（电力电子与电力传动专业论文）一种基于单极性spwm控制的正弦波逆变器的研究.pdf

浙i 1 ：大学硕士论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ep o w e rs u p p l yf o r r a i l w a ys i g n a ls y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e sa ni n v e r t e rc o n t r o l l e db y t h es t r a t e g yo f u n i p o l a rm o d u l a t i o n t h ev e r y p o w e rs u p p l yc o n s i s t so ft h r e es t a g e s ，w h i c ha r er e s p e c t i v e l yt h ec i r c u i to fp f c ， f u l l 一硪d 骛。p h a s e - s h i f t e dd c d cc i r c u i ta n du n i p o l a ri n v e r t e r ：t h ef i r s ts t a g e , p f c ， c a ni n c r e a s et h ep o w e rf a c t o ro ff r o n te n da n ds i m u l t a n e o u s l yr e d u c et h eh a r m o n i c p o l l u t i o nb r o u g h tb yt h ep o w e rs u p p l y 。m o r e o v e r , t h es t e a d yd cv o l t a g ei so b t a i n e d i nt h i sv e r ys t a g e t h es e c o n ds t a g e ，i s o l a t e d d c d c ，s e p a r a t e st h ed ci n p u tf r o mt h e d c o u t p u t t h el a s ts t a g ei sa ni n v e r t e r ，w h o s eo u t p u t sa r ed e s i r e da c v o l t a g e s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h e r e s p e c t i v eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h eb i p o l a ra n d u n i p o l a rs p w mi n v e r t e r s f u r t h e r m o r e ，t w og e n e r a t i o ns c h e m e so fs p w mf o rt h e l a t e rm o d u l a t i o nt y p ea n dt h e i r r e s p e c t i v e c o n t r o lt e c h n i q u ea r e i n t r o d u c e d ，a n d d e t a i l e da n a l y s i si sf o l l o w e d b o t hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r ei m p l e m e n t e d ，t h e c i r c u m s t a n c eo f o s c i l l a t i o n o c c u r r i n g a tt h e i rz e r oc r o s sp o i n to fs i n ew a v ef o rt h et w o c o n t r o l t e c h n i q u e i s d e f i n i t e l yc o m p a r e d f i n a l l y , b o t h t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nt ov e r i f yt h ec o n c e p tp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , i e d u a l - s i d es p w m g e n e r a t i o ns c h e m e i sm o l e p r e f e r a b l e m o r e o v e r , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e sw a v e f o r md i s t o r t i o np r o v i d e dt h a tl o a do f t h ei n v e r t e ri si n d u c t i v ea n d d e s i g nc o n s i d e r a t i o no f c i r c u i tf o rs u p p r e s s i n g m a g n e t i c d e f l e c t i o ni sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to f t h e p r o d u c ta n dc o n s i d e r a t i o no f t h e a p p l i c a t i o n o fs a t u r a b l ei n d u c t o r , t h e s u p p r e s s i o n f u n a i o no fd i o d er e v e r s e r e c o v e r yc u r r e n te x i s t i n gi np f cs t a g ei se m p h a s i z e d 。 k e y w o r d s ：u n i p o l a ri n v e r t e r ；s p w m ；s a t u r a b l ei n d u c t o r 5 潞注大学硕士论文 第一章绪论 1 i弓l 言 随蘅各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提赢，许多行业的用电 设备都不是壹接使熙遴惩交流电鼷掇供豹交滚魄俸药电能源，甄是逶过各耱形式 对其避行变换，从而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定艘及变 化方式豳用电设备的不同而不尽相同，如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调 速爨、熬热逛潺、镬：王篷源、汽车彀源、绿色照骥瞧澡、不阉凝毫滚、嚣爱魄源、 充电器等等，它们所使用的电能都鼹通过整流和逆变组合电路对原始电能逃行变 换后得到的。 透鬻，荛交流电燹藏壹滚龟静遗疆l l 骰整浚；嚣反过来薅纛流毫交或交濂逛 的过程叫做逆变。本论文工作是研究一种a c d c a c 开关式邀变电源，实际包 括整流与逆变两个部分。 1 i 。1 瑗 皂递交技本瓣笈震 电力电子技术从1 9 5 6 年晶闸管问世，电力电子学诞生，趸今已经过近5 0 年的发展历程，e i 前已基本形成比较完整的理论和学科体系，并成为门独立的 学科。笼葵是奁最逅 o 年，邀力墩子孥获褥了突飞猛透懿茨蓑，援褪为人类桎 会的第二次电子革命b k b o s e 教授认为：“电力电子技术在世界范围的工 业文明发展中所起的关键作用可能仪次子计算机。”从2 l 世纪开始“将对工她岛 动托、交溪运戆、藏零供毫、节施瑟强境污染控蘩l 等方瑟嚣爱麓，产生基大戆攘 动作用”。“在将来工业简度自动化的情况下，计算机技术、电力电子技术及自动 控制技术，将成为三种最重要的技术”。而其中正弦波逆变器技术，将成为魄力 毫子鼓零串最重要戆缮残部分之一。 一般认为，逆变技术的发展可以分成如下两个阶段： 1 9 5 6 1 9 8 0 年为传统发展阶段。这个阶段的特点是，开关器件以低速器件 为主，遴嶷器懿开关菝搴袋羝，波影改善夔多重囊纛法为主，俸狡重量较大，逆 变效率低，正弦波逆变器开始出现。 1 9 8 0 年到现在为简频化新技术阶段这个阶段的特点是，”开关器件以离遽 器静为主，逆交器戆舞美频率较高，波形改善淤p w m 洼为主，俸积重量较小， 逆变效率商 1 ，正弦波邋变器技术发展日趋完善。 6 衙辽大学硕士论文 1 1 2 现代逆变技术的技术现状发展趋势 i ；1 2 。 p w m 彀嚣关技术 p w m 软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之 2 】，是 实现电力电子技术高频化的最佳途校，也是一项理论性很强的研究工作【3 】。它 躲疆究对予遂交器戆髓豹鬟裹帮遴一步推广应溺，蕴及黯魄力毫子学技术豹发 展，都有十分重要的意义，是当前滋变器的发展方向之一。但这里必须指出，软 开关并不是没有损耗的，它只是把开关器件本身的一部分开关损耗转移到了为实 现较开关褥辩热妻奄淫强毫疆中豹谴缀元待上，憨爨上可能膏掰减少。 软开关逆变技术研究的重要目的之一是，实现p w m 软开关技术，也就是 将软开关技术引进到p w m 逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开 关工终。舞踅，宓绥撼l c 与开关器俘缰藏一个谤擐网络，馒p w m 遂交辩只弯 在开关切换过程中才产生谐振，实现开关的零电服开通和关断，一般工作情况下 则不发生谐振，以保持p w m 逆变器f 4 】工作特点。 i 。i 2 2 移亳乎蔹苯 上述p w m 高频软开关逆变技术产生的背景是为了提高传统逆变器的输出 波形质量，该技术缺点是具有较商的譬、_ d ，以及由此丽弓l 起的较高的舞关应 a r t捏f 力及较严霾e m i 5 。在相同的背景下，d a n a b a e 等针对大功帮逆变器开关器件 速度低的缺点，于1 9 8 1 年提出了多电平逆变技术 6 1 ，成为当前高压大功率滋变 器翡一个发震方向。与p w m 毫频软开关逆交按零耱愚踌胡爱，多电平递交皴寒 的出发点是通过对主魄路拓扑结构的改进，使所商逆变开关帮工作在基频溅低 频，以达到减小开关威力和改善输出电压或电流波形的目的。 t 。2 3 势联棱零 电源系统的发展方向之一是用分布式电源系统代替集中式电源供电系统 7 】 8 】。和集中式电源系统相比，分布式电源具有以下优点：掇商系统的灵活性， 可将模块麴开关频率鬟裹至l 赫级，默嚣据亳了模块懿功率密度，夔逸源系筑豹 体积、黉凝下降【9 】：备个模块的功率半导体的电流应力减小，提高了系统的可 靠性；分布系统可方便的实现冗余；减少产品种类，便于标准化p o 。 i 。1 i 2 4 锻瀵渡、离糖整辕遗技术 开关电源技术近年来发展迅速，对低谐波、离精密电源需求也越来越多 11 。 7 蹰渔大学硕士论文 高精度、低谐波电源对保护用电设备、减小对电网的污染等方颟都具有很大的作 曩。 i i 2 5 数字佬控翩 电力电子变换器的数字控制是电力电子发展的趋势 1 2 】，也是现代逆炎技术 发曩弱趋势，星兹国杰籁穗露毽舔会议已毒缳多鹣文麸掇遴。缀然数字控翻极丈 地简化了硬件电路，提高了系统的稳定性、可靠j 漩和控制精度【1 3 】，但数控变换 器在实际使用中还存柱许多亟待解决的问题，例如：变换器开关动作对采样的严 重于拭；狻测懿量亿谖麓导致控割耱度显著下酶；舞速运行下觳字笾辣宽落键时 间分辨率的下降 1 4 1 1 1 5 ；开关功率变换器数字化的数学模型研究不够深入等 【1 6 。在很多实际应用的场合，往往采用模拟控制和数字界面。 r _ ：j ：。| 镪赢静+ 圄施| 毫压篓 人垫 世：广 嘲举默a 幽豫f 机通讯接口 片 界 机 一! ! _ 一功率放大回路 电流输 囱 控 裁 电 路 一 删回路 l 输出打印 囊 出 强l l l 鼗茬毫瑟豹绫构图 程控电源的应用场合极其广泛，在现代通讯、仪器仪表、计算机、医疗仪器、 工业自动忧、电力工程等领域得到普遍使用。许多离新技术需要高质量、高效率、 毫霉靠憨、褰耱疫熬渡潦，不仅瑟彀滚静电垂、藏流、簇率、糯位和波影撵爨了 高要求，还要求能够对运些参数进行宓时监测和精确的控制，尤藏在医疗、仪表、 自动测试、校验用交流测试行业更是广泛要求有离精度的三相墩源。各种交流电 流表、努浚嚣等标准搜嚣邕厂蓠需鬓棱验，逶常癸袋准确焉又稳定垂冬交流毫潦来 提供测试。程控交流电源主要有主功率回路、检测电路、波形发生电路、通讯接 口、人机界面、结果输鼢打印等。通过与计算机缎念，形成即可手动也可自动测 试，使瑟方爱灵活。鬻1 - 1 一l 是嚣裁耩控电源静缀掏功髓框图。 1 1 3 现代逆变技术的分类 现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类。其主要的分类方 式妇下： 1 ) 按邀变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变芹口高频逆变。工 游波大学硕士论文 频逆变般指5 0 6 0 h z 的逆变器；中频逆变的频率一般为4 0 0 h z 到十几k h z ； 毫鬏遵瓷器夔频率粼一般蠹十足k h z 囊m h z 。这墨需要滋鹱静是，在糯代高 频开关电源领域，5 0 0k h z 以上才簿是高频，但怂在逆变领域，有时功率比较大， 2 0 k h z 的超音频被认为是高频。 2 ) 较遂变器赣崮酶褶数，茸分为擎穗遂交、三稳遂交帮多稠递交。 3 ) 按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆交和无源逆变。 4 ) 按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。 5 ) 遂交主秀关器 串豹类型，虿分为晶阕管遂交、鑫薅警遴嶷、场效应管递交、 i g b t 逆变，等等。 6 ) 输出稳定的参量，可分为电滕型逆变和电流型逆变。 7 ) 袋羧密毫歪或激流懿渡影，霹分为正弦波徐遗遂交黟蘩莲弦波输密邋嶷。 8 ) 按控制方式，可分为调频式( p f m ) 逆变和调脉宽式( p w m ) 逆变。 9 ) 按遒变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频嫒开关式逆变移定 频软舞关戏逆交。 1 1 4 逆变的目的 采用逆变技术是为了获得不阉的稳定或变化形式的电能。铡如： 1 耄鬻电洼串兹麓流电源获褥交濂电，翅不阏断电源( u p s ) 应急汀电灏、通 用逆变电源等。 2 ) 由嚣电池中的点流电源获得多踌稳定的壹溅电，如程控电话交换枧二次逛 源等各耪遥霜d c d c 交换器。 3 ) 获得可变频率的交流电源，如交流电动机调速变频器等。 4 ) 实现电能量回馈，如电动机制渤再生能量豳馈有源逆交系统等。 5 ) 侵魄源设备，j 、塑纯、高效节熊、获得更努静稳定性和调节性能，翔各种类 型的直流电源变换器。 6 ) 利爆感应涡流产嫩热量，如中频炉和高频感鹰搬热( 电磁烧等，。 i i 5 袋溺逆变技术瓣傀越往 在现代逆变技术的皮用领域中，许多用电设备和系统都有一个发展的过糨。 由磁放大式至硅二极警浆流式，再劐霹控硅( 晶阉餐) 整流式，袁诞发展至l 逆变式 ( 或者翻开关式) 这不设怒因为现代电力电子技术酌发展为逆交技术的采用德供 9 辩托大学硕士论文 了必要的条件，更重臻的还是因为采用逆变技术商很多优越性。 | 瑟潘篷调节竣逛毫嚣或龟浚瓣獾度秘菝率 2 将蒋电池中的唐流电转换成交流电或其他形式的直流电 3 明摄地减小用电设备的体积和熏量，节省材料 隼蕊效节能 5 动态响应快、控制性能好、漱气性能指标好 6 保护快 1 1 。6 遂嶷技拳兹应瓣领域 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对电气设备控制性能要求的掇高， 逆变技术在许多领域应用越来越广泛。虽然在前颥我们已提刭些，但逆变技术 懿痤焉领域穰多，下甏翔举鹣是其耋要懿应矮。 1 ) 交流电动机变频调速 2 ) 电动机制动再生熊量回馈 3 ) 不瓣繇电源系绕 4 ) 感应加热 5 ) 弧烬电源哪 6 ) 邋僚开关电源 7 ) 变频电源 8 ) 医用逛漾 9 ) 风力发电 1 0 ) 戡流输电 ll 魄子镶渡器 1 2 ) 环保电源 13 ) 磁悬浮列车 1 4 ) 鸯源滤波、走凌李 偿 1 5 ) 化学电源 1 6 ) 现代汽车 1 7 ) 家蠲基器 1 8 ) 通用型直流电源变换器 o 游托大学硕士论文 1 2 课题研究的主骚内容及意义 本论文研究鼙秣跫完成一释适合于数控鲍2 5 h z 的交瀛魄源，分两潞输出， 相位相麓9 0 度。为实现该交流电源，从分析电路拓扑结构入手，寻找一种合适 的电路撼卦，共针对该辐卦提出琴申能够实现交流输出的单极性逆变控锚方法， 对电路黥工作原理进行了详缨遗分辑。 论文在分析双极性和单极性逆疑各自的工作原理的基础上，就后者介绍了其 单边与殿边s p w m 的产生方法以及备自的控制方法，并对就鼹释控制方法避行 了分褥、嵇真和实验，蹴较了德稍程正弦渡电遁避零点附近鹩振荡情况。傍真与 试验均证明双边s p w m 方式性能更为优越。 基于模块亿的电源设诗思想，本论文设计了淹遵交器供壤豹壹淡电蓬源，详 细阐述了有源功率因索校正电路和移相全桥电路麴工作祝理，重点分析了p f c 电路中二极管的反向恢复电流的抑制。高品质的开关电源不仪鼹求可靠，而且要 满足各疆性髓指标。本文还探讨了麓瀑工终过程中静保护系绞戆工作状态。 通道理论分析、仿真、和最终的实验验证，w 戳看出，通道克服电力墩子电 路本身的某些不足，采用电力电子功率放大电路装嚣能够完成锫项电路指标，在 取代传统的摸拟功率效大器上有羲缀大静饯势，将要在减轻体积重量方瑟，签荔 实现微型化。结合徽处理器的使粥，使得装置本身容易实现数警化和网络化。 搿泼大学硕士论文 参考文献 【1 y k h e l f s o n s k y , m z a h z a h ，g 。r o b i n s o n ，p h u y r l ha n dc m a k , p r a c t i c a l l yo f s o f t - s w i t c h e dh i g h - f r e q u e n c yi s o l a t e dd c d cc o n v e r t e r , p e s c2 0 0 0 2 h a c y b o d u ra n da ，f a r u kb a k a m 。an e w _ z v td c d cc o n v e r t e r , i e e e t r a n s a c t i o n so np o w e r e l e c t r o n i c s ，v 0 1 1 7 ，n o 。l ，j a n u a r y2 0 0 2 3 w s h i r e e na n dr k u l k a r n i ，as o f ts w i t c h i n gi n v e r t e rm o d u l e 谢t 1 1m o d i f i e d d c - i i r l kc i r c u i tf o r h i 酶f r e q u e n c y d c a cp o w e rc z n v e r s i o n , a p e c2 0 0 3 【4 x i a o m i n gy u a na n di v ob a r b i ，s o f t - s w i t c h e dt h r e e - l e v e lc a p a c i t o rc l a m p i n g i n v e r t e rw i t h c l a m p i n gv o l t a g e s t a b i l i z a t i o n ，i e e e t r a n s a c t i o no n i n d u s t r y a p p l i c a t i o n ，v o l ，3 6 ，n o 毛j u l y a u g u s t 2 0 0 0 【5 f o s er o d r i g u e z ，j i h - s h e n gl a la n df a n gz h e n gp e n g , m u l t i l e v e li n v e r t e r s ：a s u r v e yo ft o p o l o g i e s ，c o n t r o l s ，a n da p p l i c a t i o n s ，i 髓et r a n s a c t i o no ni n d u s t r i a l e l e c t r o n i c s ，v 0 1 4 9 ，n o 4 ，a u g u s t 2 0 0 2 。 6 】j r o d r i g u e za n ds l e e b ，am u l t i l e v e li n v e r t e rt o p o l o g y f o ri n d u c t i v e l y - c o u p l e d p o w e r t r a n s f e r , a p e c2 0 0 3 7 s a t o s h io g a s a w a r a , j i nt a k a g a k i ，h i r o f u m ia k a g ia n da l d mn a b a e ，an o v e l c o n t m ls c h e m eo f ap a r a l l e lc u r r e n t - c o n t r o l l e dp w m i n v e r t e r , i e e et r a n s a c t i o no n i n d u s t r ya p p l i c a t i o n ，v 0 1 2 8 ，n o 5 ，s e p t e m b e r o c t o b e r19 9 2 【8 a n i it u l a d h a r , h u aj i nt o mu n g e ra n dk o n r a dm a u c h , c o n t r o lo fp a r a l l d i n v e r e r si nd i s t r i b u t e da cp o w e rs y s t e mw i t hc o n s i d e r a t i o no fl i n ei m p e n d a n c e e f f e c t , i e e et r a n s a c t i o no l li n d u s t r i a la p p s c a t i o n s ，v 0 1 3 6 ，n o 1 ，j a n u a r y f e b r u a r y 2 0 。 【9 f r e dc ，l e e , p e t e rb a r b o s a , p e n gx u , j i n d o n gz h a n g , b oy a n ga n df r a n c i s c o c a n a l e s ，t o p o l o g i e s a n d d e s i g n c o n s i d e r a t i o nf o rd i s t r i b u t e dp o w e r s y s t e m a p p l i c a t i o n ，p r o c e e d i n go f i e e e ，v 0 1 8 9 ，n o 。6 ，j u n e2 0 0 1 。 1 0 m s a e e d i f a r d ，a b a k h s h a i ，g j o o sa n dp j a i n ，m o d i f i e dl o ws w i t c h i n g f r e q u e n c ys p a c ev e c t o rm o d u l a t o r sf o rh i g hp o w e rm u l t i m o d u l ec o n v e r t e r s ， a p p l i e dp o w e re l e c t r o n i cc o n f e r e n c e2 0 0 3 ，a p e c2 0 0 3 。 【11 d a n i e lc o c h r a n e ，d a ny c h e n ，a n dd u s h a nb o r o y e v i c ，p a s s i v ec a n c e l l a t i o no f 1 2 灏江大学硕士论文 c o m m o n - m o d en o i s ei np o w e re l e c l t o n i cc i r c u i t s i e e et r a n s a c t i o no np o w e r e l e c t r o n i c s ，v o l ，1 8 ，n o 。3 ，m a y2 0 0 3 + 1 2 a n ab o r i s a v l j e v i e ，m r e z ai r a v a n i ，a n ds h a s h ib d e w a n ，d i g i t a l l yc o n t r o l l e d h i 曲p o w e r s w i t c h m o d er e c t i f i e r ，i e e et r a n s a c t i o no np o w e r e l e c t r o n i c s ，v o t 17 ， n o 。6 ，n o v e m b e r 2 0 0 2 【1 3 s h a m a l aa c h i c k a m e n a h a l l i ，j u nl i ua n dm a h a d e v a ns u r y a k u m a r , a d s p c o n t r o l l e dv a r i a b l e - f r e q u e n c yr e s o n a n t - c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ，i e e et r a n s a c t i o n o np o w e r e l e c t r o n i c s , v o l ，1 5 ，n o 。3 ，m a y 2 0 0 0 ， 【1 4 a n g e lv p e t e r c h e va n ds e t hr s a n d e r s ，q u a n f i z a t i o nr e s o l u t i o na n dl h n i t c y c l i n gi nd i g i t a l l y c o n t r o l l e dp w m c o n v e r t e r s ，i e e et r a n s a c t i o n so i lp o w e r e l e c t r o n i c s ，v o l 。1 8 ，n o ，i ，j a n u a r y2 0 0 3 。 【15 z h e n g y ul u ，z h a n m i n gq i a l l ，y o n gz e n g ，w e n x iy a o ，g u o z h uc h e na n d y o u s h e n g + w a n g ，r e d u c t i o no fd i g i t a lp w ml i m i tr i n g 谢mn o v e lc o n t r o l a l g o r i t h m ，a p e c 2 0 0 1 ， 【1 6 s t e p h a n eb i b i a na n dh u aj i n ，d i g i t a lc o n t r o l 诵t l li m p r o v e dp e r f o r m a n c ef o r b o o s tp o w e rf a c t o rc o r r e e t i o nc i r c u i t s p e s c2 0 0 0 。 f 2 】裁菇瓣。正弦波遂囊器。辩学磁蹶社，2 0 0 2 3 】张占松，蔡宣三。开关电源的原理和设计。电子工业出版社，2 0 0 2 激距大学硕士论文 2 1 系统总体设计方案 第二章：d c d c 铮辩逛澡鳃毫功率因数竣入要求， p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 电路为输入级： 可鞋考懑溪霜寿濠秘搴嚣鼗校正( a c t i v e 针对隔离功能的需要，采用有隔离变压 器的电路结构。由于需疆满足高电雁大功率的要求，采用移相众桥结构；最厢一 缀是逆变缀，恕移穗众糖骧窭直滚壤歪遂交为交滚壤塞。 根据要求，系统需要有保护功能电路。另外，为了减少干扰，整个系统采用 了外同步电路，将各个电路的工作频率都同步为统一的频率。 稷摇黻上豹丈侮竣诗愚露霹激愆蘩萋2 - 1 1 翡逛滠系统磋强。筵毫滚系绫努 为两部分：功率电路部分和数字控制鼎示部分。本论文仅探讨功率电路及其模拟、 开关控制部分，数字控制部分则由其他同学来配合完成。 图2 - 1 - 1 电源系统整体框图 功率电路部分主要实现将2 2 0 伏交流输入电联变换成2 2 0 伏交流输出。功率 电路分受三缀：功率爨数铰芷级p f e ) 、d c d c 缀、遂变级。繁一缀功率函数狡 l e n ( p f c ) ，可以提高输入功率因数，减少谐波对电网的影响，嗣时提供一电压 l 幸 浙江大学硕士论文 稳定的母线；第二级隔离d c d c 级，将直流输入和直流输出级隔离；第三级为 逆变级，输出交流电压。 辅助电源提供多路互相隔离的稳定电压，给数字控制电路、同步发生电路、 三级控制电路等供电。 同步发生电路提供三组同频率的时钟信号，强制同步功率因数校正级( p f q 、 隔离d c d c 级、逆变级的控制电路工作频率。将三级频率同步可以减小三级之 间的互相干扰，提高电路的可靠性。 保护电路主要针对与输出过流、输出过压、输入过压、输入欠压、过热进行 保护。 数字控制电路和显示部分提供给主电路多路参考信号和通讯信号并提供保 护的显示。 2 2 输入功率因数校正级电路设计方案选择 2 2 1 功率因数校正技术简介 a c d c 通常采用的整流电路功率因数较低，这种方案在其全桥整流后面接 有大电容，得到较为平直的直流输出电压，同时在输入交流电流波形却出现了严 重的畸变。大量应用这类整流电路造成电网中有大量的谐波电流存在，危害电网 的运行，用电器输入端的功率因数很低。所以在要求较高的设备中，供电电源必 须具有功率因数校正功能，提高功率因数，减少对电网的谐波污染【1 ”。作为高 性能的数控开关电源，应该具有高功率因数特点。 对功率因数校正技术f c ) 已经作和很多的研究嘲，目前己基本趋于成熟。 最为典型的电路是单相b o o s tp f c 电路，如图2 2 1 所示： 单相b o o s t p f c 电路主要的优点：有输入电感，输入电流连续，可减少对 输入滤波器的要求，输出电压大于输入电压峰值，开关器件的电压不超过输出电 压值，对噪声不敏感。另外，有现成的i c 来控制，对实际产品开发设计来说很 方便。 b o o s t p f c 的缺点：输入、输出间没有绝缘隔离；对于稍大功率的b o o s t p f c 电路，主开关管的电压应力和电流应力比较大，对器件要求比较高，功率损 浙江大学硕士论文 耗比较大。这种电路适合用于功率在1 k w 左右的场合，经常作为电子设备的前 级。 图2 - 2 - 1 单相p f c 主电路结构和控制电路方框图 2 2 2 几个典型的功率因数校正电路方案 近年来，在单相b o o s t p f c 电路的基础上，功率因数校正电路又有新的拓 展，提出了很多新的电路结构，在性能方面有很大的提高。下面是近年来文献中 提到的几个具有典型意义的电路拓扑。 1 n t e r l e a v e d b o o s t p f c 直路m 5 1 6 糍汪夫学矮士论文 v hl l”d l 越o 】 l n e 强 c 1 9 c f 1 c s l 21 一 l 叫 搿2 】【】 l _ 捌融v 4 1 图2 - 2 2i n t e r l e a v e db o o s tp f c 如图2 - 2 。2 所示，此电路与普通b o o s tp f c 相比较可以减小电感的体积和 重量，这种电路适合于大呶流输入的场合，在拥同的情况下，输入纹波电流可以 楚蛰瀵p f c 毫籍绞波瞧瀛匏1 4 。这令逛爨燕怒嚣令簧逶戆b o o s tp f c 毫路著 联起来，通过对两个开关筲进行不同的控制。使得两个电感的电流纹波不相同， 相互抵消，使得输入电流的纹波最小。但这个i 觐路的器件要比普通p f c 复杂很 多。 2 攀凝三逛b o o s t p f c 龟$ 擎7 - - 1 4 0 飙裂的p f c 电路，在功率较大情况下f 大予1 k w ) ，必须考虑电感的体积大 小和功率器件的损耗，它们对整个电路的效率和成本有很大的影响。与典型 b o o s tp f c 电路相比较，单襁三电平b o o s tp f c 电路可以采用羹小体积的毫 感帮低毫压等级豹齐关螫，嚣露透台毫赣入毫蒸、大功率鹃应嗣场会。疆豢瑾论 分桥在基本条件相同，鼹坏的情况下，三电平b o o s tp f c 的输入魄流纹波是普 通b o o s tp f c 电路纹波的l 4 。即在相同纹波情况下，电感量可以是普通p f c 电路电感量的l ，4 ，所以电感的体积减小很多。另外，由于采用了两个开关管， 开关蛰戆电篷等级藏要低一拳，这群对于牙关餐豹选择提供了缀大豹余建，瑟置 开关管的价格也有很大的降低。 单相三电平b o o s tp f c 由于增加了开关管，使控制较为复杂。 浙江大学硕士论文 图3 - 2 - 3t h r e e - l e v e lb o o s t p f c 电路 ( 3 ) 毋二掇管反向恢复改进型b o o s tp f c 电路 典型单相b o o s t p f c 电路中由于存在输出二极管反向恢复的过程，造成了 很大的开关管损耗，而且由此引起严重电磁噪声。在功率较大的场合中，这种影 响会更大，而此改进型电路图2 2 - 4 只是增加了电感磁芯窗口面积和很少的元件。 在工作过程中，在开关s 关断后，通过将主二极管d 支路中的电流转到辅助二 极管d a 支路中，把开关s 的开通过程软化，从而改善输出二极管d 的反向恢复， 减少开关损耗和电磁噪声。 图2 - 2 _ 4 采用抑制反向二极管恢复问题的改进型b o o s tp f c 电路 图2 _ 2 4 中耦合电感副边与原边的匝比大于1 ，所以副边电感绕组匝数会较 多，因此在电感磁芯的体积要比普通的b o o s t p f c 电路的磁芯大很多，增加整 浙江大学硕士论文 个电路的体积和重量。文献“5 1 中提到了一种匝比远小于1 的电路形式，如图2 2 5 所示。它与图2 2 4 的软化电路相比较，辅助支路的电感匝数明显减小，这样在 磁芯选择上基本和典型的b o o s t 功率因数校正( p f c ) 路一样，该电路在成本 不增加很多、控制方案基本不增加难度的情况下，能够很好的抑制二极管反向恢 复问题，减小e m i 噪声，对电路工作性能有很大的改善。 在这种b o o s t p f c 电路中，由于是通过电感耦合来使主电路上二极管的 反向恢复电流转化到辅助二极管上，但是由于电路的功率不一样，使得电感的加 工工艺要求非常高。另外一方面，主电路上二极管的反向恢复电流转化到辅助二 极管上，增加了辅助二极管的负担。 图2 - 2 5 匝比小于1 的抑制方向二极管恢复问题的改进型b o o s t p f c 电路 2 3 输入功率因数校正级电路设计实现 2 3 1 主电路拓扑的确定 由于b o o s t 有源功率因数校正器( a p f c ) 具有以下优点： ( 1 ) 输入电流连续、e m i 小、r f i 低。 ( 2 ) 有输入电感，可减少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，对市电电压为1 0 0 v ( a c ) 的国家和地区特别合 适。 浙江大学硕士论文 ( 4 ) 开关器件s 的电压不超过输出电压幅值。 ( 5 ) 容易驱动功率器件，参考端点( 源极) 的电位为0 v 。 ( 6 ) 可在国际标准规定的输入电压和频率广泛范围内保持正常工作。 基于上述诸因素，选择b o o s tp f c 作为功率因数校正器。 2 3 2p f c 电路参数的选取 f 1 ) 主电路参数 型号说明 i g b th g t 5 a 2 7 n 12 0 b n1 2 0 0 v 3 4 a d i o d ed e s i6 0 1 0 a1 0 0 0 v 6 0 a 电感 0 4 m h铁硅铝s a 3 5 电容 8 * 6 8 0 u f 4 5 0 v ( 2 ) 控裁电路参数钓确定 为便于研制和生产有源功率因数校正器，现在p f c 的控制电路己集成化。 有多种p f c 集成控制电路芯片可供设计、研究人员选用。这里以美国u n i t r o d e 集成电路公司生产的u c 3 8 5 4 a b 作为控制芯片，来控制p f c 电路。图2 - 3 1 就 是u c 3 8 5 4 的控制电路。 图2 - 3 1u c 3 8 5 4 赣汪夫学醺逊文 2 4 移相全桥主电路结构 囱于本电源最后输如鼹求两路隔离输如，所以必须有一级隔离电路，由于移 葙全轿具有大功率、软势关的特性，所以选撵移楣全辑电路来实蕊隔离级。 2 4 。l 反馈控割设诗 露2 ，夺l 移穗全轿圭魄路结构 蕊2 - 4 - 2 移穗全辑擦涮图 与普通的移相全桥的控制不同，由于原边四个开关管供给两个变压器工作， 如果采用其中一路输出作为反馈，必然在两个变压器一个轻载、另外一个重载的 时候弓l 趣输出电压的大幅度偏差。所以不能髑蛰通躲反馈控囊l 来按涮，必矮分爨 在交藤器互、夏筑割逮器添艇第三绕组，恕薯翡t 鲍嚣令第三绕缀逡起来，经过 整流以后作为反馈信号去控制四个开关管的移相角。 电流互感器采样两个嬲压器的原边电流之和，采样信号经过r c 滤波以后和 圪，相加k 以后作为给定电压，连接运算放大器躲“+ ”端。两个第三绕组稿加 浙江大学硕士论文 以后作为反馈信号连接运算放大器的“一”端。 ( 1 ) i 。轻载、2 。轻载 在这种情况下，电流互感器采样信号比较小，与订相加后，给定的匕就比 较小。由于在轻载条件下，所以第三绕组川，：、2 ，：幅值较大。所以运算放大 器“+ ”端较小，反馈“一”端较大，最后输出驱动信号移相角较大，因此两个 输出电压正常。 ( 2 ) 1 一。轻载、m 一。，重载( l 一；重载、2 _ s l 轻载) 在这种情况下，由于两个变压器一个轻载，另外一个是重载，所以电流互感 器的采样信号较i 一：，轻载、2 一。轻载情况下要大，但是比l 一。重载、2 一。重 载情况下要小，所以与相加后，给定的名也是中等。同时，在1 一。轻载、2 一， 重载情况下，第三绕组l 。：输出较大、2 。：输出较小。运算放大器“+ ”端大 小中等，反馈“一”端大小中等，所以最后输出驱动信号的移相角也是中等，因 此两个输出电压也为正常。 ( 3 ) 川。重载、2 。重载 在这种情况下，电流互感器菜的采样信号较大，所以与巧。相加后，给定的 k 较大。但是由于两个副边输出重载，所以l 一。：和2 _ s 2 输出较小。运算放大器 “+ ”端较大，反馈“一”端较小，所以最后输出驱动信号的移相角较小，因此 两个输出电压也为正常。 2 4 2 主电路参数 j 8 0 0 wn o o w m o s f e t1 x f x3 4 n 8 0m o s f e td ( f x3 4 n 8 0 d i o d ed s e i3 0 1 0 ad i o d ed s e i3 0 0 6 a 滤波电感 1 3 m h滤波电感1 3 m i - i 滤波电容 4 7 u f 滤波电容 6 8 u f 变压器5 2 ：5 4 ：2变压器5 2 ：2 7 ：2 浙江大学硕士论文 参考文献 【1 黄汉生，功率因数校正技术的发展全国电源技术年会论文集，1 9 9 5 ，北京，p p 4 1 2 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计北京：电子工业出版社，1 9 9 9 3 j o s dr p i n h e i r o ，h i l t o na g r t l n d l i n g ，d a l t o nl r v i d o ra n dj o s 6e b a g g i o ， c o n t r o ls t r a t e g yo f a ni n t e r l e a v e db o o s tp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n v e r t e r i e e e a p e c 9 9 【4 b a m i w a ，d m o t t e na n dm f s c h l e c h t , h i 曲e f f i c i e n c yp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n u s