（电气工程专业论文）基于dsp的有源功率因数校正技术的研究.pdf

一。：。= ：一。! 蓬鬯蝥塞墼塑鍪塑黧鍪坠一= 。：一。= = = 一： a b s t r a c t t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e si np o w e rs y s t e m 、 i n d u s t r y 、t r a f f i ca n df a m i l yb r i n g ss e r i o u sc u r r e n th a r m o n i c , t h i sh a r m o n i cp o l l u t i o n h a r m st os y s t e ma n de l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n t s op o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t e c h n o l o g yb e c o m e san e wr e s e a r c hh o t s p o t b u tt h et r a d i t i o n a la n a l o gp f ch a s s o m e i n s u p e r a b i l i t ys h o r t c o m i n g ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lt e c h n i q u e ，m o r ea n d m o r ec o n t r o la l g o r i t h m sc a n b ei m p l e m e n t e di np o w e re l e c t r o n i c sb yt h ed i g i t a lc h i p s ： m i c r o p r o c e s 8 0 r so rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ( d s p ) + t h em e r i t so fd i g i t a lc o n t r o l ： s i m p l eh a r d w a r e , n ot e m p e r a t u r ed r i f t ，f l e x i b l ec o n t r o la n de a s yt or e a l i z ea d r a n t e d a r i t h m e t i ce r e ，m a k ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u et ob eu s e di np o w e rs u p p l ym a n u f a c t u r e t ol e ti tm o r ec r e d i b l ea n de a s i e rt or e a l i z ei nb a t c h e sw i t hl o w e rc o s t s i nt h ec u r r e n t i ti sp 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 rd e s i g n t h i st h e s i sd e s c r i b e st h em a i nc h a r a c t e r sa n dd e v e l o p m e n to fp f ct e c h n o l o g y , a n a l y z e st h em e a n sa n db a s a lt h e o r yo fa 1 1k i n d so fp f ct e c h n o l o g i e so ns t r u c t u r eo f t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lm o d e a n di l t u s t r a t e st h en e c e s s a r ya n dj m p o r t a n c eo ft h e d i g i t a lp f c + s t u d i e st h ew o r kp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g yo ft h eb o o s tp f cc i r c u i t i nt h e o r y , d e s i g n sas m a l lp o w e rd i g i t a lb o o s tp f cc o n v e r t e r , t h i sc o n v e r t e rw o r k si n a v e r a g ec u r r e n tc o n t r 0 1m e a n sa n db a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p , a d o p t sc u r r e n ta n d v o l t a g ed o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o la n dp tc o n t r o la r i t h m e t i c w es i m u l a t et h i sd i g i t a l p f cs y s t e mi nm a t t a b s i m u l i n ka n dg a i nt h ep a r a m e t e r so f t h e s y s t e m ，f i n a l l yw eg e t t h es a t i s f a c t o r yc o r r e c t i o ne f f e c tb ye x p e r i m e n t t h ec o n t r o lo fp f ci sd i g i t a lc o n t r o l ，i tb r i n g st h ea d v a n t a g e so fs a m p l ec i r c u i t 、 i m m u n i t yt on o i s e 、h i g hr e l i a b i l i t ya n dd e b u ge x p e d i e n t l y s oi ti se a s yt ou p d a t e s y s t e mw i t hi m m o v a b t ec i r c u i tt os a r i s f yt h en e e do fv a r i a t i o n a lc l i e n t s i nt h et h e s i st h eh o tp r o b l e m sa n dd e v e l o p m e n to fp f ct e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d f a r t h e r i te s t a b l i s h e sg o o df o u n d a t i o nf o rf u t u r er e s e a r c h 。 k e y w o r d s ：p f c , d s p ：b o o s t ：a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l ：p i ：d o u b l ec l o s e dl o o p 拜i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：易l 塑 日期：如彰年歹, e l f 7 日 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。本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：勿l 缓 m 导师签名：j 目盼 日期：谢年尹月f 7e t 日期：如z 年了月力目 第1 章绪论 1 1 功率因数校正的研究背景及意义 电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源之一。正是因为对电能的充分开 发和利用，人类才得以进入如此发达的工业化和信息化社会。虽然人类在电能的 产生、传输和利用方面已经取得了十分辉煌的成就，但是如何更加合理、高效、 精确和方便地利用电能，仍然是需要解决的重大问题。电力电子技术( p o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，p e t ) 的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命 性的变化，并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内，用电总量中 经过电力电子装置变换和调节的比例己经成为衡量用电水平的重要指标，目前， 全球范围内该指标的平均数为4 0 ，而至u 2 0 l o 年将达至u 8 0 t 1 1 。难而随着电力电子 技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中得到了广 泛应用，给电网带来了非常严重的谐波污染。多数电力电子装置通过二极管不可 控整流或采用晶闸管相控整流方式与2 2 0 v 交流电网接口，把电网交流电压变换成 直流，整流电路后面一般加大电容滤波c ，见图1 1 。使用这种电路的结果是，虽 然输入电压u i 。是正弦波，但输入电流l i 。波形却严重畸变，呈脉冲尖峰状，结果如 图1 2 所示，不可控整流电路功率因数只有0 6 o 7 左右，输入电流总谐波畸变t h d 高达1 0 0 2 , 3 2 1 。 不可控整流电路是个非线性电路，存在如下缺点： ( 1 ) 输入电流谐波含量高； ( 2 ) 从电网吸取无功功率，输入功率因数低； ( 3 ) 整流器效率低； ( 4 ) 交流侧电网电压产生畸变。 _- - 一 q l jk d jl 。r l - _ = c i 一 【jlj 图1 1 不可控整流电路 基于d s p 豹育潦翡率嚣数校正技术的研究 蘑。一。! 毳蓼= = = = o u 蚺 f 1 o、h l hj l2 f 一1 、， 豳1 2 不可按照流电路的俯翼波形 由j 毙霹见，大量应用不可控整漉瞧路，会使电网输入惫滚严重疃变为嚣正弦 电流，魏魅这释菲正弦电流的各次魂流谐波将会绘所处的电力环境造成严燕的后 聚： ( 1 ) 对其他用电设备于扰。由于电网固有的内阻，高谐波禽量的电漉会使其它 藤毫竣冬豹徐入交流耄簇发生穗交，瓣其运蠡产象影穗。 ( 2 ) 。影响电网的可靠慢。高谐波含量的电流将钕在三相电网系统的中线上产生 谐波电流的藏加，使中线上流过谐波电流。情况严重时，中线电流甚至会大于电 嬲熬糨电滚，降低了惫掰系统戆霹纛犍。 ( 3 ) 造成电能利用率下降。首先谐波电流的存在会导致电阿中无功功率的增 加这些无功功率将在熊最循环中产艇无谓的损耗。其次，无功功率将会加重电 髓传输装鬟的受担，造成这些装置的“假过载”现象【3 1 。 毫滚波形豹蕊变及潮就产生豹谐波给系统本身和周围酌魄磁环境带米一系列 的危害，特别是对电力系统、通信系统、仪器仪表和办公自动化设备的危害引起 了广泛的关渡，具体来说，这些危害主要表现在以下几方面t 3 1 ： ( 1 ) 瑟稼供毫系绞静穰瞧矮量。翔在毫添母线上鹃谮渡逛浚会导致电瓣魄匿豹 畸变，恶化分布供电系统的供电质爨。因为供电电源阻抗是脊限的，谐波电流将 在这个阻抗上产生谐波电压，导致电压波形跟着产生畸变，从而使同样联接在供 呶系统上骢凝它负载受到供电震量繇纯熬影晌。 ( 2 ) 商次谐波干扰遴讯系统。在射频频段上，离次谐波噪声将对附近的通讯线 路产生相当大的干扰，影响信号的传输质量，严煎时通讯系统不能工作。 ( 3 ) 谐波成份增加了输电、配电和用电的损糕，谐波电流分囊流过电麓造成了 额矫篆揍羧须耗；在毫力变基器中，谐波或 不键增翔了黎攒，还增热了磁滞和 涡流损耗；强电机中，谐波成份也给定子、转子带来额外损耗。 ( 4 ) 谐波电流及其产生的指波电压导致一些重要的控制、保护和测量裟鼹误动 磺士学往论文 作。当谐波电流及其产生的谐波电压达到一定值时，很可能对控制信号产生干扰 或弓l 起仅表误羲捧，特裂是锿觳予数据采样或逑零硷溅魏继邀器载误凌馋。谐波 还可能导皴系统失误。谐波会诱发系统的电气振荡及机械撒荡，振荡可能导致系 统的过载，而使器件损坏甚至系统破坏。 ( 5 ) 谐波和电流电聪之闻相位款驰存在使系统功率因数爨差，显著的降低了发 窀、输邀釉蘧毫孛静效率。 为了改蔷供电线路供电质量，1 缝界上许多翻家制定出相应的技术标准以限制 谐波电流禽量。例如，i e c 5 5 5 2 、i e c l 0 0 0 3 2 、e n 6 0 5 5 5 。2 等标准，它们规定了 突谗产生熬装大谐波嚷滚瓣羹篷。我蓬选手1 9 9 4 年矮毒了毫麓震量公震毫霹 谐波标礁( g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 ) 。那些采用普通非线性器件如_ = 极管、晶闸臀等的常 规整流装鬣已不符合这烛标准要求【4 1 。 喾漆麟誉 二 上图为输入电压，下圈为输入电瀛 偕波数 图1 ，3 不带p f c 的典型开关模式电源的输入特性及电流波 瞄的谐波成分 蚕 鼙“ 蓄_ ” 警一? ? ! 粤一一、 上隔为鞭入电压，下翻菊输入魍流 僭波数 豳1 4 带接近完美的p f c 的电源输入特性及谐波电静芄频谱分析 为了使输入电流谐波满足要求，必须加功率因数校i ( p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n 篾写是p f c ) e 近些年来，国内蛰功率嚣数控歪( p f c ) 技术波残麓毫力魄子菝寒 一个新的研究热点。图1 3 显示了誉带p f c 豹懿裂开关模式电源的输入特性及电 流波形的谐波成分a 基波( 在本例中为5 0h z ) 以l o o 的参考幅度显示，而高次 麟 慨 冁 眠 辫 舷 馘 蚺 懈 慨 麟 溉 基于d s p 的有源功率因数校正技术的研究 谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。注意到几乎没有偶次谐波，这是波形对 称的结果。如果波形包含无限窄和无限高的脉冲( 数学上称为6 函数) ，则频谱 会变平坦，这意味着所有谐波的幅度均相同。作为参考，图3 显示了带接近完美 的p f c 的电源输入特性及谐波电流频谱分析图，它的电流波形和电压波形的形状 和相位都极为相似。注意到它的各输入电流谐波几乎都为零。 功率因数校正技术诞生于2 0 世纪8 0 年代，它采用的是高频开关工作方式， 具有体积小、重量轻、效率高、输入功率因数接近于l 的特点。功率因数校正技 术对开关变换器的输入功率因数进行校正，不仅能够提高变换器功率因数，减小 了输入电流的谐波成份，而且减小了因谐波成份对电网以及通讯和自动化设备可 能产生的干扰，同时增加了同样电流有效值下的输入功率，提高电源转化效率。 因而功率因数校正技术已经受到了人们的很大关注 4 2 , 4 3 i 。 选择此课题研究的目的和意义具有如下几点： ( 1 ) 功率因数校正技术成为一门新兴的技术，它的作用和重要性已得到广泛的 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，提高电能质量保证电力系统安全稳定运行的重 要要求； ( 3 ) 针对谐波污染，国际上已经制定出相应的技术标准以限制谐波电流含量。 例如，i e c 5 5 5 - 2 、i e c l 0 0 0 3 - 2 、e n 6 0 5 5 5 2 等标准，它们规定了允许产生的最大 谐波电流的量值。随着这些标准的强制执行，以及i c 厂家的积极努力，推动了 p f c 技术的发展； ( 4 ) 在用电设备中采用p f c 来提高功率因数，提高了效率，减少了电源整机 成本，提高了可靠性，对于提高产品的竞争力具有十分重要的意义。 1 2 功率因数校正技术的发展 传统的功率因数概念是在线性负载( 如电阻、电感等) 条件下得到的，这时， 交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波，相位差为m ，功率因数为p f = c o s o 。最早由于使用大量交流电动机和各种电磁开关以及照明用电大量使用日 光灯等感性负载，对于功率因数校正技术的研究，人们通常在感性负载两端并联 移相电容，用容性无功功率补偿感性无功功率【1 6 】。 进入上世纪8 0 年代以来，电力电子设备中开关电源，相控整流器等非线性 负载大量投入使用，给p f c 技术提出了新的问题，人们最初采用电感器和电容器 构成无源网络进行功率因数校正，能使p f 值提高到约0 9 。随着功率半导体器件 的发展，有源功率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 简写为a p f c ) 技术 应运而生。1 9 8 6 年美国颁布功率因数等于l 的电源的专利，这是最早的较为 完整的升压式p f c 电路。8 0 年代是现代功率因数校正技术发展的初级阶段，此 间的研究工作主要是基于b o o s t 交换器，工作方式围绕连续导电模式或不连续导 毫模式熬壤谂疆究。 进入9 0 年代以聪，p f c 技术取褥了长足的进展。有关论文不断如现，1 9 9 2 年以前p e s cr e c o r d s ( i e e e 电力电子专家会议论文集) 上有关功率因数校正技 术的报道缀少，自1 9 9 2 年起，p e s c 设立了单蝴功率因数校难技术专题，这被看 作是擎穰旁源功率因数校正技术发篪嚣里程礴。麸诧，不耩有薪颖豹功率嚣数校 正原理、拓扑结构及控制方法出现。有源p f c 控制器由分立电路发展到集成电路， p f c 技术由理论研究也逐渐发展到实用化，已脊部分商业化产品出现。 我鏊爆餐p f c 按零酝突莛步较浚，嚣兹爨毅褥苓少邀缀。】9 9 4 零蠢关学会 组织了p f c 技术的专题研讨会。小功率带p f c 的开关电源也开始进入了实用阶 段，个别单位开始小批爨生产其p f 值达到0 9 9 ，t h d 褥盈运孬馕淤受系统阻抗鹣影璃， 若不使用调谐电扰器，缀可能会与系统电抗产缴并联谐振。但由于结构简单，目 前仍有使用。 ( 3 存滚凌搴因数绶囊( a p f c ) 法：它弱趱窍涎开关式a c d c 交换羧本，在 整流器和滤波电容之闻增加一个d c d c 开关变换器，直接使输入电流成为与电 网电压同相位的正弦波，提高p f 和抑制谐波。由于方案中应用了有源器件，故 称巍有源功率园数校越，楚称a p f c 。这秘方法对鼓术要求较蔑，但功攀毽数校 正效莱磐，在理论主霹将功率因数校歪翻o 9 9 2 王上；慧谐波璃变小；可敬较宽豹 输入电压濑圈和频率范围下工作；体积、重量小；输出电压w 保持稳定，可以为 后一级电路产生稳定的臌流电压。故目前这种技术已广泛应用于u p s 电源、电子 镶滚器、魄撬驱动毫滚、程控交换壤毫源等l i 。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文麓力予磅究瘸手嚣关电源靛毒潺葫攀瓣数较菱装鬟( a p f c ) ，实瑷基 于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片输出功率为i o o w 的商功率因数校蔗器的研究，设计出相 应的数字化控制硬件和软件平台。系统的输入电流谐波含量小，p f 近于1 ，输出 电压稳定、纹波电压小。 奉谂文鹃主要任务： 1 相关资料收集和研究分析 熟悉和掌握各种功率因数校正的基本工作原理和特点，从理论上分析和 蓦予d s p 静霄潦功翠因数控正拽术静研究 研究u c 3 8 5 4 a b 模拟控制p f c 电路原理和废； 2 ，数字接裁p f c 嫒终电路窝较锌匏设诗 跌瑷论上分桥鞍研究数字控制b o o s tp f c 电路的工作原理和关镳技术， 设计数字控制p f c 嫒件电路，逡用仿真手段对系统进行前期的验证工作，对 电路结构进行改进鞠完善，得出焱统初步参数。并设计数字p f c 控制软 串， 在软硬梅结合匏墓旗上磷镄凄输波功率为1 0 0 w 戆有源秘率因数控燕电路模 块。该电路模块以b o o s t 升压电路作为主电路。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理 芯片作为控制核心，采用了电压、电流双闭环控制和平均电流的控制方法来 实褒凌攀因数授垂； 3 软硬件联合调试，取得实验结果。 第2 耄功率因数校正技术的工作原理 2 。1 茺潦功率因数校正技术 最早p f c 技术是采用电感器羊臼电容器构成的l c 无源滤波网络进行功率因数 校正的。墩简单的无源功率因数校芷变换器是谯二极管整流桥后添加电感器或是 在整流揆熬增加l c 滤波霹终。如器避一步改善输入毫漉波形，可将滤波魄骞擞在 整流轿瑶，这对酶二檄篱的导逶螽增大，扶丽媲输入电流波形得药进一骖改善潍1 。 无源p f c 技术的主要优点是：电路简单，工作可靠、高效，电磁于扰( e m i ) 小、 低价格。然丽，无源方寨的主要缺点是：由于l c 是低频滤波电感和滤波呶容，函此 滤波电感秘澹渡遗容豹藏较大，霞魏俘获较大，魄臻往往较笨藏，露置难| 三l 褥戮寒静 功率因数( 一般可提高刹o 9 左右) ，输入谐波电流的抑制效果也不是很好。另外，如 果电源对保持时间( h o l d u pt i m e ) 商要求，由于电容电压的变化范围大戏当电网 捧电对，器赘增燕邀容缓采瀵是保持葬雩蠲敕要求。爨菹在实涨虚弱孛还受爨落稷、 重量、性价沈等各种溺索的限制，稿前主要在魄力系统中肖些应用 2 ”。 近年来，无源p f c 技术也有所缴展，典型的新型无源p f c 技术就是利用电容 秀珏二极管网络梅成的填拣( v a l l e yf i l l ) 方式p f c 整流电路，其基本结携鲡墅2 t j 箩 示。当输入宅压商予电容e l 和c 2 上静电篷时，两个电窬处于串联充电状态； 当输入电聪低于电容c 1 和c 2 上的媳压时，两个电容处于并联放电状态。由于电 容和二极管网络的串联特性，这种缡构增大了= 极管的导邋角，从而使输入电流 戆波形褥裂浚善。 u 8 一 l 一 jk一【 嚣 = c 1j_ d 3l l s 。 蚤 l l r ， l - ”l lj 一 _d2 一k 一k| 一l d l = = e 2 圈2 1 填谷方式p f c 整流电路 在m a t l a b s i m u l i n k 中建立填谷戏无源p f c 系统模型，仿真可得如圈2 2 所示 麴交流竣入毫莲u 。、电淡i 。鞋及羧爨逛歪瓣波形。臻蕊龚绩豢冒戳番密，壤签方 式无源p f c 电路较之不可控整流电路，电流波形得到改善，这种方式能够获得较 高的输入功率因数，可以达到0 9 以上。但从输入电流的波形来看，仍存在很大 。一：。二墼罂塑塑鳖黧塑鍪鬯堡一 的尖峰，离正豫波形相麓较远，不能很好地抑制输入电流中的谐波含赞。从仿真 波形巾还可发戮，采用填谷方式光源p f c 技术的a c d c 交换器输出电压的波形 绞波变大。 a ) 输入电压( 上) 和电流( 下) 波形 b ) 输出电压波形 燕2 ，2 壤答式p f c 整流泡路酌仿真结栗 2 2 有源功率因数校正技术 有源功率因数校正技术怒通过控制开关元件，切抉滤波电感和滤波电容充放 电能鼓实现功率因数的撼高。早期的有源功率因数校正电路怒晶闸管电路，进入 7 0 年代螽，涟瓣珐奉半等体器件韵发黢，拜关交换技术突飞猛进，到了8 0 年代， 觋代程源p f c 技术应运碟生。9 0 攀钱以来，蠢澡p f c 技拳疆是取褥了长楚戆连震。 由于变换器工作在商频开关状态，这张商源功攀因数校正技术具有体积小、菱量 轻、效率商、功率因数接近1 等优点【l 引。 围2 3a p f c 基本电路 辩蚕2 , 3 掰示，有源功率因数校芷静基本愚怒楚：将输入交流电聪进行全波 整漉，在整滤电路与滤波毫容之阕热入d c d c 交羧，遗过遥当控翻( 蠲赫宽诵 制p w m ) 使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，郎将输入电滤校委为输 入电压同相位的正弦波，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现稳压输出和单位功率因 数输入，使p f 提商到近似为1 0 。a p f c 技术适应了电力电子技术的发展方向 4 0 , 4 1 。 ， 甩 醺士学垃豫塞 _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 一i i _ _ - _ - _ - - - - _ _ _ _ l _ l _ - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - - i 从不嘲的角度看，a p f c 技术谢多种分类方法。按电网供电方式w 分为单相 a p f c 电路巍三挺a p f c 雹籍；双控裁方法采努，a p f c 毫鼹可鞋采臻辣竟调剿 ( p w m ) 、躲叛谖髓( f m ) 、单环魄压反镶控制、双环电流溺环控稍、电压电流 双闭环控制锝多种控制方法【4 0 】。 2 。2 。 a p f c 主电路鹣拓羚结榜 a p f c 的基本电路囱两大部分组成：主功率电路和控制电路，主电路的形式 来分，可分为单相硬许* 校正电路、单相软开必校正电路和三相校正电滕。单相 开关校芷电路主电路妊羚结稳常露德艇电簿l 秽建凝拜关s 缀合，使输入迄流线 往纯，逶常霄滋下a 种形式； a b o o s t 型p f 0 塞毫路嚣建燮 一凯 b ) 8 k 型圭趣落嚣理瓒 c ) f i y - b a c k 擞童照路原理圈d ) c u k 型璺电路原理匿 菡2 4 毒嚣臻攀霞鼗主毫舞薛矮挣续梅翳 1 舟聪式( b o o s t ) p f c 电潞【2 7 , 2 9 1 图2 4a ) 为升压型p f c 主电路韵原理图，遨种电路的工作过程如下：当开关 管s 导透辩，趣滚f ，流过瞧感线嚣l ，在遥感线鼹未魄帮翁，电流线佼增麓，亳 疆瑷磁麓静形式褚存在魄惑线瑟中，就对，电容g 敖窀为负载提供麓量；警并关 管s 关断时，由于线圈中的磁能将澈变线圈l 掰端的电压极性，以保持其电流， 不变。这样，线圈l 转化成的电聪圪与电源彰。攀联，以离予输出电压岛瞧客释 负载袋毫。这转毫舞鹃德赢是辕入懿流完全连续，著置在熬个输a 毫基懿歪弦藏 期都可以调制，因此可获得很高酌功率因数：电艨电流即为输入电流，释易调节； 犴关管门檄驱动信号地岛输出共地，驱动俺单；输入电流连续，开关管的电流峰 傻较枣，聪输入邀歪变化适应牲强，惩臻予爨驻变证特鬟太黪臻台。其主要嫒纛 为输密窀嚣必须太予输入电压静最大值，所以输出电压比较黼；不能利羽汗关管 蜜现输出绒路保护。该电路多使用乎7 5 2 0 0 0 w 功率电源。 2 降压式( b u c k ) p f c 电路 图2 4b ) 为降压型主电路的原理图，这种电路的工作过程如下：当开关管s 导通时，电流，流过电感线圈，在电感线圈未饱和前，电流j ，线性增加；当开关 管s 关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈两端的电压极性，以保持，不变。由 于变换器输出电压小于电源电压，故称它为降压变换器。这种电路的主要优点是 开关管所受的最大电压为输入电压的最大值，因此开关管的电压应力比较小：后 级短路时，可以利用开关管实现输出短路保护。该电路的主要缺点是：由于输入 电压大于输出电压，该电路才能工作，所以在每个输入正弦周期中，该电路有一 段因输入电压低而不能正常工作，输出电压较低，相同功率等级时，后级d c d c 变换器电流应力较大，开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动比较复杂，输 入电流断续，因此功率因数不可能提高很多，且噪声( 纹波) 大，滤波困难，开 关管上的电压应力大，输出电压极性与输入电压相反，应用较少。 3 反激式( f l y b a c k ) 变换器电路 图2 4c ) 为反激型主电路的原理图，当开关管s 导通时，输入电压加到高频 变压器的原边绕组上，由于变压器副边整流二极管反接，副边绕组没有电流流过， 此时，电容c 0 放电向负载提供能量。当开关管s 关断时，绕组上的电压极性反向， 二极管正偏导通，开关管导通期间储存在变压器中的能量通过二极管向负载释放。 这种电路的优点是功率级电路简单，具有过载保护功能。输出、输入间隔离，输 出电压可任意选择，简单电压型控制器，适用于1 5 0 w 以下的电源或整流器。 4 升降压( c u k ) 混和主电路 升降压( c u k ) 混和主电路，又称b o o s t b u c k 电路，如图2 4d ) 所示，由于 电路比较复杂，采用较少。 在这些主电路拓扑结构中，b o o s t 变换器具有电感电流连续，储能电感同时 也可以作为滤波器抑制射频干扰r f i 和电磁干扰e m i 噪声，电流波形失真小，输 出功率大，共发射极( 或源极) 使得驱动电路简化等优点，经常作为主电路拓扑 结构。 2 2 2a p f c 电路的级联结构 从p f c 电路和跟随其后的d c d c 变换器的级联结构来分，有源功率因数校 正电路可以分为单级p f c 电路和两级p f c 电路，分别如图2 4a ) 、b ) 所示。 单级p f c 变换器( s i n g l e - s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 是将p f c 级与d c d c 功率级中的一些元器件共用，只有一个开关管和一套控制电路，同时实现输入电 流整形和输出电压的快速调节的控制，通常共用的开关管是m o s f e t ，将这种方 法称为单级p f c 技术1 2 8 3 们。图2 5b ) 为单级p f c 变换器方框图，实际控制电路 只对输出电压进行快速的调节，因此单级p f c 变换器工作在稳定状态时，在电源 骥士学短论文 周期里占窳比基本不变。总的来说，单级p f c 的方案性能( t h d 和p f ) 比死源p f c 方案要好，经蚕翔薅级p f c 方寨，运转技本出予控刳捷肇，嚣器箨少，弱越枣凌 率场合非常适合，但它的功率因数、谐波等指标与功率缀效率、输入电蕊范围、 负载范围铎密切相关，因此设计和优化显得尤为重要。尽管单级p f c 方察的输入 功率因数誉如两级p f c 方寨好，但其输入电流谐波很小，仍满足i e c 橼准 。 8 0 “t - w 懈 斗 0 q w 嚣筮r t 一 | 毛j一删蠊| 一 a ) 两级p f c 电路嘏豳b ) 单级p f c 电路框图 匿2 5 煮源璃率困数棱瓣电路妁联级竣擒 嚣缓功率因数校燕技术经过多冬豹醣究，技术稳薅院较藏熬，是簸露月豹方 案。如图2 5a ) 为两级p f c 电路方糕图，该电路是由两个相飘独立的变换器分别 实现输入电流的整形和输出电压的快速调节，前级通常采用b o o s t 和b u c k b o o s t 变 挨器实现羧入浆电滚赘黟，其主要懋怒翅下：选择竣入邀压为一令参考繁罨，筏褥 输入电流跟踪参考信号，实现了输入电流的低频分量与输入电压为一个近钕同频 同相的波形，以提高功率因数和抑土匕谐波；同时采用电压反馈，使p f c 级输出电压 近似为平滑的直瀛输出电压( 具有个小熬二次潆波) 。磊级d c d c 变投器实现辕 遗电压移输入电压静黼离，并对输掰电压送行快速调节，最矮得到离精度豹直流 输出电压。 两级p f c 电路相对单级p f c 电路主要有以下优点； ( ) 奄爨辐癸夔选努燹广泛； ( 2 ) 线电压范围内都能达到功率因数校正的鞠的： ( 3 ) 输入和负载之间提供了隔离，保证一定的启动延迟； ( 4 ) d c d c 交换电路舂校太弱竣诗空阗，霹骧潢是不露痰建场合懿鬟爰。 在功率要求眈较大的场合，一般采疆两级p f c 电路，褥单级p f c 电路由于 成本低、翁控制、效率较高，近年来在一些低功率变换器上经常被采用f 8 】。 2 。2 。3a p f c 电路的泛传模式 狠据电路输入电流检测和控制方式，a p f c 电路的工作模式可分成掰种；电感 电流连续( c o n t i n u ec u r r e n tm o d e ，c c m ) 和电感电流不连续正作( d i s c o n t i n u e 。：。一。：! = ! ：一。鳖尘蝥墼黧窒丝塞鐾黧墼耋：一：! ：，：一。= 。；= ：一 c u r r e n tm o d e 。d c m ) 两犬搽。 d e m 控鞭熬方法又称舞电垂躐黥法，是a p f c 攘裁孛一释麓攀瑟叉实用漪方 法，应熏较辩广泛。d c m 轻裁方法静一个基本特点就是电感繇爨的完全传输，即 猩每一个开关周期中，转换电感郡必颁把从电源中获得的能嫩宠全转移到鬻能电 容( 输出电嚣) 中去。d c m 模式懿输入邀滚鑫动躁滚毫压，功率管实瑗零惑溅开逶， 不承受二凝镣戆反窝穰簧瞧流。毽怒囊予变换嚣王终在不连续导毫模式下，需要 较大的输入滤波器。开哭不仅要导遄较大的通态电流，而且将关断更大的峰值电 流并引起很大的关断损辣，使开关的使鼯寿命降慑，同时还会产生严重电磁干拄， d c m 模式霹娃采耀癯额控锻、交颏控剿、等嚣积控裁等茬铡方法，这耱工髂模式 麴p f c 一般功率小于2 0 0 w 。 c c m 模式的电感电流连续，输入电流纹波莘阱输出电流纹淤小、e m i 小，滤波 器体积小，邀滚峰僮魄d c m 模式癸小，器终匏藤力穗对恣雯夺。餐是它耱控裁 方法院较笺杂，开关损耗较大，铡作成本遣翁：较辩，通常霈溪使用乘法嚣，采用 电流闭环控制，且开关臀工作于变频戚p w l v l 控制方法。这种工作模式一般适用 予大功率、大电流的产黯巾壮，s 3 。 2 2 。4a p f 0 电路豹控潮方式 按照测擞控制输入嗽i j ；c 方法的不同a p f cw 以有多种控制方式，常用的控制 方法有三神，下蕊分别介绍这三群方法懿基本爨骥 3 , s l 。 l ，峰篷魄浚薤裁 在这种控制方式下，酋先由整流桥输出电联的检测信号和电压环误差放大器 输出信号的乘积产生基凇信号；然后用开关管电流取样信号与此基准信号挺逝较， 警牙关管奄滚取襻蓿号熊蜂僮枣予基潍谊专辩，嚣荚誊导逶；逡开美管魄滚取撵 信号酌峰值大予基准信弩时，开关管闭合。通过这种方式使输入电流的峰慎包络 绒跟踪输入电压波形，埘使输入电流均输入电压梢同，并接嘏正弦。峰值电流控 制工终波形熬强2 6 a ) 鞭暴，这静控锚方式采用窀滚不连续工律方式，电鼹麓擎， 翳予实现，铤是它静静缺点是：窀瀛曝值大，开芙管韵电流威力也大，商次谐波 含量大。 2 怠溅滞环控制 这转控戳技术毫穆凳双基难开关管控裁法( b b h ) ，在遮糖整裁方式巾，采 用两路电流潦准信号控制输入端电感电流，当电感电流下降到下基准信号时，导 通开关管使开兼管电流上升；当电感电流上升到上基准信号时，关闭开关餐使电 潦怒浚下酶通过这斡穷筑楚簸a 奄滚跟踪输入魄压渡委，萄使辕a 毫瀛灏瓣a 嘏压褥裙毪，并接近正弦波。电流滞环控制工作波形如图2 6b ) 所示，这种控制 方式的缺点魑：开关频举淹负载影响太大，使输出滤波器的谈：计难以优化。 a ) 峰值电流控制工作波形图 1 b ) 滞环电流控制工作波形圈 t t c ) 平均电流控制工作波形图 围2 6 三种控制方式工作波形图 3 平均电流控制 在这种控制方式下，同样由整流桥输出电压的检测信号和电压环误差放大器 输出信号的乘积产生基准信号，此基准信号与电感电流采样信号经电流误差放大 器比较后输出，然后与锯齿波比较后，给开关管输出p w m 驱动信号。通过这种 方式使输入电流的平均值跟踪输入电压的波形，可使输入电流和输入电压同相位， 实现接近1 的功率因数。平均电流控制工作波形图如图2 6c ) 所示。 这种控制方式的优点是： ( 1 ) 恒频控制； ( 2 ) i 作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、e m i 滤波器体积小； ( 3 ) 能抑制开关噪声； ( 4 ) 输入电流波形失真小。 主要缺点有：控制电路复杂；需要乘法器；还需要检测电感电流，添加了电 流控制环路。这种方法是目前在高频开关电源中使用最广泛的一种a p f c 控制方 法，这也是本论文所采用的电流控制的方法。 基于d s p 靛霄游功率西教校正技术静研究 2 2 5 基本功率因数校正技术 实王羹秘搴蠢数菠委豹逛鼹有多耪多撵，一般认灸奏嚣释鏊本戆畜源凌率毽数 校正技术，一种是交换器工作在连绒导电模式的“乘法器”型，另一种是变换器工 作在不连续导电模式的“电压跟随器”测。 l 。乘法嚣功率嚣数校正技术 在2 0 世纪8 0 年代中期，功率阂数校正器豹研究以乘法器方式为主，以b o o s t 拓扑为主回路的p f c 电路基本原理如图2 7 所示，该方法是将输入电流、电压、 输如电压等反馈信号通避乘法器进行薅数处理匿米控制瞬时开关电流，使电流等 效筐与输入魄压信号戏涎魄，麸嚣遮戮功率透数校正懿嚣静。霭孛b o o s t 交换器 工作在连续捋电模式，数电感电流就是输入电流。 p f c 控制电路主要由电压误差放大器、电流误差放大器、乘法器和p w m 驱 凌缓藏。控锈懿嚣蠡是壤簸入电滚紧密逸跟随羧入邀基费变绽，著傻竣懑绞渡尽 可能的小。为了使输入电流娠随输入电压的变化，控制电路对输入电压波形采样， 采样信号作为乘法器的一个输入；为了保持输出电压稳定，输出电压经分压、比 较和误差放大最作为乘法嚣静另一个输入，予是袋法器懿输爨其有输入瞧蹑的形 状盈萁幅鬣赉输出电嚣擦潮。乘法嚣鹃输出 箬为输入电流静蒸准信号，采样输入 电