数字无桥Boost PFC变换器研究与设计

摘要

开关电源以其高效率、高功率密度而在电源领域中占主导地位。开关电源中含有非线性器件，在电网中会产生大量的谐波电流和无功功率从而对电网造成污染。由于功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）技术拥有良好的矫正效果，因此，PFC技术已成为解决谐波电流的重要方法。随着功率的升高，损耗在整流桥上的功率将会不容小觑，从而使其效率提升受到限制。针对这一问题，本文实现了一种利用数字控制的无桥PFC电路。 本论文首先分析基本型无桥拓扑面临的EMI(Electromagnetic Interference)和电流检测问题。随着学者的深入研究，后续由基本无桥拓扑发展而来的无桥双二极管无桥拓扑从一定程度上缓解了基本型无桥EMI问题，但是电流检测复杂的问题没有解决。本文给出了改进型双二极管无桥拓扑结构，其具有电流检测简单、EMI小等优点。传统数字算法直接从模拟控制策略转换而来，而模拟控制策略直接采样输入电压作为电流环给定，这样就会可能将噪声信号引入电流环，进而导致控制出现误差，鉴于这种原因本文在电流环给定加以优化，实现了基于锁相环的数字控制策略。对输入电压设计了简便的基于过零检测单相锁相环，电流环给定由锁相环和电压环乘积提供，因此避免了由输入电压的噪声和电网波动等问题造成的误差。本文对此次设计的无桥PFC变换器的元器件选型及硬件电路设计加以详尽叙述，本设计中控制芯片和驱动芯片等都需要供电，因此设计了直流12V的单端反激电源作为辅助电压源。并利用状态空间平均法对系统进行建模，在此基础上进行双闭环的环路设计。用Matlab/Simulink建立了500W改进型双二极管极管无桥拓扑结构的仿真模型，进行了仿真研究。最后本文设计了一台500W的样机，进行了实验验证。仿真和实验结果均证明了控制策略的有效性。

目录

声明

致谢

变量注释表

1绪论

1.1课题背景

1.1.1电力电子装置谐波成因及危害

1.1.2 功率因数的定义

1.2功率因数校正技术发展及其研究现状

1.2.1 功率因数校正技术的发展

1.2.2 无桥APFC技术研究现状

1.2.3 无桥PFC控制策略的研究

1.2.4无桥Boost PFC电磁干扰的分析研究

1.3本文研究意义与研究内容

1.3.1 研究意义

1.3.2本文研究内容

2无桥拓扑结构和控制策略分析

2.1 前言

2.2基本型无桥PFC拓扑分析与改进方式

2.2.1基本型无桥PFC拓扑分析

2.2.2 双二极管无桥拓扑电流检测问题

2.2.3 双二极管无桥拓扑的改进策略

2.3基于单相锁相环的无桥Boost PFC控制策略

2.3.1 传统PFC数字控制策略及其缺点

2.3.2基于单相锁相环的无桥Boost PFC算法

2.3.3锁相环设计

2.4本章小结

3改进型双二极管无桥Boost PFC硬件电路设计

3.1前言

3.2主电路设计

3.2.1主电路电感设计

3.2.2功率开关管选型

3.2.3功率二极管选型

3.2.4采样电路设计

3.2.5驱动电路设计

3.2.6控制芯片选取

3.3辅助源电路

3.3.1单端反激变换器原理

3.3.2辅助源电路设计

3.3.3辅助源变压器设计

3.4 本章小结

4 改进型双二极管无桥Boost PFC系统建模及控制环路设计

4.1前言

4.2系统状态空间平均法建模

4.2.1 系统的状态空间平均模型

4.2.2 Boost电路功率级传递函数

4.3双闭环控制系统设计

4.3.1 电流环设计

4.3.2 PI控制器离散化

4.3.4 电压环设计

4.4 本章小结

5系统仿真及实验研究

5.1 前言

5.2改进型双二极管无桥PFC仿真

5.3数字控制系统设计

5.3.1 软件设计方案

5.3.2 芯片资源配置

5.3.3 程序框图

5.4实验结果与分析

5.4.1实验样机和实验波形

5.5 本章小结

6总结与展望

6.1本文工作总结

6.2未来工作展望

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

学位论文数据集