（电气工程专业论文）预测平均电流控制的单相有源功率因数校正变换器的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着电力电子技术的发展及电力电子装置的普遍应用，在电力系统中产生了 大量的电力谐波，谐波闻题已经成为电气工程领域关注的焦点问题之一。有源功 率因数校正技术作为消除电网谐波、提高整流装置功率因数的一种有效措施，受 到学术界普遍关注，发展十分迅速，其分类越来越多，应用越来越广目前文献 上研究的两级有源功率因数校正技术一般都是指b o o s t 型有源功率因数校正器的 前置级和后随的d c d c 功率变换级对b o o s t 型有源功率因数校正器的前置级而 言，研究的熟点主要有两个：一是功率级的进一步完善；二是控制电路的简化 本论文主要对两级有源功率因数校正器的前置级b o o s t 电路的控制进行研究 传统的平均电流控制、电流滞环控制和电流峰值控制都需要内环电流调节器、需 要检测整流后的输入电压、需要乘法器，这就使得控制结构复杂、控制电路成本 高，并且乘法器的非线性失真增加了输入电流的谐波含量。因此，寻求更加简单 的控制策略、降低有源功率因数校正成本、减小n m 和e m i 、降低开关应力、提高 整机效率成为今后有源功率因数校正控制技术的发展趋势。针对有源功率因数校 正控制技术的发展趋势，本论文研究一种新型的用于有源功率因数校正的控制方 法预测平均电流控制。 首先，在查阅大量国内外文献的基础上，以单相有源功率因数校正系统为背 景，介绍了目前常用的有源功率因数校正控制技术的分类和各自的特点 其次，采用预测电流控制的基本思想、基于单周期控制的基本原理，阐述了 预测平均电流控制的基本思想，推导了预测平均电流控制的控制方程，并分析了 其稳定性。 最后，对预测平均电流控制的单相b o o s t 型有源功率因数校正系统进行了设 计，建立了s a b e r 内部所接受的仿真模型，并进行了仿真分析。 通过理论分析和仿真分析说明预测平均电流控制的单相b o o s t 型有源功率因 数校正器具有实现简单、抗干扰能力强、响应速度快、适应输入电压和负载变化 范围宽等优点这种技术突破了需要乘法器和对输入电压进行检测的传统控制概 念，控制概念直接且实现容易，为有源功率因数校正提供了一种高性能且低廉的 控制技术 关键词：谐波，有源功率因数校正，b o o s t 变换器，预测平均电流控制，仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a g r e a tm o u n to fp o w e rh a r m o n i c si sp r o d u c e da l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c sa n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no f p o w e r e l e c t r o n i c se q u i p m e n t s h m - m o n i c i s s u eh 勰b t 幻眦af o c mo f 州：锄i nt h ef i e l do fe l c c t r i c a e 丑g i n r i l 培p r o b l e m s a c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c f i o n ( a p f c ) i sr e g a r d e d 髂a t le f f e c t i v ew a yt oc 0 删p o w e r h a r m o n i c sa n dt oi m p r o v ep o w e rf a c t o ra n dh a sb e e np a i dm u c ha t t e n t i o nb yt h e a c a d e m i cc o m m u n i t y i td e v e l o p sv e r yq u i c k l ya n db ea p p l i e dm o 圮w i d e l y 1 1 砖 t w o - s t a g ea p f co nt h el i t e r a t u r eg e n e r a l l yr e f e r s 仞t h ep r e - r e g u l a t o ra n d t h ep o s t - c l a s s l e v e lo f t h ed c 、d cp o w e rc o n v e r s i o no f t h eb o o s ta p f c t h e r ea r et w om a i nr e s e a r c h f o c u s e so nt h eb o o s ta p f c ：o n ei st h ep o w e rl e v e lf u f t h e ri m p r o v e d ；t h eo t h e ri st o s i m p l i f y i n gt h ec o n t r o lc i r c u i t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h ep r e - r e # a t o ro f t h et w o - s t a g eb o o s t a p f ci st h em a i nc o n t e n t 1 1 艟t r a d i t i o n a la v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l ，h y s t e r e t i cc u r r e n t c o n t r o la n dp e a kc u r r e n tc o n t r o ln e e di n n e rc u r r e n tr e g u l a t o r , d e t e c t i o no ft h er e c t i f i e d i n p u tv o l t a g ea n dm u l t i p l i e r , w h i c hm a k em o r ec o m p l e xa n dh i g h e rc o s to ft h ec o n t r o l c i r c u i t f u r t h e r m o r e ，t h en o n l i n e a rd i s t o r t i o no f t h em u l t i p l i e ri n c r e a s e st h ei n p u tc u r r e n t b m m o n i cc o n t e n lt h e r e f o r e m a k e8s e a r c hf o rt h em o r es i m p l ec o n t r o ls t r a t e g y ， r e d u c ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o s t s , r e d u c e1 1 | da n de m i r e d u c e 蛐陀路o ft h e g 谢t c h i n ga n di m p r o v ee f f i c i e n c yb o e c o m et h e t r e n d so fa p f c t oa i ma tt h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft h ec o n t r o ls t r a t e g yo f a p f c t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t e dan e w c o n t r o ls t r a t e g yo f a p f c - p r e d i e d v ea v e r a g e dc u r r e n tm o d ec o n t r 0 1 f i r s t l y , b a s e do nr e f c ：r r i n gt oa l o to fl i t e r a t u r e s , 切k i n gs i n g l e - p h a s ea p f cs y s t e m s a sa no b j e c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n u o d 嘲t h ec l a s s i f i c a t i o na n dt h e i rr e s p e c t i v e c h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o n 舡o ls t r a t e g yo f a p f ci nc o f r n l o nu s ea lp r e s e n t s e c o n d l y , b a s e d0 1 1t h eb a s i ci d e ao fp r e d i c t i v ec o n t r o la n db a s i cp r i n c i p l eo ft h e o n ec y c l ec o n t r o lt h ep r e d i c t i v ea v e r a g e dc u r r e n tm o d ec o n t r o li se x p o u n d e d , i t s c o a t r o le q u a t i o ni sd e r i v e da n da n a l y s i si t ss t a b i l i t y f i n a l l y , t h es i n g l e - p h a s eb o o s ta p f cs y s t e mo ft h ep r e d i c t i v ea v e r a g e dc u r r e n t m o d ec o n t r o li sd e s i g n e d b u i l d i n gt h es i m u l a t i o nm o d e l w h i c ha “蜀呻e db yt h e i n t e r n a lo fs a b e r a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa 托a n a l y z e d t h e o r e t i c a la n s l y s i sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i ss h o wt h a tt h es i n g l e - p h a s eb o o s t a p f co ft h ep r e d i c t i v ea v e r a g e dc u r r e n tm o d ec o n t r o l h a sas i m p l ea n d n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a n t i - i n t e r f e t e n c a p a b i l i t y ，f a s tr e s p o n s et i m e ，m e e tt h e 谢d er a n g eo f i n p u tv o l t a g ea n d l o a da d v a n t a g e s t h ec o n t r o ls l r a t e g yb r e a k st h r o u g ht h en e e df o rt h em u l t i p l i e ra n dt h e d e t e c t i o nf o ri n p u tv o l t a g e t h ec o n c e p to ft h es u a t e g yi sd i r e c ta n de a s yt oc o n t r o l ， p r o v i d e sah i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w - c o s tc o n t r o ls t r a t e g yf o r a p f c k e y w o r d s ：h a r m o n i c s , a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n , b o o s tc o n v e r t e r , p r e d i c t i v e a v e r a g e dc u r r e n tm o d ec o n a v ks i m u l a t i o n m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名彳锄p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：砌僻绅扛 签字日期：卅年岁月“日 导师签名t 拟l f 习 签字日期：一7 年，月可日 | 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 l 。l 引言 直接接入交流电网的无工频变压器开关电源是开关电源中应用最为广泛的一 种，诸如计算机开关电源、家用电器开关电源和大部分智能设备开关电源都属于 无工频变压器开关电源。传统的无工频变压器开关电源直接把交流市电经过二极 管整流、电容滤波得到未稳定的直流电压，然后再经过d c d c 变换和稳压措施得 到所需的稳定的直流输出电压 无工频变压器开关电源的整流环节会使其输入电流严重畸变，对电网产生严 重的谐波污染并且功率因数低。近年来随着开关电源装置应用的日益广泛，公共 电网谐波污染也日趋严重，不仅影响了供电质量，增加了电网损耗，而且严重时 还可能造成某些设备不能正常工作，甚至损坏。随着i e c 5 5 5 - 2 等国际和国内标准 的提出，对于接入电网的设备的功率因数和总谐波含量提出了很高的要求，因此， 如何消除电源装置中的谐波污染并提高其功率因数，已成为电力电予技术的一项 重大课题，也是目前国内外研究的热点【1 2 1 1 2 谐波的产生和危害 早在二十世纪二、三十年代，德国就开始对有关变流器造成的电压、电流波 形的畸变问题进行研究。五、六十年代在高压直流输电方面的发展进一步推进了 变流器谐波的研究。进入上世纪七、八十年代后，由于电力电子技术的飞速发展， 各种电力电子装置在电力系统、各工业部门、交通及家庭和民用事业中的应用日 益广泛，由电力电子装置产生的谐波成为电力系统中谐波的主要来源，对电力系 统和用电设备所造成的危害也日益严重。 在电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，普遍采用的整流器是由全桥 二极管加大容量滤波电容组成，其结构如图1 1 所示。这种通用的整流方式仅当输 入的正弦电压幅值高于滤波电容c 两端电压与整流器正向压降之和时，才从电网 取电流，所以输入电流的导通时间相当短，电流瞬时值约为输入电流有效值的2 3 倍，波形如图1 2 ( a ) 所示，电流呈现严重的非正弦特性，在电容充电期间形成 脉冲电流，其电流峰值高，谐波电流及波形失真大，导致了整个供电系统的功率 因数的下降，一般仅为0 4 5 - , 0 7 5 ，而且输入电流过高的瞬时峰值也会使系统可靠 性降低】。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 a c 一一 = r u i l j 2土z土 i c _ -一 一一 2土zl 圈1 1 整流电路 f i g1 1t h er e c t i f i e rc i r c u i t ( a ) 输入电压与输入电流波形 c a ) t h ew a v e f o r m so f t h ei n p u tv o l t a g ea n di n p u tc t m - e n t 横轴：0 0 1 s d i v ，纵轴：2 0 0 v d i v ；2 0 a d i v ( b ) 输入电流谐波分量 ( b ) t h eh a r m o n i cc o m p o n e n to f i n p u tc t m e n t 图1 2 整流电路输入电流失真与谐波分量示意图 f i g1 2t h ei n p u tc u r r e n td i s t o r t i o na n dh a r m o n i cc o m p o n e n to f r e c t i f i e rc i r c u i t 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 由图1 2 可知，输入电流中除了含有基波外，还含有丰富的奇次高次谐波分量， 这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”，造成严重危害。谐波的主要 危害如下【1 工5 q ： ( 1 ) 产生“二次效应”即谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压 ( 原来为正弦波) 发生畸变，影响各种电气设备的正常工作； ( 2 ) 谐波会造成输电线路故障，使变电设备损坏。例如，线路和配电变压器 过热、过载。在高压远距离输电系统中，谐波电流会使变压器的感抗与系统容抗 发生l c 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而损坏，等等； ( 3 ) 谐波影响用电设备。例如，谐波电流对电机除增加附加损耗外，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；谐波可能使自 炽灯工作在较高的电压下，这将导致灯丝工作温度过高，缩短灯丝的使用寿命， 等等； ( 4 ) 谐波会使测量仪器附加谐波误差。常规的测量仪表是设计并工作在正弦 电压、正弦电流的，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薰时，会产生附加误差，影响测量精度； ( 5 ) 谐波会使通信电路造成干扰。电力线路谐波电流会通过电场耦合、磁场 耦合和共地线耦合对通信电路造成影响。 1 3 功率因数的概念 根据电工学的基本原理，功率因数( p f ) 定义为有功功率( ，) 与视在功率( s ) 的比值，用公式表示为【2 j ： p f ；! ：v d l c o s _ _ _ _ e 0 ：i , c o s _ _ _ e e ：7 c o s o ( 1 1 ) s y t l ki i 式中， 为输入电流基波有效值；厶为电网电流有效值， 厶= 矸+ e + + e ，其中2 ，厶l 为输入电流各次谐波有效值；k 为输入电 压有效值；，为输入电流的波形畸变因数( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ， y 。i l f l r = l l “i ；+ l ；+ + l ：tc o s e 为位移函数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) 即功 率因数为波形畸变因数和位移因数的乘积 为了更好的表征电流失真给非线性电路带来的影响，用总谐波畸变t h d ( t o t a l h a r m o n i c sd i s t o r t i o n ) 来衡量电流波形失真情况。令 而 t h d ；监。然量： ( 1 2 ) = ! ! 三!茸! ：! ：! ：! ： ( 1 2 ) j ll 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 于是可以得到输入电流的波形畸变因数，与总谐波畸变t t i d 的关系如下： ，= i , i , = l l + t h d 2 ( 1 3 ) 当交流输入市电的电压、电流同频和同相位时，有0 = 0 ，相应有下式成立： p f = i , , = l l + t h d 2 ( 1 4 ) 由式( 1 4 ) 所得t h d 值和p f 值的关系如表1 1 所示 由表1 1 可知，t h d 指标能很好的衡量非线性电路的功率因数，t h d 5 时， p f 值可控制在0 9 9 8 左右 袭1 1 已知p f 值时t h d 的计算结果( 设0 = 0 ) t a b l e1 1t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sw h e nt i i ep fv a l u ei sk n o w n ( 0 = 0 ) p fo 5 8 1 2o 9 9 0 30 9 9 50 9 9 8 7 50 9 9 9 5 5 1 翻d ( 计算值) 1 4 01 41 053 1 4 有源功率因数校正技术的发展 为了减少a c d c 变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污 染，以保证电网的供电质量，提高电网的可靠性，同时也为了提高输入端功率因 数，以达到节能的效果。必须限制a c 仍c 电路输入端的谐波电流分量、提高功率 因数。 有源功率因数校正( a p f c ) 技术通过一定的控制方法，使电源的输入电流接 近正弦波且与输入电压同相，提高了功率因数，使功率因数接近于l ，有效地抑制 了谐波。其应用范围已涉及到工业、交通和日常生活中的各种变换电流电路当中 从a p f c 技术的发展历程来看，人们最早是采用电感器和电容器构成的无源网络 进行功率因数校正。采用这种技术所需的滤波电容器和滤波电感器的体积和重量 较大，因此电路往往比较笨重，并且对于输入电流波形中的谐波电流的抑制效果 并不理想。 七十年代以后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进。到八 十年代，现代a p f c 技术应运而生。由于变换器工作在高频开关状态。这种有源 功率因数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近l 等优点这 一时期是有源功率因数校正技术发展的初级阶段，其间提出的一些基本技术是有 源功率因数校正技术的基础。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 可以说，八十年代是基于b o o s t 变换器的有源功率因数校正技术的年代。当时 的研究工作主要集中在工作于连续导通模式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e - c c m ) 下的b o o s t 变换器上，其控制方式一般是基于乘法器( m u l t i p l i e r ) 原理。这种模式 下可以获得很大的功率转换能量，但这种方式的控制电路复杂，对于2 0 0 w 以下 的中，小功率容量场合并不适合八十年代末提出了工作在不连续导通模式 ( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e - d c m ) 下的有源功率因数校正技术，其输入电 流自动跟随输入电压l l 埘，输入功率因数可接近1 这种变换器也叫电压跟随器 ( v o l t a g ef o l l o w e r ) ，其控制简单，在小功率场合倍受青睐。 九十年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展，有关论文不断发 表。自1 9 9 2 年起，p e s c 设立了单相功率因数校正技术专题，这被看作是单相有 源功率因数校正技术发展的里程碑。从此，不断有新颖的功率因数校正原理、拓 扑结构和控制方法出现经过这一发展历程，有源功率因数校正技术已经具备了 高性能、低成本的特征，获得了广泛的应用。a p f c 的控制器由分立电路发展到集 成电路，a p f c 技术的理论研究也逐渐发展到实用化，已有部分商业化产品出现， 主要应用领域有【l 】： ( 1 ) 开关电源：如美国有十几家公司有功率因数校正产品，p f = 0 9 - 0 9 9 8 ， 功率为2 5 0 w - - 4 k w ； ( 2 ) u p s ： ( 3 ) 电子镇流器； ( 4 ) 程控交换机电源等 我国尽管a p f c 技术研究起步较晚，目前仍取得不少进展。1 9 9 4 年有关学会 组织了a p f c 技术的专题研讨会。小功率带a p f c 的开关电源也开始进入实用阶 段，其p f 值达到o 9 9 ，n m 8 我国从1 9 9 4 年3 月开始执行国家标准 g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量，公用电网谐波 从原理上讲，任何一种d c d c 变换器拓扑如b u c k ，b o o s t ，f l y b a c k ，s e p i c 乃至c u k 变换器都可以用作a p f c 的主电路。但是由于b o o s t 变换器的特殊优点， 其应用最为广泛，经常用于两级有源功率因数校正技术中的前置级。 b o o s t 型有源功率因数校正器的主要优点有【l 硐： ( 1 ) 输入电流连续，电磁干扰( e m i ) 小，射频干扰( r f i ) 低； ( 2 ) 有输入电感，可减小对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频 瞬态冲击； ( 3 ) 输出电压大于输入电压峰值。例如，输入9 0 1 3 2 v 交流电，输出直流电 压约为2 0 0 v ；若输入电压为8 5 - 2 6 5 v 交流，直流输出电压将约为4 0 0 v ； ( 4 ) 容易驱动功率开关，其参考端点( 源极) 的电位为0 v ； s 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 5 ) 可以通过控制输入电感电流波形直接控制输入电流； ( 6 ) 可在国际标准规定的输入电压和频率广泛变化范围内保持正常工作。 然而，b o o s t 方案亦存在如下缺点： ( 1 ) 输入、输出之间无绝缘隔离，尚需改进； ( 2 ) 若开关、二极管、输出电容之间存在杂散电感，在高频下容易产生危险 的过电压，对开关的安全运行不利 近年来，a p f c 技术研究的热点问题集中在以下几个方面【1 ，2 】： ( 1 ) 新型拓扑结构的提出。主要是基于已有的或新的原理得到新型拓扑结构 ( 2 ) 把d c 巾c 变换器中的新技术( 如软开关技术、多电平技术) 应用于a p f c 电路中； ( 3 ) 新的控制方法( 基于已有控制结构的新控制方法) ，以及基于新拓扑的 特殊控制方法的研究； ( 4 ) 单级a p f c 稳压开关变换器的稳定性的研究。采用单级结构后，由于 a p f c 和d c d c 变换部分存在不可避免的相互联系，因此有必要研究这类变换器 的稳定性，以便设计出达到性能指标的开关电源。 1 5 论文研究的目的及意义 1 5 1 论文研究的意义 谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设 备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。 谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等 设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对 于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。抑制谐波和提高 功率因数还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技 术发展的重要支柱有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为 2 1 世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电 力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进 行更为有效的研究。 抑制谐波和提高功率因数更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角 度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在 电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地 球环境的保护已经成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也成为电工科 学技术界所必须解决的问题。 因此，提高电力电子装置的功率因数、抑制谐波污染成为一个十分重要的课 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 题。 1 5 2 论文研究的目的 近年来，简化有源功率因数校正器的控制电路的复杂性成为有源功率因数校 正技术研究的热点之一在传统c c m ( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ) 模式下，有 源功率因数校正( a p f c ) 技术中的电流型控制需要乘法器、需要检测输入电压、 需要内环电流调节器，不但控制电路复杂、电路成本较高，而且乘法器的非线性 失真也增加了输入电流的谐波含量障1 捌。为了减少a p f c 控制电路的复杂性、提 高效率，近年来出现了很多新型的控制方法。 针对有源功率因数校正控制结构向简单化、高效化发展的趋势。本论文欲以 此为主要研究内容，在这方面作一些探索性的研究，研究一种新型的控制方法。 1 5 3 论文的主要内容 单周控制【】5 l 又称积分复位控制，是一种新型非线性p w m 控制技术，它将非 线性控制的本质与开关电路有机地结合起来，以达到被控量的瞬时跟踪，无论是 稳态还是暂态均能保持被控量的平均值恰好等于或正比于给定值，即在一个周期 内有效地抑制电源侧的扰动，使系统的静态误差和动态误差几乎为零。将单周期 控制的基本原理应用于各种电流型控制上，就可以得到电荷控制、非线性载波控 制、线性峰值电流控制、预测开关调制和输入电流整形技术等有源功率因数校正 的新型控制技术。 预测电流控制【3 1 圳的基本思想是：在一个开关周期内对电流做出预测性控制， 预测下个采样时刻的电流。据此以某种最优控制策略来计算当前的控制作用并加 以控制，使得电流误差为最小，迫使下一次采样时刻的实际电流以最优特性跟踪 下一时刻的参考电流 本论文所研究的新型控制方法一预测平均电流控制方法就是采用预测电流控 制的基本思想、基于单周期控制的基本原理的电流型p w m 控制方法。这种控制方 法消除了传统控制方法中的乘法器、无需检测输入电压、无需内环电流调节器， 简化了控制结构、降低了系统成本，适应了有源功率因数校正技术控制方法的发 展趋势。本论文主要包括以下几方面的内容： ( 1 ) 阐述了有源功率因数校正技术的目的和意义，分析了有源功率因数校正 技术的研究背景与研究现状； ( 2 ) 介绍了单相有源功率因数校正系统经典的传统控制方法和新型控制方 法，并分析了几种典型控制方法各自的特点； ( 3 ) 详细介绍了预测平均电流控制的基本思想，推导了预测平均电流控制的 控制方程、介绍了其工作原理，并对预测平均电流控制进行了稳定性分祈； ( 4 ) 对预测平均电流控制的单相b o o s t 型有源功率因数校正系统进行了设计； 7 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 ( 5 ) 对预测平均电流控制的单相b o o s t 型有源功率因数校正变换器系统进行 了仿真并对仿真结果进行了分析； ( 6 ) 对论文的工作进行了总结。 l 重庆大学硕士学位论文2 单相有源功率因数校正系统的控制方法 2 单相有源功率因数校正系统的控制方法 2 1 引言 有源功率因数校正电路在提高电力电子装置网侧功率因数、降低电网谐波污 染方面起着很重要的作用。本文以单相b o o s t 型a p f c 来说明其工作原理，其工作 原理框图如图2 1 所示a p f c 的工作原理如下：主电路的输出电压圪和基准电压 比较后，输入给电压误差放大器，整流电压，的检测值和误差放大器的输出电 压信号共同加到乘法器m 的输入端，乘法器m 的输出则作为电流反馈控制的基准 信号，与电感电流( 开关电流) 检测值比较后，经过电流误差放大器加到p w m 及 驱动器，以控制功率开关册，的通断，从而使输入电流( 即电感电流) l 的波形与 整流电压1 ，。的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数有 源功率因数校正器同时保持输出电压圪恒定，使下一级开关电源设计更容易些 图2 1 常用的b o o s t 型a p f c 原理框图 f i g2 1t h es c h e m a 6 cd i a g r a mo f t h eg e n e r a lb o o s t a p f c 目前应用和研究较为广泛的a p f c 技术有两级a p f c 技术和单级a p f c 技术 随着a p f c 技术应用的普及，a p f c 电路拓扑日渐成熟，关于a p f c 控制系统的研 究目前仍然十分活跃。 目前文献上研究的两级a p f c 一般都是指b o o s t 型a p f c 的前置级和后随的 d c d c 功率变换级。对b o o s t 型a p f c 的前置级而言，研究的热点主要有两个： 9 重庆大学硕士学位论文2 单相有源功率因数校正系统的控制方法 一是功率级的进一步完善；二是a p f c 控制电路的简化。 本论文主要对两级a p f c 电路的前置级b o o s t 电路的控制进行研究。 2 1 1 两级a p f c 技术 目前文献上研究的两级a p f c 技术一般是指b o o s t 型a p f c 的前置级和后随的 d c d c 功率变换级，它们各自都有自己的开关器件和控制电路，如图2 2 所示【3 】。 前级的b o o s t a p f c 级主要作用是使线电流跟踪线电压，使线电流正弦化，减少谐 波对电网的污染，提高功率因数。d c d c 级主要用来实现输出电压的快速调节。 入 图2 2 两级a p f c 变换器方框图 f i g2 2t h eb l o c kd i a g r a mo f t w o - s t a g e a p f cc o n v e r t e r 2 1 2 单级a p f c 技术 在2 0 世纪9 0 年代初，美国科罗拉多大学的e r i c k s o n 教授等将前置级b o o s t 电路和后级f l y b a c k ( 反激) 变换器或者f o r w a r d ( 正激) 变换器的开关管公用， 提出了单级a p f c 变换器。单级a p f c 的原理框图如图2 3 所示同传统的两级 a p f c 相比，单级a p f c 只有一个开关管和一套控制电路，同时实现输入电流的正 弦化和对输出电压的调节。由于控制电路主要用来调节输出电压，因此输入电流 正弦化的程度就差些，但电路要比两级式简单很多。研究单级a p f c 技术的目的 就是为了减少元件数量、降低成本、提高效率和简化控制等。总的来说，单级a p f c 技术的性能( t h d 和p f ) 比无源p f c 技术要好，但不如两级a p f c 技术1 3 j 图2 3 单级a p f c 变换器方框图 f i g2 3t h eb l o c kd i a g r a mo f s l n g l e s t a g ea p f cc o n v e r t e r 重庆大学硕士学位论文2 单相有源功率因数校正系统的控制方法 2 2 单相a p f c 系统典型的传统控制方法 a p f c 的控制电路的硬件形式正向两个方向发展：一是用于a p f c 的集成控制 电路的研究，目前国外已经有多家公司生产用于a p f c 的专用集成控制器1 2 。集成 控制器具有体积小、功能强、系统电路简单等优点，因此得到了广泛应用常用 集成控制器的型号有m l 4 8 1 2 、m i a s l 3 、m i a 8 2 1 、m c 3 4 2 6 1 、t d a 4 8 1 5 、t d a 4 8 1 6 、 k a 7 5 1 4 、u c 3 8 5 2 、u c 3 8 5 4 等；二是将控制电路的功能融合到整个a c d c 变换 器系统中的电路形式。这种硬件形式不再附加集成控制器，甚至不再单设开关变 换器，而是充分利用某一具体a c d c 变换器的特点，将开关变换器和集成控制器 的功能融合到整个系统中去。这样不仅保持了a c d c 变换器原有的功能，减少了 元器件数量，而且提高了系统的可靠性，缩小了装置的体积这种硬件形式是 a c d c 技术发展的新方向【2 j 。 单相有源功率因数校正变换器可以使用多种控制方案驻1 加，其中包括传统的 平均电流控制、电流滞环控制和电流峰值控制，也可以应用非线性技术以下以 单相有源功率因数校正系统为背景，论述各种典型的控制方案。 根据电感电流是否连续，有源功率因数校正技术( a p f c ) 可分为不连续导通 模式( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e d c m ) 、连续导通模式( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o n m o d e - c c m ) ，以及介于两者之间的临界导通模式( c r i t i c a lc o n d u c t i o n m o d e - c r c m ) 【l 】。有的电路还根据负载功率的大小，使得变换器在不连续导通模 式和连续导通模式之间相互转换，称为混连模式( m i x e dc o n d u c t i o nm o d e - m c m ) 根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制量，c c m 模式又可分为间接 电流控制( i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 ) 和直接电流控制( d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 ) 两大 类【。 2 2 1 i 临界导通模式 临界导通模式【l j ( c r c m ) 的单相b o o s t 型有源功率因数校正电路工作原理框 图如图2 4 所示，误差放大器为基准乘法器提供一个误差输入信号，基准乘法器的 另一个输入信号来自于交流市电输入电压经整流后输出直流电压的取样，基准乘 法器的输出是这两个信号的乘积，是一个交流市电经全波整流后并乘了增益因子 的全波整流输出电压，这个输出信号的幅度被维持在使有源功率因数校正电路的 输出电压能保持恒定的电信号幅度范围内。电流成形网络强迫它输出的电流信号 波形跟踪乘法器的输出信号波形。当有源功率因数校正功率开关管s w 导通时，通 过有源功率因数校正电感的电流上升，当有源功率因数校正功率开关s w 的电流取 样电压值上升到基准电压值时，通过有源功率因数校正器电感的电流停止上升。 这时，控制逻辑电路的输出状态发生变化，使有源功率因数校正功率开关管s w 截 重庆大学硕士学位论文 2 单相有源功率因数校正系统的控制方法 止，通过电感的电流开始朝零的方向下降，直至下降为零( 这点利用一个零电流 检测电路来实现) ，控制逻辑电路的输出状态发生变化，使功率开关管s w 导通， 通过电感的电流又开始上升，如此周而复始。其电感电流波形如图2 5 所示 c r c m 的单相b o o s t 型a p f c 的优点：无需斜坡补偿；开关电流损耗小。不 足点：工作于变频工作方式，e m i 干扰问题需引起重视，这样对输入滤波电路的设 计要求较高 a c 图2 4 c r c m 的b o o s t 型a p f c 的原理框图 f i g2 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f c r c mb o o s t a p f c 图2 5c r c m 的b o o s t 型a p f c 电感电流波形图 f i g 2 5t h ei n d u c t o ra t e mw a v e f o r mo f c r c mb o o s t a p f c 重庆大学硕士学位论文 2 单相有源功率因数校正系统的控制方法 2 2 2d c m 控制方式 d c m 的单相b o o s t 型a p f c ( 又叫电压跟随器- v o l t a g ef o l l o w e r ) 1 1 】如图2 6 所示，其电感电流波形如图2 7 所示该方式完全省掉了电流环，功率开关管s w 由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于电感电流峰值基本上正比于输 入电压。因此，输入电流波形将自然地跟随输入电压波形。与乘法器型a p f c 电 路相比，电压跟随器a p f c 电路可以直接采用常规的p w m 来控制输出电压和同时 获得接近于l 的功率因数，因此控制电路简单，仅需一个输出电压来控制功率开 关。 d c m 的单相b o o s t 型a p f c 的优点是：功率开关管s w 实现零电流开通且不 承受二极管的反向恢复电流：电路简单，不需要乘法器，无需电流采样；简单的 p w m 控制。该控制方法的缺点是：由于电感电流不连续，造成电流纹波较大，对 滤波电路要求高；有较高的开关峰值电流，这会带来较大的开关关断损耗 圈2 6 d c m 的b o o s t 型a p f c 的原理图 f i 9 2 6 t h es c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e d c m b o o s t a p f c 图2 7 d c m 的b o o s t 型a p f c 的电感电流波形 f i g2 7t h e i n d u c t o rw a v e f o n no f 证h ed c mb o o s t a p f c 重庆大学硕士学位论文2 单相有源功率因数校正系统的控制方法 2 2 3c c m 控制方式 c c m 控制方式有直接电流控制和间接电流控制两种方式。直接电流控制的优 点是电流瞬态响应特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制 电路复杂；问接电流控制的优点是结构简单，但自身无过流保护能力 间接电流控制 间接电流控制又称为相位幅值控制，是一种基于工频稳态的控制方法通过 控制输入端电压，使其与电源电压保持一定的相位、幅值关系，从而控制输入电 流里