Flyback PFC变换器二倍工频纹波抑制技术研究

摘要

单级功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)变换器因为输入功率与输出功率实时不匹配而造成输出端含有较大的二倍工频纹波(电压/电流)分量，对于电源质量要求较高的电子设备，无法直接使用单级PFC变换器对其供电。准单级FlybackPFC变换器是由FlybackPFC变换器双输出绕组其中一端与一个Buck型纹波抑制器(Ripple Suppressor)串联组成，即FlybackPFC变换器的辅助输出端作为Buck型RS的输入端，主输出端与Buck型RS输出端串联。通过控制Buck型RS产生一个与主输出电压幅值相同、相位相反的二倍工频纹波电压来达到抑制输出二倍工频纹波的目的。该电路具有高功率因数、高效率和低输出纹波等优点。因此研究准单级FlybackPFC变换器具有重要意义。　　首先，本文以准单级FlybackPFC变换器为研究对象，详细分析了它的工作原理，建立了等效电路直流稳态模型与交流小信号模型。推导了实现低输出纹波的Buck型RS工作电压范围，与工作在连续导电(Continuous Conduction Mode, CCM)模式下的临界电感。对比了两路输出绕组功率分配不同情况下的效率。设计了比例积分(Proportional Integral, PI)补偿网络结构的电压型控制电路，通过该方式控制Buck型RS。建立了闭环小信号模型，通过输入-输出的传递函数阐述了二倍工频纹波抑制性能与环路增益的关系。研究表明：环路增益与带宽越大，输出二倍工频纹波抑制效果越好。　　其次，为了进一步降低输出电压二倍工频纹波，并提高负载瞬态响应速度，基于恒定导通时间(Constant On Time, COT)控制具有带宽大、速度快的优点，提出COT控制与准单级FlybackPFC变换器结合，用COT控制Buck型RS抑制变换器输出二倍工频纹波。分析了输出电容等效串联电阻(Equivalent series resistance, ESR)对COT控制Buck型RS稳定性的影响。建立了闭环小信号模型，采用音频敏感度衡量了输入电压的二倍工频扰动对输出电压的影响。音频敏感度在二倍工频处的幅值越小，说明输出二倍工频纹波抑制效果越好。研究结果表明：ESR较大时，COT控制Buck型RS能稳定工作。等效电路中Buck型RS的两个输入电压对输出电压的音频敏感度在100Hz处的幅值很小，能够很好地抑制输出二倍工频纹波。仿真结果与实验结果验证了理论分析的正确性。从实验结果还可以看出，与传统电压型控制相比，COT控制Buck型RS时提升了变换器输出二倍工频纹波的抑制效果且具有更快的动态响应速度。　　最后，分析了准单级FlybackPFC变换器中影响COT控制的Buck型RS开关频率的因素：输入电压变化会导致开关频率发生变化。开关频率变化量较大时对EMI滤波器设计较为困难，针对该问题，将Buck型RS的输入电压前馈环路引入导通定时器中实现自适应导通时间(Adapt On Time, AOT)控制。建立了闭环小信号模型，采用音频敏感度衡量并对比了AOT与COT控制下输入电压的二倍工频扰动对输出电压的影响。研究结果表明：采用AOT控制消除了Buck型RS输入电压变化对开关频率的影响，降低了开关频率变化量。采用AOT控制时，等效电路中输入电压vo2对vo的音频敏感度小于COT控制，说明AOT控制能进一步提高变换器输出的二倍工频纹波抑制性能。通过仿真与实验验证了理论分析的正确性。实验结果表明，AOT控制不仅拥有COT控制带宽大，速度快的优点，还能够进一步提升变换器的二倍工频纹波抑制性能与效率。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 PFC技术的研究

1.2.1 功率因数的定义

1.2.2 功率因数校正技术

1.3 PFC变换器二倍工频纹波抑制技术的研究现状

1.4 论文的主要工作

1.4.1 章节安排

1.4.2 主要工作贡献

第2章 准单级Flyback PFC变换器

2.1 引言

2.2 工作原理分析

2.2.1 电路结构

2.2.2 工作原理

2.2.3 输出级分析

2.3 参数分析

2.3.1 Buck 型RS 的工作条件分析

2.3.2 效率分析

2.3.3 CCM模式下Buck型RS电感Lb的选择

2.4 仿真分析

2.5 本章小结

第3章 COT控制Buck抑制Flyback PFC二倍工频纹波的研究

3.1 引言

3.2 COT控制Buck抑制Flyback PFC二倍工频纹波工作原理

3.3 COT控制Buck型RS的稳定性分析

3.4 COT控制Buck抑制Flyback PFC二倍工频纹波抑制性能分析

3.4.1 闭环小信号建模

3.4.2 二倍工频纹波抑制性能分析

3.5 实验结果分析

3.5.1 功率因数分析

3.5.2 工作模式分析

3.5.3 稳定性验证

3.5.4 输出纹波分析

3.6 本章小结

第4章 AOT控制Buck抑制Flyback PFC二倍工频纹波的研究

4.1 引言

4.2 AOT控制的Buck型RS开关频率分析

4.2.1 开关频率分析

4.2.2 开关频率对比

4.3 AOT控制Buck抑制Flyback PFC二倍工频纹波抑制性能分析

4.3.1 闭环小信号建模

4.3.2 二倍工频纹波抑制能力分析与对比

4.4 仿真验证

4.5 实验验证

4.5.1 功率因数分析

4.5.2 开关频率分析

4.5.3 输出纹波分析

4.5.4 效率分析

4.6 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果