基于全桥结构的三相单级有源功率因数校正技术研究

摘要

有源功率因数校正(APFC)技术是抑制电流谐波、提高功率因数的有效方法。在中大功率领域，一般采用三相APFC技术，与传统的三相两级APFC相比，三相单级APFC具有结构简单、功率密度高、效率高等优点，是电力电子技术领域中的一项重要研究方向。目前，三相单级APFC技术在小功率领域的研究已经比较成熟，而在中大功率领域的研究仍处于发展阶段。在大功率场合，变换器一般采用全桥结构，本文以一种基于隔离全桥Boost拓扑的三相单级APFC技术为研究课题，对变换器的拓扑结构、电压尖峰、输入电流谐波与死区、起动与关机磁复位问题进行了研究，并提出了一些新方法及思路。
　　提出了两种基于隔离全桥Boost拓扑的三相单级APFC变换器。该变换器工作于电感电流断续(DCM)模式，输入电流峰值自动跟踪输入电压，在实现功率因数校正的同时实现了输入输出侧的电气隔离以及输出直流电压等级的调节；该变换器借鉴移相全桥电路的控制策略，在不增加任何辅助元器件的条件下，实现了上桥臂开关的零电流开关以及下桥臂开关的零电压开关。对该变换器的功率因数校正机理、升压电感电流断续条件、工作模态以及变压器原边电压尖峰的产生机理进行了详细分析，为后面问题的研究奠定了基础。
　　原边电压尖峰的存在增加了各开关的电压应力，降低了变换器的可靠性，必须采取有效措施对其进行抑制。结合所提出的APFC变换器的特点和电压尖峰的产生机理，提出了两种基于无源缓冲的电压尖峰抑制方法(即并联型和串联型无源缓冲)。两种缓冲电路均由电容、电感和二极管组成，利用连接在原边回路中的电容有效地吸收了电压尖峰，利用电感与电容的谐振工作实现能量的传递，将电容上的能量在一个开关周期内转移给负载。对两种缓冲电路的具体工作过程进行了详细的分析，并总结了缓冲电路各参数对开关器件电压、电流应力的影响规律，给出了各参数的设计方法。实验结果表明，缓冲电路的采用有效地抑制了原边的电压尖峰。
　　输入电流波形质量的高低是影响变换器功率因数校正效果的重要因素。本文推导了变换器输入电流表达式，分析了输入电流谐波含量的影响因素，通过对谐波抑制方法的分析，最终采用了基于6次谐波注入的方法对变换器输入电流谐波进行抑制。通过对变换器理想和非理想条件下等效电路的分析，发现由于主电路中各开关管和二极管存在导通压降，当输入电压低于主电路压降时，该相电流将出现死区，该死区随着输入电压幅值的降低而增大。结合电路的工作原理，提出了一种死区补偿策略，有效地消除了输入电流的死区。
　　起动与关机磁复位问题是影响隔离全桥 Boost拓扑可靠性的重要因素，本文详细分析了占空比恒定情况下变换器的起动和升压电感的关机磁复位过程以及起动和磁复位时过压、过流的产生机理。结合电路特点，提出并设计了一种在输出滤波电容上串联电阻以提升有效输出电压的方法来实现电路的起动。在此基础上，利用带中心抽头和反激式绕组的电感代替原有升压电感，提出了一种基于反激式模式的APFC变换器的起动与关机磁复位策略，并设计了两种分别针对采用并联型和串联型无源缓冲电路的APFC变换器的无损起动以及升压电感的关机磁复位方案，最后，对比稳态特性，给出了该电路关键参数的约束条件，并在实验中实现了变换器的正常起动和关机磁复位。

目录

基于全桥结构的三相单级有源功率因数校正技术研究

Research on Three Phase Single Stage Full Bridge Active Power Factor Correction Technique

摘要

Abstract

Contents

第1章绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2APFC技术的分类

1.3三相APFC电路拓扑的对比分析

1.4隔离全桥Boost拓扑的研究现状

1.5本文主要研究内容

第2章变换器拓扑及其电压尖峰产生机理

2.1引言

2.2变换器主电路拓扑结构

2.3功率因数校正机理与电流断续条件

2.4变换器工作模态分析

2.5变压器原边电压尖峰的产生机理分析

2.6变换器的仿真与实验研究

2.7本章小结

第3章基于无源缓冲的电压尖峰抑制方法

3.1引言

3.2变压器原边电压尖峰的抑制方法分析

3.3基于并联型缓冲的电压尖峰抑制方法

3.4基于串联型缓冲的电压尖峰抑制方法

3.5本章小结

第4章输入电流的谐波抑制与死区补偿

4.1引言

4.2输入电流谐波分析与抑制策略

4.3输入电流死区分析与补偿策略

4.4本章小结

第5章变换器的起动与关机磁复位策略

5.1引言

5.2变换器的起动与关机磁复位过程分析

5.3变换器的有损起动与关机磁复位方法

5.4并联型缓冲APFC的无损起动与关机磁复位策略

5.5串联型缓冲APFC的无损起动与关机磁复位策略

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历