一种功率因数校正(PFC)变换器数字控制方法的研究

摘要

基于开关电源的功率因数校正(PFC)变换器在提高电网到电力电子设备的能量转换效率和减少电力电子设备谐波电流对电网的危害方面有着重要的作用。数字控制方法使数字电源产品的设计更简单，体积更小，具有比模拟控制更高的性能，但是目前数字PFC的控制方法都是直接转换模拟PFC的控制方法而来，事实上，对于模拟电路适用的控制方法，套用在数字电路中，会出现模拟电路中没有的延时和数字运算复杂度等需要考虑的问题。
　　本文提出一种PFC变换器的数字控制方法，直接从数字电路的设计角度出发，电路实现简单。该方法首先推导出占空比计算公式，基于占空比计算公式，通过合理设置输入基准电流，有效替代了传统平均电流控制方法中的电流内环PID补偿，减小了数字运算复杂度。
　　由于PFC变换器的输入信号是随时间变化的交流线电压，本文还介绍了准静态近似的方法。本文分析了PFC变换器的输出电压纹波及其对电压外环的影响，在平均开关网络模型法的基础上，本文提出了适合PFC变换器电压外环补偿设计的电压外环小信号交流动态模型。在进行电压外环数字补偿设计时，分析了适合DC-DC变换器数字补偿设计方法在PFC变换器的应用中出现的问题和原因，提出了一种基于功率平衡的更简单的数字补偿设计方法。实验仿真结果验证了该PFC占空比数字控制方法的可行性，在稳态仿真中，输入线电压分别为220Vrms、180Vrms和265Vrms时，和在瞬态响应仿真中，负载从1.25A跳变至0.75A、负载从0.75A跳变至1.25A、输入线电压从220Vrms跳变至180Vrms、265Vrms和输入线电压从180Vrms、265Vrms跳变至220Vrms时，PFC变换器都有近似为1的功率因数。

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致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 功率因数和总谐波失真

1．2 模拟PFC的控制方法

1．2．1 平均电流控制

1．2．2 峰值电流控制

1．2．3 临界导通模式控制和迟滞控制

1．2．4 非线性载波控制

1．3 数字PFC的控制方法

1．3．1 基于模拟平均电流控制的数字控制方法

1．3．2 预测占空比的数字控制方法

1．3．3 数字电荷控制方法

1．3．4 单级数字PFC控制方法

1．4 数字PFC控制的优点

1．5 数字PFC控制的发展前景

1．6 论文结构

第2章 BOOST拓扑和PFC变换器平均开关网络模型

2．1 BOOST DC-DC交换器基本工作原理

2．2 小信号交流等效模型

第3章 电压外环建模和补偿设计

3．1 输出电压纹波

3．2 输出电压纹波对电压外环的影响

3．3 电压外环建模

3．4 电压外环补偿器的设计

第4章 DPWM和ADC

4．1 DPWM的结构

4．1．1 计时器型

4．1．2 数字抖动型

4．1．3 延时线型

4．1．4 混合型

4．2 ADC的结构

4．2．1 逐次逼近ADC(SAR ADC)

4．2．2 快闪ADC(Flash ADC)

4．2．3 多位流水式 ADC (Multiple-bit Pipeline ADC)

第5章 占空比数字控制方法和仿真结果

5．1 占空比数字控制方法原理

5．2 占空比公式的分析

5．3 电压外环数字补偿设计

5．3．1 模拟补偿转换成数字补偿的问题

5．3．2 利用功率平衡关系直接设计数字补偿

5．4 占空比数字控制方法设计

5．4．1 Verilog HDL的时序

5．4．2 驱动电路

5．4．3 保护电路

5．5 仿真结果

5．5．1 稳态仿真结果

5．5．2 瞬态仿真结果

第6章 总结与展望

参考文献