单周控制三相单管ZCS BUCK型PFC电路研究.StampedVIP

流技 术 电 气自 动 化 2 0 0 3 年 第2 5 卷第5 期 Po w e r Co n v er s i o n 单周控制三相单管 Z C S B U CK型 P F C电路研究 S t u d y on Th r e e p h a s e Si n g l e s wi t c h Bu c k Ty p e Z CS PF C Ci r c u i t Ba s e d o n On e c y c l e c o n t r o l Te c h n i q u e 华 中科技 大学 电气 与电子 工程学院 武汉4 3 0 0 7 4 邹旭东钟 和清康 勇 陈坚 Z o u Xu d o n g Z h o n g He q i n g Ka n g Yo n g C h e n J i a n 摘要 以B U C K型直流变换器为例 详细研究了单周控制理论及采用单周控制技术的电路特点 并阐述了系统特性 同时给出了电路设 计及实验结 果 得 出了一些有益的结论 关键词 单周控制三相单管 B U C K型 Z C S P F C Ab s t r a c t T h e B UC K t y p e DC c o n v e e r i s u s e d a s a n e x a mp l e t o s t u d y t h e On e C y c l e C o n t r o l the o r y a n d the f e a t u r e s o f the c i r c u i t w h e n a p p l y i n g t h e p r o p o s e d t e c h n i q u e i n d e t a i l S y s t e m c h a r a c t e r i s i n t r o d u c e d an d s o me u s e f u l c o n c l u s i o n s a r e g i v e n f r o m c i r c u i t d e s i g n s an d e x p e r i me n t a l r e s u l t s Ke y wo r d s o n e c y c l e c o n t r o l t h r e e p h a s e s i n g l e s w i t c h BU CK t y p e Z C S P F C 中图分类号 T M4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 0 3 0 5 0 0 2 1 0 3 1 引 言 三相单管高功率因数整流电路的基本特点是在调节输出电 压或电流的同时 无需反馈输入电流便可自动得到高品质的输入 电流波形 且功率因数接近 1 由于这类电路一般只采用一个可控 器件 故主电路和控制电路都较简单 使得成本降低 可靠性提 高 这也是此类电路近年来倍受关注的主要原因 但是由于电路 不检测输入电流 且只采用一个可控器件 很难对三相输入电流波 形同时进行校正 因此这类整流电路的功率因数一般很难再进一 步提高 本文介绍了一种单周控制技术 由于采用非线性控制方 法 同样是在不检测输入电流的情况下 可减小输入电流谐波畸变 率 功率因数可达0 9 9 5以上 2 单周控制原理 单周期控制是一种非线性控制技术 它是通过实时地控制开 关的占空比 从而使得在每一开关周期中 被控量 通常为斩波波 形 的平均值都完全等于给定值 实际上 这种理论适用于任何形 式的开关 比如恒频开关 恒导通时间开关 恒关断时间开关和变 导通和变关断时间开关等 假定开关 S的工作频率为 1 开关函数 知 t 为 曼 在每一开关周期中 开关开通时间为 T o 占空比 d 给 定信号为 0r t 开关输入信号为 t 输出信号为 Y t 并有 Y t 与 t 之间的关系如下所示 Y f f t 2 假设开关频率远远高于输入信号 t 及给定信号 t 的频带 即 t 和 均为缓变信号 对于传统控制而言 占空比 d t 由 t 线性调制而成 可写成 d t t 3 所 以有 J 山 一 山 4 x t d t x t t t 因此 对于传统的电压反馈控制 开关输出信号 Y t 为输入 信号 t 与给定信号 t 的乘积 t 的变化 必然导致 Y t 的变化 而对于采用占空比的非线性调制 其原则是保证在每一 开关周期内 开关输出信号 Y t 的积分值与给定信号 t 的积 分值相同 即 f t 山 f t at 5 式 5 两边同乘以 1 得 1 J t a a t f t at 6 式 6 的物理意义是在一周期内 开关输出信号 Y t 的平均值与 参考信号 t 的平均值相同 因此开关输出信号 Y t 只需在一 个开关周期内便可跟踪给定信号 t 即 1 Jt T at t at t 7 在这种控制思想下 开关输出信号的平均值只与给定信号有关 即 Y t t 8 开关输出信号 Y t 完全抑制了输入信号的影响 线性的再现了给 定信号 t 因此 通过单周控制将一个非线性开关变成了一个 线性开关 3 单周控制的 B U CK型 Z C S P F C电路 维普资讯 电气自动化 2 0 0 3年第 2 5 卷 第 5 期 一变流技术 P o w e r Co n v e r s i o n 图 1 给出了单周控制电路原理图 电路的前级为不控整流电 路 后级相当于 B U C K型准谐振 D C D C变换电路 电路输入级的 三个谐振电感 厶 厶 厶与谐振电容 C组成谐振网络 电路工作 在电流断续导通模式 在每一谐振周期中 厶 厶 L同时参与 c 的谐振过程 输入相电流 即谐振电感电流 同时由零开始建立 最后再分别谐振到零 每相中的电流在每个开关周期中的峰值近 似与此刻各 自的相电压成正比 这样输入相电流就形成一系列的 脉冲群 其低频分量与对应的相电压近似成正比 输入电流波形质 量较高 功率因数接近为 1 谐振电路的谐振过程造成开关管的零 电流关断条件 而相对较大的谐振电感的限流作用又使开关的开 通为近似零电压开通 因此电路的开关损耗很小 电路的直流输 出电压低于三相不控整流时的直流电压值 属降压型变换器 电 路采用导通时间近似恒定而关断时间可变的变频控制方式来调节 输出功率的大小 开关管采用晶闸管 以实现主电路电流过零时的 自然关断 每一开关周期电路具体工作在 5个阶段 可查阅参考文 献 1 假定电路初态处于阶段 1 即续流阶段 电感 厶 以电流 如通 过二极管 续流 谐振电容电压 V c r 为零 由于给定恒定直流电 压 正向积分作用 使得积分器输出电压 不断增加 其表达 式为 1 r T J 一 J 9 式中一l 为电路进入阶段 1 时积分器的初始电压 假设在 t 时 刻 积分器的输出电压 y 上升到零 过零比较器翻转 驱动信号 为正 开通晶闸管 电路进入后面的阶段 给定电压与谐振电容 电压 V c r 相减后输入积分器 此时积分器输出表达式为 一 V c r dr 1 0 va v b VC 图 1 单周控制的三相 B u c k型 P F C电路原理框图 由于电路谐振时 谐振电容电压 r 峰值远大于给定 电压 所以当 t t 时 小于零 过零比较器翻转 同时 为零 为关断晶闸管作了准备 在 t 时刻 晶闸管电流谐振至零 晶闸管 自然关断 此后由于谐振电容电压的不断衰减 积分器输出电压 在某一时刻开始上升 直至为零 重新开通晶闸管 电路进入下一 个工作周期 通过以上分析我们不难发现 这种控制实际上就是单周期控 制 因为这种控制也是保证晶闸管输出电压 极管电压或谐振 电容电压 在一个周期内的平均值等于给定参考电压值 即 一 V c r 山 0 式 1 1 变形后两边同除以 乃得 亩J V c r d t 亩J 1 2 因此 尽管输入电压为六脉动电压 但谐振电容 V c r 的电压平 均值只与给定电压有关 对于电路输出电压 来说 V c r 等效成 恒定电压源 1 从而 y D为纯直流电压 不包含任何输入纹波 但 是 图 1 所示的电路又相当于输出电压为开环控制 虽然对于给定 电压 恒定时 系统输出并无稳态误差 但是由于低通 L c滤波 器的影响 系统的动态响应比较慢 若采用双环控制 即用输出电 压与给定电压的误差信号当作实时积分的给定电压 可实现输出 电压的闭环控制 以加快系统的动态响应 4系统特性分析 采用单周期控制技术的三相 B u c k型 Z C S整流电路的最主要 的特点就是直流输出电压 V o为纯直流电压 输出功率为直流功 率 若采用传统的电压反馈控制时 输入电流的谐波含量仍然很 高 总谐波畸变率一般在 1 4 以上 并且谐波主要为低频成分 我们知道 任何周期性的波形经傅立叶分解后都可写成 直流 成分 基波 高次谐波的形式 在三相整流系统中 假设输入三 相电压为标准对称电压 可知基波及 3 n 1 次谐波为正序分量 3 n一1 次谐波为逆序分量 3 n次谐波为零序分量 由于三相线电 压为奇函数 不包含偶次谐波 因此线电流中不包含偶次谐波电 流 对于三相无中线系统 3 n次谐波也不存在 通过计算三相输入 端的瞬时功率可得系统总的瞬时功率 我们不难发现 2 8 1 4等次 谐波功率为逆序 4 1 0 1 6等次谐波功率为正序 由于它们三相之 和为零 因此这些次谐波功率对平均功率没有贡献 只有 6 n次谐 波功率 n 0 1 2 为零序 产生总功率 因而三相输入端的瞬 时功率可写成下式 P P 也 尸 h 1 3 式 中 3p o c s t 号 6 n l c o s 6 n to t 0 6 n 1 1 6 c o s 6 n to t 由式 1 3 可以看出 谐波功率 P 出现在三相系统的输入端 由于 谐波电流的存在 即使瞬时功率恒定 谐波功率还是可以在整流系 统的交流侧流动 前面我们又分析了三相 b u c k型 Z C S整流器在采 用单周期控制时 输出为纯直流功率 其瞬时功率为常数 对于理 想整流系统 系统无内耗 因此系统输入瞬时功率等于输出功率 为常数 P P 出 P h P m 1 4 而 P 在一个工频内的平均值为零 即 1 r 寺J o P h d t 0 1 5 式中 为工频周期 T a 2 仃 也就是说 系统输出瞬时功率 等于基波瞬时功率 因此瞬时谐波功率 P 为零 即 号 6 n l C O s 6 n to t 1 6 n I C O s 6 n to t 0 维普资讯 一变流技术 P o we r Co n v e r s io n 考察上式 使等式成立的一种可能就是当相邻的两次谐波 在幅值上相等 如 厶 7 1 1 l 3 图2 为输入电流特定 几次谐 波的仿真频谱 分析 其中 5 次谐 波降为基波的 7 6 7 次谐波 占8 2 1 1 次谐波占0 7 1 3 次谐波占 0 4 6 因此有 厶 厶 1 1 一 l 3 与前面的理论分析相 符 5 电路设计与实验结果 由于输入电压为3 8 0 V等级 二极管承受较高的反压 因此主电路采用二极管串联动态均压技术 同时 在母线 上加装了箝位电路 以防止因开关管在非零电流的条件下 关断而引起的过电压 对于三相 B U C K型 Z C S 整流电路而 言 控制电路可采用传统反馈控制 甚至可以为开环控 制 在这两种控制方案下 输入电流总谐波畸变率 T H D 电气自动化 2 0 0 3年第 2 5卷 第 5期 DI 娄 娄 萝 oI脚 J m J I I舯一L 一 oc0o 一 QI曲 l咐I J m I 啦 啦 D 毫 捆二 舢 l 广 1 珊 乙 L一 翻 一 般在 1 4 左右 未经滤波 并且主要为 5次谐 波电流 这 时若 加一个 5次谐波滤波器便可得到较高质量的输入电流波形 本实 验电路采用单周控制方案 同样是在不检测输入电流的情况下 可 将输入电流的 T HD减小到 1 0 以下 并且大大减小了输出电压 纹波 改善 了系统 的动态特性 输入 电压 A C 3 8 0 V 输 出电压 D C 2 0 0 V 输出电流 5 A 输出功 率 l k W 满载效率 9 0 O 满载输入电流总谐波畸变率为 8 8 7 实测满载功率因数为0 9 8 5 由于交流进线滤波器的存 在 产生了附加位移因子 因此功率因数较低 实验主电路图 输 入 电流 输入 电压波形如 图 3 4 5所示 6 结束语 三相 B U C K型 Z C S P F C电路在采用单周控制时 不能从总体 上消除输入线电流的谐波 也不能消除某次谐波 但是可以使5 次 谐波减小近一半左右 虽然相应增加 了7 次谐波的含量 5 次与7 次 谐波幅值相等 仍可以有效地减小输入电流畸变率 提高功率因 数 同时 改善了系统的性能 使系统具有很好的动态响应 闭环 稳定性及直流输出电压调节性能好等优点 另外 二极管串联技术 很好地解决了系统静态和动态均压问题 使得这类电路有了一个 比较好的应用前景 三相单管 B U C K型 Z C S整流电路虽然具有众 多优点 但是 由于结构所限 电路仍存在着下列缺点 电路中除开 关管外的其他器件的电压应力仍然很高 电路采用调频调压的工 0 1 0 0 8 0 0 6 0 04 0 0 2 0 l 一 0 1 0 2 0 30 40 图 2 单周期控制时输入电流简化频谱分析 x 轴 谐波次数 y 轴 谐波与基波幅值之比 圈 3实验主 电路 圈 x轴 5 ms 格 Y轴 1 3 A 格 图 4 输入相 电流波形 经滤 波 X轴 5