（电气工程专业论文）带有功率因数校正的半桥变换器的研究.pdf

一 i 。t 丫0i11flf17ifllf3lliil8lflll3lfiif5lllt i l 7 i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：谢述又艮 学位论文使用授权说明 d o 年7 月谚日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：雅习殳导师签名：m 孙年 1 月矿 ， 、) 摹 ， ? 带有功率因数校正的半桥变换器的研究 摘要 随着电力电子技术的飞速发展，电力电子装置在国民经济各个领域得 到了广泛的应用，公用电网因此受到谐波的污染日益严重，功率因数校正 技术是解决这一问题的有效措施。 本文设计的带有功率因数校正的半桥变换器，前级为b o o s t 功率因数 校正电路，后级为对称半桥变换器。论文对有源功率因数校正电路( a p f c ) 的工作原理进行了详细的分析，基于功率因数校正芯片u c 3 8 5 4 ，设计了a p f c 电路，推导了平均电流模式的双闭环控制系统的传递函数，用 m a t l a b sfm u lin k 进行了仿真。 对称半桥变换器的设计选择芯片u c 3 8 4 6 作为控制核心，控制系统采用 电压电流双闭环控制方式，电流内环为峰值电流控制。 最后，研制了一台功率为1 6 0 w 的带有功率因数校正的半桥变换器装置。 实验结果表明，功率因数提高到0 9 9 ，对称半桥电路工作稳定，取得了满 意的效果。 关键词：平均电流控制有源功率因数校正峰值电流控制 对称半桥变换器 r e s e a r c ho nh a i f b r i d g ec o n v e r t e rw i t hp o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e mp o w e re l e c t r o n i c s ，p o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t sh a v eb e e nu s e di nm a n yi n d u s t r ya p p l i c a t i o n s ，a n dt h ep o l l u t i o n c a u s e db yt h ep o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t si np o w e rs y s t e mi sg e t t i n gm o r ea n d n o w a d a y s p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nf p f c ) 。effectivemore s e r i o u sn o w a d a y sp o w e ra c t o ru o r r e c t m n l sa ne t t e c t v em e a s u r e 1 t os o l v et h i sp r o b l e m i nt h i sp a p e rat w o s t a g ep f cd c d cc o n v e r t e ri sd e v e l o p e d i tc o n s i s t so f f o r w a r ds t a g ea n db a c k w a r ds t a g e ，o fw h i c ht h ef o r w a r ds t a g ei sb o o s tp o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) c i r c u i t t h eb a c k w a r ds t a g em a i nc i r c u i ti sa s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e r t h ep r i n c i p l e o fa c t i v e p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l b a s e do nt h eu c 38 5 4ac o m p l e t ed e s i g n p r o c e d u r ei sg i v e ni nt h ep f cc o n v e r t e r u c 3 8 5 4t h a ta d o p ta v e r a g ec u r r e n t m o d ec o n t r o la n dd o u b l el o o pc o n t r o lw a su s e dt oi m p r o v et h ep o w e rf a c t o ro f t h es y s t e m t h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ec u r r e n ta n dv o l t a g el o o pi se s t a b l i s h e d t h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m u l a t e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k i nt h es y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e r , t h eu c 38 4 6i sc h o s e na st h ek e y c o n t r o lp a r t t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e dt w ol o o p s ：a no u t e rv o l t a g el o o pa n d a ni n n e rc u r r e n to n ew h i c h o p e r a t e di np e a k - c u r r e n tc o n t r o lm o d e a tl a s t ，a16 0 ws y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e r 耐t hp f ci sd e v e l o p e d a sp r o v e db ye x p e r i m e n m lr e s u l t s ，t h ep o w e rf a c t o rr a i s e st o o 9 9 ，t h e s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e rw o r k ss t a b l ya n ds a t i s t i e d t h ec o n v e r t e rw a s p r o v e ds a t i s f i e dw i t ht h ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：a v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l ：a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o m j r ， 一、 i 一 p e a k - c u r r e n tc o n t r o lm o d e ；s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e c o n v e r t e r 摘要 目录 a b s t r a c t i e j录i i i 第一章绪论 l 1 1 本课题的研究背景和意义1 1 2 谐波对电网的危害1 1 3 功率因数校正( p f c ) 技术的发展现状及前景2 1 4 本课题研究的目标及内容。3 1 4 1 研究目标3 1 4 2 研究内容_ 3 第二章主电路的工作原理分析。 5 2 1 总谐波畸变及功率因数的概念。5 2 2 功率因数校正技术概述6 2 2 1 无源功率因数校正技术( p p f c ) 6 2 2 2 有源功率因数校正技术( a p f c ) 6 2 3 升压斩波( b o o s tc h o p p e r ) 电路工作原理8 2 4 半桥变换器工作状态分析9 2 5 本章小结1 3 第三章控制电路原理分析 3 1 基于平均电流控制的b o o s tp f c 原理分析1 4 3 1 1 平均电流控制法1 4 3 1 2 基于u c 3 8 5 4 平均电流控制b o o s tp f c 原理分析1 5 3 2 a p f c 电路电流环、电压环传递函数的推导1 6 3 2 1 电流环传递函数的推导1 6 3 2 2 电压环传递函数的推导1 8 3 3 半桥变换电路双闭环控制系统及其传递函数1 9 3 4 峰值电流控制的工作原理2 1 3 5 本章小结2 l i 第四章系统设计 4 1 设计规格。2 2 4 2 主电路的设计2 2 4 2 1 前级a p f c 主电路参数设计2 3 4 2 2 半桥变换器主电路参数设计。2 5 4 3 控制电路的设计2 9 4 3 1 前级a p f c 控制电路的设计：2 9 4 3 2 半桥变换器控制电路的设计3 8 4 4 驱动电路的设计4 2 4 5 本章小结4 3 第五章实验结果与分析 5 1 实验结果4 4 5 2 本章小结4 8 第六章总结与展望。4 9 6 1 总结4 9 6 2 进一步研究的设想和展望4 9 参考文献 5 1 鸳谢。5 4 在学期间发表的学术论文和研究成果。5 5 i v 广西大掌工程司n b 掌位论文带有功率因教校正的半桥变换嚣的研究 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 随着电力电子技术的飞速发展，电力电子装置在国民经济各个领域得到了广泛的应 用。这些电力电子装置和非线性负载的增加，使公用电网受到谐波电流和谐波电压的污 染日益严重，致使功率因数下降，严重影响了电网的供电质量和用户使用的安全性。因 此，电网谐波污染的治理问题也越来越多的受到关注圈。为了改善电网电磁环境，保证 电网供电质量，提高功率因数，越来越多的国家已开始对用电设备的输入电流谐波含量 加以限制，并且制定了相应的标准、规定甚至法律。而解决电网谐波污染问题的有效技 术方法是采用功率因数校正技术( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 。所以，提高用电设 备输入端的功率因数己成为电力电子技术领域面临的一项重大课题，是国内外争相研究 的热点n 吨删。 ； 进入2 1 世纪，随着信息化时代的到来，人们对电能的质量要求也越来越高。电网 的谐波治理显得尤为重要。特别对于我国，治理电网谐波污染的法律法规还很不完善， 功率因数校正技术的要求和规范也不够成熟，因此，功率因数校正技术的研究迫在眉睫。 其意义主要有以下几点h 1 ： ( 1 ) 提高功率因数是降低谐波危害和净化电磁环境、提高电能质量节省能源、保 峥 证电力系统安全稳定运行的有效措施。 ( 2 ) 为了减少谐波对电网的污染，国际上已制定了相关的标准和规定，如 “m i l - s t d - 1 3 9 9 ，b e l l c o r e 0 0 1 0 8 9 ，i e c 5 5 5 - 2 ，i e e e 5 1 9 等。随着这些标准的强制执 行以及在技术开发人员的积极努力下，将进一步推动p f c 技术的发展。 ( 3 ) 在电源装置中采用p f c 技术，既提高了功率因数和效率，减少了整机成本， 又增强了电路工作的可靠性和产品在市场上的竞争力。 1 2 谐波对电网的危害 电力谐波的产生主要来自于以下几个环节：( 1 ) 发电环节：( 2 ) 输电环节； ( 3 ) 用电环节：( 4 ) 电力电子装置的应用，如各种开关电源和电力变流设备( 整流器、逆变 器) 以及相控调速和调压装置等。据统计：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 9 6 。 这几个环节产生了大量的谐波。大量谐波注入公用电网，给电网造成了严重的谐波污染， 广西大学工程硕士掌位论文 带有功率因数校正的半桥变换器的研究 大大危害了公用电网以及周围的通信系统的稳定运行，使供电质量下降，同时也恶化了 用电设备所处的环境。归纳起来其危害主要有： ( 1 ) 谐波的存在使电力设备产生附加损耗，温度升高。 ( 2 ) 谐波的存在使用电设备绝缘降低，寿命缩短。 ( 3 ) 谐波的存在加剧电机的机械振动，影响转矩，导致电动机效率降低。 ( 4 ) 谐波的存在干扰了继电保护、自动控制装置和计算机系统的正常工作，严重 时造成误动作。 ( 5 ) 谐波的存在干扰了邻近的通信线路和铁道信号线路的正常工作，甚至导致信 号丢失。 ( 6 ) 谐波的存在会影响测量仪表的精度，引起电能计量的误差等等。 因此，国家颁布了标准g b t 1 4 5 4 9 _ _ 9 3 ，限制谐波源注入电网的谐波电流必须在允 许的范围内，从而抑制电力系统的谐波，确保电网的供电质量。 目前，从技术上解决谐波污染问题的主要方法有两个。 ( 1 ) 在电力系统中加入补偿器来实施谐波补偿，这是一种被动的方法。 ( 2 ) 对电力电子设备自身进行改进，使其产生较少的谐波，甚至不产生谐波，也 就是使输入电流和输入电压同相，实现输入功率因数接近1 。这是当今解决谐波污染问 题的积极有效的方法。 1 3 功率因数校正( p f o ) 技术的发展现状及前景 功率因数校正技术口1 是对开关变换器的输入功率因数进行校正，实际上是对输入电 流整形，使其波形尽可能接近正弦波，从而减小输入电流的谐波成分，达到输入电流与 电压同相位提高变换器功率因数的目的。功率因数校正技术的发展经历了从早期的无源 功率因数校正技术到现在的有源功率因数校正技术。晟初人们采用电感器和电容器构成 的无源网络进行功率因数校正，由于这些无源元件工作在交流市电工频状态下，所需的 滤波电容和滤波电感的值较大，导致设备体积较大、笨重，因此无源功率因数校正技术 一般只应用在对体积和重量要求不是很高的电子设备中。 进入二十世纪7 0 年代以后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术发展迅猛， 现代有源功率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 简写成a p f c ) 技术才得以真 正发展起来，到了8 0 年代中后期开始成为电力电子领域的研究热点。9 0 年代以后，有 源功率因数校正技术得到了长足的发展。从1 9 9 2 年起，p e s c ( p o w e re l e c t r o n i c s 2 厂。西大掌工程硕士掌位论文带有功率因数校正的半桥吏换嚣的研究 s p e c i a l i s tc o n f e r e n c e ) 设立了单相功率因数校正专题，这是单相有源功率因数校正 技术发展的转折点m 们。到1 9 9 4 1 9 9 5 年间，p e s c 把“关于软开关技术和功率因数校正 技术相结合以提高功率因数校正电路的性能”作为功率因数校正技术的一个主要内容来 报道。从此，不断有新颖的功率因数校正原理、拓扑结构和控制方法出现瞪3 州盯哪! 。a p f c 的控制器由分立电路发展到集成电路，p f c 技术由理论研究也逐渐应用到实际生产中， 并生产出产品。如m o t o r o l a 公司研制的零电流控制模式的功率因数校正控制芯片 m c 3 4 2 6 2 ，美国u n i t r o d e 公司生产的功率因数补偿控制的专用芯片u c 3 8 5 4 等等m 1 。 虽然我国有关p f c 技术的研究起步较晚，但目前也取得不少成绩。1 9 9 4 年有关学会 组织了p f c 技术的专题研讨会。小功率带p f c 的开关电源也逐渐进入实际生产和应用中。 经过几十年的发展，功率因数校正技术的主电路拓扑得到了不断改进，单相功率因 数校正技术和功率因数校正技术中的硬开关技术也已经逐渐发展成熟，并被人们广泛应 用于生产实践，取得了理想的效果。所以，最近几年功率因数校正技术的研究热点和重 点主要集中在以下几个方面：新拓扑的提出、软开关技术的应用、三相功率因数校正技 术的研究以及控制方法的提出隆1 等。 1 4 本课题研究的目标及内容 1 4 1 研究目标 本课题的研究目标是基于功率因数校正技术和双闭环控制系统，研制一台功率为 1 6 0 w 的带功率因数校正的半桥变换器样机。样机主电路为两级p f c 电路结构，前级电 路是b o o s t 型p f c 电路，旨在减小电网输入电流的谐波成分，提高功率因数，实现“绿 色 电源。后级为对称半桥变换器。两级电路的控制电路均采用双闭环控制模式，从而 确保变换器获得良好的静态和动态性能，改善整机电路的整体性能。 1 4 2 研究内容 第一章介绍了电力谐波的来源、谐波污染的危害及抑制谐波的方法，阐述了功率因 数校正技术国内外发展的现状和前景，确立了本课题的研究目标：两级p f c 电路结构。 第二章介绍了总谐波畸变及功率因数的概念，阐述了无源功率因数校正技术与有源 功率因数校正技术的特点，根据开关电源的有源功率因数校正装置的要求，确定本课题 主电路拓扑方案前级功率因数校正主电路采用升压斩波电路( b o o s tc h o p p e r ) ，后 3 广西大学工程硕士掌位论文 带有功率因数校正的半桥麦换器的研究 级采用对称半桥变换器电路，文中详细分析了升压斩波电路的工作原理及对称半桥变换 电路的四个工作模态。 第三章介绍了本课题控制电路调节器的设计原则，详细分析了基于u c 3 8 争4 平均电 流型b o o s tp f c 电路的工作原理，推导了前级功率因数校正电路双闭环控制系统电流环 和电压环的传递函数。简述了峰值电流控制的工作原理，推导了后级半桥变换电路峰值 电流双闭环控制系统的传递函数，为试验样机控制电路的设计提供了理论依据。 第四章系统阐述了带有功率因数校正的半桥变换器的设计过程，简单介绍了功率因 数校正电路控制芯片u c 3 8 5 4 及对称半桥变换器控制电路芯片u c 3 8 4 6 的功能，给出了前 级a p f c 主电路、芯片u c 3 8 5 4 的外围电路参数和半桥变换器主电路参数的计算过程并选 择器件，把实际参数值代入计算了前、后级电路双闭环控制系统的传递函数，由 m a t l a b 6 5 的s i m u l i n k 软件得到了前、后级控制电路调节器的b 0 d e 图，验证了调节器 设计的正确性。最后给出了本课题驱动电路的设计。 第五章搭建了实验样机，测试了系统主要变量的波形图，实验取得了满意的效果， 验证了理论分析的正确性。 最后是对全文工作的总结，并对后续研究工作进行了展望。 4 ， 嚆 广西大掌工程硕士掌位论文带有功率因教校正的半桥变换量咱9 研究 第二章主电路的工作原理分析 2 1 总谐波畸变及功率因数的概念 在日常生活生产中，交流市电经整流滤波后供给直流负载，其输入电流除了基波电 流外，还含有大量的谐波成分。假设将输入电流经过傅里叶级数分解之后，其各次谐波 分量的有效值分别为i 。、i 。、i 。i 。，其中i 。为基波电流的有效值，i 。为n 次谐 波电流的有效值， r l 为自然数，则输入电流表示为n 1 5 1 ： j = 矸+ 霹+ + e = 矸+ 露 ( 2 1 ) 总的谐波电流含量为： i h ：匦 ( 2 2 ) 但该值不能直观地反映电流中谐波电流含量的严重程度。为此，引入电流谐波总畸 变率t s d 和基波因数y 的概念，即： t h d ：丘1 0 0 ( 2 3 ) 厶 ，：量：1 ( 2 4 ) 户亍2 丽 坦“) 电力电子装置的功率因数( p f ) 是电网侧有功功率( p ) 与视在功率( s ) 的比值， p f = = p ：u l c o s # ，su ， ( 2 5 ) = 扣2 志c o s 2 南c o s c o s 临州。 式中巾为输入基波电流与输入电压的初相位差。 由式( 2 5 ) 可知，提高功率因数p f 的方法有两种。一是消除电流波形中的谐波畸 变成分，使基波因数，= 1 ，电流波形正弦化，实现功率因数校正。二是使电流与电压同 相位，c o s 矿= 1 。具体方法有补偿法和校正法。补偿法即通过有源或无源滤波器抑制谐 波，提高基波因数厂，或者通过静止无功补偿，即在网侧投入无功补偿装置或安装静止 无功发生器，为网侧注入适量的无功功率，减少滞后角巾，从而提高功率因数。校正法 5 广西大掌工覆硕士学位论文 带有功率因效衩正口9 牛桥吏期 暑摹的研宪 指功率因数的校正方法，分为有源校正法、无源校正法和单位功率因数法。本课题采用 有源校正法。 2 2 功率因数校正技术概述 功率因数校正技术n 氓蔬4 2 1 的目的是提高开关变换器的输入功率因数，即使输入端的 电网电流正弦化并和输入电网电压同相位，减小输入电流的谐波成分，以满足 i e c l 0 0 0 3 2 标准。 2 - 2 1 无源功率因数校正技术( p p f c ) 无源功率因数校正技术是通过改变负载的阻抗性，使负载呈纯电阻性，从而实现 p f c 。最早的p f c 技术是采用无源元件电感和电容构成的无源网络进行功率因数校正。 典型的无源功率因数校正电路如图2 - 1 所示，由无源元件电感l 和电容c 、c ：组成低通 或带通滤波器，这些元件工作在交流市电工频下，将输入电流波形进行相移和整形。该 方法可使p f 达0 9 以上。但电感和电容元件的体积比较大，因而组成的无源功率因数 校正电路部分的体积就比较大。无源功率因数校正电路结构比较简单，但是电网阻抗和 负载特性容易影响它的补偿特性，对谐波和无功功率因数不能实现动态补偿，不能很好 地抑制输入电流的谐波成分，而且电感和电容元件易与电网阻抗发生谐振而导致损坏。 u l 】【j川 一 j【 j 图2 - 1 典型的无源功率因数校正电路 f i g 2 - it h et y p i c a lp a s s i v ep f cc i r c u i t 2 2 2 有源功率因数校正技术( a p f o ) 有源功率因数校正技术是利用电流反馈使电流跟踪电压变化的方法，也就是在整流 桥和负载之间接入一个d c d c 变换器，通过控制电路的电流反馈强迫交流输入电流波形 同步跟踪交流输入电压波形，即使交流输入电流波形正弦化，其作用相当于一个纯电阻。 6 r - 西大学工程硕士掌位论文靠彳n 力事因数校正的半桥吏朔爝的研究 同时利用电压反馈，t 使输出直流电压平滑稳定。因为电路中采用了有源器件如m o s f e t 等，所以称为有源功率因数校正。采用有源功率因数校正技术可使功率因数提高到0 9 9 以上，而输入电流t h d 降到5 以下h 1 。 有源功率因数校正技术从电路结构上，可以分为单级有源功率因数校正和两级有源 功率因数校正。 1 单级p f c 技术 单级p f c 技术n 玑呓1 3 1 一开始是在两级p f c 方法的基础上发展起来的。1 9 9 0 年，美国科 罗拉多大学e r i c k s o n 教授等将前置级电路和后级反激变换器或者正激交换器的m o s f e t 共用，提出了所谓的单级p f c 变换器。发展单级p f c 技术的目的就是减少元件、节约成本、 提高效率和简化控制等。此后，单级p f c 技术日趋成熟。典型的单级a p f c 方框图如图2 2 所示。这种电路结构简单、功率因数比较高，但功率受到限制，一般适用于小功率变换 器。 图2 - 2 单级a p f c 方框图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo fs i n g l e - s t a g ea p f cc o r r e c t i o n 2 两级有源功率因数校正电路 两级有源功率因数校正电路是双变换器方式，即利用前级的升压斩波电路，将输入 电流的波形正弦化、减少谐波成分，从而提高功率因数，利用后级的d c d c 变换器实现 直流输出电压的稳定性控制。 两级p f c 电路的校正效果比较理想，其显著优点如下： ( 1 ) 电路功率因数高，可达0 9 9 以上，输入电流畸变小，t h d 一般小于5 。 ( 2 ) 系统动态响应快，能实现输出电压的快速调节，稳压精度高。 ( 3 ) 调压范围广，功率应用范围大。 其最突出的缺点是： 7 广西大学工程硕士学位论文带有功率因数校正的半桥变换器的研究 电路复杂，需要两套控制电路，成本高，体积大，功率密度低。 综合考虑价格性能比，本设计采用两级有源功率因数校正电路结构。如图2 3 为两 级p f c 方案的方框图，前级为b o o s t 型p f c 电路，其目的在于降低输入电流的高次谐波 成分以提高输入端的功率因数。后级为对称半桥d c d c 变换器，其目的在于进行直流变 换，该级变换器独立于前级a p f c 电路。前后级电路分别由两个相互独立的控制器控制， 前级的控制器使电路的输入电流跟踪输入电压的变化且波形逼近正弦波，从而达到功率 因数校正的目的。后级电路的控制器保证输出电压的快速稳定的调节，并实现与负载相 匹配。 叠藏辅队 图2 3 两级a p f c 方框图 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r eo ft w o - s t a g ea p f cc o r r e c t i o n 2 3 升压斩波( b s tc h o p p e r ) 电路工作原理 五d + 。殇 直漉输出 图2 4 升压斩波电路 f i g 2 - 4b o o s tc h o p p e r 升压斩波电路( b o o s tc h o p p e r ) n 1 她乱一1 是一种理想的功率因数校正的电路拓扑， 如图2 4 所示。由于电路中的储能电感作为滤波器能够抑制射频干扰( r f i ) 和电磁干 扰( e m i ) ，因此，该电路拓扑具有输出功率大，电流波形失真小，驱动电路简单的优点， 在有源功率因数校正中广泛应用。 8 广西大掌工程硕士掌位论文 乔有功皋因数校正的半桥变换嚣的研究 c - 牟f 1v zd i o ( a ) 开关管s 导通( b ) 开关管s 关断 图2 - - 5 开关通断时电路运行状态 + 纭 图2 5 表示开关管s 通、断时电路运行状态( 图中实线表示通路，虚线表示电路 断路) 。如图( a ) 所示，当开关管s 导通，二极管d 关断，电源v s 向电感l 充电，电感 l 积蓄能量，同时c 。给负载电阻提供能量。l 足够大时，流过的电流可看成一定值，。， 若设导通时间为 ，则开关管导通时积蓄的能量为珞 ，此时若电容足够大时，输出电 压恒定。 如图( b ) 所示，开关管s 关断，二极管d 导通，电源v s 和电感l 经二极管d 向c o 充电，电源的能量和电感l 积蓄的能量释放出来共同给负载电阻民提供能量。设关断时 间为f 2 ，则关断时向负载输送的能量为( 一) 乞，稳态下这两种能量相等。即 巾 k = ( - 珞) g g ，化减后得= ，其中开关周期t = t + t z 。显而易见，输出的电 2 压比输入的电压高，所以该电路具有升压功能。 考虑到升压斩波电路的输出电压远高于输入电压，特别适用于市电电压比较低的国 家和地区。综合升压斩波电路的优点，本设计采用升压斩波电路作为前级功率因数校正 的主电路。 2 4 半桥变换器工作状态分析 常用的主变换电路有推挽电路、半桥电路、全桥电路n 毛嘲等。其中推挽电路使用的 开关器件少，输出功率大，但开关管承受电压高( 为电源电压的2 倍) ，且变压器有6 个抽头，结构复杂。全桥电路开关管承受的电压不高，输出功率大，但需要的开关器件 多( 4 个) ，驱动电路复杂。对称半桥变换器的变压器铁心能够双向磁化，利用率高，自 身具有很强的抗不平衡能力，不存在偏磁，而且功率管上的电压应力低，因此适用于高 9 广西大掌工程硕士掌位论文带有功率因数校正的半桥变换馨的研究 输入电压场合，但是这种半桥变换器不能实现软开关。根据对各种电路拓扑方案的电气 性能以及成本等指标的比较，本设计后级变换电路采用对称的半桥变换器，如图2 6 所示。 r ci：十rl _ j 竺 + u 一 图2 6 对称半桥变换器电路结构图 f i 9 2 - 6s t r u c t u r eo ft h es y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g ec o n v e r t e r 图中s 。、s ：、c o 。、c 。和主变压器t 构成了半桥d c d c 变换电路。相等的电容c o 。和 构成一个桥臂，由于电容c o ，和c 0 2 的容量大且相等，故。= u 咖= u 。i i 2 ，开关管s 。和 s ：构成另一个桥臂，s 。和s ：均采用p g m 控制方式，且s 。和s ：交替导通。变压器副边的 整流电路采用全波整流电路，由二极管d ，和d 。构成，l ：为输出滤波电感，c 。为输出滤波 电容。为防止桥臂直通现象，保留一定的死区时间。在一个开关周期中，半桥电路工作 在电流连续模式时，电路经历4 个开关状态h l 副。不同开关模态下的等效电路如图2 - 7 所示。在分析各个开关模态工作原理之前，作如下假设：所有开关管、二极管均为理 想器件，所有电感、电容和变压器均为理想元件，c 。- - c o ：。 1 开关模态1 q 。导通 t 。t 。 参考图2 7 ( a ) 开关s - 受激励导通，电容c o 。的电压加到变压器原边绕组两端，根据绕组间同名端 关系，二极管d 7 正向偏置导通，电感l 。电流流经副边绕组、二极管d 7 、输出滤波电容 c l 及负载r 。，电感电流i 。线性上升。 2 开关模态2 s 。和s 。关断i t 。t 。 参考图2 - 7 ( b ) 开关s t 和s ：都关断，变压器原边绕组中的电流为0 ，电感l 2 通过二极管d ，和d 8 续 流，每个二极管流过电感电流的l 2 ，i 船= i “= i 。2 。电感l 2 的电流i 。线性下降。 3 开关模态3 - - s ：导通 t ：t 。 参考图2 7 ( c ) 开关s ：受激励导通，电容c 0 ：的电压加到原边绕组两端，根据绕组间同名端关系， 二极管d 8 正向偏置导通，电感l 。电流流经副边绕组、二极管d 8 、输出滤波电容c 。及负 l o 广西大学工程硕士学位论文 带有功率因数校正的半桥交换器的研究 载r l ，电感电流i 。线性上升。 4 开关模态4 一书。和s ：关断 t 。t 。 参考图2 - 7 ( d ) 此模态与t 。t 。时段的电路工作过程相同。 r 一羽 _ j 一l r l 融 t 。，t 。 s 。导通 参考图( a ) t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tw h e ns li so i l t 。，t 。 s 。、s 。关断 参考图( b ) t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tw h e ns la n ds 2i so f f 一羽 l 鬯 t ：，t 。 s ：导通 参考图( c ) t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tw h e n8 2i so n 广西大攀工程硕士掌位论文 带有功搴因数校正的半桥变换器的研究 t s ，t s hs z 关断 参考图( d ) t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tw h e ns la n ds 2i so f f 图2 7 各个工作模态等效电路图 对称半桥变换器一个周期内的主要变量波形如图2 8 所示。 图2 - 8 系统一个周期内的主要变量波形图 f i 9 2 8w a v e f o r m so f p r i m a r yv a r i a b l e si n ( h i ec y c l e + 一 广西大学工程硕士掌位论文 带有功率因数校正的半桥麦换l 的研究 2 5 本章小结 本章介绍了总谐波畸变及功率因数的概念，阐述了无源功率因数校正技术与有源功 率因数校正技术的特点，根据开关电源的有源功率因数校正装置的要求，确定本设计主 电路拓扑方案前级功率因数校正主电路采用升压斩波电路( b o o s tc h o p p e r ) ，后级 采用对称半桥变换器电路，文中详细分析了升压斩波电路( b o o s tc h o p p e r ) 的工作原 理及对称半桥变换电路的四个工作模态。 1 3 广西大学工4 m 硕士掌位论文带有功率因数校正翻，半桥，巴j 兵器的研究 第三章控制电路原理分析 合适的控制方式可以使得功率开关管的触发脉冲宽度或者频率实现自动调节，从而 实现开关变换器输出电压的自动稳定及降低e m i 等参数。开关变换器的控制方式有开环 和闭环两种，采用闭环控制可以更好的实现变换器的稳态调节。 变换器的两种主要的控制方式是电压模式和电流模式。电压模式是只有电压反馈的 单闭环控制，其控制简单，但是动态和稳态性能不理想，而且由于只调节电压量，没有 考虑电流量的变化对系统的影响，所以无法调节变换器的功率。电流模式是电流内环电 压外环的双闭环控制方式，控制性能比电压模式优越得多，它又分为峰值电流控制和平 均电流控制模式。前者把电流峰值作为控制对象，后者则把平均电流作为控制对象。 3 1 基于平均电流控制的b o o s tp f c 原理分析 3 1 1 平均电流控制法 平均电流控制法啪瑚1 通常用在开关电源中形成电流环( 内环) 以调节输出电流，电流 环的基准电流是输出电压误差放大信号。而在功率因数校正电路中引入平均电流控制 法，电流的基准信号是输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积，电流环调节的是 输入电流的平均值，使其与输入整流电压同相位，并接近正弦波形。当输入电流信号被 直接检测，并与基准电流比较后，其高频分量( 开关频率) 的变化通过电流误差放大器被 平均化处理。放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后，形成开关管控制信号，同时 电流误差放大器的输出也控制了p 删调制器的占空比，强迫电感电流i 。迫近其平均值， 因此电流误差被迅速且精确地校正，使电感电流波形接近正弦波并跟踪输入电压的变 化，从而达到功率因数校正的目的。用平均电流控制时的电感电流波形如图3 - 1 所示。 1 0 t a w ；t on 口口口口口口二 图3 1 平均电流控制时的电感电流波形 f i g 3 1t h ei n d u c t a n c ec u r r e n tw a v ew h i l ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o l 1 4 广西大学工程硕士掌位论文带有功率因数校正的半桥变换器的研究 平均电流控制法的特点有：( 1 ) 电感电流峰值与平均值之间的误差小，电流环有较 高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性好。( 2 ) 由于电流环有较高的增益，使跟踪误差 产生的畸变小于1 ，容易实现接近于l 的功率因数。( 3 ) t h d 和e m i 小、对噪声不敏感、 开关频率固定，适用于大中功率场合。( 4 ) 不需要斜坡补偿。基于以上特点，平均电 流控制法已经成了目前有源功率因数校正技术中应用最多的方法。 目前市场上采用平均电流控制的集成芯片主要有：u c 3 8 5 4 、u c 3 8 5 5 、t k 8 3 5 8 4 、 m l 4 8 2 1 。本设计采用芯片u c 3 8 5 4 来实现前级功率因数校正电路的控制。 3 1 2 基于u c 3 8 5 4 平均电流控制b o o s tp f c 原理分析 本设计前级功率因数校正原理框图如图3 - 2 所示。主电路由单相桥式整流器和升压 斩波电路组成，控制电路由电压环、电流环、乘法器、p 删调制器和驱动电路组成，输 出电压反馈构成外环电压环，电压反馈提高了输出电压的稳定性。电感电流反馈则构成 内环电流环，电流反馈有利于提高瞬态响应速度，增强控制精度。电压外环通过乘法器 与电流内环联系在一起，控制脉宽调制( p w m ) 器输出的驱动脉冲电压的脉宽，从而调节 功率开关管s 的占空比来实现控制性能。 u 口 图3 - 2 功率因数校正原理框图 f i g 3 - 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n 广西大学工矗l 硕士学位馕叼弋伸- 才n 力丰因效校正的牛桥，换器的研完 主电路的输出电压u 。经过采样后与基准电压u 嘟比较，输入给电压误差放大器，整 流电压u 6 的检测值和电压误差放大器的输出电压信号共同加到乘法器m 的输入端，乘法 器m 的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与电感电流( 开关电流) 检测值比较后，输 入到电流误差放大器。电流误差放大器的输出加到p w m 比较器再去驱动功率开关管，以 控制功率开关管s 的通断，同时电流误差放大器的输出也控制了p 删调制器的占空比， 强迫电感电流i 。迫近其平均值，因此电流误差被迅速且精确地校正，使电感电流波形 接近正弦波并跟踪输入电压的变化，从而达到功率因数校正的目的。只要升压储能电感 量设计得合理，就能减少开关周期内的电流脉动程度，从而使输入电流( 即电感电流) i 。 的波形接近正弦波并与整流电压u c 的波形基本一致，大大减少了电流谐波，因此电路对 电网而言就相当子一个线性纯电阻负载，从理论上讲功率因数就可以提高到1 ( 但实际 只能做到0 9 9 以上) 。此外，电压环能够实现输出电压u 。的恒定，使得下一级变换电路 的设计更容易。 3 2a p f g 电路电流环，电压环传递函数的推导 a p f c 电路采用电压外环和平均电流内环的双闭环控制模式，外环电压环实现输出电 压稳定，内环电流环实现输入电流整形，使之成为与输入电压同相位的标准正弦波，从 而提高功率因数。下面分别给出双闭环控制系统各环节的传递函数n 喇。 3 2 - 1 电流环传递函数的推导 内环电流控制环