（电力电子与电力传动专业论文）基于对偶变换理论的新型单级功率因数校正变换器研究.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 关键词：功率因数校正；对偶原理：单级功率因数校正技术；不连续电容电 压模式( d c v m ) ：电流型控制技术 i i a bs t r a c t i nr e c e n t l yy e a r s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sa r ep a i dt ot h ef i e l do fp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ( p f c ) 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 si m p r o v ep o w e rf a c t o r ，r e d u c e c u r r e n th a r m o n i c c o m p o n e n t s ，a n di m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o fe l e c t r i c e n e r g y t r a n s f o r m a t i o n t h e o b j e c t i v e so f t h i st h e s i sa r et os t u d ya n dd e s i g nan e w s i n g l e s t a g ep f c c o n v e r t e r b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lp f cc o n v e r t e r ，t h ed u a l i t yp r i n c i p l ei s a p p l i e dt od e r i v e n e w s i n g l e s t a g e p f cc o n v e r t e r t h e r e s u l t i n g d u a lc o n v e r t e r s o p e r a t e i n d i s c o n t i n u o u sc a p a c i t o r v o l t a g em o d e ( d c v m ) a n du s e t h ei n d u c t i v es t o r a g et o a c h i e v ep o w e rb a l a n c e t h ep r o p o s e dc o n v e r t e rp o s s e s s e st h e c a p a b i l i t y o fp o w e r f a c t o rc o r r e c t i o na n do u t p u tv o l t a g er e g u l a t i o n t h eo u t l i n eo ft h i st h e s i si n c l u d e st h e f o l l o w i n gh i g h l i g h t s f i r s t l y ，d u a l i t y t r a n s f o r m a t i o ni s e m p l o y e d t ot r a n s f o r mt h ec o n v e n t i o n a l b u c k b o o s tp f cc o n v e r t e r t h er e s u l t i n gd u a lc o n v e r t e rs i n g l e s t a g ep f cc o n v e r t e r h a st h es a m e p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o np r o p e r t y ，b u ti nt h ed u a lm a n n e r i ti sp r o v e dt h a t i n p r a c t i c a l c a s eo ft h e i n p u tb e i n gav o l t a g es o u r c e ，t h em a n d a t o r y i n s e r t i o no f i n d u c t a n c eb e t w e e nt h ev o l t a g ei n p u ta n dt h ed u a lc o n v e r t e rd o e sn o ta f f e c tt h e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o np r o p e r t y a n a l y s e so nt h ep r o p o s e dc o n v e r t e ra r ep e r f o r m e d a n dt h eo p e r a t i o no fi n p u tc a p a c i t o ri nd i s c o n t i n u o u sc a p a c i t o rv o l t a g em o d ei sa l s o n a r r a t e d b a s e do nt h ea v e r a g em o d e l ，a n a l y t i c a ld e s i g ne x p r e s s i o n sa n ds t e a d yd e s i g n c u r v ea r ed e r i v e d a n a l y t i c a le q u a t i o n so no u t p u tr i p p l ec u r r e n ta r ea l s op r e s e n t e d ， w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt r a n s f o r m e ra n do u t p u tf i l t e rd e s i g n t h ea b o v e w o r k sp r o v i d ef u n d a m e n t a lt h e o r i e sf o rt h ec i r c u i td e s i g n s t h ed u a lc i r c u i tp r e s e r v e s t h ep r o p e r t i e so ft h ec o n v e n t i o n a lc i r c u i t w ec a ne a s i l ya p p r e c i a t et h ep r o p e r t yo ft h e d u a lc i r c u i tb yt a k i n gad u a lv i e wo ft h ec o n v e n t i o n a lc i r c u i t t h ea d v a n t a g e so fc u r r e n tm o d ec o n t r o lm e t h o do v e rv o l t a g ec o n t r o lm o d ea r e d i s c u s s e d ac u r r e n tm o d ec o n t r o lm o d e li s p r o p o s e d t oc o n t r o lt h e p r o p o s e d c o n v e r t e r t h e nt h eo p e r a t i o no fc u r r e n tc o n t r o li si l l u m i n a t e d i no r d e rt os u p p r e s s v o l t a g es p i k e sa n dr e d u c eh i g hv o l t a g es t r e s so nt h es w i t c h ，al o s s l e s ss n u b b e rb a s e d o nt h ed o u b l ef l y b a c kt r a n s f o r m e r si s p r o p o s e d t h ep r o p o s e ds n u b b e re f f e c t i v e l y r e d u c e st h ev o l t a g es t r e s so nt h es w i t c ha n di m p r o v e st h eo v e r a l le f f i c i e n c yo ft h e c o n v e r t e r b a s e do nt h ep r o p e r t yo ft h ed u a lp f cc o n v e r t e r t h ec i r c u i t d e s i g n p r o c e d u r e sa n dt h em a i n c o n s i d e r a t i o n sa r ep r e s e n t e d 华南理工大学工学硕士学位论文 f i n a l l y ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep e r f o r m e d t oc o n f o r mt h eo p e r a t i o no ft h ec i r c u i t a n di t sp o w e r - f a c t o r c o r r e c t i o nc a p a b i l i t y t h em e a s u r e dh a r m o n i c sf u l l yc o m p l yw i t h t h ei e c1 0 0 0 3 - 2c l a s sds t a n d a r d i nc o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a lp f cc i r c u i t s ，t h e p r o p o s e d d u a lp f cc o n v e r t e r e m p l o y i n g d i s c o n t i n u o u s v o l t a g eo p e r a t i o n h a s a p p r o x i m a t e l yc a p a b i l i t yt op r o v i d ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nf u n c t i o n s i n c et h ei n p u tc u r r e n to ft h ep r o p o s e dc i r c u i to p e r a t e si nc o n t i n u o u sm o d e ， 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 ) a n d t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) w i l lb e r e d u c e d m o r e o v e r ，t h ed e s i g no ft h ee m if i l t e r i sa l s o s i m p l i f i e d t h ep r o p o s e d c o n v e r t e r sh a v et h ep o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o nc a p a b i l i t ys u p e r i o rt ot h ec o n v e n t i o n a l o n e s t h ep r o p o s e dd u a lp f cc o n v e r t e rc a nb ev i e w e da san e wa l t e r n a t i v ef o rl o w p o w e ra p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ；d u a l i t yp r i n c i p l e ；s i n g l e s t a g ep o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ；d i s c o n t i n u o u s c a p a c i t o rv o l t a g e m o d e ； c u r r e n tm o d ec o n t r o l i v 华南理工大学 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己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。 - f , l z 者签：g ：谢匆践日期：3 - o o 弓年占月弓日 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。本人授权华南理工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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：咐侈1 趿 导师签名：琴梭j 眨 e l 期：嘲年驴弓e t 日期：加q 年6 月弓日 第一章绪论 第一章绪论 随着工程技术的飞跃发展和人们生活水平的不断提高，人们对各种电子产品、 仪器仪表、电机设备等用电设备的需求不断增长扩大，因而人们对电能的需求也 不断增长。与此同时，人们对电能的质量的要求也越来越高。电力电子技术就是 保证电能质量的主要手段。随着功率半导体元件的发展，电力电子设备得到飞快 的发展和广泛的应用，很大程度地提高了电能的质量。其中开关电源的出现为提 高电能效率和减小电能转换设备的体积起了很大的作用。但若开关电源不采取措 施，直接接入电网，其采用二极管整流、电容滤波的整流环节会使输入电流严重 畸变，不仅对电网产生严重的谐波污染，而且造成开关电源的功率因数降低。对 于数目多而且分散的中小功率单相电源系统，克服这些问题最理想的方法是在电 源内部采取功率因数校正( p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ，简写为p f c ) 措施，从根本 上消除谐波源。功率因数校正技术对开关电源的输入功率因数进行校正，不仅能 够提高开关电源的功率因数，减少电流的输入成分，而且减小了因谐波成分对电 网以及通讯和自动化设备可能的干扰。同时增加了同样电流有效值下的输入功率， 提高电能转化效率。许多国家和国际机构制定了许多标准以控制电磁干扰 ( e l e c c r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，简写为e m i ) 、谐波含量和功率因数( p o w e rf a c t o r ， 简写为p f ) 等水平。研究功率因数校正技术，设计符合标准的电子产品对提高电 能质量有重大的实际意义。 1 1 功率因数及其概念 如果利用正弦电压对含有电阻电抗的线性负载进行供电，供电电流仍然是正 弦波形，但是电流和电压波形之间存在定的相位偏移，在供给一定功率前提下， 供电电流要相应增大，从而导致了供电设备效率的降低。而纯电容性或电感性负 载会从交流电网端吸收电流，造成了供电设备的线路损耗，但对于负载却不产生 任何有用功率。更常见的现象是非线性负载所引起的电流畸变并对电源和分布式 系统引入电流谐波。如果谐波电流流入电源系统，它们会引起很大的能耗。在三 相四线电源系统中奇数次谐波会引起中线很大的补偿电流。后一个影响是最严重 的，因为中线一般不能通过太大的电流。 为更好说明以上问题，本节首先给出了功率因数及相关概念的定义。功率因 数定义为负载消耗的有功功率与负载所吸收的视在功率的比例。对于不同的负载 功率因数的表示方式有所不同。 华南理工大学工学硕士学位论文 1 1 1 线性负载 对于线性负载，电流和电压波形均为理想的正弦波形。 量有功功率和视在功率然后进行相除而获得吲。 有功功率p 是在一个周期t 内功率的时间平均值，即： p 2 i v f l f l t 其中和，f 分别是电网电压和电网电流的幅值。 视在功率s 就是： s = k 。，。 其中电网有效电压和有效电流分别表示为： v 懈= 鼯m 川协= 鼯洳 功率因数可以通过测 ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 输入电压和输入电流的相差通常定义为超前相角或滞后角。相应的图例关系 如图1 一l 所示。 p 。，kc o s a 有功功率 0 ，ks i n 伊 无功动率 图i i 无畸变电流时矢量关系图 f i g 1 - 1v e c t o rr e l a t i o n s h i p sw i t h o u t d i s t o r t i o nc u r r e n t 测量电压电流波形的相位偏移，就可以获得线性负载下的功率因数： p p f 2 i 2 c o s 妒( 1 4 ) 1 1 2 非线性负载 对于非线性负载，电流不仅存在工频含量的电流成分，它表现为工频基波电 流和高次谐波电流的叠加。这样就增加了另外一种功率，即畸变功率( d i s t o r t i o n p o w e r ) 。畸变功率类似于无功功率，它对负载不产生有功能量，只是降低了功率 因数。 2 第一章绪论 假设电网电压波形为理想正弦波波形，其有效值是： i ， y ：鸳兰 ( 1 5 ) “m 2 其中k 。为电网输入峰值电压。 如果电流是周期性非理想正弦波形，可以利用傅立叶变换对其进行转换，从 而获得一系列谐波含量。 ，一。“= ，；+ ，i 一+ ，2 2 。+ + ，j ( 1 6 ) 其中i o 是电流的直流成分，j ，。，是电流的基波含量，1 2 ，。，厶，是电流 的各次谐波含量。 如果输入只有交流含量，则，。= 0 。 电流的基波含量又可以分解为跟输入电压同相位含量，。，和其正交分量 “。口。 所以有效电流可以表示为： ，m m f 。 压五虿 ( 1 7 ) 因此，有功功率就可以由以下式子表示： p = i i , ，p ( 1 培) 如果定义他为输入电压和基波电流之间的相移，可以得到： i i 。p = i i , c o s q i ( 1 9 ) p = i i , 。c o s 妒l ( i _ 1 0 ) s = ，。“ ( 1 - 1 1 ) 其中，。，为f ，。在输入电压矢量上的投影，i t 。，口为i i 。在输入电压矢量上 的正交含量。 那么功率因数就可以表示为： p f ：兰：量竺：! ! ! ! ! ( 1 1 2 ) s l m m m 图1 - 2 给出了带有电流畸变情况下功率矢量关系图。张是基波电流和基波电 压( 即输入电压) 的相角偏移。8 为畸变角，定义为由非正弦电流波形所引起的 总视在功率和基波视在功率的相移。 由此可以得到a 因数： a ：玉一c o s 0 ( 1 - 1 3 ) l 。i d a 是衡量谐波大小的尺度，如果谐波含量为0 ，则a 为1 。 在输入电流产生畸变的情况下，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 ，简 孥毫理工大学工学硕士学经亳会文 碍为t h d ) 定义为 瑚= 陌 j d 。，l m c 。s 吼 寿功功攀 04 ，1 1 。咖坝 无功功率 - 乒 薅囊麓率 圈1 - 2 带有畸变电流的功率矢量关系图 f i g 。1 - 2v e c t o rr e l a t i o n s h i p sw i t hd i s t o r t i o nc u “e n t 1 ，2 谐波的产生及其危害性 ( 1 1 4 ) 交流电网经整流供绘藏流电是彀力电子设备及电子仪器中应用极为广泛躲一 秘基本交流方案。磐在麓线式嚣关奄深( a c d c 搿关电添) 戆狯入溃，二辍镑帮电 容对输入进行艟流滤波时，只在输入交流电压的蜂值部分才脊输入电流，母致输 入电流含有很大的电流谐波含量，严熏干扰了电网，远不能达到标准要求，如图 i - 3 鼹示。其中图1 - 3 ( b ) 孛正弦波形荛输入电摄波形，畸变波形为簸入毫滚波 形。 坳 v ( a )( b ) 图1 - 3 ( a ) 常规的籀流电路；( b ) 其电压电流波形 f i g 1 - 3 ( a ) t y p i c a lr e c t i f i e rc i r c u i t ；( b ) i n p u tv o l t a g ea n di n p u tc u r r e n tw a v e f o r m s 电流谐波懿穗交及瓣茂产生熬瓣弼奄基渡形静靖交绘系统本身程矮懑豹繇境 4 第一章绪论 带来一系列的危害。大量电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波污染。一 方蕊产生“二次效废”，鄹电流流过线路阻抗造成谐波嗽压降，反过来使电网电压 ( 原来是磁弦波) 也产生畸变；粥一方谳，会造成电路故障，使变电设备损坏， 例如线路觏配电变压器过热；谐波电流会引起电网l c 谐振，或高次谐波电流流 过电网的商压电容，使之过流、过热而爆炸；程三相呶路中，中线流过三相三次 谐波电流的叠加，使中线过流丽损坏等。除此之外，电流谐波对通信系统产生干 扰，还可以引起仪器仪表和保护装置的诶测量、误动律f 2 l 。这些就是通常所说的 “谐波污染”。随着用电设备日焱增多，谐波问题引来了越来越广泛的关注。 基于限甫电流波形畸变帮谮波，减少对交流电两的谐波污染，後电磁环麓更 加于净，圜际上一些学术组织提出了谐波限制标准，如i e c l 0 0 0 3 2 ，i e c 5 5 5 2 ， i e e e 5 1 9 标准1 4 - 5 , 5 3 ，要求交流输入电源必须采取措施降低窀滚谐波含量，掇高 功率因数。 1 3 功率因数校正技术的发展 功率因数校磁的根本思想是便输入电流跟输入电鹰问相位，均为谁弦波，较 少谐波含爨，使锝变换器的输入阻抗相强于一个线性电路。 早期入们是采用电感器和电容器构成的无源网络滋行功率因数校难。最简单 的楚在二极管整流桥后添加电感器或在熬流桥前面添加l c 滤波网络。采用光源 功率因数校正技术，所需的滤波电容器和滤波电感器豹欷值较大，因_ l | ：电路往往 比较笨重。 僵是，无源p f c 技术瓣予菲线性负载所产象的谐波帮无煞势力。淹消除酶变 电流的高次谐波含量，人们开始探索有源p f c 技术。有源p f c 技术的基本思想 是邋过控翻开关露箨，切换滤波泡懑移滤波电容充放宅戆量实联功率瓣数酶爨商。 有源p f c 电路的开关工作频率远远高于工频，通过补偿电流畸变和相位偏移实现 离耱率蠢数，鑫鬻管电路莛最晕期豹毒滚功率瓣数校委毫路。峦予器徉懿限簇， 有源功率因数校正技术的发展受到限制。 纛瑷代存源p f c 技零产生予s o 年代寒。囊芎：交换器工雩# 予蹇频状态，这秘 有源功率因数校藏电路具有体积小、重爨轻、效率高、功率因数可接避1 等优点。 该瓣裳懿凌率嚣数校正鼓零是基于b o o s t 电路模型，圭要集串在连续导电模式 ( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，简写为c c m ) 的研究上。基本技术要点是让输 入电滤羰踪输入奄援积输爨电压豹乘积实理功率因数粒输出恕攫豹调节。连续摸 式下的功率因数校正可以获得很大的功率转换熊量，假是这种电路的控制非常复 杂，大量戚羽于2 0 0 w 以下的中小功率场合是嚣鬻不遴宜豹。入翻野始掇索逶用 于中小功率应用场合的功率因数校正技术。 华南理工大学工学硕士学位论文 8 0 年代末提出了利用工作在不连续导电模式( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o n m o d e ，简写为d c m ) 下的变换器进行功率因数校正技术，由于其输入电流自动 跟随输入电压，因而可以实现接近1 的功率因数。这种p f c 技术通常称为自动功 率因数校正，也称为电压跟随器。这种有源功率因数校正技术因其控制简单( 仅 采用一个控制量，即输出电压) 而深受欢迎，但是一般不能应用于较大功率变换 场合中。 9 0 年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展。发展的一个主要内 容是把软开关技术和通常的功率因数校正技术结合以提高功率因数校正的整体性 能。近年来，有关连续导电模式下功率因数校正的研究也有一些进展，主要有单 周期( o n ec y c l e ) 控制、滑动模块( s l i d i n gm o d e ) 控制及其它新控制方法。 1 4 功率因数校正技术分类 功率因数校正技术一般来说可以分为无源p f c 技术和有源p f c 技术。有源 功率因数校正技术按控制策略可分为两种，一种是变换器工作在连续导电模式的 “乘法器”型( m u l t i p l i e r ) ，另一种是变换器工作在不连续导电模式的“电压跟 随”型( v o l t a g ef o l l o w e r ) ：按工作模式分为c c m 模式和d c m 模式：按拓扑结 构分为单级模式和双级模式。除此之外，还有其它p f c 控制技术。 1 4 1 无源p f c 技术 无源p f c 技术是最早出现的p f c 技术，其工作机理比较简单，成本也比较 低，现在仍然使用予体积重量不受限制、电流畸变比较小的应用场合中。无源功 率因数校正技术包括线性电感和电容的应用以提高功率因数、较少电流谐波含量。 当负载为非畸变无功负载时可以通过无功补偿实现高功率因数。有关电路如图1 - 4 所示。 l 2 图l 一4 无源p f c 技术 f i g 1 - 4p a s s i v ep f c c i r c u i t 随着功率校正技术的发展，一些新的无源功率因数校正技术也得到发展。作 6 第一章绪论 为一种无源功率因数校正电路的特例，一种莉用电容器和二极管网络构成“串并 电容组合结构”( 又称部分“滤波器”) 进行功率因数校正的填谷方式也应用于电 子镇流器以及小功率电源中，其藏本原穗如图1 5 所示。实际上是幂l j 厢电容的串 联充电、并联放电特性，增大了二极管的导通角，从而使输入电流的波形得到改 善。这种方式虽然能够获得较高的输入秘率因数，但是输入电流的谐波含量仍然 不能得到报好的抑制。 图1 - 5 填昝方式梅残豹p f c 整滚瞧路 f i g 1 5v a l l e y f l up f cr e c t i f i e r 1 4 1 黎法器p f c 技术 乘法器技术逶常是采箱两级结构酌p f c 按零，静蘸缀迸露功率因数校歪，逮 过对输入暾流的控制实现商功率鼹数，同时对输如电压进行初调。后级通过p w m 控麓实现输窭窀愿的浚逮璃节。举箍豹霄源功率蠢数校正技术的疆究获乘法箍为 主，典型变换器悬b o o s t 变换器，其前缀电路熬本原理如图1 - 6 所示。 图1 - 6 乘法嚣p f c 技术 f i g 1 - 6 “m u l t i p l i e r ”p f cc i r c u i t 圈1 - 6 中b o o s t 变换器工作在连续撂电模式，其电感电流就是输入电流。电 感电流被采样并被控制，使其幅值与和输入电聪简相使的正弦参考信譬成正眈， 7 华嘉理工大学工学矮学经论文 从而达到功率因数校正的目的。该电路根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器 电路来控制正弦参考电流信号，从而在实现输入渤率因数校正的阉对实现可调整 的输如电压。该方案是比较成熟的p f c 技术，输入功率因数可达0 9 9 以上。 祭法器p f c 技术的不怒之处燕需要对输入电流、电压及输磁毫压取样，需糟 乘法器在内的控制芯片进行双环控制，还需要后级对输出电压进行二次调节，造 成了电路复杂、体积大、成本高等缺点。 。4 2 电悉跟随器p f c 技术 魂压跟隧型p f c 技术采用单级牦扑结枣句，只采用一级功率交换，裁缝同时实 现输入功率闲数校藏和输出电压调节功能。同时采用恒频单一占空比控渐方式不 仅简化了控制电路，降低了成本，也降低了变换器的损耗。由于这种变换器只需 一个电压控制环，撩制简单、成本低廉、阀时电源体积可大大减小，适厢于很多 对输入功率因数要求不是很高、功率等级较小的场合。 蕊本电聪跟随黧p f c 电路可用闰1 7 所示静b o o s t 交换器来说明。该变换嚣 工作在不连续导电模式，开关s 由输出电服误差倍号控制，开关周期为常数。由 于峰值电感嗽流基零上正院子输入电压，嚣诧，输入电流波形鑫然建跟随输入逛 压。对于不同的变换器结构，输入电流波形会有不同程度的畸变，但这对输入功 率蠢数静影响并不酸显。每桊法鼙p f c 奄籍耜磁，毫篷跤疆鍪p f c 宅路控翻篱 单，仅需要一个输出电压控制开关。因此，多数现有的开关电源p w m 控制芯片 均霹律茺毫藤跟随蘩p f c 惫籍静控潮器。蠢显，交换器工作在不遴续导惫模式下， 避免b o o s t 变换器中因输出二极管反向恢簸电流而带来的问题。 bk 圈1 7 电压跟髓型p f c 电路 f i g i - 7 “v o l t a g ef o l l o w e r ”p f c c i r c u i t 电压跟随型p f c 技术的个缺点是其输入电流波形为脉动三角波。因此其前 8 第一章绪论 端需添加一个小容量的滤波电容以滤除高频纹波，实际上，一个l c 低通滤波器 会获得更理想的滤波效果。这在一定程度增加了电路的复杂性。另一个缺点是其 较高的开关峰值电流会带来较大的开关损失。研究发现，所有基本变换器类型， 如b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 和z e t a 变换器等在不连续导电模式下 均可用于构成电压跟随型p f c 电路。 1 4 3 p f c 的软开关技术及其它控制方法 随着变换器的开关频率进一步提高，功率开关、二极管以及吸收电路的能量 损失随开关频率增加而增加，有源功率因数校正电路的效率将明显进一步降低。 借助各种软开关( s o f ts w i t c h i n g ) 技术进一步提高有源功率因数校正电路的性能是 解决这一问题的有效途径 7 - z l 。其中在有源功率因数校正电路中引入零电压开关 ( z e r ov o l t a g es w i t c h ，简写为z v s ) 是最好的软开关p f c 技术。 近年来还提出了一些新颖的功率因数校正技术，例如多电平( m u l t i l e v e l ) p f c 技术、磁放大技术和不连续电容电压模式( d c v m ) p f c 技术 2 0 , 3 7 - 3 8 等。其 中不连续电容电压模式( d c v m ) 技术是本文的研究重点，将在以下章节详细论 述。 1 5 本文的内容安排 本文着眼于单级功率因数校正技术的研究，基于电路理论的对偶原理，在传 统的单级功率因数校正电路的基础上，进行拓扑的对偶变换，得出了一种全新的 单级功率因数校正电路。该变换器工作于不连续电容电压模式( d c v m ) 实现输 入高功率因数，采用感性元件进行储能。本文研究了新型功率因数校正电路的有 关理论和实际问题，最后应用实验验证了电路的功率因数校正能力。文章的具体 安排如下： 第一章给出了功率因数的有关概念，阐述了谐波的来源及危害。回顾了功率 因数校正技术的发展历程并对各种功率因数校正技术进行分类。 第二章首先给出了功率因数校正电路的要求。分析了单级功率因数校正电路 与传统的功率因数校正电路的区别与联系。对单级功率因数校正电路的拓扑进行 分类，较为详细地分析了b o o s t 型p f c 变换器和b u c k b o o s t 型p f c 变换器。然 后给出了单级p f c 变换器的特点。 第三章给出了对偶的定义及其基本原理。基于对偶理论。采用网络图论对有 关电路进行对偶变换，具体分析了元件的对偶、开关的对偶和磁性元件的对偶。 阐述了对偶的有关特性和它的应用。 第四章利用上一章的给出的对偶理论，获得了基本b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 9 华南理工大学工学硕士学位论文 和c u k d c d c 变换器电路的对偶电路。分析了对偶变换所遇到的实际问题，给出 了解决实际问题的策略。采用对偶原理，对传统的b o o s t b u c kp f c 变换器进行对 偶变换，获得了新型的带隔离变压器的单级p f c 变换器。然后基于平均模型对获 得的电路进行建模，分析了输入电容电压波形，阐述其实现高功率因数的原理。 然后给出了变换器的稳态设计方程和输出电流纹波方程，为实验电路的设计提供 理论依据。最后总结了对偶型单级p f c 电路的有关特性。 第五章对所获得的新型单级p f c 变换器进行电流型控制。阐述了电流型控制 技术的优点，给出了电流型控制单级p f c 电路的结构简图。针对单级p f c 电路 电压应力较大的特点，提出了一种无损的双反激缓冲电路并简述电路的工作过程。 经过以上系统的理论分析以后，介绍了具体电路的设计过程，包括输入电感器、 输入电容器、反激式变压器、电流型p w m 控制器及反馈电路等的设计及开关管 的选择要点等。最后给出了整体电路图和样机图。 第六章给出了电路实验结果。首先给出了实验的有关参数。然后给出不同的 实验波形图，包括稳态电压电流波形图、负载发生变化时的动态响应特性、谐波 含量图及功率效率曲线。其中谐波含量通过与i e c l 0 0 0 3 2c l a s sd 标准的比较， 证明新型单级p f c 电路的应用潜力。 最后本文对整体的工作进行总结，通过与传统单级p f c 电路的比较，说明了 新型单级p f c 电路的有关特性，阐述了电路实际应用的可行性。并对新型单级 p f c 电路存在的一些实际问题进行了探讨，分析了对偶型单级p f c 电路的优点及 不足之处，说明了将来的改进方向。 1 0 第二章单缎功率因数梭正器鹊般理论及分类 第二章单级功率阂数校正器的一般理论及分类 本章酋先分析了功率因数校正器的电路要求。然后分析了双级功率因数校正 奄鼹帮擎级功率瓣数校爱毫路，主要溺逑了强棒奄路鹣工俸簌瑾帮毫路特点。对 单级功率因数校正技术的拓扑分类进行简述，简要分析了b o o s t 型p f c 变换器和 b u c k b o o s t 鍪p f c 交挨器嚣秽焚整数p f c 变挟器。袋惹对攀缀致攀疆数校正的 主骥特性进行总缩，说明的单级功率因数校正电路的优点和不足之处。 2 1 功率因数校正器的电路要求 功率瓣数校纛器需饕褥时完成输入功率因数校正萃拜输出毫箧调节功能躐此 它对校正器有以下要求； 2 1 ，1 线性输入阻抗特性 高功率因数的第一个要求最输入电流必须与输入嘏压露褪伍，蔼氆电流波形 必须非常接近正弦波形，畸变应尽可熊小。该特性可以通过青源控制或无源控制 的办法获襻。很多变换嚣自动其有高输入功率躐数特谯是因斑其输入电阻是近似 线性而且恒定的38 1 。 2 1 2 内部工频储能功能 输入嶷流电援及电流均为正弦波形。变换器的输入功率燕脉冲式的，其峰值 输入功率掇现在9 0 。帮2 7 0 。融剡。在输入电摄电藏过零爨嬲就没蠢功率璇入。 为平衡输入脉冲式的瞬时功率和恒定输如功率之间的不平衡美系，电路内部浠要 工频豫鸵劝能元传。变换器内部的储能元 牛可以让变换器为负载提供稳定、可调、 兵有快速动态响斑特性的输出毫源。在些实际应用巾，如累变换器鬃有一定的 供瞧保持对闯也辩要一定的储能功能。从尺寸觏成本上考虑，储能元件一般深用 单个的电解电容。 在输入功率因数为l 和输出电压调节良好的情况下，必须储能的功率p 。为输 入输出的功率差。静 p a t ) = 瓯s i n 2 魏黯一p 。 ( 2 一l 其中；：蜂蓬输入电压；乏：蟪嬗输入电流；是：工频频率；e o ：翰出功搴。 华南理工大学工学硕士学位论文 储能功率的频率为两倍工频，该频率相对于开关频率来说要低几个数量级。 2 1 3 快速输出调节特性 内部储能电容的电压包含工频的二次谐波成分。理论上工频的二次谐波成分 不应出现在负载端或应被减小到最小值。所以在宽的频带内调节输出电压是非常 重要的。因此变换器的闭环脉宽应远远高于二次谐波的频率，来耦合电容上的能 量到负载端。值得注意的是，在内部低频储能元件存在的情况下负载电压的快速 调节特性是比较容易实现的。 2 2 双级p f c 控制技术与单级p f o 控制技术 2 2 1 双级p f c 控制技术 有源功率因数校正技术从结构上分可以分为双级p f c 控制技术和单级p f c 控制技术两种。双级p f c 控制技术所用的是目前普遍使用的比较成熟的p f c 技 术。其p f c 级采用一定的控制策略使输入电流跟随输入电压来获得较高的功率因 数。同时，p f c 变换器还能输出经过初调的储能电容电压，该输出电压作为d c d c 变换器的输入电压，然后经过d c ，d c 变换器进行电压变换及细调和功率传输。 p f c 级d c d c 级 态 丰1 丰 c e t 3 雨 ! d p f c； 圆出一j l 控制器卜一 d d c d c 图2 1 双级p f c 控制技术 f i g 2 1t w o - s t a g e p f c t e c h n i q u e 常规的双级功率因数校正电路如图2 1 所示i l2 1 。在这种策略中，变换器分为 两个独立的功率传输级。第一级是p f c 级，通常采用b o o s t 或b u c k b o o s t 变换器。 以b o o s t 变换器为例，整个变换器包括输入电感l i 、开关管s 、整流管d l 和输出 滤波电容c 。p f c 控制电路采集输入电感电流波形和输入电压波形，通过特定的 策略使得输入电流跟随输入电压波形，使得输入电流正弦化，提高功率因数，减 少谐波含量。同时控制电路还对输出电压进行反馈，通过占空比对输出电压进行 第二章单级功率因数校正器的般理论及分类 初调。该策略对于输入电压在9 0 2 6 5 v 范围内，都可将储能电容电压控剀在3 8 0 v 左右。 储能电容电压接后一级的d c d c 变换器对输出电压进行细讽。该变换器独 立于前级变换器，采用单独的p w m 控制策略保证输出电压的快速稳定调节。 双级p f c 技术是成本较高的应用策略，其应用范围也只局限于高精度电源和 大功率电源。若应用到中小功率场合中，其成本是难以承受的，同时若采用双级 结构，电源的转换效率也有所降低。 2 2 2 单级p f o 控制技术 同两级p f c 控制相比，单级p f c 控制一个开关管和一个控制回路对输入电 流进行控制，同时对输出电压进行快速调节( 9 - 1 0 a 2 - 1 5 , l s - l g , 2 1 - 2 5 1 。控裁电路只对输出 电压进行反馈，因而在变换器的稳态情况下，控制电路开关的占空比始终是稳定 的。对于b o o s t 变换器，当占空比恒定时，b o o s t 电感电流能够自动提供电漉跟随 特性。尽管单级p f c 变换器所得到的功率因数及电流谐波特性不如两级p f c 控 制的特性好，但已经足以满足 e c 相关标准。 图2 2 所示为单级p f c 控制的结构功能图，对于p f c 变换器来讲，在一个工 频周期内瞬时输入的功率是脉冲的，而输出功率是恒定的因此普通p f c 变换 器都有储能电容来存储不平衡功率。而单级p f c 变换器与双级p f c 变换器的最 大的区别是控制回路对输出电压进行反馈调节储能电容的电压不再是初调的， 其电压在个较大的范围内随输入电压的变动而变动，图中c 。即为储能电容。通 常对于输入线电压在9 0 2 6 5 v 的范围变化，储能电容的电压变化范围为1 3 0 4 5 0 v ， 而且电容电压的大范围变化对d c i d c 变换器的效率有较大的影响。 ：他 固一一垒一一一一一j 圈2 - 2 单级p f c 控翎技术 f i g 2 2s i n g l e s t a g ep f ct e c h n i q a e 同时为了保持一定的输出保持时间。大的d c d c 变换器鲍输入电匪范围对 华嘉理王大学工学颈学位论文 电容的电容值和耐联值都有较高的要求，因而电解电容的成本和体积都大大提高。 所戳着电容的控割褥不嚣解决，在电容及开关管上静成本投入就会增蕊，甚至会 大于减少开关及控制器件所节省的成本。所以对于宽输入电压范围及一致的输出 电压绦持时润豹单缀p f c 交换器藏不一寇院传统豹双级p f c 交换器具有多少优 势。因而控制储能电容电压是单级p f c 变换器要解决的骥要问蹶。 瓣予输入奄惑毫流戆王俸请嚣，虿穗肇缀p w 控胬器分秀转c m 露c c m 交 换器两种类型。通常的d c m 模式的变换器比c c m 模式的变换器控制简单，同时 藏本受低，不是之懿就是由予电滚失真大，交换嚣蔫蓑嚣要一令体积较大戆e m i 滤波器，而且开关管承受的电流应力也比较大，替通损耗较大。因此d c m 模式 戆交换器逶鬻逶爱予，l 、凌率模块。 袭2 1 绘出了双级p f c 技术和单级p f c 技术不同电路的特性比较【i ”。模式 d c m c c m 表示变换爨豹辕