基于双极性增益特性的无桥PFC变换器.pdf

? 收稿日期? ? ? ? ? ? 基金项目? 国家自然科学基金? ? ? ? ? ? ? ? ? 中国博士后科学基金? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 教育部科学技术研究重大项目? ? ? ? ? ? ? 安徽省科技计 划重点项目? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 通讯作者? 王金平? ? ? ? ? 男? 博士? 副研究员? 主要从事开关变换器拓扑及其控制技术研究? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第? ?卷第?期 ? ? ? ?年?月 电 力 科 学 与 技 术 学 报 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 基于双极性增益特性的无桥? ? ?变换器 王金平?陈?强?何怡刚?项?胜? ?合肥工业大学 电气与自动化工程学院? 安徽 合肥? ? ? ? ? ?凹凸电子? 成都? 有限公司? 四川 成都? ? ? ? ? ? 摘?要?传统? ? ? ? ?功率因数校正? ? ? ? 变换器交流输入侧存在二极管整流桥? 低压输入时其导通损耗大? 因而效 率较低?针对这一问题? 研究一种无桥? ? ?变换器?该变换器由双极性增益升压变换器构成? 不仅具有传统? ? ? ? ? 变换器的升压功能? 而且具有双极性增益特性? 即对于正? 负输入电压? 均能得到正极性的直流输出电压? 因此? 该 双极性增益升压变换器可直接应用于? ? ?变换器?搭建一台? ?无桥? ? ?变换器实验样机? 实验分析该变换器 工作于电感电流导电断续? ? 模式时的工作模态? 研究正? 负输入电压情况下的直流稳态特性? 实验结果表明? 该变换器具有良好的功率因素校正功能? 电感数值小? 控制电路简单? 成本低廉? 关?键?词? ? ? ? ? ?变换器? 无桥功率因数校正? 双极性增益? 电感电流断续导电模式 中图分类号? ? ? ?文献标识码?文章编号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?为了减小交流电网的谐波污染? 改善电网品质? 国内外专家学者提出了许多功率因数校正? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 变换器 ? ? ?变换器 的主电路通常由? ? ? ? ?变换器构成? 由于传统? ? ? ? ?变换器仅具有单极性电压增益? 即变换器的输 出电压只能与输入电压同极性或者反极性? 因此不 能直接应用于? ? ?电路? 而需在? ? ?变换器前端 增加二极管整流桥? 从而导致变换器导通路径损耗 增加? 降低了变换器的效率? ? 为了提高? ? ?变换器的效率? 无桥? ? ?变换 器成为研究热点? ?文献? ? 研究的无桥? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?变换器使用?个开关管代替传统桥式 ? ? ? ? ? ? ?变换器中的整流桥? 减小了导通路径中 功率器件的损耗? 从而提高了变换器效率? 但无桥 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?变换器的电磁干扰问题严重?文 献? ? 提出了一种应用于大功率场合? 工作于电感电 流连续导电模式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 的无桥? ? ?变换器? 该变换器拓扑结构简单? 输入? 输出共地? 从而减小了电磁干扰? 但该变换器工作在 ? ?模式下时? 所需电感量较大且控制电路设计复 杂?基于文献? ? 的研究? 笔者引入双极性增益变换 器的概念? 该变换器不仅具有与传统? ? ? ? ?变换器 类似的升压特性? 而且在正? 负输入电压情况下? 均 能得到正极性的直流输出电压? 因此? 可以直接应用 于? ? ?变换器? 从而可以去掉传统? ? ?变换器交 流输入侧的二极管整流桥?众所周知? 在中? 小功率 应用场合? 常使? ? ?变换器工作于电感电流断续导 电模式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 此时 所需电感量小? 且二极管可实现零电流关断? 变换器 具有控制简单和成本低廉等显著优点?因此? 研究 该无桥? ? ?变换器工作于? ?模式的工作特性 具有重要的实际意义? 笔者分析? ?模式下的基于双极性增益特性 的无桥? ? ?变换器的工作模态? 应用广义状态空间 平均技术? ? 研究正? 负输入电压情况下变换器的 直流稳态特性?分析结果表明? 在中? 小功率应用场 合? 该无桥? ? ?变换器工作在? ?模式时? 同样 具有较好的功率因数校正功能? 且具有电感量小? 控 制简单和成本低廉等优点?最后? 通过一台? ? ? 实验样机验证理论分析的正确性? ? ?无桥? ? ?变换器工作原理分析 如图?所示? 基于双极性增益特性的无桥? ? ? 变换器由?个双向开关管? ?个升压电感?个 快恢复二极管? ? ?和? ?个谐振支路? 及 输出电容?组成?为简化分析? 假设?开关频率 远远大于交流输入电压频率? 在每一个开关周期内? 交流输入电压保持不变?输出电容?足够大? 输 出电压保持不变?谐振电感?远小于升压电感 ? 谐振电容?远小于输出储能电容?所有开 关器件都是理想的? 不考虑寄生参数的影响? 图?基于双极性增益特性的无桥? ? ?变换器 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 根据假设可知? 由于在每一个开关周期内交流 输入电压保持不变? 则在每一个开关周期内? 可将该 无桥? ? ?变换器看作双极性增益升压变换器?该 变换器在正? 负输入电压时具有不同的工作模态? ? ?正输入电压时工作模态分析 在交流输入电压正半周? 可以将无桥? ? ?变换 器看作具有正输入直流电压的双极性增益升压变换 器?正输入电压时? 工作于? ?模式的双极性增 益升压变换器存在如图?所示的?种工作模态? 其 主要工作波形如图?所示? 在每一个开关周期的开始时刻? 谐振电感电流 ?为零? 谐 振 电 容 电 压?初 始值 为? ? ? 其中?为谐振电容谐振峰值? ? 模态? ? 如图? ? 所示?时刻? 开关管?导通? 升压电 感?两端电压等于输入电压? ? ? 电感电流? 线性 上升? 谐振支路发生谐振? 二极管? ? ?导通?向电 ? 第? ?卷第?期王金平? 等? 基于双极性增益特性的无桥? ? ?变换器 ? 容?充电并向负载?放电? 二极管? ? ?承受输出 电压?而关断?在? ?期间?和?分别为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 其中? ? 槡 ? ? 槡 ? ? 模态? ? 如图? ? 所示?时刻?谐振到? ?实现 零电流关断? ? ? 承受电压?而关断?在 ?期间? 开关管?仍导通? 升压电感?两端电 压等于输入电压? ? ? 继续线性上升? ?保持为 ? ? ? 模态? ? 如图? ? 所示?时刻? 开关管?关断? ?为 ?提供续流通路? ?承受输出电压?而关断? 由 图?正输入电压时工作于? ?模式的工作模态 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 于升压电感?远大于谐振电感? 谐振电感可以忽 略?在? ?期间? 谐振电容充电? 其表达式为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模态? ? 如图? ? 所示?时刻? 由于?下降到? 亦为? 谐振电容两端电压上升到? ? ? ? ?承受电压? ?而关断? ?零电流关断? 图?正输入电压时工作于? ?模式的主要波形 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?负输入电压时工作模态分析 在交流输入电压负半周? 可以将无桥? ? ?变换 器看作具有负输入直流电压的双极性增益升压变换 器?负输入电压时? 工作于? ?模式的双极性增 益升压变换器存在如图?所示的?种工作模态? 其 主要工作波形如图?所示? 在每一个开关周期开始时刻? ?为?初始 值为? ? ? ? 模态? ? 如图? ? 所示?时刻? 开关管?导通? 升压电 感?两端电压等于? ? ? 线性下降? 谐振支路发 生谐振? ? ?导通? ?承受输出电压?而关断? 输 出电容?向负载?放电以维持输出电压不变? ?和?分别为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 其中? ? 槡 ? ? 槡 ? ? 电力科学与技术学报? ? ? ?年?月 ? 模态? ? ? 如图? ? 所示?时刻?谐振到? ?实现 零电流关断? ? ?承受?而关断?在? 期间? 开关管?仍导通? 电感?两端电压等于? ? ? ?继续线性下降?保持为? ? ? 模态? ? 如图? ? 所示?时刻? 开关管?关断? ?导 通? ?向电容?充电并向负载?放电? ?承受输 出电压?而关断?在? ?期间? 谐振电容充电? 其表达式为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模态? ? 如图? ? 所示?时刻? 由于?为?亦为 ?下降为? ?零电流关断? ?承 受电压? ? ?而关断? 图?负输入电压时工作于? ?模式的工作模态 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图?负输入电压时工作于? ?模式的主要波形 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?双极性增益升压变换器直流稳态分析 ?双极性增益升压变换器存在?个状态变量? 储 能元件状态变量? 其稳态直流量为? ? ?和谐 振元件状态变量? ? 储能元件状态变量? 的特征频率远远小于开关频率? 而谐振元件状态变 量? ?的特征频率与开关频率相近? 为同一个 数量级?根据广义状态空间平均技术? 建立储能元 件状态变量? ?的状态空间平均方程? 并由此分 析工作于? ?模式的双极性增益升压变换器的直 流稳态特性? ? ?正输入电压时稳态特性分析 在每一个开关周期内? 可认为输入电压恒定且 为? ?由图? ? 可得变换器在模态?的 状态方程分别为 模态? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模态? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模态? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第? ?卷第?期王金平? 等? 基于双极性增益特性的无桥? ? ?变换器 ? 模态? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 取状态变量为? ? ? 基于广义状态空间 平均技术? 可得正输入电压时双极性增益升压变换 器的广义状态空间平均方程为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 由式? ? ? 可得正输入电压时双极性增益升压变 换器的直流电压增益? ? ? ? ? ? ? ? ? 式中?分别为变 换 器在 一 个 开关 周 期内 ?和?时间段的稳态占空比? ? ?负输入电压时稳态特性分析 类似的? 由图? ? 可得变换器在模态? ?的状态方程分别为 模态? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模态? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 模态? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 取状态变量为? ? ? 基于广义状态空间 平均技术? 可得负输入电压时双极性增益升压变换 器的广义状态空间平均方程为 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 同理? 由式? ? ? 可得负输入电压时双极性增益 升压变换器的直流电压增益? ? ? ? ? ? ? ? ? 由上述分析可知? 在正? 负输入电压时? 工作于 ? ?模式的双极性增益升压变换器的电压增益完 全相同? 且与传统? ? ? ? ? ?变换器的电压增益一 致?由此可知? 该变换器工作于? ?模式时具有 双极性电压增益? 从而可直接应用为? ? ?变换器而 不需要前端的二极管整流桥? ? ?实验研究 如图?所示? 基于单电压环控制芯片? ? ? ? ? 搭建基于? ?模式的双极性增益特性的无桥? ? ? 变换 器 实 验 样 机? 样 机 参 数?额 定 输 出 功 率 ? ? 交流输入电压范围? ? ? ? 直流输 出电压? ? ? 储能电容? ? ? 升压电 感? ? ? 谐振电感? 谐振电容? ? 开关频率? ? ? ? 测得的实验样机功率因数与交流输入电压之间 的曲线关系如图?所示? 可知工作在? ?模式的 无桥? ? ?变换器具有较高的功率因数? 交流输入电压分别为? ?和? ? ?时? 输出电压 纹波? 输出电压? 交流输入电压与交流输入电流波形 如图? ? ? ? 所示?由图?可知? 工作在? ?模 式的无桥? ? ?变换器其输入电流? ? ?与输入电压 ? ?同相位? 且输入电流很好地跟踪了输入电压的波 形? 实现了功率因数校正功能? 图? ?无桥? ? ?变换器控制系统 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图?功率因数曲线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 电力科学与技术学报? ? ? ?年?月 图?输出电压纹波? 输出电压? 输入电压? ?与 输入电流? ? ?波形 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?结语 笔者通过引入双极性增益变换器的概念? 即在 正? 负输入电压情况下? 均能得到正极性的直流输出 电压? 并将其直接应用于无桥? ? ?变换器? 从而去 掉传统? ? ?变换器交流输入侧的二极管整流桥? 笔者分析了基于双极性增益特性的无桥? ? ?变换 器工作于? ?模式时的工作模态? 研究了正? 负输 入电压情况下的直流稳态特性?研究结果表明? 在 中小功率场合? 基于双极性增益特性的无桥? ? ?变 换器工作在? ?模式时具有较好的功率因数校正 功能? 且具有电感量小? 控制简单和成本低廉等优 点?工作于? ?模式的该无桥? ? ?变换器在中 小功率场合具有广泛的应用价值?最后? 通过一台 ? ?的无桥? ? ?样机验证了理论分析的正确性? 参考文献? ?陈兵? 谢运祥?新型三电平? ? ? ?型功率因数校正器? 电力自动化设备? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?