（电力电子与电力传动专业论文）高性能的软开关单级功率因数校正变换器的研究与设计.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 达9 8 以上，很好地实现了z v s ，提高了单级p f c 电路的性能。本文是对 单级功率因数校正变换器研究的一次有益的尝试，对单级p f c 变换器的 应用具有一定的理论和实际意义。 关键词：单级功率因数校正；软开关：零电压开关；非平衡半桥控制； 彳i 连续导通工作模式 a b s t r a c t p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) a n ds o f t s w i t c h i n g t e c h n i q u e s a r et w o i m p o r t a n t r e s e a r c h s u b j e c t s i nt h ef i e l do f p o w e re l e c t r o n i c s w i t h t h e s t a n d a r do fi e c 一1 0 0 0 - 3 2a n do t h e r s a r e p r e s e n t e dr e c e n t l y ，v e r y s t r i c t r e q u i r e m e n tf o rp o w e rf a c t o ra n dt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o ns h o u l db em e ti n t h ee l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n s ot h ep f c t e c h n i q u e i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r e s i g n i f i c a n t i no r d e rt or e d u c et h es w i t c h i n gl o s s e s ，i n c r e a s et h ee f f i c i e n c y ： r e d u c e e m i ， i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o f c o n v e r t e r s ， a c h i e v i n g s o f t s w i t c h i n gi n t h ec o n v e r t e r si sm o s te f f e c t i v em e t h o d s i n g l e s t a g ep f cc o n v e r t e r s h a v eh i g h e rp e r f o r m a n c e c o s tr a t i ot h a n t w o 。s t a g e o n e si nt h el o wa n dm e d i u mp o w e rl e v e l a p p l i c a t i o n s ，s ot h e m b e c o m e st h ef o c uso fp o w e rf a c t orc o r r e c t i o nt e c h n i q u e h o w e v e r ，t h e r ea r e s o m ek e yi s s u e si n s i n g l e s t a g ep f cc o n v e r t e r sn o tb e i n gs o l v e d 。a i ma t t h e s ep r o b l e m ，t h i sp a p e rp u t st h e e m p h a s i s u p o na c h i e v i n gs o f ts w i t c h i n g i n s i n g l e - s t a g e p f cc o n v e r t e r s ，f o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h i s p a p e r ： ( 1 ) r e v i e w i n gt h es i n g l e s t a g ep f ct e c h n i q u e d e v e l o p m e n ta n dt r e n d o fs i n g l e ws t a g ep f c c o n v e r t e r sa r ei n t r o d u c e d a f t e rr e a d i n gag r e a td e a lo f i i t e r a t u r e sa n d c o l l e c t i n g a b u n d a n tm a t e r i a l c o m p a r i n g a n d a n a l y z i n g s e v e r a ls o f ts w i t c h i n gt e c h n i q u e sus e di n s i n g l e s t a g ep f c c i r c u i t s 口) w i t ht h ei d e a o fa n a l y z i n gs e m i s t a g e b ys e m i s t a g e ，t h e p f c p r i n c i p l e a n dd c mb o u n d a r yc o n d i t i o no fb o o s t v o l t a g e - f o l l o w e r p f c c o 转v e r t e ra r ef e s e a f e 盎e d ( 3 ) c h o o s i n gt h eh a l f b r i d g ed c d cc o n v e r t e rb a s e do na s y m m e t r i c a l c o n t r o lt o s t u d y ，a n a l y z i n g t h ez v st r a n s i t i o n p r o c e s s a n dt h ez v s a c h i e v i n gc o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y t h i st y p eo fc o n v e r t e r sc a na c h i e v ez v s f orp o w e rs w i t c h e sw i t h o u ta n ya u x i l i a r yc i r c u i to rs w i t c h e so n l yb ys p e c i a l c o n t r o l m e t h o d ，f u r t h e r m o r e ，w h i c h h a st h e a d v a n t a g e s o fw i t hn o i n c r e a s i n gv o l t a g es t r e s sa n dc o n d u c t i o nl o s s e s ， ( 4 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et w os e m i s t a g e s ，a t t e m p t i n gt of o r ma s i n g l e s t a g ep f c c o n v e r t e rt h r o u g ht h ec a s c a d i n gi n t e g r a t i o nt e c h n i q u ef o r f o r m i n gs i n g l e * s t a g e p f c c o n v e r t e r s a c c o r d i n g t os o m e t e c h n i q u e s i l l 兰塑些王奎兰三竺堡主主生鲨苎 p r o p o s e d i ns o m e p a p e r s ，p u t t i n g t h eb o os tp f cc o n v e r t e rw i t ht h e a s y m m e t r i c a lh a l f _ b r i d g ed c d cc o n v e r t e rt o g e t h e rt oo b t a i nat w o s t a g e p f cc o n v e r t e r f i r s t l y a f t e rs t u d y t h ec h a r a c t er i s t i co ft h i s t o p o l o g y ，a s i n g l e s t a g e p f cc o n v e r t e rb a s e do n a s y m m e t r i c a l c o n t r o lh a sb e e n o b t a i n e df i n a l l y ( 5 ) d e t a i l e da n a l y s i s h a sb e e n g i v e n f o rt h i s c o n v e r t e r o p e r a t i o n p r o c e s sa n ds t a t ee q u a t i o n so fe a c ho p e r a t i o nm o d e a r eg i v e na n dd i s c u s s i n g t h ed c m b o u n d a r yc o n d i t i o no fi n p u tb o o s ti n d u c t o r ，o b t a i n i n gt h ee f f e c t e d f a c t o ra n dm a t h e m a t i c a le x p r e s s i o nf o ri n p u ti n d u c t o r ( 6 ) h a v i n g m a d es i m u l a t i o nt o m o d i f y t h e t h e o r yp a r a m e t e r a f t e r d e t a i l e dd e s i g nf o rc o n t r o lc i r c u i t ，c o m p e n s a t en e t w o r k ，d r i v ec i r c u i ta n d f i l t e rc i r c u i ta p r o t o t y p e c o n v e r t e rh a sb e e nd o n et o p r o v e t h e t h e o r y a n a l y s is t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i s p r o t o t y p e c o n v e r t e ra c h i e v e s e x p e c t e dp e r f o r m a n c eq u i t ew e l l ，p o w e r f a c t o rr e a c ho v e ro 9 8a n d a c h i e v i n gz v so b v i o u s l y s e e k i n gt h el o wc o s ts i n g l es t a g ep f c s o l u t i o nw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c e i n c l u d i n ge f f i c i e n c y ，l o wv o l t a g ea n dc u r r e n ts t r e s s ，l o wh a r m o n i ca n dh i g h p o w e r f a c t orw i l lb ef u r t h e re f f o r t s ，a n da r e t h e o b j e c t i v e o ft h i s d is s e r t a t i o n t h is p a p e riso n l y av a l u a b l et r yi nt h es t u d yo fs i n g l e s t a g e p f cc o n v e r t e rf o rt h ef ir s tt i m e k e yw o r d s ：s i n g l e s t a g ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ；s o f ts w i t c h i n g ；z v s a s y m m e t r i c a lh a l f b r i d g ec o n t r o l ；d i s c o n t i n u o usc o n d u c t i o nm o d e ； 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：f 胡言多蔹 曰期： 洳# 年舌月g 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 不保密日 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：淅乒年月，多日 日期：加弘年石月对，日 p 织 七心哪 象 名名签签者师作导 第一章绪论 第章绪论 开关壤源( s w i t c h m o d ep o w e rs u p p l y ，s m p s ) 是曩翡使用最为广泛的电源， 然而传统的a c d c 开关电源变换器输入端通常直接由= 极管整流加电解电容滤 波缀合嚣或，因此存在功率因数 氐、谐波畸变大等闽题。为了减少电子设备融交 流电网的谐波污染，越来越多国家对用电殴备的输入电流谐波含量加以限制，纷 纷制定了撼应的拣准、靓定甚至法律，如国际电工委员会的谐波标准i e e e 5 5 5 2 和i e c 1 0 0 0 3 2 婶，我圈对此也是越来越重褫，并予1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分涮制 定了限制潴波龅规定s d l 2 6 8 4 搴玎国家标准g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 等。 为了降低输入电流谐波，通常采用两级功率因数校正技术，僵该方案毫鼹结 构复杂、体积大，同时增加了电子设备的成本，因此般应用在大功率场合。在 中小功率应用场台中，为了在髋能和成本之问找到一个平衡点，国内外许多磷究 人员把研究的热点放在对单级功率因数校正技术的研究上。为此单级功率因数校 正技术被确定必本文的研究重点。 1 ，1 电网谐波污染闷蘧 1 1 1 谐波电流对电网的危害 随着黼闸管确控整流装置和r = 极管桥式不w 控整流装鬟的大量应用，葵谐波 闽题和无功问题豳益引起人们的高度羹视，这两个问题就是所谓的“电力公害”。 无功导致电网效率降低氍发电容量的秘稻率降低；谐波电流例流入毫阏弓l 莛酶谐 波“污染”危害比无功逐要严敷。其主要危害有m m ： ( 1 ) 谐波电流在输电线路阻抗一k 的压降会使电两电压( 缀来是歪弦渡) 发生 畸变( 称之为二次效应) ，影响锫种电器设备的正常工作； ( 2 ) 谐波会造成输电线路敌障，霞变电设备损环。铡鲡，线路和配电变蓬器 过热、过载，美国曾报道谐波电流引起一个3 0 0 k v a 的变压器过载事故；在高压 远距离输电系统中，谐波电流会往交藤器静薅抗亵系统静容獍发生瞄谐振；在 三相电路中，中线电流是三相三次谐波电流的叠加，因此，谐波电流会使中线电 流过流丽损坏，等等； ( 3 ) 引起交流异步电机转矩降低、振动加剧、噪声增大；引起交流同步电机 转斑不稿匀； 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 谐波会使测量仪表附加谐波误差。常规的测量仪表示设计并工作在正弦 电压、i 卜弦电流波形的，因此，在测量正弦电压和电流时能保证其精度，但是， 这些仪表用于测量非正弦量时会产生附加误差，影响测量精度； ( 5 ) 谐波会对通信电路造成干扰。电力线路谐波电流会通过电场耦合、磁场 耦合和共地耦合对通信电路造成影响。 由于谐波“污染”造成如此严重的危害，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 简称p f c ) 技术应运而生，成为电力电子技术一个新的研究热点。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的 功率因数，减小了输入电流的谐波成分，而且，减小了因谐波成分对电网及电子 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，提高了电源的 效率。因而，研究功率因数校正技术对开关电源的发展具有重要实际意义。 1 1 2 功率因数( p f ) 和总谐波畸变( t h d ) 的定义 电力电子变换器中，功率因数( p o w e rf a c t o r ) 是一个十分重要的技术指标， 为了分析电流谐波和功率因数之间的关系，首先介绍功率因数的完整定义m 。在 线性电路中输入电压和输入电流都是正弦量，设两者之间相角差妒。 殴定电压、电流分别为： “= 2 u s i n ( a t ) ( 1 1 ) i = 2 ，s i n ( a j t 一妒) ( 卜2 ) 平均功率为： p ：土r u d 甜：u i c o s 驴 ( 1 3 ) 2 z ； c o s 驴便定义为线性电路的功率因数。但是在整流电路中，由于整流器件的非线 性和电容的储能作用，即使输入电压为正弦，电流却发生了严重的畸变，所以线 性电路中的p f 定义不适用于a c d c 变换电路。因而，在a c d c 非线性变换电路 巾功率因数定义为输入有功功率与输入视在功率的比值： p f = 有功功率视在功率= 口v g 妙o ) ，哕纯，一) ( 1 - 4 ) 式中，有功功率( a v e r a g ep o w e r ) 等于瞬时功率的平均值；视在功率 ( a p p a r e n tp o w e r ) 定义为电压有效值和电流有效值，。之积。 在a c d c 变换电路中，略去谐波电流的二次效应，可以认为输入电压为正弦， 输入电流为非正弦，这里电流有效值为： ，一= 2 ( 卜5 ) 第一章绪论 式中，i r 。( n ) 是第n 次谐波的有效值。 设基波电流滞后于输入电压的角度为舻，则p f 定义为： p f = v 纛，m c o s ，一 式中，足d ( ：( 形 = 等c o s 伊咆五， ( 1 _ 6 ) ) 是电流谐波畸变因子( d is t o r t i o nf a c t o r ) 和 妒仁c o s o ) 是* h 移因数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) ，即功率因数为电流谐波畸变因 子与相移因数之积。 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 ，t h d ) 的定义为： t h d ：竺塑! x 1 0 0 ( 1 7 、 i r m , ( 1 ) 一一 ，。( 。) = 1 f j 纛) = 一，2 、1 ) ( 1 8 ) yn = 2 式中l r 。s ( n ) 为总谐波含量。由式( 卜7 ) 和( 卜8 ) 可得基波与t h d 的关系式： ，硎，( 1 ) = ，。 ( 1 9 ) 当妒= 0 时，k 。= 1 ，由式( 卜6 ) 和( 卜9 ) 便可得到总谐波畸变与功率因数的关 系为： p f = 由该关系式可见，当t h d 5 时，p f 值可控制在0 9 9 以上。 1 2 功率因数校正技术的发展现状 ( 1 1 0 ) 功率因数校正技术就是使输入电流波形跟踪输入电压波形，减小谐波含量， 从功率传递角度讲，就是使电子设备在整个e 弦周期内而不是局部获得电能 。1 1 12 13 1 1 4 1 。回顾p f c 技术的发展历程可以看出，人们最早采用的是电感器和电容器 构成的无源网络进行功率因数校正。最简单的无源功率因数校正变换器是在二极 管整流桥后添加电感器或是在整流桥前增加l c 滤波网络。但采用无源功率因数 技术所需的滤波电容和滤波电感的取值较大，因此电源往往较为笨重。 早期的有源功率因数校正电路中开关器采用晶闸管，因而其发展受到限制。 进入7 0 年代以后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进，到8 0 年代，现代有源功率因数校正( a p f c ) 技术才真j 下发展起来。由于变换器工作在高 3 华南理工大学工学硕士学位论文 频开关状态，这种有源功率因数校难技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因 数高等优点。 8 0 年代发展的有源功率因数校正技术可以说是基于b o o s t 变换器的功率因 数校正的年代，在此期间的研究工作主要集中在对工作在连续导电工作模式( c c m ) 下的b o o s t 变换器的研究上，这类变换器的各种控制方式一般是基于“乘法器” ( m u l t i p l i e r ) 原理。连续导电模式下的功率因数校正技术可以获得很大的功率容 量，但是对于大量应用的2 0 0 w 以下的中、小功率容量的场合却不是很合适，因 为这种方式往往需要比较复杂的控制方式和电路，使得其成本比较高 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 。8 0 年代末提出了利用工作在不连续导电模式( d c m ) 下的变换器进行功率因数校正的 技术。这种p f c 技术称为自动功率因数校正，也称为电压跟随器( v o l t a g e f o l l o w e r ) 。工作在d c m 下的功率因数校正变换器，一般仅对输出电压进行控制， 因而使得其控制简单、成本低，在中、小功率应用场合备受青睐。 9 0 年代以来，有源功率因数校正技术得到长足的发展。1 9 9 2 年以前的 p e s c ( p o w e re 1 e c t r o n i e ss p e c i a l i s tc o n f e r e n c e ) r e c o r d s 上有关功率因数校 正技术的报道很少。自1 9 9 2 年起，p e s c 设立了单相功率因数校正专题，这被看 作是单相有源功率因数校正技术的里程碑。这次会议上，有关电压跟随器型功率 因数校正技术的报道占了几乎一半，有关软开关功率因数校正技术也是这个专题 的一项主要内容。到1 9 9 4 1 9 9 5 年，p e s c 上有关功率因数校正技术报道的一个 主要内容是把软开关技术和功率因数校正技术结合以提高功率因数校正电路的 性能。于此，实现功率因数校正电路中有源开关器件的软开关，提高变换器的性 能便成为本文研究的重点。近年来，有关连续导电模式下的功率因数校j 下的控制 方法研究也有不少报道，主要有单周期( o n ec y c l e ) 控制、滑模( s l i d i n gm o d e ) 控制以及其他新控制方法 5 1 1 6 1 17 1 。同时，也提出了一些新颖的功率因数校正原理及 拓扑结构。 1 3 基本单相功率因数校正技术 p f c 技术从电路结构来分，总体可以分为无源p f c 电路和有源p f c 电路。无 源p f c 又可分为l c 滤波法和电容二极管构成的填谷校正法。有源p f c 中，按 导电模式分又可分为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；按控制策略分为乘法器模式和电压跟随型模式。 1 3 1 无源p f o 技术 1l c 滤波的无源p f c 技术 4 第一章绪论 由于无源p f c 技术具有安全、可靠、价据低等优点，所以在早期功率因 数校正电路中受到人们的重视。l c 滤波电路就是在整流桥与滤波电容之间增加 一个串联电感l f ，组成低通滤波器m 1 2 】。表卜l 给出在一；同输入电压下，各次谐 波的测量络果。理论分丰斤表明，警滤波电感l ，* 4 0 m h ，滤波电容c = 2 0 4 f 时， 爿能满足i e c 一5 5 5 标准。显然，和c 的体积大，在一些电子没备应用中有定 的困难，阂而l c 无源p f c 技术一般只应用在对体积和重量要求不是檄高的电子 设备中。 表卜1l c 滤波的测试结果 t a b l e 1w t h et e s tr e s u l t so fh a r m o n i ci nd i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e u f 、 i i 豫p ，姆 p fl 2 3 5 7 9 1 1 1 3 t i t d 2 0 83 1 l 3 1 50 9 4 53 0 3o 0 92 1 3 24 3 11 4 80 5 6o 2 l0 2 22 3 。5 5 2 2 03 3 63 7 70 9 3 83 2 70 1 12 1 9 44 4 01 6 30 4 1o 1 7o 2 52 2 7 9 2 3 23 s 44 3 6o 9 2 83 4 3o 1 02 3 3 74 5 l1 s 6o ，3 7 o 20 2 22 4 s 巷 i e c 标准2 0 02 7 1 075333 2 2 8 2 新徽无源p f c 技术 典塑豹耨壅秃源p f c 技术藏蹩裂溺邀容二极管网络掏残熬缕谷( v a l l e yf i l l ) 方式的p f c 整流电路，其基本结构如图卜1 所示。 转 崮11 接答方式p f c 耧滚电路 f i g 1 - 1 v a l l e y * f i l lp p f c c i r c u i t 当输入电压麓予电器e 和g 豹邀莲时，髓个电容处于串联充电状态；当输 入电压低于电容e ，和g 的电压时，两个电容处于并联放电状态。由于电容和二 掇管弼终豹串并联特性，因此这； 孛结构增大了= 极管的导通角，从耐使输入电流 的波形得到改善。在图卜l 中，用一个电阻戏电感与二极管绣串联可迸一步改 善输入电滚波形，这弛无源p f c 可使功率因数达到0 9 以上m ”。 填谷方式p f c 整流电路已殿用于电子镇流器等小型电器设备中，这种方式虽 然能够获撂较高的输入功率因数，但怒却不怒很好的抑制输入电流中的谐波含 5 华南理工大学上学硕士学位论文 量。 1 3 2 有源p f c 技术 有源功率因数校正( a p f c ) 技术是在整流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：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u i l 2 i 。 a p f c 主要优点是：可得到较高的功率因数，如o 9 7 一o 9 9 ，甚至接近l ；t h d 低，可在较宽的输入电压范围内( 如9 0 2 6 4 va c ) 工作；体积小、重量轻，输出 电压也保持恒定。目前广泛采用的a p f c 方案主要有两种：乘法器p f c 技术和电 压跟随p f c 技术。 1 乘法器p f c 技术 8 0 年代中期，有源p f c 技术的研究以乘法器方式为主，其基本原理如图1 2 所示。图中b o o s t 变换器通常工作在连续导电模式，其电感电流就是输入电流。 电感电流被采样并被控制，使其幅值与输入电压同相位的正弦参考信号成正比， 从而达到功率因数校正的目的 8 j 口i 。乘法器方式p f c 电路还可以根据输出电压反 馈信号，利剧乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压。 图卜2乘法器方式p f c 电路的组成 f i g 1 2 s t r u c t u r eo fm u l t i p l i e rp f cc i r c u i t 基于b o o s t 变换器的乘法器p f c 技术是一种比较成熟的p f c 技术，在电力电 子设备中已得到广泛的应用，输入功率因数可达o 9 9 以上。但是要求对输入 电流、电压及输出电压取样，因而需用含乘法器的专用i c 来构成双环控制电路， 达到输入电流波形控制和输出电压调节的双重功能，而且以专用i c 为核心构成 的双环控制电路设计和调试都比较复杂，成本高，电源体积较大；若降低成本， 6 第一一章缝论 采用单级结构时，输出电压总高于输入电压的峰值且难以实现输入输出隔离。因 蠢矗采蠲蘸缀乘法瓣方案大多庭爰予精密邀源以及大功率电源弱凌率函数校正之 中。有关这类有源p f c 电路的研究除了提出一些新的辅扑结构外，目前主要集中 在各种灏的控制技术的研究上，如滑模( s 1 i d i n gm o d e ) 控制以及单周期( o n e c y c l e ) 抡制等。 2 电压跟随器p f c 技术 8 0 每代蜃裳，d o c 。s 转f r e e l a n d 营先掇爨了裂爆不连续露电摸式遴行功率 因数校难的概念。基本电压跟随器p f c 电路如图1 3 所示。 该变换器工作在不连续导电模式，功率开关由输出电压误慈信号控制，由于 蜂擅龟拣电流基本上正魄予赣a 毫压，霞趁，输a 迄滚波形交然躁疆输入毫区波 形。与乘法器型p f c 电路相比，电雁跟随器p f c 电路的控制简单，仅需攥对输出 邀压进行控到。躐此，多数现有的p w m 控制芯片都可以作为电压跟随器p f c 电路 的控制器，而不象乘法器p f c 电路需要专门的控毹 c 。而且，变换器工作在不 连续导电模式下，就避免了b o o s t 变换器中因输出二极管的反向恢复电流带来的 淘题。 圈1 3基于b o o s t 变换器的电雁跟随器p f c 电路的绸成 f i g i - 3 v o l t a g e f o l l o w e rb o o s tp f c c o n v e r t e 5 电压跟随器p f c 技术的一个缺点是其输入电流波形为脉动静三角波。茜诧， 其前端要加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 器会获缮委为理慧豹滤波毅采。这在一定器菠上增舅| j 了电路黪复杂蛙。另一个缺 点是其较高的开关电流峰值会带采较大的开关关断损耗，开关管同时承受较大的 电压电流应力，并产生严重的电磁干扰( e m i ) 。同时，开关寄生电容引起的开通 损耗随着开关频率的提离而增翔，使得交羧器静效率洚低。 采用电压跟随技术通过简单的拓扑和控制就能舣得较高的功率因数，同时采 臻蕈缀模式，埝功率毽数校正、簸感电匿调整、输入羧出蕊离众多功戆繁子一身， 因而有较大的市场发展静景。因此，本文研究的重点亦放在电压跟随器p f c 上， 主要工作是在单级p f c 变换器中嶷现软开关。 7 华南理工大学。学硕士学位论文 。4 本耄小结 本章主要分缨了本论文懿一些基本定( 如功率因数瓣突义) 积一些基本肇握 功率因数校藏技术，简单的眈较了它们的优缺点和适用场合。 8 第二章蕈级功率嚣数校正致敬开关投术 第二章单级功率因数校正及软开关技术 本章蓠先楚要分毒厅了单级p f c 技术与传统礴级p f c 技术的特点及区别；然后 对现有的举级p f c 于石扑进行了分析和归纳，并谶步对单级p f c 变换器的工作原 理、工侮模式及其存在的问题和发展趋姆进行了分析和探讨。 传统的单级p f c 变换器没有实现功率开关管的软开关，因此，功率转换效率 低、开关繁的电压应力商。为了解决这魑问题，一些软开关单级p f c 变换器相继 被擒出，假这些变换器为实现软开关都需要外嬲辅助耄路，缩栗使得变换甏的结 构复杂、体积大、功率密度低。通过对释种软开关单级p f c 拓扑分析和比较，最 后褥出一种基于菲平衡半轿单级f f c 变换器。 2 1 单级p f g 技术与两级p f g 技术麓区别 2 1 1两级p f 0 技术工作原理及特点 有源p f c 技术从结构上分为两级策略和单缀策略m l f 2 t m 5 1 。两级策潞是窝前普 遍使用的比较成熟的f f c 技术。两级p f c 变换器是在d c d c 变换器的前级加上一 级输入电流整形变换器，这两缀变换器分掰独立控铺。前级p f c 交换器完成簿质 量的输入电流整形功能；后级d c d c 变换器完成输出电压快速调节功能。 传统的两级p f c 缩梅框胬如餮2 1 ( a ) 所示。p f c 缀逐常采麓b o o s t 或 b u c k - b o o s t 变换器，控制电路采集输入电感电流和输出电聪作为控制信号，通 过特定的控铺策略使褥输入电流躜踪输入电蕊波形，并减小谐波含爨。控利电路 同时还对输出电压进行反馈控制，通过p w m 控制对输出电压进行预调节。该控制 fa ) 继穆框躅 it r “瓠； ：2i瞄 图2 1两缀功率因数变换器 f i g 2 一i 。t w o s t a g ep f c e o t l v e r t e r 9 ( b ) 典型惫路 华南理工人学工学硕士学位论文 策硌对于输入电压9 0 v - 2 6 5 v 范国内，都可以将储能电容电压控制在3 8 0 v 左右， 从而使后级d c d c 变换器可以得到优化设计。 德麓电容后接第二缀d c d c 变换器对输出电压进行糟调。该变换器与前级焱 换器完全独立，采用单独的p w m 控制实现输出电压的快遮调节。图2 - 1 ( b ) 所示 为葜黧豹两缀p f c 电籍圈。凝中b o o s t 奄戆工作在c c m 模式，后缀d c d c 变换器 采用反激式变换器( f l y b a c kc o n v e r t e r ) 进行输出电压调节。 黧2 2 ( 鑫) 搿汞为两缀策臻中静输入毫压龟滚滚形，鬻中还显示了p f c 交换 器和d c d c 变换器的占空比的变化情况。对于p f c 变换器，由于输入电压呈现正 弦，嚣器辕密电器基本穗定，溺_ 蘧占空魄尧爱正弦；两转e 一勰交换嚣输入稔蹬奄瓢 都恒定，因而占空比綦本上恒定。 钐忒么、 岛渊聪 彳汰彳心 d 髅黔c 岛靶 ( a ) 两级p f c 变换器( b ) 单级f f c 变换器 圈2 - 2 输入电压电流波形及占空比变化图 f j g 2 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u tv o l t a g ec u r r e n ta n dd u t yc y c l e 蠲缀p f c 变换器具有功搴因数赢、电流谐波含量低、保持时间长、d c d c 变 换器可以得到优化设计等优点。氇怒，由于两级p f c 多用一个功率开关篱和一套 控制电路，从而使得黎体积大、成本赢，若腹用在中小功率电源中是不太合适的。 2 1 2单级p f c 技术工作原理及特点 单级p f c 技术的基本思想是将p f c 变换器和d c d c 变换器合二为一，两个变 换嚣荚用一套开关管和控制电路，丽对实现输入电流整形、输出隔离和输出电压 快速调节等功能m 。图2 - 3 ( a ) 所示为单级p f c 变换器的结构框图。控制电路只 对输礤电压采样反馈，因两在交换嚣稳定工作祷躐下，开关管静占空浇蒸奉上怒 恒定的。对于b o o s t 变换器，当占空比恒定时，工作在d c m 模式下的b o o s t 电路 具有电流鲁动舔踪输入毫蓬特毪。尽管擎缀p f c 变换器耩褥臻翡渤率因数及荬魄 流谐波特性不如两级p f c 变换器特性好，但却足以满足i e c 的相关标准。 校据输入电感邀漉静工终觜凝，霹涛擎缓p f c 变换器分隽d c m 擎缀p f c 受挨 器和c c m 单级p f c 变换器两种类型。通常d c m 模式的变换器比c c j i f 模式的变换器 1 0 第二章单级功率因数校正我软开关技术 控铋篾棼、藏本惩，毽荧哮；不是黪是邀滚绞波丈、导逶撰怒大。困此，d e 麓模式 的变换器通常适用于低功率电子设备中。图2 - 3 ( b ) 所示为典溅的单级p f c 变换 爨惫路，逶当没诗辕入毫感麴电感德渡可以便变换器工捧在d c m 模式。在保 证输入电感电流断续的情况下，适当增加厶。值，或者加上负反馈耦合绕组，可 以在一定稷发上辫低电容电压瞧。 ( a )结构框图( b )典型电路 图2 - 3 单级功率因数变换器 f i g 2 3 s i n g l e - s t a g ep f c c o n v e r t e r 圈2 - 2 ( b ) 所示为输入电压电流波形及开关管的控制占空比变化图。由图可 以稽出：嘏流波形平均德接近正弦波，冀功率磷数不鲡两缀p f c 交羧器高，爱绩 控制p ! 路只是对输出电联进行快速调节，因而占空比旗本上憾定。 因此，单级p f c 变换器降低了成本、提离了效率、瀛小了 搴辍。在中枣功率 应用场合，由于其高的性价比而备受青睐。但是，单级p f c 技术会导致储能电容 电压随输入电压和负载静交纯丽舞高，这涛会使奄终游稳定经受到一定静影萄， 同时某些元件的体积和成本会有所增加，这些都是单级p f c 技术需要进一步解决 的l ，迸蘧。 2 ，2p f c 变按器懿工作模式 ( a )c c m( b ) d c m( c ) b c m 鞫2 4 不冠导逶模式下电滤波澎 f i g 2 4 c u r r e n tw a v e f o r ma td i f f e r e n tm o d e 功率邋数按芷交换爨孛摄据p f c 级的导邋模式可以分为以下三张类型：连续 导通模式( c c m ) 、断续导通模式( d c m ) 和临界导通模式( b c j l l ) 【j 4 1 1 5 j t “ ，如图2 - 4 所 华南理工大学f 学硕士学位论文 示。下面分别对这三种模式进行简耍的分析。 1 遽续导遥模式( c c u ) 在这种模式中，p f c 级的电感电流连续。这种导通策略的典型应阁怒在大功 率的两级功率因数校正交换器中，因为在这种导通模式中，功率开关管的电流应 力最低。使用专门的设计芯片便可以获褥非常赢的功率因数。在一些文献中也提 至l ，c c m 导逶模式氇胃酸瘦滔在擎缀p f c 龟鼹中，餐是，冀奄路结搀餮拯翻方式 复杂而且成本也高。 2 断续导通模式( d c m ) 在这秘模式中，p f c 级的电感滚滚鼗续。遮零孛导逶模式一般应爱在蘩缀p f c 变换器中。因为在采爝恒占空比控制时，工作在d c m 模式的很多电路拓扑( 如 b o o s t 电路等) 具有电流自动跟踪输入电压特性，可以很容易获得高功率因数。 虽然d c m 模式存在功攀开关管的电流应力比c c m 模式高，中闽母线电压不可控等 绫点，毽怒由手它静控潮麓擎、藏本低焉备受关注。 3 临界导通模式( b c m ) p f c 变换器的电感电流工作在c c m 和d c m 之间的临界导通状态，当线电流下 降裂零靖，赫静开关溺裁又重毅开始。王俸在貉爨导逶模式下鹃p f c 交羧器只霉 要筒单的控制芯片和比较少的元器件就可以获褥商的功率因数。同时，由于每个 开关周期丌始时电感电流都下降到零，因此有效的解决了c c m 模式下存谯的二极 管反向恢复问题。临界馨通模式是农p f c 变换器中追求高性能和低成本之间的一 种菲常好豹辑衷方案，瓣蕴，在中小场率应蠲场合j 鬻常显，跑魏毫予镇流器等。 2 3 现裔单级p f o 拓扑的归纳 单级p f c 的概念可以追溯到文献 4 ，5 中所提到的一些早期的理论。文献 4 中提到是单级p f c 的最原始电路，但是电路元器件数目多。另一种实现单级p f c 舱方式如文献 5 所述：把一个b o o s tp f c 变换器和一个d c d c 变换器袋成为一 级，共磊一个开关管。潺耱擎缀p f c 变换器可敬往璃恒频p w b l 控翻氇可阻佼蘑交 频p f m 控制。这种电路代表了通过把b o o s tp f c 变换器和d c d c 变换器黛成为单 级p f c 的最早形式。 1 9 9 2 年，文教e 6 中菲零系绞瓣夯缀了趱遮耱缓联方式簿造豹一系裂单缀 p f c 电路。萁中提出了些新的单缎p f c 电路，比如b i f r e d 电路和b i b r e d 电路， 他们是通道把b o o s t 电路和f l y b a c k 电路或者b u c k 电路级联而成。b o o s tp f c 交换器工作在d c m 模式完成；d c d c 变换器工作农c c m 模式。这种电路嶷流母线 电压强烈依赖于负载，鞠采设计遥溺全球电丽戆装置，当电黼龟匿辐篷逡到2 6 5 v 且输出为辍裁时，直流母线上的电聪将达到1 0 0 0 v 。文献 7 ，9 采用变频控制以 1 2 第二翥单级功率因数校正及软开关技术 减小轻载时直流母线电压；文献 8 提出b o o s t 电路和f l y b a c k 电路的d c m + d c m 组合模式，有