【毕业学位论文】（Word原稿）基于平均电流模式控制的交错并联Boost PFC变换器的设计

常州工学院毕业设计论文 I 摘 要 功率因数 校准技术作为改善电能质量的有效手段之一，在电力电子装置中得到了广泛的应用。 怎样 提高单相 源的功率 级 和效率，减小 源的体积成为了目前的研究热点 .。 单相 路应用于大功率场合，需要应用大容量的开关管，而现有的 以满足要求，采用交错并联技术就可以通过并联模块分流降低开关管的容量要求。 同时由于并联的各变换器是交错运行，可以提升等效开关频率，减小输入电流纹波和输出电容纹波电流的有效值。 本文选取了交错并联 源作为研究目标。 本文 针对 大功率场 合 ，研究了一种 基于平均电流模式控制的交错并联 换器 ，选用 为控制 分析了在电感电流连续模式下交错并联 路的工作原理。利用状态空间 法 建立了 平均 电流模式 交错并联信号模型。在推导了平均电流闭环控制传递函数的基础上详细分析了闭环控制器的参数选取。最后通过 真软件对交错并联 路进行了仿真分析。试验结果表明 , 验证了该控制电路能够准确控制主从开关的导通时刻，交错并联 路具有良好的功率因数校正效果。 关键词： 功率因数校 正；交错并联； 平均 电流模式； 真 常州工学院毕业设计论文 as an to of in To FC to of in a a A FC to of C/DC of FC as FC in as C. of FC in of FC in On is on of of In on to be by 常州工学院毕业设计论文 录 摘 要 . I . 录 . 1 章 绪 论 . 1 题的来源 . 1 题研究的目的和意义 . 1 题的发展现状与研究 . 2 率因数校准的简介 . 3 文的主要研究内容 . 3 课题的基本思路 . 4 本章小结 . 4 第 2 章 交错并联 工作原理 . 5 错并联技术的引入 . 5 错并联 工作原理 . 6 本章小结 . 9 第 3 章 交错并联 电路设计 . 10 设计指标 . 10 感的设计方法 . 10 容的设计方法 . 12 选择电流感测电阻 . 13 本章小结 . 13 第 4 章 控制电路的设计 . 14 控制策略的比较 . 14 控制原理简述 . 18 制芯片 介绍 . 19 电路原理图 . 21 峰值限流设置 . 21 乘法器的设定 . 22 振荡器的设计 . 24 电流误差放大器的补偿设计 . 24 常州工学院毕业设计论文 电压误差放大器的补偿设计 . 25 分频电路的设计 . 27 本章小结 . 28 第 5 章 电路仿真及分析 . 29 仿真软件 介绍 . 29 闭环系统的仿真 . 29 结论 . 39 参考文献 . 40 致谢 . 43 附 录 . 44 1、元器件清单 . 错误 !未定义书签。 2、绝缘导线参数 . 44 常州工学院毕业设计论文 第 1章 绪 论 题的来源 近几十年来 ， 随着电力电子技术的不断发展，谐波污染 日趋 严重。 越来越多的国家 为了减少谐波污染，保证供电质量 ，开始对电力设备的谐波含量加以限制。 功率因数 校正 (术 作为改善电网质量，较少谐波污染的一种有效手段 已广泛的应用于各类电力电子装置当 中。 为了实现功率因数校正技术在较 大 功率场合的应用 。 多种创新型功率因数校正 (术不断问世。 采用 扑结构的有源功率因数校正就是首批创新技术中的一种 。 路应用于高功率场合，需要应用大容量的开关管，而现有的 以满足要求，采用交错并联技术就可以通过多个并联模块分流降低开关管的容量要求。 由于大功率负载 的 需求和分布式电源系统的发展，使得开关电源 交错 并联控制技术的重要性日益增加。 较之传统的 控制 技术而言，交错并联 控制技术 有很多优点，例如：可提升等效开关频率，减小输入电流纹波 和输出电容纹波电流的有效值 ， 能够降低成本投入等等。 于是许多学者开始将研究重点放在了交错并联 题研究的目的和意义 当今 科技的发展带动了人们的生活水平，对于电能的需求也日益的增大，然而大量新建电厂并不是解决问题的 唯一 途径。 功率因数 校正 (术 一方面提高电力供给的能量，另一方面提高电能转换与使用效率， 成为解决问题的有效方法被广泛的应用于电力电子装置中 。 随着 术的发展， 对功率等级需求的进一步提高， 原有的单重 常州工学院毕业设计论文 2 不能满足大功率场合。因为功率的增加开关器件必然要承受更大的 电流应力。 导致选择器件困难，增大成本和损耗。 交错并联技术是一种比较好的解决方案，它通过多个变换器 交错并联 分流降低开关管的容量要求， 在交错并联换器中，由于多个开关管分流，提高了输入电流纹波频率，减小了输入电流纹波幅值，有利于减小开关损耗和滤波电路设计。交错并联技术在路中可以提高电源效率和可靠性，减小电源体积，具有一定的研究意义 。 题 的发展 现状与研究 单相交流供电的不控整流桥 初主要采取无源滤波方案。随着电力电子技术的发展，上 个世纪 80年代 前后开始 了 采用功率器件和高频电感的传统 制策略采用 了 输出直流电压与输入交流电流双闭环控制，其中采用了乘法器。 随 着 单相 近年来国内外 研究热点主要在 提高电路 功率等级 、 优化 控制策略 等方面 。比如：根据 源 结构， 目前 电流可以采用 电流 检测 可以采用 峰值 电流和 平均 电流检测方式， 控制原理 可 采用传统 的 乘法器原理、电压跟随器原理和单周期控制原理（ 电路结构 可以采用单级结构和双级结构，可以采用 交错 串联、交错 并联和多电平结构，控制 理论 有 重复控制、预测控制等。 到目前为止，有关 大 功率 下 单相 文章、学位论文非常庞大。许多研究人员提出了大量的拓扑结构和控制策略，产业界推出了多种模拟控制集成电路（ 功率模块以及各种磁材料的 频电感。上述努力成果促进了产业界对 置的开发和应用。总的来说， 术已经进入到较为成熟阶段，正朝着实用化、专业化和高性能方向发展，新的需求的出现、新的器件制造技术的出现、新的控制技术的出现将会继续推动 术的不断发展。 常州工学院毕业设计论文 3 率因数校准 的简介 功率因数校正可简单地定义为有功功率与视在功率之比， 即： 功功率 /视在功率 一般对功率因数的定义是实功率与视在功率的比率，即 )( r m sr m s ( 1 P 是输入功率的实功率， 负载 (或者是功率因数校正器输入端 )的电压与电流均方根值 ( 当 负载是 纯电阻 时 ， 实 际 功率与 相等，此时的功率因数将为 负载不是一个纯电阻，则功率因数将低于 相移量 主要 反映了有源功率因数校正器输入电阻 的 电抗大小， 不论 何种 电抗， 如 电感 和 电容，都会造成输入电流 与 输入电压 的相对 相位 的 改变。电压与电流 之 间的相位差也是一种 典型 的 功率因数定义， 在这里 功率因数等于电压与电流相角差的余弦函数： F ( 1 电压与电流间的相角差也反映出 了 虚功率的大小。 当 负载的电抗只占负载阻抗的小部分，相位差将很小。当输入端由于前馈信号或控制环路造成相移时，有源功率因数校正器可对输入电流产生相位校正的效果。此外，交流 电路电流的干扰也可能会造成相位移。 文的主要研究内容 本论文第一章中叙述本课题研究的来源、目的 、意义以及发展现状。 第二章 对 本课题所使用的不同控制方式的优 劣进行了比较，并选定了所使用的控制方式。第三章阐明了本课题设计的方案目标，及硬开关的设计过程与仿真。第四章进行软开关的设计与仿真。最后总结全文。 常州工学院毕业设计论文 4 课题的基本思路 本课题主要研究大功率场合下的 有源功率因数校正 技术， 利用输入电流响应输入电压的变化来完成这个功能。 有源功率因数校正法，就是在整流器和负载之间接一个转换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形 跟踪交流输入正弦波形，从而把功率因数提高到 更高。 本文首先介绍了 有源功率因数校正器的原理与结构。 其次选择控制方案 采用平均电流控制原理完成主要电路的设计，它采用连续调制模式。 为了提高功率级将两个单相 路交错并联。 具体的电路设计中，控制芯片选用 的峰值开关电流近似等于输入电流，对瞬态噪声的响应极小。 最后进行硬开关与软开关的设计与仿真，进行比较的出结论。 本章小结 本章主要阐述了本课题研究的来源、目的 、意义、国内外研究的现状 ，以及对功率因数校准进行了简单的介绍，整理了 课 题的基本思路，对本课题进行了总体介绍。 常州工学院毕业设计论文 5 第 2章 交错并联 工作 原理 错并联 技术的 引入 交错并联 术的引入是为了满足大功率电源系统的应用，近年来电源领域发展迅速，对大功率电源的需求越来越大，但如果使用单个变换器实现，会存在很多问题：首先现有的开关管无法这么大的电流；再有需要很大的存储容量，使变化器变得笨重且成本高可靠性差；还有大电流使得开关等元气件的损耗变大，纹波大， 题严重 这些复杂的问题 需要 一种新的技术来解决，并联技术就是用来解决这些问题的。它有以下优点： （ 1）功率可分配 ： 并联 的每个模块可分担一部分功率，减小了个单元的功率损耗。 （ 2） 稳定性高 ： 并联减少了元器件的电、热应力。提高了系统的稳定性。 （ 3）功率密度大 ： 并联后各 单元负担的电流小，磁性元件体积 也 减小 了 ， 从而减小 了变换器体积和重量，提高变换器的功率密度。 （ 4）降低成本 ：并联后所需器件功率级低，成本也低。 由于并联中 对 各 变换器单元采用不同的控制方法，可使各变换器之间运行方式 不同 ： 可分为 同步运行 (交错运行 (13。同步运行即指各变 换器单元的开关驱动信号完全一致，各开关同时开通、同时关断。交错运行是指电路中的各单元开关的驱动信号频率一致，相角互相错开而交替导通，即每个开关的周期和占空比相同，但开通时刻依次滞后相等的时间 。 图 2出了 2 个 并联单元同步运行和交错运行两种情况下的各单元电流和总的合电流的波形。从图中可以看出，当各变换器单元同步运行时，虽然各单元分担了电流，但是其合电流纹波是各单元纹波的同步叠加，使变换器的合 常州工学院毕业设计论文 6 电流纹波更大，给滤波器的设计带来很大的麻烦。而当各变换器单元交错运行时，合电流的纹波要比同步运行情况下小的多，其纹波 幅值小于各单元电流的纹波幅值，且纹波频率是各单元纹波频率的两倍。 I t o t a I 2I 2I t o t a 错并联运行变换器除了具有并联运行变换器原有的优点以外，还具有一般并联运行变换器所没有的优点 16。它在没有增加开关损耗和元件应力的情况下降低了总输入、输出电流纹波幅值，提高了纹波频率，从而减小了总的输入、输出滤波器体积，提高了变换器的功率密度，并且减小了 题，改善了输出电压质量。因而交错并联技术在大功率 换器中具有很高的应用价值。 错并联 工作原理 如图 2出了普通的两相交错并联 换器 。 电路中包括两个可控的 关管和两个不可控二级管 。 （ a）同步运行 （ b）交错运行 图 2不同运行情况下个单元电流及合电流波形 图 常州工学院毕业设计论文 7 S 2D 2 C V O U D 1V i （ 1） 电路的开关频率远大于输入线频，在分析一个开关周期内电流的变化时，视输入和输出电压值为恒定； （ 2） 电路的输出滤波电容很大，使得输出电压在半个电网周期内保持恒定； （ 3） 输入电流在相位上完全跟踪输入电压。 因开关管 有开、关两种状态，则电感电流连续模式下，电路可能出现 四种工作状 态如图 2示，各电路分析如下： S 2 U i 2V O U i 通两相交错并联 电路 （ a）状态 （ b） 状态 常州工学院毕业设计论文 8 S 2V O U i 2V O U i ：开关管 时导通，电感电流 上升，输出电容 此时电路状态方程式为： 011100000000212121（ 2 状态 ：开关管 断， 通，电感电流 降， 升。 0111010001002121121(2状态 ：开关管 通， 断，电感电流 升， 降。 （ c） 状态 （ d） 状态 图 2 4 种工作状态图 常州工学院毕业设计论文 9 0111101000002121221(2状态 ： 开关管 关断， 电感电流 下降，输出电容 存能量。 01111110010021212121(2本章小结 本章详细介绍了交错并联 术引用的来源 及 其 优点，并根据交错并联 扑电路分析了其工作状态 给出了不同的状态方程 。 常州工学院毕业设计论文 10 第 3 章 交错并联 电路 设计 设计指标 已知技术要求如下： 输入电压 V %15220 输入频率 0 输出功率 WP o 2000m 开关频率 s 130 符合该规定的电源几乎可适用于世界各地不同的输入电源。 感的设计方法 （ 1） 确定输出电压 出 电压主要根据输入电压最高峰值决定，一般 是 取 输入 电压 。 本文 输入电压 为 220V， 50 交流电 时 ，变化范围是额定值 的15%， 那么 最高峰值电压是 220出电压 范围为 376393V。所以本文将输出电压值定为 385V。 （ 2）决定最大输入电流 最大交流输入电流 一般根据最低输入电压来决定取值，因为输入电压最低时输出功率最大，可避免电感在最大电流时发生饱和。 i nm a x (3其中： 000 ； )%100(m i n V 最低输入电压 。 常州工学院毕业设计论文 11 （ 3） 决定工作频率 选择合适的开关频率可使 变换器的性能 达到最优状态 ，因为 开关频率 决定了电路 中大部分 参数的选择。开关频率必须足够高，使电源的体积和失真度足够小，同时开关频率又不能太高，以避免损耗过大，保证效率足够高。大多数应用中开关频率的选择范围是 20 00 文选择 单个 开关频率为s 65 。 由于是交错并联电路所以 总的 开关的频率为 s 1302 。 （ 4）决定最低输入电压峰值时最大占空度 因为连续模式 换器输出 输入 系为 )1/( ，所以 m i nm a x (3从上式可见，如果 取较低，在最高输入电压峰值时对应的占空度非常小，由于功率开关的开关时间限制（否则降低开关频率），可能输入电流不能跟踪输入电压，造成输入电流的 大。 （ 5） 求需要的电感量 在对功率因数要求严 格的场合，通常要求电流脉动 I 小于某一允许的最大值，电流脉动 I 一般取输入电流峰值的 20%，则 i m a x (3为保证电流连续， 感应当大于 0 0 0 m a xm i n (3则交错并联电路中 单个电感取 高频纹波电流是叠加在输入峰值电流上的 ，所以电感上的峰值电流是输入 常州工学院毕业设计论文 12 峰值电流加上电流峰 il p kl p k a (3容 的设计方法 选择输出电容 与以下几个 因素 有关： 开关频率、 纹波电流、 二次谐波纹波电流、输出的直流电压、输出的纹波电压 和 保持时间。在选择输出电容时， 一般先考虑 输出电压的维持时间。维持时间 就 是输入截止时输出电压可维持的时间，典型的维持时间为 15 到 50常每瓦特输出需要 1 到 2F 的电容来达到维持时间。因此在 2000W 输出的范例里，输 出电容将为 2000不要求维持时间的长短，则输出电容值将会很小，小到每瓦特输出仅需要 纹波电流与纹波电压将成为主要考虑的目标。 维持时间的长短是输出电容所储存能量、负载所需的能量大小、输出电压与负载的最低工作电压等因素的函数。电容的维持时间与前述各因素的关系式如下式所述： 2( m i n )22 （ 3 在本式中， 出电容、 负载所需的功率、 t 是维持时间、 输出电压、 (负载可工作的最低电压。对本例转换器而言， 2000W、t 为 50 385V、 ( 300V，所以输 出电容值为 3435F。 在本文中选用 4 个 1000容 并联。得到实际电容值为 4000F 常州工学院毕业设计论文 13 选择电流感测电阻 如果使用变流器，则必须考虑匝数比，还要决定输出相对常见电路为正还是为负。使该电阻两端保持较低的峰值电压， k （ 3 感测电阻的阻值为 p （ 3 本章小结 本章首先设计给出了主电路原理图，然后 依据设计指标对主电路 的电感电容等元器件进行了参数计算， 对电感进行了磁芯选择和绕制 并结合实际选择了电感电容的型号。 常州工学院毕业设计论文 14 第 4 章 控制电路的设计 控制策略的 比较 有源功率因数校正技术按照输入电感电流是否连续，可以分为电流连续模式 称电压跟踪法，是一种单环控制方法。可以采用恒频、变频、等面积等的多种控制方式。由于它简单而实用，在 被广泛的应用。 制模式的特点主要有： （ 1）输入峰值电流能自动跟踪输入电压； （ 2）不存在反向恢复问题； （ 3）功率因数总低于 1，仅能起到改善作用； （ 4）开关损耗、器件应力很大； （ 5）只能在小功率场合应用； 一种双环反馈控制方法，一般需要用到乘法器，控制起来比较复杂。但它有很大的功率容量。所以一般大功率场合的 选用 式。 （ 1）输入和输出电流纹波小； （ 2）开关损耗较大； （ 3）存在二极管反向恢复问题； （ 4） 适用于大功率场合。 本设计主要研究 据上一节对 以本文选择 据电流控制方式不同，可分为三种控制方法： 一、电流峰值控制法 常州工学院毕业设计论文 15 此种方法有两种频率的电流，基准电流为工作频率，输入电流为高频。采用恒频控制，在每个开关周期开始的时候，开关管导通，电感电流增加，当电流上升到基准电流时，开关管关断，电感电流下降，等待下一个开关周期到来。电路原理如图 2S 2D 2 C V O U 电 流控 制 器V r e f+-+D 1V i nV g ( t )M U L Ti s ( t ) * R sV g ( t )d ( t )V c ( t )优点：（ 1）控制方法简单易于实现； （ 2）具有良好的线性调整率和快速的动态响应； （ 3）易于实现对开光管的限流保护； 缺 点：（ 1）峰值电流基准与电流平均值存在误差； （ 2）可能会产生次谐波振荡，必须加斜坡补偿环节； （ 3）对噪声相当敏感。 图 4峰值电流控制法原理图 常州工学院毕业设计论文 16 二、电流滞环控制法 电流滞环控制就是在电流峰值控制中加入滞环逻辑控制级，从而产生一个电流滞环带，将检测到的电流基准，变换成基准电流的上限值，当开关管导通后，电感电流 会 上升 ，当其 达到基准上限时，滞环比较器 会 输出低电平，此 时开关管就关断，电感电流下降；当电流下降至基准下限值时，输出高电平，则开光管又导通，电感电流上升。如此周而复始得工作。该控制方法的开关频率是变化的。其原理图如图 2S 2D 2 C V O U TV r e D 1V i nV g ( t )M U L +1 / 驱 动优点：（ 1）不需要斜坡补偿； （ 2）稳定性好 , 不容易因噪声发生不稳定振荡； 缺点：（ 1）需要对电感电流全周期的检测和控制； （ 2）变频控制容易产生变频噪声； 图 4流滞环控制法原理图 常州工学院毕业设计论文 17 三、平均电流控制法 平均电流控制法具有工作频率固定，开关管电流小的特点。此种方法是以输入半波整流电压和输出电压的误差 放大信号乘积为电流基准，与实际电流信号进行比较，其高频分量的变化通过电流误差放大器做平均化处理，产生的锯齿波控制开关管驱动。平均电流控制技术发展已经较为成熟，一般采用集成芯片进行控制。其原理图如图 2 2D 2 C V O U VV r e f+D 1V i nV g ( t )M U L TV g ( t )P W +优点：（ 1） 平均电感电流能够精确跟踪电流 的 信号； （ 2） 输入电流波形失真小 ； （ 3）电路抗噪声 能力强 ； （ 4）适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制； （ 5）易于实现均流； 图 4均电流控制法原理图 常州工学院毕业设计论文 18 缺点：（ 1）电流放大器在开关频率处的增益有最大限制； （ 2）双闭 环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂； 上述三种控制方法各有其优缺点，本设计选择易于实现的平均电流控制方式，对 行设计 。 控制 原理简述 有源功率因数校正器 采用双环控制，及内环控制电流环外环控制电压环。而电流控制环路的程序是由整流后的线电压所决定的，因此可以使转换器的输入阻抗呈现电阻性。而输出电压的控制是由改变电流控制信号的平均值大小来完成。模拟乘法器将整流后的线电压乘以电压误差放大器输出，产生一个电流控制信号。这样电流控制信号与输入电压的形状相同，同时得到控制输出电压的平均值。图 4示为一个有源功率因数校正器所需要的基本控制电路方块图。 A 器平 方 器除 法 器高 功 率 因 数转 换 器+R f f 1R f f 2R f f 3R v a cI a oI m oV i nI i nI c h gC oV o I oR v cR v dC v fR v AV r e v e 中 乘法器的输出 为电流控制信号，来自整流线电压的乘法器输入端与其说是一个电压信号，不如认为是一个电流信号，因为这就是 制电路方块图 常州工学院毕业设计论文 19 的工作原理。电压环路 由 平方器与除法器 构成 ，这些电路主要的功能是将电压误差放大器的输出除以输入电压的平均值取平方后的数值，得到的值再乘以整流后的电压信号。这个外加的电路可使电压环路的增益维持稳定。如果没有它，电压环路 增益将会是平均输入电压的平方 。输入电压的平均值称为前馈电压信号 （ 因为当它被前馈到电压环路时，可提供一个开环的校正量。这个值求平方后用来作为电压误差放大器输出信号 除数。 制芯片 介绍 本文 选择 采用平均电流型控制芯片 系统进行控制，它提供了有源功率因数校正预调节器所必需的全部功能，通过整形后交流输入电流波形逼近交流输入线电压波形，使系统达到接近单位功率因数 1。 部原理框图如图 4示，主要由电压放大器、模拟乘法器、电流放大器、脉宽调制器、 电压基准、输入电 压前馈、输入电压箝位、软启动比较器、功率开关管门极驱动器等组成。 X 2B/ 4 器1 2I W E 1 67 5 3 27 . 5 源 V C 门 电 路G N 电 阻C 检 测1 4 u 源 V C V / 1 0 5 1 1681 3比 较 器电 压 检 测输 入 电 流 I A 值 电 压 V F 动 S 放 大 器输 出 V v e 器输 出电 流 放 大 器输 出 V v c e 限 流基 准 电 压I m 部电路结构图 常州工学院毕业设计论文 20 图 4左上角包含了一个欠压锁定比较器与它的使能 (较器，这两个比较器的输出必须同为 1，才能使这个 常工作。电压误差放大器的反向输入端连接到 引脚 压误差放大器旁的二极管主要是用来描述内部电路的特性，而并非一个实际的组件。在结构图中的二极管皆为理想二极管，在正常操作时，电压误差放大器非反向输入端接入 参考电压，但该电压也被用来作为软激 活功能使用。这种配置使得电压控制环路在输出电压达到它的操作点前便已开始动作，这可以避免产生激活突波 (突波可能