（控制科学与工程专业论文）单级隔离型pfc变换器及其控制研究.pdf

独创性声明 1 1 1 1 1i i ! i i i ii i i i ii111 y 18 7 9 7 9 2 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 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 含为获得武汉理工大学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了谢意。 签名：徨叁区日期：垫! f ：q 鐾主2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：幺乏太良导师( 签名药豸彳日期 ( 注：此页内容装订在论文扉页) 摘要 随着科技的进步，越来越多的电力电子设备用于工业生产和大众生活，导 致电网谐波和无功损耗现象普遍存在，严重影响了同一电网的其它电子设备的 正常工作，给工业生产和电网安全带来了巨大的隐患。国际电工委员会( i e c ) 制定了欧洲规范i e c 6 1 0 0 0 3 2 ，这一要求适用于绝大多数输入功率7 5 w 或以上 的电器设备，同时它还规定了包括高达3 9 次谐波在内的工频谐波的最大幅度。 我国也制定了相应的规范g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 、g b z 1 7 6 2 5 4 - 2 0 0 0 等。为了使电器 符合相应标准，在开关电源中必须加入功率因数校正( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ) 以使其输入电流谐波满足柑应标准。功率因数校正技术已经成为目前电力电子 技术的一个重要的研究方向。 在满足谐波标准的同时，为了降低开关电源的成本，提高变换器的稳定性 和可靠性，对单级功率因数校正变换器的要求越来越紧迫，尤其是在中小功率 应用场合。本文对单级功率因数校正变换器和单周期控制方式作了较深入的研 究，主要进行了以下几个方面的工作。 首先阐述了电流谐波的概念、危害、目的和意义，介绍了有源功率因数校 正技术的研究现状，对比了双级、单级p f c 的优缺点，对各类单级p f c 变换器 的拓扑结构、工作原理进行了比较分析详细介绍了p f c 的控制策略，重点介 绍了单周期控制方式。在此基础上，本文提出一种新型单级隔离p f c 变换器拓 扑，详细分析了电路的工作原理，建立了仿真模型，推导了系统传递函数，并 给出仿真分析和仿真波形最后把单周期控制方式在新拓扑中实现，通过以单 周期控制芯片为主导的平均电流控制方式，设计了一台小功率、低成本和高功 率因数整流器，分析了实验波形和e m i 干扰问题，样机达到了预期的目标 理论分析和实验表明该变换器具有功率因数高，谐波小、成本低和体积小 等特点。 关键词：单级变换器，功率因数，总谐波畸变，单周期控制 a b s t r a c t a st h ei m p r o v e m e n to ft h et e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i ca p p l i a n c e s h a v eb e e nu s e dt o p e o p l e sp r o d u c t i o na n dl i f e h o w e v e r , t h ee x i s t e n c eo ft h e e l e c t r i c a ln e t w o r kh a r m o n i cw a v ea n di n e f f i c i e n t p o w e rl o s sp h e n o m e n o ni s u n i v e r s a l ，w h i c hh a ss e r i o u s l yd i s t u r b e dt h eo t h e ra p p l i a n c e sl i n k e do nt h es a m e p o w e r , a n da l s ob r o u g h tt h eh u g eh i d d e nd a n g e ro ft h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dt h e e l e c t r i c a ln e t w o r k t h ei n t e r n a t i o n a le l e c t r i c i a nc o m m i t t e e ( i e c ) h a si n s t i t u t e d e u r o p e a ns t a n d a r di e c 6 10 0 0 3 - 2 t h i si ss u i t a b l ef o rm a j o r i t ye l e c t r i ca p p l i a n c e s p o w e r e da t7 5 w o rm o r e m e a n w h i l e ，i th s aa l s os t i p u l a t e dt h eu l t i m a t ea m p l i t u d eo f t h eh a r m o n i cw a v e ，i n c l u d i n gt h ew a v ea sh i g ha s3 9s u b h a r m o n i c s o u rc o u n t r yh a s a l s of o r m u l a t e dc o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d ：g b17 6 2 5 1 19 9 8 ，g b z17 6 2 5 4 2 0 0 0a n d s oo n i no r d e rt om a k et h ee l e c t r i ca p p l i a n c ec o n f o r mt h ec o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d ， w es h o u l du e st h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni nt h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yt om a k e i t si n p u tc u r r e n th a r m o n i cw a v es a t i s f yt h es t a n d a r d t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t e c h n o l o g yh a sp r e s e n ta l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no ft h e e l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y s a t i s f y i n gt h eh a r m o n i cs t a n d a r d ，a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt or e d u c et h ec o s to f s w i t c hp o w e r , i m p r o v i n gt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc o n v e r t e r , t h i si sm o r e i m p o r t a n tt os i n g l es t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n v e r t e ra n dr e q u e s ti sm o r ea n d m o r eu r g e n t e s p e c i a l l yi ns m a l la n dm e d i u m - s i z e dp o w e ra p p l i c a t i o m t h i st h e s i s s t u d y so ns i n g l es t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n v e r t e ra n ds i n g l ec y c l ec o n t r o l c o n t r 0 1 f o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t so fr e s e a r c h f i r s t l ye x p o u n dt h ec u r r e n th a r m o n i ch a r m ，t h ec o n c e p t ，p u r p o s ea n dm e a n i n g , i n t r o d u c et h ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hs t a t u s c o n t r a s tt h e s i n g l es t a g ep f cw i t hd o u b l es t a g ep f c ，s h o wt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ， f o ra l lk i n d so fs i n g l es t a g eo ff f cc o n v e r t e rt o p o l o g ys t r u c t u r e , t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fac o m p a r a t i v ea n a l y s i s i n t r o d u c et h ec o n t r o ls t r a t e g yo fp f cs i n g l e c y c l ec o n t r o lm a i n l yi n t r o d u c e dw a y s s e c o n d l y , t h i st h e s i sp r o p o s e san e wk i l l do f s i n g l es t a g ei s o l a t e dp f cc o n v e r t e rt o p o l o g y , d e t a i l e da n a l y s i so ft h ec i r c u i t p r i n c i p l eo fw o r k ，as i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，t h es y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o n , i l a n dg i v et h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nw a v e f o r m f i n a l l y , u s et h eo n l ye y c l e c o n t r o lc h i po nt h en o v e lc o n v e r t e r , t h r o u g h 、i ms i n g l ec y c l ec o n t r o lc h i pf o rt h e l e a d i n ga v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm o d e ，d e s i g n e das m a l lp o w e r , l o wc o s ta n dh i 曲 p o w e rf a c t o rr e c t i f i e r , a n a l y s e st h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r ma n de m ii n t e r f e r e n c e p r o b l e m s e x p e r i m e n t a ld e v i c ec a l la c h i e v et h ed e s i r e dg o a l s t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ec o n v e r t e rh a s h i g hp o w e r f a c t o r , h a r m o n i cs m a l la n dl o wc o s t ，s m a l lv o l u m ee t cc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：s i n g l es t a g ec o n v e r t o r , p f c ，t h d ，o c c 1 1 1 目录 摘要i a b s t r a c t ：i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景。l 1 1 1 电网谐波成因与危害l 1 1 2 谐波电流的限制标准2 1 1 3 谐波抑制的方法一3 1 1 4 功率因数和谐波畸变的定义4 1 2 功率因数校正技术现状与发展方向5 1 2 1 无源功率因数校正技术5 1 2 2 有源功率因数校正技术6 1 2 3 功率因数校正技术的发展方向8 1 3 课题研究的目的与意义。8 1 3 1 课题研究意义8 1 3 2 课题研究目的9 1 4 本文主要内容9 第2 章单级p f c 拓扑结构及控制策略分析1 l 2 1 单级p f c 拓扑概述1 l 2 2 单级p f c 拓扑分析1 1 2 2 1p f c 级d c m 模式1 l 2 2 2p f c 级c c m 模式12 2 2 3 全桥模式13 2 3 功率因数校正的控制方式1 5 2 3 1d c m 控制方式1 5 2 3 2c c m 控制方式16 2 3 3b c m 控制方式1 9 2 4 功率因数校正新型控制方式2 0 i v 2 4 1 单周期控制方式2 0 2 4 2 滑模变结构控制。2 4 2 4 - 3 空间矢量p w m 控制2 5 2 4 4 无差拍控制2 5 2 5 本章小结2 6 第3 章单级隔离p f c 变换拓扑研究2 7 3 1 主电路工作原理2 7 3 2 主电路的数学模型3 0 3 2 1 电路的理想开关模型3l 3 2 2 状态空间平均模型3 l 3 2 3 小信号模型3 3 3 3 主电路的m a t l a b 仿真3 6 3 3 1 开环状态下的仿真3 6 3 3 2 反馈回路的设计3 8 3 3 3 闭环状态下的仿真3 9 3 4 本章小结4 0 第4 章单级隔离p f c 变换器的设计与实现4 1 4 1 系统的总体设计4 l 4 2 主电路设计4 2 4 2 1 变压器参数设计4 3 4 2 2 输入电感l l 的选择4 4 4 2 3 电容的选取4 5 4 2 4e m i 滤波器的设计4 6 4 3 控制电路的设计4 6 4 3 1 单周期控制芯片i c e l p c s 0 1 4 7 4 3 2 逆变控制芯片s g 3 5 2 5 4 9 4 3 3 电压反馈电路5 0 4 3 4 频率同步电路5 2 4 3 5 逻辑判断电路5 3 4 4 本章小结5 6 v 第5 章实验结果与分析5 7 5 1 实验波形分析5 7 5 2 电路损耗分析5 8 5 2 1 功率管的开关损耗5 8 5 3 2 电感和变压器磁芯损耗5 9 5 3 3 主电容上的损耗6 0 5 3 电磁干扰分析6 0 5 3 1 电磁干扰介绍6 0 5 3 2 变换器上的电磁干扰6 l 5 4 本章小结6 2 第6 章总结与展望6 3 6 1 总结6 3 6 2 展望6 3 参考文献6 5 作者硕士期间发表的论文6 8 蜀c谢6 9 v i 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 电网谐波成因与危害 伴随着先进半导体功率器件的应用，电力电子技术在近年得到了快速发展， 已经在家电、电力、通信、交通、能源等领域得到广泛应用。交流电网经整流 供给直流负载是电力电子技术及电子仪器中应用最为普遍的一种整流方案，即 设备通过桥式整流器直接和交流电网相接。不过，这种非线性电路会使设备产 生大量的无功功率和电流谐波而污染公共电网，不仅严重影响了供电质量，还 增加了电网无功损耗。电力系统的谐波问题，在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引 起了人们的关注，最早在德国，电压、电流波形的畸变是由于使用静止汞弧交 流器。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经 典论文。现在关于谐波的成因与危害，越来越受到人们的研究重视。 目前，在大部分的用电设备中，虽然工作电源直接来自交流电网，但很多电 子线路和设备均必须采用直流供电，因此交流直流变换器成为电子电气产品中不 可或缺的部分。最简单的交流直流变换器是由普通二极管整流桥来实现，输出直 流电压是不可调节的，低频电压纹波由大电容滤除原理图如图1 - 1 所示 1 l d l ，0 121 0 2 2、 v e u t 争 仁一1 c 1 1 d 3 2l 1 0 42、 图1 1 传统a c d c 变换器 因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输 入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容能够将电 压维持在输入正弦电压的波峰值处，维持到下一个电压峰值到来时再对电容进 行充电。在这种情况下，只能在电压波形各峰值处从输入端吸收电流，而且电 武汉理工大学硕士学位论文 流脉冲必须拥有足够的能量，以保证在下一个峰值到来之前能维持负载电压。 这一过程通过在短时间内将大量电荷充入电容，之后由电容慢慢地向负载放电 来实现，不断重复这一过程。电流脉冲是周期的1 0 到2 0 ，这意味着脉冲电流 应为平均电流的5 到1 0 倍。图卜2 描述了这种情况。 o丌氏 。 w l 图i - 2 输入电压和电流波形 脉冲状的输入电流中含有大量谐波，并注入电网。谐波电流对电网的危害 主要表现在以下五个方面： ( 1 ) 高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，此外相同频率的谐波 电压和谐波电流会产生同次谐波的有功功率和无功功率，电网电压降低，线路 损耗增大，浪费电网容量， ( 2 ) 影响供电系统的无功补偿设备，谐波注入电网时容易造成变电站高压 电容过电流和过负荷。 ( 3 ) 影响设备的稳定性，尤其是对继电保护装置，危害特大 ( 4 ) 谐波的存在会造成异步电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备 产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备 的准确性。 ( 5 ) 谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使 用容量和使用效率；还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命 1 1 2 谐波电流的限制标准 为了降低变换电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波污染， 提高电网的可靠性，保证电网供电质量，也为了提高输入端功率因数，必须采 取措施限制电路的接入端谐波电流的大小。目前，美国i e e e ( i n s t i t u t co f e l e c t r i c a l & e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) ，国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l 2 武汉理工人学硕士学位论文 c o m m i s s i o n ) 和欧洲电工技术标准委员会( e u r o p e a nc o m m i t t e e f o r e l e c t r o t e c h n i c a ls t a n d a r d i z a t i o n ) 都对谐波含量都制定和实施了相应的标准。相应 标准如表1 - 1 所示。 表1 1国内外功率因数校正的各种标准 国家组织标准名称标准类型范围 国际 m c 6 0 0 0 3 2 a 类所有其他系统 中国g b l 7 6 2 5 1 - 2 0 0 3b 类动力工具 欧共体 e n 6 1 0 0 0 3 2 p r a l 4c 类 照明系统 日本 j i sc6 1 0 0 0 3 2d 类 p c 、显示器、电视 本文预期设计1 2 0w 的实验样机，因此属于i e c l 0 0 0 3 2 标准规定的d 类 7 5 - 6 0 0 w 的电气设备范围，表1 - 1 给出i e c l 0 0 0 3 2 标准对d 类电气设备输入 电流各次谐波的限制值 表1 2i e c l 0 0 0 3 2 标准对d 类电气设备输入电流各次谐波的限制 谐波次数n 3 5 7 9 l l 1 5 n 3 9 h l n ( m a w ) 3 41 91 o0 50 3 53 8 5 n 谐波电流 2 3 01 1 4o 7 70 4 0o 3 32 2 5 n 由于谐波标准的实施。使得电力电子装置的生产厂家不得不采取措施来降低 其产品产生的谐波，进而推动了谐波抑制技术的发展关于如何降低电力电子 装置产生的谐波是当今电力电子学领域的热点之一 1 1 3 谐波抑制的方法 谐波抑制有两种方法，一种是针对电网的谐波补偿的被动方法，传统的无 源滤波器采用l c 谐振电路，虽然这种方法既可以补偿谐波，又可以消除无功功 率，并且结构简单，被广泛的应用，不过被动补偿的主要缺点是补偿特性会受 到电路阻抗和负载大小的影响，容易与系统发生并联谐振，谐波会被放大，可 能导致补偿网络过载甚至烧毁。此外，它仅仅能补偿固定频率的谐波，补偿效 果不理想，同时还存在着谐波含量高、波峰系数等技术问题，需要继续消除。 无源功率因数校正电路前端滤波器工作在工频状态下，导致电容和磁芯处于工 3 武汉理工大学硕士学位论文 频低通或者是带通状态，因而滤波器的体积大，电感上压降比较高，功率因数 不高。另外一种解决谐波问题的积极方法是清除或者降低电力电子装置的谐波 污染，有源功率因数是提高功率因数，减少谐波的重要方法，它的基本原理是 从补偿对象中检测出谐波分量，由补偿单元产生一个与该谐波分量大小相等但 极性相反的补偿电流，这样电源电流只剩下基波分量。这种方法能对电流的频 率和幅值都变化的分量进行补偿，并且补偿特性不受电路阻抗的影响。不过在 实际应用中，产生合适的补偿电流是困难的，与设置补偿单元来补偿谐波和无 功功率相比，两种方法相对而言，改变整流器自身性能的方法是一种更为积极 更为应用广泛的方法。 1 1 4 功率因数和谐波畸变的定义 功率因数是电路性能的重要因数，功率因数的定义是有功功率和视在功率 的相比值，如式( 1 - 1 ) 所示： dd p f = 三= 三一 ( 卜1 ) sy l x i r m s 在上式中分子为有功功率，分母为视在功率，v l 为电网电压基波有效值， i r m s 为输入电流有效值 整流器电路中，电网输入电压波形是正弦，含有谐波的输入电流有效值为： l 嗍2 ( 1 - 2 ) 上式中k 1 ) 是电网电流基波有效值，町是第n 次谐波分量有效值，这里 都以有效值来计算。当基波电流完全跟踪输入电压时，功率因数可以定义为： p f ：掣：_ i r m m ( i ) c o s 8 ：局 ( 1 3 ) k i 。i 嘲 。 在上式中，定义畅为相移因子，钇是电流波形畸变因子。 总谐波畸变率( t h d ) 是衡量谐波含量多少程度的一个重要参数，总谐波畸变率 的定义是： 4 ( 1 - 4 ) 一 町 一 一 州 一删 一，尹 一。盟扛辱 = 武汉理工大学硕士学位论文 总谐波畸变率与功率因数的关系可表示为： 阿= ；呈! ! 堡。( 卜5 ) , 1 + ( 刀) 2 由定义表达式可知，当总谐波畸变率一定时，相位角越小，功率因数就越 低；相位角一定时，总谐波畸变率越大，功率因数就越低。因此，提高功率因 数应该从降低总谐波畸变率( t h d ) 和减小相角差0 两方面来解决。 当相位角相差为零时，由式( 1 - 5 ) 所得计算值见表卜3 所示 表1 3 功率因数与t h d 相应计算结果 p f0 5 8 1 2 40 9 9 0 3 40 9 9 5 0 40 9 9 8 7 5o 9 9 9 5 5 t h d ( ) 1 4 01 41 053 由表1 - 3 可见，当相位相差为零、总谐波畸变率小于5 时，p f c 可达到在 0 9 9 9 左右。 1 2 功率因数校正技术现状与发展方向 功率因数校正技术( p f c ) 可分为两种，无源功p f c 技术和有源p f c 技术， 有源功率因数校正技术可以分为两级有源功率因数校正技术和单级有源功率因 数校正技术，下面总体上对它们进行描述。 1 2 1 无源功率因数校正技术 普遍采用的无源功率因数校正技术是在电路输入端接入滤波器或是在整流 桥与电容之间接一个电感滤波，如图1 - 3 所示。 1 l d 2 j、 j l 广r 一 v = - 1 c 3=l c 4 l 一 -1一 z lz 图1 3 无源功率因数校正技术 5 武汉理工大学硕士学位论文 这种无源p f c 整流器是把电感添加在二极管整流桥后，另外将l c 增加在滤 波网络和整流桥之前。如果想让功率因数变高，可在整流桥后加入滤波网络。 图中1 c 3 是小电容，该电容上的电压会跟随输入电压波动，就会导致整流二极 管的导通角增大，进而使功率因数值变高。 无源功率因数校正技术主要优点是设计简便、成本少；它的主要不足是无源 滤波电感的体积大，而且几乎不可能得到很好的校正效果。在电力电源发展过 程中，整流变换器向着体积小、集成度高的方向发展，所以无源p f c 技术已经 不能满足电力电源的技术需要。 1 2 2 有源功率因数校正技术 9 0 年代以来，有源功率因数校正技术已经得到了很大的进步。有源功率因 数校正技术变换器在高频开关状态下运行，电源可以道道体积小、重量轻、功 率因数高及适应输入电压范围宽等优点。有源功率因数校正电路分类方法很多。 由电网供电方式可分为单相功率因数校正和三相功率因数校正：由控制方法来 划分，有源功率因数校正可以采用脉宽调制、单环电压反馈控制、频率调制、 双环电压电流模式、滑模控制及其他各类控制策略；由电路拓扑结构上来划分， 有源功率因数校正可分为两级功率因数校正和单级功率因数校正：由输入电流 工作方式划分，有源功率因数可分为电流连续模式、电流断续方式和电流临界 断续方式等。下面先由变换器结构上对功率因数校正技术分析和比较 ( 1 ) 两级功率因数校正技术 两级功率因数校正技术经过多年大量的研究，是最常用的方案，相对来说 比较成熟。两级方案是由两个相互独立的单元分别来实现功率因数校正以及稳 定输出电压。两级p f c 方案的方框图如图1 - 4 所示。 d c m c 级 图l _ 4 两级功率因数校正框图 6 武汉理工大学硕士学位论文 在两级结构中，功率因数校j 下级通常采用b o o s t 、b u c k b o o s t 或f 1 y b a c k 等变换器实现p f c 。b o o s t 工作原理是：整个前级包括升压电感，高频开关管s ， 整流桥和储能电容c ，升压电感电流波形和电压输入波形功率因数校正单元采 样，根据特定策略算法使得输入电流能够跟随输入电压波形，从而达到线电流 正弦化，这样可获得接近l 的功率因数；同时采用电压反馈，使功率因数校正 级输出电压近似为平滑的直流输出电压( 可能开始会有超调) ，输出电压幅度一 般是3 8 0 v 一- - 4 0 0 v ，功率因数校正单元可以对电压进行控制，输入交流电压可 在8 5 v - 一2 6 5 v 宽范围变化，后级直直变换器用以实现输出电压和输入电压的隔 离，对输出电压进行精确调节。 两级功率因数校正具有优良的性能，例如输入电流的总谐波畸变率一般小 于5 ，功率因数很高，并且输出电压很稳定；不过两级功率因数校正至少得 有两个开关管和两套控制电路，这就增加了电路成本和电路复杂程度。 ( 2 ) 单级功率因数校正技术 相比两级功率因数校正，单级功率因数校正电路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单级功率因数校正电 路具有电路简单、成本低的特点，适合在小功率场合应用。单级功率因数校正 电路稳定工作状态时，高频开关管占空比基本不变。单级功率因数校正电路比 无源功率因数校正电路在总谐波畸变和功率因数上表现好，但还不如两级功率 因数校正电路。尽管单级功率因数校正电路输入功率因数没有两级的好，但其 电流谐波依旧满足i e c 要求。本课题中的样机也是基于此设计的单级功率因 数校正框图如图卜5 所示 图1 - 5 单级功率因数校正框图 单级功率因数校正拓扑中，功率因数校正单元与直直变化单元共用一个开 7 武汉理工大学硕士学位论文 关管，直直变换器产生一个恒定占空比的开关控制信号，p f c 级升压电感工作 在断续模式，输入电流的峰值跟随电压峰值，波形接近正弦波，功率因数较高。 这说明单级功率因数校正拓扑通过一个开关管和一套控制电路，即可同时实现 功率因数校正和输出电压稳定。但该电路存在一个很大的缺点，输入电压过大 或者轻载时，可能导致主电容上的电压应力过大，影响电路的稳定性。 由于两级方案的成本高，不适合应用于小功率场合，在这种背景下，单级 功率因数校正电路收到重视。有别于两级功率因数校正，单级功率因数校正电 路中，由于电路只调节输出电压，而不控制主电容上的电压导致主电容电压 不稳定。也就是说，单级功率因数校正拓扑的主电容电压随着输入电压和负载 的变化而不稳定，电路的可靠性降低为了减小电容电压的变化范围，为了降 低主电容上的纹波，对电容的容量和耐压提出了挑战 除了两级方式p f c 变化器和结合型单级p f c 变化器外，p f c 变换器还包括 控制电容能量方式和并联型p f c 变换器。 1 2 3 功率因数校正技术的发展方向 有源功率因数校正技术已成为电网中电力电子整流设备谐波治理的重要手 段。目前，功率因数校正技术的研究热点主要集中在以下几个方面h 1 ： ( 1 ) 新型功率因数校正变换器拓扑的提出主要是基于已有的或新原理得 到新型变换器。 ( 2 ) 把直直变换器中的新技术用在功率因数校正拓扑中，如z v s 技术、 z c s 技术和电压钳位等。 ( 3 ) 新的控制方法以及基于新拓扑的特殊控制方法，比如单周期控制方法 和空间矢量控制法等。 ( 4 ) 单级功率因数校正拓扑的研究。在单级系统中，功率因数校正和稳定 输出电压之间存在取舍，为了更好了解此类变换器，因此需要研究这类结构的 可靠性、稳定性、传输比等问题。 1 3 课题研究的目的与意义 1 3 1 课题研究意义 谐波危害的后果，前文已经介绍。谐波抑制和提高功率因数的水平还在于 8 武汉理t 大学硕士学位论文 电力电子技术的发展。电力电子科学必将成为未来科学技术发展的重要支柱。 不过，随着电力设备的普及，阻碍电力电子专业发展的重大屏障竟然是由电力 电子设备产生的谐波，这样我们必须重视谐波问题，研究如何抑制谐波，并且 可以e m i 保护，这样就提高系统稳定性。 谐波抑制技术和p f c 技术其实可以上升到治理电力环境污染、维护绿色 电力的高度。对于电网电力系统这个环境来说，无谐波就意味着“绿色 环境， 电能可以在绿色的高速大道上高效传输。在国际电力电子领域，要求“绿色 电力电子的呼声越来越高目前，对绿色能源的使用，成为各个国家的共识， 电力电子技术在这个里面扮演者极为主要角色，对于电力系统谐波污染问题也 到了每个电子装置必须要解决的问题。 。所以，谐波抑制和提高电力电子装置功率因数成为一个重要的课题。 1 3 2 课题研究目的 电力电子技术的发展，使得功率因数校正技术出现了很多的拓扑结构和卓 有成效的控制策略，有的拓扑或者控制策略甚至成为工业应用的典型，取得了 巨大的成果，但是各种拓扑和方法中存在着这样或者那样的缺陷。本论文对这些 拓扑结构和控制策略研究的基础上，提出了一种新型的单级隔离型变换器结构， 并利用单周期控制技术，可以在整流器的输入端得到很高的功率因数，直流母 线上的大电容电压和d c d c 级输出电压都可以实现平滑稳定、纹波小，且根据 负载可实现快速调整。 由于单周期控制技术是一种非线性和标准的脉冲宽度调制( p w m ) 技术，对 半导体开关变换器，运用单周期控制，实现了在一个周期内的多重控制策略， 完全可以运用到更大功率的场合。 1 4 本文主要内容 本文主要内容包括如下： 第一章介绍了电网谐波的成因与危害，介绍了功率因数的概念，并对有源 功率因数校正技术中的两级p f c 和单级p f c 技术进行了分析和对比，指出了单 级p f c 技术适合小功率应用，是性能和成本之间的折衷。 第二章介绍了各类单级p f c 变换器拓扑和控制方式，并对b o o s t 型单级p f c 9 武汉理工大学硕士学位论文 交换器划分，比较归纳了它们的优缺点。介绍了p f c 的典型控制方式与新型控 制方式，重点介绍了单周期控制方式。 第三章提出一种新型单级p f c 变换器，详细分析了电路的工作原理，推导 出小信号模型和空间状态方程，并进行了实验仿真。 第四章给出了新型单级p f c 变换器的硬件设计，包括采用的芯片、电感、变 压器和各种辅助电路的参数设计，使样机整体成型 第五章分析了从硬件电路得到的实验波形，进行了谐波分析，通过实验证明 所提出拓扑可以实验设计要求。分析了整个电路的e m i ，提出了改进方法 本课题研究的是单级p f c 技术，提出了新型拓扑并应用的新型的控制方式， 符合p f c 技术的发展潮流，有利于促进发展电力电子的p f c 技术 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章单级p f c 拓扑结构及控制策略分析 2 1 单级p f c 拓扑概述 单级p f c 变换器电路最早提出是在2 0 世纪9 0 年代初期，由美国科罗拉多 大学的e r i c k s o n 教授等提出的所谓单级p f c 电路方式，即在输入正选信号上叠 加高频脉动信号。单级p f c 技术把p f c 级和d c d c 级整合在一起，共用一 个功率开关管和一套控制电路，故具有结构简单、成本低等优点不过控制电 路只能对输出电压调节，p f c 级不受控制，在一个电源周期内开关信号的占空 比大概保持不变，在固定占空比的情况下，要求升压电感l 能够自动实现输入 电流整形工作。正是由于这样的限制，单级功率因数校正拓扑仅仅能应用在小 功率场合。当变换器工作在固定占空比时，很少拓扑可以在c c m 模式达到很 好的功率因数校正功能，不过可以通过在电路中加入无源器件，如电感和电容 组成的无源网络，改变功率因数校正单元的占空比，使得输入电流波形基本跟 随输入电压波形，以此达到功率因数校正。只要能满足i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准，结 构简单，成本低、效率高，就被认为是好的电路拓扑。 2 2 单级p f c 拓扑分析 由以上分析可知，单级p f c 拓扑种类很多，它们有各自的特点，不过基本 都是在典型单级p f c 基础上，围绕着减小器件的电压应力，改变输入电流波形， 降低电路的损耗等等而进行改进。 本文主要讨论b o o s t 型全桥模式的单级p f c 拓扑。 2 2 1p f c 级d c m 模式 如图2 - 1 所示为最典型的p f c ( b o o s t ) 型单级p f c 拓扑 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1p f c 级d c m 模式拓扑结构 在b o o s t 型单级p f c 变换器中，整流桥后接电感2 l 1 ，在电感2 l 1 的输出端、 储能电容2 c d l 的正端和开关管s 1 的漏极之间加入二极管、电感、电容、变压 器绕组，实现功率因数校正功能在主电容后接正激或反激等变换器，可以实现 输出电压快速调节目的 单级p f c 级d c m 模式变换器，其p f c 单元通常由一个b o o s t 电感2 l 1 和一 个开关管组成。高频信号源通常由无源器件组成，例如：电感、高频电容、高 频二极管及变压器耦合绕组，与后级直直变换器相作用产生一个开关频率的高 频信号。它是在两级功率因数校正拓扑结构上，把功率因数校正级和直直变换 级的开关管合并为一个，增添两个二极管2 d i 、2 d 2 可以防止电流反向，起到 保护作用。当开关管s l 导通时，b o o s t 电感电流流过2 d 2 和s l ，电感电流上 升，电感储能；当s 1 关断时，电感储能通过2 d i 释放到储能电容2 c d l ，升压 电感上的电流下降到零。 上述p f c ( d c m ) + d c d c ( d c m 、c c m ) 组合电路工作方式有一个共同特点： 功率因数校正的l 1 与开关和开关动作直接相连。这种方式的电路输入电流处于 不连续导电模式，输入电流波形准正选，不过输入和输出电流峰值较高，增加 了旗舰的电流应力、输入e m i 滤波器体积较大。在c c m 下，负载变轻时，输 出功率变小，占空比不随负载变化而变化。这样充入储能电容的能量大于从储 能电容放走的能量，导致储能电容电压上升。为了保持输出电压抑制，电压反 馈环节调节输出电压，使得占空比减少，从而相应的减小输入能量。这个动态 调节过程要到输入和输出功率平衡后才能停止，负载减小