三态二次型Buck PFC变换器研究

摘要

为了减小开关变换器输入电流的谐波分量，必须使用功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)技术来使其达到IEC61000-3-2等谐波标准，从而降低对电网的污染。PFC变换器在控制输入电流跟随输入电压相位和波形的同时，还需要稳定变换器的输出电压，尽可能地减小输出电压纹波。变换器级联技术可以有效地减小输出电压纹波，伪连续导电模式(Pseudo Continuous Conduction Mode, PCCM)结合了连续导电模式(Continuous Conduction Mode, CCM)和断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)的优点，可以提高变换器的负载动态响应速度，因此，本文将级联变换器和PCCM相结合，研究低输出电压纹波、快速负载动态响应的三态二次型BuckPFC变换器。　　首先，根据电感工作模式的不同，将二次型Buck变换器分为四种，即：CCM/DCM-CCM/DCM二次型Buck变换器。详细介绍了四种变换器的工作原理，分别建立了其状态空间平均等效模型，讨论了控制-输出函数的频域特性，为变换器控制环路补偿网络的设计提供了参考。另外，进一步划分了变换器的工作区域，为变换器的电路参数设计提供了理论依据。　　其次，将第2章提到的四种二次型Buck变换器应用到了PFC场合，得到四种PFC变换器：CCM/DCM-CCM/DCM二次型BuckPFC变换器。理论推导了CCM-CCM/DCM二次型BuckPFC变换器的输入电感电流纹波和DCM-CCM/DCM二次型BuckPFC变换器的输出电压纹波的表达式，分别采用均值电流控制和单电压环控制策略，实验验证了理论分析的正确性。研究结果表明，与传统的CCMBuckPFC变换器相比，CCM-CCM/DCM二次型BuckPFC变换器的输入电感电流纹波更小，CCM-DCM二次型BuckPFC变换器的输入电感电流纹波最小；与传统的DCMBuckPFC变换器相比，DCM-CCM/DCM二次型BuckPFC变换器的输出电流纹波更小。　　最后，将PCCM引入二次型Buck变换器中，衍生出PCCM-CCM/DCM二次型Buck变换器，分别建立了其状态空间平均等效模型，讨论了控制-输出传递函数的频域特性，分析结果表明，三态二次型Buck变换器控制-输出传递函数对应的系统为最小相位系统，电压控制环路补偿网络设计简单。此外，将上述两种三态变换器应用到PFC场合，采用正弦电流参考控制策略，分析了输出电压纹波特性。仿真和实验结果表明，三态二次型BuckPFC变换器相比于CCM/DCM-CCM/DCM二次型BuckPFC变换器，输出电压纹波更小，负载动态响应速度更快。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 功率因数校正技术概述

1.2.1 无源PFC技术

1.2.2 有源PFC技术

1.3 级联开关变换器概述

1.3.1 传统级联开关变换器

1.3.2 单开关级联开关变换器

1.4 三态DC-DC变换器概述

1.5 论文的主要工作

第2章 二次型Buck变换器工作原理及区域划分

2.1 CCM-CCM二次型Buck变换器

2.1.1 工作原理

2.1.2 状态空间平均等效模型

2.2 CCM-DCM二次型Buck变换器

2.2.1 工作原理

2.2.2 状态空间平均等效模型

2.3 DCM-CCM二次型Buck变换器

2.3.1 工作原理

2.3.2 状态空间平均等效模型

2.4 DCM-DCM二次型Buck变换器

2.4.1 工作原理

2.4.2 状态空间平均等效模型

2.5 工作区域划分

2.6 本章小结

第3章 二次型Buck PFC变换器

3.1 CCM-CCM二次型Buck PFC变换器

3.1.1 工作原理

3.1.2 输入电感电流纹波

3.1.3 控制器设计

3.2 CCM-DCM二次型Buck PFC变换器

3.2.1 工作原理

3.2.2 输入电感电流纹波

3.2.3 控制器设计

3.3 DCM-CCM二次型Buck PFC变换器

3.3.1 工作原理

3.3.2 控制器设计

3.3.3 输出电压纹波

3.4 DCM-DCM二次型Buck PFC变换器

3.4.1 工作原理

3.4.2 控制器设计

3.4.3 输出电压纹波

3.5 仿真和实验结果分析

3.5.1 仿真结果分析

3.5.2 实验结果分析

3.6 本章小结

第4章 三态二次型Buck PFC变换器

4.1 频域分析

4.1.1 三态二次型Buck变换器的提出

4.1.2 PCCM-CCM二次型Buck变换器

4.1.3 PCCM-DCM二次型Buck变换器

4.2 PCCM-CCM二次型Buck PFC变换器

4.2.1 工作原理

4.2.2 控制器设计

4.2.3 输出电压纹波

4.3 PCCM-DCM二次型Buck PFC变换器

4.3.1 工作原理

4.3.2 控制器设计

4.3.3 输出电压纹波

4.4 仿真与实验结果分析

4.4.1 仿真结果分析

4.4.2 实验结果分析

4.5 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果