（电气工程专业论文）基于dsp数字控制的s2pfc变换器的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：夏基宰 签字日期：2 , 0 0 年6 月f8e t 一名：易匆 导师签名：占9 彦蓼 签字日期：如f o 年6 月，g 日 中图分类号：t m 9 2 1 5 2 u d c ：6 2 1 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于d s p 数字控制的s z p f c 变换器的研究 r e s e a r c ho nd i g i t a lc o n t r o l l e ds z p f cc o n v e r t e r b a s e do nd s p 作者姓名：夏辉 导师姓名：姜久春 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 9 9 6 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：电力电子变换技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ， 11 l l 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 姜久春老师对我的关心和指导。 张维戈副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向张维戈老师表示衷心的谢意。 牛利勇老师、王健强老师和李景新老师对于我的科研工作和论文都提出了许 多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 同时，我要衷心的感谢鲍谚博士，从我进入实验室开始，鲍博士就一直教导 了我各种各样的相关专业知识和专业技能。在本课题的整个研究工作过程中，鲍 博士更是从始至终指导我，给我提供了大量的参考资料，教会了我分析问题和解 决问题的方法，提高了我的实践和动手能力。鲍谚博士严谨的工作态度和强烈的 责任心，必将对我以后的学习、工作和生活产生重要的影响。我从鲍谚博士身上 不仅学会了很多科研方法，还学会了很多做人的道理，这些都是我终身难忘的。 用词良多，难表谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的温家鹏博士对本课题中控制板和驱 动板的设计提出了很多宝贵的意见，已经毕业的文峰博士、郑财晖师兄、李凯旋 师姐等对我论文中的s 2 p f c 研究工作给予了热情帮助，北京优科利尔能源设备有 限公司的谈金辉、郑鑫淼等对本课题机械结构设计给予了很大的帮助，郑涵清同 学和罗义同学对本课题调试过程给予了很热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 感谢同在一个实验室工作的张斌同学，韩笑同学，安国平同学，李晓强同学， 林培峰同学，张亚娟同学，冯悦同学，高燃同学，李健同学，在共同学习的过程 中，谢谢你们给予的支持帮助和勉励。 感谢同在一个宿舍的张金灵同学，谢晨同学，和你们的共同学习生活，使我 度过了充实而愉快的研究生生涯，谢谢你们在平时的学习生活中给予的帮助。 最后，要感谢我的父母和家人，在我遇到困难时，他们总是不断地鼓励我， 支持我，使我勇于面对困难，正是他们的理解和支持，使我能够在学校专心完成 学业。 1 j 矗 1 中文摘要 中文摘要 本课题为基于数字控制单级隔离型功率因数校正器( s 2 p f c ，s m 酉es t a g ep o w e r f a v o rc o 玎e c t i o m 的研究，论文针对当前许多应用场合对功率要求越来越大、谐波 标准要求越来越严格、而且需要隔离，而当前的技术难以取得各方面的平衡的情 况，对各相关方面进行了一系列的研究，提出了一种能同时满足中大功率高功率 因数的隔离型电路解决方案，比传统方式具有更高的功率密度和性价比，并成功 将其实现。 本文总结了p f c 数字控制领域各种已有的控制算法和采样算法，并分析其各 自的优点与不足，在平均电流模式控制的有源功率因数校正技术的基础上， 设计 了基于数字信号处理器数字控制单相功率因数校正器，用数字电路代替传统 的模拟电路来实现对整个回路的控制，最终使得校正器具有输入功率因数接近于 l 、低电流谐波及高转换效率的特性。 本文的控制策略采用电流环和电压环双闭环控制结构，控制算法采用p i 算法。 论文首先介绍了p f c 数字控制原理，然后对系统的小信号模型进行了研究，建立 了系统的小信号模型。在建立的小信号模型的基础上，给出了双闭环系统中p i 调 节器的设计方法，并通过仿真验证了设计的正确性和可行性。 在理论分析的基础上，进行了d s p 控制软件的编写。d s p 控制软件由主程序 和一个中断服务子程序构成，包含初始化模块、p i 算法模块、软启动算法模块、 采样算法模块等几个可以实现独立功能的模块，这些功能模块通过程序主体的控 制连接，实现了一个完整的系统。这种软件系统不仅使程序简洁、易读，而且更 便于系统的管理与升级。在编程上，采用c 语言和汇编语言的混合编程方法来实 现程序，以达到最佳地利用d s p 芯片软硬件资源的目的。 最后通过仿真和实验分析，证明了理论的正确性，对论文进行了总结，并指 出该课题今后的研究方向。 关键词：单级隔离，功率因数校正，数字控制，控制算法，p i 调节器 分类号：t m 9 2 1 5 2 1 j l a b s t r a c t a bs t r a c t 1 f 1 舱s u b j e c td o e sr e s e a r c ho nd s pb a s e ds i n g l e - p h a s es i n g l e - s t a g ec o r r e c t e d c o n v e r t e rb a s e d t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fl a r g e rp o w e rc a p a c i t y , m o r es t r i c tl i m i t s o fh a r m o n i cd i s t o r t i o na n dl o w e rc o s t , b a s e do nd e t a i l e da n ds p e c i f i ca n a l y s i so f i n t e r r e l a t e dt e c h n o l o g yo fp f c ，as i n g l e s t a g ei s o l a t ef u l l - b r i d g ep f c ( s 2 p f c ) c o n v e r t e r i si n t r o d u c e da n di ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lt w o s t a g e p f cs o l m i o 巩t h ea d o p t e dt o p o l o g yi sap r e f e r a b l ec a n d i d a t ef o ra p p l i c a t i o n 谢m c h a r a c t e r i s t i co fh i g h e rp o w e rl e v e l ，h i g hp o w e rf a c t o ra n di s o l a t i o n m o r e o v e r , h i g h e r p o w e rd e n s i t ya n dh i g h e rc h a r a c t e r i s t i co fc o s te f f e c t i v ea r ea c h i e v e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , p r e s e n ts i t u a t i o na n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p o l o g i e sc o n t r o l a l g o r i t h m ，a n dt h es a m p l ea l g o r i t h m so ft h ed i g i t a lc o n t r o lp f ca r es u m m a r i z e d t h e d i s s e r t a t i o ng i v e sa n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h er e c e n td e v e l o p m e n t sa n dp r i n c i p l e so f v a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g i e si nd i g i t a lc o n t r o lp f c b a s e do na v e r a g ec u r r e n tm o d e ，t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faf u l l yd i 舀t a lc o n t r o l l e d s i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nw i t hf a s tr e s p o n s e 1 1 1 ec o n t r o l l o o pi s r e a l i z e d1 l s i i 珞d i g i t a lc o n t r o la n dt h es 2 p f cc a nt e n dt ou n i t yp o w e rf a c t o r , l o wc u r r e n t h a r m o n i c sa n dh i 曲t r a n s f e re f f i c i e n c y t h ed o u b l ec l o s e - l o o pf r a m e w o r ki sa p p l i e di nt h ep f cc o n t r o l l i n gc i r c u i ta n dt h e p ia l g o r i t h mi sa d o p t e da ss y s t e m sc o n t r o la l g o r i t h m n ep f cd i g i t a lc o n t r o lt h e o r yi s i n t r o d u c e d t h es y s t e m ss m a l l s i g n a lm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h er e s e a r c ho f c o n t r o la l g o r i t h m o nt h eb a s i so ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h es m a l l s i g n a lm o d e l ，i t s p e c i f i cg i v e st h ed e s i g no fp ir e g u l a t o rf o rt h ed o u b l e - l o o ps y s t e m ，a n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ec o r r e c t n e s sa n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i s ，t h ed s pc o n t r o lp r o g r a m si sd e v e l o p e d t h es o , w a r e i sc o n s i s t e do fam a i np r o g r a ma n dai n t e r r u p ts u b p r o g r a m ，w h i c hc o n t a i n ss o m e m o d u l e st or e a l i z ei n d e p e n d e n tf u n c t i o n s ，s u c ha si n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，p ia l g o r i t h m m o d u l e , s a m p l i n ga l g o r i t h mm o d u l ea n di n t e r r u p tm o d u l e ，e t c c o n n e c t e db y t h em a i n p m g r a m , t h e s em o d u l e sr e a l i z ea ni n t e g r a t e ds y s t e m i ti se a s i e rt om a n a g ea n du p g r a d e w h e nt h ep r o g r a mf r a m el i k et h i si sa d o p t e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，a l ld e s i g n t h e o r i e sa r ep r o v e dt ob er e a l i z a b l e m e a n w h i l e ，s u m m a r i z ei sm a d ef o rt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h eo r i e n t a t i o nf o rt h i si t e mw a sp r o p o s e da tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n l ， 北京交通大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：s i n g l es t a g ei s o l a t e dp f c ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n , d i g i t a lc o n t r o l ， c o n t r o la l g o r i t h m ，p ir e g u l a t o r c l a s s n o ：t m 9 2 1 5 2 1 1 一 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 第一章引言1 1 1 课题研究背景及其意义1 1 2 功率因数校正技术的概况与发展2 1 2 1 功率因数校正技术的分类2 1 2 2 单级隔离型功率因数校正技术的现状3 1 2 3 传统的功率因数校正电路+ 隔离d c d c 4 1 2 4b o o s t 型单级p f c 变换器。5 1 2 5 反激式功率因数校正电路6 1 2 6 全桥b o o s t 型功率因数校正电路6 1 2 7 单级隔离型功率因数校正技术的发展趋势7 1 3 数字控制概述7 1 3 1 数字控制的意义。7 1 3 2 数字控制的国内外研究现状8 1 4 本课题预期达到的目标9 1 5 本论文的主要工作1 0 第二章主电路分析及系统建模。1 3 2 1 引言1 3 2 2s 2 p f c 电路的工作原理1 4 2 2 1s 2 p f c 的主电路拓扑1 4 2 2 2s 2 p f c 的工作原理1 5 2 3 电流控制方法1 8 2 3 1 电流峰值控制法。18 2 3 2 电流滞环控制法19 2 3 3 平均电流控制法2 0 2 4 主电路动态小信号建模2 1 2 4 1p f c 变换器数学建模方法概述21 2 4 2p f c 控制方法概述2 2 2 4 3s 2 p f c 电路模型分析2 3 2 5 本章小结2 6 北京交通大学硕士学位论文 第三章d s p 数字控制算法分析及控制模型。2 7 3 1d s p 控制器一2 7 3 1 1 数字信号处理器简介2 7 3 1 2d s p 5 6 f s 0 3 芯片介绍2 8 3 2s 2 p f c 数字控制原理2 9 3 - 3 数字控制算法3 1 3 3 1 数字控制方法3 1 3 3 2 双闭环控制算法3 1 3 3 3p i 控制算法3 3 3 3 4 采样算法3 5 3 4 控制系统小信号模型3 6 3 4 1 电流环功率级模型3 6 3 4 2 电压环输出控制模型3 8 3 4 3 脉宽调制器( p w m ) 模型3 9 3 5 本章小结。4 0 第四章基于d s p 的s 2 p f c 变换器的设计与实现4 1 4 1 主电路参数设计。4 1 4 1 1 开关频率的确定4 1 4 1 2 变压器设计4 1 4 1 3 输入电感4 2 4 1 4 全桥功率开关管的选择4 4 4 2 采样电路设计4 4 4 2 1 电压采样电路4 5 4 2 2 电流采样电路4 6 4 3 软件设计4 7 4 3 1 主程序设计4 7 4 3 2 中断服务程序设计4 8 4 3 3 软件软启动的实现4 9 4 3 4 输入前馈电压环节的引入与软件实现5 0 4 3 5p i 控制算法的实现5 2 4 3 6 采样算法的实现5 3 4 3 7 占空比饱和模块5 3 4 4 数字逻辑保护的实现。5 4 4 4 1 数字逻辑保护芯片。5 4 目录 4 4 2 故障保护流程5 6 4 5 d s p 定点运算与编程5 7 4 5 1d s p 定点运算概述5 7 4 5 2 控制程序中的定点运算5 9 4 5 3f r e e s c a l ed s p5 6 f 8 0 3 汇编和c 语言混合编程5 9 4 6本章小结6 2 第五章仿真与实验结果6 3 5 1 仿真结果6 3 5 2 实验结果6 6 5 2 1 实验中使用的主要仪器6 6 5 2 2 实验平台介绍6 6 5 2 3 实验结果记录6 7 5 3 本章小结7 3 第六章结论7 5 6 1 论文总结7 5 6 2 未来工作展望7 6 参考文献 附录a 作者简历 独创性声明 学位论文数据集 d1j 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景及其意义 能源短缺和排放法规越来越严格是汽车工业发展的两大挑战，也是汽车技术 不断发展的重要推动力。随着能源和环境问题的日益突出，电动汽车以其节能、 环保的特点，受到广泛关注。全球各个国家都把电动汽车的发展放到重要的战略 地位，投入大量的科研资源进行产业化研究和前瞻性研究。电动汽车( e v ，e l e c t r i c v e h i c l e ) 现有三种类型，分别是燃料电池电动汽车( f c e v ，f u e lc e l le l e c t r i c v e h i c l e ) 、混合动力电动汽车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i d e ) 和纯电动汽车( b e v ， b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e 或p e v ，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 。另外还有在h e v 基础上衍 生出来的可外置充电的p l u g - i n 型混合动力汽车( p h e v ，p l u g - i nh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) 。其中，p e v 能够实现“零排放，而且成本和技术成熟度等综合优势突 出，因此p e v 成为电动汽车的重要发展方向之一。 随着电动汽车的不断推广，充电机也得到大规模的使用。而充电机作为一种 电力电子装置不可避免的会对电网产生一定影响。因此，大量电动汽车用充电机 工作时对电网的污染将不容忽视。如何通过选择合适的电路拓扑，采用适当的控 制方法来减小电力电子装置电网的谐波污染已成为国内外诸多学者研究的问题。 事实上，开关电源的有源功率因数校正技术( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i 0 1 1t e c h n i q u e ，p f c 技术) 引起了国内外许多学者的重视，在p f c 的原理、方法、电路拓扑、控制技术 等方面也取得了许多成果。这些成果完全可以应用于开关电源型充电机。美国分 别在1 9 9 3 年和1 9 9 4 年对两组电动汽车用充电机( 共3 4 台) 进行了测试，其电流谐 波畸变平均达到4 1 0 9 ，但随着一些先进的p f c 技术在开关电源方面的应用，充 电机的电流谐波含量大大降低，到1 9 9 5 年，对四台车载充电机进行测试时，发现 总电流谐波含量从3 7 2 到7 1 8 不等，平均为6 1 2 【2 1 。 本课题就是以带有功率因数校t ( p f c ) 的充电机作为研究对象。车载充电机属 于便携式充电机，能够与普通的单相交流电源插座直接连接，为蓄电池提供小功 率慢速充电。车载充电机不同于地面式充电机，除了要满足蓄电池充电的要求， 还要考虑重量和体积、安全性等因素。同时，为了减少电力电子设备对电网的污 染，还要提高充电机的功率因数，降低谐波含量，使其成为绿色电力电子设备。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 功率因数校正技术的概况与发展 1 2 1 功率因数校正技术的分类 功率因数校正技术( p f c ) 有很多分类法，按照市电电网输入方式可以分为单相 p f c 电路和三相p f c 电路。 按照功率因数校正器本身的结构而言，功率因数校正器又可以分为两级式和 单级式两种，如图1 - 1 所示，其中图( a ) 是两级式，即p f c 级和d c d c 级。它们各 自都有自己的开关器件和控制电路。p f c 级主要作用是使线电流跟踪线电压，使 电流正弦化，减少谐波对电网的污染，提高输入功率因数。d c d c 级主要用来实 现输出电压的快速调节。图( b ) 是单级式，即使p f c 级和d c d c 级合并，共用一 个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流的正弦化和对输出电压的调节。 由于控制电路主要是用来调节输出电压，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【3 1 。 单相 或三 相输 入 单相或 三相输 入 ( a ) 两级式 ( a ) t w o - s t a g ep f cc o n v 盯t e r ( b ) 单级式 c o ) s i n g l e s t a g ep f c c o n v e r t e r 图1 1 两级式和单级式p f c 交换器方框图 f i 9 1 lt w o s t a g ea n ds i n g l e s t a g ep f c c o n v e r t e r 2 第一章引言 按照电感电流是否连续，p f c 可分为两种基本的p f c 技术，其中一种是让变 换器工作在连续导电模式下的乘法器型p f c 技术，另一种是让变换器工作在不连 续导电模式下的电压跟踪器型p f c 技术。乘法器型p f c 技术是根据输出电压反馈 信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电 压，其电感电流( 即输入电流) 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，从而获得了功率因数校正的目的。电压跟踪器型p f c 技术的一 个显著优点是输入电流波形自然跟踪输入电压波形，其缺点是其输入电流波形为 脉动三角波，因此其前端需添加一个小容量的滤波电容以滤除高频纹波，并且其 较高的开关峰值电流会带来较大的开关关断损耗。 按照拓扑结构划分，可分为升压式，降压式，升降压式，反激式，推挽式， 半桥式和全桥式。 按照输入电流的控制原理划分，可分为平均电流型，滞后电流型和峰值电流 型。 按照开关形式来分，p f c 电路又可分为硬开关电路和软开关电路( z c s 或 z v s ) 。 随着信息技术产业的发展，人们对开关电源提出更高的要求，对功率等级、 负载特性、功率密度和可靠性等要求不断提高，开关电源技术的发展成为信息技 术产业的一个重要基石。在相当多的场合，用电设备需要和电网电气绝缘，以保 证用电设备的安全稳定和操作人员的人身安全。因此稳定可靠的电源隔离技术是 电源领域的重要部分，有着巨大的需求【4 】。 此前的兼具p f c 与电气隔离的开关电源解决方案都存在结构复杂、功率因数 低、效率低、功率小等缺点中的一项或者几项。随着开关电源技术的发展，开关 器件更加接近理想器件的特征，磁性材料具有更低损耗、更高功率等级，高性能 d s p 发展 构简 电路 p f c 提高 控制 北京交通大学硕士学位论文 单级全桥架构p f c 6 ，都是向中功率级别发展的努力，取得了非常大的进步，但是 仍未得到完善和推广，功率等级仍然被限定在2 k w 以内，尚无大规模商业应用的 先例。国内发表的一些研究成果大多还在仿真论证阶段，离实际应用距离尚远。 因为单级隔离p f c 性能尚未达到最优，许多问题有待改进，与传统的p f c + 隔离技 术相比尚无大的相对优势，单级隔离p f c 方面仍然有大量工作需要去做。 1 2 3 传统的功率因数校正电路+ 隔离d c d c 在单级隔离p f c 正式投入实用前，当用电设备需要和电网隔离时，一种最简 单的方式是在输入前加一个工频变压器，对于输出是交流方式的逆变器或者不问 断电源，也可以在输出端接入一个工频变压器，这都不符合电力电子系统设计者 和用户的初衷。若要全部用电力电子的方式来解决问题，办法就是在p f c 级后面 加入一个专门用于隔离的高频隔离电路，分别实现功率因数校正和电气隔离，如 图l - 2 所示。 电 网 输 入 图1 - 2 传统的两级隔离p f c f i g1 - 2c o n v e n t i o n a li s o l a t e dt w o - s t a g ep f c 这种方式的优点： ( 1 ) 相对于增加工频变压器的方式来讲，它的体积大为缩小，成本也有一定程度的 降低； ( 2 ) 对于最终为直流的输出系统，基本上不需要再变换即可满足要求； ( 3 ) 如果没有后续输出级，控制系统的实现分为p f c 的控制和高频隔离级的控制， 互相间的影响不大，实现起来难度较小。 缺点： ( 1 ) 这是一种过渡时期的解决方案，对比于单级隔离p f c ，太过复杂，变换次数太 多，效率低下，也影响了体积和成本的进一步缩小： ( 2 ) 对于后面需要第三级变换的应用场合，级联间稳定性将使得控制系统设计困难， 4 第一章引言 很难得到一个全负载范围的稳定系统。 1 2 4b o o s t 型单级p f c 变换器 图1 3 为b o o s t 型单级p f c 变换器的通用结构。在b o o s t 型单级p f c 变换器 中，整流桥后接b o o s t 电感b ，在电感岛的输出端( a 点) 、储能电容c b 的正端( b 点) 和开关管s w 的漏极( c 点) 之间加入二极管、电感、电容、变压器绕组成 i c s ( i n t e m e tc o n n e c t i o ns h a r i n g ) 单元，实现p f c 功能。i c s 单元后接正激或反激等 变换器，实现输出电压快速调节。如果在八b ，c 三点间都插入器件则为三端模式， 如果只在a b 或八c 之间插入器件则为两端模式。 一7l 。c b i l b b a 口i i 1 = 丰 、j 1 i c s 单元 i 反激 式或 正激 式输 出 图l - 3b o o s t 型单级p f c 变换器的通用结构 f i g1 - 3u n i v e r s a lt o p o l o g yo fs i n g l es t a g eb o o s tp f cc o n v e r t e r 图1 4 是一个基本的三端拓手b t n t 8 1 ，它是在两级p f c 变换器的基础上，直接把 p f c 级和d c d c 级的开关管合并为一个，加入两个二极管d l 、d 2 ，以防止电流 反向。当开关管s w 开通时，b o o s t 电感电流流过d l 和s w ，电感电流上升，电感 储能；当s w 关断时，电感储能通过d 2 释放到储能电容c b ，电感电流下降到零。 电感三b 工作在d c m 模式，后面级联的d c d c 部分可工作在d c m 模式或c c m 模式。 a i l bd 15，d 2 b +c 8 奉 坞 = r c 1 |、 争- j i c s 单元 图1 - 4b o o s t 型单级p f c 变换器的三端模式 f i g1 - 4t h r e e - t e r m i n a lm o d eo f s i n g l es t a g eb o o s tp f cc o n v e r t e r 5 北京交通大学硕士学位论文 该系列电路的优点：部分电路结构和控制简单，在小功率场合可以满足谐波标 准，是一种经济的小功率解决方案； 缺点：内部储能电容上产生高压的情况无法根本消除，降低储能电容电压要以 加大成本、降低功率因数和增加复杂性为代价，谐波成分大，无法满足大功率下 的谐波标准，其立足的隔离拓扑也不适合做中大功率。 1 2 5 反激式功率因数校正电路 图1 - 5 ( a ) 是一个反激功率因数校正电路的原理图。图1 - 5 ( b ) 为工频半周期内， 在高频p w m 开关作用下的输入电流波形。工作模式为d c m ( d i s c o n t i n u o u s c o n d u c t i o nm o d e ，不连续导电模式) ，双半波正弦虚线为电流峰值名的包络线。三 角波为输入电流屯l 的波形。取平均值，则输入屯l 近似为双半波正弦。在d c m 模 式下，对输入电路而言，d c d c 变换器可等效为一个受占空比d 控制的无损电阻， 从而使输入端功率因数近似等于1 。 r r l l i 7 r l 交流 奉 v o c p 输入 1 7 j ( a ) 电路图( b ) 输入电流波形 图1 - 5 反激功率因数校正电路原理图 f i g1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l y b a c kp f c c o n v e r t e r 这类功率因数校正电路拓扑非常简单，控制方式也相当简单，实现起来难度 不大。但是这种电路必须工作在d c m 模式下，输入电流谐波大，输入滤波困难： 而且该电路峰值电流高，开关管和变压器能力浪费严重，经济效益低。 1 2 6 全桥b o o s t 型功率因数校正电路 全桥式的b o o s t 型功率因数校正电路如图1 - 6 所示，该电路是在b o o s t 型i c s 后级联全桥电路变换而来，b o o s t 电路与全桥共用开关管。该电路可以实现对输入 电流波形的整定，同时又可以工作在较大功率场合，发挥了全桥电路的优势。这 个电路采用p w m 控制方式来实现输入电流跟踪输入交流电压，控制采用数字控 6 第一章引言 制，因此可以实现很高的功率因数和很小的谐波畸变率( t h d ) 9 1 。 l 一 h n 2 图1 _ 6 全桥型隔离p f c 变换器 f i g1 - 6f u l l b r i d g ei s o l a t e dp f cc o n v e r t e r 优点：可以实现接近1 的功率因数，极小的输入谐波畸变率( t h d ) ，是目前最 方便实现中大功率应用的方案。 缺点：变压器工艺要求高，漏感必须低，对偏磁反应敏感。 本次课题通过比较分析，选择了全桥式电路作为本课题的研究方向，充分利 用其优点，分析其缺点并进行改进。该拓扑电路的具体工作原理和相关问题的解 决方案将在后面的章节将作详尽的分析。 1 2 7 单级隔离型功率因数校正技术的发展趋势 随着开关电源的功率等级不断提高，功率密度更高，对谐波以及输出性能的 要求不断提高，单级隔离型功率因数校正技术仍然需要在以下几个方面进行发展： ( 1 ) 目前的单级p f c 只可适用于小功率场合，急需提高功率等级； ( 2 ) 中大功率单级p f c 需要提高效率和功率密度； ( 3 ) 提高单级p f c 的功率因数水平，力争使得功率因数接近1 ，达到当前b o o s t 型非隔离型p f c 的水平； ( 4 ) 进一步发展磁性元器件在p f c 中的应用，将新的解决偏磁问题的方法与 p f c 结合起来； ( 5 ) 积极引入d s p ，控制方式由传统的模拟控制方式向数字控制方式转变。 1 3 数字控制概述 1 3 1 数字控制的意义 传统的p f c 电路都是采用集成模拟控制芯片来实现的，其中以u n i t r o d e 公司 的u c 3 8 5 4 为典型代表。模拟的p f c 电路实现了对信号的处理，具有很高的带宽， 7 北京交通大学硕士学位论文 从而大大提高了功率因数，减小了输入电流谐波，达到了很好的控制效果。然而， 专用芯片本身具有模拟控制所固有的不足。模拟控制本身存在一些缺陷 1 0 】： ( 1 ) 模拟控制采用大量的分散元件，这必然导致系统的可靠性下降； ( 2 ) f l 了于元件老化以及热漂移问题的存在，将导致p f c 输出性能的下降； ( 3 ) 难以实现系统的更新和性能的进一步优化，产品升级换代困难，对于模拟 系统要升级换代必然要对控制系统作改动，这离不开对硬件的改进： ( 4 ) 只能实现简单的p i d 控制算法。 随着数字控制技术的发展，通过d s p 来实现控制的p f c 技术已经应用于电力 电子技术领域。以d s p 为核心的数字控制技术已广泛应用于电力电子技术各领域 中，也成为主要发展趋势之一。d s p 与一般微处理器的区别主要就在于指令处理 速度极快、指令功能精简强大，并且具有非常高的集成度。总之，有了高速数字 信号处理芯片的支持，采用数字化的控制策略不仅可以较好的解决模拟控制中的 相关问题，而且还增加了模拟控制中很难实现的一些控制功能。因此它具有一些 模拟电路无法比拟的优点【1 2 】【1 3 】【1 4 】。与模拟控制相比，数字控制具有如下优点： ( 1 ) 在许多d s p 内部含有控制必需的外围设备，如：p w m 发生单元，a d 转换 单元等，这可以在极大程度上简化电路结构，实现系统的集成； ( 2 ) 可以实现各种先进和复杂的控制算法和智能控制策略，使得控制系统的智 能化程度更高，提高控制性能。智能化控制代表了自动控制的最新发展阶段，也 给电力电子控制带来了新的活力； ( 3 ) 控制灵活，易于实时监控，系统维护和升级方便，甚至可以在线修改控制 算法，而不必对硬件电路作改动。数字控制系统的控制方案体现在控制程序上， 一旦相关硬件资源得到合理的配置，只需要通过修改控制软件，就可以提高原有 系统的控制性能，或者根据不同的控制对象，实时、在线的更换采用不同控制策 略的控制软件； ( 4 ) 大大提高了控制系统的抗干扰性和可靠性，易于标准化。由于数字控制的 高可靠性，必然使得整个控制系统可靠性提高，而且可以针对不同的系统，采用 统一的控制板，而只需要对控制软件作一些修改即可。 近年来，d s p 器件的性价比有望进一步提高，这使得高质量数字控制p f c 的 实现成为了可能，数字控制代替模拟控制势必成为今后发展的趋势。 1 3 2 数字控制的国内外研究现状 就本课题研究的基于d s p 控制的有源功率因数校正技术( a p f c ) 领域来说， 美国的v i r g i n i a 电力电子中心处于这一领域的前端，国内的浙江大学与v u g i n i a 电 第一章引言 力电子中心协作也在开展这一方向的研究。此外，国际上一些著名的d s p 芯片厂 商像t i 、a d i 、m o t o r o l a 等以各自d s p 芯片为基础，在这方面也作了大量的研究， 提出了一些经典的控制方法和算法。从目前国内外的研究现状来看，在这个领域 的研究主要集中在几个方面：拓扑结构、控制算法、采样算法。 目前，许多文献【1 5 - 2 0 对d s p 控制的p f c 电路的研究都是以b o o s t 变换器的 主拓扑结构为基础的，这主要是因为这种拓扑结构的电感电流即为输入电流，电 流波形连续，通过对电感电流的控制就可以得到比较好的输入电流波形，它还是 一种升压变换器，设计和实现比较容易。当然b o o s t 变换器拓扑结构并不是实现 p f c 电路的唯一拓扑，多年来，人们也在不断的研究基于其他拓扑结构的p f c 电 路，并在理论和实验上取得了一定的成果。 在大多数文献中，p f c 数字控制仍采用模拟电路的电压环与电流环双闭环控 制结构，控制算法采用经典的p i 算法，它的结构简单，实现起来比较容易，加上 软件系统的灵活性，p i 算法还可以不断得到修正和完善，因而能够满足一般系统 的设计要求。然而在一些要求高的应用场合下，由p i 控制器构成的系统其动态特 性、可靠性却不尽如意。针对传统控制控制算法存在的这些问题，伴随现代控制 理论的不断发展，许多更新更高级的控制算法随之涌现。文献跚】中以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和s t 5 2 x 4 2 0 为控制核心，采用模糊控制算法实现数字控制p f c 电路，并取得了理想的控制效果，还有用滑模控制算法代替传统的p i 控制算法， 使系统具有强鲁棒性和快速性等特性，此外还有自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 、 预测控$ 1 ( p r e d i e t i v ec o n t r 0 1 ) 等。相信随着研究的不断深入