（电力电子与电力传动专业论文）apfc数字控制技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t n o w a d a y sa p f c a c t i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n p l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d i t i su s e di nm a n y a p p li c a t i o n s d u r i n g t h e1 a s t d e c a d e t h e r eh a sb e i n ga1 a r g e i n t e r e s ti na p f c b u tt h et r a d it i o n a la n a l o g c o n t r o la p f ch a ss o m e s h o r t c o m in g t h ed ig it a l c o n t r o la p f cb e c o m e sar e s e a r c h h o t s p o tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a l c o n t r o lt e c h n i q u e t h i st h e s i ss u m s u p t h em a i nc h a r a c t e r s o fa p f c t e c h n o l o g y a n a l y z e st h em e a n sa n db a s a lt h e o r yo fa l 1k i n d so fa p f c t e c h n o l o g i e sa n di 1 1 u s t r a t e st h en e c e s s a r ya n di m p o r t a n c eo f t h e d i g i t a la p f c s t u d i e st h ew o r kp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g yo ft h e b o o s tp f cc i r c u i t d e s i g n sad i g i t a lb o o s tp f cc o n v e r t e r t h i s c o n v e r t e rw o r k si na v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm e a n sb a s e do ns i 8 2 5 0 a d o p t sc u r r e n ta n dv o l t a g e d o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o la n d p i d c o n t r o la l g o r i t h m t h ec o n t r o lo fa p f ci sd i g i t a lc o n t r 0 1 t h e s o f t w a r es y s t e m c o n s i s to 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 h c o n t a i n e ds o m em o d u l e st or e a li z ei n d e p e n d e n tf u n c t i o n s s u c ha s i n i t i a li z a t i o nm o d u l e s o f t s t a r tm o d u l ea n ds a m p li n ga l g o r i t h m m o d u l e e t c u n d e rc o n n e c t i o no ft h em a i np r o g r a m t h e s em o d u l e s r e a l i z ea ni n t e g r a t e ds y s t e m w h i c hi sb r i e f t h ed i g i t a l c o n t r o l t e c h n i q u eb r i n g st h ea d v a n t a g e so fs i m p l ec i r c u i t i m m u n i t y t o n o is e hig hr e lia bilit ya n dd e b u ge x p e d ie n tly s oitise a s yt o u p d a t es y s t e m w i t hi m m o v a b l ec i r c u i tt o s a t i s f y t h en e e do f v a r i a t i o n a lc 1i e n t s a 1l d e s i g nt h o u g h t sa n dt h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ev e r i f i e db y e m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t t h e o r i e n t a t i o nf o rt h i s i t e mw a s p r o p o s e da tt h e e n d o ft h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s a p f c s i 8 2 5 0 b o o s t a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l p i d 西南交通大学 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 本人授权西南交通大学可以将本论文 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 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 年解密后适用本授权书 使用本授权书 请在以上方框内打 4 学位论文作者签名 育成 指导老 日期 2 00 2 6 多 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究 做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确的说明 本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担 本学位论文的主要创新点如下 当前 功率因数校正主要是由专用集成控制芯片来实现 本论文 使用sila bs 公司推出的数字电源控制芯片s i8 25 0 实现有源功率因 数校正 具有创新性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 功率因数校正的研究背景及意义 电能是迄今为止人类文明史上最优质的能源之一 正是因为对电能 的充分开发和利用 人类才得以进入如此发达的工业化和信息化社会 虽然人类在电能的生产 传输和利用方面已经取得了十分辉煌的成就 但是如何更加合理 高效 精确和方便的利用电能 仍然是需要解决的 重大问题 电力电子技术 p o w e r e le c t r o n ic st e c h n o lo g y p e t 的诞生 和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的变化 并且极大地改变 了人们利用电能的观念 在世界范围内 用电总量中经过电力电子装置 变换和调节的比例己经成为衡量用电水平的重要指标 目前 全球范围 内该指标的平均数为4 0 而到2 0 1 0 年将达到8 0 然而随着电力电子 技术的飞速发展 各种电力电子装置在电力系统 工业 交通及家庭中 得到了广泛应用 给电网带来了非常严重的谐波污染 多数电力电子装 置通过二极管不可控整流或采用晶闸管相控整流方式与2 2 0 v 交流电网 接口 把电网交流电压变换成直流 整流电路后面一般加大电容滤波 使用这种电路的结果是 虽然输入电压 抽是正弦波 但输入电流i 加波形 却严重畸变 呈脉冲尖峰状 不可控整流电路功率因数只有0 6 0 7 左右 输入电流总谐波畸变t h d 高达10 0 由此可见 大量应用不可 控整流电路 会使电网输入电流严重畸变为非正弦电流 此处这种非正 弦电流的各次电流谐波将会给所处的电力环境造成严重的后果 为了改 善供电线路供电质量 使输入电流谐波满足要求 必须加功率因数校正 p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 简写为p f c 近些年来 国内外功率因数 校正技术已成为电力电子技术一个新的研究热点 选择此课题研究的目 的和意义具有如下几点 1 功率因数校正技术成为一门新兴的技术 它的作用和重要性已得 到广泛的认可 如何提高功率因数已成为当今电力电子的研究热点 2 提高功率因数是节约能源 提高电能质量保证电力系统安全稳定 运行的重要要求 3 针对谐波污染 国际上已经制定出相应的技术标准以限制谐波电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 流含量 例如 i e c 5 5 5 2 i e c l 0 0 0 3 2 e n 6 0 5 5 5 2 等标准 它们规定 了允许产生的最大谐波电流的量值 随着这些标准的强制执行 以及i c 厂家的积极努力 推动了p f c 技术的发展 1 2 功率因数校正技术的发展与现状研究 回顾功率因数校正技术的发展历程可以看出 人们最早是采用电感 和电容构成的无源网络进行功率因数校正n 1 最简单的无源功率因数校 正电路是在二极管整流桥前添加一个电感 早期的有源功率因数校正电路是晶闸管电路 进入7 0 年代以后 随着功率半导体器件的发展 开关变换技术突飞猛进 到了8 0 年代 现代有源p f c 技术应运而生 由于变换器工作在高频开关状态 这种有 源功率因数校正技术具有体积小 重量轻 效率高 功率因数可接近l 等 优点 8 0 年代的有源功率因数校正技术可以说是基于b o o s t 变换器的 功率因数校正的年代 在此期间的研究工作主要集中在对工作在连续导 电模式 c c m 下的b o o s t 变换器的研究上 这类变换器的各种控制方式一 般是基于所谓 乘法器 m u l tip lie r 的原理 连续导电模式下的功率 因数校正技术可以获得很大的功率转换容量 但是对于大量应用的2 0 0 w 以下的中 小功率容量的情形 却不是非常合适的 因为这种方式往往 需要较复杂的控制方式和电路 8 0 年代末提出了利用工作在不连续导电 模式 d c m 下的变换器进行功率因数校正的技术 由于其输入电流自动 跟随输入电压 因而可实现接近l 的输入功率因数 这种p f c 技术在 文献中称为自动功率因数校正 也称为电压跟随器 v 0 1t a g ef o llo w e r 这种有源功率因数校正技术因其控制简单 仅采用一个控制量 即输入 电压 而倍受青睐 但是一般不能应用于较大功率变换中 8 0 年代是现 代有源功率因数校正技术发展的初级阶段 这一时期提出的一些基本技 术是有源功率因数校正技术的基础 9 0 年代以来 有源功率因数校正技术取得了长足的发展 1 9 9 2 年 以前的p f s cr e c o r d s i e e e 电力电子专家会议文集 上有关功率因数 校正技术的报道很少 自l9 9 2 年起 p e s c 设立了单相功率因数校正专 题 这被看作是单相有源功率因数校正技术发展的里程碑 这次会议上 有关电压跟随型功率因数校正技术的报道占了几乎一半 有关软开关功 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 率因数校正技术也是这个专题的一项主要内容 到1 9 9 4 一l9 9 5 年 p e s c 上有关功率因数校正技术报道的一个主要内容是把软开关技术和通常的 功率因数校正技术相结合以提高功率因数校正电路的性能 近年来 有 关连续导电模式下功率因数校正的控制新方法的研究也有不少报道 主 要有单周期控制 o n ec y clec o n t r 0 1 滑模控制 s lid in gm o d e c o n t r 0 1 以及其它新控制方法 同时 也提出了一些新颖的功率因数校正原理及 拓扑结构 目前 单相功率因数校正技术在电路拓扑和控制方面己日趋成熟 仍 在发展 应用现代高速开关器件及高频功率电子电路构成的功率因数校 正电路已经成为电路的主流 随着电力电子技术的发展 p f c 技术也在发 展 从资料上看 近几年功率因数校正技术的研究热点集中在以下几个方 面 1 基于数字芯片的p f c 数字控制方法的研究 2 新的p f c 电路拓扑结构的提出 3 把d c d c 变换器中的新技术应用到a p f c 电路中 如 软开关技术 开关电源功率网络等 现有的功率因数校正技术给整流设备带来的附加成本和其复杂性 极大的限制着这一技术的广泛应用 因此低成本 结构简单 容易实现 具有软开关性能 响应速度快 低输出纹波的高功率因数变换器是目前 科研人员所追求的目标 1 3 数字控制有源功率因数校正技术的发展 为了改善功率因数校正的控制性能 人们从九十年代开始使用微处 理器对功率因数校正进行控制阳 通过a d 转换器将微处理器与系统相 连 在微处理器中实现数字控制算法 然后通过p w m 脉宽调制 发出开 关控制信号 大部分数字控制a p f c 仍然采用一般的电压环和电流环双 闭环的控制结构 控制算法采用p i d 控制策略 随着现代电力电子技术 的不断发展 更多更新的控制算法不断涌现 例如模糊控制算法 预测 控制算法 优化控制算法 滑模控制算法和自适应控制算法等 各种控 制算法都有它们的优缺点 多种控制算法结合使用 相互取长补短 将 是a p f c 的数字控制算法研究的中心方向 近年来 人们在数字控制a p f c 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 这个领域的研究又有了进一步的深入 突破了传统的基于乘法器的双闭 环控制结构 采用新颖的控制结构和采样算法 用二极管电流代替电感 电流来推导开关占空比的表达式 并且取得相当好的效果 许多文献对数字控制a 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 这主要是考虑到前文中所提到的b o o s t 变换器的各项优 点 多年来人们也在不断的研究基于其他拓扑结构a p f c 电路 在理论和 实验上都取得了一定的成果 由于分布式电源技术的日益发展 复杂的 负载可以被分离为几组 分别由单独的电源供电 这样 使用简单的功 率变换单元 通过不同的级联方式 就可以满足不同的变换需要 而前 端变换器通常采用模块式结构 可以在三相电源的每相平均配置模块数 量 因此 在今后的研究中 对数字控制a p f c 电路的研究 势必将继续 优先选择b o o s t 变换器为主拓扑结构 引 美国的v ir g in ia 电力电子中心处于数字a p f c 领域的前端 国内 的浙江大学与v i r g i n ia 电力电子协作中心也在开展这一方向的研究 此 外 国际上一些著名的单片机和d s p 芯片厂商以各自芯片为基础 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 目前 t i 以及s ila b s 等公司相继推出数字电源控制芯片对a p f c 的数字控制有很 大的推动作用哺9 j 1 4 本论文研究的主要内容 本论文着力于研究用于开关电源的有源功率因数校正装置 a p f c 实现基于s i8 2 5 0 芯片输出功率为5 0 0 w 的高功率因数校正器的研究 设 计出相应的数字化控制硬件和软件平台 本论文的主要内容如下 1 收集相关资料进行理论研究分析 熟悉和掌握各种功率因数校正的基本工作原理和特点 从理论上分 析和研究功率因数校正的模拟控制方法与数字控制方法 2 对功率因数校正电路进行仿真研究 运用仿真手段对功率因数校正电路进行前期的研究工作 对电路结 构进行深入分析 得出系统初步参数 3 设计b o o s t 型p f c 主电路 在理论分析和仿真研究的基础上 分析并计算功率因数校正主电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 元器件参数的取值 完成升压电感的设计 4 完成基于s i8 2 5 0 的a p f c 电路硬件和软件的设计 从理论上分析和研究数字控制b o o s tp f c 电路的工作原理和关键技 术 设计数字控制a p f c 电路的硬件和软件 该电路以b o o s t 升压电路作 为主电路 以si8 2 5 0 处理器作为控制芯片 采用电压 电流双闭环的平 均电流控制方法来实现功率因数校正 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章功率因数校正技术 2 1 功率因数 2 1 1 功率因数的定义 功率因数p f p o w e rf a c t o r 定义为 1 p f 有功功率 容量 i u i 2 1 设a c d c 变流电路的输入电压u 有效值u 为正弦 输入电流为 非正弦 其有效值为 拓再7 i 万i 2 2 式中 i t 1 2 j 一分别为电流基波分量 二次谐波 n 次谐波 电流的有效值 设基波电流落后电压相位差为口 有功功率和功率因数可表示为 p u i l c o sa 2 3 p f u i lc o s a u 1 i lc o s a i 2 4 2 4 式中1 1 1 1 表示基波电流相对值 以非正 弦电流有效值 为基值 称为畸变因数 c o so t 称为位移因数 2 1 2a c d c 电路输入功率因数与谐波的关系 定义总谐波奇变 t h d t h d i h i l 2 2 2 3 2 2 l 2 5 一为所有谐波电流分量的总有效值 当口 0 时 p f i i 文f 再而面 2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 表2 1已知p f 值时t h d 计算结果 计算时设口 o p f0 5 8120 9 9 0 30 9 9 5o 9 9 8 7 50 9 9 9 5 5 t h d 14 01 41 053 由2 6 式计算得到表2 1 可见当t h d 兰5 时 p f 值可控制在0 9 9 9 左右 p f c 技术根据是否采用有源器件可以分为无源p f c 技术 p a s s iv e p f c 和有源p f c 技术 a c t i v ep f c 无源p f c 是采用无源器件如电感和 电容组成的谐振滤波器 实现p f c 功能 有源p f c 采用有源器件 如开 关管和控制电路 实现p f c 功能 2 2 无源功率因数校正技术 2 d 1 2 一l b 3 c zb 22 d 4 图2 1典型的无源功率冈数校正电路 人们最早采用的功率因数校正技术是无源p f c 技术阳4 l 该方案是在 整流器和电容之间串联一个滤波电感 典型的无源功率因数校正电路如 图2 1 所示 厂卜 l d l 2b 3 c z b 2 2 d 4 图2 2改进型的无源功率因数校正电路 但在实际应用中一般是将电感接在整流桥的前面 如图2 2 所示 改 进型的无源功率因数校正电路中的电感没有直流分量 避免了电感铁芯 饱和 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 采用无源功率因数校正的方法简单可靠 无需进行控制 并且可以 使输入电流的总谐波含量与基波比降低到3 0 以下 输入电流总谐波含量 及3 5 7 等奇次谐波都得到很大抑制 功率因数也可以提高到一定程度 上 由于在电路中使用串联电感补偿的方法 所以成本相对较低 在无源 p f c 电路中的电感l 是电路拓扑结构的 核心 合适地选取电感值的大小 有利于系统功率因数的校正 电感l 的值越大 高次谐波分量越小 电流 波形更近似于正弦波 但与电压相位差越大 只有当电感l 取值合适时 校正效果才能达到最佳 无源p f c 的缺点是增加的无源元件 一般体积都很大也比较重 校正 后的功率因数也不是很高 并且发热量比较大 容易产生工频振动和噪 声 比较适用于功率小于3 0 0 w 对体积 重量要求不高 价格敏感的应 用 2 3 有源功率因数校正技术 2 3 1 有源功率因数校正的基本原理 有源功率因数校正 a p f c 是抑制电流谐波 提高功率因数最有效的 方法 其原理框图如2 3 所示 其基本思想是 交流输入电压经全波整 流后 对所得的全波整流电压进行d c d c 变换 通过适当控制使输入电 流平均值自动跟随全波整流后的电压波形 使输入电流正弦化 同时保 持输出电压稳定 a p f c 电路一般都有两个反馈控制环 内环为电流环 使d c d c 变换器的输入电流与全波整流电压波形相同 外环为电压环 使d c d c 变换器输出稳定的直流电压 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 负 载 图2 3有源功率因数校正电路原理框图 有源功率因数校正主要是采用全控开关器件构成的开关电路 采用 这种电路的开关电源可以使总谐波含量降低到5 以下 功率因数高达 0 9 9 以上 并且可以将开关电源的输入电压范围扩增为9 0 2 6 4 v 的全域 电压 此外还有稳定性佳 振动和噪声低等优点 采用有源功率因数校 正技术可以非常有效地降低谐波含量 提高功率因数 从而满足现行最 严格的谐波标准 但其电路和控制较复杂 因而成本较高 且开关器件 的高速开关造成电路开关损耗较大 效率会略低于无源功率因数校正电 路 有源功率因数校正适合于功率较大的应用场合 2 3 2 有源功率因数校正拓扑结构 a p f c 的基本电路由两大部分组成 主功率电路和控制电路 任何一 种d c d c 变换器拓扑 如b u c k b o o s t b u c k b o o s t f l y b a c k s e p i c 以 及c u k 变换器都可用做a p f c 的主功率电路 图2 4 图2 5 和图2 6 给出了 其中三种常用的主电路拓扑 无论采用那种主电路拓扑结构 只要能使 a c d c 变换器的输入电流波形跟踪输入电压波形 逼近正弦 就可以提 高功率因数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 l y i 2王z土d 争 剑兰 c i 一一一 z z 图2 4 单相b o o s t 变换器 2 一 0 对l j d zs s 净 l c i 一 z zs 图2 5 单相b u c k b o o s t 变换器 c 1 r r 2szs l 1 l l 2 si j n z d c 2 一 z 2王 图2 6 单相c u k 变换器 b o o s t 变换器构成的p f c 电路具有如下的特点 1 电感电流即为输入电流 容易调节 2 输入端有大电感 输入电流可以连续 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 对市电电压为l1 0 v a c 的国家和地区 特别适合 例如输入9 0 l3 0 v 的交流 输出直流电压为2 0 0 v 若输入 为9 0 2 6 0 v 交流 直流输出为4 0 0 v 4 开关器件所承受的电压即为输出电压 5 开关管门极驱动信号地与输出共地 驱动简单 6 可在国际标准规定的输入电压和频率范围内保持正常工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 b u c k b o o s t 变换器构成的p f c 电路具有如下的特点 1 b u c k b o o s t 变换器的电感l 在中间 所以输入和输出电流的脉动 都很大 故通常输入与输出侧还需加滤波器 使电路变得复杂 2 b u c k b o o s t 变换器的输出电压既可低于也可高于输入电压 使 得输出电压应用范围更广 3 b u c k b o o s t 变换器的开关器件所承受的电压为输入电压与输出 电压之和 因此其所承受的电压要高于b o o s t 变换器 4 b u c k b o o s t 变换器的输出电压与输入电压极性相反 c u k 变换器构成的p f c 电路具有如下的特点 1 c u k 变换器的输入和输出侧都有电感 所以其输入和输出电流脉 动都很小 但电路较b o o s t 变换器要复杂 2 c u k 变换器的输出电压既可低于也可高于输入电压 使得输出电 压应用范围更广 3 c u k 变换器开关器件所承受的电压为输入电压与输出电压之和 因此其所承受的电压要高于b o o s t 变换器 4 c u k 变换器的输出电压与输入电压极性相反 f 1y b a c k 型p f c 虽然易于实现输入 输出间的隔离 但由于隔离变压 器磁芯单向磁化 使得其磁通复位控制困难 变压器利用率低 适用于 15 0 w 以下的应用场合 经过比较可知b o o s t 型a p f c 变换器有许多优点 其输入电流连续 储 能电感也兼作滤波器抑制r f i 和e m i 噪声 功率因数高 总谐波失真小 输出电压高 允许电容储存更多的电能 能提供更长时间的掉电保护 在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数 升压电感l 能阻 止快速的电压 电流瞬变 提高了电路工作可靠性 这些优点促使世界 上一些电子器件生产厂商开发出许多性能非常稳定可靠的集成控制芯 片 如u c 3 8 5 4 u c 3 8 5 5 t d a l 6 8 8 8 等 使b o o s t 变换器得到了广泛应用 本文采用的就是b o o s t 型a p f c 电路结构拍8 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 7b o o s t 有源功率因数校正器原理图 图2 7 所示为一个b o o s t 有源功率因数校正器的原理图 主电路由 桥式整流器和d c d cb o o s t 变换器组成 虚线框内为控制电路 包括电 压误差放大器v a 及基准电压v r 电流误差放大器c a 乘法器和驱动器 等 主电路的输出电压u o 和基准电压v r 比较后 输入给电压误差放大 器v a 整流电压rd r 检测值和电压误差放大器v a 的输出电压信号共同加 到乘法器的输入端 乘法器的输出则作为电流反馈控制的基准信号 与 电感电流检测比较后 经过电流误差放大器c a 加到p w m 驱动器 以控制 开关的通断 从而使输入电流i 的波形与整流电压 n r 的波形基本一致 使电流谐波大为减少 提高功率因数 2 3 3a p f c 电路的级联结构 从p f c 电路和跟随其后的d c d c 变换器的级联结构来分 有源功率 因数校正电路可以分为单级p f c 电路和两级p f c 电路n 引 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 8单极p f c 电路框图 单级p f c 变换器 s i n g l e s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 是将p f c 级与d c d c 功率级中的一些元器件共用 只有一个开关管和一套控制电 路 同时实现输入电流整形和输出电压的快速调节的控制器 通常共用 的开关管是m o s f e t 将这种方法称为单级p f c 技术 图2 8 为单级p f c 变换器方框图 实际控制电路只对输出电压进行快速的调节 因此单级 p f c 变换器工作在稳定状态时 在电源周期里占空比基本不变 总的来 说 单级p f c 的方案性能 t h d 和p f 比无源p f c 方案要好 但不如两级 p f c 方案 这种技术由于控制简单 元器件少 因此在小功率场合非常 适合 但它的功率因数 总谐波失真等指标与输入电压范围 负载范围 等密切相关 因此设计和优化显得尤为重要 尽管单级p f c 方案的功率 因数不如两级p f c 方案好 但其输入电流谐波很小 仍满足i e c 标准 2王zs b o o s t c 1 d c d cc 2 c o n v e r t e rc o n v e r t e r 一一 一 一 z z tt 控制电路控制电路 j 图2 9两级p f c 电路框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 两级功率因数校正技术经过多年的研究 技术相对比较成熟 是最 常用的方案 图2 9 为两级p f c 电路方框图 该电路是由两个相互独立 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 前级通常采 用b o o s 变换器实现输入电流的整形 其主要思想如下 选择输入电压作 为一个参考信号 使得输入电流跟踪参考信号 实现了输入电流的低频 分量与输入电压为一个近似同频同相的波形 以提高功率因数和抑止谐 波 同时采用电压反馈 使p f c 级输出电压近似为平滑的直流输出电压 有一个小的二次谐波 后级d c d c 变换器实现输出电压和输入电压的 隔离 并对输出电压进行快速调节 最后得到高精度的直流输出电压 两级p f c 电路相对单级p f c 电路主要有以下优点 1 电路拓扑的选择更广泛 2 线电压范围内都能达到功率因数校正的目的 3 输入和负载之间提供了隔离 4 d c d c 变换电路有很大的设计空间 可以满足不同应用场合的需 要 在功率要求比较大的场合 一般采用两级p f c 电路 而单级p f c 电 路由于成本低 易控制 效率较高 近年来在一些低功率变换器上经常 被采用 2 3 4 有源功率因数校正电路的工作模式 根据电路输入电流检测和控制方式 a p f c 电路的工作模式可分成两 种 电感电流连续 c o n tid u ec u r r e n tm o d e c c m 和电感电流不连续 d i s c o n t i n u ec u r r e n tm o d e d c m 两大类 9 i d c m 控制的方法又称为电压跟踪法 是a p f c 控制中一种简单而又实 用的方法 应用较为广泛 d c m 控制方法的一个基本特点就是电感能量 的完全传输 即在每一个开关周期中 转换电感都必须把从电源中获得 的能量完全转移到蓄能电容 输出电容 中去 d c m 模式的输入电流自动 跟踪电压 功率管实现零电流开通 不承受二极管的反向恢复电流 但 是由于变换器工作在不连续导电模式下 需要较大的输入滤波器 开关 不仅要导通较大的通态电流 而且将关断更大的峰值电流并引起很大的 关断损耗 使开关的使用寿命降低 同时还会产生严重电磁干扰 这种 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 工作模式的p f c 一般功率小于2 0 0 w c c m 模式的电感电流连续 输入电流纹波和输出电流纹波小 t h d 和e m i 小 滤波器体积小 电流峰值比d c m 模式要小 器件的应力和导 通损耗相对也更小 但是它的控制方法比较复杂 开关损耗较大 制作 成本也比较高 通常需要使用乘法器 采用电压电流闭环控制 这种工 作模式一般适用于大功率 大电流的产品中 c c m 模式下的电流控制是 目前应用最多的控制方式 它是将输入电压信号与输出电压误差信号相 乘后作为电流控制器的电流给定信号 电流控制器控制输入电流按给定 信号变化 c c m 模式下有三种常用的控制方法 峰值电流控制 平均电 流控制和滞环电流控制 2 3 5 有源功率因数校正的主要控制方法 d c m 工作模式的功率因数校正可以采用恒频 变频 等面积等多种 控制方式 c c m 工作模式的功率因数校正根据是否直接选取瞬态电感电 流作为反馈和被控制量 引 有直接电流控制和间接电流控制之分 直接 电流控制有电流峰值控制 平均电流控制 电流滞环控制 预测瞬态电 流控制 线性峰值电流控制 非线性载波控制等方式n3 l 下面介绍几种 有源功率因数校正常用的控制方式 一 峰值电流控制 在这种控制方式下 首先由整流桥输出电压的检测信号和电压环误 差放大器输出信号的乘积产生基准信号 然后用开关管电流取样信号与 此基准信号相比较 当开关管电流取样信号的峰值小于基准信号时 开 关管导通 当开关管电流取样信号的峰值大于基准信号时 开关管闭合 通过这种方式使输入电流的峰值包络线跟踪输入电压波形 可使输入电 流与输入电压同相 并接近正弦 峰值电流控制的优点 1 电路简单 易于实现 2 电流峰值大 开关管的电流应力也大 3 不需要电流信号误差放大器以及相应的补偿网络 峰值电流控制的缺点 1 电感电流的峰值f 它是控制的基准 与高频状态空间平均值之 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 问的误差 在一定条件下相当大 以至无法满足使t h d 很小的要求 2 电流峰值大 开关管的电流应力也大 引 3 高次谐波振荡在每个周期里所占比例超过了5 0 为此需要加入 一个斜坡补偿 4 输入电流畸变在高的线电压或轻载情况下会变严重 但斜坡补偿 的引入会使这种情况变得更糟糕 5 电感电流的峰值对噪声相当敏感 二 平均电流控制 相对于峰值电流控制 平均电流控制的b o o s tp f c 变换器可以获得 更好的输入电流波形 电感电流被采样和滤波后送入到电流误差放大器 与基准进行比较 电流误差放大器的输出驱动p w m 波发生器 内环保证 了输入电流和基准保持一致 外环保证了输出电压恒定 变换器工作在 电感电流连续的情况下 平均电流控制的优点 1 开关频率恒定 2 不需要斜坡补偿 3 由于电流经过滤波 这种控制方式对整流噪音的敏感性减弱 4 可以获得很好的输入电流波形 由于在电流接近零点时输入电压 过零点 所以占空比可以设计成接近1 这样就缩短了输入电流的死区 时间 平均电流控制的缺点 1 必须要对电感电流进行采样 2 需要一个电流误差放大器 它的补偿网络设计必须考虑到变换器 在整个电压周期内不同的工作点 平均电流控制的p f c 现在越来越流行 各大i c 厂商竞相推出了自己 的平均电流控制p f c 的芯片 三 滞环电流控制 这种控制方式有两个正弦电流基准 高的基准用来限制电感电流的 峰值 低的基准则是用来限制电感电流的谷值 引 开关管在电感电流低 于较低的基准时开通 在高于较高的基准时关断 这是一种不定频率的 控制 也是工作在电感电流连续的情况下 主要的特点如下 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 滞环电流控制的优点 1 不需要斜坡补偿 2 输入电流谐波含量少 滞环电流控制的缺点 1 开关频率不恒定 2 必须要对电感电流进行采样 3 易受到整流噪音的干扰 2 4 本章小结 本章首先对功率因数校正技术的概念和基本原理进行了阐述 对无 源功率因数校正技术以及有源功率因数校正技术的拓扑结构 控制方法 和适用场合等进行了深入分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第3 章有源功率因数校正主电路设计 本论文采用b o o s t 型功率因数校正电路如图3 i 电路工作于电感 电流连续模式 c c m 主电路元器件参数的选取和电感的设计很重要 如 果设计不当 就会造成输入电流谐波大 输出电压不稳定 纹波过大等 问题 甚至烧毁主电路元件 a p f c 电路设计目标如下 输入电压 工频i8 0 2 6 0 v 交流 输出电压 4 0 0 v 直流 输出功率 5 0 0 w 开关频率 l o o k h z 输入p f 值 乏0 9 9 电流t h d 值 三5 效率 至9 0 d 一一 l z土 引 c 冀1 格卡4 i c i n 旦三 一c 0 一一 z z 图3 1b o o s t 型功率因数校正电路 3 1 最大输入功率和电流 变换器的设计应该根据变换器工作于最坏的情况下进行设计 当输 入电压最低时 这时变换器输入电流最大 州 在正常的工作效率下 变 换器的最大输入功率为 乞 一 百z o o m a x 面5 0 0 5 5 5 形 3 1 当输入电压最低时 输入电流的最大有效值为 耐 鱼坚 l 一 皇旦一 3 l 么 3 2 撕帅x2 瓦瓦孑5 万而莜丽2 u 州 u 纠 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 则输入电流的最大峰值为 歹加 础 一 4 芝t j n r m s 一 压 3 1 4 4 彳 则输入电流的最大平均值为 3 3 i i n a v s m a x 孥 半 2 8 彳 3 4 3 2 高频输入电容的选取 输入端的高频电容主要用来滤除输入电压的高频噪音 减小输入电 压纹波 其取值较小 1 本论文中选取c i 0 1 u f 6 3 0 v 优质的涤纶电 容作为高频输入电容 3 3 升压电感的设计 磁性元件是开关变换器中必备的元件 但又不易透彻掌握工作情况 包括磁性材料特性的非线性 特性与温度 频率 气隙的依赖性和不易 测量性 在选用元件时 不象电子元件可以有现成成品选择 为何磁性 元件绝大多数都是要自行设计呢 主要是因为电感器和变压器涉及的参 数太多 例如 电压 电流 频率 温度 能量 电感量变化 漏电感 磁材料参数 铜损耗 铁损耗等等 磁材料参数测量困难 也增加了人 们的困惑感 就以m a g n e t ic s 公司生产的其中一种m p p 铁芯材料来说 它有10 种 z 值 2 6 种尺寸 能在5 种温升限额下稳定工作 这样 便 有1 0 2 6 5 1 3 0 0 种组合 再加上前述电参数 电压 电流 等不同 额定值的组合 将有不计其数的规格 厂家为用户备好现货是不可能的 果真有现货供应 介绍磁元件的特性 参数 使用条件的数据会非常繁 琐 也将使挑选者无从下手 因此 绝大多数磁元件要自行设计 在b o o s t 型功率因数校正电路中 升压电感是必不可少的元件 电 感器的设计和磁芯选择是否得当 对于发挥电路的特性 效率和作用 得到满意的校正效果 是至关重要的 电感的设计应满足以下的条件 a 应该满足一定的电感量 b 在最大电流时 电感的磁芯不会饱和 c 应该保证绕组线圈能够绕得下 即应满足以下三个式子 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 三 l t o n 2 s 3 5 6 n i 一 b s 6 3 6 k 坚 1 s e n 4 满足要求 3 3 3 电感线圈匝数的计算 取气隙万 4 m m n 由式3 5 可以得到 0 7 12 xx 10 3雯 x4 兰x 1 0 3 i4 n 1 0 一 1 3 2 1 0 4 1 2 9 3 16 取n l2 9 匝 考虑到电感电流的纹波为3 0 则其最大值为 1 l 一 1 3 0 2 i l 一 5 7 彳 3 17 n i 工一 1 2 9 x5 7 7 3 5 3 3 18 型 竺 三 兰兰兰 呈 1 6 2 4 3 19 o 4 刀 1 0 卅 因为n i l 弧 0 0 0 7 7 c m 2 满足条件 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 3 3 5 校核磁芯窗口面积 磁芯窗口利用系数为 k 竽 百1 2 9 x 0 0 0 8 0 4 9 0 5 证明可以绕下 3 4 输出电容 选择输出电容时要考虑直流输出电压 输出电压纹波和维持时间等 流过输出电容器的总电流是开关频率纹波电流的有效值和线路电流的二 次谐波 通常选择寿命长 漏阻低 能耐较大纹波电流且工作范围较宽 的铝电解电容 并且耐压的选择应留有充分的余量 以避免超负荷工作 在功率因数校正变换器中 输出电容设计主要考虑维持时间出 维持时 间是指在输入电源被关闭之后 输出电压仍然保持在规定范围内的时间 长度 维持时间是存储在输出电容中的能量总和 负载功率 输出电压 及能使负载工作的最小电压的函数 则用维持时间确定输出电容值的计 算公式为 c0 蕊2 1 o atu 等等 2 8 6 铲 3 2 2 o 2 1 u o m n 2 石f 矿2 z 酌 甜 j z z 在这里 出取2 0 m s u d m j 为输出电压的最小值 一般取3 0 0 v 输 出电容的选取应该留有裕量 采用3 3 0 u f 耐压4 5 0 v 的电解电容作为输 出电容 3 5 功率开关管的选择 作为功率开关管 场效应管 m o s f e t 和绝缘栅晶体管 ig b t 是使 用较多的两种器件 i g b t 输出容量大 耐压高 体电阻小 是大功率开 关电源的首选器件 但i g b t 价格相对较贵 开关频率较低 而且在关断 时存在电流拖尾现象 本论文中功率开关器件采用场效应管m o s f e t m o s f e t 是电压控制单极型金属氧化硅场效应晶体管 它的优点是少 数载流子导电 开关频率高 输入阻抗大 容易驱动 本身不存在存储 效应 因此导通和关断时 上升和下降速度较快 开关损耗小 是高频 中小功率变换器的理想功率器件 m o s f e t 的选择必须保证它可靠工作 开关管的最大漏极电流 s 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 应大于开关管所流过的最大峰值电流 它的漏源击穿电压b u t s 应大于输 出过压保护点u o 印 应考虑电流峰值1 5 2 倍的裕量 电压应为输出 电压的1 5 2 倍的裕量 本论文中选用m t p 8 n 6 0 为功率开关管 其正向 电流为8 a 反向耐压6 0 0 v 在电路板中加有散热片对其散热 3 6 功率二极管的选择 作为高频a c d c 或d c d c 开关变换器输出整流用的功率二极管 应 当具有正向压降小 正向电流大 反向漏电流小 反向恢复时间短等特 点 还应具有足够的输出功率 可以使用以下三种类型的二极管 高效 快速恢复二极管 高效超快速二极管 肖特基势垒整流二极管 快速恢复二极管和超快速恢复二极管的反向恢复时间减小到了纳秒 级 其正向压降范围是0 8 l 2 v 反向电压较高 肖特基二极管即使 在大的正向电流作用下 其正向压降也很低 仅有0 4 v 左右 由此 肖特基整流二极管特别适用于5 v 左右的低电压输出电路中 因为在一般 情况下 低电压输出所驱动的负载电流都较大 而且 随着结温的增加 其正向压降更低 肖特基整流二极管的反向恢复时间是可以忽略不计的 因为此器件是多数载流子半导体器件 在器件的开关过程中 没有清除 少数载流子存储电荷的问题 但肖特基整流二极管存在有两大缺点 其 一 反向截止电压的承受能力较低 目前的产品大约lo o v 其二 反向 漏电流较大 使得器件比其他类型的整流器件更容易受热击穿 本设计中输出电压u o 4 0 0 v 当开关q 导通时 二极管d 截止 d 承受的最大反向电压约为4 0 0 v 考虑到裕度 选取m u ri6 6 0 为功率二极 管 其正向电流为1 6 a 反向耐压6 0 0 v 反向恢复时间为5 0 n s m u r l6 6 0 的封装是t 0 2 2 0 在电路板中加有散热片对其散热 3 7 功率因数校正电路小信号模型 本论文中采用电流注入等效电路法 c u r r e n ti n je c t e de q u iv a le n t c i r c u ita p p r o a c h