（控制理论与控制工程专业论文）高性能acdc变换器简易控制方法研究与实现.pdf

摘要 摘要 电能的高效利用和低谐波污染越来越受到各国的重视。a c d c 开关功率因 数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，简称p f c ) 预调整器可实现电能变换的高功率 因数、低总谐波含量，因此一直是电力电子领域的研究热点。 本文旨在提出用于单相a c d c 预调整器的简易控制技术，从而可提供一种 易于实现的低成本控制芯片解决方案。文中首先对应用于单相低功率的a c d c 预调整器进行回顾，研究近年来提出的用于p f c 的简易控制技术和分析方法， 分析其在应用领域中的优缺点，并对业界常用的控制芯片进行了分析和归纳。 在此研究的基础上，第二部分提出一种无电压检测的控制技术线性斜 率跟随器。该方法从a c d c 预调整器的工作特点出发，以只检测电感电流实现 功率因数校正和输出电压调整的控制目标，其优点是节省了输入及输出电压传 感元件，减少了传感引入的干扰，简化了电路实现，易于集成和用芯片实现。 文中分析了其工作原理、大信号特性、稳定性和控制误差的来源，为设计提供 了指导；第三部分，以线性斜率跟随器方法与预测无差拍控制技术结合，实现 一种新的用d s p 实现的数字功率因数校正嵌入式技术。此方法可进一步节约 d s p 资源，通过优化算法，提高了效率和控制精度。实验结果验证了其可行性。 第四部分给出了控制芯片中几个关键问题的研究和实现，用5 v - c m o s 工艺设计 了3 0 v 的高压器件，作为控制芯片输入和输出接口电路的电平转换器件，并以 此设计了电源调节器及功率开关的智能保护系统，分析了实验结果。以上电路 可应用于任何开关变换器的控制芯片中。 最后，讨论了a c d c 变换器的发展趋势以及分析了论文中还需进一步提高 的工作。 关键词：单相a c d c 预调整器功率因数校正线性斜率跟随器控制芯片 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e re n e r g yt r a n s f e r r i n gw i t hh i 9 1 1e f f i c i e n c ya n dl o wh a r m o n i cp o l l u t i o na le p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h ew o r l d a c d cp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) p r e 。r e g u l a t o r s ，w h i c hc o u l dm a k ep o w e rc o n v e r t e r st or e a l i z eh i g hp o w e rf a c t o ra n d l o wt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) ，a r ea l w a y sah o tr e s e a r c hf i e l di np o w e r e l e c t r o n i c s t h em a i ni n t e n t i o ni nt h i st h e s i si st op r e s e n tas i m p l ec o n t r o lt e c h n i q u ew h i c h c o u l dp r o v i d ea ne a s i l yi m p l e m e n t e dc o n t r o li n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) s o l u t i o nf o r s i n g l e p h a s ea c - d cp r e 。r e g u l a t o r s l o wp o w e rs i n g l ep h a s ea c - d cp r e - r e g u l a t o r sa r e r e v i e w e di nt h ef i r s tp a r t ：r e c e n t l yp r o p o s e ds i m p l ec o n t r o lt e c h n i q u e sa n da n a l y s i s m e t h o d si np f ca r es t u d i e d ；t h e i rf e a t u r e sa r eo u t l i n e da n dc o m p a r e d ；c o m m o n l y u s e dc o n t r o li cc h i p sa r es u m m e d u pa n da n a l y z e db r i e f l y w i t ht h es t u d i e sa b o v e ，an o v e lv o l t a g es e n s o r - l e s sc o n t r o lt e c h n i q u e l i n e a r r a m pf o l l o w e r ( l r f ) i sp r e s e n t e di nt h es e c o n dp a r t l r fi sb a s e do na c d c p r e - r e g u l a t o r s c h a r a c t e r i s t i ct or e a l i z et h eo b j e c t i v e so fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n d o u t p u tv o l t a g er e g u l a t i n gb yo n l ys e n s i n gt h ei n d u c t o rc u r r e n t l r fc o n t r o lt e c h n i q u e h a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：s a v i n gt h es e n s i n gc o m p o n e n t s ；r e d u c i n gt h en o i s e c o u p l i n gf r o mp o w e rc i r c u i t s ；s i m p l i f i n gt h ec i r c u i tc o n f i g u r a t i o na n di m p l e m e n t i n g e a s i l yi ni c t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，l a r g es i g n a la n a l y s i s ，s t a b i l i t ya n dc o n t r o le r r o r a n a l y s i sa r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l yt op r o v i d ead e s i g nr e f e r e n c e i nt h et h i r dp a r t ， w i t ht h ec o m b i n eo fl r fm e t h o da n d p r e d i c t i v ed e a db e a t ( p d b ) c o n t r o lt e c h n i q u e ，a n o v e ld i g i t a lp f c ( d p f c ) e m b e d d e dt e c h n i q u ei s p r e s e n t e dw h i c hc o u l ds a v et h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) r e s o u r c e s h i g he f f i c i e n c ya n dc o n t r o lp r e c i s i o na r e r e a l i z e dt h r o u g hf u r t h e ro p t i m i z e da r i t h m e t i c t h ef e a s i b i l i t yi sv e r i f i e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nt h ef o u r t hp a r t ，s e v e r a lk e yi s s u e si nt h ec o n t r o li ca r es t u d i e d a n dd e s i g n e d 3 0 vh i g h - v o l t a g ed e v i c e sa r ed e s i g n e dw i t h5 vl o wv o l t a g ec m o s p r o c e s sw h i c hc o u l db et h ev o l t a g el e v e rs h i f td e v i c e si nt h ei oi n t e r f a c e so fc o n t r o l i c t h ep o w e rs u p p l yr e g u l a t o ra n dp o w e rd e v i c e ss m a r tp r o t e c t i o nc i r c u i t sa r e a b s t r a c t d e s i g n e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r cv e r i f i e d t h ep r o p o s e dm e t h o da n dc i r c u i t s c o u l db ea p p l i e di n t oa n yc o n t r o li co fp o w e rs w i t c h i n gc o n v e r t e r s f i n a n l l y , t h en e wd e v e l o p m e n t si na c - d cc o n v e r t e r sa r ed i s c u s s e da n dt h e p r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e r s t u d i e si nt h ed i s s e r t a t i o na g oa n a l y z e d k e yw o r d s ：s i n g l ep h a s ea c d cp r e - r e g u l a t o r s ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，l i n e a r r a m pf o l l o w e rc o n t r o lt e c h n i q u e ，c o n t r o li c l i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位孳文作者签名：倍搠蛔 a 伪7 年r 月。z d 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：啷诵润产 抄7 年r 月二d 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 固态a c d c 变换器电源广泛应用于调速驱动、开关型功率电源、不问断功 率电源、一些接口电路( 如与太阳能光伏发电等非传统的电源接口) 、电池储能 系统、一些工艺技术( 如电镀、焊接等) 、电器工具的电池充电器以及通讯系统 或测量设备的功率电源等。a c d c 变换器也叫整流器，用二极管和晶体管以单 向或双向功率流动方式得到一个可控或不可控的直流电源【l 。1 1 。功率电源的一端 接在交流市电，由于负载的非线性特性应用时会引入大量的谐波于电网。电流 谐波的注入，会带来以下缺点：电压失真、交流端功率因数低、负载端直流电 压有低频变化的纹波、效率低并且滤波器的体积较大。 由于应用不断增长，新的整流器随着新器件的使用发展起来。这样的设备 一般叫做变换器。为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世界上许多国 家和相关国际组织制定出相应的技术标准以限制谐波电流含量，如i e e e 5 1 9 、 i e c 5 5 5 2 、i e c l 0 0 0 3 2 、e n6 0 5 5 5 2 等标型1 2 。14 1 ，它们规定了供电系统允许产 生的最大谐波电流。我国也于1 9 9 4 年颁布并实施了电能质量公用电网谐波 标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) i s 】。 要满足“标准的要求，功率电源中传统的二极管整流器都被功率因数校 正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，简称p f c ) 电路所代替。带有p f c 的整流器可以 降低谐波含量并且使功率因数达到接近于1 。若要达到高电源品质的a c d c 变 换器，则对输入a c 端加入p f c 电路，保证输入电流正弦化且很低的谐波，在输 出d c 端加入d c d c 调整器，可得到一个稳定的精确控制的直流电压。但是， 成本也会提高，所以设计时，应按照应用场合和负载要求，选择合适的控制实 现方法，综合考虑成本和品质。虽然全功率因数是理想目标，但对于调整器来 说并不完全必要，例如i e e e 5 1 9 及i e c l 0 0 0 3 2 允许线电流中存在一定量的谐 、波【3 】【1 2 】。因此近年来提出了许多比两级控制( 即功率因数预调整器加d c d c 控 制的方法) 更具优势的解决方案，如适合于小功率场合单相单级控制电路的简 易控制方法。 对于单相中小功率的a c d c 变换器，如各种小功率通讯设备电源、电脑电 第1 章绪论 源、各种消费电子的适配器等，既要求高的品质又对成本有更多限制，因此本 论文工作以单相a c d c 预调整器为研究对象，并结合我国的实际情况和工艺水 平提出一种满足国际标准的低成本解决方案。 1 2 高性能开关a c d c 变换器研究背景 1 2 1 应用背景介绍 电能是现代社会最重要的能源，各个领域的技术设备几乎都是用电设备，都 需要由一定类型的电源供电。在电力系统中，公用电网提供的电源是固定频率 的某一标准等级的单相或三相交流电源，但是，用电设备的类型、功能干差万 别，对电能的电压、频率要求各不相同。这就需要我们把公用电网的电能经过 变换处理后得到一定条件的电能，来满足不同用电设备处于各自最佳工作情况， 以获得最大的技术经济效益。经过变化处理后再供用户使用的电能占全国总发 电量的百分比值的高低，已成为衡量一个国家技术进步的主要标志之一。因此， 研究实用的高性能的功率变换装置于经济效益及于节约能源方面都具有非常重 要的意义。 1 2 2 电力电子学的发展为高性能电源的创新提供了广泛的空间 电力电子技术已经发展成为- - f j 新兴学科。该学科横跨“电力”、“电子 及“控制”三个领域【l o 】，按美国i e e e 电力电子学会的定义，电力电子技术是“有 效地使用电子半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电 能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的 变换”。因此电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分， 其中电力电子器件是电力电子技术发展的基础和关键，它主宰了电力电子设备 的先进性和可靠性。八十年代，新型功率m o s 器件和以其为基础的灵巧功率集 成电路( s m a r tp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ，缩写s p i c ) 随着微电子技术的进步而迅 速发展起来。它们融功率半导体、信息电子学、超大规模集成电路、电机学和 计算机辅助设计为一体，成为未来工业自动化、汽车制造业、航空航天技术和 其它高新技术工业的基础产业。特别是s p i c 在目前微电子走向系统集成的情况 2 第1 章绪论 下起着越来越重要的作用，有专家甚至称s p i c 的发展将会引发第二次电子革命 【1 6 】。新型电力电子器件不断涌现以及各种控制方法的研究为高性能电源产品的 创新提供了必要的条件。 1 2 3 对于a c d c 变换器研究的意义与实际应用价值 电源分为直流电和交流电两大类。变换的特定含义是由一种状态转变到另 一种状态。电力变换包括电压( 电流) 的大小、波形及频率的变换。在电力变 换基本类型中，a c d c 整流变换器是电源产品中的基础部分，如图1 1 所示， 它的性能直接影响整个电源的质量。 不同的负载要求用不同的电源装置，一个特定用途的电源装置应当具有符 合负载要求的性能参数和外特性，如高效率、高功率因数、低噪音、低谐波污 染等都是高性能电源的重要品质。电能变换技术涉及的技术非常多，常见的有 参数稳压、线形反馈稳压、数控调压技术、相控技术、变频调控、脉宽调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n , 简称p w m ) 技术、正弦p w m 、软开关p w m 、功率因数校 正技术、传感采样、驱动保护、抗干扰、电磁兼容等。 图1 1 功率系统方框图 当今世界环境保护问题日趋严重，如何节约能源是世界共同关注的问题。 目前所有的能源中，电力方面的能源约占4 0 ，而电力能源中有4 0 是经过电 力电子设备的转换才到使用者手中。其中5 5 以上是在马达和马达控制方面， 第1 章绪论 2 0 是照明方面。在这两个主要项目里，电力电子能产生很大的作用，如果用很 好的电力电子技术去转换，人类最少可节省约1 3 的能源。目前，这l 3 的能源 相当于8 4 0 个发电厂发出的电能。预计十年后，电力能源中的8 0 要经过电力 电子设备的转换。若应用高频电力电子技术可以使电气设备重量减轻、体积变 小、节省大量铜、钢等原材料。广泛采用电力电子技术后，可以节省大量的电 力，这就可以节约大量资源和一次能源，从而改善人类的生活环境。此外，如 果在电力系统的适当位置设置电力变换器或电力补偿控制器，并进行实时、适 当的控制，就可以改变电力系统中的有功、无功电流，并对正常运行和发生故 障时电力系统的功率平衡要求予以快速补偿，这将能显著提高输电系统的极限 传输功率能力，改善电力系统的运行特性。综上所述，本论文的工作在提高电 源质量及节约能源方面都具有很强的应用价值和意义。 1 3 开关a c d c 变换器文献综述 高品质a c d c 变换器的实现技术已发展到了成熟阶段，其在a c 输入端可 实现低谐波电流、高功率因数、低电磁干扰( e m i ) 和低射频干扰( 1 强i ) ，在 负载端可提供一个精确调控和高品质的d c 输出电压来满足负载从几分之一瓦到 几百千瓦的应用范围。最近二十年，随着各种结构、控制方法、固态器件和电 路集成、磁性材料等发展，使各种变换器更有特色。a c d c 变换器有如此显著 的发展其中一个重要的原因是器件的发展。在小功率范围，m o s f e t s 因具有高 的开关速度和低损耗的性能，有无可超越的优势；在中功率范围，采用p w m 技 术，i g b t 则是这些转换器中的理想器件；在更高的功率范围，g t o 因其自关断 及反向阻断能力在几千赫兹的频率下工作而应用广泛。另外一个突破是在 a c d c 变换器的控制中使用快速响应的霍尔效应电压和电流传感或反馈隔离 放大器，来得到一个高水平的动态和稳态性能。 实现高品质a c d c 变换器技术的另一个主要推动力是微电子的发展，由于 巨大的需求空间，许多制造商发展智能功率模块，为提高电源品质提供一个低 成本、高效率和小型结构的解决方案，如u n i t r o d e ，a d ，s i e m e n s ，f a i r c h i l d 掣1 。7 1 ， 都开发了成本、效率和集成度方面具有优势的集成电路来控制这些变换器。而 且，高速高准确性的微控制器和数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简 称d s p ) 目前也具有合理的低成本，许多处理器用软件直接得到p w m 输出，用 4 第1 章绪论 在这些转换器中，将使硬件明显减少。以下各小节将从a c d c 变换器的拓扑结 构、控制技术及控制芯片、高压器件及新的集成技术三个主要方面进行介绍。 1 3 1 拓扑结构 a c d c 变换器分为功率级和控制级两大部分。系统功率级以其基本的拓扑 结构可分为单向或双向功率流动的升压、降压、降压升压、多级转换器共八大 类【4 】。双向功率流动的转换器应用于一些需要功率双向流动的场合，如交流马达 驱动、电池充放电等。本论文以单向功率流动的应用为主，故主要介绍单向的 四种实现变换器的结构。 1 单向升压变换器 由二极管桥式整流器和以滤波储能元件组成的升压型转换器组成，如图1 2 所示。在这些转换器中用高频p w m 和电流控制技术控制内部的电流环和外面的 电压环，以实现快速响应以及高品质的输入交流和输出直流。其优点是：体积 小，重量轻，结构紧凑，成本低，并且即使在很宽变化范围的交流输入电压( 9 0 v 到3 0 0 v ) 及频率( 4 0 h z 到7 0 h z ) 下，仍可提供一个调节速度快且稳定的直流 输出电压。缺点是：输出电压只能高于输入电压，元器件的应力较大。其主要 应用在：电子镇流器、功率电源、变速交流马达驱动( 在压缩机、冰箱、泵和 风扇等) 。 ，r l d l ll 一奎 = c 0 匡 l 】l 一l 图1 2 单向升压变换器基本拓扑形式 2 单向降压变换器 基本拓扑结构为二极管桥式整流器和以滤波储能元件组成的降压型转换器 组成，如图1 3 所示。降压变换器可以得到需要的各种直流电压，且拥有很好的 电源品质如交流输入侧很高的功率因数、低t h d 、稳定的输出直流电压、较快 第1 章绪论 的响应速度和较小的元件应力。但是在输入电压很小时容易出现交越畸变，从 而使t h d 值增大。其主要应用在：小功率的直流马达调速系统、电池充电、隔 离的可调直流电源等。 u 4 l i 】 一【 i _ _= c 0 匡 一 【d jjkl 图1 3 单向降压变换器基本拓扑形式 3 单向降升压变换器 这种转换器通常由二极管整流器和降升压( b u c k b o o s t ) d c d c 转换器组 成，如图1 4 所示。现有b u c k b o o s t 转换器电路结构即有非隔离式的又有隔离 式的。高频变压器隔离可给电压调整提供更好的控制，对于负载设备更安全， 结构紧凑，降低了重量、大小和损耗，以及提高了对负载变化的适应性。用谐 振开关的软开关可用来降低开关应力及器件损耗，若工作于高频，可进一步降 低磁性元件和储能元件的大小。其主要应用在：开关型功率电源、铁路信号、 电池充电器、不间断功率电源小功率的无刷交流马达驱动等。 上生上 l ，r i l - _ 一 。 l l i】 _-_ j【d 每 = c o 瓜 l 一l 图1 4 单向降升压变换器基本拓扑形式 4 单向多级变换器 基本结构由二极管整流器、p w m 控制器和有源双向开关来实现，如图1 5 所示。这些转换器不仅在a c 输入端提供高的功率因数及低的t h d ，而且在输出 6 第1 章绪论 端提供可控的无纹波的d c 电压。这种结构可降低元件应力亦可在较低开关频率 下有同样的性能，所以可实现低开关损耗和高效率。其主要应用在：变速驱动， 如带一个转向装置的无刷马达，或用于空调、变速风扇、泵及压缩机等。 门一 ll s i =c o l 广 匡 u 、! _ j rl j _-_ c 0 2 lj s 2 = 图1 5 单向多级变换器基本拓扑形式 以上是按电压变换方式分，若按控制级别来分可分为两级控制的a c d c 变 换器和单级控制的a c d c 变换器。对于a c d c 变换器采用两级控制( p f c 加 一个d c d c 转换器) ，常用电路如图1 6 所示，是得到高电源品质的最好的选 择，原因如下： 1 ) 正弦线电流保证其适应各种调整器； 2 ) 在一般的线电压下拥有良好的性能； 3 ) 更容易做到输入和负载之间的隔离以及较长的保持时间； 4 ) 控制存储电容电压可以部分补偿由于能量处理两次带来的低效率。 两级控制的a c d c 变换器虽然可实现很高的电源品质，如输入端有正弦波 形和固定的输出电压，但是也有以下的限制使其成本较高： 1 ) 预调整器中需要两个控制环； 2 ) 一个很大的存储电容； 3 ) 一个额外的带有控制电路的d c d c 控制器。 l 一一一。l广一一一1 l j 1 】 【ji ； i i l 冒 != c 。! r i j l jjc ； 1 l ；ii 1 i b 0 0 s t !f i y b a c k ! 一一一二。一j 7 第1 章绪论 图1 6 两级控制a c d c 变换器的一种常用实现方法 由以上分析，采用两级控制方法虽然可实现很高的电源品质，但却成本很 高。实际上，由于输入电压为常量可以简化第二个阶段的设计。虽然全功率因 数是理想目标，但对于调整器来说并不完全必要，例如i e e e 5 1 9 及i e c l 0 0 0 3 2 允许线电流中存在一定量的谐波，因而近年来提出了许多比两级控制更具优势 的解决方案：一种是从拓扑结构出发，即单相单级控制方法，由一个d c d c 变 换器和由电感和二极管组成的输入电流整形单元( i n p u tc u r r e n ts h a p i n g ，简称 i c s ) 组成【1 8 。2 7 1 ，如图1 7 所示；另一类则是从控制方法出发，提出优化的简易 控制技术，该部分内容将在第二章作详细阐述。 i 一一一1 图1 7 单级控制的a c d c 变换器常用实现方法 1 3 2 控制方法及相应控制芯片 控制策略是提高电源品质技术的心脏，通常由三部分组成。控制的第一部 分是，感知和测量用于控制的基本变量来提供给用于反馈中控制算法的处理器。 被感知的信号是输入整流脉动电压、电源电流和输出直流电压等，在某些情况， 也检测一些额外的信号，如电容电压或用于转换器中间级的电感电流。交流电 压信号可采用电压互感器感知；在小功率电源领域，霍尔效应电压传感器、隔 离放大器和低成本的光耦合器可用来感知直流电压。传感得到的这些电压信号 要使其满足输出负载要求的正确的幅度，然后提供给如a d c 处理器或是过流检 测器作为输入信号。电流信号的传感可用电流互感器、霍尔效应电流感知器、 低成本分压电阻或隔离线圈来降低成本。这些电流信号同样满足一定的条件并 用于不同控制阶段的反馈，如在控制算法，或电流控制阶段和p w m 控制器或两 第1 章绪论 级控制器中都会用到。为避免控制中的噪声问题，这些信号有时通过模拟硬件 电路或通过处理器软件来滤波。感知的电压、电流信号可用于监测、测量、保 护、记录或显示各种性能指数如总谐波失真( t h d ) 、转移因子、失真因子、 功率因数、波峰因数、个别谐波、纹波因数、纹波比例、浪涌和尖峰电压和电 流、元件应力等。智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ，简称i p m ) 的发展， 可以在m o s f e t 与i g b t 器件中来间接传感这些信号，从而降低成本，提高可 靠性。 控制的第二部分是控制策略的中心，负责整体稳态性能和高次瞬态的控制 算法。控制算法的实现方式有模拟控制器、低成本的微控制器、快速多位数字 信号处理器、专用集成电路等，其选择取决于速率、客户要求的成本和转换器 类型。各种控制方法的应用，使这些变换器具有快速的动态响应，并可在很宽 的工作范围里维持稳定性。 第三个控制部分是给转换器中的开关器件提供一个驱动栅信号。参考电流 和感知电流用于电流控制器中，可直接产生开关信号。许多电流控制器用回滞、 p w m 电流或p w m 电压控制，通过比例、比例积分、比例积分微分、滑模控制、 模糊控制及神经网络等控制方法，即可采用硬件实现( 模拟或数字i c s ) 又可采 用同一个处理器( 即第二部分的d s p 或微控制器) 的软件实现。 提高电源品质的控制策略中的第二和第三部分可用感知的电压和电流信号 以集成方式实现。电压、电流或功率信号通过控制器来得到参考的电压和电流 信号以直接产生栅信号。控制算法的三个阶段若用集成方式实现，可提供低成 本、小型结构和快速响应的高品质电源控制技术。有些专门的驱动i c 可实现硬 件控制和功率器件之间的接口。目前开发出来的i p m 可同时提供驱动器和保护 电路。在a c d c 变换器中控制接口与功率模块的完成集成，可实现低成本、高 可靠性、高效率。陈星弼教授在功率器件与低压集成电路集成方面的发明【2 8 。2 9 1 ， 可用c m o s 工艺实现，将使s p i c 的制作成本大大降低。因为高电源品质的 a c d c 变换器有巨大的应用前景，许多半导体制造商开发出了专门的i c 来控 制这些转换器，如u n i t r o d e ( u c 3 8 5 4 ) ，t i ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) ，m o t o r o l a ( m c 3 4 2 61 ) ， a d ( a d m c 4 0 1 ) ，s i e m e n s ( t d a1 68 8 8 ) 等。 9 第1 章绪论 1 3 3 高压器件及新的集成技术 元件的选择对于达到一个高性能的a c d c 变换器是很重要的。在高品质电 源的a c d c 变换器中最主要的和高成本的元件就是功率器件。在小功率的转换 器中，通常用m o s f e t ，可达到合理的高效率甚至高的开关频率来降低磁性元 件的尺寸；中等功率范围中，i g b t 是很常用的器件，因其有很好的栅特性及工 作于宽的开关频率范围的能力，可达到磁性元件、滤波元件大小及开关损耗之 间的优化平衡。在高功率范围，则通常用g t o ，因其有自关断及反向电压阻断 能力的优势。 新器件的发明为功率电子的发展提供新的契机。陈星弼教授的复合缓冲 ( c o m p o s i t eb u f f e r ，简称c b ) 耐压结构的发明，突破了原硅功率管耐压和导通 电阻之间的限制，并由西门子公司在1 9 9 8i e d m 会上宣布实现，业界称为 s u p e r - j u n c t i o nd e v i c e 或c o o l m o s t 3 0 - 3 9 1 。c o o l m o s 及s i c 二极管在电源类产品 中的使用，大大提高了电源的效率【3 8 1 。c o o l m o s 用电荷补偿的原理对器件的关 键参数如导通电组、击穿电压、栅电荷等进行优化，相比传统的器件有很好的 电特性及动态特性。对于6 0 0 v 的器件，与传统的m o s f e t 相比，c o o l m o s 的 芯片面积缩小4 倍，对于8 0 0 v 的器件甚至可以大约缩小6 倍。主要的限制和挑 战来自于制造工艺中要精确控制电荷补偿。c o o l m o s5 0 0 v 器件专门为p f c 、谐 振桥式技术、软开关及双向转换器等结构设计，并由于其优越的性能而越来越 受到关注。为使c o o l m o s 的特性得到最好的发挥，可用具有超快的开关特性s i c 二极管来与其匹配，在阻断电压3 0 0 v 到1 0 0 0 v 以及开关频率高于5 0 k h z 的应 用领域中备受青睐。c o o l m o s 和s i c 肖特基二极管的组合使用可以提高功率电 源的效率，因工作于高频，可使无源元件更小，减小总体的尺寸，从而降低成 本。i n f i n e o n 技术实验室对此方面做了大量的研究和试验，并开发出应用于开关 电源中的控制芯片c o o l s e t l 4 0 j ，集成了控制电路与c o o l m o s 器件。 综上所述，为进一步提高性能，a c d c 变换器不断地有新发展。一些新的 趋势是采用软开关技术来降低a c d c 变换器中的开关损耗，工作于很高的开关 频率来提高动态响应和降低储能元件的大小( 输入输出滤波器、高频变压器) ； 嵌入式和多单元的方法用于包括p f c 功能的a c d c 变换器中，来提高性能和 消除e m i 无源滤波：单级转换器的新发展是不断提高效率，降低尺寸和提高可 靠性。 l o 第1 章绪论 传感器的减少同样使提高电源品质的控制技术发生变革，可降低成本和提 高可靠性。专用的a s i c 用于控制中，在新的应用中有很大的使用空间。多级转 换器的新方法可以使效率更高，降低器件应力并降低高频噪音。 新器件的出现可以使导通损耗更低，开关频率更高，更容易进行栅驱动等， 并使提高a c d c 变换器电源品质的控制技术有一个实质性的提升，尤其在高频 产品需要的低压直流电源中。功率集成技术的不断发展，将使尺寸减小，效率 增加，成本降低。邛m 中集成传感器、控制、栅驱动和保护信号，将为提高a c d c 变换器电源品质的控制技术的发展提供一个新的方向。总之，高性能的a c d c 变换器的设计目标是根据应用需要和标准的要求，提供一个高的电源品质( 如a c 输入端高p f 低t h d 及直流输出端纹波小等) 、高效率、高可靠性、低成本、小 尺寸的解决方案。 1 4 本文研究的主要内容 目前已提出的高功率因数的a c d c 变换器的实现方法已有许多拓扑结构， 对于有源功率因数校正的开关型电源结构，如何降低成本和提高性能是共同追 求的目标一寻求一种性能与成本的优化方案。在这些结构中滤波用的电感、电 容、开关功率器件、快恢复高压二极管等这些器件是必要的组成部分，也是造 成高成本的原因。减少它们的数量和体积可以降低成本，所以提出一种实用的 低成本、高性能的拓扑结构或控制方法具有很高的经济价值和实际意义。虽然 已有一些文献提出了许多简化的结构和方法来实现低成本，但其a c d c 变换器 的t h d 值却受到影响，而且不能保证在很宽的输入电压范围内都j 下常工作，这 些缺点都影响了其系统性能。 本论文主要进行的工作旨在 ( 1 ) 提出一种简易的控制技术，为控制芯片提供控制策略，应用于中、 小功率电源产品中的变换器，具有高的功率因数、低的t h d 以 及高品质的直流输出电压。 ( 2 ) 根据单相a c d c 预调节器及电源的技术指标要求，设计种高 效率的实用的a c d c 变换器用i c ，并争取能够在国内现有工艺 厂进行投片试验。 工作中拟解决的关键技术包括p f c 控制技术、传感采样、p w m 控制技术、 第1 章绪论 功率器件的驱动控制、功率器件的保护等。 本论文集中于对中小功率( 小于2 0 0 w ) 的单相a c d c 预调整器进行研究， 共分六章。首先，对研究对象a c d c 变换器以及研究方法进行总结；其次，提 出新的实用的简易控制技术并分析其工作特点和性能；最后为设计和验证部分： 在系统和控制方法方面，采用d s p 的方法来验证可节省实验周期；在控制i c 实 现方面，对其中的关键技术和模块进行了分析、设计和验证。 以下为各章的主要内容：第一章中总结近年来的研究成果；第二章将从拓 扑结构、控制策略、控制芯片、高压功率器件以及新的集成技术角度进行分析 总结，给出该领域的概况。尤其总结了从减少传感部件出发的各种简化实现方 法，分析了其优缺点；第三章主要介绍一种新的易于用芯片实现的控制技术一 一线性斜率跟随器的工作原理及性能分析，该方法不仅简化了a c d c 变换器的 实现结构，降低了成本，并且较其它的简化技术提高了系统的性能；第四章以 线性斜率跟随器方法与预测无差拍控制技术结合，实现一种新的用d s p 实现的 数字功率因数校正嵌入式技术，此方法可节约d s p 资源。通过进一步优化算法， 可提高效率和控制精度，给出了实验验证结果；第五章进行了控制芯片中几个 关键问题的研究和实现，采用上华的c s m c 0 6 工艺，对于电源部分做了以下工 作，用低压5 v 工艺实现3 0 v 高压器件，并设计5 v 的电压调整器供给低压控制 芯片工作，该电源模块的实现可简化外部的设计，尤其是大大的节省了能耗， 可提高整个变换器的效率；功率开关的智能保护系统是保证整个系统可靠性的 重要部分，本文亦给出了一些优化的实用方法。以上电路可应用于任何开关变 换器的控制芯片中。 1 2 第2 章用于单相功率因数校正器的简易控制方法研究 第2 章用于单相功率因数校正器的简易控制方法研究 高性能a c d c 开关变换器作为线电压和用户负载之间的接口模块，可使整 个系统达到最佳的性能和质量。电源的高质量可从两个方面来理解，一是对于 交流( a c ) 输入端来讲，要求有高效率和低谐波干扰；二是对于不同的用户负 载端，直流( d c ) 输出要有高稳定性和低纹波电压。对于单相a c d c 变换器， 功率因数预调整器便可实现以上的功能。系统采用不同的拓扑结构和控制技术 决定了其相应的控制器集成电路( i c ) 实现方法，高性能的控制( 采样值增加， 控制复杂) 必然成本相应增高。由于国际标准放宽了中小功率电源中对总谐波 含量( t h d ) 的要求，许多文献提出了以牺牲t h d 为代价的简易控制方法，其 实现简单及成本低的优点越来越受到关注，并在国际上掀起了研究热浪。 本章首先对国内外有关电源谐波的标准进行总结，明确设计目标。其次， 总结满足目前标准的用于单相功率因数校正器的简易控制方法，详细分析其优 缺点。最后，以升压型单相a c d c 变换器为例分析两个关键指标总谐波失真和 纹波电压的产生原因。 2 1 电源谐波标准简介 2 1 1 谐波危害以及制定谐波标准的目的 1 什么是谐波 理想状态下公用电网为用户提供恒定工频的正弦波形电压，提供给各类用 电设备。但由于供电系统( 如发电机、变压器、线路等) 参数的不理想或非对 称以及运行操作中各种故障等原因，且用电设备的非线性等影响，都使这种理 想状态在实际中无法存在。因此通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，除基 波外所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，即为谐波。或者说这些非基波 频率电压和电流，即为谐波电压和谐波电流。 2 谐波产生原因 我国经济的高速发展带动了电力电子以及各类消费类电子的快速发展，大 第2 章用于单相功率因数校正器的简易控制方法研究 量的换流设备在工业、交通、能源、化工、以及电气化铁路等行业应用，再加 上电弧炉、家用电器等非线性用电设备接入电网，并向公用电网注入谐波电流， 使公用电网的电压波形发生畸变，电能质量下降，这些换流设备和用电设备统 称为谐波源。其中尤为严重的谐波源是一些具有非线性、冲击性、不平衡特征 负荷、谐波丰富的应用设备，如半导体整流、可控硅整流的换流设备和电弧炉、 电焊机等非线性设备。 3 谐波的危害 谐波注入到公用电网，不仅降低电源质量，而且对公用电网产生的危害也 日益严重。据美国官方统计：近2 0 年来全球范围内因电能质量引起的重大电力 事故已达2 0 多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的国民经济损失高 达3 0 0 亿美元。谐波的危害主要包括以下几个方面：( 1 ) 谐波使电网中的元件 产生附加损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，尤其是三次谐波在中线 的叠加会使线路过热甚至发生火灾；( 2 ) 由于输电线网络中存在电感电容等寄 生效应，谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，如谐波放大会引起严 重事故；( 3 ) 谐波影响各种电器设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声 和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热，使绝缘老化， 寿命缩短以至损坏； ( 4 ) 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，使通信系统无法正常工作；( 5 ) 谐波会导 致各种保护和控制逻辑装置的误操作。 。 4 制定谐波标准的目的 由上分析，谐波是供电系统本身以及各种变流技术、非线性负载的综合影 响，无法完全消除，只能把公用电网的谐波量控制在允许范围内，以保证电能 质量，防止谐波对电网和用户的电气设备、各种用电器具造成危害，保持其安 全经济运行，并获得良好的社会效益。因此，制定谐波标准是保护电气环境， 节约能源，提高电能质量的重要保证。 2 1 2 国内外谐波标准简介 1 国标g b t 1 4 5 4 9 9 3 基于谐波对公用电网和用电设备的危害，实施谐波国标对保证设备安全运 行有重要意义。因此电力工业部( 原能源部) 根据国家标准局下达的任务而负 1 4 第2 章用于单相功率因数校正器的简易控制方法研究 责制订谐波国家标准电能质量公用电网谐波g b t 1 4 5 4 9 9 3 0 5 1 1 4 1 1 ，并已 于1