（控制理论与控制工程专业论文）基于saber的boost+apfc仿真分析及dsp实现.pdf

摘要 摘要 随着各种电力电子装置在电力系统、工业及家庭中的广泛应用，保护电网 安全和低污染地利用电能资源成为同益关注的问题。为减少对交流电网的谐波 污染，国内外推出了一系列限制电流谐波的标准，如i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准，要求 交流输入电源必须降低电流谐波含量，提高功率因数。因此，功率因数校f ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p f c ) 作为解决该问题的重要途径，成为学术界的关 注点。随着集成电路的发展和数字控制技术的不断成熟，数字控制技术与功率 因数校正技术的结合逐渐成为电力电子领域的热点研究方向。 文本在对功率因数校正技术中的功率拓扑结构和控制方法进行分析的基础 上，根据设计要求采用b o o s t 功率拓扑结构和平均电流模式的控制方法设计p f c 数字控制器。通过功率因数校】下的系统仿真工作，验证控制方法的可行性。最 后基于d s p 对该系统进行实现，得到输入电流接近正弦、功率因数接近单位1 、 低电流谐波的满意实验结果。 本文首先介绍了p f c 基本控制原理，引入了几种功率拓扑结构和控制策略， 阐述了它们的优缺点。在此基础上，本文采用基于乘法器的电流环和电压环的 双闭环控制结构，控制算法采用p i 模式，并且对输入电流在过零点处的跨越失 真进行零点补偿。设计中，建立工作在平均电流模式下的b o o s t 电路的小信号数 学模型，分别得出被控变量的传递函数，从而确定电流控制环和电压控制环的 开环传递函数，为双闭环控制系统中的p i 调节器确定调节参数。应用s a b e r 软 件对该系统进行一系列的仿真分析和优化，验证了设计的j 下确性和实验的可行 性。最后，对该系统进行实验。硬件设计部分包括功率电路元器件参数、驱动 电路和采样电路，控制设计部分采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的d s p 芯片作为控制平台开 发控制器，实现p i 控制环节、采样算法环节、软启动环节和电压前馈环节的功 能。于是，完成了一个p f c 数字控制实验装置，并通过实验获得了较好的实验 波形。 实验结果证实了理论分析的正确性和控制方案的可行性，取得了预期的效 果。 关键词：功率因数校正、b o o s t 电路、p i 控制器、数字控制、s a b e r 、零点补偿 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti si n c r e a s i n g l ym o r ei m p o r t a n tt op r o t e c tt h es a f e t yo fp o w e rg r i da n dd i m i n i s h t h ec u r r e n th a r m o n i cw h i c h h a r m st os y s t e ma n de l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n tw i t h t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c ei np o w e rs y s t e m ，i n d u s t r ya n d f a m i l y t h u ss o m ec o u n t r i e sa n dt h ei n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n sr e l e a s er e l e v a n t s t a n d a r dt or e d u c ep o l l u t i o no ft h ec u r r e n th a r m o n i ca n di n c r e a s et h ep f ( p o w e r f a c t o r ) s u c ha si e c6 10 0 0 3 2a n ds oo n s op 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 y b e c o m e san e wf o c u sp o i n ti np o w e ra c a d e m ea sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t ec i r c u i ta n dd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , p f c t e c h n o l o g yc o m b i n i n gw i t hd i g j i t a lc o n t r o lh a sb e c o m ean e wr e s e a r c hh o t s p o ti n p o w e r e l e c t r o n i c sg r a d u a l l y b a s e do na n a l y s i so ft h ep o w e rt o p o t y p es t r u c t u r e sa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so f p f ct e c h n o l o g y , t h i s p a p e ra p p l i e sb o o s tc i r c u i t a s p o w e rt o p o t y p e a n d a v e r a g e c u r r e n tc o n t r o lm o d et od e s i g nt h ep f cd i g i t a lc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h e d e s i g nr e q u i r e m e n t t h e ns y s t e ms i m u l a t i o ni sa d o p t e dt ov e i l f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o n t r o lm o d e a tl a s t ，d s pi sa p p l i e di nt h ep f c s y s t e ma sd i g i t a lc o n t r o l l e rt om a k e t h ei n p u tc u r r e n tc l o s et os i n ew a v ea n dp fv a l u ea p p r o x i m a t e1 s ot h ee x p e r i m e n t r e s u l t sa r es a t i s f i e df o rt h el o wt h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t r i b u t i o n ) a tf i r s tt h i sp a p e ri n t r o d u c e sp r i n c i p l eo ft h ep f c ，a n ds t a t e sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h ep o w e rt o p o t y p es t r u c t u r e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e su s e di nt h ep f c t h u sm u l t i p l i e r - b a s e dd o u b l e - l o o p ( v o l t a g ec o n t r o ll o o pa n dc u r r e n tc o n t r o ll o o p ) p i c o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e di nt h ep f c m o r e o v e rt h ez e r oc o m p e n s a t i o ni sa v a i l a b l e f o rt h ei n p u tc u r r e n to nz e r oc r o s sd i s t o r t i o n t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h es m a l l s i g n a l a cm a t h e m a t i cm o d e lf o rt h eb o o s tc i r c u i tu n d e rt h ea v e r a g e c u r r e n tm o d et og e tt h e t r a n s f e rf u n c t i o no ft h ev a r i a b l e sc o n t r o l l e d t h e nt h eo p e n l o o pt r a n s f e rf u n c t i o no f t h et w oc o n t r o ll o o p sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h ep ip a r a m e t e r s s a b e rs o f t w a r ei s a p p l i e d t os i m u l a t ea n do p t i m i z et h ep f cs y s t e mt o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m a tl a s tt h ee x p e r i m e n th a st ob ed o n eb a s e do nt h ea b o v et h e i i w o r k t h eh a r d w a r ei n c l u d i n gt h ep o w e rc i r c u i tc o m p o n e n t s ，t h ed r i v e c i r c u i ta n dt h e s a m p l i n g c i r c u i ti sd e s i g n e d t h ec o n t r o l l e r i st m s 3 2 0 f 2 812d s pc h i p a s d e v e l o p m e n tp l a t f o r mt o r e a l i z et h ep ic o n t r o l l e r , s a m p l i n ga r i t h m e t i c ，s o f t s t a r t a r i t h m e t i ca n dv o l t a g ef o r w a r d b a c ka r i t h m e t i c s oad i g i t a l c o n t r o l l e dp f ct e s t s y s t e mi si n t r o d u c e da n d ag o o de x p e r i m e n t a lw a v e f o r mi sm a d e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc o n f i r mt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d t h e f e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls c h e m e a n t i c i p a t i o ni sr e a l i z e d k e vw o r d s ：p f c ，b o o s tc i r c u i t ，p ic o n t r o l l e r , d s p , s a b e r , z e r oc o m p e n s a t i o n u i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e p 届, j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：虱乏喀多 、矿口2 年弓只ts 鼠 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：乡良多 7 夕口p 年弓月罗日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 功率因数校正技术的研究进展 上世纪八十年代，电力电子设备中的开关电源、相控整流器等非线性负载 大量投入使用，给p f c 技术的发展提供了空间，人们最初采用电感器和电容器 构成无源网络进行功率因数校正，能使p f 值提高到o 8 。随着功率半导体器件 的发展，开关电源技术突飞猛进，有源功率因数校正p f c 技术应运而生【l ，2 】。1 9 8 6 年美国公布功率因数等于1 的电源的专利，这是最早的较完整的升压式p f c 电路。八十年代是现代有源功率因数校j 下技术发展的初级阶段，此间的研究工 作是基于b o o s t 变换器，工作方式围绕连续导电模式或不连续导电模式的理论研 究【2 】o 进入九十年代后，p f c 技术取得了长足的进展。有关论文不断发表，自1 9 9 2 年起，p e s c 设立了单相功率因数校正技术专题，这被看作是单相有源功率因数 校币技术发展的单程碑。从此，不断有新颖的功率因数校f 原理、拓扑结构和 控制方法出现。有源p f c 控制器由分体电路发展到集成电路，p f c 技术由理论 研究也逐步发展到实用化，已有部分商业化产品出现。 有源功率因数校正技术的目的在于改善开关电源的输入功率因数，减少输 入电流谐波，以满足i e c 相关标准。国外同行提高功率因数工作的重点，主要 是功率因数校j 下集成电路的开发，如u c 3 8 4 2 u c 3 8 5 4 系列、k a 7 5 2 4 、t d a 4 8 1 4 、 s t 6 5 6 1 等。国内一些厂家也作了类似的工作。此外，近年来p f c 技术研究的热 点问题集中在以下几个方面： ( 1 )新型拓扑结构的提出。主要是基于已有的或新的原理得到的新型拓扑 结构。 ( 2 ) 把d c d c 变换器中的新技术( 如软开关技术) 应用于p f c 电路中。 ( 3 ) 新的控制方法，以及基于新拓扑的特殊方法的研究。 ( 4 ) 单级p f c 变换器的研究。 总之，集成化、低成本、结构简单、易于实现，并且具有软开关性能、高 响应速度、低输出电压纹波的单极、隔离、高功率因数变换器是研究人员追求 的目标。 第一章绪论 1 2 功率因数校正技术的分类 功率因数校j 下技术根据是否采用有源器件可以分为无源p f c ( p a s s i v ep f c ) 技术和有源p f c ( a c t i v ep f c ) 技术”。无源p f c 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 技术采用有源器件，如开关管和 控制电路，实现p f c 功能。 1 2 1 无源功率因数校正技术 最早的p f c 技术是采用电感和电容构成的无源网络进行功率因数校j 下。无 源p f c 技术的主要优点是：高效、高可靠性、e m i 低、成本低。然而，无源方 案的主要缺点是：滤波电感和滤波电容的值较大，因此体积较大，重量重，而 且难以得到较高的功率因数( 一般提供到0 7 0 8 ) ，输入谐波电流的抑制效果也 不是很好【4 】。由于无源p f c 技术采用低频电感和电容进行输入滤波，工作性能 与频率、负载变化及输入电压有关，因此它比较适合小于3 0 0 w ，对体积和重量 要求不高、对成本要求苛刻的应用中。 1 2 2 有源功率因数校正技术 七十年代以后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进，到 了八十年代，现代有源p f c 技术应运而生。有源p f c 技术取得了长足的发展， 由于有源p f c 变换器工作在高频开关状态，具有体积小、重量轻、效率较高和 功率因数高等优点。八十年代的有源功率因数校j 下主要是基于b o o s t 变换器的功 率因数校正，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【5 l ，这类变换器的各种控制方式一般是基于“乘法器” 的原理，这种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，即使 到了现在，仍然广泛应用于各大功率的a c d c 变换器上。这种方式需要较复杂 的控制方式和电路，应用在小功率的形式下则不合理。八十年代末、九十年代 初，提出了利用某些拓扑工作在不连续导电模式( d c m ) 下所表现的输入电流 自动跟随输入电压的特征，实现接近1 的输入功率因数校正的方法，这种p f c 技术为自动功率因数校j 下技术或电压跟随器。 在不同角度下，有源功率因数校正技术还有多种分类方法【6 】。 2 第一章绪论 按照电路结构来划分，有源功率凶数校正技术分为两级p f c 电路和单级p f c 电路。两级p f c 电路由升压p f c 和d c d c 变换器级联而成，前级实现功率因 数校正，后级实现隔离和降压。单级p f c 电路及功率因数校正和输出隔离、电 压稳定于一身。 按照电网供电方式来划分，有源功率因数校正技术分为单相p f c 技术和三 相p f c 技术。 按照开关模式柬划分，有源功率因数校j 下技术分为硬开关模式和软开关模 式。软开关模式主要包括两类：零电流开关p f c 技术和零电压开关p f c 技术。 1 3 论文的选题背景、目的、意义 本论文的选题源于我实验室承担的8 6 3 课题，高性能集成型电子镇流器关 键技术研究与开发中的一部分。该8 6 3 课题定位于荧光灯电子镇流器网络控制 系列产品的设计研制，荧光灯电子镇流器主要由两大部分组成，即电子镇流器 控制芯片模块和照明电器功率控制模块。照明电器功率模块主要负责功率输出、 工作状态采集和保护动作等功能。控制芯片是电子镇流器的核心部分，它根据 采集的电子镇流器的工作状态和网络控制指令，完成节能控制策略、网络节能 控制功能，并提供性能评价功能和故障诊断，因此，控制芯片由六个基本模块 组成来完成上述功能。六个模块分别为变频特征模块、保护模式模块、功率因 数校正模块、节能策略模块、网络控制模块和输入输出模块。本论文正是对应 功率因数校j 下模块而进行一系列的研究。 本论文通过对功率因数校正技术的提出和分析，对功率拓扑结构和控制策 略进行数学建模来优化该芯片中的功率因数校j 下模块的功能。为芯片的研制提 供知识和技术储备，和理论上的支持。 近年来，高频开关电源在国民生活中的使用越来越广泛，特别是现在提倡 “绿色电源”，要求装置对电网无污染，主要包括谐波含量、功率因数、波形畸 变等。其中用于照明设备的电子镇流器正是“绿色电源 的典型代表，其核心 部分就是功率因数校j 下技术。因此本论文对功率因数校正技术的研究具有一定 的现实意义和实用价值。 第一章绪论 1 4 本文所做的主要工作 以b o o s t 电路作为a p f c 的功率拓扑结构，采用p i 控制基于乘法器的电压、 电流双闭环控制策略，使a p f c 工作于平均电流模式下。建立电压环和电流环 的数学模型，确定p i 控制参数。用s a b e r 软件对上述控制方式进行仿真优化， 采取多种仿真手段，并且采取相应补偿网络优化设计。实现部分采用d s p 控制， 对采样、p i 和p w m 进一步分析解释，完成实验部分，对控制策略进行验证。 4 第二章功率冈数校：的功率拓扑结构及其控制方法 第二章功率因数校正的功率拓扑结构及其控制方法 2 1 介绍有源功率因数校正 有源功率因数校正技术的目的就是通过一定的控制方法，使电源的输入电 流接近正弦波且与输入电压同相，使功率因数接近于1 。下文将对功率因数的数 学公式推导和原理进行详细介绍。 2 1 1 功率因数的定义和与谐波的数学关系 在线性电路中的功率因数习惯用c o s 表示，秒为j 下弦电压与j 下弦电流的相 位差。但是在实际电路中存在很多非线性器件，例如：二极管、三极管、m o s f e t 等开关器件，即使输入电压为正弦，但输入电流却为严重失真非j 下弦，如图2 1 所示。因此线性电路的功率因数计算不适用于a c d c 变流电路，这罩功率因数 用p f ( p o w e rf a c t o r ) 表示。 sd 2 2l c 4 c 2 r l = 、 0 3 2i1 ：) 4 2、 俯 2 - 1 a 整流电路2 i - b 输入电压和输入电流 图2 1 整流电路与波形 定义卵= 喜= 瓦p ，式中p 、s 分另l j 为系统有功功率和视在功率，、 k 分别为输入电压、电流的有效值。 输入电流为非正弦，其有效值为： 第二章功率冈数校l e 的功率拓扑结构及其控制方法 k ；衍i 了再i 磁 ( 2 1 ) 式中，乞，l 分别为输入电流的基波、二次谐波、无穷次谐波电 流的有效值。 所以，视在功率s = k = = f i 亭而 ( 2 2 ) 有功功率尸= 杉c o s 0 ， f = l ( 2 3 ) 式中和分别为输入电压电流的第i 次谐波有效值，9 为它们对应的相位差。 由于输入电压为正弦，所以它只存在基波，其余各次谐波等于零，则 p = 1 l c o s a l ( 2 4 ) 枞即= ；2 而焘2 而c o s 面t 9 1 范5 ， 式中，t h d ：、堕蔓等型生为总谐波含量。 因此，从功率因数与谐波的数学关系可知，提高功率因数可以通过减小输 入电压、电流的相位差和降低输入电流各次谐波含量的手段来实现。 2 1 2 功率因数校正的基本原理 p f c 电路拓扑结构如图2 2 所示。该结构是典型的a c d c 变换器，主电路 采用b o o s t 变换器。由于该p f c 工作在平均电流模式下【7 】，b o o s t 必须工作在连 续导通模式( c u r r e n tc o n t i n u o u sm o d e ，c c m ) 。为使功率因数接近1 和输出电压 恒定，p f c 电路引入电流和电压反馈环路构成的双闭环控制系统。外环输出电 压反馈构成电压环，提高输出电压的稳定性；内环为电流控制坏，它通过调节 开关管的占空比迫使输入电流跟踪输入电压呈正弦波形捧，9 】。 其工作原理为： 被控量为输出电压圪和电感电流f ，。分压后的输出电压圪和基准电压经 过电压误差放大器输出巧d 。盯，经电压环控制使输出电压匕恒定。全波整流电压 与呢d 沂在乘法器中相乘，产生基准电流信号( 由于d 汀基本恒定，基 6 第二章功率冈数校j 亡的功率拓扑结构及其控制方法 本跟随变化，构成随动控制系统) 。采样电阻r 。上的压降经反相器输出j 下比 于电感电流，将该采样电压与基准电流信号研经过电流误差放大器，经电流环 控制迫使电感电流t 跟踪全波整流电压吃，的波形呈币弦波形。电流误差放大器 输出电压与一个三角波电压在p w m 比较器中比较产生p w m 触发脉冲，驱动功 率m o s f e t 互，产生调制作用控制升压电感向负载提供电能。 图2 - 2p f c 电路拓扑结构 2 2 功率因数校正的几种功率拓扑结构 功率因数校j 下的基本电路有：b u c k ( 降压式) 、b o o s t ( 升压式) 、b u c k b o o s t ( 降升压式) 、c u k 、f l y b a c k ( 反激式) 等变换裂m 川。b o o s t 变换器具有独特 的优点，因而在实际中应用最为广泛。从拓扑结构上来说，b u c k 、b o o s t 两种变 换器最为基本，其它变换器结构都是由这两种基本结构演变而来。下面就对 b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 和c u k 四种基本主电路拓扑( 如图2 3 图2 - 6 ) 的 特点作简单地阐述。 y i d 5 一一 i d l zd 2 矾 _= c o 、”，一 c ， ， _ 一一 z区d 3jd 4 图2 - 3b u c k 电路拓扑结构 图2 4b o o s t 电路拓扑结构 第二章功率冈数校j j ：的功率拓扑结构及其控制方法 t 1d 5 、 一 i = c “! s d l2l d 2 铀 - 、 -= c o j 。一 _ z、d 32d 4 图2 5b u c k b o o s t 电路拓扑结构图2 - 6c u k 电路拓扑结构 2 2 1 降压型 ( 1 )电源输入电流不连续，因此当功率开关管t 1 关断时，电源杉与l c 拓 扑网络相互隔离。这一方面限制了变换器的转换功率，另一方面使得 输入电流的纹波较大，在一定程度上增加了对滤波电路的要求。 ( 2 )变换器工作时，功率开关管的源极电位是浮动的( 当功率开关管t l 导通时，源极电位为形，当开关管t 关断时，源极电位为零) ，因此 当输入电压较高时，功率管的控制需要专门的浮动驱动，增加了电路 的复杂性。 ( 3 )b u c k 变换器只能实现降压功能，因此并不适宜于直接a p f c 变换级， 因为该电路的输入电压是由全波整流变换而得到的半正弦波，在一个 大范围内变化( 对于2 2 0 v a c 电源，变化范围是o 3 1 1 v ) ，当输入电 压小于圪时，变换器不能够工作，这样，输入电流在电源低压时会有 一个“导通死角 存在，因此限制了功率因数的提高。 2 2 2 升压型 ( 1 ) b o o s t 变换器作为p f c 主回路时，只能实现升压变换，这样保证了整 个电路在一个平衡的稳定状态：即电感l 在功率管t l 导通时充电， 在功率管t 1 关断时放电。 ( 2 )交流输入电流始终和电感电流相等，因此输入电源电流可以处于连续 状态，这点在实现大功率的d c d c 变换和p f c 功能时，具有独特 第二：章功率闪数校止的功率拓扑结构及其控制方法 的优势。同时，由于输入电流可以处于连续状态输入电流纹波较小， 降低了对滤波电路的要求。 ( 3 )由于功率开关管的源极电位始终为( 处于地电位) ，因此，功率管的 控制很容易。 2 2 3 降升压型 ( 1 ) b u c k b o o s t 变换器作为p f c 主电路可以实现任意的降压升压输出， 也可以实现反极性输出，因此在应用中克服了单一的b u c k 或b o o s t 变换器作为p f c 主电路时只能降压或者升压输出的缺点，应用更为灵 活。 ( 2 )电源输入电流是不连续的，其输入电流性质和b u c k 型p f c 相似，电 路的输入端本身就是b u c k 变换器，因此，同样增加了滤波电流的要 求。 ( 3 )输入电流的性质与b u c k 变换器相类似，但是它克服了单一b u c k 变换 器的输入电流在电源低电压时有“导通死角”存在的问题，因此可以 用作a p f c 变换器。 2 2 4c u k 型 c u k 变换器的发展思路是把b o o s t 和b u c k 变换器串联起来进行演变，因此 c u k 变换器又名b o o s t b u c k 串联变换器。 ( 1 )功率开关管t l 导通和关断时，电感l l 和l 2 上的电流都可以保持连 续，并且输入电源电流和电感l 1 上的电流相等，与单一b o o s t 变换器 电路的电流输入特性相同。 ( 2 ) 增加电感l 1 和l 2 的值，可以使得纹波电流值很小，在应用中不需要 附加抗电磁干扰( e m i ) 滤波器，使体积小型化。 ( 3 )可以实现降压和升压功能。 2 3 功率因数校正控制方案 实际应用中，针对不同的a p f c 主功率变换结构采用不同的控制方法。但 9 第一二章功率冈数校止的功率拓扑结构及其控制方法 是无论采用哪一种结构，从实现p f c 的目的来看，所需要控制的变量都是两个： ( 1 ) 输出电压，必须保证输出电压是一个( 近似) 恒定的直流电压。 ( 2 ) 输入电流，必须控制输入电流跟随输入电压，使之与输入电压同频相， 保证输入端针对交流电网呈现“纯阻型”。 因此，a p f c 电路在通常情况下，需要用电压电流双闭环反馈来实现上述 两个变量的控制，为了方便叙述，以b o o s t 变换器作为控制和分析对象。 根据电感电流是否连续，p f c 分为不连续导通模式( d c m ) 和连续导通模 式( c c m ) 1 2 , 1 3 】。d c m 的控制可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。c c m 模式根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控变量，有直接电流控制和 间接电流控制之分。直接电流控制有峰值电流控制( p c m c ) 、滞环电流控制 ( h c c ) 、平均电流控制( a c m c ) 、非线性载波控制( n l c ) 等控制方式。间 接电流控制或电压控制是通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现。 2 3 1d c m 控制模式 d c m 控制又称电压跟踪方法，控制简单、实用，应用较为广泛。d c m 控 制模式的特点： ( 1 )输入电流自动跟踪输入电压且保持较小的电流畸变率。 ( 2 )功率管实现零电流开通( z c s ) ，且不承受二极管的反向恢复电流。 ( 3 ) 输入输出电流纹波较大，对滤波器电路要求较高。 ( 4 ) 峰值电流远高于平均电流，器件承受较大应力。 ( 5 ) 单相p f c 功率一般小于2 0 0 w ，三相p f c 功率一般小于1 0 k w 。 2 3 1 1 恒频控制 如图2 - 7 所不为b o o s t 电路的d c m 控制原理图，电压调节器e a 的频带宽 度取1 0 - - - 2 0 h z ，确保稳态时输出占空比在半个工频周期保持不变。恒频控制时开 关周期恒定，电感电流不连续。电感电流在一个开关周期中平均值为【1 4 】： i ：堡圣坠型 ( 2 6 ) 和” 2 l t 。7 式中g为整流后的电压，乙。为功率开关u管t 的导通时间，乙。为二极管的续流 时间，z 为开关周期。 l o 第一二章功率冈数校止的功率拓扑结构及其控制方法 式( 2 6 ) 中若瓦。恒定，d c d c 变换器输入侧等效为阻型负载，整流器交 流侧电压电流同相位。实际上，咒。在半个工频周期中并不恒定，导致输入平均 电流有一定程度的畸变。输出电压与输入电压峰值的比值越大，输入电流畸变 程度越小。在该控制方式下的电流t h d 可控制在1 0 以内。 2 3 1 2 变频控制 图2 7d c m 控制原理图 式( 2 6 ) 中，若c = 乙+ 乙。，则输入平均电流只与导通时间有关系，保持 乃。恒定，输入电流理论上无畸变，这就是变频控制原趔1 5 ，16 1 。变频控制方式下， 电感电流工作于临界d c m 状态，如图2 8 所示。集成控制器u c 3 8 5 2 、s t 6 5 6 2 可以实现上述功能17 1 。输入平均电流正比于输入电压，能自动跟踪输入电压呈 正弦波性。 图2 - 8 临界d c m 下电感电流波形 第二章功率冈数校止的功率拓扑结构及其控制方法 2 3 2c c m 控制模式 c c m 相对d c m 其优点为： ( 1 ) 输入和输出电流纹波小、t h d 和e m i 小、滤波容易。 ( 2 )器件导通损耗小，适用于大功率应用场合。 直接电流控制是目前应用最多的控制方式，它来源于d c d c 变换器的电流 控制模式。将输入电流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。根据控制器控制方式不 同，较典型的控制方式有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制等。 2 3 2 1 峰值电流控制 如图2 - 9 为峰值电流控制模式p f c 原理图。整流电压信号与电压误差放大 器输出信号相乘，作为电流控制参考信号，目的是使电感电流与整流电压同频 同相，即电感电流跟随整流电压。功率管t 1 导通时，电感l 充电，电感电流检 测信号与电流控制参考信号相比较，当电感电流上升到电流参考信号时，触发 逻辑部分关断功率管t 1 ，电感开始放电，当一个开关周期( 开关周期恒定不变) 结束时，功率管重新导通。功率管的控制波形和电感电流波形的示意图2 一l o 。 电感电流从零变化到最大，占空比逐次由大n d , 。因此，半个工频周期内， 占空比有时大于0 5 ，有时小于o 5 。当占空比大于0 5 时，导致系统电流不收敛， 此时可能产生次谐波振荡，混沌效应等。这时需要增加斜坡补偿，可以使系统 在占空比大范围变化时，仍能稳定工作i l l 引。 图2 - 9 峰值电流控制模式p f c 原理图 第二章功率冈数校止的功率拓扑结构及其控制方法 峰值电流控制实现较为容易，相关的控制i c 有m l a 8 4 1 、m i a 8 1 9 、 t k 8 4 8 4 1 2 、t k 8 4 8 1 9 等。峰值电流控制的缺点：电流峰值和平均值之间存在误 差，无法满足t h d 很小的要求；电流峰值对噪声敏感；占空比大于0 5 时系统 产生次谐波振荡，需要在比较器输入端加斜坡补偿。在p f c 中，这种控制方式 趋于被淘汰。 o 。，f f 厂 n 几nnnn 几厂 。 图2 1 0 峰值电流模式下电感电流波形 2 3 2 - 2 平均电流控制 平均电流控制模式p f c 原理图如图2 2 所示，平均电流控制在功率因数校 正中应用最为广泛，其输入电感电流波形如图2 1 l 【i9 1 。平均电流控制，又称三 角载波控制，在峰值电流控制的基础上，在乘法器输出与比较器之间增加了p i 电流控制器，控制器控制电感电流平均值，使其与电流参考信号波形相同，即 正弦化。经过p i 电流控制器输出与锯齿波斜坡比较后，得到相应p w m 信号， 以该p w m 调制信号作为占空比驱动功率管，电流误差被迅速而精确地校正。 o 。f f 厂 n 几几n 几几n 厂 图2 1 1 平均电流模式下电感电流波形 第二章功率冈数校止的功率拓扑结构及其控制方法 平均电流控制的特点是：t h d 和e m i 小、对噪声不敏感、开关频率固定， 适用于大功率应用场合，使目前p f c 中应用最多的一种控制方式。以平均电流 控制原理设计的p f c 集成控制器u c 3 8 5 4 ，在单相b o o s t 型电路中普遍应用，其 它平均电流型控制i c 有t k 8 3 8 5 4 、m i a 8 2 1 等。 2 3 2 3 滞环电流控制 如图2 一1 2 所示是滞环电流控制模式b o o s t 型p f c 原理图，功率管t l 的控 制波形和电感电流波形如图2 1 3 所示。对b o o s t 电路而言，它是最简单的电流 控制方式。与峰值电流控制不同的是，被控制量是电感电流的变化范围。整流 电压和输出电压的反馈信号相乘，形成两个大小不同的与整流电压同频同相的 电流控制参考信号，即上限基准电流坏信号和下限基准电流环信号。电感电流 的检测信号需要和两个基准电流信号相比较来产生功率开关管的控制信号。可 以通过改变滞环宽度的方法降低最高开关频率【2 0 】。 图2 1 2 滞环电流控制模式p f c 原理图 当功率管t 1 导通时，电感充电，电感电流的检测信号和上限基准电流环信 号相比较，当电感电流上升到上限基准信号时，触发逻辑控制部分使功率管t 1 关断，电感开始放电；当电感电流下降到下限基准电流信号时，触发逻辑控制 部分使功率管导通，电感开始放电。 滞环电流控制的特点：控制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制 能力；开关频率在一个工频周期中不恒定，引起e m i 问题和电流过零点的死区； 1 4 第二章功率冈数校止的功率拓扑结构及其控制方法 负载对开关频率影响很大，滤波器只能按最低频率设计；滞坏宽度对开关频率 和系统性能影响大，需合理选取。 2 4 本章小结 o f f 几几几r 厂 厂 门几0 图2 1 3 滞环电流模式下电感l 乜流波形 本章首先介绍了功率因数校j 下技术，其中对功率因数p f 值进行了详细的数 学推导，得到重要公式( 2 5 ) ，可知p f 是t h d 和c o s 0 1 两个变量的函数。在此 基础上，简要介绍了基于b o o s t 电路的功率因数校正的工作原理。功率因数校正 技术包括功率主回路和控制方法两部分，本章主要引入b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 和c u k 四种功率变换器，分别介绍了它们在功率因数校j 下中的优缺点，并以b o o s t 变换器为控制和分析对象，介绍了相关的两种控制方法d c m 和c c m 。考虑到 整体性能指标，文本采用b o o s t 电路作为功率主回路，采用c c m 平均电流模式 作为控制方法。 第三章a p f c 系统分析、设计和仿真 第三章a p f c 系统分析、设计和仿真 3 1b o o s t 升压变换器 如图3 1 所示，b o o s t 电路是d c d c 变换电路，能产生高于直流输入电压幅 值的直流输出电压【l ，2 。 3 1 1 工作原理和相关波形 图3 ib o o s td c d c 变换电路 l o a d 其工作过程：当功率开关管t 1 导通时，如图3 2 a 所示电流f ，流过电感l ， 电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈l 中。此时，电容c 放电，负载 r 上流过电流l ，r 两端为输出电压v ，极性上j 下下负，二极管承受反向电压，o 处于截止态。当功率开关管t 1 断开时，构成如图3 2 b 所示电路，由于电感电 流不能突变，为保持不变，电感电压形改变极性，以磁能转化成电压的形式 和电源电压形串联，以高于v 电压向电容c 和负载r 供电。相关波形如图3 3 0 所示。 1 6 第二章a p f c 系统分析、设计和仿真 ：卜_ + 怛j r末c 1 r 。i 图3 2 a t l 导通时电路图 o 1 l o a d 圪 r i 个个 l f j f 广 ，r t 口一- 一t f 一一 图3 - 2 bt i 关断时电路图 图3 - 3b o o s t 电路相关波形( 连续态) 3 1 2b o o s t 电路重要参数数学关系式 设b o o s t 电路工作于连续状态，则对输出电压圪、电感平均电流t 、电感 电流纹波t 、输出电压纹波屹建立数学表达式。 ( 1 ) 输出电压圪数学表达式 当功率开关管导通时，即乏。时段，电感两端电压为k ；当开关管关断 时，即乃时段，电感两端电压为k 一圪。 则根据电感伏秒平衡原理，得 乃。k + 乃厅( k 一匕) = 0 1 ( 3 1 ) 圪2 高形 式中。为占妣靴2 彘专 1 7 第三章a p f c 系统分析、设计和仿真 ( 2 ) 电感平均电流，。数学表达式 当功率开关管导通时，即。时段，电容c 的流出电流为鲁；当功率 开关管关断时，即时段，电容c 的流出电流为鲁一t 。 则根据电容安秒平衡原理，得 艺一；喁( 缸) - 0 2 ， 纠而1 ) 2 妥 ( 3 ) 电感电流纹波f ，数学表达式 当功率开关管导通时，即乃。时段，得 堕：肜 d t 则，得 2 l a i l = k i d i l - d ( 4 ) 输出电压纹波a v o 数学表达式 当功率开关管导通时，即乃。时段，得 c 生：，：堡 d t r 则，得 2 v o2 尺 c ot s d 叱2 2 尺 o ct s d 3 2 基于s a b e r 的电路仿真 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 本文中的a p f c 将通过s a b e r 软件进行仿真，以控制算法的可行性，并且应 用该软件自带的分析工具，对功率回路部分及控制部分进步优化。 s a b e r 模 拟及混合信号仿真软件，是一个基于单一内核( as i n g l e k e r n e l ) 的整套混合信 第二章a p f c 系统分析、设计和仿真 号仿真器，用其内置的事件算法与a v a n tm a s t 全混合信号硬件描述语言和连续 时间、差分算法相结合来实时适应事件处理、布尔逻辑、连续数学表达式和关 联。这使得s a b e r 能同时仿真模拟、事件驱动( 如z 区域) 、数字和混合模拟 数字设备，因而在模拟和数字领域提供完全的交互。广泛用于电子，机械，控 制等领域。其精确的模型和多样的仿真手段( 如瞬念仿真、小信号仿真、直流 仿真、参数仿真、零极点仿真、灵敏度分析、应力分析、傅立叶分析等) ，为工 程设计和优化提供了便利。 3 2 1b o o s t 电路中被控对象数学模