（电力电子与电力传动专业论文）单相buck型功率因数校正变换器研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n e wr e g u l a t i o n sa n df u t u r es t a n d a r d sh i g h l i g h tt h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p f c c o n v e r t e r sa s ab a s i cr e q u i r e m e n tf o rs w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l i e s t h e e s s e n t i a lo fp f ct e c h n i q u ei sf o r c i n gt h ei n p u tc u r r e n tt of o l l o wt h ei n p u tv o l t a g et h a t r e s u l t si nan e a ru n i t yp o w e rf a c t o r t h e r e f o r e t h i sp a p e ri sc o n c e r n e dw i t ht h e s t u d y i n go ft h ep f cc o n v e r t e r sa n dt h e i rc o n t r o l l e dm e t h o d s m a n yc o n v e r t e rt o p o l o g i e sh a v e b e e np r o p o s e d w h i c hp r o v i d ea l m o s tu n i t y p o w e r f a c t o rl i n ec u r r e n t b o o s tp f cc o n v e r t e rp e r f o r m st h ea d v a n t a g eo fp e r f e c tp f c s u c ha st h ec o n t i n u o u sc u r r e n ta n dt h ea b i l i t yt os h a p et h ei n p u tc u r r e n tt ot r a c et h e i n p u tv o l t a g e h o w e v e r t h e r ei s l i t t l e r e s e a r c ho nb u c kp f cc o n v e r t e rf o ri t s h a r m o n i cd i s t o r t i o no fi n p u tc u r r e n t an e ws i n g l ep h a s eb u c k t y p ep f cc o n v e r t e r t o p o l o g ya n di t sc o n t r o l l e dm e t h o d w h i c hc a nd e c r e a s et h eh a r m o n i cd i s t o r t i o na n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c ye f f e c t i v e l y a r ep r o p o s e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s f i r s t l y t h i st h e s i sg i v e saw h o l er e v i e w i n go ft h ee x i s t i n gp f cc o n v e r t e r s i n c l u d i n gt h e i ra d v a n t a g e d i s a d v a n t a g ea n da p p l i c a t i o n sb a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s o ft h e t o p o l o g i e s o p e r a t i n gp r i n c i p l e s a n dd e c r e a s i n gt h e i rh a r m o n i c d i s t o r t i o n s e c o n d l y t h et r a d i t i o n a lb u c kp f cc o n v e r t e r sa tc o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e c c m a n dd 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 a r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h e n i ti ss h o w nt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h eb u c kp f cc o n v e r t e ra n dt h eb o o s t p f cc o n v e r t e ro p e r a t ei nd c mb a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f t h e m t h i r d l y an o v e ls i n g l ep h a s eb u c k t y p ep f cc o n v e r t e rt o p o l o g y w h i c ha p p l i e s d i r e c tp o w e rt r a n s f e r d p t a n dt w o i n p u tb u c kc o n v e r t e r i sp r o p o s e db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a lb u c kp f c c o n v e r t e r sa n dt h e i rh a r m o n i cd i s t o r t i o no fi n p u t c u r r e n t a n dt h e r ei sag o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n to ft h e n e wc o n v e r t e r i nt h ee n d s o m ea d v a n c e dt e c h n i q u e sf o r s i n g l ep h a s eb u c k t y p ep f c c o n v e r t e r s t o p o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d k e y w o r d p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p f c b u c k t y p ep f cc o n v e r t e r c o n t i n u e c o n d u c t i o nm o d e c c m d i s c o n t i n u ec o n d u c t i o nm o d e d c m d i r e c tp o w e r t r a n s f e r d p t t w oi n p u t b u c kc o n v e r t e r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担 作者签名 王亚休日期 2 0 0 5 年6 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权华南理工大学可以将本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 和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上相应方框内打 4 作者签名 互亚脊 刷醛轹 貉鳓 日期 2 0 0 5 年5 月3 0 日 日期 2 0 0 5 年5 月3 0 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 功率因数校正技术概述h 3 2 0 世纪8 0 年代中后期 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 o n t e c h n i q u e 已发展成为电力电子学一个热门的研究方向 引起了国内外许多学者 的重视 进行了许多专门的研究 并取得了大量的成果 这些成果主要集中在原 理方法 电路拓扑和控制技术等方面 1 1 1a c d c 变换器输入电流的谐波分量 id t ii h 兰 c r i i i 珥 ii q 五 图l 一1 全桥整流滤波电路 a 原理图 b 仿真图 上图为输入电压和电流 下图为输出电压 f i g 1 1d i o d eb r i d g er e c t i f i e r a s c h e m a t i c b l i n ev o l t a g ea n dl i n ec u r r e n ts i m u l a t i o n w a v e f o r m u p p e rp l o t a n do u t p u tv o l t a g e t o w e rp l o t 从交流电网经输入整流滤波后供给直流电子负载是电力电子技术及电子仪器 中应用极为广泛的一种基本变流技术 2 电子设备的整流部分通常采用二极管桥 式整流和电解电容进行输入滤波 从而得到一个较为平滑的直流电压 如图1 1 所示 由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用 只有在输入电压大于储 能电容的电压时 才有输入电流 扶而使得输入电流 即滤波电容的充电电流 成为一个时间很短 峰值很高的周期性尖峰电流 导致电源的输入功率因数很低 大约为0 6 对这个畸变的输入电流进行傅立叶分析可知 它除含有基波外 还含有大量的高次谐波分量 这对电网产生了谐波污染 会造成严重的危害 3 1 一方面谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压 原来是正弦波 发生畸 华南理工大学硕士学位论文 变 称之为二次效应 影响各种电气设备的正常工作 另一方面 谐波会造成 输电线路故障 使变电设备损坏 它还会干扰其他用电设备 引起仪器仪表和保 护装置的误测量 误动作 随着用电设备的日益增多 谐波污染问题引起了越来 越广泛的关注 1 1 2 功率因数和输入电流总谐波畸变率的基本定义h 3 在电工原理中 线性电路的功率因数通常用c o s o r 表示 其中口为正弦电压与 正弦电流的相角差 由于整流滤波电路中二极管的非线性和输出滤波电容的储能 作用 尽管输入电压为正弦波 但输入电流却发生了畸变 为非正弦波 所以在 a c d c 变换器中功率因数 p f 用输入有功功率与输入视在功率的比值来表示 即 阡 橥 上 1 1 一视在功率 j 在a c d c 变换器中总输入电流有效值定义为 i 4 1 l 1 2 二 f 二 1 2 式中 是指n 次谐波的有效值 假设输入交流电压为正弦波 输入电流为非正弦波 功率因数定义为 p f 生宰 粤c o s 口 k a k 1 3 v l i 式中 为输入电压有效值 口为输入基波电流和输入电压之间的相移角 定义畸变因数k 为 上竺 旦 1 4 一 相移因数k 为 k 口 c o s o t 1 5 即功率因数为畸变因数与相移因数的乘积 定义总谐波畸变 t h d 为 册 型 羔二鱼 0 0 1 6 m m k 和t h d 之间的关系为 2 第一章绪论 即 刀可d 2 再面1 乒圳 1 7 1 8 如果输入电流基波分量和输入电压同相位 即相移因数k c o s o 1 p f 即 为k 由此可推出p f 和删d 之间的关系为 咆2 丽1 f 1 u n 7 矗1 穰 珂 妇 1 七口 1 c 1 屹 l 1 9 b k a 1 j k l d 1 k 1 图1 2 各种输入电压和电流对应的k d 和k f i g 1 2i n p u tv o l t a g ea n di n p u tc u r r e n tw a v e f o r m sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gk da n d k g 图1 2 为各种输入电压和电流对应的k 和k a 中电流波形同输入电压之 间既有相移又有失真 k d 1 所以p f 1 b 中虽然女 1 但k d 1 所以还是 p f l c 中虽然k d 1 但七 l 所以p 图1 3 无源p f c 电路 a 原理图 b 输入电压和电流的仿真图 v i 2 2 0 v r l l i r 5 0 0 c f 4 7 0 u f l a 1 3 0 m h f i g 1 3p a s s i v ep f cr e c t i f i e r a s c h e m a t i c b l i n ev o l t a g ea n dl i n ec u r r e n ts i m u l a t i o nw a v e f o r m v i 2 2 0 v r 5 0 0 c f 4 7 0 u f l 1 3 0 m h 无源p f c 技术的主要优点是 高效 高可靠度 e m i 小 低价格 主要缺点 是 滤波电感和滤波电容的容量较大 因此体积较大 较重 而且难以得到高的 功率因数 一般为0 9 左右 抑制输入电流谐波的效果不是很好 此外 滤波 电容上的电压是后级d c d c 变换器的输入电压 它随输入交流电压和输出负载 的变化而变化 这个变化的电压影响了d c d c 变换器的性能 如果电源对保持 时间 h o l d u pt i m e 有要求 由于电容电压的变化范围大或当电网掉电时 就需 要增加电容c f 的容值来满足其保持时间的要求 由于无源p f c 技术通常采用低频电感和电容来进行输入滤波 工作性能与频 率 负载变化及输入电压变化均有关 因此它较适用于功率小于3 0 0 w 体积和 重量要求不高 对价格敏感的应用中 4 蕊 一 一卜蟛一 一y 乙 鼍 鼍 醇 一 0 第一章绪论 1 2 1 2 填谷无源功率因数校正技术 填谷无源功率因数校正技术是由电容和二极管网络构成的 如图1 4 所 示 当输入电压高于电容c l 和c 2 上的电压之和时 两个电容就处于串连充电状 态 当输入电压低于两个电容电压之和时 两个电容就处于并联放电状态 由于 电容二极管网络的串并联状态的改变 增大了整流桥二极管的导通角 从而使输 入电流的波形得到改善 q ji q h i 浮 5 现 j d l i 珥 j d t c 1 1 7 i j 7 1 j 怼 f r 蟛季 j 5 w 一 一 i j 厂 j j j 1 如吖 j 一一 一 j j o 2 h2 3 h b 图l 一4 填谷无源功率因数校正电路 a 原理图 b 仿真图 上图为输入电压和电流 b 图 为输出电压 v i 2 2 0 v r m p 2 0 0 w c 1 c 2 4 7 0 u f f i g 1 4v a l l e y f i l lr e c t i f i e r a s c h m e t i c b l i n ev o t a g ea n dl i n ec u r r e n ts i m u l a t i o nw a v e f o r m u p p e rp l o t a n do u t p u tv o l t a g es i m u l a t i o nw a v e f o r m 1 0 w e rp l o t v i 2 2 0 v p 2 0 0 w c j c 2 4 7 0 u f 1 2 2 有源功率校正技术 有源功率因数校正技术中 按电网供电方式可分为单相p f c 电路和三相p f c 电路 按控制模式可分为电流连续模式 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 电流断续模式 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 和电流临界断续模式 d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nb o u n d a r ym o d e d c b m 按电路结构分为单级p f c 模式和两级p f c 模式 按开关模式分为硬开关模式和软开关模式 下面从电路结构上对有源功率因数校正技术加以分析和比较 1 2 2 1 两级功率因数校正技术 目前相对比较成熟且常用的是两级p f c 技术 7 l 两级p f c 技术是由两个相 互独立的变换器分别实现输入电流的整形和输出电压的快速调节 p f c 级通常采 用b o o s t 型变换器实现功率因数校正 两级之间有一个储能电容 既作为前级的 输出又作为后级d c d c 变换器的输入 储能电容电压经过后级d c d c 变换器的 隔离和变换 从而实现对输出电压的快速调节 得到稳定的直流输出电压 5 华南理工大学硕士学位论文 图1 5b 是两级变换器的输入电压 输入电流和占空比在半个工频周期的变 化波形 p f c 级的占空比随输入电压的变化 最大可为 迫使输入电流跟随输 入电压 使输入电流正弦化 稳态工作时 d c i d c 变换器输入输出电压恒定 所 以d c d c 变换器的占空比也基本不变 a m 么 k 弋夕7 j 限 b 图1 5 两级p f c 变换器 a 原理框图 b 输入电压 电流 占空比 f i g 1 5t w o s t a g ep f cc o n v e r t e r a s c h m e t i c b t h ew a v e f o r mo fl i n ev o l t a g e l i n ec u r r e n ta n dd u t yc y c l e 两级p f c 技术具有优良的性能 输入电流的t h d 一般小于5 功率因数 可高达0 9 9 以上 由于储能电容电压相对恒定 所以可以优化后级的d c d c 变 换器 该技术通常工作在c c m 模式 常应用在精密电源以及大功率电源中 1 2 2 2 单级功率因数校正技术 两级p f c 技术虽然具有低t h d 高p f 低e m i 适用于各种功率范围等众 多优点 但在小功率应用中 却存在着电路复杂 成本高等缺点 这样单级p f c 技术就孕育而生 图1 6a 示出了单级p f c 技术的原理块图 它是把p f c 级和d c d c 级集 成在一起 其目的是要简化a c d c 变换器复杂的电路来降低成本 单级p f c a c d c 变换器使p f c 级和d c d c 级共用一个功率开关管 一套控制电路控制其 输出电压 9 1 在p f c 级和d c d c 级之间用一个储能电容来存储输入和输出瞬时 功率不平衡的能量 在电路稳态工作时 占空比在半个工频周期内基本不变 而 在脉宽调制 p w m 控制中 如果占空比在半个工频周期保持相对稳定 工作在 不连续导电模式 d c m 的b o o s t 电路就具有p f c 功能 可以得到较高的功率因 6 第一章绪论 数 并使得输入电流的谐波失真更小 因此单级p f c 技术不仅能够整形输入电流 使电流谐波含量满足c l a s sd 的国际标准 同时还能对输出电压进行快速调节 它的输入电压 输入电流和占空比在半个工频周期内变化的波形如图1 6b 所示 手蚀一 蔗 户m 夕7 d l c 酏 d p 皑1 图1 6 单级p f c 变换器 a 原理框图 b 输入电压 电流 占空比 f i g 1 6s i n g l e s t a g ep f cc o n v e r t e r a s c h m e t i c b t h ew a v e f o r mo fl i n ev o l t a g e l i n ec u r r e n ta n dd u t yc y c l e 1 3 功率因数校正方案比较 表1 1 三种p f c 方案各项性能比较 无源p f c 方案两级p f c 方案单级p f c 方案 一 t h d 晶低中 p f 低高 由 一 效率向中低 体积 由 大小 重量重轻轻 储能电容电压变化恒定变化 控制简单复杂简单 器件数量少多 由 功率范围 2 0 0 3 0 0 w宽 2 0 0 3 0 0 w 设计难度简单复杂中 7 华南理工大学硕士学位论文 通过以上的分析 现将无源p f c 两级p f c 和单级p f c 三种方案进行比较 如表1 1 所示嘲 1 4 本文内容安排 本文从研究p f c 基本理论入手 着重分析了b u c k 电路用作功率因数校正变 换器的理论 并在直接功率传输原理和双输入b u c k 变换器原理的基础上 提出 了一种新的b u c kp f c 变换器结构 并从理论和实验上验证这种新的b u c kp f c 变换器的工作性能 本文的研究内容主要包括如下四部分 第一部分分析了国内外p f c 技术的发展状况 通过对无源p f c 技术 有源 两级p f c 技术和有源单级p f c 技术在拓扑结构 工作原理和实现电流谐波抑制 等方面系统的分析和比较 得出了它们各自拓扑电路的优缺点及其应用场合 第二部分对b u c k 变换器工作于d c m 模式和c c m 模式进行了深入的理论分 析和推倒 并对工作于d c m 模式的b u c k p f c 和b o o s tp f c 变换器进行了分析和 比较 总结了他们各自的优缺点 第三部分针对于典型的b u c kp f c 变换器固有的输入电流畸变 提出了一种 新的变换器拓扑 并把直接功率传输原理和双输入b u c k 变换器理论应用到这个 新拓扑中 通过详细的分析 推倒 仿真和实验 提出了一种相应的控制方法 验证该新拓扑的性能 进而改善了b u c k 变换器用作功率因数校正变换器的性能 第四部分提出了该新拓扑所派生出的一系列单相b u c k 型p f c 变换器的拓扑 结构 最后对本文的研究进行了总结 并对这个新的b u c kp f c 变换器存在的问题 进行了分析 特别是对这个新拓扑更深入的研究作了展望 希望能对b u c k 电路 用作功率因数校正技术的发展有所贡献 第二章基于b u c k 电路的p f c 变换器 第二章基于b u c k 电路的p f c 变换器 b o o s t 型功率因数校正变换器因其具有独特的优点被广泛研究和应用 而 b u c k 型功率因数校正变换器因其固有的谐波失真和输入电流的高谐波量 研究和 应用的都相对较少 本章对b u c k 电路的功率因数校正变换器进行了理论分析和 研究 通过不同的反馈控制方式 1 2 1 5 可达到接近1 的功率因数 同b o o s t 电路功 率因数校正变换器相同 b u c k 电路的功率因数校正变换器通常也有两种基本的工 作模式 c c m 和d c m 2 1 基于c c m 有正弦参考电流的乘法器型b u c kp f c 变换器 明 在这种工作模式下 一个开关周期中电感电流不能下降为零且电感总要存储 能量 通过适当的控制来连续地改变开关的占空比 从而使在整个工频周期内电 感上的伏一秒积平衡 图2 l 基于c c m 有正弦参考电流的乘法器型b u c k p f c 变换器 f i g 2 1b u c kp f cc o n v e r t e ro p e r a t i n gi nc c mw i t hs i n ec u r r e n tr e f e r e n c ea n dm u l t i p l i e rc o n t r o l 图2 1 所示为工作于c c m 的有正弦参考电流的乘法器型b u c kp f c 变换 9 华南理工大学硕士学位论文 器 这种控制方式需要两个控制环 低带宽的外环控制p f c 级的输出电压使其稳 定 高带宽的内环控制平均输入电流 通过调整开关的占空比迫使平均输入电流 跟随输入电压 从而实现功率因数校正 平均输入电流的波形如图2 2 所示 图2 2 基于c c m 有正弦参考电流的乘法器型b u c kp f c 变换器的平均输入电流波形 f i g 2 2t h ew a v e f o r mo fi n p u tc u r r e n tf o rb u c kp f cc o n v e r t e ro p e r a t i n gi nc c m w i t hs i n ec u r r e n tr e f e r e n c ea n dm u l t i p l i e rc o n t r o l 2 2 基于d c m 的电压跟随器型b u c kp f c 变换器肺f 8 3 工作于d c m 模式的b u c k 变换器在进行功率因数校正时 其输入电流有明 显的畸变 下面通过这种变换器工作在d c m 和c c m 的临界条件来分析d c m 的 b u c kp f c 变换器 对d c d c 变换器来说 获得其d c m 和c c m 临界条件是很容易 然而 在p f c 电路中获得其i 临界条件并不是一件容易的事 文献 1 9 1 对这个问题进行了研究 其研究的基础是假定输入功率因数为1 这给求解临界条件带来了很大的方便 但得出的结论有很大的近似性 本节将利用线性化模型 从能量平衡的观点研究 b u c k 变换器用于功率因数校正时工作在d c m 和c c m 的临界条件 2 2 1 电路结构和工作状态 图2 3 为工作在d c m 的电压跟随器型b u c k p f c 电路 电感l 和电容c 起高频滤波作用 为了简化分析 我们假定 a 电路工作在稳定状态 b 所有元件是理想的 c 输出电容c d 足够大 保证输出电压稳定 d 开关频率较输入电压频率高的多 因此在一个开关周期内输入电压不变 1 0 第二章基于b u c k 电路的p f c 变换器 图2 3 基于d c m 的电压跟随器型b u c kp f c 变换器 f i g 2 3b u c kp f cc o n v e r t e ro p e r a t e si nd c m w i t hv o l t a g ef o l l o w e rc o n t r o l 图2 4 基于d c m 的电压跟随器型b u c kp f c 变换器的工作状态 f i g 2 4t h eo p e r a t i n gm o d e sf o rb u c kp f cc o n v e r t e ro p e r a t e si nd c m w i t hv o l t a g ef o l l o w e rc o n t r o l 在每个开关周期内 电路可以看成b u c kd c d c 变换器 如图2 4 a 所示 输入电压经整流后成为1 0 0 h z 的脉动直流电压 当整流后的电压瞬时值小于输出 电压 时 开关s 总处于截止状态 电感l 上无电流 而当整流后的电压瞬时值 大于输出电压k 时 变换器进入正常工作状态 功率开关s 频繁处于导通和截止 的交替过程中 此时电路有三个工作状态 分别示于图2 4 b c 和d 状态i 开关s 导通 电源给电感l 电容g 负载碍提供能量 电感 上 的电流t 线性增加 输出电容c o 上的电压 保持不变 状态i i 开关s 断开 电感 上储存的能量向负载释放 电感电流i 线性减小 卿口 华南理工大学硕士学位论文 到零 图2 5 基于d c m 的电压跟随器型b u c kp f c 变换器的开关和电感上的电流和电压波形 f i g 2 5t h ec u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m si nt h es w i t c ha n dt h eo u t p u ti n d u c t o r 状态i i i 负载仅由电容c o 提供能量 在一个开关周期内 上述三个状态下 流过开关s 的电流i s 和流过电感l 的电 流i l 以及开关s 两端的电压k 电感l 两端的电压屹的波形如图2 5 所示 2 2 2 临界条件 b u c k 变换器工作在d c m 方式下 当开关s 导通时 流过开关s 的电流等于流 过电感l 的电流 即 归 讹f 掣o o f d 2 一1 3 这个平均值是由图2 3 中的电感l i 和电容c 构成的低通滤波器实现的 因 此 可以得出其输入功率因数为 p f 1 一s i n d 一丝 巫 2 1 4 可见 对于工作在d c m 的电压跟随器型b u c kp f c 变换器 其输入功率因 数仅与开关的占空比d 有关 由以上分析可知 工作在d c m 的电压跟随器型b u c kp f c 变换器正常工作 时输入电流自动跟随输入电压 相位失调对功率因数的影响极小 因此输入功率 因数的下降则主要是由于当整流输入电压小于输出电压时 变换器未工作而引起 的输入电流波形失真所造成的 所以 由公式 2 1 4 可得推论 输入电流的波 形畸变是影响功率因数迸一步提高的根本原因 且仅与开关占空比有关 在半个工频周期内 平均输入电流为 去 章觯胁舞 州争 俐 2 1 5 i n 一w2 素4 垃 f 疵3 号意 2 v k s 詈 一 龙 平均输入电流的波形如图2 7 所示 图2 7 基丁d c m 的电压跟随器型b u c kp f c 变换器的平均输入电流波形 f i g 2 7t 1 l ew a v e f o r mo ft h ea v e r a g ei n p u tc o g e n tf o rb u c kp f cc o n v e r t e ro p e r a t i n gi nd c m w i t hv o l t a g ef o l l o w e rc o n t r o l 2 2 4d c mb u c kp f c 变换器和d c mb o o s tp f c 变换器比较n 2 2 1 对工作于d c m 的b u c kp f c 变换器和d c m 的b o o s tp f c 变换器进行比较 图2 8 示出了这两种变换器的原理图及其相应的波形 4 第二章基t b u c k 电路的p f c 变换器 a r 一t d r 岛t 疋 爪 朋 t 幄一j 如 工 b 图2 8a d c m 的b u c kp f c 变换器及其波形 b d c m 的b o o s tp f c 变换器及其波形 f i g 2 8a b u c kp f cc o n v e r t e ro p e r a t i n gi nd c ma n di t sw a v e f o r m b b o o s tp f cc o n v e r t e ro p e r a t i n gi nd c ma n di t sw a v e f o r m 通过表2 1 的比较 b o o s t 变换器是一个升压变换器 输出电压总是高于输 入电压的峰值 因此在整个工频周期内 输入电流都不存在输入电压过零时的交 越失真问题 由于b o o s t 电感是串接在输入端的 故其输入电流的高频谐波含量 也较b u c k 型的小 这些都使得b o o s t 变换器广泛的应用为p f c 变换器 但b u c k 变换器也有其自身的优点 b u c kp f c 变换器可以避免b o o s tp f c 变换器启动阶 段时冲击电流的问题 b u c k 变换器可以提供一个低的输出电压 而b o o s t 变换器 要通过一个带变压器的d c d c 变换器才能得到低输出电压 15 华南理工大学硕士学位论文 表2 1d c m 的b u c kp f c 变换器和d c m 的b o o s tp f c 变换器的比较 d c mb u c kp f cc o n v e r t e rd c mb o o s tp f cc o n v e r t e r 输入输出电压变 比掰 l m 蔓 输入阻抗 似 蔫卜半 r 2 去 一c r 2 d 等 1 l v 2 vs i n t o l t 魄f 0 万 眯c 一咖一咖鲁 t h d 大小 p f 低 p f 随m 的减小而提高高 p f 随肘的增大而提高 交越失真 当 c o l t o 口 和c o l t 万一d 石 时无 产生交越失真 开关器件的电压小 大 应力 效率较高较低 2 3 本章小结 本章从研究b u c k 电路作为功率因数校正变换器的工作模式出发 从理论上 分析了b u c kp f c 变换器的基本原理 并对工作于d c m 模式的b u c k 和b o o s t 变 换器进行了分析和比较 得出了其各自的优缺点 从而为第三章研究的新的b u c k 型p f c 变换器做了理论的准备 16 第三章基于直接功率传输和双输入b n c k 变换器原理 构成的b u c kp f c 变换器 第三章基于直接功率传输和双输入b u c k 变换器原理 构成的b u c kp f c 变换器 由于典型的b u c kp f c 变换器固有的输入电流畸变失真 使得其不仅功率因 数较低 而且输入电流的谐波量也较大 从而使得b u c k 电路很少用作功率因数 校正变换器 双输入b u c k 电路可以明显改善甚至消除典型的b u c kp f c 电路交越 失真所产生的死区 具有直接功率传输的变换器可以把一部分输入功率直接传输 到输出端 提高变换器的效率 本章就是把这两个原理应用到典型的b u c k p f c 变 换器中 改善其性能 3 1 直接功率转换原理 一般具有p f c 功能的a c d c 变换器 通常会有两个功率模块 p f c 模块和 d c d c 模块 输入功率先经过p f c 模块传递到储能电容c 口上 然后再经过 d c d c 模块的传输 得到稳定的直流输出 这样输入功率被传递了两次才到达输 出 如图3 一la 所示 如果p f c 模块和d c d c 模块的效率分别是口l 和r 2 则a c d c 变换器的效率为 卵 矾 3 1 a b 图3 1 变换器的功率流向图 a 通常变换器的功率流向图 b 直接功率转换变换器的功率流向 f i g 3 1 p o w e rf l o wo fc o n v e r t e r a p o w e rf l o wo ft r a d i t i o n a lc o n v e r t e r b p o w e rf l o wo fc o n v e r t e rw i t hd p t 如果把输入功率分为两部分 让其中一部分输入功率不经过储能电容c 只 经过一次功率转换就直接传输到输出端 而另一部分输入功率则先储存在p f c 模 17 华南理工大学硕士学位论文 块的储能电容c b 中 后经d c d c 模块输出 如图3 1b 所示 这样就可以获得较 高的效率 如果k 表示输入功率的直接转换部分 1 k 代表其剩余的需经重复 转换功率的部分 那么 r r l k r 1 r 2r 1 一k r r 2 k r ir 1 一r h 3 2 由 3 一1 和 3 2 式可知 直接功率转换的a c d c 变换器的效率比通常的a c d c 变换器的效率提高了k 臻 1 一玑 3 2 双输入b u c k 变换器工作原理瞳列 通过改变基本的b u c kp f c 变换器的拓扑 2 6 2 7 可以减小或消除典型b u c k p f c 变换器输入电流的死区 基于这个目的 本文提出了一种新的拓扑一双输入 b u c k 变换器 图3 2 a 所示为双输入b u c k 变换器拓扑 两个输入电压源v l 和v 2 分别通过 两个开关s 和s 连接到输出电感l 和二极管d 的节点 其实质上是在一个典型 b u c k 变换器的输入端加了一个开关s 2 和输入电压源v 2 通过图3 2 b 3 2 c 和 3 2 d 可以更好的理解双输入b u c k 变换器的工作原理 在一个开关周期中 它有三种工作状态 假设v v o 1 当v k v o 时 在单输入的b c u k 变换器中 电感电流的波形通常是三 角波 而双输入的b u c k 变换器在一个开关周期中 两个开关分时工作 不同时 导通 除非这两个开关都分别串联了一只二极管 在 0 t i 时间段内 开关s i 处于开通状态 而开关s 2 处于关断状态 电压v 1 通过开关s 1 加到二极管d 1 和 输出滤波电感l 1 输出滤波电容c l 上 故二极管d 1 截止 由于输出电压v o 保 持不变 电感电流i l t 线性增长 其增长的斜率由电感值l 和其上的电压差值决 1 定 即 吖一 在时刻t l 关断开关s 1 同时开通开关s 2 在时问 t l t 2 段内 上1 开关s z 处于开通状态 而开关s 1 处于关断状态 电感电流增长的斜率由于输入 1 电压v 2 小于输入电压v 1 而减小 其增长的斜率为 k v o 在时刻t 2 关断开 上1 关s 2 在时间段 t 2 t 3 内 开关s l 和s 2 都处于关断状态 电感电流通过二极管d 1 续流 以保证电感l 1 上的伏一秒积平衡 此时加在电感l i 上的电压为一k 电 1 感电流斜率线性减小 即一二 厶 2 当v l k v o 时 这种情况与第一种情况相似 但在时间段 t l t 2 内 当开 关s 2 处于开通状态 开关s l 处于关断状态时 由于k v o 输出滤波电感l l 电流 的斜率为零 电感l 电流保持不变 18 第三章基于直接功率传输和双输入b u c k 变换器原理 构成的b u c kp f c 变换器 3 当k o 时 这种情况下 在时间段 t 1 t a 1 勾 由于 电感电 流l 的斜率已经开始下降 即一击 k 一 但此时电感l 电流的下降斜率比在 时间段 t 2 t 3 内下降的斜率小 v i v 2 吃1 a v o 蠡岛岛 b 颤玲 6 c d 图3 2 双输入b u c k 变换器及其三种工作状态下的相应波形 a 双输入b u c k 变换器 b k k c k k d k f i g 3 2t w o i n p u tb u c kc o n v e r t e ra n di t sw a v e f o r m s a 双输入b u c k 变换器 b k k v o c k k v o d k v o k 显而易见 在这种方式下 具有双输入的b u c k 变换器对于某一输入电压小 于输出电压的情况非常有用 由此 我们可以把双输入的b u c k 变换器用于其输 入电压之一 例如电压v 2 是全波整流的功率因数校正变换器中 只要另一个输 入电压 例如电压v 1 高于输出电压 在一个开关周期内 开关s 先于开关s 2 导通 输出滤波电感l 就被先充电 以至于当全波整流的输入电压的瞬时值低于 输出电压时 双输入的b u c k 变换器仍能传输输入功率 电流 到输出 因此可 以明显减小甚至消除典型b u c kp f c 变换器固有的谐波失真 提高变换器的功率 l9 华南理工人学硕士学位论文 因数 3 3 基于直接功率传输和双输入b u c k 变换器原理构成的b u c kp f c 变换器 3 3 1 拓扑结构 图3 3 所示为具有直接功率传输和双输入b u c k 变换器构成的单相b u c k 型 功率因数校正变换器拓扑 它包括一个b u c k 型的主功率回路和一个辅助电路 b u c k 型的主功率回路由开关s l 电感l 3 电容c 3 二极管d 6 构成 而开关s l 和s 2 电感l 3 电容c 3 和二极管d 6 构成了双输入b u c k 变换器电路 实质上 这个拓扑是由三个b u c k 电路构成的 当整流后的输入电压h 大于储能电容c 2 的 电压k 时 由开关s l 电感l 2 电容c 2 和二极管d 3 构成的b u c k 变换器能够把 部分输入功率以能量的形式存储在储能电容c 2 中 剩余的输入功率直接传输到输 出 而另一个由电容c 2 和c 3 开关s 2 电感l 3 二极管d 6 构成的b u c k 电路能 够从储能电容c 2 中以电流的形式为输出提供能量 d 1 s 1d 5 l 1 1 半d 2 i i 口 2 i 千 3 基于直接功率传输和双输入b u c k 变换器原理构成的b u c k 型 数校止变换器原理图 3 3 t h p r p o s e dn o e lb u k t y p ep f c o v e r t e r 1 节和3 2 节的分析可知 双输入b u c k 的变换器能够减小甚至消除b u c k 变固有的谐波失真 提高变换器的功率因数 但其中一个输入电压在 个工 频内必须都大于输出电压 在这个拓扑中 可以使储能电容c2的电压k 大 于电压vo 当开关sl开通时 输入能量同时传递给电感l2和电感l3 当开 关关断时 电感l2和l3中存储的能量分别传递给储能电容c2和输出滤波电容2 第三章基于直接功率传输和双输入b u c k 变换器原理 构成的b u c kp f c 变换器 c 3 以维持两电容上的电压不变 由于主功率b u c k 变换器和辅助电路中的由开 关s 1 电感l 2 电容c 2 和二极管d 3 构成的一个b u c k 变换器公用一个开关s l 要使储能电容c 2 的电压k 大于输出电压v o 就必须使电感l 2 在一个工频周期内 都工作于d c m 模式 可以通过设计电感l 2 的值和储能电容c 2