脉冲序列控制Boost功率因数校正变换器研究

摘要

功率因数校正(Power factor correction，PFC)变换器可以降低电力电子装置对公共电网的谐波污染，具有功率因数(Power factor，PF)高，体积小，成本低等优点，已广泛应用于AC-DC能量变换的场合中。BoostPFC变换器因电感直接与输入侧串联，易于输入滤波器设计，得到广泛的研究与应用。根据BoostPFC变换器的电感电流工作状态，可划分为三种工作模式，电感电流断续模式(Discontinuous conduction mode， DCM)，电感电流连续模式(Continuousconductionmode，CCM)与电感电流临界连续模式(Critical conduction mode，CRM)。　　DCMBoostPFC变换器一般采用定占空比控制，存在输入电流畸变，输入功率因数较低，且功率因数随输入电压的增大而降低。为了使得DCMBoostPFC变换器获得标准正弦输入电流与单位功率因数，需要根据输入电压与输出电压调节占空比，由于运算较为复杂，低成本的数字控制器难以实现。本文提出了一种DCMBoostPFC变换器的脉冲序列(Pulsetrain，PT)控制策略。PT控制根据瞬时输入电压选择合适的控制脉冲，以离散化的方式拟合变占空比函数，运算量小，适用于低成本的数字控制芯片，在全输入电压范围内可以获得近似1的功率因数。并建立了一台输入电压90~264VAC、输出电压400V、输出功率120W的DCMBoostPFC变换器的原理样机，对理论分析进行了实验验证。实验结果表明，PT控制DCMBoostPFC变换器在输入电压范围90~264VAC内都能实现接近于1的功率因数。　　CCMBoostPFC变换器一般采用平均电流控制，由于电压控制环与电流控制环耦合，输出电压二倍工频纹波影响电流控制环路，进而造成输入电流畸变。为了获得高功率因数与正弦输入电流，需要将电压控制环路的带宽设置在10Hz左右，抑制控制环路中的二倍工频纹波，然而极低的电压控制环路带宽导致很慢的瞬态响应速度与极大的输出电压超调。本论文提出了一种PT控制CCMBoostPFC变换器，根据负载电流与输入电压峰值直接计算电流参考信号，实现了电压控制环路与电流控制环路解耦，消除了二倍工频纹波对电流控制环的影响，从而提高了电压控制环的带宽，加快了系统的瞬态响应速度，另一方面，使用PT调制的方法控制电感电流始终跟随电流参考信号，实现了高功率因数与低输入电流总谐波畸变(Total harmonicdistortion，THD)。并建立了一台输入电压90~132VAC、输出电压400V、输出功率300W的CCMBoostPFC变换器的原理样机，实验结果表明，在电压控制环为30Hz的情况下，PT控制CCMBoostPFC变换器能够获得接近于1的功率因数，与小于4%的输入电流THD，而传统平均电流控制DCMBoostPFC变换器的功率因数下降至0.990，输入电流THD上升至14%。此外，PT控制CCMBoostPFC变换器具有更快的瞬态响应速度与更小的输出电压超调。　　CRMBoostPFC变换器一般采用定导通时间(Constant on-time)控制。COT控制通过连续地调节开关管导通时间，实现对输出电压的控制。COT控制的导通时间由电压控制环中的误差补差器决定，然而为了获得高PF与低输入电流THD，需要降低电压控制环的带宽，一般设置在小于20Hz，极低的电压环带宽将导致很慢的瞬态响应速度，使得系统在瞬态调节过程中造成较大的输出电压超调，增大开关管与二极管的电压应力。本论文提出了一种CRMBoostPFC变换器的工频调节(Line cycle adjusting， LCA)控制策略，通过离散地调节开关管导通时间，实现对输出电压的控制。由于无需补偿网络，LCA控制具有环路设计简单、瞬态响应速度快的优点。此外，LCA控制器只需每半个工频周期计算一次开关管导通时间，极大地降低了的运算量，因此LCA控制可以使用成本较低、运算速度较慢的数字控制器实现。最后，建立了一台输入电压90~132VAC、输出电压400V、输出功率140W的CRMBoostPFC变换器的原理样机。实验结果表明，LCA控制CRMBoostPFC变换器能够实现高功率因数、低输入电流THD，同时也能获得快速的动态响应速度。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 DCM Boost PFC变换器控制技术

1.3 CCM Boost PFC变换器控制技术

1.4 CRM Boost PFC变换器控制技术

1.5 脉冲序列控制技术

1.6 论文的主要工作

1.6.1 章节安排

1.6.2 主要创新

第2 章 脉冲序列控制DCM Boost PFC 变换器

2.1 引言

2.2 定占空比控制DCM Boost PFC变换器

2.3.1 控制原理

2.3.2 占空比函数与输入电流分析

2.3.3控制脉冲系数数量n对功率因数的影响

2.4 定占空比控制，变占空比控制与PT控制性能比较

2.4.1 占空比与输入电流

2.4.2 拟合误差

2.4.3 输入电流谐波含量与输入功率因数

2.4.4 开关管与二极管电流有效值

2.4.5 输出电压纹波

2.5 主电路参数设计与实验验证

2.5.1 主电路参数设计

2.5.2 稳态性能实验对比

2.5.3 瞬态性能实验对比

2.6 本章小结

第3 章 脉冲序列控制CCM Boost PFC 变换器

3.1 引言

3.2 平均电流型控制CCM Boost PFC变换器

3.2.1 电压环带宽对输入电流的影响

3.2.2 实现单位功率因数的占空比函数

3.3 脉冲序列控制CCM Boost PFC变换器

3.3.1 控制原理

3.3.2 高功率脉冲系数KH与低功率脉冲系数KL的设计

3.3.3 占空比分析

3.4 主电路参数与控制环路设计

3.4.1 主电路参数设计

3.4.2 控制环路设计

3.5 实验验证

3.5.1 稳态性能实验对比

3.5.2 瞬态性能实验对比

3.6本章小结

第4 章 工频调节控制CRM Boost PFC 变换器

4.1 引言

4.2 定导通时间控制CRM Boost PFC变换器

4.3 工频调节控制CRM Boost PFC变换器

4.3.1 控制原理

4.3.2 高功率半波HCH与低功率半波HCL的平均输入功率

4.3.3 导通时间TH与TL的产生及控制参数设计

4.4 工频调节控制性能分析

4.4.1 高功率半波HCH与低功率半波HCL的组合方式

4.4.2 负载边界个数n对功率因数的影响

4.4.3 输出电压纹波

4.5 仿真验证

4.6 主电路参数设计与实验验证

4.6.1 主电路参数设计

4.6.2 稳态性能实验对比

4.6.3 瞬态性能实验对比

4.7 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果