（模式识别与智能系统专业论文）三相功率因数校正及其控制技术研究.pdf

摘要 论文题目：三相功率因数校正及其控制技术研究 学科专业：模式识别与智能系统 研究生：张文军签名 指导教师：李敏远教授签名 摘要 传统的整流器采用的是二极管整流或者s c r 相控整流，其鼹侧的功率因数低，电网谐 波含量大，所以要进行功率因数校正。单相功率因数校正技术比较成熟。随着电力电子技 术的发展，电力电子装置的功率越来越大，使得三相功率因数校正技术的研究有了较快速 的发展，但是适合大功率应用场合的高效率、低成本的方案仍在研究之中，尚未取得根本 性的突破，实用的三相功率因数校正技术仍然是热门的研究课题。 本文研究了种电流型三相功率因数校正电路，是在s c r 箱控整流器的基础上，增加 了b u c k 斩波控制，通过p w m 脉宽调制策略，使该整流电路具有高功率因数和低谐波含量 的性能。论文分析了该电路拓扑的工作原理，建立了基于开关番数的电路数学模型，分析 了该电路p w m 调制原理与i g b t 触发脉冲的实现过程。研究了主电路参数的设计方法，设 计了3 1 2 5 k w 电流型p w m 整流器的元件参数，设计了校正电路的控制系统参数，构建了该 电路系统的仿真模型。仿真结果表明，该电路可使三相电流波形趋于正弦波，功率因数校 正近似为1 。最后，设计了基于d s p 的电源控制系统和保护电路。研究表明：该电路可实 现三相功率因数校正，盈具有结构简单、控制方便、成本低的优点，适合于大功率应用场 合。 关键词：三相功率因数校正；嚣闷管；电流型p w m 整流器；p 硼调制 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nt h r e e p h a s ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y m a j o r ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n t n a m e ：w e n j u nz h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f m i n y u a nl i a b s t r a c t t r a d i t i o n a lr e c t i f i e ri su s e dd i o d er e c t i f i e ro rs c rp h a s e dr e c t i f i e r , t h ea co ft h el o w p o w e rf a c t o ra n dh a r m o n i cc o n t e n to ft h ep o w e rg r i d ，t h e r e f o r e ，t oc o n d u c tp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n s i n g l e p h a s 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 yi st h ed e v e l o p m e n to fr e l a t i v e l v m a t u r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e st ot h e g r o w i n gp o w e r ，m a k i n gt h r e e - p h a s 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 yo fam o r er a p i d d e v e l o p m e n t ，b u th i g h - p o w e ra p p l i c a t i o n sf o rt h eh i g he f f i c i e n c y ，l o w c o s to p t i o n sa r es t i l l s t u d y i n g ，t h e r eh a sb e e nn of u n d a m e n t a lb r e a k t h r o u g h sa n dp r a c t i c a lt h r e e p h a s ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nt e c h n o l o g yi ss t i l lah o tr e s e a r c ht o p i c t h i sp a p e rs t u d i e sat h r e e p h a s ec u r r e n tm o d ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t b a s e d0 n s c rp h a s e dr e c t i f i e r ，i n c r e a s eo fb u c kc h o p p e rc o n t r o l l e db yp w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n s t r a t e g y ，t h er e c t i f i e rc i r c u i th a st h ea d v a n t a g eo fh i g hp o w e rf a c t o ra n dl o wh a r m o n i c c o n t e n t t h i sp a p e ra n a l y s i so ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h et o p o l o g yc i r c u i t ，b a s e do nt h e e s t a b l i s h m e n to ft h es w i t c h i n gf u n c t i o no ft h ec i r c u i tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n a l y s i so ft h e c i r c u i tp w mm o d u l a t i o np r i n c i p l e sa n di g b tt r i g g e rp u l s er e a l i z a t i o n p r o c e s s s t u d i e dt h e m a i nc i r c u i td e s i g np a r a m e t e r s ，d e s i g no f31 2 5k wp w m c u r r e n t m o d er e c t i f i e rc o m p o n e n t p a r a m e t e r s ，d e s i g no ft h ec o r r e c t i o nc i r c u i to fc o n t r o ls y s t e mp a r a m e t e r s ，a n db u i l tas y s t e mo f t h ec i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e l 。t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec i r c u i tm a k e st h r e e - p h a s e c u r r e n tw a v e f o r mr e a c h i n gs i n u s o i d a lw a v e f o r m ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc l o s et o1 f i n a l l y t h e d e s i g no fd s p b a s e dp o w e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h ep r o t e c t i o nc i r c u i t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c i r c u i tc a nb er e a l i z e dt h r e e - p h a s ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，a n dt h ec i r c u i ti ss i m p l ei ns t r u c t u r e e a s yt oc o n t r o l ，l o w c o s t ，s u i t a b l ef o rh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：t h r e e 。p h a s ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ；t h y r i s t o r s ；c u r r e n t m o d ep w m r e c t i f i e r ； p w mm o d u l a t i o n i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取褥的成巢。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入的骈究成祭。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：垃杼害月髫日 学位论文使用授权声明 本人垄! ! 塾在导炳的指导下剖作完成毕业论文。本人巴通过论文的答辩，弗 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使膈权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印剃版和电子版学位沦文，学校可以采耀影印、缩印或其他复刹手段保存研究生上交懿 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据麾进行检索；2 ) 为教学和 科研鼹的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工太学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密屠，适用本授权说明) 论文作者签名：塾兰曼导魉签名趋 酊年。月够强 i 绪论 绪论 1 1 功率因数校正的意义及定义 整流滤波是电子技术及电子仪器中广泛应用的基本变流技术。在普通电力电子装置 中，整流电路通常采用不可控整流后接电容滤波或是晶闸管相控整流。整流器接电容滤波 电路是一种非线性元件和储能元件的组合。虽然输入交流电压形是正弦的，假是因为在交 流电压正弦波峰值附近，滤波电容被整流后的电流充电，因此输入交流电流t 严重畸变， 呈脉冲状。这种电流的基波是和输入正弦电压同相位的，投产生有功功率，但在电流波形 中含有较大的高次电流谐波，这些电流波形中的高次谐波与输入正弦电压既不同频率，又 不同相位，使得功率因数很低。 输入电流中含有大量谐波，一方面使谐波噪声水平提嵩，同时必须在a c - d c 整流电路 的输入端增加滤波器，进而造成成本、体积、重量的增加；另一方面，大量谐波分量倒流 入电两，造成对电网的谐波“污染”。当电流流过线路阻抗时会造成谐波电蓬压降，反过 来使电网电压( 原来是正弦波) 也发生畸变，即所谓的“二次效应 。同时会造成电路故障， 使变电设备损坏，例如线路和配电变压器过热，谐波电流会引起电网乙c 谐振，或高次谐 波电流流过电网的高压电容，会使之过流、过热丽爆炸等。在三相四线制的供电电路中， 三、六、九次谐波在中线中是同相位的，合成后中线电流很大，其中三次谐波尤为突出， 这不仅会增大输入电流在传输线上的损耗，增加了用电单位的投资，而且有可能超过相线 电流，会造成中线严重过载而损坏。 因此，为了减少a c d e 交流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”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数，以达 到节能的效果，必须限制a c d c 电路的输入端谐波电流分量。现在，有关部门已经如台了 相应飙定，对用电设备的波形失真作了具体限制。这些标准都给出了公用电网谐波电压、 谐波电流的限制值，如国际电工委员会1 9 8 8 年对i e c 5 5 5 - - 2 谐波标准进行了修正，欧洲 也销订了相应豹i e c 圭0 0 0 3 2 谐波标准，我国国家技术监督弱也于1 9 9 3 年颁布了电 能质量公用电网谐波标准( c b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ，并于1 9 9 4 年3 月1 日起正式执行；我国标 准化委员会也制定了g b1 7 6 2 5 1 1 9 9 8 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值，这 一标准是强制性标准，所有设备都必须满足。因此，提高功率因数在a c - d c 电源应用中具 有重大的意义川。 根据电工学的基本理论，功率因数( p f ) 定义为有功功率( p ) 和视在功率( s ) 的 1甲 比值，其中有功功率为p 。言( 龇，i , d t ，视在功率s u , i r ，当输入电压为正弦波时，其表 j ，” 达式为： 西安理工大学硕士学位论文 盼；一p 。堡地。i lc o s q 9 ；a c o s 留 ( 1 1 ) s u i t lr 。 式中：阢为输入电压基波有效值；，l 为输入电流基波有效值；，冀为电网电流有效值， 厶= e + ，；+ 鬈，其中、，2 、l 为输入电流各次谐波有效值；a 为输入电流波形 畸变因数，它标志电流波形偏离正弦的程度，总有as 1 ；c o s q 9 为基波电压与基波电流的 位移因数。 以上可见，功率因数是由输入电流的畸变因数及基波电压和基波电流的位移因数的乘 积决定的，c o sz p 越小，则设备的无功分量越大，设备剩用率就越低；a 越小，刘表示输 入电流谐波分量越大，造成电流波形畸变越大，对电网造成严重的污染，功率因数降低， 严重时会造成电子设备损坏。通常无源电容滤波二极管整流电路输入端的功率因数只能达 到0 。6 或0 。6 5 左右8 1 。从式( 1 圭) 可见，抑制谐波分量即可达到增大a ，以达到提高 功率因数的目的。 通常跨低的负载会给电瓣带来电能质量闻题，从式( 1 。圭) 可见，这类负载对电网 的“污染，的危害有m 1 ： ( 1 ) 从电网吸收无功电流，导致电丽中流动的功率增加，加大了电两的损耗； ( 2 ) 增加了发电设备和输变电设备的负担，降低了电网实际可以传递的有功功率的 大小。 但是，由于谐波电流是非正弦的畸变电流，它对电溺豹危害更大： ( 1 ) 造成电网电压畸变，影响其他设备正常工作； ( 2 ) 使变压器、发电瓿、补偿电容等设备的损耗增加，溢升加大，使它们的绝缘部 分老化，引起使用寿命的降低，严重时甚至会烧毁； ( 3 ) 造成中线电流显著增加，降低了用电效率，导致中线严重发热，严曩时甚至会 引发火灾； ( 4 )引起电网与补偿电容器之问发生并联或串联谐振，这种谐振会使谐波电流放大 几倍甚至数十倍，造成电容器因过电流两烧坏，进而破坏电网的稳定性： ( 5 ) 造成电网中继电保护、熔断器等保护设备误动作； 因此，如何抑制和消除谐波对公共电圈的污染，提高功率因数己成为当今国内外电源 界研究的重要课题。 1 。2 功率因数校正技术的发展现状 功率嚣数校正技术诞生于2 0 世纪8 0 年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积 小、重量轻、输入功率因数接近于l 的优点，因而受到了人们的关注。但2 0 世纪8 0 年代 的功率因数校正技术大部分是基于b o o s t 电路原理，所以说2 0 世纪8 0 年代是b o o s t 功率 2 1 绪论 因数校正年代。这个阶段的主要特点是u “：校正器采用的是“乘法器”原理进行控制， 校正器工作在连续导电模式，可以获得较大的功率转换容量。毽是控制比较复杂、不适合 2 0 0 w 以下小容量使用；2 0 世纪8 0 年代后期又针对小容量整流器提出了电压跟随器校正 技术，校正器工作在不连续导电模式，使控制电路大大简化，很适合2 0 0 w 以下小容量的 整流器使用，一般不能用于较大功率整流器中。 2 0 世纪9 0 年代是功率因数校正技术大发展的阶段，在这一阶段，功率因数校正技术 的理论曰趋完善，校正技术与软开关技术相结合，进一步提高了功率因数校正电路的性能。 因前，带功率因数校正技术的开关变换器分为两级结构和单级结构i t 2 5 1 们。目 前文献上研究的两级p f c 技术一般都是指b o o s tp f c 前置级和后随的d c d e 功率变换级。 对b o o s tp f c 面言，研究的热点主要有两全，一是功率级的进一步完善，另一个是p f c 控制的简化。简化p f c 控制，即如何省掉乘法器是目前研究控制的目标。单极技术是在 2 0 世纪9 0 年代，由美雹科罗拉多大学的e r i c k s o n 教授提毒的。研究单级p f c 技术的目 的是减少元器件数量，降低成本，提高效率和简化控制等。单级p f c 技术的研究仍然呈上 升的趋势，原因是其性能尚未达到最优，许多问题有待进一步解决，分析与设计还有很多 工作要做。 自2 0 世纪8 0 年代以来，由于自关断器件的日益成熟以及应用，推动了p w m 技术的应 用和发展。1 9 8 2 年b u s s ea l f r e d 首先提出了基于可关断器件的三楣全撬p w m 整流器拓扑 结构及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型p w m 整流器网侧单位功率因数正弦波电 流控制。2 0 世纪9 0 年代以来，p w m 整流器一直是学术界关注和研究的热点。随着研究的 深入，基于p w m 整流器拓扑结构及控制的拓展，相关的应用研究也发展起来，如有源滤波 器、超导储能、交流传动、高压直流输电以及统一潮流控制等。这些应用技术的研究，又 促进了p 删整流器及其控制技术的进步和完善。 这一时期的p w m 整流器的研究主要集中在以下几个方面： ( 圭) p w m 整流器的建模于分析“ p w m 整流器数学模型的研究是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。自a w g r e e n 等 提出了基于坐标交换的p w m 整流器连续、离激动态数学模型后，各国学者以不同方法从各 方面对p w m 整流器的数学模型进行了深入仔细的研究，其中r w u 、s b d e w a n 等较为系统 地建立了p 嘲整流器的时域模型，并将时域模型分解为高频、低频模型，且给出了相应的 时域解。丽c h u n t r i m 和d o n gy h u 等则利用局部电路的d q 坐标变换建立了p w m 整流器 基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。 ( 2 ) 电压型p w m 整流器的电流控制 为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得 十分重要。在p w m 整流器技术发展过程中，魄压型p 瓣整流器网侧电流控制策略主要分为 两类：一类是间接电流控制策略，另类就是目前占主导地位的直接电流控制策略“”。 间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过电压型p 硎整流器的交流侧电 3 西安理工大学硕士学位论文 压基波幅值、相位，进而间接控制网侧电流。由于间接电流控制其网侧电流的动态响应慢， 且对系统参数变化灵敏，因此这种控铡策略已经逐步被直接电流控制策略所取代。赢接电 流控制策略以其快速的电流响应和鲁棒性受到了学术界的关注，并先后研究出各种不同的 控制方案，主要包括以固定开关频率而且采用电网电动势前馈的s p 麟控制，以及以快速 电流跟踪为特征的滞环电流控制等。为了提高电压利用率并降低损耗，基于空间矢量的 p w m 控制在电压型p w m 整流器电流控制中取得了广泛应用。 ( 3 ) 主电路拓扑结构的研究 面对于不同功率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的p w m 整流器拓扑结构。 在小功率应用场合，p w m 整流器拓卦结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出 性能上。对于大功率p w m 整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、变流器 组合、以及软开关技术上。多电平拓扑结构的p w m 整流器主要应用于高压大容量场合。而 对大电流应用场合，常采用变流器组合拓扑结构，即将独立的电流型p w m 整流器进行并联 组合。与普通并联不同的是，每个并联的p w m 整流器中的p w m 信号发生采用移相p w m 控制 技术”，从两以较低的开关频率获得了等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同 时，也可将独立的电压型p w m 整流器进行串联移相组合，以适应高压大容量的应用场合。 此外，在大功率p w m 整流器的设计上，还研究了基予软开关( z v s 、z c s ) 控制的拓扑结构 和相应的控制策略，然而这一技术还有待于进一步完善和改进。 ( 4 ) 系统控制策略的研究 随着p w m 整流器及其控制策略研究的深入，研究人员相继提出了一些较为薪颖的系 统控制策略：无电网电动势传感器及无网侧电流传感器控制；基于l y a p u n o v 稳定性 理论的p 硼整流器控制嬲；p w m 整流器的时间最优控制“酣；电溺不平衡条件下的p w m 整流器控制“。 ( 5 ) 电流型p w m 整流器的研究 虽然，由b u s s ea l f r e d 等提出的电流型p w m 整流器网侧电流幅相控制策略，但是长 期以来，电压型p w m 整流器以其简单的结构、较低的损耗、方便的控制等系列优点，一 矗成为p w m 整流器研究的重点。丽电流型p w m 整流器由于需要较大的直流储能电感，以及 交流侧滤波环节所导致的电流畸变、振荡等问题，使得结构和控制相对复杂化，从而制约 了电流型p w m 整流器的应用与研究，僵是随着超导技术的应用与发展，电流型p 麟整流器 在超导储能中取得了成功应用。由于在超导储能变流环节中应用的电流型p w m 整流器无需 另加直流电感，并且具有良好的电流保护性能，因此与电压型p w m 整流器相比，电流型 p w m 整流器更为合适。 对于这部分国内的研究相对国外起步较晚，但对这种新技术的研究在我国也已形成了 研究热潮，许多高校对此都相继开展了深入的研究，并开发鲞小型实验样机。其中西安交 大对中小功率的高功率因数整流器的拓扑结构及控制、谐波抑制和无功功率补偿等进行了 研究1 ：3 3 1 5 5 1 ；浙大采用g t r 和p w m 技术开发出新型的电流型整流器鼬；华中理工大将 4 1 绪论 交流电机统一理论中的空间坐标系变换概念引入到高频整流系统中们；哈工大对高功率 因数整流器的动态调节性能进行了研究5 等等。 根据目前功率因数校正技术以及p w m 技术的发展，p f c 技术已经进入了成熟阶段，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 的控制方法的出现将会继续推动p f c 技术的发展，从现有的p f c 发展来看，未来几年p f c 的发展主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 开关频率的高频化 为了进一步降低e m i 滤波器和高频电感的尺寸，以降低成本、减少体积和提高功率密 度，可以将开关频率提升到6 0 0 k h z 甚至1 m h z 以上，为此需要选择支持高开关速度的c m o s 器件和反向快速恢复的二极管。资料表明n ：采用上述的两级p f c 体系，开关频率1 m h z 和满载时效率可达9 2 8 。 ( 2 ) 高性能功率器件的使用 采c m o s 器件，可进一步降低开关损耗。采用反向快速恢复二极管不仅可以降低反向 关断时的损耗，而且还可以降低传导的e m i 水平。资料表明1 ，仅反向快速恢复二极管 的使用可以降低2 4 0 6 0 以上的开关损耗，进而可以降低散热器的尺寸。 ( 3 ) 功率模块的研制与推出 截至目前，已经有多家包括中国公司在内的公司相继推出各种型式的p f c 功率模块， 如有桥p f c 功率模块、无桥p f c 功率模块，包括控制电路的功率集成模块、分离器件制作 的功率模块，甚至可以将6 单元或7 单元的i p m ( 智能功率模块) 经过适当安排之后，用 于p f c 模块+ 单相或三相逆变器模块。 ( 4 ) 部分有源p f c 的使用 部分有源p f c 是针对完全有源p f c 而言的，不像完全有源p f c 那样，部分有源p f c 总体上为降压p f c ，输出的直流电压平均值( 含最大值) 低于电网电压的幅值，半个电源周 期内融合了自然整流方式和强迫整流方式( p f c 方式) 。由于这种方式中大部分时间内功率 开关处于断态，因而可以大大提高效率。资料表明1 ，相同情况下部分有源p f c 比完全 有源p f c 能够提高效率2 3 ，当然部分有源p f c 不是追求极高的输入电流的正弦度， 只要保证输人电流中各次谐波电流含量低于标准中的限制值，且具有足够的余量，直流回 路电压纹波也不高。部分有源p f c 由包括单脉冲、双脉冲、作单边p w m 、双端p w m 等方案， 具体设计又有所不同。 ( 5 ) 应用领域日益扩大 单相或三相交流电源供电、提供直流输出的a c - d c 变换器的应用范围非常广泛，大体 上都可以采用p f c 技术，以便提高交流电源的利用率。目前为止，p f c 技术已经从传统的 应用场合，如家用电器、电信电源、电子镇流器等，扩展到4 0 0 8 0 0 h z 高频输人的航空 运输机( 当然也采用无源p f c 方案) ，频率波动的单相或三相发电机的高功率因数输出，极 低输人频率的绕线异步电动机转子侧高功率因数输出( 内反馈凋速或串级调速) 等。 5 西安理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 三相p f c 支持更大输出功率 一般认为采用单相p f c 可以支持最大输出功率在5 k w 左右。随着输出功率的不断增 加，需要采用三相交流电源供电的整流器。为了获得高的输人功率因数，一种方法是采用 单相p f c 概念，为此有多种方案，包括带中线的三个单相p f c 方案、线电压供电的三单相 p f c 方案，采用s c o t t 变压器的双单相p f c 方案等。 ( 7 ) 数字控制代替模拟控制 最早使用的p f c 控制器大多数采用模拟电路和模拟芯片，虽然效果好、成本低，但是 应用起来并不灵活。采用单片机或d s p 可以在完成p f c 的同时完成其它工作，如p w m 开关 电源、逆变器等。 ( 8 ) 开关频率调制降低e m i 水平 为了有效地降低p f c 系统产生的传导e m i 水平，一种有效的方法就是采用开关频率调 制的原理，使得开关频率在一定的周期内按照一定的规律变动，可以将e m i 干扰在更宽的 频谱范围内展开，使得窄带分布变成宽带分布。此外，还有单随机调制、双随机调制等策 略，甚至可以采用混沌的理论实现p f c 开关频率调制。 ( 9 ) 控制策略的不断涌现 根据p f c 的功率范围和结构，电流可以采用连续模式( c c m ) 和断续模式( d c m ) ；可 以采用平均电流检测方式和峰值电流检测方式；可以采用传统乘法器原理、电压跟随器原 理和单周期控制原理( o c c ) ；可以采用单级结构和双级结构；可以采用串联交错、并联交 错和多电平结构；可以采用各种控制理论，如重复控制、预测控制等。 目前，单相有源功率因数校正( a p f c ) 技术在电路拓扑结构和控制方面己经相当成熟， u n i t r o d e ，m o t o r o l a ，s i l i c o n ，g e n e r a l ，s i e m e n s 等公司相继推出了各种有源功率因数 校正芯片，如u c 3 8 5 2 ，u c 3 8 5 4 ，u c 3 8 5 5 ，m l 4 8 1 2 ，m l 4 8 1 9 ，t d a 4 8 1 4 ，t d a 4 8 1 5 ，k a 7 5 1 4 等，在小功率开关电源、不间断电源( u p s ) 等方面获了广泛的应用。三相有源功率因数校 正( a p f c ) 技术由于应用广泛、工作机理复杂而成为当前电力电子学界研究的热门课题，国 内外都在进行着积极地研究。目前这方面的研究除了探索新的电路拓扑结构外，多集中在 研究如何提高其稳态和动态性能、降低成本和提高效率等方面。 1 3 本文的研究内容 文献川1 提出了一种电流型三相功率因数校正拓扑结构，是在s c r 相控整流器的 基础上，增加了b u c k 斩波控制，文中主要研究了主电路的换流过程和晶闸管的开关特性 实验，分析了基波分量的模型。本文在此基础上，对该电路拓扑进行了深入的研究，建立 了基于开关函数的电路数学模型，详细分析了电路的p w m 调制原理，设计了该电路的控 制系统结构和参数，对该电路系统进行了仿真研究。具体包括以下方面： 1 简述了功率因数校正技术的原理以及目前的发展现状，并且对单相和三相p f c 技 6 1 绪论 术及其控制方法的原理进行了阐述，为设计和理解提供理论依据。 2 分析传统相控整流器的工作原理，指出其优缺点。并根据文献所提出的三相p f c 主电路的拓扑结构，详细分析了主电路的工作原理，建立了数学模型，详细给出了主电路 参数的设计原则，并根据设计原则给出具体的设计实例； 3 从整流器的基波分量稳态建模、p w m 调制以及p w m 调制的实现三个方面对控制电路 设计作了理论分析，详细设计并计算了控制系统的电流内环、电压外环p i 调节器的参数。 4 对两种不同设计方案的整流器进行电路仿真，给出仿真结果的对比分析。 5 设计硬件电路整体框图，介绍了开关器件的选择及其驱动电路；设计了d s p 控制 系统，给出了外围相关电路的设计。 最后，对全论文进行总结，并且就下一步工作进行展望。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 功率因数校正及其控制技术 2 。 功率因数校正技术的基本原理 功率因数校正( p f c ) 电路基本上就是一个a c d c 变换器。一个标准的变换器是利用脉 冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术来调整输入功率的大小，以供应适当的负载所 需要的功率。脉冲宽度调制控制切换开关将直流输入电压变换成一串电压脉冲波，随后利 用变压器和快速二极管将其转成平滑的直流电压输懑。这个输出电压随即与一个参考电压 进行比较，所产生的这个电压差回馈至p w m 控制器，这个误差电压信号是用来改变脉冲宽 度的大小。如果输患电压过高，脉冲宽度会减小，进而使输出电压降低，以使输出电压恢 复至正常输出值。 p f c 电路也是利用这个方法，但是加入了一个更先进的元件，使得来自交流电源的电 流是个正弦波并与交流输入电压同相位。此时误差电压信号的调制是由整流后输出电压的 变化来控制的，最后误差电压信号回馈至p w m 控制器。也就是说，当交流电压较高时，p f c 电路就从交流电源吸取较多的功率；反之，若交流电莲较低，则吸收较少酶功率，如此可 以抑制交流电流谐波的产生1 。 p f c 技术有很多的分类方法，从市电电阏的输入方式可以将p f c 技术分为单相p f c 电 路和三相p f c 电路，从器件开关形式来分，p f c 电路又分为硬开关和软开关电路( z c s 或 z v s ) ；就功率因数校正器本身的结构而言，功率因数校正器又可以分为两级式和单级式。 尽管p f c 技术有很多的分类方法，近年来也出现了一些新的p f c 技术，如三电平p f c 技术、磁放大p f c 技术和不连续电容电压模式p f c 技术等。但是在p f c 技术中最主流、应 用最广泛的p f c 技术有两种：即乘法器p f c 技术季瓣电压跟随器( d c v m ) p f c 技术。 乘法器p f c 技术的基本原理是b o o s t 变换器工作在连续导电模式，其电感电流就是输 入电流。电感电流被采样并被其控制，使其幅值和与输入电压相位相同的正弦参考信号成 正比，从丽达到功率因数趋于l 的校正目的；乘法器型p f c 电路还可以根据输崽电压反馈 信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而得到可以调整的输出电压。乘 法器型p f c 技术的控制方式可分为三种：恒频控制( c o n s t a n t f r e q u e n c yc o n t r 0 1 ) 、恒误 差带控制( c o n s t a n t t o l e r a n c e b a n dc o n t r 0 1 ) 和变差带控制( v a r i a b l e t o l e r a n c e b a n d c o n t r 0 1 ) 。这种p f c 技术的特点是：连续导电模式、采用乘法器控制、需要引入多个反馈 方式、控制电路复杂、转换容量大、可用于2 0 0 w 以上的p f c 电路。 电压跟随器型p f c 电路中的变换器工作在不连续导电模式，其开关由输出电压误差信 号控制，开关周期为常数。出于电感电流峰值基本上正比予输入电压，因此输入电流波形 自然与输入电压波形相同。实际上，对于不同的变换器结构，输入电流波形会出现不同程 8 2 功率因数校正及其控制技术 度的畸变，但这对输入功率因数的影响并不明显。与乘法器型p f c 电路相比，电压跟随器 型p f c 电路的控制方式更为简单，仅需要一个输出电压控制开关。因此，多数现有的开关 电源p w m 控制用集成电路均可作为电压跟随器型p f c 电路的控制器。另外，变换器工作在 不连续导电模式下，从而避免了b o o s t 变换器中因输出二极管反向恢复电流而带来的问 题。这种p f c 技术的特点是：不连续导电模式、采用电压跟随器控制、可直接采用常规的 p f c 调制、同时提高输入功率因数和调节输出电压、控制电路简单、成本低。但电压跟随 型p f c 技术有以下缺点： ( 1 ) 只适合2 0 0 w 以下的功率容量； ( 2 ) 输入电流波形为脉动三角波，因此其前端需添加一个小容量的滤波电容以滤除 高频纹波： ( 3 ) 具有较高的开关峰值电流，会带来较大的开关关断损耗。 从电路结构上分，p f c 电路可以分为无源p f c 和有源p f c 两种。 无源p f c 技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管，对电路 中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波的含量，提高功率因数。这种方法的优点是结构 简单、可靠，无需进行控制；而缺点是增加的无源元件一般体积都很大，成本也很高，并 且功率因数通常仅能校正至0 9 5 左右，而谐波含量仅能降低至3 0 左右，难以满足现行 谐波标准的限制。 有源p f c 技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使输入 电流成为与电源电压同相的正弦波，总的谐波含量可以降低至5 以下，瑟功率因数能高 达0 9 9 5 ，从而彻底解决整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。然而有源功率因数校 正技术也存在一些缺点：电路和控制较为复杂，开关器件的高速开关造成电路中开关损耗 较大，效率略低于无源功率因数校正电路。但是由于采用有源功率因数校正技术可以非常 有效的降低谐波含量、提高功率因数，从而满足现行最严格的谐波标准，因此其应用越来 越广泛。 值得提到的是，单相有源功率因数校正电路较为简单，仅有1 个全控开关器件，该电 路容易实现，可靠性也离，因此应用非常广泛，基本上已经成为功率在0 5 - - 一3 k w 范围内 的单相输入开关电源的标准电路形式。然而三相有源功率因数校正电路结构和控制比较复 杂，成本也比较高，因此目前三相输入的电源通常还采用无源功率因数校正技术。针对三 相功率因数校正技术的研究还在积极的进行中。 2 。2 单相p f c 及其控制 有源功率因数校正技术，特别是高频有源功率因数校正技术，麓实现p f 0 。9 9 ，也 就是让电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压保持同相位。此方案分为 单级和两级控制方式。两极式即b o o s tp f c 前置级和后随的d c d c 功率变换级，他们各级 9 西安a _ r - 大学硕士学位论文 都有各自的开关器件和控制电路，对b o o s t 功率因数校正而言，研究的热点主要有两个， 一是功率级的进一步完善，二是p f c 控制的篙纯。简化p f c 控制，即如何省掉乘法器是霉 前研究控制的目标。p f c 级主要作用是使输入电流跟踪输入电压，使输入电流正弦化，减 小谐波对电网的污染，提高输入功率因数；d c d c 级主要用来实现输出电匝的快速调节。 单级式即p f c 级和d c d c 级合并，共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流 的正弦化和对输出电压的调节。 走于控制电路主要是用来调节输溅电压，因此输入电流正弦化的程度就差些，但两极 式需要多个元器件，成木高、效率低，尤其在中小功率场合应用时，很不经济。因而，研 究单级功率因数校正及变换技术成为很迫切的要求。单相功率因数校正电路主要有以下拓 扑形式。 ： 2 。2 。1 单相p f c 常用拓扑 整流器的负载经常是逆变器，逆变器有电压型和电流型两种。考虑到这种需要和有源 校正d c d c 变换器的输入特点，从输入结构形式来分，又可分为电感输入型和电容输入 型两种拶1 。电感输入型，就是用电感l 作为输入的电路，这类电路的典型代表是b o o s t 有源p f c 电路，它主要用于电压型逆变器。这种电路的优点是电流连续，缺点是只能升压 不能降压、起动及过载冲击大、保护网难、空载性能差。电容输入型，就是用电容c 作为 输入的电路，这类电路的典型代表是b u c k 有源p f c 电路，它主要用于电流型逆变器。这 种电路的优点是可靠性高、抗短路能力强，缺点是电路复杂、电流不连续、只能降压不能 升压。 一电滕 给窳 图2 - 1 采用乘法器控制的举相p f c 拓扑结构 f i g u r e2 - 1m u l t i p l i e rc o n t r o lo ft h eu s eo fs i n g l e - p h a s ep f ct o p o l o g y 对于图2 一l 所示的采用乘法器控制原理框图中，b u c k 、b o o s t 、c u k 、s e p i e 、z e t a 等d c d c 变换器电路都可以互换采用，其中b o o s tp f c 电路，因为它的网侧输入电流总是 连续的，丽盛盘于储能电感常常接在输入端，能够吸收来蠢市电电网嚣尖峰电压，所以应 用较多。 在b o o s t 电路中，电感电流就是市电电黼输入电流，所以控制电感电流按正弦变换就 1 0 2 功率因数校正及其控制技术 可以提高输入功率因数。这种控制电流的方式就是通常所说的“电流模式”控制方式。目 前电流模式控制方式有两种，郎“峰值电流”模式控制和“平均电流”模式控制。仔细研 究发现：“峰值电流模式对功率因数校正整流器的动态性能有不利的影响，而“平均电 流 模式则能成功的解决上述问题。 2 2 2 带隔离的单相p f o 这类电路是由个p f c 单元加上一个电流反馈的d c d c 变换器( 大多数为带隔离的) 。 两个单元都工作在电流断续状态( d c m ) ，同时由于两个单元的功率开关共同用一个控制信 号，因丽可以省去一个开关，简化了电路，降低了成本。 一 弋7 v d 3 _ - l 2、z 、 k | r 2、2c 7 v t 2= u 0 1 厂争- 巳甾凤 ，7 l 。一一 圈2 2b o o s t 与f l y b a c k 缀合式肇汗关电路 f i g u r e2 - 2b o o s ta n df l y b a c ks e c t i o n a ls i n g l es w i t c hc i r c u i t 这类电路的典型代表是b o o s t 与f l y b a c k 组合式单开关电路，如图2 2 ，v d l 、v d 3 、 厶、 和内部能量储存电容c 1 组成一个工作于电流断续模式的b o o s t 变换器，玎、v d 2 、 变压器( 厶为其一次励磁电感) 和g 组成一个反激变换器。其主要优点是储存电容上的电 压玑不随负载电流的大小而变化，有效地消除了整流管上的硬开关损耗。而电流连续模 式( c c m ) 时，【厂r 随负载改变比较多，返就降低了重载时的维持时间，减小了有效的输入电 压的范围，增加了对功率管、二极管和电容等元器件的电压应力要求。d c m 工作的缺点是 增加了开关管的工作损耗和电流应力。图2 2 所示电路的最大缺点是功率因数p f 与 玩甾r 有关，邵与毛，2 有关，厶的比值越小，陌越大。如当毛7 乞= 0 。4 5 时，p f = 0 9 8 3 ；当厶厶= o 7 5 时，p f - - 0 7 5 。因此参数设计时成综合考虑电流畸变和电容电压 的大小，以求两者都在可接受的范围内。 2 2 3 软开关单相p f o 软开关技术近来发展迅速，它可减少开关损耗，提高开关频率，可减小输入输出滤波 器的体积，增加功率密度和减小e m i 。其原理是在器件两端并联回路，在器件开通前 使其电压谐振至零，在器件关断前，使其电流谐振至零，这样可大幅度减小开关损耗。 西安理工大学硕士学位论文 2 2i 1 l ， l v d 6 v t 一s 丰c r 洲 一= c ： z - 一一 v 1 l 2 x2 一一 隧2 3z v tb o o s tp f c 电路 f i g u r e2 - 3z v tb o o s tp f cc i r c u i t 图2 3 所示z v tb o o s tp f