（电子科学与技术专业论文）单周期控制单相两级有源功率因数校正器设计.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：糨 日期：土盟年上月纽日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：谢幽师签名么取日期：丛年月壶日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着电子电器设备的广泛应用，谐波污染问题也日趋严重。为了 减少谐波污染，功率因数校正技术得到广泛应用。研究和开发结构简 单、性价比高的功率因数校正器具有重要的现实意义和市场前景 本文在调研国内外功率因素校正技术发展概况基础上，通过分析 功率因数校正的电路结构和控制策略，针对单周期控制策略在单相两 级有源功率因数校正器中的应用要求，对主电路结构及控制回路进行 优化，进而设计了一种采用单周期控制的单相两级有源功率因数校正 器。在工作原理的分析基础上，基于b o o s t 电路和b u c k 电路模型， 通过数学推导，导出单周期控制单相两级有源功率因数校正器的控制 方程，并构建了固定开关频率、固定开关导通时间、固定开关关断时 间三种单周期控制方式下的电路图。 采用仿真模拟方法分析评价了固定开关频率的单周期控制方式 下的单相两级有源功率因数校正器的应用特性，仿真结果表明，单周 期控制单相两级有源功率因数校正器能使输入电流跟随输入电压，并 使输出电压基本维持恒定，总电流谐波含量为5 8 3 9 6 ，功率因数 0 9 9 2 ；能实现抑制电流谐波、稳定输出电压的功能，且电路结构得 到简化；同时在负载和输入电压变化时能保持良好的稳定性，且由输 出电压可得电容电压的选取依据。 关键字功率因数校正，控制策略，单周期控制，谐波抑制 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ew i d e a p p l i c a t i o n o fe l e c t r o n i c e q u i p m e n t ，h a r m o n i c p o l l u t i o ni sg e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s i no r d e rt or e d u c eh a r m o n i c p o l l u t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n i s i n c r e a s i n g r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs i m p l es t r u c t u r e ，c o s t e f f e c t i v eo fp o w e r f a c t o rc o r r e c t o rh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt h em a r k e t p r o s p e c t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no fd e v e l o p i n gs i t u a t i o n ，b ya n a l y z i n g c i r c u i ts t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g y , a c c o r d i n gt oo n ec y c l ec o n t r o l s t r a t e g y i ns i n g l e - p h a s ea n dt w o - s t a g ea c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t o r a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h i sp a p e ro p t i m a lt h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r ea n d c o n t r o ll o o p ，a n dd e s i g nas i n g l e p h a s ea n dt w o s t a g ea c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c t o rb yo n e c y c l ec o n t r 0 1 b a s e do nt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ef o rt h e m a i nc i r c u i to ft h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，t h ec o n t r o le q u a t i o nw a s d e r i v e df r o mm a t h e m a t i c a ld e d u c t i o n ，w h i c hw a sb a s e do nb o o s tc i r c u i t a n db u c kc i r c u i t , f o rt h e s i n g l e p h a s e a n dt w o - s t a g e p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nc o n t r o l l e db yo n e c y c l ec o n t r o l ，a n dt h e nt h eo n ec y c l ec o n t r o l s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n s t a n tf r e q u e n c ys w i t c h ，c o n s t a n to n - t i m es w i t c h a n dc o n s t a n to f f - t i m es w i t c hw e r ec o n s t r u c t e d t h e a p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h eo n e - c y c l ec o n t r o lm e t h o do f a c o n s t a n tf r e q u e n c ys w i t c hw a ss i m u l a t e da n de v a l u a t e d r e s u l t ss h o wt h a t i tc a nm a k et h ep h a s eo fi n p u tc u r r e n tt r a c kt h ep h a s eo fi n p u tv o l t a g e t h eo u t p u tv o l t a g ek e e p si n v a r i a b l e ，t h eh a r m o n i cf r a c t i o n so ft h ec u r r e n t i s5 8 3 a n dt h ep o w e rf a c t o r ( p f ) i s0 9 9 2 t h u s ，t h eo n e - c y c l ec o n t r o l m e t h o dc a ns u p p r e s st h eh a r m o n i cc u r r e n t , s t a b i l i z et h eo u t p u tv o l t a g e a n ds i m p l i f yt h ec i r c u i ts t r u c t u r e a tt h es a n l et i m e ，i tc a nm a i n t a i n9 0 0 d s t a b i l i t yw h e nt h el o a do rt h ei n p u tv o l t a g ec h a n g ea n dc h o o s ea c c o r d i n g t ot h ec a p a c i t o rv o l t a g e sf r o mo u t p u tv o l t a g e k e yw o r d s p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，c o n t r o ls t r a t e g y , o n e - c y c l e c o n t r o l ，h a r m o n i cs u p p r e s s i o n l l ri 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 引言l 1 1 1 谐波及其危害1 1 1 2 功率因数及谐波标准1 1 1 3 谐波解决方案3 1 2 国内外研究现状5 1 3 论文主要研究内容6 第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略8 2 1 功率因数校正器典型电路结构_ 8 2 1 1 基于b u c k 电路的p f c 变换器8 2 1 - 2 基于b o o s t 电路的p f c 变换器9 2 1 3 基于b u c k - b o o s t 电路的p f c 变换器9 2 1 4 基于f l y b a c k 电路的p f c 变换器1 0 2 2 功率因数校正器控制策略“ 2 2 1d c m 控制策略。1 l 2 2 2c c m 控制策略。1 2 2 2 3 控制新策略1 4 2 3 单周期控制技术1 6 2 3 1 单周期控制的基本原理1 6 2 3 2 单周期控制技术原理l7 2 3 3 单周期控制在b o o s tp f c 中的应用2 2 2 4 本章小结2 5 第三章单周期控制策略在单相两级有源功率因数校正器中的应用2 6 3 1 单相有源功率因数校正2 6 3 1 1 两级有源功率因数校正电路2 6 3 1 2 单级有源功率因数校正电路2 7 3 2 单周期控制在两级有源功率因数校正器中的应用2 8 3 2 1 主电路结构设计及控制框图建立_ 2 8 3 2 2 电路主要参数计算3 0 3 2 3 单周期控制单相两级a p f c 电路仿真3 1 3 3 本章小结3 4 第四章改进型单周期控制单相两级有源功率因数校正器设计3 5 4 1 主电路结构及工作原理3 5 4 1 1 主电路结构3 5 4 1 2 主电路工作原理3 5 4 2 控制电路原理及结构3 7 4 2 1 单周期控制原理3 7 4 2 2 控制框图3 8 4 3 电路主要参数计算4 2 4 3 1 主电路电感计算4 3 4 3 2 主电路电容计算4 4 i i i 中南大学硕士学位论文目录 4 4 仿真分析4 5 4 4 1 桥式整流电路仿真4 5 4 4 2 改进型单周期控制单相两级a p f c 电路仿真4 6 4 5 本章小结5 l 第五章总结5 3 参考文献5 4 致谢5 9 攻读学位期间主要研究成果6 0 i v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早殖化 随着电子技术进步及社会发展，电子电器设备的应用日益广泛，而这些电子 电器设备一般使用通过整流滤波电路及d c d c 变换电路后得到的直流电。但采用 二极管整流的整流电路易产生高次谐波，这些谐波通过整流器与电网的接口馈入 电网导致严重谐波污染，从而影响电子电器设备的正常工作，并影响供电质量和 降低电能利用率【l ，2 ，3 j 。因此，谐波抑制技术近年来越来越引起电力电子行业广大 工程技术人员和研究者们的关注和重视。 1 1 1 谐波及其危害 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为整数倍的基波频率。通常将 谐波畸变分为电压畸变和电流畸变，其中电网电压的畸变率远小于电网电流的畸 变率，且电压畸变多是由电流畸变引起【4 ，5 ，6 】。 在电力系统中，通常由频率5 0 h z ( 或6 0h z ) 的正弦波电压供电，而一个正弦 电压加载在一个非线性负载上产生的电流不再是完整的正弦波形，会发生波形畸 变，这就是电路中谐波产生的原因。在电器设备大量应用之前，最主要的谐波源 是电力变压器的励磁电流和发电机。近几十年来，公用电网中的谐波源主要有家 用电器、变频装置、电弧炉等，这些电器设备产生大量谐波，给公用电网造成严 重谐波污染，其主要危害有【7 ，3 ，9 】：( 1 ) 谐波电流流过输电线路阻抗产生的谐波电 压降反过来使电网电压( 原本是正弦波) 发生畸变，即产生“二次效应 ，影响供 电质量；( 2 ) 谐波会增加电网电路损耗，例如在变压器中，谐波在增加变压器铜 损的同时，还增加了磁滞损耗和涡流损耗；( 3 ) 谐波电流会造成输电线路故障， 影响电器设备正常工作，例如，谐波对电机的影响主要有附加损耗、机械振动、 噪声和过电压等；( 4 ) 谐波会干扰通信设备及雷达设备，严重时会使这类设备无 法正常工作；( 5 ) 谐波会造成同一系统中的继电保护装置误动作，引起继电保护等 自动装置工作紊乱；( 6 ) 谐波使电能计量器产生谐波误差，同时给供电部门计费 产生影响。 1 1 2 功率因数及谐波标准 1 、功率因数 功率因数( 尸，) 【1 ，3 】一般定义为有功功率( 尸) 与视在功率( s ) 之比值，即： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 p f ：!( 卜1 ) s 在理想情况下，输入电流和输入电压都是正弦波。设交流输入电压和输入电流的 有效值分别为和厶，电网角频率为q ，输入电压和输入电流的相位差为秒， 则输入电压“r ( f ) 和输入电流k ( f ) 可分别表示为： “r ( ，) = 2 队s i n c o i t ( 卜2 ) r ( t ) = 、r s i rs i n ( c o l t + 印 ( 卜3 ) 当负载为非线性负载时，则输入电流转变为非正弦的尖脉冲，一般将此电流表示 为含有基波及各次谐波分量之和： f ( ，) ：妻皿s i n ( c o j + 幺) ( 1 4 ) 其中，基波电流有效值为，相位差为q ，角频率为q ；7 次谐波电流有效值为 l ，相位差为酿，角频率为q 。 在交流输入电压为正弦而输入电流为非正弦时，负载吸收的有功功率为： 由正交定理知： p = ；f 材r ( 咖( ，渺= ；喜r 【s i n 吖l s i n ( 嚷，+ 见) 础( 1 - 5 ) 则( 1 - 5 ) 式可简化为： 胁州矧n ( 啪乞3 黜( 1 - 6 ) 中南大学硕士学位论文第一章绪论 c o s o i 称为位移因数，表示交流输入市电的基波电压和基波电流的相位大小；7 称 为畸变因数，表示交流输入市电电流波形偏离正弦波的程度。 在工程应用中，一般用谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n t h d ) 来表示 电流谐波或电压谐波的含量，其中电流谐波畸变率定义为总谐波有效值和基波有 效值之比： t h d =1 0 0 ( 1 - 1 2 ) 由( 卜9 ) 和( 卜1 2 ) 知t h d - u7 的关系为： 彻= 伊 或 y ： 1 。14)x 厂2 1+thd2。(1-14) 则功率因数可表示为： 即= 后嘉s b ” 决定p f 的两个因数是：( 1 ) 交流输入市电的基波电压和基波电流的相位差幺； ( 2 ) 交流输入市电电流的波形畸变因数y 。 2 、谐、波标准 为了减少电器设备对电网产生的谐波污染，保证电网供电质量及提高电网的 可靠性，一些组织或国家颁布或实施了一些输入电流谐波限制标准。欧洲和日本 等发达国家首先制定了限制谐波的标准。现行的谐波限制标准主要有【8 ，9 1 ：国际 标准i e c6 1 0 0 0 系列标准，欧洲标准e n 6 1 0 0 0 系列，国际电工委员会建议标准 i e e e5 1 9 1 9 9 2 ，中国国家标准g b 1 4 5 4 9 9 3 电能质量共用电网谐波。虽然各 谐波标准不尽相同，其目的基本一致，主要有：一是将电力系统电压波形畸变和 电流波形畸变控制在电力系统及所接电器设备所能允许的范围；二是以符合用户 需要的电压波形为其供电；三是不干扰其它系统或设备正常工作。 1 1 3 谐波解决方案 对于解决电器设备谐波污染问题，主要有两条途径o 】：一是采用被动方式， 在谐波产生后进行治理，如通过增设电网补偿装置( 主要分为有源滤波器和无源 中南大学硕士学位论文第一章绪论 滤波器) 以补偿电器设备产生的谐波。二是使用主动手段，即改进电器设备自身， 设计具有输入电流为正弦波、谐波含量低及功率因数高等特点的高性能整流器。 如采用功率因数校正技术，使得输入电流波形接近正弦波且与输入电压同相，达 到抑制谐波产生的目的，主动技术是解决谐波污染的根本方法，具有广阔的应用 前景。 1 、谐波补偿 谐波补偿装置可使用无源滤波器或有源滤波器【2 一。无源滤波器的基本原理 是利用电感、电容等无源器件设计成相应谐波滤波器以吸收电网基波频率以外的 谐波。其优点是技术成熟，结构简单，价格低廉；缺点是只能滤除固定次数的谐 波，滤波效果随负载变化而变化，易受系统阻抗影响，存在谐波放大和共振现象， 从而可能由于超载而损坏。有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r , a p f ) 的基本原理是利 用电力电子元件和d s p 等构成电力变换设备，检测负载谐波并主动提供对应的 补偿电流，相当于一个谐波发生器，用于检测和产生谐波大小相等、方向相反的 谐波。优点是可动态消除各次谐波，不受负载、频率及阻抗变化而变化，效果好。 但是不管是无源滤波器还是有源滤波器都属于被动方式，都是在谐波产生后进行 补偿，有一定的滞后性。谐波补偿装置使用时一般进行集中设置，如对某一供电 区域或某个大功率非线性负载进行谐波补偿，而不可能应用于小功率装置。 2 、功率因数校正 功率因数校正技术【4 】按电路结构分为无源功率因数校正( p a s s i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n , p p f c ) 技术和有源功率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n , a p f c ) 技术。无源功率因数校正技术就是通过在电路中加入电感、电 容等无源器件而使电路输入端电流波形接近正弦波的方法。有源功率因数校正技 术的基本思想是：应用电流反馈技术，利用控制电路迫使得输入电流波形跟踪输 入电压波形而达到功率校正的目的。 ( 1 ) 无源功率因数校正 无源功率因数校正技术【2 ，4 j 是最早出现的功率因数校正电路，如图1 - 1 所示， 通过在二级管整流电路中增加电感、电容等无源器件构成无源网络，对电路中的 谐波进行抑制，达到提高功率因数的目的。这种方法结构简单，无需控制回路， 成本低、可靠性高、e m i 小。但该技术使得设备体积庞大、笨重，并且很难得到 高功率因数，谐波电流抑制效果一般，易随工作条件变化而变化。因此，无源功 率因数校正技术适用于功率小于3 0 0w 、对体积和重量要求不高、价格敏感的应 4 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用场合。 郧 z i 本 牛一一 l 莩 + 岛= 么 jl土 ( 2 ) 有源功率因数校正 有源功率因数校正【4 ，】技术工作在高频状态，不需要很大的电容、电感进行 滤波，具有体积小、重量轻、效率高等优点，但同时由于电路较无源功率校正技 术复杂，成本高，为达到e m i 标准需设计辅助电路，导致成本增加，降低了系统 的稳定性、可靠性。 对有源功率因数校正电路进行划分，主要从以下几个角度进行：从电网供电 方式来分，可分为单相a p f c 电路和三相a p f c 电路；从开关模式来分，可分为 硬开关模式和软开关模式；从控制模式来分，可分为电流连续模式( c o n t i n u o u s c u r r e n tm o d e ，c c m ) 、电路断续模式( d i s c o n t i n u o u sc u r r e n tm o d e ，d c m ) 和电流 临界模式( b o u n d a r yc u r r e n tm o d e ，b c m ) ；从电路构成来分，可分为单级a p f c 和两级a p f c 电路。 1 2 国内外研究现状 功率因数校正技术1 1 2 】是为了提高a c d c 变换器输入端功率因数，人们最早采 用由电感和电容器构成的无源网络进行功率因数校正。该技术电路简单、成本低、 但很难得到高功率因数，输入谐波电流的抑制效果也一般。另外，无源功率因数 校正器采用低频电感和电容进行输入滤波，其工作性能与频率、负载变化及输入 电压变化有关。 功率半导体器件在2 0 世纪7 0 年代得到快速发展【1 3 】，因而开关变换技术也突 飞猛进。到2 0 世纪8 0 年代，由功率开关管等器件构成的有源功率因数校正技术 应运而生。此阶段是有源功率因数校正器的特点是，一是工作在高频开关状态， 进行滤波的电感电容不需要很大，因而具有体积小、重量轻、效率高等优点；二 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 是其控制方式采用“乘法器”原理，使用输出直流电压环与输入交流电流环控制， 因而结构较复杂，成本高，同时为了满足e m i 标准，需设计辅助电路，导致成 本进一步上升，而且还降低了系统的稳定性及可靠性。8 0 年代末，提出了利用 在不连续导电模式下工作的变换器进行功率因数校正的技术，此技术因其控制结 构简单而倍受青睐，但由于输入电流纹波大，一般不能用于功率较大的场合。自 1 9 9 2 年，p e s c ( i e e ep o w e rf a c t o re l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ) 设立了单相 p f c 技术专题，这被看作是单相有源p f c 技术发展的里程碑。从此，新型拓扑 结构及新型控制策略的不断涌现，a p f c 技术取得了长足的进展。同时，其控制 电路也由分立电路发展到集成电路，各种a p f c 控制芯片相继出现，如u c 3 8 5 4 、 u c 3 8 5 5 、m c 3 4 2 6 1 、m i a 8 1 2 、t d a 4 8 4 1 等，极大地简化了a p f c 电路的设计， a p f c 技术由理论研究步入实用阶段【l 2 ，3 ，1 4 】。 在2 0 世纪9 0 年代初提出了单级功率因数校正裂1 5 1 6 】，主要是通过共用开关 管将p f c 级和d c d c 变换器集成到一起。其控制采用一般的p w m 控制方式，结 构相对简单。但单级功率因数校正技术存在储能电容的耐压值很高的问题，因而 如何降低储能电容上的电压是单级功率因数校正技术研究的热点【1 4 1 。另外对于相 对比较成熟的两级功率因数校正，一般由b o o s tp f c 和d c d c 变换器构成，其研 究的热点是进一步完善电路结构及控制结构简单化。 总之，现阶段功率因数校正技术研究的热点集中在提出新型拓扑结构、在 a p f c 中应用d c d c 变换器中的新技术、优化控制策略、数字控制技术在a p f c 中 应用、功率因数校正器性能改善等方面。另外，针对两级有源功率因数校正电路 存在的电路复杂、成本较高问题，采用新的控制策略与电路优化相结合降低两级 有源功率因数校正电路的复杂度和成本也具有较重要的应用价值和现实意义。 1 3 论文主要研究内容 本文围绕单周期控制方式的两级有源功率因数校正器开展工作。主要研究内 容如下： 1 、调研分析谐波的产生与危害，了解功率因数的定义与谐波标准，分析讨 论谐波解决措施与方案，综述功率因数校正器的研究现状及发展趋势。 2 、总结分析功率因数校正的典型拓扑结构，包括b u c k 变换器、b o o s t 变换 器和b u c k b o o s t 变换器等；比较分析传统的c c m 控制策略、d c m 控制策略及 控制新策略。以b u c k 变换器为基础分析单周期控制技术的基本原理，并探讨在 固定开关频率、固定开关导通时间、固定开关关断时间模式下的单周期控制方式， 并论证单周期控制在b o o s t 变换器中的应用可行性。 3 、围绕单周期控制策略在单相两级有源功率因数校正器中的应用，通过理 论分析并建立控制方框图，借助仿真技术手段验证单周期控制效果及功率因数校 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 正性能和输出电压的稳定效果。 4 、设计单周期控制的单相两级有源功率因数校正器，基于主电路结构及工 作原理，通过数学推导确定控制方程；分别在固定开关频率、固定开关导通时间、 固定开关关断时间三种单周期控制模式下构建控制原理框图，并分析其工作原 理；最后通过仿真验证，论证单周期控制单相两级有源功率因数校正器的合理性 及可行性，进而分析负载和输入电压变化时电路的效果。 7 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 功率因数校正电路的研究主要包括两方面的内容，一是电路拓扑结构的分 析，二是控制策略的研究，本章分别就这两方面的问题进行分析讨论。 2 1 功率因数校正器典型电路结构 从原理上说，任何一种d c d c 变换器拓扑都可以作p f c 主电科1 0 1 7 1 。d c d c 变换器包括降压式( b u c k ) 变换器、升压式( b o o s t ) 变换器、升降压式( b u c k b o o s t ) 变换器、c u k 变换器、反激式( f l y b a e k ) 变换器等。从电路拓扑结构上看，b u c k 电路和b o o s t 电路是最基本的两种变换器，其余变换器都是由这两种基本结构演 化而来。 2 1 1 基于b u c k 电路的p f c 变换器 基于b u c k ( 降压式) 电路的p f c 变换器【4 】基本电图拓扑结构如图2 - 1 所示。 当开关按脉冲信号工作时，b u c k 变换器能将输入电压转换成更低的输出电压， 实现降压的功能。基于b u c k 电路的p f c 变换器可工作在c c m 和d c m 状态， 但无论其工作在c c m 或d c m 状态，输入电流在每个开关周期内都是断续的， 同时开关管在输入电源电压过零附近将关断，输入电流为零，难以得到高的功率 因数。 + 图2 - 1 基于b u c k 电路的p f c 变换器 概括起来，b u c k 变换器具有如下特点：( 1 ) 由于在功率管s 导通时，电感和 电容处于串联状态，因而b u c k 变换器只能实现降压功能；( 2 ) b u c k 变换器在输 入瞬时电压低于设定的输出电压时会突然停止功率转换，因而会产生大量的高次 谐波使得功率因数恶化；( 3 ) 当功率开关管s 导通时，相互隔离的电源u i 。与l c 拓扑网络导致电源输入电流不连续，从而限制b u c k 变换器的转换效率及增大了 8 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 输入电流的纹波，导致对滤波电路的要求增加；( 4 ) 在b u c k 变换器工作的时候， 功率开关管s 的源极电位是浮动的( 当功率开关管s 断开时，源极电位为零；而 功率开关管s 导通时，源极电位为砜) ，因此功率开关管s 在输入电压较高时需 要专门的浮动驱动，因而使电路变复杂；( 5 ) 由于b u c k 变换器只能实现降压功能， 所以并不直接当作a p f c 变换级使用，原因是通过全桥整流变换得到的电压阮 是一个的半正弦波，其将在一个大范围内变化( 若电源为2 0 0 v a c ，则砜的变化 范围是0 - 3 2 0 v ) 。因此b u c k 变换器在砜小于输出电压时不能够工作，从而使得 在电源低电压时，输入电流存在“导通死角 ，进而限制了功率因数的提高。 2 1 2 基于b o o s t 电路的p f c 变换器 基于b 0 0 s t ( 升压式) 电路的p f c 变换器【4 ，1 川基本电图拓扑结构如图2 2 所示。 当开关按脉冲信号工作时，b o o s t 变换器能将输入电压转换成较高的输出电压， 实现升压的功能。基于b o o s t 电路的p f c 变换器同样也可工作在c c m 或d c m 状态下。 + 图2 - 2 基于b o o s t 电路的p f c 变换器 概括起来，b o o s t 变换器具有如下特点：( 1 ) 为了保证整个p f c 电路工作在 一个平衡的稳定状态，b o o s t 变换器只能实现升压变换，即电感在功率开关管s 导通时候充电、关断时放电；( 2 ) 交流输入电流和电感电流始终相等，使得输入 电源电流可以处于连续状态，从而使得输入电流的纹波较小，可以降低对输入滤 波器的要求，同时可防止电网的浪涌冲击：( 3 ) b o o s t 变换器的功率开关管的源极 ( 参考端点) 电位始终为零( 处于地电位) ，因此容易驱动功率开关管。 2 1 3 基于b u c k - b o o s t 电路的p f c 变换器 基于b u c k b o o s t ( 升降压式) 电路的p f c 变换器【4 ，1 0 】基本电图拓扑结构如图 2 3 所示，b u c k b o o s t 变换器既可实现降压变换也可实现升压变换，并能限制负 9 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 载电流和输入电流，同时能隔离输入和输出。 + 图2 - 3 基于b u c k - b o o s t 电路的p f c 变换器 概括起来，b u c k b o o s t 变换器具有如下特点：( 1 ) 将b u c k b o o s t 变换器用于 p f c 主电路时，克服了b u c k 或b o o s t 变换器作为p f c 电路时只能降压或升压的 缺点，能实现任意的降压输出、升压输出，还能够实现反极性输出；( 2 ) b u c k b o o s t 变换器的电源电流是不连续的，其输入电流性质和基于b u c k 的p f c 变换器相似， 其输入端就是一b u c k 变换器，从而在一定程度上增加了对滤波电路的要求；( 3 ) 虽然b u c k b o o s t 变换器的输入电流性质和b u c k 变换器相似，但是可用作a p f c 变换级，因为其克服了在电源低电压情况时b u c k 变换器的输入电流存在的“导 通死角”问题。 2 1 4 基于f l y b a e k 电路的p f c 变换器 反激式( f l y b a c k ) 变换器【4 1 0 1 是最简单的单级p f c 电路，基于f l y b a c k 电路的 p f c 变换器如图2 - 4 所示。 + 图2 - 4 基于f l y b a c k 电路的p f c 变换器 由于反激式变换器电路结构简单，控制方便，且具有升压变换和降压变换两 种工作方式，因而是长期以来非常受欢迎的一种电路拓扑结构。其中的变压器具 有储能和隔离变换双重功效。在高频脉冲宽度调制开关作用下，输入电流工作在 1 0 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 不连续导电( d c m ) 状态，d c d c 变换器对输入电路可等效为一个受占空比控 制的无损电阻，可以使得功率因数近似为1 。同时，由于反激式变换器工作在 d c m 状态下，开关管的电流应力很大，同时由于采用低于输入交流频率的截止 频率进行p w m 控制，使得输出电压中含有很高的低频纹波，因而限制了其用途。 2 2 功率因数校正器控制策略 电力电子电路的六种基本拓扑结构都可以构成p f c ，由于b o o s t 电路优点独 特，在实际应用中最为广泛【1 4 】。功率因数校正器的控制策略按输入电感电流是否 连续，可分为电流连续导通模式( c c m ) 和电流不连续导通模式( d c m ) ，以及介 于其中的电流临界模式( b c m ) 1 8 】。有的电路还根据负载功率的大小，使得变换 器在d c m 和c c m 模式之间相互转换，称为混联模式( m c m ) 1 1 9 l 。 2 2 1d c m 控制策略 d c m 控制【2 0 】又称为电压跟踪法，是功率因数校正控制中一种简单实用的方 法，应用较为广泛。它不需要检测输入电压和输入电流，功率开关管就以一定的 占空比使输入电流按正弦规律变化。概括起来，d c m 控制策略的特点有：( 1 ) 控制电路简单，现有开关电源p w m 控制用集成电路均可作为电压跟随型p f c 电路 的控制器：( 2 ) 输入电流自动跟踪输入电压相位，且具有较小的电流畸变率；( 3 ) 功率开关管能实现零电流开通，且不需承受二极管的反向恢复电流；( 4 ) 有较大 输入输出电流纹波，要求高性能滤波电路；( 5 ) 平均电流远低于峰值电流而导致 器件需承受较大的应力；( 6 ) 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 。 1 、恒频控制 图2 5 为b o o s t 电路的d c m 控制原理图。恒频控制的功率开关管的频率保 持恒定，工作原理是当输入电压的有效值与输出功率恒定时，通过电压环可以保 证占空比恒定，从而使得输入电流峰值与输入电压成正比，达到输入电流波形自 动跟随输入电压波形，实现功率校正的目的。 为了确保稳态时输出占空比在半个工频周期保持不变，e a 取1 0 - 2 0 h z 。恒 频控制时开关周期恒定，因此电感电流并不连续。如图2 - 5 所示电感电流在一个 周期内的平均值1 2 1 皿j 为： 式中：为整流后的电压， 卜坚掣 ( 2 - 1 ) 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 瓦为功率开关管v s 的导通时间； 瓦为二极管v d 的续流时间； 互为开关周期。 图2 - 5b o o s t 电路的d c m 控制原理图 若式( 2 1 ) 中二极管v d 的续流时间保持恒定，则d c d c 变换器输入侧可等 效为一个阻性负载，从而使得整流器交流侧电压电流同相位。但实际上，在半个 工频周期内电感电流下降时间并不恒定，导致输入平均电流发生畸变，此控制方 式具有控制电路简单，功率因数的理想值不能达到1 的特点，若想输入电流畸变 程度变小，则输出电压与输入电压峰值的比值就应增加。 2 、变频控制 对于式( 2 1 ) ，假设z = 瓦+ ，则输入平均电流即电感电流在一个周期内 的平均值为： ，：氅至 ( 2 2 ) 。 2 由式( 2 - 2 ) 可知，厶只与功率开关管的导通时间有关，若保持导通时间恒定，则 理论上可认为输入电流无畸变，这就是变频控制的原理。此控制方式虽然占空比 和开关周期均不恒定，但当输入电压的有效值与输出功率恒定时，功率开关管的 导通时间可保持恒定1 4 l 。理论上，变频控制方式的输入功率因数可达到1 ，但由 于开关频率不恒定，因而占空比也是变化的，从而使得输入电流具有大量的高频 纹波分量，因而增加了e m i 滤波的设计难度。 2 2 2c c m 控制策略 c c m 控制策略有直接电流控制和间接电流控制之分。c c m 控制策略相对于 1 2 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 d c m 控制策略来说，其优点是：( 1 ) 输出和输入电流纹波小、滤波容易；( 2 ) r m s 电流小、器件导通损耗小；( 3 ) 适用于大功率场合。 1 、直接电流控制 直接电流控制【3 ，2 3 ，2 4 】来源于d c d c 变换器的电流控制模式。其工作原理1 4 , 2 0 是将输出电压误差信号与输入电压信号相乘，得到电流控制器的电流给定信号， 电流控制器控制输入电流按此信号变化，从而实现输入电流与输入电压同相位。 由于其控制结构中含有乘法器，因此也叫乘法器控制( m u l t i p l i e ra p p r o a c hc o n t r 0 1 ) ， 是目前应用最多的控制方式之一。 直接电流控制以检测到的整流器输入电流作为其反馈和被控量，因而具有系 统动态响应快、电流控制精度高、限流容易等优点【2 4 】。其缺点是需要宽频带的电 流传感器来检测输入电流而导致成本过高，同时乘法器的非线性失真增加了输入 电流的谐波含量。由于输入电流总带有一些开关频率纹波，因此必须决定反馈哪 一个电流，根据控制结构中检测电流的不同，直接电流控制可分为峰值电流控制 ( p e a kc u r r e n tm o d ec o n t r o l ，p c m c ) 、平均电流控制( a v e r a g ec u r r e n tm o d e c o n t r o l ，a c m c ) 、滞环电流控制( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ，h c c ) 三种控制方式。 这三种方法的基本特点如表2 - 1 所示【2 5 】。 表2 - 1 三种控制方式基本特点 ( 1 ) 峰值电流控制 峰值电流控制f 2 6 】是通过控制电感电流的峰值包络线跟踪输入电压波形，达 到输入电流与输入电压同相位且接近正弦的目的。 峰值电流控制的优点是电路结构简单，易于实现，但存在有许多缺点1 2 7 l ：( 1 ) 电流平均值与峰值之间存在误差，难以满足t h d 很小的要求；( 2 ) 电流峰值对噪 声相当敏感；( 3 ) 在占空比大于o 5 时系统就会不稳定；( 4 ) 比较器输入端需要加 斜坡补偿。因此，在实际p f c 应用中，峰值电流控制法趋于被淘汰。 ( 2 ) 平均电流控制 平均电流控制【2 8 ，2 9 1 又称为三角载波控制，是目前功率因数校正中应用最多 中南大学硕士学位论文第二章功率因数校正器拓扑结构及控制策略 的一种控制方式，其工作原理是通过控制电流平均值与整流后的输入电压同相 位，从而实现功率因数校正功能。 平均电流控制的特点有【2 5 27 j ：( 1 ) 由于将输入电流的平均值作为被控制量， 而平均电流控制中的电流环又具有较高的增益带宽，使得由跟踪误差产生的畸变 很小，即t h d 很小，功率因数接近1 ，e m i 很小；( 2 ) 平均电流控制对噪声不敏 感，开关频率恒定，适用于大功率场合；( 3 ) 原则上可以检测任意支路、任意拓 扑的电流；( 4 ) 可以工作在c c m 模式或d c m 模式下。 ( 3 ) 滞环电流控制 滞环电流控n t 4 盈】的滞环控制中无外加调制信号，集电流反馈控制和调制于 一体，可获得很宽的电流频带宽度；滞环控制的检测电流是电感电流，其结构中 有一滞环逻辑控制器。由比较器构成滞环逻辑控制器的电流滞环带，将检测到的 输入电压经分压后产生两个基准电流：上限值和下限值。其控制过程为：当