（电力电子与电力传动专业论文）boost+pfc输入电流畸变的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘 要 a b s t r a c t s i n g l ep h a s ea c t i v ep o w e r - f a c t o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) t e c h n o l o g yi st h ei m p o r t a n tp a r to f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ；i ta l s oh a sb e e nw i d e l y a d o p t e di nl o wt om e d i u mp o w e r a p p l i c a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea p f cc o n v e r t e ri sh e a v i l yr e l a t e dt oi t sc o n t r o l s c h e m e ，o p e r a t i o nm o d ea n dp a r a m e t e r sd e s i g n t h en o n - i d e a lc h a r a c t e r i s t i c s e so fm a i n c o m p o n e n t si nt h ep f cc i r c u i th a v ei m p o r t a n te f f e c to nt h ec u r r e n td i s t o r t i o n t h i sp a p e r p r e s e n t sas y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ec i r c u i tp a r a s i t i cp a r a m e t e r sa n di n p u tc a p a c i t a n c e v o l t a g ec l a m pc h a r a c t e r i s t i c se f f e c t so nl i n ec u r r e n tt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) t h i sp a p e rp r e s e n tab r i e fr e v i e w o ft h et e c h n o l o g y ( o p e r a t i o nm o d e sa n dc o n t r o l s c h e m e s ) a p p l i e d i nb o o s tp f cc i r c u i t ，t h e nh a v eas u m m a r yo ft h en o n - i d e a l c h a r a c t e r i s t i c s e se x i s t i n gi nb o o s tp f cc i r c u i t d u et ot h et r a d i t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o db a s e do nt h ea v e r a g ei n d u c t o rc u r r e n tm o d e l s u f f e r sf r o mi n a c c u r a t ea n ds i n g l ep a r a m e t e ra n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sat h e o r e t i c a l a n a l y s i sm o d e lb a s e do nt h ei n d u c t o rc u r r e n t ，a n dt h ee f f e c to fm a i nc i r c u i tp a r a s i t i c p a r a m e t e r so nt h el i n ec u r r e n tt h d a r ea n a l y z e d ，s u c ha st h ep a r a s i t i cc a p a c i t o r sa n d c i r c u i tl o s s an o v e la v e r a g ei n d u c t o rc u r r e n tm o d e lh a sb e e np r e s e n t e dw i t ht h eh e l po fi n s p i r a t i o n b a s e do np r e v i o u sm o d e ，t h e nt h en o n i d e a lc h a r a c t e r i s t i c s e se f f e c t sh a v ea l s oa n a l y z e d w i t ht h en o v e lm o d e t h ee f f e c t i v e n e s so ft h em a t h e m a t i cm o d e la n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s o m es o l u t i o n st oo p t i m i z et h ee f f e c to nc u r r e n td i s t o r t i o nh a v e b e e n s u g g e s t e d k e yw o r d s ：b o o s tp f c ；p a r a s i t i cp a r a m e t e r s ；f o u r i e ra n a l y s i s ；t h d ；i n d u c t o rc u r r e n t m a t h e m a t i cm o d e l ；i n d u c t o ra v e r a g ec u r r e n tm a t h e m a t i cm o d e 一i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。除了文中特另j j ) j l l 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，也不包含为获得逝鎏盘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： 舞苫 u 、 签字日期：加卜年今月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：壹篓、匕 导师签名： ，勿 签字日期：加f 口年弓月易日签字日期：矽口年多月易 e l 浙江大学硕士学位论文第一章 第一章绪论 1 1 背景u 3 l 开关电源技术的应用在带来电能高效率的同时也为电网带来了高频谐波污染，相 关理论早有提出，随着近年大量电气设备引入电网，谐波造成对电网的污染有日益严 重的趋势，引起控制电路及保护电路的误动作，使得电气设备工作质量下降，严重时 甚至能够造成电气设备的损坏，电网的谐波污染问题引起普遍关注在各种开关电源 电路中，整流电路由于具有电力电子装置于公共电网的接口电路作用，所以其电路特 性对电网运行和质量产生直接的影响。整流电路也被称为a c d c 变换电路，是泛指 能够将交流电能转化为直流电能输出的一种电路，是在工业及民用电力电子技术中应 用极为广泛的一种变换电路。在各种整流电路中，以二极管组成的全波石控整流电路 的拓扑及控制实现最为简单，应用最为普遍。其典型电路如下图所示， _ 瓦l 】l 一l 二 cr k n 7孓 【 l - - 一l 一l 一 尚- 】 lj l 一 l 石、 c尺 y7 【 石- 、 了 一 一l l 一 【 ( a ) 单相( b ) 三相 图1 - 1 传统a c d c 全波不控整流电路 图1 1 为传统的a c d c 全波不控整流电路，交流电源经过整流后，由一个大容 量电容储能滤波，得到一个波形平直、纹波小的直流电压。这种电路虽然简单，但由 于其是二极管组成的桥堆连接大电容这种非线性元件加储能元件的组合，会导致输入 电压在正弦情况下，输入电流发生严重畸变，如图1 2 所示为单相和三相整流电路的 仿真波形，在电压波峰附近会有很大的电流脉冲，其中的电流高次谐波含量非常大。 这一谐波干扰一方面会通过输入线路传入主电网p 1 ，在交流电网内阻抗上产生压降， 是网侧相电压波形畸变，对电网的造成谐波污染，使电网电压发生畸变，对变电设备 造成损害，另一方面会使后端的电气设备的噪声水平提高，也使得输入功率因数下降。 浙江大学硕士学位论文第一章 另外，由于桥堆后端的感性负载特性的不同，会使得输入电压电流发生相角位移，也 会导致输入功率因数的下降此类电路的大量使用对电网危害极大，该电路的功率因 数通常仅能达到4 5 到7 5 ，其无功分量基本为高次谐波，通过谐波分析可以清楚 地看到单相整流电路中三次谐波接近基波幅值的9 5 ，五、七、九次谐波幅值也很大， 总谐波含量达到1 5 0 以上，导致功率因数下降到0 6 左右，而在相同功率级别上的 三相整流电路由于具有更多的电流尖峰，所以其谐波含量更大。 蜒 孓 q 鬯 t ( 1 0 r e s 格) t ( 1 0 r e s 格) ( a ) 单相整流电路输入电压电流波形( b ) 三相整流电路输入电压电流波形 。：一蜂掣 n 9 n 8 - 型 埔 0 7 囊 蛩0 6 ， 醐 墨0 5 寥 vn 4 - 簧0 3 一 浆 n 2 - ， n 1 吆 ( c ) 单相输入电流谐波频谱图( d ) 三相输入电流波形频谱图 图1 2 单相及三相整流电路仿真输入电压、电流波形及谐波分析 电力系统中谐波的危害主要有以下几个方面4 羽： 1 )影响了电力系统的稳定运行，造成电网电压电流的谐波畸变，影响设备 的正常工作，当谐波含量过高时导致电磁式继电保护装置的误动作几率大大提高，影 响了供配电系统的稳定安全运行； 2 )增加了电力损耗。由于电网中无功能量的增加，导致电网所承受总功率 的增加，加大了电网线路损耗，并加重了发电及输变电设备的负担，降低了电网实际 2 叠 豺謦。擞 貉疆 瀚曩蓄d鲋 藉缓鋈； 磊绸缎疆 疆缮銎住 貉瓣笏翟 曩甥貉骚缵誊0疆翔强籀缀缓缓缀缓， 浙江大学硕士学位论文第一章 传输功率的效率； 3 )减少了电力设备的寿命，如变压器、发电机、电力电容器等设备受到较 高含量谐波电流电压的影响时损耗变大、温度升高，加速了设备绝缘介质的老化，严 重时设备有可能直接烧毁，甚至引发火灾； 4 )对弱电设备测量设备有干扰，谐波干扰增加了线路噪声干扰，通过电磁 感应和传导等方式对接入电网的计算机、通信和有线电视等弱电设备产生影响，例如 通信畸变、画面纹波和数据错误处理等，同时也影响到一些电磁感应式的电力测量仪 器，使测量结果误差大，影响了设备的运行。 随着人们对电网质量要求的提高7 8 1 ，为减少电气设备对主电网的谐波污染，国 内外已出台各种限制高次谐波的标准。国家技术监督局在1 9 9 3 年就制定并且颁布了 国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波；国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 于1 9 9 8 年对i e c5 5 5 2 谐波标准进行了修正，其中c l a s s d 标准( 家用电器及类似电气设备在供电系统中产生的干扰) ，就对接入交流电网 的电源设备提出了降低谐波含量和提高功率因数的要求；另外欧洲标准e n 6 1 0 0 0 3 2 也对相关电气设备进行了具体的谐波限制，规定了输入电流各次谐波含量的最大幅值。 减少电网谐波污染提高电路功率因数已经成为电力电子技术研究领域的热门课 题。针对传统整流电路的以上缺点，研究人员通过大量研究改进对电路特性进行优化。 目前抑制谐波污染的方法主要有以下几方面：1 、对电力电子装置中已有谐波进行补 偿，在电源的输入侧进行谐波注入已减小谐波含量；2 、通过电感电容等无源器件对 电源的电压电流进行滤波以达到功率因数的校正目的，具有电路简单、体积大和t h d 较大的特点；3 、利用开关器件对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进 行改造，以达到对功率因数校正( p f c ) ，即有源功率校正( a p f c ) 电路，其谐波含量 极低、体积小、功率因数接近1 、技术成熟，但电路和控制相对复杂。 有源功率因数校正( a p f c ) 技术很好的解决了由于传统整流电路带来的电网谐 波大，电路功率因数低的问题。而且随着电力电子技术的进步，材料科学，微电子学， 应用软件开发等相关学科的发展，电路设计成本也在不断的降低，电路控制芯片功能 日益强大，大大减少了电路设计的复杂程度，也为电力设备中a p f c 技术的大量应用 成为可能。 由于在原理上各种d c d c 电路拓扑都能用作p f c 主电路p 1 ，但是b o o s t 较之其 3 浙江大学硕士学位论文第一章 它拓扑有着特殊优点，所以在p f c 电路中应用最为广泛。b o o s t 型有源功率因数校正 器的主要优点如下： 1 ) 由于电感位于电路的输入端减少了对输入滤波器的要求，电感电流不突变的 特性可以防止主电路受到电网的瞬态冲击； 2 ) 输入电压峰值小于输出电压( 输入为交流电压9 0 至2 6 5v ，输出约为直流 4 0 0v ) ； 3 ) 开关源极接地，开关易驱动； 4 ) 开关器件的电压应力为输出电压大小； 5 )电路工作可适应输入条件( 电压、频率) 宽范围的变化。 但b o o s t 有源功率因数校正器也存在一些缺点： 1 ) 电路输入与输出间无变压器等隔离部分； 2 ) 启动时，输入电压大于输出电压会导致电路发生失控； 3 ) 在功率开关、二极管和输出电容形成的回路中的寄生电感较大时，产生的过 电压会对开关管工作造成影响； 4 ) 需要低压直流输出时，需要在b o o s t 升压电路后增加一级d c d c 电路； 5 ) b o o s tp f c 电路工作在连续模式( c c m ) 时，功率二极管存在反向恢复。 基于以上介绍，可以看出对于b o o s t p f c 电路特性的研究意义重大，研究者已对 该电路的电路特性、工作方式和控制策略做过大量研究，技术相对成熟。 1 2 b o o s t 型功率因数校正技术研究现状 目前的研究也主要是针对以上b o o s tp f c 的缺点而进行的。对于启动时输入电压 相对输出电压过大时，电感电流过大不易控制的缺陷，研究者在电感和续流二极管上 并联启动二极管，在启动过程中，可以避开控制电路直接对输出电容进行充电，很好 的弥补了b o o s tp f c 启动时的不足，这一改进已经大量的应用于中小功率的电子产品 ( 如电子镇流器等) 当中。针对功率二极管反向恢复和电路的损耗问题1 0 j3 1 ，目前主 要解决方案是在电路中增加软开关减少电路损耗，为二极管提供良好的关断环境，并 通过如s i c ，g a a s 肖特基二极管和c 0 0 1 m o s 等新型材料元器件的应用，来优化损耗 特性，这些元器件具有小寄生参数，无反向恢复等优点，但在应用成本上要作考虑。 两级方案比较成熟且应用广泛14 1 ，它们有各自的功率器件和控制电路。p f c 级电路 一4 。 浙江大学硕士学位论文第一章 使得线电流跟随线电压，使线电流正弦化，很容易达到高功率因数，减少谐波含量。 后接的d c d c 级可以实现快速输出电压调节，但缺点是电路复杂、体积大、成本高。 为使a c d c 电源在满足谐波标准的同时能够实现低成本、高性能，对单级p f c 的 需求也越来越紧迫，特别是在小功率应用场合。单级p f c 变换器使p f c 级和d c d c 级共用一个开关管，一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。 简化电路并获得了低压直流输出，实现输入输出电路的电气隔离另外，b o o s tp f c 电路中元器件分布的寄生电感电容等寄生参数对电路工作存在影响1 5 _ 1 6 1 ，如何准确计 算，如何有效利用或扼制寄生参数带来的影响，仍然是该领域的重点之一，本文也将 沿这一方向进行研究，在现有分析基础上对分析方法进行改进，并对b o o s tp f c 电路 的寄生参数进行较为全面的分析讨论。 不论是单级型还是两级型p f c ，都是通过前级电路使电网侧输入电流跟随电压进 行同相位的变化，使得输入功率有较高的功率因数，并有效的减少了电流谐波的畸变 率，而在两级型的p f c 电路中，后级d c d c 电路主要是对前级电路的输出进行隔离 变换得到需要的质量较高的直流电源。所以针对电路的输入电流谐波畸变特性，主要 研究还是在与输入端连接的前级部分，所以文章中讨论的对电流畸变的影响主要针对 a p f c 的b o o s t 电路部分。 1 2 1b o o s tp f c 前级电路的工作模式及特点 b o o s t p f c 电路会根据应用场合的不同和功率大小的不同设计成为不同工作模式 的电路，主要包括断续模式( 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 ) ，临界模式 ( b o u n d a r yc o n d u c t i o nm o d e b c m c r i t i c a lm o d e t m c r m ) 、连续模式( c o n t i n u o u s c o n d u c t i o nm o d e c c m ) 以及混合模式( m i x e dc o n d u c t i o nm o d e m c m ) ，这一划分 是按照电路工作时电感电流的状态进行归类的，因为电感电流的连续或者断续对电路 控制策略、电路功率等级、效率以及元器件的选择都有很大差异。 断续模式( d c m ) p 1 ： 断续模式又称为电压跟踪法，电感电流波形如图1 3 所示，、死f r 分别为开关 管和续流二极管导通时间，正为开关周期大小，d 为占空比，这是一种电路在工作期 间开关周期内电感电流会出现断流情况的工作方式，因为该方式下电路带载能力不强， 所以在小功率场合中应用比较广泛，d c m 断续工作模式的主要特点有：l 、开关工作 一5 一 浙江大学硕士学位论文第一章 频率恒定，通过输入电流峰值自动跟踪输入电压波形采样来获得较小的电流畸变率； 2 、无快恢复二极管反向恢复发生，开关管能够实现零电流( z c s ) 开通等减少了电 路的开关损耗，也降低了开关管的电流应力；3 、电流的峰值较之其它方式并且远高 于平均电流，器件参数设置需要考虑承受较大的应力，会导致开关损耗上升；4 、由 于电感电流峰值大导致输入和输出电流纹波较大，对电路中滤波电容等参数设置要考 虑较大的余量；5 、功率等级较小，一般在5 0 0 w 以内，电路损耗较其它工作方式要 高。6 、由于开关器件的非理想特性，电流断流期间容易形成寄生震荡。7 、功率因数 与输入和输出电压的比值有关，当输入电压发生变化时，功率因数也将发生变化。 图1 3d c m 模式下输入电感电流波形 图1 - 4d c m 断续模式电路控制原理图 断续模式的控制原理图如图1 4 所示，由输出电压环控制开关管信号，输入电感 电流峰值大小随输入电压变化，所以输入电流波形平均值也跟随输入电压波形成比例 变化，而达到功率因数校正的目的，电路无需电流采样和乘法器，p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l e 脉冲宽度调制) 控制简单 连续模式( c c m ) ： 是指一个在工频周期内，电感电流始终存在，不会出现断流情况的一种工作状态， 相对于d c m 断续模式其优点为：1 、输入电感电流接近平均电流大小，其最大值较 6 浙江大学硕士学位论文第一章 小，所以电路的导通损耗小；2 、由于输入输出电流的电流纹波较小，电路的t h d 和 e m i 比较低，易于滤波；3 ，电感电流连续存在适用于大功率能量的传输；4 、电路中 快恢复二极管和开关管交替导通，存在二极管反向恢复现象，开关管无法自然实现零 电流关断，开关器件损耗较大，电路设计时需要考虑开关管电流应力，并适当增加软 开关电路 临界模式( b c m t m ) ： 临界工作模式是介于d c m 和c c m 之间的一种工作模式，通过对电感电流进行 峰值比较和过零检测实现的一种变频控制。其特点有：1 、在二极管电流过零关断后， 开关管导通，所以不存在二极管反向恢复现象，但电路通态损耗依然很高u 1 ；2 ，由 于电感电流峰值远大于平均电流( 约为2 倍关系) ，电感和开关等元器件承受应力较 大；3 、通过合理的控制策略可以实现开关管零电压( z v s ) 开通或是接近零电压开 通，4 、输入和输出电流纹波较大，对电路中滤波电容等参数设置要考虑较大的余量； 5 ，由于开关频率随输入电压发生时时变化，所以需要对输入滤波器有较高要求的设 计来解决宽频率范围的e m i 干扰问题；6 、功率因数同样受到输n 输出电压比的影响。 混合模式( m c m ) ： 这一模式下，电路会在两种工作方式下转换。各个工作方式有其适应的功率等级 和频率范围，由于负载、频率等因素的变化，单一工作模式会出现工作不稳定，功率 因数下降等功能失常的现象，而将电路切换于d c m 、c c m 或b c m 工作方式下，可 以更好的适应工作环境的变化。另外，在临界模式工作下的开关工作频率是随着输入 电压的变化而变化的“，在输入电压过零点附近时开关频率会上升到3 0 0 k h z 以上， 电路引起电磁干扰，并且电路本身不易控制，为阻止这种情况的发生，控制芯片会设 定一个上限值来限制开关频率，这样在输入电压过零点附近开关就进入d c m 断续工 作状态，达到了降频目的。m c m 模式的特点就是交替利用不同的工作方式，以使电 路获得更好的工作状态。 1 2 2b o o s tp f c 前级电路的控制策略及特点 b o o s tp f c 前级电路的性能不但与工作方式有关，而且与控制策略密切相关，好 的控制策略可以弥补电路工作方式上的先天不足，使电路获得好的动态响应，稳定的 工作状态，各种控制策略根据工作方式的不同其原理和实现的目的都有不同，以下将 7 ” 浙江大学硕士学位论文第一章 介绍几种a p f c 电路中常用的控制策略： ( 1 ) 恒频率控制技术1 1 7 1 1 1 9 l ：是d c m 断续模式下普遍采用的一种控制策略，如图 1 - 3 所示，控制环路中的电压调节器频带宽度取1 0 2 0 h ，目的是为了足够的衰减输出 电压的二次谐波，以确保电路稳定工作后开关占空比d 在1 2 个工频周期内保持恒定， 该技术的主要思想是：在p f c 开关频率恒定的情况下，保持控制器输出控制脉冲的 占空比不变。如图1 - 3 所示，t 时刻电感电流峰值为 k ：掣乙( 1 - 1 ) 则电感电流在该开关周期乃内的平均值为 t h 、( f ) ：v a t ) t o ( r o + t o g ) ( 1 - 2 ) ( ) = 1 万一 式中( 力= v , , s i n ( c o t ) - - 输入电压经过桥堆整流后的电压，c o - 哇l 网输入电压的角 频率，、 o f f 分别为开关管和续流二极管在开关周期疋内的导通时间。基于( 1 - 2 ) 式，由于t o n 、瓦恒定，所以只要保证瓦f r 是恒定，就能实现输入阻抗等效为纯电阻， 达到交流侧输入电压和输入电流同相位的目的。但是在实际工作当中，t o f f 0 9 大小是 受输入输出电压比值影响的，所以会导致输入电流发生一定畸变。如式( 1 - 3 ) 所示， 2 乙羔 ( 1 - 3 ) 输入整流电压( t ) 的变化范围为( 0 ，) ，当较小时，断续模式b o o s tp f c 会 获得较好的功率因数，例如输入11 5 v a c 输出4 0 0 v d c 系统功率因数就好于 2 3 0 v a c 4 0 0 v d c 系统，原因就在于输入电压较小，则输入输出电压的比值在1 2 个 工频周期内的变化范围较小，输入电流畸变较小为直观得到其具体影响如何，可将 ( 1 - 3 ) 式代入( 1 - 2 ) 式得到 归鲁( 尚岛 m 4 ， 式中胙吲圪，图1 - 5 为标准化以后得到的一组电感平均电流几a v ) 波形，图中对 不同m 下的输入电流波形进行了标准化比较，可以看到，在m 减小的过程中，即输 出电压一定输入电压减小时，电流波形的谐波含量在减小，接近标准正弦函数。由( 1 4 ) 浙江大学硕士学位论文第一章 得到的启发，将式中d 2 ( 1 圳s i n i o t i ) 变化部分通过控制策略转化为恒定值，则可 以得到正弦波形的电感平均电流波形，于是引出了人们对占空比控制( d u t yc y c l e c o n t r 0 1 ) 的一系列研究。 国 急 彗 = 图1 5 受m 影响的标准化电感平均电流波形组比较 ( 2 ) 占空比控制技术0 1 9 2 3 l ：d c m 工作方式下，按照传统的控制方式其占空比是 恒定的，由以上分析知道这种控制方式下输入电流的畸变较大，效果并不理想，由公 式( 1 4 ) 得到可以通过改变占空比的方式来对输入波形进行调节，以达到减少畸变， 提高功率因数的效果。其中一解决方案为，另占空比函数 d ( f ) = d ( 1 - 5 ) d 为( 1 - 4 ) 式中的恒定占空比值，代入( 1 - 4 ) 式能够直接将变化部分化简为1 ，这 一控制策略可以极大的改善恒定占空比带来的谐波含量，但是，由于控制函数为方根 式，结构复杂，通过电路实现非常困难。另一解决方案利用了整流电压的交流含量对 p w m 斜坡进行补偿从而对占空比进行调节。其占空比调节函数为 d o ，= ( 去+ 口所1 o ) l 一。肚，昙) - 1 c 6 ， 式中a m 一调节系数，通过这一方法可以使输入电流畸变率降到1 0 以内，但是会引 起电流中的5 m 和7 m 谐波含量超调。有学者利用占空比控制思想又提出了二次谐波注 入法来改善输入电流谐波，就是通过向反馈信号中加入二次谐波的方式来调整占空比 变化，其占空比函数为 浙江大学硕士学位论文第一章 d ( t ) = d + ks i n ( 2 c o t + ) ( 1 - 7 ) 其中，& ) 一输入角频率，6 m 一调制系数，声一控制输入电流谐波畸变的初始相位角。 实际应用中可以通过调节b m 和来消除电流中的3 t h 次谐波，并可以通过调节b m 获 得最小的输入电流谐波畸变。图1 - 6 为所提出调制电路的控制框图，此电路的采样简 单，只要检测输入和输出电压，但是在同步合成等环节上成本高。 图1 - 6 二次谐波注入p w m 控制电路框图 ( 3 ) 变频控制技术：这里的变频控制技术也称为恒导通控制技术，是专门针对b c m 临界工作方式来说的，当电感电流归零时，通过过零检测使开关管打开，所以几乎没 有d c m 断续方式中的断流时间，其波形示意图如图1 7 所示，由公式( 2 ) 可知，当 孕+ 死f f 时，只要导通时间是恒定的，电感电流在理论上几乎无畸变，这就是 变频控制的原理。而通过输入电压采样对电感电流进行峰值比较，是可以较好的实现 开关管导通时间恒定，所以变频控制较之d c m 恒频控制有更好的t h d 特性。 l ( f ) 一l r t 图1 7b c m 下变频控制的电感电流波形 ( 4 ) 交错并联控制技术2 4 。2 9 ：随着b o o s tp f c 电路应用场合功率等级的不断提高， 1 0 一 浙江大学硕士学位论文第一章 对电路器件的电压电流应力要求也越来越高，使得半导体器件厂商不断推出容量大耐 量高寄生参数小的开关器件满足市场需求，如c 0 0 1 m o s 、s i c 二极管等新型元器件， 但新型元器件的应用存在成本问题；研究人员也通过利用m o s f e t 负温度系数特性 进行并联均流来增加电路功率容量，但电路工作存在不稳定性，可靠性差。另外，研 究人员通过对电路拓扑的改造来减少电路元器件承受的应力，于是交错并联控制技术 ( i n t e r l e a v e dp f cc o n t r 0 1 ) 被提出，该技术是通过对主辅两路b o o s t 开关进行相位差 1 8 0 0 的通过，而两路同样相差1 8 0 。的电流纹波通过叠加减少了总纹波的大小，该 设计将低了对e m i 电路的要求，提高了电路的带载能力，两组b o o s t 电路并联、交 替工作来减少输入和输出电容电流纹波大小，并能够减低开关管的电流容量要求。交 错并联( i n t e r l e a v e ) 技术的应用使临界模式下p f c 功率等级提高到连续模式下的功 率等级，并且可以使功率开关管实现z v s ，避免了二极管的反向恢复。其工作原理 如图1 8 所示 i i v v i ，7 麓圪一 l l - ， 卜j l y i d 2 l j 宣 歹 】l i 控制器i i = l 歹 c i 。 图i - 8 交锗并联电路原理图 交错并联技术在实际应用当中对b o o s t 电感进行改进，通过利用耦合电感或三绕 组电感中的漏感来减少开关管电流的上升率，实现软开关，大大减小了二极管反向恢 复中引起的开通损耗。 对于c c m 连续工作方式，由于其功率等级范围大，谐波特性和e m i 特性好，所 以应用广泛，对于c c m 方式下的控制策略研究也比其他几种方式全面。 ( 5 ) 间接电流控制娜1 ：间接电流控制是利用控制器控制整流电压的幅值和相位， 使其与电源电压保持一定关系，从而控制输入电流的波形，因此该方法又被称为幅值 相位控制( 或电压控制) 该方法的优点是结构简单易实现，无需电流采样电路，成 本低；但该方法无电路过流保护功能，需要另外设计，系统动态响应慢且在动态过渡 浙江大学硕士学位论文第一章 过程中会出现直流分量。 ( 6 ) 直接电流控制。引：直接电流控制就是通过输入和输出电压的合成控制信号对输 入电流进行直接控制的方法，因合成控制信号需要乘法器，所以又被称为乘法器控制 方式，其系统动态响应快，易实现过流保护，控制精度高 因为乘法器的引入方便了各种控制思想的实现，所以直接电流控制中包括多种控 制策略：峰值电流控制、滞环控制、平均电流控制、电流预测控制、单周期控制、非 线性载波控制、高性能离散时域控制等。 ( 7 ) 峰值电流控制( p c m c ) ：如图1 - 9 为峰值控制法的电感电流波形， 图1 - 9 峰值电流法控制时b o o s t 电感电流波形图 p - 电流峰值包络( 通过采样输入电压波形和输出电压反馈进入乘法器处理得到) ， 屯一电感电流，电路中开关以恒定频率导通，当电感电流达到参考电流峰值时开关关 断，所以实现了电感大致电流按照输入电压波形变化，但电感电流在由零变化到包络 峰值的过程中，开关占空比d 是在减小的，所以在半个工频周期内，占空比有时大 于o 5 有时小于o 5 ，这样会引起次谐波震荡( s u b h a r m o n i co s c i l l a t i o n ) 而j 使得电路不 稳定，所以必须在比较器输入端加入斜率斜坡补偿( s l o p e 瓜锄pc o m p e n s a t i o n ) i 函数。 该控制策略的最大问题在于：在一定条件下电感电流峰值与高频状态空间平均值之间 的误差会相当大，无法满足电路的t h d 特性。另外峰值控制对噪声相当敏感，需要 很好的设计e m i 滤波。 ( 8 ) 平均电流控制( a c m c ) ：平均电流控制又被称为三角载波控制，其控制原 理是通过取样电感电流信号而非开关电流信号，与锯齿波信号相加与基准进行比较， 超过基准开关关断，小于基准开关导通。其特点是：t h d 小；开关频率固定，对噪 声不敏感；电感电流峰值与平均值问的误差小；瞬态特性好。但占空比变化会引起参 考电流与实际电流的误差变化，引起低次谐波震荡。 12 浙江大学硕士学位论文第一章 图1 1 0 平均电流法控制时b o o s t 电感电流波形图 ( 9 ) 电流滞环控制( h c c ) ：图1 1 1 为滞环控制时电感电流波形，k 为电感平均 电流。其控制原理为：设定滞环比较器的上下阀值( k 和n ) ，开关导通后电感 电流上升，达到上限阀值时开关关断电流下降，降到下限阀值时开关再次导通，如此 反复。所以由滞环控制产生的电感电流纹波大小是可以通过滞环宽度设定的，但其开 关函数是随机不规则的，不需要外加其它调制信号，可以获得很宽的电流频带宽度， 具有动态响应速度快，误差范围小，开关电流额定小，无需电流斜坡补偿等优点。其 主要缺点为：负载大小对开关频率的影响较大，输出滤波器要按照最低开关频率进行 设计，所以为了适应宽负载范围工作，滤波器体积和重量不可能按照最小设计。 l m i n n “ 图1 - 1 1 滞环法控制时b o o s t 电感电流波形图 ( 1 0 ) 预测电流控制洲：预测电流控制是利用输入电压、电流和输出电压采样，对 下一个开关周期的电感电流进行预测的控制。这种控制策略通过迫使输入电流在一个 采样周期内以最优特性跟踪参考电流，而实现输入电流的波形的校正。该策略的特点 是：开关频率固定，电流谐波小，动态性能好，数字控制实现简单易行。但为了得到 好的t h d 特性，需要较高的采样、开关频率以及大量的运算，频率过低会导致电流 的周期型误差。 一1 3 浙江大学硕士学位论文第一章 ( 1 1 ) 无差拍控制p “：误差拍控制是首先将输出参数进行取样划分，根据电路变量 在每一采样周期的起始值，来预测在关于周期对称方波脉冲作用下电路变量在周期末 尾时的值。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能不断调整得到最优输出。该方法属 于数字控制技术范畴，优点在于易于数字控制与执行、开关频率恒定、动态性能良好 等不足在于该策略对系统参数变化非常敏感。随着数字处理技术在功率因数校正技 术领域的广泛应用，该策略的应用正在普及。 ( 1 2 ) 滑模控制3 3 副1 ：滑模变结构控制对系统变化和外部干扰不敏感的适应了电力 电子变换电路的开关非线性特性，能够根据电路在工作中的不同运行状态，通过有效 的控制变换电路在不同工作状态的切换，以达到最优控制电路变换的目的，该策略动 态性能好且鲁棒性强。在a p f c 系统中，对于输入电流谐波低且稳态好要求，与输出 电压动态特性间存在矛盾关系，将应用滑模控制策略应用于a p f c 系统中，可以协调 这两种特性使输入电流满足的前提下，输出电压特性也能得到满足。 ( 1 3 ) 单周期控制3 ”引：单周控制( o n ec y c l ec o n t r 0 1 ) k m s m e d l e y 教授在上世 纪9 0 年代提出的一种非线性控制，基本思想是在使得受控变量的平均值在每个开关 周期都能够正比于甚至等于参考信号，所以能够达到抵制输入侧电源的扰动的目的， 理论上无静态和动态误差。该控制策略的优点在于动态响应快，开关频率恒定有利于 滤波器设计，电路无需乘法器实现简单，能够抑制电路输入端的干扰。但该策略需要 实现快速复位积分电路。 图1 1 2b o o s t 型a p f c 单周期控制电路原理图 其电路原理图如1 1 2 所示，其控制电路主要是由一个r s 触发器、一个可复位积 分器和比较器组成，无需乘法器，使控制电路的成本能够得到控制。单周期控制策略 一1 4 浙江大学硕士学位论文第一章 的基本原理可以应用到其它电路拓扑和其它各种电流型控制上，如输入电流整形技术、 非线性载波控制、电荷控制和准电荷技术等。 ( 1 4 ) 电荷控制及准电荷控制。4 1 。3 9 1 ：从形式上看电荷控制是电流型的单周期控制， 其控制思想是利用主辅开关对电容c 网络进行充放电控制，这样可以实现对开关的 电流量进行控制，使其在单个周期内达到期望值。准电荷控制也是一种电流型的单周 期控制，该策略是在电荷控制的基础上，用r c 网络代替电荷控制电路中的c 网络。 ( 1 5 ) 非线性载波技术及输入电流整形技术。4 1 。4 叭：非线性载波控制技术其控制的电 流可以为二极管电流、电感电流或者开关电流，从电路拓扑上讲非线性载波技术是在 电荷控制的基础上增加了一个外加的非线性补偿构成，增加了电路系统的稳定性。当 该策略工作在c c m 连续方式下时，系统稳定可靠；工作在d c m 断续方式下，系统 的小信号稳定，但会产生输入电流的畸变。输入电流整形技术检测二极管上的电流， 在形式上该策略是一种类似于非线性载波控制的方法，从控制的实质上讲该策略是平 均电流控制的一种反用，是假定变换器就是纯阻特性，电流信号是正弦的，并将电流 信号作为电压环基准与电压误差积分信号比较来控制开关管的通断。该策略控制简单， 利用平均电流控制芯片就可以实现功能。 ( 1 6 ) 单相无输入输出电压采样控制一”：该策略中，仅利用对输入电流的采样检测 就可实现对输入电压的控制调节，并且能够修正输入电流使其按照正弦跟踪输入电压 进行同相位变化。所以电流的采样检测信号要作为参考信号做比较的同时，还要利用 其变化率计算出输入输出电压大小。其原理是在b o o s t 电路中，开关管导通后电感电 流变化率与输入电压大小成正比，开关管关断后变化率与输入输出电压差值成正比。 该策略的特点是无需分压器，采用数字控制实现简单，控制电路和功率电路隔离。 由以上控制策略的例举可以看到，由于数字控制的发展，使得越来越多的复杂控 制得以实现，也使得数字控制p f c 逐渐成为研究的焦点，其相较于模拟控制的优点 有：1 ) 可以利用d s p 芯片的高处理能力实现d s p 控制器可以实现实时的，传统的 模拟方法不能实现的一些复杂控制算法，大大提高系统的性能；2 ) 通过快速傅立叶变 换( f f t ) 可以实现故障的诊断，通过获得系统变量的 频谱，故障可以在早期被发现； 3 ) 系统采用软件控制，容易实现系统的升级，智能化程度也能提高；4 ) 高性能的控制 算法可以减少电流纹波，同时减小滤波器的尺寸；5 ) 易实现系统单芯片控制，减少器 一1 5 浙江大学硕士学位论文第一章 件数量增加抗干扰能力；6 ) 不易受工作环境影响。 1 3b o o s tp f c 主要器件非理想特性的研究 目前国内外针对单相b o o s tp f c 电路元器件非理想特性的研究主要集中在以下几 个方面： 1 3 1 线路损耗的研究 开关电源中功率器件的损耗影响电路的可靠性和工作效率，从而影响其性能指标 4 2 4 3 1 。特别是在a p f c 电路中，二极管反向恢复电流不但对二极管本身造成损耗，而 且其反向电流流过开关管时会对开关管造成很大的导通损耗，并产生较大的e m i 干 扰。在典型b o o s t 电路的应用中，开关损耗主要集中快恢复二极管和开关管的损耗， 另外还包括电感器件的磁芯损耗和输入整流桥堆的损耗。根据开关工作方式这些损耗 又可划分为开通损耗，通态损耗和关断损耗三个部分，其中快恢复二极管反向恢复电 流造成的二极管关断损耗占总损耗比例最大，有时可达到5 0 以上，由于损耗带来的 热积累和温度漂移等效应都会对整机性能和可靠性造成影响。目前对这三部分损耗的 数学计算模型建立、分析和证明已经相对完善，并通过采用饱和电感或零电压过渡 ( z v t ) 等软开关技术来降低开关非理想特性带来的损耗。 1 3 2b o o s t 开关管和二极管的结电容特性 在b o o s t 电路工作在d c m 或b c m 方式下时，电感电流归零后，由于输入和输 出电压存在压差，导致开关器件的寄生电容和b o o s t 电感等储能元件在此压差下发生 谐振，进行能量的交换，这一谐振过程影响到了b o o s t p f c 输入电流的谐波畸变，同 时也影响到了二极管在关断时和开关管导通时的电压v d s 。 针对开关器件这一非理想特性，有学者提出了缓冲器设计来减少谐振电流带来的 谐波畸变4 4 1 ，在电感后端、与开关管并联一个r c d 或r c 缓冲器来吸收谐振能量， 通过选择参数合适的r 和c 使谐振电流在最短时间内衰减到零。与此种方法类似的 设计有4 5 1 ，在连续模式下在开关的漏极前加入复合有源箝位系统( 辅助开关和电容串 联在与电感并联) ，复合有源箝位系统可以有效地减少二极管的反向恢复引起的损耗， 实现主辅开关的z v s ，消除二极管寄生电容和谐振电感的震荡。针对谐振时v o s 电压 也会发生震荡的特性，有学者提出临界模式下开关管在电压低点开通( 谷底开通) 的 16 浙江大学硕士学位论文第一章 软启动设计蝤1 ，有效减少了开关管的损耗针对二极管的反向恢复特性，有学者提出 在连续模式下，应用电流反向恢复特性好的肖特基二极管和电特性好的新型s i c 二极 管1 0 1 ，其导通电阻小、反向恢复电流小，可以有效减少开关损耗以及反向电流产生的 e m i 噪声。 1 3 3 整流桥堆和输入滤波电容的电压箝位特性 b o o s tp f c 电路的输入部分通常采用的是不控桥式整流电