d e so f a p f c a n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e t h o d s ，a n dt h u st h ec o n t i n u o u sc u r r e n tm o d ea n dt h e a v e m g ec u r r e n tm o d ec o n t r o la r ea d o p t e di nt h i sd e s i g n i na d d i t i o n , u c 3 8 5 4i su s e d a st h ec o n t r o li n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) i na p f c ，a n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dp i n f u n c t i o na r ei n t r o d u c e d f o rt h ec o n t r o li n p u t , m u l t i p l i e r , v o l t a g el o o pa n dc u r r e n t l o o pi n c l u d e di nc o n t r o lu n i tf o ru c 3 8 5 4 ，t h ed e t a i l e da n a l y s e sa r eg i v e na n d t h e t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa r ep r e s e n t e d f o ra p f cw i t ht h ed e t e r m i n a t i o n so ft h es t r u c t u r e ，p o w e rs t a g ec i r c u i t ，c u r r e n t m o d e s ，c o n t r o lm e t h o d sa n dc o n t r o li c ，i tc a nb es h o w n t h a tt h i st r a d i t i o n a la p f ch a s t h ef o l l o w i n gd i s a d v a n t a g e s ，i e t h eg r e a t e rr i p p l eo fo u t p u tv o l t a g e ，t h e l o n g e r r e s p o n s et i m eo fv o l t a g el o o pa n dag r e a td e a lo fs w i t c hr i p p l el y i n go nt h ei n p u t c u r r e n t t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z a t i o n sa n di m p r o v e m e n t sh a v eb e e ns y s t e m i c a l l ym a d e f o rt h et r a d i t i o n a la p f cb ym e s a i so f t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n so na p f c t h ea p p a r o c ho fp u l s ec o m p e n s a t i o ni sa p p l i e dt or e s o l v et h ep r o b l e mo ft h e g r e a t e rr i p p l eo fo u t p u tv o l t a g e o nt h eb a s i so ft h ed e t a i l e dc a l c u l a t i o n sa n da n a l y s e s f o rt h eb a n d - p a s sf i l t e ru s e da sa p a r tg e t t i n gt h es e c o n dh a r m o n i c sa tt h eo u t p u te n d o fa p f cc i r c u i t , a ni m p r o v e dp u l s ec o m p e n s a t i o nc i r c u i ti ss u g g e s t e da n di t s p a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e d t h ei m p r o v e dp u l s ec o m p e n s a t i o nc i r c u i tc a n d e c r e a s et h er i p p l eo ft h eo u t p u tv o l t a g eo fa p f cc i r c u i ta sg r e a t l ya sp o s s i b l ew h i l e r e t a i n i n gt h ea p f c ss t a b i l i t y c o n s e q u e n t l y , ac a p a c i t o rw i t hl o wc a p a c i t ya to u t p u t e n do f a p f cc i r c u i tm a yb eu s e d v 山东大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt o t h ei m p r o v e dp u l s ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t ，t h er e l a t i o nb e t w e e n p u l s ec o m p e n s a t i o na n dc r o s s o v e rf r e q u e n c yo ft h ev o l t a g el o o pi sa n a l y z e d ，a n dt h e p a r a m e t e r so ft h ev o l t a g el o o pa r eo p t i m i z e d b yt h e o r e t i c a lc a e u l a t i o n sa n d s i m u l a t i o n ，i ti s e v i d e n tt h a tt h ei m p r o v e dp u l s ec o m p e n s a t i o nc i r c u i ti n c r e a s e s s i m i l a r l yt h ec r o s s o v e rf r e q u e n c yo f t h ev o l t a g el o o p ，r e s u l t i n gi nt h eb a n db r o a d e n i n g a n dt h er a p i dr e s p o n s eo f t h ev o l t a g el o o p t oe l i m i n a t et h es w i t c hr i p p l el y i n go nt h ei n p u tc u r r e n t ，a l ai n p u tf i l t e ri sa d d e d a ti n p u te n do f t h ea p f c t h es t r u c t u r e so f v a r i o u si n p u tf i l t e r sa r ec o m p a r e da n dt h e p a r a m e t e r so ft h es e l e c t e di n p u tf i l t e ra r ea n a l y s e da n dc a l c u l a t e di nd e t a i l t h e r e l a t i o nb e t w e e no u t p u ti m p e d a n c eo ft h ei n p u tf i l t e ra n di n p u ti m p e d a n c eo fa p f c c i r c u i ta n di t sa f f e c t i o no na p f c ss t a b i l i t ya r ed i s c u s s e da tl e n g t h a l s o ，t h e p a r a m e t e r so f t h ei n p u tf i l t e ra r eo p t i m i z e d b a s e do nt h es y s t e m i co p t i m i z a t i o n sm a d ea b o v ef o ra p f cc i r c u i ta n da tt h e i n p u tv o l t a g eo f2 2 0v 5 0h z , t h ep a r a m e t e r so fs e v e r a lc o n s t i t u t e s ，i e t h eo p t i m i z e d i n p u tf i l t e r , p o w e rs t a g ep a r ta n dt h ep u l s ec o m p e n s a t i o np a r to fa p f cc i r c u i ta r e e a l u c l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n sa r ed o n eu s i n gs a b e rs o f t i ti s , t h e r e f o r e ， s h o w nt h a tt h es i m u l a t e dr e s u l t sa l ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a ld e s i g n s ， a n dt h ed e s i g n sp r o p o s e di nt h i sw o r ki m p r o v eo b v i o u s l yt h ep e r f o r m a n c e so ft h e s y s t e mw h e nc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a la p f cc i r c u i t , w h i c hd e m o n s t r a t e st h e c o l t e c t n e s so f t h eo p t i m i z a t i o n sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf a c t o rc i r c u i t ；i n p u tf i l t e r ；p u l s ec o m p e n s a t i o n 。；c u r r e n t r i p p l e ；v o l t a g er i p p l e ；e l l i p t i c - i n t e g r a lf i l t e r v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名；裘盘日期：丝竺：墨婴 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 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阆：本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：。：叁盘导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 引。占 第一章绪论 电力电子装置的大量应用给电力系统注入了越来越多的谐波，使系统的功率 因数降低，造成电网供电质量下降，干扰周围电气设备正常运行【l 1 。这一问题 已引起人们极大的重视。如何抑制这些谐波，改善供电质量己成为一个重要的研 究领域。在电力电子装置中，开关功率变换器的功率因数校正及控制就是该领域 的一个重要课题m 。目前，这一重要课题研究中，常用的是基于b o o s t 电路的功 率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 技术，本文重点研究单级a p f c 技术。 本文着重设计有源功率因数校正电路。本章以a c d c 变换器为例，分析了普 通二极管整流电路产生谐波电流的原因及谐波电流的危害，引出了非正弦电路中 谐波和功率因数的关系，介绍了抑制谐波和提高功率因数的途径，得出了本文提 高a c d c 变换器输入端功率因数的策略有源功率因数校正技术，并介绍了国 内外有源功率因数校正技术的发展情况，本章的最后阐明了本文所做的主要工 作。 1 2a c d c 变换器输入电流的谐波分析及危害 传统的a c d c 电能变换器和开关电源，其输入电路普遍采用了图1 1 所示的 全桥二极管不控整流方式。虽然不控整流器电路简单可靠，但它们会从电网中吸 取高峰值电流，使输入端电流和交流电压均发生畸变。大量电气设备自身的稳压 电源，其前置级电路实际上是一个峰值检波器，高压电容滤波器上的充电电压使 整流器的导通角减小3 倍，电流脉冲变成了非正弦的窄脉冲1 7 1 ，因而，如图1 2 所 示，在电网输入端产生了失真很大、时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。 甜彳： 卒辛 = c ir 柳 图1 1a c d c 变换电路图1 2 输入电压、电流波形 山东大学硕士学位论文 将这种畸变的输入电流作傅立叶级数分析，可得它的展开式如下： f ( f ) = l , s i n c o t + 1 3 s i n 3 甜+ i s s i n 5 c a t + 1 7 s i n 7 0 x + 1 1 1 1 ( 1 一1 ) 式表明了输入电流只含有奇次谐波，g o i ( t ) 是一个奇谐波函数。另外，输入 电流中除基波外，还含有丰富的奇次谐波分量。这反映了这类装罱网侧电流的较 大畸变，且滤波电容c 越大，网侧电流畸变越严重，功率因数也就越低。一般地， 功率因数约为0 5 o 6 5 吼。 输入电流中谐波的主要危害有： 1 ) 使电容器的正常阻抗减小，造成电容器的负荷增大，甚至被烧毁。 2 ) 使电子设备正常工作受到影响、对通讯设备产生信号干扰、继电保护装置发 生误动作。 3 ) 谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”及母线上的电压畸变，干扰其它 设备的正常运行。 4 ) 谐波电流通过电机、变压器，将增大铁损，使电机、变压器铁芯过热，还会 产生附加谐波转矩、机械振动等。这些都严重影响电机的正常运行，缩短了它的 使用寿命。另外，严重的电流畸变使输入电流有效值变大，电流的集肤效应增强， 导致了电网中产生附加损耗。 1 3 功率因数和谐波总畸变率 1 3 i 正弦电路的功率因数 通常，工程上把电压有效值u 和电流有效值i 的乘积作为电气设备功率设计的 极限值，即电气设备最大可利用容量。引入视在功率 s = u i ( 1 - 2 ) 则有功功率p 的最大值为视在功率s ，p 越接近s ，电气设备容量就得到充分利用。 定义功率因数p f ( p o w e rf a c t o r ) 为： p f = p s ( 1 3 ) 在正弦电路中，功率因数由电压和电流的相角差m 决定的。在这种情况下功率因 数p f 就是c o s 9 。 1 3 2 非正弦电路的功率因数 在公用电网中，一般电压波形的畸变都较小，而电流波形的畸变较大。设电 山东大学硕士学位论文 压为纯j 下弦波形，有效值为u ，畸变电流的有效值为i ，基波电流有效值以及基波 电流与电压的相角差分别为i l 和平。，1 1 次谐波电流的有效值为i 。记： p = u l t c o v , p t( 1 - 4 ) q f = u l l s i n g l ( 1 - 5 ) p 2 + q ；u 2 i ? = s i ( 1 6 ) s 2 = u m i = u 2 i ；+ u 2 y i ：。 ( 1 - 7 ) a f f i 2 q ：= s 2 一p 2 - q ；= u 2 x i ： o - s ) a = 2 p 定义为电路有功功率，q t l g ；是基波电流所产生的无功功率，s i 为基波视在功率， s 为电路总的视在功率，q h 是谐波电流所产生的无功功率。电路的功率因数定义 为 p f = 昙= 旦鲁署盟= c o s 币，( 1 - ，s u ii 。 其中， 称为基波因数，又叫畸变因子；c 。s 币l 称为位移因子( i d f ) 。 1 3 3 诣饭思l l l 目父翠 谐波电压含量u h 和谐波电流含量i h 分别定义为 u h = 1 u ： n r 2 n = 压 电压谐波总畸变率t h d 。和电流谐波总畸变率t h d i 分别定义为 t h d 。= 鲁煳。 t h d t = 鲁t o o ( 1 一l o ) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 山东大学硕士学位论文 1 4 抑制谐波和提高功率因数的途径 解决谐波污染的思路主要有两条： 1 ) 对于整个电网装设谐波补偿装置来补偿谐波主要采用各种无源和有源 电力滤波器来抑制电网谐波。 2 ) 对电力电子装置进行改造，即对原有变流器进行功率因数校正( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ) ，使其不产生谐波且功率因数为1 。 1 4 1 提高a c ，d c 变换器输入端功率因数的策略 分析图1 1 所示电路可知，对于整流电路而言，由于欲得到一个较为平滑的直 流输出电压，所以采用了平波电容，也称为滤波电容。然而，正是滤波电容和整 曲 童 l 上：| 馥 t ： 2 0 、 s q h z 椿 l 挂 正 国1 3 加装功率因数校正的整流电路 鱼 麓 流二极管的非线性共同作用，使得输入电流发生了畸变。如果去掉滤波电容，则 输入电流成为近似的正弦波，这提高了输入侧的功率因数并减少了输入电流的谐 波，但整流电路的输出电压却为脉动波，不是所需的较平滑的直流输出电压。因 此，要使输入电流为正弦波，同时输出电压为平滑的直流输出，需在整流电路和 滤波电容之间插入功率因数校正电路，简称p f c ( p o w e ff a c t o rc o r r e c t i o n ) 电路。 插入了功率因数校正环节的整流电路如图1 3 所示。 关于p f c 技术，主要有以下几种实现方法： 1 ) 无源滤波技术 无源滤波技术是在图i 1 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，降低输入电流的幅值。另一种技术是在交流侧接 入一个谐振滤波器，主要是消除三次谐波。 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种无源p f c 技术，其基 4 山东大学硕士学位论文 本思想是采用两个串联电容作为滤波电容，适当地配合几支二极管，使其电容串 联充电，并联放电，以增加整流二极管的导通角，改善输入侧功率因数，其代价 是直流母线电压大约是在输入电压的最大值和最大值的一半之自j 脉动。如果配合 适当的高频反馈，也能实现p f o 9 8 。 3 ) 有源功率因数校正技术 1 0 , 1 1 1 有源功率因数校正技术i o a p f c 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。它的主要思想如下：选择输入电压为一个参考信号。使得输入电流 跟踪参考信号，实现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。 、 有源功率因数校正技术的主要优点是：可得到较高的功率因数，如可达到功 率因数为0 9 8 ，甚至接近1 ；t h d 低，可在较宽的交流输入电压范围内( 如1 6 0 2 6 0 v ) s e 作；体积小，重量轻，输出电压保持恒定。 有源功率因数校正技术的主要缺点是：电路复杂、成本高、电磁干扰高，因 此整个电路效率会有所降低。 1 5 国内外功率因数校正技术的发展 近年来由于大量含a c d c 的电力电子装置的使用，谐波危害问题引起了人们 的广泛重视，有关部门也作出了相应的规定，以限制其危害程度。1 9 8 2 年，世界 标准组织规定了i e c 5 5 5 2 技术标准以限制电网线路频率的每种谐波所允许的电 流含量。i e c 5 5 5 - 2 规定了每次谐波不能超过1 5 次且电流值在安全范围内。表1 1 列出了对i e c 5 5 5 2 所记录的各次谐波的要求。 i e c 5 5 5 2 规范分为两部分，即相对失真和最大绝对失真的限制。两种限制适 用于所有设备。 由于i e c 5 5 5 - 2 标准的强制规定，以及国际学术界和产业界的共同努力，极大 地推动了p f c 技术的发展。早在1 9 8 0 年代末就有关于p f c 技术的研究报道，1 9 8 9 年在i e e e 上发表的题为“as t u d yo f p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n i q u e sf o rh i g h p o w e r a cl o c o m o t i v e s ”的文章是本文所查到的与p f c 技术相关的最早文献。在8 0 年代末国际上出现了p f c 研究热潮，许多学术会议都安排了a p f c 的专题演讲与 山东大学硕士学位论文 讨论a p f c 方面文章不断涌现。自1 9 9 0 年- z 再1 9 9 9 年，在i e e et - 搜索的关于p f c 的文章近i o o 篇。自2 0 0 0 年来，a p f c 方面的文章眦1 3 l 也在不断的增加，在h e e e 上搜索的关于p f c 的文章也百余篇，各种实现a p f c 的方法和理论也不断的创新。 表i 1i e c 5 5 5 2 各次谐波要求 从论文内容的分布情况看，主要局限于对p f c 的拓扑研究( 包括单级式、级联 式、并联式、升压式、降压式、b o o s t b u c k 升降压式和f l y b a c k 反激式等) 、控制方 式的研究( 包括迟滞电流控制、峰值电流控制、平均电流控制、电荷控制等) 以及 软开关技术的应用( 包括z v tp f c 和z c tp f c ) ，涉及有关p f c 的分析、建模和仿 真的文献也再不断地增加。p f c 作为一种多变量、非线性、时变的双环控制系统， 其理论分析较为困难，这更加需要进行深入研究。 在应用方面，p f c 技术由理论研究迅速发展到实用化、商品化，由分立组件 发展到集成电路，目前国际上已有u n i t r o d e 的p f c 控制i c ( 集成电路) ，它们都有 u c 3 8 5 4 a b 、u c 3 8 5 5 a b 、u c c 3 8 5 7 、u c c 3 8 5 8 等，这些控制芯片主要应用领 域包括开关电源、u p s 、电子镇流器、电焊电源、电机驱动电源和程控机电源等， 输出功率已达到1 0k w 以上。 国内在该领域的研究相对较为迟缓，经本文查阅，9 1 年才有p f c 的专题综述 6 山东大学硕士学位论文 性文章出现【1 4 1 。9 3 年机电部委托专家做出调查、论证，就制定有关标准的必要性 和“九五”组织p f c 技术攻关提出建议，9 4 年有关学会开始组织了p f c 技术的专 题研讨会。在p f c 技术的应用方面，近几年做出t p f c 电子镇流器样机。功率因 数p f = 0 9 9 ，电流谐波畸变率t h d j c c 。 2 l 山东大学硕士学位论文 k 3 = o ，则电流误差放大器的开环传递函数为 g 舯+ 争嚣 s ， 其对数频率特性曲线如图2 1 6 ( b ) 所示。 i a 0 4 ) 圈2 1 6 电流误差放大器( a ) 及其幅频特性( b ) i i ) 电流环开环频率特性 电流环开环对数频率特性函数为： 篡竺n + a r c 燕t a n ( a n 。a r e t a 】n ( a n 9 ) 陋柳 反动= 一卜 j 其对数幅频特性如图2 1 7 所示。 l p ) 图2 1 7 电流环幅频特性 i i i ) 电流误差放大器工作原理分析 由式( 2 一1 0 ) 可知，乘法器的输出电流f m o 是一个与输入电压同频同相的电 流信号。在a p f c 电路中，i m o 作为基准电流或被称为电流编程信号( c u r r c n t p r o g r a m m i n gs i g n a l ) 。 山东大学硕士学位论文 为了实现p f = i ，电流误差放大器( c u r r e n t e r r o r a m p l i f i e r ，简记为c a ) 的幅 频特性应设计成图2 1 6 ( b ) 所示的特性，对于c a 输入误差信号的直流分量，放大 器具有无限大的增益，即极小的直流分量就能使c a 输出的分量有足够的幅度： 对于低频分量，c a 的增益较大，使得i l ( t ) d p 的低频分量非常接近“o ；对高频分 量，c a 的增益很小，使得高频分量在c a 的输出端几乎不存在，从而保证p w m 为s p w m ( 正弦波脉宽调制方式) 控制。 根据图2 1 6 ( a ) 、图3 1 所示的电路，c a 放大倍数a ，表达式为： i th + ( r c z + 擎1 ) 1 p 2 0 ) 1 41 2 l + 型挚l 坐塑 ( 2 另外，c a 输入信号的低频分量 “j c a i = i i m r 。一i l l l ( 2 2 1 ) 式中，i m 0 r 。代表了基准电流，i l 代表电感电流的真实值，则u i e a l 为电感电流 的实际值与基准值之间的误差。 对于低频信号，即s l 时。式( 2 2 0 ) 可近似地也表达为： f 拈器( 2 - 2 2 ) f 4 1 2 喾号 当= 2 兀5 0 = 3 1 4r a d s ，在理想情况下取i a l 专0 0 ，c a 输出电压的低频分量 u o c a i 为 i u o 删i = l 爿，i l i m o r 一- - i l r s l l ( 2 2 3 ) 这里，i i 。r 。一i l r s i l 代表误差信号的低频分量。 因为1 u 。m 1 是一个有限值，则当1a il 专a d 时，有l i 。& 。一i l 刚l 一0 。所以电 感电流的低频分量l 与。具有良好的跟踪性能，而且 。与地。也是同相的正弦 波全波整流波形。 原则上讲，由于电路具有输出电压的负反馈调节环节，输出电压是恒定的。 i v ) 占空比的瞬态表达式 用u c 3 8 5 4 作为控制芯片，当u i n = 1 4 1 4 ) 2 2 0 = 3 1 1v ，p o = 4 5 0w 时，测 山东大学硕士学位论文 得的误差放大器的输出电压( 调制波) 的波形如图2 1 8 所示。 图2 1 8电流误差放大器的输出波形 图2 1 8 的波形可用下面函数来模拟 比 = u 。- - a l s i n a x l( 2 2 4 ) 其中u c a 为电流误差放大器的输出电压，u 。是( 频率等于开关频率) 载波信号u s 的幅值，载波信号的频率石为1 0 0 k h z ，叻黾电网电压的频率。式( 2 2 4 ) 给出了幅 度调制波的表达式。 当载波周期t s t 时，输入电压u i n = 2u n m s i n ( 2 7 r t t ) 随时日jt 的变化相对 于载波周期t s 来说非常缓慢。因此，可用b o o s t 型d c d c 变换器的直流变比公 式近似计算电路的瞬态增益，即 而导五：熹( 2 - 2 5 ) 2 u 。is i n r a t d o ( t ) 其中，r a t 0 ，兀。 g d ( 2 - 2 5 ) 式，得到 d ( t ) = 1 诚( t ) = l _ 生错型 ( 2 2 6 ) 上式说明，电路应采用s p w m ( 正弦波脉宽调制方式) 。d ( t ) 称为占空比瞬态 表达式的连续模式。 为了获得对电流良好的控制和良好的动态特性，电流环必须是较高的低频增 益和较宽的频带。设计时需合理选择网络的参数，折衷考虑系统的稳定性和动态 特性。 2 ) 电压环 山东大学硕士学位论文 i1 电压环结构图及传递函数 电压控制环由电压误差放大器和升压级组成，电压环结构图如图2 1 9 所示。 v 0 图2 1 9 电压环结构 电压误差放大器的电路结构如图2 2 0 所示，其传递函数为 o g ) 5 i r w 瓦丽1 ：土( 2 - 2 7 ) 1 ：3 s + 1 其中砖2 i r v f 岛2 r v f c v f o 对于升压级，按照输入功率表示 图2 2 0 电压误差放大器 的升压级的传递函数为 g 产丧2 等 ( 2 - 2 s ) 其中，g 搬o ) 是包括乘法器、除法器、平方器在内的升压级增益，k = 石孓瓦p i n p 聃为平均输入功率，c 。为输出电容，v v e 是电压误差放大器的输出电压范围( 4 v ) ，v 。是输出直流电压。 由电压环结构图，容易得到电压环开环传递函数为 g v ( s ) = ：万k 6 而 ( 2 - 2 9 ) 其中k 6 = h x i 5 。 i i 电压环开环频率特性 由( 2 - 2 9 ) 式，可得电压环开环频率特性 山东大学硕士学位论文 m 吨c 赤， o ( 妫= - 吡一a r c t a n ( o j r 3 ) 相应的对数幅频特性如图2 2 1 所示。 ) 图2 2 l 电压环开环幅频特性 ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 由上述对电压环的分析可以看到，输出 级的基本模型是电流源驱动个电容。功率 级和内部电流反馈环组成电流源，并与输出 滤波电容c 构成了一个积分器，其对数幅频 m 特性的斜率为2 0d b d e c 。如果电压误差放 大器增益不变，尽管电压环稳定，但是输出 电压二次谐波使输入电流发生较大的失真， 为了很好抑制输出电压的二次谐波，电压环的带宽应比较低【2 6 1 。这样，必须在误 差放大器响应中加入一个极点，以减小纹波电压的幅值并且移相9 0 0 。由于电压 环带宽与开关频率相比非常小，因此，保持输入电流失真最小就成为设计电压环 时要考虑的主要因素。 以上分别对电流环和电压环进行了分析，但在设计中应不断优化其参数，使 得a p f c 电路有良好的动态特性和稳定性。 山东大学硕士学位论文 第三章有源功率因数校正电路的优化 根据第二章的分析、比较和选择，本文将进行优化仿真研究的a f p c 电路基 本结构如图3 1 所示。 图3 1a p f c 电路基本结构 然而，这类传统的a p f c 电路存在着输出电压纹波大、电压环响应速度慢和 输入电流叠加开关纹波的缺陷。针对这些缺陷，本章基于电路的计算仿真，对 a p f c 电路做了系统优化。为克服输出电压纹波大的不足，本文采用了脉动补偿 的方法，并提出一个改进的脉动补偿电路。对该脉动补偿电路中提取二次纹波的 带通滤波器环节作了详细的计算研究，并对脉动补偿电路做了参数优化，使其在 不影响a p f c 电路稳定性的前提下，力求使输出端的电压纹波降低到最小，同时 较小的二次纹波使输出端可以使用容量较小的电容，从而也减小了装置体积：同 时，理论计算和仿真表明，优化的脉动补偿电路也增加了电压环的穿越频率，增 加了电压环的带宽，从而改善了电压环响应速度；本文采用在输入端加入输入滤 波器的方法来消除输入电流上叠加的开关纹波，对输入滤波电路的结构和参数选 取作了详细的分析和计算，并在保证高功率因数的前提下，详细讨论了输入滤波 山东大学硕士学位论文 器的输出阻抗与a p f c 电路的输入阻抗的关系，以及此关系对系统稳定性的影 响，并对输入滤波器的参数进行了优化选取。 3 1 脉动补偿 a p f c 电路的控制系统中的电压环具有比较低的带宽，是为了很好抑制输出 电压上的二次谐波。然而，这使得功率因数校正电路的电压环动态性能较差。基 于传统的a p f c 电路，能够分析得到电压环的穿越频率由下式进行计算： ( 3 1 ) 其中，v v e 、v 。分别是电压误差放大器的输出电压范围和a p f c 电路的输出 电压，r v l 、c 。及c w 如图3 1 所示。根据( 3 1 ) 式计算得到的电压环穿越频率加 仅为1 3 3h z ，这个较小的f v l 将使整个电路呈现较差的动态性能。为此，一种可 以补偿输出端二次纹波的方法被提出，即脉动补偿【2 7 】。 抑制输出电压上的二次纹波，需要通过电压误差放大器设定其衰减幅度。另 外，由第二章所述，电压环的带宽要低于二次纹波频率，所以电压环带宽被控制 在很小的范围内。由于传统的电压误差放大器采用单极点补偿方式，电压误差放 大器极点频率就是电压环的穿越频率。此时，我们通过脉动补偿减小了二次纹波 的幅值，这样输出电压二次纹波的减小使输入电流发生的失真减小，因此在二次 纹波减小的情况下，我们可以适当增加电压环的穿越频率，带宽随之增加，这样 动态性能就有所提高。 3 1 1 脉动补偿的原理及改进设计 基于文献【2 7 】的工作，本文给出了图3 2 所示改进的脉动补偿电路。这个电 圈3 2 改进的脉动补偿电路 路由带通滤波【2 剐和线性变压器构成。 对于整个a p f c 电路系统，由于补偿 电路所处理的功率是输出脉动功率， 所以补偿器对于系统的大信号瞬态 特性几乎无影响。为取出输出电压的 二次纹波，我们对图3 2 中带通滤波 作如下的设计。 山东大学硕士学位论文 a ) 确定带通滤波器的频带宽度b b = 甜2 - - i ，其中国2 为上3 分贝角频率，国i 为下三分贝角频率。设定2 为9 4 2r a d s ，m l = 3 1 4r a d s ，则b = 6 2 8t a d s 。 b ) 确定中心角频率( - 0 0 中心角频率按c o o = ( a 礁+ a h ) 2 计算得m o = 6 2 8r a d s 。 c ) 确定带通滤波器的选择性因子q 选择性因子根据q = 国0 b 计算为q = 1 。 d ) 确定电阻r 卜r 2 和l b 取c = c i = c 2 = 0 1p f ，则 中心角频率o 、选择性因子q 与r 卜r 2 和r 3 有如下的关系： = 否1 、i i i i i + i i j ( 3 - 2 ) 2 否、i i + i p 。2 ) q = 婀亡+ 专 p ， 中心角频率处的增益h 0 可表示为 h o _ 熹 ( 3 - 4 ) 取i - i o = o 7 ，则由( 3 - 2 卜( 3 - 4 ) 式，可计算确定得r i - - - - 2 2 7k q ，r 2 = 1 2 2k q ， r 3 - - - - 3 1 8k 1 2 ，c i = c 2 = 0 1i t f 。 由带通滤波的移相特性，取出的二次纹波的相位将移动- 1 8 0 0 ，经线性变压 器便补偿了输出电压中二次纹波。需要指出，与文献 2 7 1 的工作比较，本文的设 计直接将二次纹波相位移动1 8 0 0 ，由此可获得较佳的补偿效果。另外，这罩的 脉动补偿电路结构也比文献【2 7 】的简单，从而改善了文献 2 7 1 的工作。 3 1 2 电压环的优化 这里，我们将通过两个方面的设计来优化电压环。 l1 降低滤波电容的大小 脉动补偿使二次纹波幅值大大减小，可以通过这种方法得到一个较高的电压 环穿越频率，从而提高了电压环的带宽这样就可以采用更小的滤波电容c 。， 减小了装置体积，也降低了电路滤波时间常数。由于增加了脉动补偿，意味着即 山东大学硕士学位论文 使输出滤波电容取得很小输出端的二次纹波值也很低。 由此- 我们将c 。的取值由不加入脉动补偿时的8 0 0 心减小到5 0 0p f ，从而 减少了装置的体积。 2 ) 电压环带宽的优化 不加脉动补偿，相应于8 0 0t a f 的c 。，能够通过下式 x2 赤( 3 5 ) 计算得到输出电压中的二次纹波幅值v o 。约为2 4 9v 。因此，我们经验地估计 经过补偿后的v o x 为1v ( 实际上更小) 。 按照电压误差放大器的设计方法，误差放大器在二次谐波频率上增益值可由 g ”= 当 p s ， 计算得到。其中a v v e a 为4v ，电压误差放大器输出端允许的纹波电压失真总量 a u h 为0 0 1 5 ，这样g v a 便确定为0 0 6 。由此，我们可进一步确定反馈网络参数 c v f ，r ”( 见图3 i 中反馈网络部分) 取r = 5 1 1k q ，则通过式 c w 2 丽瓦1 ：而_ ( 3 - 7 ) 可确定得c v f = 0 0 5 1i - t f 。 基于确定的c w ，由( 3 - 1 ) 式计算的穿越频率 厶= ，2 瓦而丽i = 两箍i 丽丽2 3 4 h z 这样，通过 。赢东石( 3 - 8 ) 确定r v f = 1 3 0k o 。文献【4 ，2 7 】应用传统的方法和未经优化设计的电压环穿越频率 均低于2 0 h z 。 这里的设计表明，经脉动补偿及优化后的穿越频率比未补偿的提高了约1 0 h z ，也明显优于文献【4 ，2 7 f 撇果。知的显著提高，较大地改善了电路动态性能。 山东大学硕士学位论文 3 2 电源输入滤波器的设计 由于a p f c 电路采用平均电流控制模式，仿真的开关频率设定为1 0 0k h z 能 够使电感电流更加紧密跟踪电流参考信号，从而获得较高精度的电感平均电流。 然而，这种控制方式，必然使输入端的电流波形存在大量的开关纹波并产生谐波， 降低了功率因数。为此，我们加入了输入滤波器，使输入端电流波形上的丌关纹 波很大地衰减，电流波形成为非常平滑的正弦波。 3 2 1 电源输入滤波器原理 a p f c 电路输入滤波器通常要求满足以下条件： 1 ) 输入滤波器的加入要保证系统的稳定。 2 ) 极大地衰减开关噪声。由于本文采用的开