基于DSP的数字控制单级桥式功率因数校正技术研究

论文摘要

电力电子设备的输入输出级大都采用二极管整流加电容滤波的形式,这种方式会对电网产生谐波污染。有源功率因数校正技术(APFC)是一种抑制谐波污染,提高系统功率因数的有效手段。传统的单级功率因数校正变换器通常采用模拟控制,随着数字信号处理器(DSP)的飞速发展及性价比的进一步提升,越来越多的电力电子设备采用DSP取代原有的模拟控制芯片作为主控制器。数字控制方法可靠性高、抗干扰性强、集成度高、便于实现复杂的控制算法,是APFC控制技术发展的重要方向。论文主要研究采用数字控制方法的全桥单级隔离式APFC技术,采用一种基于无源箝位技术的全桥结构电路作为主拓扑,箝位电容能够吸收漏感在换流过程中释放的能量,减轻了开关管的电压应力,并且能够对能量进行缓冲,减小输出侧纹波,提高响应速度。论文详细研究了基于无源箝位技术的单级隔离式PFC拓扑的功率因数校正原理及工作模态,并针对电路启动时储能电感能量无法释放,输入电流泵升的问题进行了仿真研究,设计了反激式绕组,为启动时无法释放的电感能量提供了释放通路,解决了因启动时电感电流过大容易损坏开关管的问题。控制策略方面,选择了预测控制方法作为本电路的控制方法。预测控制方法无需电流采样,避免了电流信号中的高频毛刺带入系统所产生的干扰,并且计算量小,电流跟踪速度快,能够工作在较高的开关频率下,实现良好的控制效果。根据预测控制原理设计了系统软件,分析研究了基于DSP的控制系统在高频工作状态下容易遇到的电磁干扰问题,从软件和硬件两方面提出了改善措施,并设计了采样电路、过零检测电路、驱动电路和滤波电路等。在理论分析、软件仿真的基础上搭建了实验电路,验证了理论研究的正确性。由实验结果可知该变换器能够较好的实现单级功率因数校正功能,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的意义
• 1.2 隔离型功率因数校正技术的研究现状
• 1.2.1 典型的单级隔离型PFC 拓扑
• 1.2.2 与其它变换器的结合
• 1.2.3 有源箝位和软开关技术的应用
• 1.3 APFC 数字控制技术的发展现状
• 1.4 主要工作及研究内容
• 第2章 主电路拓扑及工作原理分析
• 2.1 主电路拓扑
• 2.2 功率因数校正原理分析
• 2.3 模态分析
• 2.4 主电路存在的问题及解决办法
• 2.4.1 存在的问题
• 2.4.2 抑制措施
• 2.5 本章小结
• 第3章 APFC 数字控制技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 预测控制策略
• 3.3 预测控制策略的数字实现
• 3.4 预测控制策略的性能分析
• 3.4.1 直接电压前馈方式
• 3.4.2 更快的电流跟踪速度
• 3.4.3 较小的运算量
• 3.4.4 预测控制的不足
• 3.5 本章小结
• 第4章 功率因数校正电路的设计与实现
• 4.1 主电路参数设计
• 4.1.1 系统设计要求
• 4.1.2 升压电感设计
• 4.1.3 功率器件选择
• 4.1.4 隔直电容计算
• 4.1.5 变压器变比设计
• 4.2 基于DSP 的数字控制电路设计
• 4.2.1 TMS320F2812 系列DSP 简介
• 4.2.2 采样电路设计
• 4.2.3 过零检测电路设计
• 4.2.4 驱动电路设计
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 软件设计总体方案
• 4.3.2 软件的资源配置
• 4.3.3 主程序及中断程序设计
• 4.4 数字控制系统抗干扰设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验分析
• 5.1 主电路仿真分析
• 5.2 实验分析
• 5.2.1 功率因数校正效果分析
• 5.2.2 开关管应力分析
• 5.3 对输出电容纹波的抑制
• 5.4 变换器效率分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢