華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 仿真結(jié)果吻合了理論的分析。為了進一步研究電路的特性，還做了一個實驗電路 驗證了仿真的結(jié)果，給出了實驗的關(guān)鍵波形，對實驗數(shù)據(jù)進行處理，分析了電流 的效率、儲能電容電壓和諧波含量等等。 關(guān)鍵詞：單級變換器；直接功率傳遞；功率因數(shù)校正：并聯(lián) i i a b s t r a c t a b s t r a c t t w o s t a g es t r u c t u r ei sw i d e l yu s e di nc o n v e n t i o n a la c d cc o n v e r t e r st oa c h i e v e h i g hp o w e rf a c t o ra n dr e g u l a t e do u t p u tv o l t a g e t h e s ec o n v e r t e r sa r ec a s c a d e dw i t h a c d cp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ns t a g ea n dd c d co u t p u tv o l t a g er e g u l a t i n gs t a g e t h e f i r s ts t a g ei su s e dt or e g u l a t et h ei n p u tc u r r e n tw a v e f o r ma n du n i t yp o w e rf a c t o ri s o b t a i n e d t h es e c o n ds t a g ei su s e dt or e g u l a t et h eo u t p u tv o l t a g et i g h t l yt oc e n t e r v a l u ew i t hl o w r i p p l e s i n c ei n p u t c u r r e n ta n do u t p u t v o l t a g e a r er e g u l a t e d i n d e p e n d e n t l y , t w o s t a g ec o n v e r t e r sh a v eg o o dp e r f o r m a n c eo fu n i t yp o w e rf a c t o ra n d t i g h t l yr e g u l a t e do u t p u tv o l t a g e o nt h eo t h e rh a n d ，t h e s ec o n v e r t e r sh a v ec o m p l e x s t r u c t u r ea n dh i g hc o s ta n dt h ee f f i c i e n c yi sl o wi nt h e o r yb e c a u s et h ei n p u tp o w e ri s p r o c e s s e dt w i c et or e a c ht h eo u t p u t s i n g l e s t a g ep f ca c d cc o n v e r t e rc o m b i n e st h et o ws t a g e si n t oo n es t a g e t h e f u n c t i o no fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni sa u t o m a t i c a l l ya c h i e v e dw i t ht h ec o n v e r t e r w o r k i n gi nd i s c o n t i n u o u s c u r r e n t m o d ea n do u t p u tv o l t a g ei sr e g u l a t e do n l y t h ec o s t i sl o w e dd o w nb e c a u s et h ep o w e rs t a g ea n dt h ec o n t r o lc i r c u i ta r es i m p l e h i g hd cb u sv o l t a g es t r e s si sas e r i o u sp r o b l e mi ns i n g l e s t a g ep f ca c d c c o n v e r t e r s t h es t r u c t u r en e e d st ob er e b u i l tt ol o wd o w nt h ed e v i c e s v o l t a g ea n d c u r r e n ts t r e s s i ng e n e r a lt e r m s ，t h ei m b a l a n c eb e t w e e ni n p u ta n d o u t p u tp o w e rc a u s e s t h eh i g hv o l t a g eo fb u l kc a p a c i t o ro fs i n g l e s t a g ec o n v e r t e r s ot h ep o w e rf l o wo ft h e c o n v e r t e rn e e d st ob eo p t i m i z e dw i t ht h ec o n c e p to fd i r e c tp o w e rt r a n s f e r ( d p t ) b a s e do nd p tc o n c e p t ，m o s to ft h ei n p u tp o w e ri sp r o c e s s e do n c et or e a c ht h eo u t p u t a n do n l yaf e wp a r to ft h ei n p u te n e r g yn e e dt ob es t o r e di nt h eb u l kc a p a c i t o r t h e o p t i m i z e dp o w e rf l o wi n s o l e st h ep r o b l e mo fh i g hv o l t a g eo ft h eb u l kc a p a c i t o r t h r e e t y p i c a ls i n g l e s t a g ep f ca c d cc o n v e r t e rt o p o l o g i e sb a s e do nd p tc o n c e p ta r eg i v e n t h e ya r ef l y b a c k - b o o s tc o n v e r t e r ，s i n g l e s t a g ep a r a l l e lp f cc o n v e r t e ra n dd cb u s v o l t a g ef e e d b a c ks i n g l e s t a g ec o n v e r t e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s ec o n v e r t e r si s a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h e o r ya 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 e s ec o n v e r t e r s c a nl o wd o w nt h eb u l kc a p a c i t o r sv o l t a g ea n dt h ed e v i c e s v o l t a g ec u r r e n ts t r e s s e f f e c t i v e l y s i n g l e 。s t a g ep a r a l l e lb i - f l y b a c ka c d cc o n v e r t e ri ss e l e c t e dt oc a r r yo nad e e p r e s e a r c h t h em a i nc o n t e n ti si n c l u d i n gt h r e ep a r t s ：t h e o r ya n a l y s i s ；c i r c u i td e s i g n p r o c e s s ；s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i i i 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 f i r s t l y ，t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs i n g l e s t a g ep a r a l l e lb i f l y b a c k a c d cc o n v e r t e ra r ei n t r o d u c e d t h ed e s i g ng u i d e l i n e sa n dk e yp a r a m e t e r sa r e a n a l y z e d e x t e n d e dt o p o l o g i e sb a s e do nd p tc o n c e p ta r ep r o p o s e d a c c o r d i n gt h e p r o b l e m so ft h ec o n v e r t e r ，i m p r o v i n ga d v i c ei si n t r o d u c e d t h e nd e s i g np r o c e s si n c l u d i n gt h er e l a t i o n s h i po fp a r a m e t e r s ，c o n t r o la n dd r i v e c i r c u i t ，t r a n s f o r m e r ，e t c i sg i v e n a tl a s t ，w i t ht h es i m u l a t i o ns o f to fs i m e t r i x s i m p l i s ，w a v e f o r m so fr e c t i f i e d l i n e v o l t a g e ，l i n ec u r r e n t ，o u t p u tv o l t a g eo fe r r o ra m p l i f i e r ，c u r r e n t o nt h et w o s w i t c h e s ，v o l t a g eo nb u l kc a p a c i t o ra r eo b t a i n e d t h ee f f e c to fb u l kc a p a c i t o rv a l u e a n di n d u c t o r sr a t i oi sa n a l y z e dw i t hs i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wc o i n c i d e n c eb e t w e e n t h e o r ya n ds i m u l a t i o n ar e a lc i r c u i ti sb u i l tt ov e r i f yt h e o r ya n ds i m u l a t i o na n ds o m e k e yw a v e f o r m sa r eg i v e n e f f i c i e n c y ，c a p a c i t o rv o l t a g ea n dh a r m o n i cc o n t e n t a r e a n a 】j z e d k e yw o r d s ：s i n g l e - s t a g ec o n v e r t e r ；d i r e c tp o w e rt r a n s f e r ；p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ； p a r a l l e l ； i v 華南理工大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研 究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文 不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研 究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完 全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：多aj ，劾 日期：7 膨侔月，日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華南理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密講 ( 請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期：彬丁_ 年6 月9 日 醐移鏟b 月q 1 曰 第一章緒論 第一章緒論 在2 0 世紀8 0 年代中后期，開關(guān)電源功率因數(shù)校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 技術(shù)引起了國內(nèi)外許多學(xué)者的重視。本章介紹功率因數(shù)校正技術(shù)的產(chǎn)生背景、發(fā) 展情況和研究熱點。 1 1 電流諧波的產(chǎn)生、危害和功率因數(shù)校正技術(shù) 在采用交流電網(wǎng)作為工作電源的用電設(shè)備中，直流開關(guān)電源是必不可少的部 分。一般開關(guān)電源的前級為一個簡單的a c d c 變換器，由普通二極管整流橋?qū)?現(xiàn)，其輸出是不可調(diào)節(jié)的直流電壓v d ，一個大電容c d 用來濾除低頻紋波，從而 把交流電整為直流電v d 。使用二極管整流橋作為電網(wǎng)與用電設(shè)備的接口時，由于 二極管導(dǎo)通角很小，當(dāng)交流電壓大于電容電壓時，此整流電路才能夠從電網(wǎng)中抽 取能量，因此電網(wǎng)僅在每個工頻周期的一小部分時間里f 即正弦電壓的峰值附近) 給負載提供能量。其典型電路及輸入電流波形如圖1 1 所示。 術(shù)嗍 壓w 圖1 - 1 簡單的二極管單相整流電路及輸入電流波形圖 f i g 1 - lt y p i c a lr e c t i f i e rc i r c u i ta n di n p u tc u r r e n tw a v e f o r m 這種非控整流使得輸入電流波形發(fā)生嚴重畸變，并呈脈沖狀。這種呈尖峰狀 的非正弦電流包含豐富的高次諧波，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，如在中大型非控整流 設(shè)備中，輸入電路的功率因數(shù)大致在o 5 o 7 左右，有的甚至更低。輸入視在功 率遠大于有功功率。如把此部分的內(nèi)阻抗等效為z s ，電流諧波越大，即乙越大， 網(wǎng)側(cè)電壓的畸變就越明顯，這就是電流諧波產(chǎn)生的二次效應(yīng)。 電流波形的畸變及因此產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)電壓波形的畸變還給系統(tǒng)本身和周圍環(huán)境 帶來一系列的危害：對電力系統(tǒng)產(chǎn)生污染，電流諧波使得線路和配電變壓器過熱， 引起電網(wǎng)l c 諧振，或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容，使之過流，過熱而損 毀；在三相線路中，中線電流三次諧波的疊加會使得線路過流而發(fā)生故障；對通 信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，還可引起儀器儀表和保護裝置的誤測量、誤動作。這就是通常 所說的“諧波污染”。 隨著用電設(shè)備日益增多，諧波污染問題引起了越來越3 1 泛的關(guān)注?；谙拗?華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 電流波形畸變和諧波，使電磁環(huán)境更加干凈的宗旨，一些世界性的學(xué)術(shù)組織提出 了諧波限制標準，如i e c 5 5 5 2 ，i e e e 5 1 9 等，對電力電子和電氣設(shè)備的電流諧波 進行限制。對于數(shù)量多而且分散的中小功率單相電源系統(tǒng)，最理想的方法是在電 源內(nèi)部采取功率因數(shù)校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，簡稱p f c ) 電路，從根本上消 除諧波源。在電源內(nèi)部采取功率因數(shù)校正電路，從根本上消除諧波源的功率因數(shù) 校正技術(shù)由此產(chǎn)生，采用現(xiàn)代高頻功率變換技術(shù)的有源功率因數(shù)校正技術(shù)更是有 效的手段。 功率因數(shù)校正技術(shù)對開關(guān)變換器的功率因數(shù)進行校正，不僅能夠提高變換器 功率因數(shù)，減小輸入電流的諧波成分，而且減小了因諧波成分對電網(wǎng)以及通訊和 自動化設(shè)備可能產(chǎn)生的干擾，同時增加了同樣電流有效值下的輸入功率，提高電 源轉(zhuǎn)化效率。因而研究功率因數(shù)校正技術(shù)對開關(guān)電源的發(fā)展具有重要的實際意義， 因此功率因數(shù)校j 下在電力電子變換器中的意義愈來愈明顯，已成為目前一個重要 的研究方向。 1 2p f c 技術(shù)的發(fā)展 1 2 1 提高a c d c 變換器輸入側(cè)功率因數(shù)的主要思路 分析圖1 1 所示的電路可知，對于整流電路而言，由于人們想得到一個較為 平滑的直流輸出電壓，所以采用電容濾波。正是整流二級管的非線性和電容的共 同作用，使得輸入電流發(fā)生了畸變。如果去掉輸入濾波電容，則輸入電流變?yōu)榻?似的正弦波，提高了輸入側(cè)的功率因數(shù)并減少了輸入電流的諧波，但是整流電路 的輸出不再是一個平滑的直流輸出電壓，而變?yōu)槊}動波。如果欲使輸入電流為正 弦波，且輸出仍為平滑的直流輸出，必須在整流電路和濾波電容之間插入一個電 路，這個電路就是p f c 電路，如圖1 2 所示。 圖1 - 2 含有p f c 電路的a c d c 電路 f i g 1 - 2a c d cc o n v e r t e rw i t hp f c 1 2 2p f c 技術(shù)的演變和分類 ( 1 ) 從無源功率因數(shù)校正到有源功率因數(shù)校正的演變 回顧p f c 技術(shù)的發(fā)展歷程，最早人們是采用電感器和電容器構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò) 進行功率因數(shù)校正，如圖1 - 3 ( a ) 所示。無源功率因數(shù)校正技術(shù)所需的濾波電容器 和濾波電感器的取值較大，因此電路往往較笨重。無源p f c 技術(shù)的主要優(yōu)點是 2 第一章緒論 設(shè)計簡單、成本低、運行可靠；但是，無源濾波電感的體積大，而且難以得到很 高的功率因數(shù)。在現(xiàn)代開關(guān)電源中，變換器向著高功率密度的方向發(fā)展，無源功 率因數(shù)校正技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代開關(guān)電源的技術(shù)要求。 2 0 世紀8 0 年代，現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)運而生。由于變換器工作在 高頻開關(guān)狀態(tài)，這種有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有體積小，重量輕，效率高，功率 因數(shù)可接近1 等優(yōu)點。8 0 年代的有源功率因數(shù)校正技術(shù)可以說是基于b o o s t 變換 器功率因數(shù)校正的年代，在此期間的研究工作主要集中在對工作在連續(xù)導(dǎo)電模式 ( c c m ) 下的b o o s t 變換器的研究上，這類變換器的控制方式一般是基于所謂“乘 法器”( m u l t i p l i e r ) 的原理；連續(xù)導(dǎo)電模式下的功率校正技術(shù)可以獲得很大的功 率轉(zhuǎn)換容量，但是對于大量應(yīng)用的2 0 0 w 以下的中小功率容量的情形，卻是非常 不合適的，因為這種方式往往需要較復(fù)雜的控制方式和電路。8 0 年代末提出了利 用工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式( d c m ) 下的變換器進行功率因數(shù)校正的技術(shù)，由于其 輸入電流自動跟蹤輸入電壓，因而可實現(xiàn)接近1 的功率因數(shù)。這種p f c 技術(shù)在文 獻中稱為自動功率因數(shù)校正，也稱為電壓跟隨器( v o l t a g ef o l l o w e r ) 。這種有源功 率因數(shù)校正技術(shù)因其控制簡單( 僅采用一個控制變量，即輸出電壓) 而倍受青睞， 但是一般不能應(yīng)用于較大的功率變換中。 ( - ) 無調(diào)功率因數(shù)棱正 ( b ) 兩姐功率園敷棱正 ( c ) 單蟠蛆音功率因數(shù)梭正( d ，并聯(lián)功辜回收校正 圖1 - 3 功率岡數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu) f i g 1 - 3c i r c u i ts t r u c t u r eo fp 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 r ( a ) p a s s i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ；( b ) t w o - s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ； ( c ) s i n g l e - s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ；( d ) p a r a l l e lp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n c 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 4 單相功率因數(shù)校正變換器的功率關(guān)系 f i g 1 - 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u ta n do u t p u tp o w e ro fs i n g l ep h a s ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n c o n v e r t e r 另一方面，假定可以獲得單位功率因數(shù)，則變換器的輸入功率和輸出功率如 圖1 4 所示?？梢?，在所有的p f c d c d c 變換器中，在半個工頻半周期內(nèi)瞬念輸 入功率是脈動的，而后接d c d c 變換器的輸出功率是恒定的。因此，在任何p f c 電路都必須有足夠輸出濾波電容存儲半個工頻半周期內(nèi)不平衡的能量。這個大電 容不僅導(dǎo)致p f c 電路動態(tài)響應(yīng)慢，而且產(chǎn)生了兩倍工頻的輸出電壓紋波。因此為 了獲得穩(wěn)定的輸出電壓，傳統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)是如圖1 - 3 ( b ) 所示的 p f c + d c d c 的變換器的兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)。 理工作于連續(xù)電流模式的b o o s t 變換器。 前一級p f c 功能通常是基于“乘法器”原 兩級p f c 方案具有優(yōu)良的性能，輸入電 流的總諧波畸變( t h d ) 一般小于5 ，功率因數(shù)可以到o 9 9 或更高；由于前級 儲能電容電壓v b 近似恒定，d c d c 變換器可以得到優(yōu)化；此外，由于v b 相對較 高，對于一個給定的保持時間可采用較小的儲能電容。但兩級p f c 方案輸出功率 需要經(jīng)過兩級處理，顯然效率較低，同時也存在體積大，電路復(fù)雜、成本高等問 題。這使得兩級p f c 方案不適用于低功率應(yīng)用，如2 0 0 3 0 0 w 以下的功率范圍。 目前歐洲強制要求市場上出售的7 5 w 以上的電子設(shè)備必須滿足i e c l 0 0 0 3 2 電流 諧波標準限制，而且不久會改為對5 0 w 以上的電子設(shè)備強制執(zhí)行。由于在低功率 應(yīng)用中采用兩級方案的成本太高，在競爭日益激烈的環(huán)境下，許多廠商和科研機 構(gòu)都開始關(guān)注單級p f c 技術(shù)，如圖1 3 ( c 1 所示。單級p f c 變換器就是基于電壓跟 隨器原理工作于不連續(xù)模式的變換器。單級組合p f c 技術(shù)通過消除一些冗余元 件，將級聯(lián)的兩個功率級的功率開關(guān)合并成一個功率開關(guān)，共用一套控制電路而 得。單級p f c 變換器的電路拓撲盡管簡單，但與兩級功率因數(shù)校正電路相比通常 并不能獲的更高的效率，同時大部分此類變換器只能工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式 ( d c m ) 和通過變頻控制，共用開關(guān)管增加了控制的困難。為了解決兩級和單級 p f ca c d c 變換器的缺點，一些新穎的功率因數(shù)校正原理及拓撲結(jié)構(gòu)被提出來， 例如圖1 3 ( d ) 所示的并聯(lián)功率因數(shù)校正技術(shù)。在一個開關(guān)周期內(nèi)，部分輸入功率 可通過一次變換到達輸出，剩余輸入功率需經(jīng)兩次變換，使輸出電壓得到快速與 精確調(diào)節(jié)。這種電路的效率高于兩級變換器和單級組合式變換器。 4 第一章緒論 二十世紀9 0 年代以來，一些新技術(shù)、新方法開始應(yīng)用于有源功率因數(shù)校正變 換器中。軟開關(guān)技術(shù)和功率因數(shù)校正技術(shù)結(jié)合以提高變換器的性能。近年來，有 關(guān)連續(xù)導(dǎo)電模式下功率因數(shù)校正的控制新方法的研究也有不少報道，主要有單周 期( o n ec y c l e ) 控制，滑模( s l i d i n gm o d e ) 控制以及其他新控制方法。進入2 1 世紀，基于數(shù)字信號處理器的數(shù)字控制p f c 開始研究，并取得了一定成果1 3 1 0 1 。 ( 2 ) 有源功率因數(shù)校正技術(shù)的分類 從不同的角度，功率因數(shù)校正技術(shù)有多種分類方法。從電網(wǎng)供電方式可以分 為單相p f c 電路和三相p f c 電路。從電路構(gòu)成來看可分為無源p f c 電路和有源 p f c 電路。 對單相p f c 技術(shù)而言，一般認為有兩種基本的有源功率因數(shù)校正技術(shù)，一種 是變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式的“乘法器”型( m u l t i p l i e r ) ；另一種是變換器工作 在不連續(xù)模式的“電壓跟隨器”型( v o l t a g ef o l l o w e r ) 。實際上，這兩類技術(shù)并不能 完全囊括有源功率因數(shù)校正的所有技術(shù)，比如磁放大p f c 技術(shù)、三電平 ( t h r e e l e v e l ) p f c 技術(shù)和不連續(xù)電容電壓模式( d c v m ) p f c 技術(shù)等。 還可以從采用的軟開關(guān)技術(shù)的角度進一步對上述兩種方式的有源功率因數(shù)校 正技術(shù)加以分類。從軟開關(guān)特性來劃分，有源p f c 電路可分為兩類，第一類是零 電流開關(guān)( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ，簡寫為z c s ) p f c 技術(shù)，第二類是零電壓開 關(guān)( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ，簡寫為z v s ) p f c 技術(shù)。按實現(xiàn)軟開關(guān)的具體方法 還可以進一步劃分，有并聯(lián)諧振型( p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r ，簡寫為p r c ) 、 串聯(lián)諧振型( s e r i a l r e s o n a n t c o n v e r t e r ，簡寫為s r c ) 、串并聯(lián)諧振型( s e r i a lp a r a l l e l r e s o n a n tc o n v e r t e r ，簡寫為s p r c ；也叫l(wèi) c c ) 以及準諧振型( q u a s i r e s o n a n t c o n v e r t e r ，簡寫為q r c ) 等軟開關(guān)諧振有源功率因數(shù)校正技術(shù)。 從控制方法來分，有源功率因數(shù)校正電路可以采用脈寬調(diào)制( p w m ) 、頻率 調(diào)制( f m ) 、單環(huán)電壓反饋控制、雙環(huán)電流模式控制、數(shù)字控制、滑模( 、s l i d i n g m o d e ) 控制以及單周期( o n ec y c l e ) 控制以及其他各種控制方法。 從拓撲結(jié)構(gòu)上劃分，有源功率因數(shù)校正電路可分為預(yù)調(diào)整器型( p r e r e g u l a t o r ) p f c 電路以及單級組合p f c 變換器兩種形式，后者被認為是較理想的有源功率因 數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)。 1 3 兩種基本的p f c 結(jié)構(gòu) 一般認為有兩種基本的有源功率因數(shù)校正技術(shù)，一種是變換器工作在連續(xù)導(dǎo) 電模式的“乘法器”型；另一種是變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式的“電壓跟隨器”型。 所謂連續(xù)導(dǎo)電模式( c c m ) 和不連續(xù)導(dǎo)電模式( d c m ) - - 般是指在一個開關(guān)周期內(nèi)， 變換器的電感上流過的電流是否連續(xù)。c c m 意味著電感上的電流始終不會為零， 而d c m 意味著在一個開關(guān)周期內(nèi)電感的電流有一段時間為零。 5 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 1 乘法器p f c 技術(shù) 8 0 年代中期，有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究以乘法器方式為主。乘法器技術(shù) 通常采用兩級結(jié)構(gòu)的p f c 電路，且電路工作在c c m 模式。其基本原理如圖1 5 所示。 圖1 - 5 典型的乘法器方式p f c 電路的組成 f i g 1 - 5t y p i c a lm u l t i p l i e rp f c 圖中b o o s t 變換器的電感電流就是輸入電流，電感電流被采樣并被控制，使 其幅值與和輸入電壓同相位的正弦參考信號成正比，從而達到功率因數(shù)校正的目 的；乘法器方式p f c 電路還可以根據(jù)輸出電壓反饋信號，利用一個乘法器電路來 控制正弦參考電流信號，從而獲得可調(diào)整的輸出電壓。因此這種方案要求采用電 壓電流雙環(huán)控制，常用的控制方法有峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控 制等等。 乘法器方式是目前比較成熟的p f c 技術(shù)，其輸入功率因數(shù)可達0 9 9 以上。 它可以實現(xiàn)輸入電流波形控制和輸出電壓調(diào)節(jié)的雙重功能，因此工作于c c m 的 p f c 電路均采用乘法器控制技術(shù)，相對于d c m 模式，其輸入和輸出電流紋波小， 電磁干擾小，濾波容易；電流有效值小，器件導(dǎo)通損耗小，故適應(yīng)于大功率應(yīng)用 場合。 由于功率平衡的原理，b o o s tp f c 變換器的輸出有兩倍工頻的電壓紋波，而 且大的輸出濾波電容造成了動態(tài)響應(yīng)慢。因此，這種p f c 變換器通常后接一個 d c d c 變換器，這樣變換器的整體結(jié)構(gòu)就是a c d c + d c d c 。前一級實現(xiàn)p f c 功 能，這一級也稱為電壓預(yù)調(diào)節(jié)器；后一級實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的功能。因此，這種結(jié)構(gòu) 的變換器也稱為兩級變換器。 1 3 2 電壓跟隨器p f c 技術(shù) 利用不連續(xù)導(dǎo)電模式進行功率因數(shù)校正的概念在8 0 年代后期被提出，有人稱 6 第一章緒論 之為自動功率因數(shù)校正，即電壓跟隨器p f c 技術(shù)。由于工作在d c m 的變換器的 輸入電流自動跟隨輸入電壓，因而可以實現(xiàn)接近1 的輸入功率因數(shù)。這種功率因 數(shù)校正技術(shù)也被稱為電壓跟隨器。該變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下，開關(guān)s 由 輸出誤差信號控制，開關(guān)周期為常數(shù)。由于峰值電感電流基本與輸入電壓成正比， 因此，輸入電流波形自然地跟隨輸入電壓波形。這種d c m 方式的優(yōu)點是控制簡 單，一般用于中小功率變換場合中。研究發(fā)現(xiàn)，所有基本變換器類型，如b u c k 、 b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i c 和z e t a 變換器等在不連續(xù)導(dǎo)電模式下都可用于構(gòu) 成電壓跟隨器方式的p f c 的電路。其控制方法可以采用恒頻、變頻、等面積等多 種方式?；倦妷焊S器型p f c 電路可用圖1 6 所示的b o o s t 變換器來說明。 該變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式，開關(guān)s 由輸出電壓誤差信號控制，開關(guān)頻 率為常數(shù)。由于在每個開關(guān)周期內(nèi)，峰值電感電流基本上正比于輸入電壓，因此 輸入電流波形自然地跟隨輸入電壓波形。事實上，對不同的變換器結(jié)構(gòu)，輸入電 流波形會出現(xiàn)不同程度畸變，但這對輸入功率因數(shù)的影響并不明顯。與乘法器型 p f c 電路相比，電壓跟隨器技術(shù)常采用單級功率因數(shù)校正拓撲結(jié)構(gòu)，既具有輸入 功率因數(shù)校正功能，又能實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，同時采用恒頻單一占空比控制方 式，不僅簡化了控制電路，降低成本，也能減少變換器的損耗；僅要求一個電壓 控制環(huán)，故控制簡單、成本低廉，電源體積可大大減小，適用于很多特殊場合； 而且變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下，避免了b o o s t 變換器中因輸出二極管反向 恢復(fù)電流而帶來的問題。 工d 圖l - 6 基于b o o s t 變換器的電壓跟隨器型p f c 電路的組成 f i g 1 - 3v o l t a g ef o l l o w e rp f cb a s e do nb o o s tc o n v e r t e r 電壓跟隨器型p f c 技術(shù)的一個缺點是其輸入電流波形為脈動三角波。因此其 前端需添加一個小容量的濾波電容以濾除高頻紋波。另一個缺點是其較高的開關(guān) 峰值電流會帶來較大的開關(guān)關(guān)斷損耗，開關(guān)管同時承受較大的電壓電流應(yīng)力，并 產(chǎn)生嚴重的電磁干擾( e m i ) 。同時，開關(guān)寄生電容引起的開通損耗仍不能避免，隨 7 華南理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 著開關(guān)頻率的提高，開通損耗也會增大。 臨界連續(xù)導(dǎo)電模式是介于連續(xù)導(dǎo)電模式和不連續(xù)導(dǎo)電模式之間的一種工作模 式，其電感電流在下降到零后立刻上升，因此這種工作模式有著和d c m 模式相 同的特性；但在控制方法上由于要采樣電感電流，需雙環(huán)控制，控制方式接近于 c c m 模式。根據(jù)主電路的特性，一般將其歸類于d c m 中，其控制方式屬于變頻 控制1 9 j 。 電壓跟隨器型p f c 變換器將p f c 功能和d c d c 功能整合在一個變換器中， 通常也稱為單級p f c 變換器。 1 4 單級變換器的研究熱點 單級p f ca c d c 變換器具有控制簡單，成本低廉的優(yōu)點，不過由于僅僅調(diào)節(jié) 輸出電壓，功率因數(shù)校正功能通過電路工作于d c m 狀態(tài)來自動獲得，p f c 功能 和d c d c 功能共用開關(guān)管造成輸入電流不能得到最好的調(diào)節(jié)。單級p f ca c d c 變換器面臨的兩個雖大的問題是： ( 1 ) 輸入電流的整形，盡可能提高p f ，根本目的是抑制諧波含量； ( 2 ) 降低儲能電容的電壓，降低成本，減小開關(guān)電壓應(yīng)力。 為此，國內(nèi)外學(xué)者嘗試各種方法改進單級p f ca c d c 變換器，試圖解決以上 兩個問題，但是又不會損害單級變換器的其他性能優(yōu)點。 1 5 本文的內(nèi)容安排 本文研究了基于直接功率傳遞原理的單級并聯(lián)變換器。為了降低中間儲能電 容電壓，提高單級p f c a c d c 變換器的工作效率，引入直接功率傳遞原理，對單 級p f ca c d c 變換器的拓撲進行了深入地研究并對一種單級并聯(lián)雙反激a c d c 變換器進行了改進，加以實驗驗證。 本文按以下章節(jié)進行論述。 第一章緒論。闡述本研究課題的背景，p f c 技術(shù)的分類，發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù) 熱點。 第二章單級p f ca c d c 變換器儲能電容電壓高的問題和直接功率傳遞原 理。詳細地解釋了在單級p f c a c d c 變換器拓撲中儲能電容電壓升高的成因。為 了解決這個問題，在直接功率傳遞原理的指導(dǎo)下，給出了三個典型的拓撲。在這 些拓撲中，由于功率平衡問題得到較好的解決，儲能電容電壓明顯降低。 第三章詳細的介紹了單級并聯(lián)雙反激電路的構(gòu)成和工作原理。分析了電路的 設(shè)計準則和關(guān)鍵的性能參數(shù)。提出了根據(jù)并聯(lián)概念拓展的電路拓撲。對單級并聯(lián) 雙反激變換器提出了改進的意見。 8 第一章緒論 第四章電路的設(shè)計。給出了設(shè)計這個電路的詳細過程，包括各電路參數(shù)的決 定關(guān)系，控制驅(qū)動電路的設(shè)計，變壓器的設(shè)計等等。 第五章仿真與實驗。介紹了仿真軟件s i m e t r i x s i m pl i s 的功能特點。用這 個仿真軟件對單級并聯(lián)雙反激電路進行仿真，采樣了輸入電壓，輸入電流，反饋 環(huán)誤差放大器的輸出電壓，兩個支路開關(guān)管的電流，儲能電容電壓等關(guān)鍵波形。 對儲能電容值和電感量比值的變化對電流波形的影響給出了仿真對比結(jié)果。仿真 結(jié)果吻合了理論的分析。實驗電路進一步驗證了理論分析和仿真結(jié)果。拍攝了實 驗電路的關(guān)鍵波形，對電路的工作性能指標進行了系統(tǒng)的分析。 9 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章單級p f c 變換器直流母線電壓應(yīng)力的問題和直 接功率傳遞原理 第一章的論述表明，假設(shè)在單位輸入功率因數(shù)情況下，變換器的輸入功率是 以兩倍工頻正弦變化的。而輸出通常是恒定的。這樣，就需要一個儲能元件來平 衡輸入和輸出功率的差值。這就是帶p f c 功能的a c d c 變換器中間儲能電容必 須存在的原因。 如圖2 1 所示。為了表述直流母線電壓應(yīng)力的概念，使用p f c 框和d c d c 框 兩個功能框圖來表達單級p f c 變換器。p f c 框?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正功能，通常是一 個b o o s t 變換器。d c d c 框?qū)敵鲭妷旱木o密調(diào)節(jié)，實現(xiàn)d c d c 變換功能。在 這兩個功能框之間有一個儲能電容，承受輸入功率和整流電壓的變動，平衡輸入 功率和輸出功率。 l v i 。l 圖2 - 1 單級p f ca c d c 變換器的原理框圖 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l e s t a g ep f ca c d cc o n v e r t e r 在兩級p f ca c d c 變換器中，由于p f c 級和d c d c 級分別控制，中間儲能 電容的電壓可以獨立地受到調(diào)節(jié)，因此不存在儲能電容電壓升高的問題。在單級 p f c a c d c 變換器中，p f c 功能是由電路結(jié)構(gòu)和工作模式自動完成的，反饋環(huán)僅 僅調(diào)節(jié)輸出電壓使其穩(wěn)定，而中間儲能電容電壓則不受控制。這樣在電路工作的 時候就存在中間儲能電壓升高的問題。以下將采用典型的b i f r e d 單級p f c a c d c 變換器拓撲來說明中問儲能電容電壓升高的原因。 為了抑制電容電壓，許多文章在這方面進行了大量的研究【1 l 2 2 1 。其中一個解 決的思路是將直接功率傳遞 2 3 1 的概念引入單級p f c 變換器。在這些電路中，由 于電路結(jié)構(gòu)的改進，抑制了中間電容上的電壓。 l o 第二章單級p f c 變換器直流母線電壓應(yīng)力的問題和直接功率傳遞原理 2 1 單級變換器b i f r e d 的結(jié)構(gòu) 由于d c mb o o s t 變換器具有固有的p f c 功能，它和其他的變換器組合可以得 到帶固有p f c 功能的單級p f c 拓撲。在1 9 9 2 年，m i c h a e lm 等人提出了集成反 激變換器的d c mb o o s t 變換器( b o o s ti n t e g r a t e dw i t hf l y b a c kr e c t i f i e r e n e r g v s t o r a g e d c d ec o n v e r t e r ，b i f r e d ) 。如圖2 - 2 所示。b i f r e d 變換器由b o o s t 變換 器和f l y b a c k 變換器組合而成，實際上是輸入端串了一個二極管( d 1 ) 的隔離式 s e p i c 變換器。b o o s t 電感( l ) 工作在d c m 模式，使得輸入電流自動跟蹤輸入 電壓，d c ，d c 變換器工作在c c m 模式。 曠。r 7出-。i；睦劃i- 卜參 ：恩d i f i o o 。s ： ：n t o r e g | t：。l 。y b a c k 。， 圖2 - 2 把d c mb o o s t 變換器和f l y b a c k 變換器( 左) 組合成b i f r e d 變換器( 右) f i g2 - 2i n t e g r a t ed c mb o o s ta n df l y b a c kc o n v e r t e ri n t ob i f r e dc o n v e r t e r 2 2 單級p f c 變換器中儲能電容電壓的問題 單級變換器一個重要的問題是如何控制儲能電容電壓v 。 在兩級p f c 變換器中，儲能電容電壓v b 被調(diào)節(jié)在3 8 0 4 0 0 v 。但是在單級 p f c 變換器中只有一個控制電路，因此v b 沒有被控制在一個穩(wěn)定的值，它隨輸 入電壓和負載的變化和變化。為了使電路具有較低的成本，希望v 。能夠低于 4 5 0 v ，這樣可以采用應(yīng)用廣泛而且價格低廉的額定電壓為4 5 0 v 的電解電容，因 為電解電容的額定電壓越高，價格越高。同時也能減小其他器件，如開關(guān)管和二 級管的電壓應(yīng)力。 圖2 3 顯示了p f c 級輸入能量和占空比的關(guān)系，以及d c d c 級的輸出能量和 占空比的關(guān)系。p f c 級和d c d c 級都可以工作在d c m 或c c m 狀態(tài)，它們之間 有三種可能的組合： l 、d c mp f c + c c md c d c 2 、d c mp f c + d c md c d c 3 、c c mp f c + c c md c d c 下面對這三種組合進行分析。 1 、d c mp f c + c c md c d c d c m 工作方式是指在一個開關(guān)周期結(jié)束，電感把所有存儲的能量全部傳遞到 下一級或負載。當(dāng)負載變輕時，輸出功率減少，由于d c d c 級工作在c c m 狀態(tài)， 華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 占空比基本不變，但p f c 級的輸入功率同重載時一樣，如圖2 - 3 ( a ) 所示。這樣， 充入儲能電容的能量和從儲能電容抽走的能量不平衡，引起儲能電容電壓v b 上 升。為了保持輸出電壓一致，電壓反饋環(huán)調(diào)節(jié)輸出電壓，占空比減小。這樣輸入 能量相應(yīng)減少。這個動態(tài)調(diào)節(jié)過程要到輸入功率和輸出功率平衡后才停止，達到 一個新的功率平衡點。對于p f c 級，輸入能量的變化的周期是半個交流周期，因 此輸入和輸出能量均衡只有過了半個周期才有效。顯然，負載突變時，由重載到 輕載的后果是明顯的增加了v b 。 通過變頻控制可以降低儲能電容電壓。對于圖2 2 的b i f r e d 變換器如果工 作在d c mp f c + c c md c d c 模式時，可以得出v b 為 斗焉卜 ( 2 一1 ) 其中v 。為輸入電壓經(jīng)整流橋整流后的電壓，n 為變換器的匝比，f s 為電路的 開關(guān)頻率，v 。和i 。分別為輸出電壓和電流。由此可見v b 隨輸出電流的減小或輸 入電壓的上升而上升，同時還受開關(guān)頻率的影響。當(dāng)輕載時增加開關(guān)頻率，能減 小v b ，當(dāng)滿載時可以提高開關(guān)頻率。但為了使v b 降到4 5 0 v 以下，需要開關(guān)頻 率變化很大。如果負載從滿載到1 0 滿載變化，則輕載時開關(guān)頻率可能時滿載時 的1 0 倍。因此，很難對電感和濾波器進行優(yōu)化設(shè)計，而且輕載時效率也不高。 p i n 陽 引。一 d d c d cl t q 巳 l ； o 罐 |