上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文單相有源明雙申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：電子與通信工程指導(dǎo)教師：孫軍;楊喜軍20061001上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 第 I 頁(yè) 單相有源高性能功率模塊的研究與應(yīng)用 摘 要 高功率因數(shù)、高效率、低噪音是電源裝置和用電設(shè)備普遍追求的品質(zhì)。本文以單相有源功率因數(shù)校正控 制器和高性能功率模塊的研制、開(kāi)發(fā)為依托，對(duì)其從理論和應(yīng)用開(kāi)發(fā)兩 個(gè)方面進(jìn)行了較為全面的研究和討論。 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制實(shí)施，使有源功率因數(shù)校正控制器在較大功率變速電器中的應(yīng)用研究勢(shì)在必行。結(jié) 合有源功率因數(shù)校正控制器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，對(duì) 術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了理論分析和仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)較大功率應(yīng)用場(chǎng)合，采用了并聯(lián)交錯(cuò) 撲結(jié)構(gòu)。 （ 1） 對(duì)傳統(tǒng)升壓型 撲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，基于雙閉環(huán)控制原理建立了 真模型，進(jìn)行了仿真分析，并給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 （ 2） 以傳統(tǒng)升壓型 撲來(lái)實(shí)現(xiàn) 制器，分別用 為控制芯片實(shí)現(xiàn)了單相 路，并進(jìn)行了比較，同時(shí)詳細(xì)闡述了參數(shù)優(yōu)化、器件 選型、線路板布局等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)應(yīng)用設(shè)計(jì)中如何提高 性能進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析， 并且針對(duì)在生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了切實(shí)可行的解決辦法。 （ 3） 針對(duì)較大功率情況下功率器件電 流應(yīng)力很大的情況，對(duì)基本升壓型方案做出了改進(jìn)兩級(jí)并聯(lián)交錯(cuò)升壓型 合不同電感繞上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 第 頁(yè) 制方式、不同驅(qū)動(dòng)方式作了仿真分析 ，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)給予了驗(yàn)證。 敘述了具有集成驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和系統(tǒng)控制功能的智能功率模塊其實(shí)施了隔離式的外驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了一種高性能功率模塊。將其應(yīng)用于變頻空調(diào)，降低了 成本，提高了可靠性。目前已投入批量生產(chǎn)，并取得了預(yù)期的效果。 關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正，升壓拓?fù)洌⒙?lián)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)方式，智能功率模塊，門極驅(qū)動(dòng)，電平移位 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 頁(yè) F C/ is is on of of it of in of in at of （ 1） of on （ 2） 4981A/B to FC in （ 3） As of of of 海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 頁(yè) of a of At it 摘要 第 I 頁(yè) 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 2007 年 10 月 12 日 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要 第 頁(yè) 上海交通大學(xué) 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(guó)家有關(guān)部門或機(jī)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)上海交通大學(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(kù)進(jìn)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 ，在 年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密 。 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“ ” ） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 2007 年 10 月 12 日 日期： 2007 年 10 月 19 日上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第 1 頁(yè) 第一章 緒論 高功率因數(shù)、高效率、低噪音、符合電磁兼容（ 準(zhǔn)是電源裝置和用電設(shè)備普遍追求的品質(zhì)。單相有源 C 變換器可以很好的抑制不可控整流 高電源輸入功率因數(shù)、減少無(wú)功功率和電源對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，使電源滿足相應(yīng)的國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)作為變頻器中的逆變器核心功率級(jí)電路高性能功率模塊，它的優(yōu)化設(shè)計(jì)，高可靠性和良好的一致性在大生產(chǎn)中也得到了越來(lái)越多的重視。本文就是 基于單相有源功率因數(shù)校正（ 制器及高性能功率模塊的研制、開(kāi)發(fā)為依托，對(duì)有源升壓型 C 變換器技術(shù)和高性能功率模塊進(jìn)行了較為全面的討論和研究。 相綠色電源”觀念的日益深入人心，以及相關(guān)國(guó)際組織和部門制定的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)，都迫使電力電子技術(shù)工作者研究高性能的電力電子裝置。單相 術(shù)正是適應(yīng)了這種要求，達(dá)到抑制諧波、有效利用能源的目的。 長(zhǎng)期以來(lái)，在辦公場(chǎng)所和家電中使用的電力電子裝置，其 C 變換裝置普遍采用二極管不可控整流加濾波電容的方式，整流過(guò)程中二極管的導(dǎo)通角很小，使輸入交流電流為大幅度的尖脈沖，造成公共電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)下降。圖 1出了其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸入電流波形及傅立葉分析結(jié)果。雖然本身這類供電裝置功率 +a）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （ b） 電網(wǎng)側(cè)輸入電流 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第 2 頁(yè) （ c） 輸入電流各次諧波 圖 1不可控整流加濾波電容供電方式 不大，但由于這類裝置使用量大面廣，其規(guī)模污染能力極大。實(shí)際上，采用功率因數(shù)校正措施可以提高整個(gè)電源分配系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。 因?yàn)樗梢宰岆娏餍问礁愃朴诤?jiǎn)單的電阻電路， 與未帶功率因數(shù)校正的負(fù)載相比， 能從電力線路中獲取更多的有用電流，所以解決好它們?cè)斐傻闹C波污染對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。 國(guó)際電工委員會(huì)面對(duì)日益嚴(yán)重的諧波危害，分別制定了用電設(shè)備的相應(yīng)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，其中最有影響力的是 1000國(guó)政府也頒布了與之相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并強(qiáng)制實(shí)施，表 1出了關(guān)于單相 16A 以下家用電器的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)。任何未通過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不得出廠和銷售。在這樣一個(gè)大的應(yīng)用需求前提下，諧波抑制技術(shù)的產(chǎn) 表 1于 16A 以下家用電器的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn) 奇次諧波 偶次諧波 諧波次數(shù) （ n） 允許最大諧波電流（ A） 諧波次數(shù)（ n） 允許最大諧波電流（ A）3 n 40 8/n 11 13 n 39 15/n 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第 3 頁(yè) 業(yè)應(yīng)用是勢(shì)在必行。 功率因數(shù)校正技術(shù)就是針對(duì)此類小容量 C 變換裝置而言的。 基本原理， 就是從電路上采取措施， 使電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦化， 并與輸入電壓保持同相位。括無(wú)源 有源 大類。 為了解決由此帶來(lái)的電網(wǎng)可靠性問(wèn)題，提高電網(wǎng)輸入端功率因數(shù)，必須采取相應(yīng)措施來(lái)限制 C 電路諧波電流分量，提高 C 開(kāi)關(guān)變換器輸入端功率因數(shù)，最簡(jiǎn)單的是采用無(wú)源功率因數(shù)校正（ 術(shù)，即在整流輸出端加 波器。這種方法由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、且功率因數(shù)可達(dá)到 右，所以在小功率應(yīng)用場(chǎng)合下應(yīng)用較多， 但它只能對(duì)某些指定的諧波進(jìn)行抑制和基波相位補(bǔ)償， 且由于體積、重量、性能等原因，限制了它在實(shí)際中的應(yīng)用。在較大功率直流電源應(yīng)用中，多采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。 是在變流裝置的整流電路與輸出電容之間增加一個(gè)功率變換電路，實(shí)際上是一個(gè)特殊控制的 C 開(kāi)關(guān)變換器，它利用輸入電流和輸出電壓雙閉環(huán)控制環(huán)路，使輸入電流波形接近正弦波，并與輸入端電壓波形同相位，從而使輸入端功率因數(shù)接近 具有穩(wěn)定的直流輸出電壓，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1C/換器可采用 換器，而最常用的 路是升壓型（ 關(guān)變換器，相比之下它主要有以下優(yōu)點(diǎn)： 整流橋撲結(jié)構(gòu)原理 （ 1） 獲得接近于 功率因數(shù)；諧波失真（ ； （ 2） 輸入電壓范圍寬（ 90V 250V） ；體積小、重量輕； （ 3） 輸出功率大、帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電壓紋波低； （ 4） 共源極工作，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第 4 頁(yè) 相源功率因數(shù)校正技術(shù)適應(yīng)了“綠色電源”的市場(chǎng)需求，近年來(lái)得到廣泛重視。上世紀(jì)九十年代，國(guó)內(nèi)外在 制技術(shù)、數(shù)學(xué)模型的建立、檢測(cè)手段等方面作了大量的研究。目前，單相 術(shù)側(cè)重于新拓?fù)涞陌l(fā)現(xiàn)及控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)研究。國(guó)際產(chǎn)業(yè)界在以往研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)研制出許多專用 制芯片， 國(guó)際知名半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了不同類型的 制芯片，極大的簡(jiǎn)化了有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)，特別是最近日本三菱公司推出了成功率模塊，該模塊將 制芯片、高速功率開(kāi)關(guān) 特基二極管、模塊保護(hù)等集成在一起，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，而且由于結(jié)構(gòu)緊湊，易于散熱設(shè)計(jì)，自身功耗低，分布參數(shù)影響小等，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，這些都推動(dòng)了 術(shù)的發(fā)展。 盡管如此，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用卻相對(duì)狹隘，主要集中在小功率應(yīng)用場(chǎng)合（ 1下） ，諸如開(kāi)關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器等；而在較 大功率場(chǎng)合應(yīng)用較少，如變頻空調(diào)、變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)、 通信電源等。 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于 A 類電器的諧波限制標(biāo)準(zhǔn)， 必將促進(jìn)單相 且由于此類電器的使用數(shù)量非常巨大，所以， 制器的應(yīng)用具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。 性能功率模塊的現(xiàn)狀 雖然現(xiàn)在高性能功率模塊的種類繁多，使用面也越來(lái)越廣，但由于在變頻電器中的廣泛應(yīng)用， 迫使人們對(duì)它的產(chǎn)品可靠性和性能的一致性及優(yōu)良的性價(jià)比提出了更高的要求，所以有必要針對(duì)這種情況研制出一種具有更加普遍使用的產(chǎn)品，來(lái)滿足廣大用戶的要求。 題來(lái)源及意義 本文包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是單相有源 C 變換器技術(shù)，二是高性能功率模塊設(shè)計(jì)技術(shù)，二者皆為公司的預(yù)研項(xiàng)目。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第 5 頁(yè) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)家電產(chǎn)品諧波的強(qiáng)制性規(guī)定， 公司決定在較大功率變頻設(shè)備中采用術(shù)。針對(duì)小功率變頻家電，考慮到成本的因素，普遍采用無(wú)源 術(shù)以滿足要求，雖然這樣導(dǎo)致電壓利用率略有降低，但對(duì)整機(jī)系統(tǒng)性能影響不大，且不會(huì)增加額外的電磁干擾（ 。而對(duì)于較大功率變頻家電， 采用無(wú)源方案已不能滿足認(rèn)證要求，必須采用 術(shù)。通過(guò)研究，將 術(shù)應(yīng)用于較大功率變頻家電，使之能順利地進(jìn)入市場(chǎng)參與競(jìng)爭(zhēng)，提高變頻產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力；同時(shí)促進(jìn) 術(shù)的進(jìn)一步研究、應(yīng)用和推廣，這正是本課題的意義所在。 性能功率模塊研發(fā)的意義 隨著變頻控制器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，市場(chǎng)占有率的不斷壯大。作為變頻電器的核心技術(shù)之一，高性能功率模塊的設(shè)計(jì)，其高可靠性，低稱本，產(chǎn)品的一致性，及優(yōu)良的性能對(duì)于變頻電器的整機(jī)開(kāi)發(fā)周期的縮短，產(chǎn)品早日進(jìn)入市場(chǎng)，產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 要研究?jī)?nèi)容 本文的主要研究?jī)?nèi)容包括兩部分，下面分別敘述： I. 通過(guò)廣泛調(diào)研和大量仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了單相有源功率因數(shù)校正電路。在此基礎(chǔ)上， 對(duì)功率電路做了適當(dāng)?shù)耐負(fù)涓倪M(jìn)， 使之能適應(yīng)較大功率應(yīng)用場(chǎng)合； 對(duì)基本 出了一種并聯(lián)交錯(cuò) 進(jìn)行了部分仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)將所作工作概括如下： （ 1） 對(duì)基本 撲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，基于雙閉環(huán)控制原理 建立了 真模型，進(jìn)行了仿真分析，并給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 （ 2） 采用 現(xiàn)了單相功率因數(shù)校正電路，針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)優(yōu)化、器件選型、線路板設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；對(duì)如何提高其性能進(jìn)行了分析，并且針對(duì)在生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了切實(shí)可行的解決辦法。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 第 6 頁(yè) （ 3） 針對(duì)較大功率情況下功率器件電流應(yīng)力較大的情況，對(duì)基本 案做出了改進(jìn)并聯(lián)交錯(cuò) 合不同電感繞制方式、不同驅(qū)動(dòng)方式作了仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。 通過(guò)對(duì)一般智能功率模塊特點(diǎn)的了解，并針對(duì)一種智能功率模塊的介紹，對(duì)智能功率模塊電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)了一種具有廣泛使用價(jià)值的， 成本低廉的，具有高可靠性和廣泛一致性的高性能功率模塊。 這種模塊電路的設(shè)計(jì)具有一般性， 對(duì)其它型號(hào)的智能功率模塊的設(shè)計(jì)也有一定的參考作用。在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中，具有很好的適應(yīng)性。 章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了單相 高性能功率模塊的現(xiàn)狀及研發(fā)的意義。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 7 頁(yè) 第二章 升壓型驗(yàn)及性能分析研究 根據(jù)電感電流是否連續(xù)，有源功率因數(shù)電路有兩種工作模式：連續(xù)導(dǎo)電模式（ 不連續(xù)導(dǎo)電模式（ 。 對(duì) 有如下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）輸入電流和輸出電流紋波小、 、 波器的體積??； （ 2）有效值電流小、器件導(dǎo)通損耗?。?（ 3）適用于功率較大的應(yīng)用場(chǎng)合。 目前在 作模式下，電流型控制應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其中尤以平均電流控制應(yīng)用最為普遍。本文就是基于平均電流控制、 作模式對(duì)傳統(tǒng)升壓型 行理論分析和仿真驗(yàn)證。 先給出相關(guān)術(shù)語(yǔ)的基本定義： 功率因數(shù)（ 指交流輸入有功功率（ P）與輸入視在功率（ S）的比值。即 = (2式中： 1I 表示輸入基波電流有效值 表示輸入電流有效值 = 表示基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù) 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 8 頁(yè) 所以功率因數(shù)可以定義為輸入電流失真系數(shù)（ ）與相移因數(shù)（ 的乘積。 可見(jiàn)功率因數(shù)（ 電流失真系數(shù)（ ）和基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)（ 決定。 ，則表示用電電器設(shè)備的無(wú)功功率大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大。同時(shí)，電流失真系數(shù) 值低，則表示輸入電流諧波分量大，將造成輸入電流波形失真，對(duì)電網(wǎng)造成污染。 功率因數(shù)與總諧波失真系數(shù)（ 關(guān)系： 由 =1211111122= 有 212111即 (2因此，提高功率因數(shù)可以大大減少輸入線路的諧波失真，提高電源的利用率。 率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)方法 由功率因數(shù)的定義， F 可知，要提高功率因數(shù)，有兩個(gè)途徑： 1使輸入電壓、輸入電流同相位。此時(shí) 1，所以 = 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 9 頁(yè) 2使輸入電流正弦化。即1I （諧波為零） ，有1 即： 1= 從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。 利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形成正弦波，并且和輸入電壓同相位。 壓型 路的主要任務(wù)是：在保證輸出電壓穩(wěn)定的前提下，使 C 變換器的輸入電流和輸入電壓為同頻同相的正弦波。 采用平均電流控制模式具有諧波失真 電磁干擾 、對(duì)噪聲不敏感、適用于較大功率應(yīng)用場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，在單相 路中得到了普遍的應(yīng)用。圖 2 本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中 感，實(shí)現(xiàn)輸入電源正弦化的暫時(shí)能量存儲(chǔ)； 控制功率開(kāi)關(guān)管，通過(guò)調(diào)整占空比，控制輸出電壓的穩(wěn)定； D 為 極管，起到快速整流的作用； 到平滑輸出電壓的作用， 控制電路原理框圖是以 為例，見(jiàn)圖 2 整流橋控制器本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 將圖 2電路與圖 1a）進(jìn)行比較， 本拓?fù)湓黾恿藘?chǔ)能電感 L、功率開(kāi)關(guān)器件 功率二極管 D 三個(gè)功率器件。 通過(guò)對(duì)這三個(gè)器件進(jìn)行控制， 現(xiàn)了整流和穩(wěn)壓兩大功能。為了實(shí)現(xiàn)該功能，引入了電壓和電流雙閉環(huán)反饋，電壓環(huán)（外環(huán)）穩(wěn)定輸出電壓，電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）使輸入電流很好地跟蹤輸入電壓波形，控制電路原理框圖見(jiàn)圖 2原理描述如下： 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 10 頁(yè) 制電路原理框圖 通過(guò)檢測(cè)整流后輸入電壓波形 （ 以電流形式表達(dá)） 與輸出直流參考電壓 （ 實(shí)時(shí)調(diào)整功率開(kāi)關(guān)的占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定；電流環(huán)的設(shè)計(jì)是 路設(shè)計(jì)的核心，輸入整流電流（ 、輸出電壓誤差放大器輸出（ 前饋電壓（ 過(guò)片內(nèi)乘法器后形成基準(zhǔn)電流信號(hào)，采樣得到電感電流與該基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，其高頻分量（開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為 20入電流誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)償、平均化處理和放大后，得到的平均電流與鋸齒波相比較決定功率開(kāi)關(guān)的占空比，使占空比的變化遵循正弦規(guī)律，結(jié)果電感電流能夠跟隨基準(zhǔn)電流，使功率因數(shù)提高。 路本質(zhì)上是一個(gè)非線性周期時(shí)變的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。首先，它的輸入是一個(gè)全波整流波形；其次，這種電路包含兩種調(diào)制，一種是正弦脈寬調(diào)制，另一種是幅度調(diào)制， 且這兩種調(diào)制在負(fù)反饋?zhàn)饔孟孪嗷ビ绊懀?因此分析 路具有一定的難度，采用 路的三頻分析法可以很好的對(duì)其進(jìn)行分析。 下面給出利用該分析方法得到的關(guān)鍵點(diǎn)分析結(jié)果。 1. 電流基準(zhǔn)信號(hào) 圖 2的乘法器可以等效成為一個(gè)電壓控制的電流源，輸出電流的表達(dá)式為： 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 11 頁(yè) 2(1)m in m = (2式中，2(1) ，當(dāng)輸出電壓輸入電壓幅值給定后，為一個(gè)常數(shù)。 電壓放大器的輸出電壓； 正比于 () 一比例常數(shù)，通常取 1。 由式（ 2知，乘法器的輸出電流輸入電壓 () 路中，為基準(zhǔn)電流信號(hào)（見(jiàn)附圖） 。 2. 電流誤差放大器幅頻特性 電流誤差放大器 于輸入誤差信號(hào)的直流分量，具有無(wú)限大的增益，即較小的直流分量就能使 出的分量有足夠大的幅度；對(duì)于低頻分量， 增益較大，使得 ()對(duì)高頻分量， 增益很小，使得高頻分量在輸出端幾乎不存在，從而保證 式為 弦波脈寬調(diào)制）控制方式。 電流誤差放大器 仿真輸出波形見(jiàn)圖 2際實(shí)現(xiàn)中，由于功率開(kāi)關(guān) 00， （原因在于：若它的占空比為 100，將導(dǎo)致交流電源的輸入端電流短路，輸出電壓變?yōu)?0V） ，所以電流誤差放大器 最大值輸出應(yīng)稍小于載波最大值 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 12 頁(yè) 圖 2A 放大器輸出電壓與 角波 3. 占空比的瞬態(tài)表達(dá)式 工頻（周期為 T）電壓相對(duì)于載波周期 言，其變化非常緩慢，借用 C/換器得直流變比公式近似計(jì)算出圖 2路的瞬態(tài)占空比，可表示為： 1 (2利用 中 （ 2） 限制電流脈沖最小原則。要求電流的脈動(dòng)系數(shù)小于某一允許的最大值。 流過(guò)升壓電感磁芯線圈的電流具有較大的直流分量，并疊加一交流分量，磁芯的磁化狀態(tài)將沿局部磁滯回線變化，如圖 2示。交變磁化分量較小，一般B ，故交流損耗較??；由于含有較大的直流分量，線圈電流最大值 應(yīng)產(chǎn)生激磁磁場(chǎng) /較大，要使在 磁芯最壞情況發(fā)生在最大峰值電流時(shí)可能飽和；對(duì)于平均電流型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證最壞情況上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 21 頁(yè) 低輸入電壓的輸入電流峰值時(shí)磁芯不飽和。 磁芯必須加適當(dāng)氣隙和采用寬恒導(dǎo)磁合金磁芯；希望磁芯最大儲(chǔ)能，即希望飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 ；連續(xù)工作模式下，線圈電流受開(kāi)關(guān)控制導(dǎo)通和關(guān)斷以傳遞能量， 線圈損耗占主導(dǎo)地位，在輸入電壓 最大，是磁芯和線圈損耗最壞情況。電感溫升需要有一定的限制。 流預(yù)磁化下的磁滯回線 根據(jù)上述分析，磁芯材料應(yīng)選用高磁導(dǎo)率高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度軟磁材料，在實(shí)驗(yàn)中，選取鐵基非晶合金作為磁芯材料。 選擇好磁芯材料后，就可以根據(jù)峰值電流、紋波電流、功率等級(jí)等要求來(lái)計(jì)算電感量、電感器磁芯尺寸、繞組匝數(shù)、繞組面積、氣隙長(zhǎng)度，使得電感量滿足要求，在最大電感電流時(shí)磁芯不飽和，且線圈繞制合理。具體電感計(jì)算見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。 率開(kāi)關(guān)管、快恢復(fù)二極管的選擇 功率開(kāi)關(guān)管（如： ）在關(guān)斷時(shí)要承受 400V 左右的阻斷電壓，所以選取時(shí)考慮 20的裕量，其阻斷電壓應(yīng)為 500V； 導(dǎo)通電阻比較大，為了降低開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗， 應(yīng)盡量選取導(dǎo)通電阻小的功率 而對(duì)于 應(yīng)選擇集射極間導(dǎo)通飽和壓降小，反向耐壓高的功率 流容量應(yīng)以輸入電壓最低、輸出功率最大時(shí)電感峰值電流為準(zhǔn)。 在含 路的電源中，功率二極管作用具有以下特點(diǎn)： 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 22 頁(yè) （ 1） 二極管反向恢復(fù)電流，增加其關(guān)斷損耗的同時(shí)，也增大了開(kāi)關(guān)管的損耗； （ 2） 二極管的關(guān)斷損耗占其總損耗的大部分； （ 3） 二極管反向恢復(fù)特性增加了系統(tǒng)的電磁干擾 M)恢復(fù)二極管的關(guān)斷特性 圖 2快恢復(fù)二極管的關(guān)斷特性，圖中的陰影部分即是關(guān)斷損耗。除了考慮二極管的電流容量以外，還應(yīng)考慮反向關(guān)斷時(shí)間，二極管反向耐壓。選取超快恢復(fù)二極管或肖特基二極管，以加快反向關(guān)斷延遲時(shí)間，降低功率損耗、減小開(kāi)關(guān)管額定電流容量。 率電路設(shè)計(jì) 單相 路嵌入到變頻空調(diào)中，盡管滿足了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的低頻 1000是， 換器高頻斬波又導(dǎo)致高頻傳導(dǎo)干擾的增加，超過(guò)了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng) 準(zhǔn)（例如：歐洲的 50145014。因此功率電路設(shè)計(jì)中要考慮 波器的設(shè)計(jì)和印制線路板的布局，以便使開(kāi)關(guān)變換器的影響最小化。根據(jù) 準(zhǔn) 5014續(xù)騷擾電壓（ 的頻譜范圍是 標(biāo)準(zhǔn) 5014續(xù)騷擾電壓 （ 頻譜范圍是 30過(guò)輸入濾波器的設(shè)計(jì)和 線方向、長(zhǎng)度、寬度、接地及隔離措施等）來(lái)降低產(chǎn)生的差模和共模干擾。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 23 頁(yè) 顯然，電磁干擾源是功率開(kāi)關(guān)管和快恢復(fù)二極管，功率電路中 生的關(guān)鍵點(diǎn)見(jiàn)圖 2本的解決原則是： （ 1）縮短電流流通路徑； （ 2）減少 dv/播路徑；（ 3）縮小 di/路面積。 這需要三方面的設(shè)計(jì)： （ 1）主電路的布局設(shè)計(jì)； （ 2）控制電路的布局設(shè)計(jì)； （ 3）的布局設(shè)計(jì)。 共模容性耦合di/dv/生回路的關(guān)鍵點(diǎn) 主電路基本的布局設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 2加了兩個(gè)高頻旁路電容，濾除高頻干擾，輸入 波器（差模） ，以減小差模干擾，負(fù)載端 波器（應(yīng)盡量靠近共模騷擾源） ，共模耦合電容，以減少共模失真等。 括輸入輸出濾波器的主電路 控制電路的布局設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)電路緩沖設(shè)計(jì)（圖 2，電壓和電流反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻由小向大變化，例如由 33 歐姆到 80 歐姆變化，并加上 聯(lián)吸收上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 24 頁(yè) 回路的作用時(shí)，功率 開(kāi)通時(shí)間變長(zhǎng)（降低了 dv/化率） ，且驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒(méi)有了尖峰毛刺，提高了開(kāi)關(guān)管的高頻性能。 由實(shí)驗(yàn)波形圖 2以看出，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入波形得到了明顯改善。 0圖 2動(dòng)電路（緩沖設(shè)計(jì)） （ a）無(wú)緩沖設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng) （ b）緩沖設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng) 圖 2沖設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)開(kāi)啟性能的影響 布局設(shè)計(jì)包括，盡量縮短控制器的輸出驅(qū)動(dòng)線路引線，加寬功率器件引線，加寬關(guān)鍵部位連線，功率開(kāi)關(guān)和快恢復(fù)二極管的有效隔離等。 此外，采用 制器芯片特有的的頻率調(diào)制功能，也可以有效地將電磁干擾能量在較寬的頻譜范圍內(nèi)平均化，從而更易于滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中的 分的要求。 于 司生產(chǎn)的 用控制芯片，采用平均電流控制方式，上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 25 頁(yè) 工作模式為連續(xù)導(dǎo)電模式（ ，所實(shí)現(xiàn)的功能包括欠壓閉鎖，過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，上電軟啟動(dòng)，占空比調(diào)節(jié)范圍寬，電壓電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)等。根據(jù)前面敘述設(shè)計(jì)了基于 升壓型 制電路，見(jiàn)圖 2 圖 2于 升壓型 制電路 下面給出該電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 壓環(huán)設(shè)計(jì) （ 1）前饋電壓濾波環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 該環(huán)節(jié)如圖 2所示。全橋整流后輸出電壓中含有約 66的二次諧波，且前饋電壓濾波環(huán)節(jié)要求瞬態(tài)響應(yīng)要 快，故設(shè)計(jì)時(shí)二次諧波衰減和快速響應(yīng)速度要綜合考上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 26 頁(yè) 慮。 采用二階濾波器 （濾波器中兩個(gè)極點(diǎn)的頻率相同） 正是折衷考慮了這二者的關(guān)系，另外這樣設(shè)計(jì)使得輸入電流與輸入電壓同相位。 （ 2）電壓誤差放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì) 路輸出部分的低頻響應(yīng)表現(xiàn)為電流源驅(qū)動(dòng)輸出電容的一階電路，其中該電流源由功率部分和電流反饋環(huán)組成。為使工作穩(wěn)定，電壓環(huán)必須進(jìn)行補(bǔ)償，其目的是保持輸出電壓高于輸入電壓峰值且穩(wěn)定和減小輸入電流畸變。為兼顧二者，必須綜合考慮電壓補(bǔ)償?shù)膸捙c相位裕量。電壓誤差放大器采用 節(jié)方式（如圖 2，輸出電壓上的二次紋波經(jīng) 節(jié)器后得到衰減，由此算出電壓放大器的二次諧波增益，由該增益值再算出電壓放大器的補(bǔ)償電容 過(guò)設(shè)定整個(gè)電壓環(huán)增益為 1 來(lái)算出電壓誤差放大器的極點(diǎn)頻率 ，再由該極點(diǎn)頻率算出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻 流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 電流環(huán)的設(shè)計(jì)是使平均電感電流有較好的動(dòng)態(tài)跟蹤能力。 電流環(huán)一般由電流誤差放大器 s） 、 制器 s）和功率轉(zhuǎn)換電路 s）構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖 2示。 Vs(s)s) s)s)+流環(huán)結(jié)構(gòu) 由電流誤差放大器 成一個(gè) 節(jié)器（見(jiàn)圖 2。該電流調(diào)節(jié)器具有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為： )/1(/()/1()( += (2其中 R(C+C )ci cz ， =1/(C +C )/R C 片內(nèi)部規(guī)定傳遞函數(shù) s）和 s） ，則電流環(huán)總的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 27 頁(yè) 為： ik i s) G (s) G (s) G (s)= 2o s z i pK V R (1+s/ /s L/ (1+s/ )= ） （ 2 可見(jiàn)，它是一個(gè)二階無(wú)差系統(tǒng)，可以無(wú)差地跟蹤正弦波輸入函數(shù)，從而使輸出電流確保電流環(huán)具有較高的低頻增益、較寬的中頻帶寬、合理的穩(wěn)定裕量和較強(qiáng)的開(kāi)關(guān)紋波抑制能力， 設(shè)計(jì)中主要通過(guò)調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的三個(gè)參數(shù)Z，P， 將補(bǔ)償零點(diǎn)償極點(diǎn)樣可以盡量抑制開(kāi)關(guān)電流紋波，增大相位裕量，增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)性 能；電流環(huán)的直流增益受大電流環(huán)的直流增益可以提高其穿越頻率i，但紋波會(huì)隨著以應(yīng)限制在小于 1/2 開(kāi)關(guān)頻率附近。 數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 根據(jù)上述雙閉環(huán)設(shè)計(jì)方法，以 案。 下面給出以 控制芯片的控制電路參數(shù)和實(shí)驗(yàn)分析，所分析的問(wèn)題具有共性。 實(shí)驗(yàn)參數(shù)：輸入交流電壓： 50265出直流電壓： 00關(guān)頻率： 22壓電感： 芯材料：非晶體磁芯 輸出端電容： *330壓環(huán)和電流環(huán)主要參數(shù)： 10k， 3k， 0k， 2F， 6k， 10 ， 6k， 00070 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型 原理、實(shí)驗(yàn)及性能分析研究 第 28 頁(yè) 使用上述參數(shù)配置的雙閉環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題： （ 1） 系統(tǒng)的帶負(fù)載能力較差，表現(xiàn)為隨著負(fù)載的增大，輸出電壓下降幅度過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)使系統(tǒng)進(jìn)入自然整流狀態(tài)； （ 2）負(fù)載大時(shí)輸入電流交越失真比較明顯，波形正弦度降低，使得個(gè)別低次諧波電流含量增加。這說(shuō)明原理性計(jì)算與實(shí)際參數(shù)配置存在著差距，必須進(jìn)行某些參數(shù)調(diào)整，通過(guò)多次試驗(yàn)調(diào)整方法總結(jié)如下： 提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力：一是在不改變前饋電壓濾波效果的前提下，適當(dāng)減小前饋分壓值 是適當(dāng)減小輸入電壓采樣電阻 取值。 減少輸入電流交越失真： （ 1）適當(dāng)減小 增大相位裕量，提高穿越頻率，但不宜過(guò)分減小，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)抑制電流紋波的能力下降； （ 2）增大 大穿越頻率，但同時(shí)減小了增益裕量。 按上述方法重新調(diào)整元件參數(shù)，結(jié)果獲得了更好的校正效果，降低了輸出電壓紋波，減小了輸入電流交越失真，見(jiàn)圖 2 （ a）參數(shù)調(diào)整前 （ b）參數(shù)調(diào)整后 圖 2入電壓與輸入電流波形 由圖 2a)與圖 2b)可以看出， 參數(shù)調(diào)整后的輸入電流波形較調(diào)整前交越失真得到了明顯改善，總的諧波失真度也小于 5%，這說(shuō)明參數(shù)調(diào)整的比較理想。 同時(shí)，圖 2參數(shù)調(diào)整后，實(shí)際輸入電壓和輸入電流分別為 230 出平均電壓 375的最大紋波電壓只有 16紋波電壓小于 5；上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 升壓型