伪连续导电模式Boost功率因数校正器研究

论文摘要

功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）技术可有效地减少网侧输入电流谐波含量并提高电源功率因数,是电网供电用电设备中不可或缺的重要组成部分。在各种PFC变换器电路拓扑中,Boost变换器因其拓扑结构简单、变换效率高、控制策略易实现等优点,被广泛应用于PFC电路中。工作于不连续导电模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM）和连续导电模式（Continuous Conduction Mode, CCM）的Boost PFC变换器应用非常广泛,但二者均存在负载功率范围受限的缺点。伪连续导电模式（Pseudo Continuous Conduction Mode, PCCM）是一种介于DCM与CCM之间的新型工作模式。相比于DCM Boost变换器,PCCM Boost变换器的输出电压、电感电流纹波小,且负载输出能力强。与CCM Boost变换器相比,PCCM Boost变换器控制到输出的传递函数不存在右半平面（Right Half Plane, RHP）零点,进而具有理想的动态性能。因此,PCCM是一种具备优良工作特性的新型工作模式。本文提出工作于PCCM模式的Boost PFC变换器,在深入分析PCCM Boost PFC变换器的前提下,根据其特有的两个控制自由度,建立了电压环与电流环并行的控制环路。针对宽负载范围内具有高功率因数的控制目标,充分利用PCCM模式平均电感电流大于平均输入电流的特点,提出以负载电流为基准量实时调整参考电感电流谷值的控制策略。在此基础上,详细设计了电感电流谷值跟踪的数字控制算法和电压PI调节器参数。对PCCM Boost PFC变换器与传统DCM和CCM模式Boost PFC变换器进行了仿真验证。结果表明,负载功率较大时,DCM Boost PFC变换器的电感电流峰值远大于PCCM和CCM模式,大幅增加了开关管和EMI滤波器成本；PCCM和CCM Boost PFC变换器的电感电流峰值和纹波较小,具有应用于大功率场合的优良工作性能。在负载功率较小时,PCCM Boost PFC变换器实时降低参考电感电流谷值,使变换器稳定地工作在PCCM模式,保证变换器输入电流具有较高的正弦度；而此时CCM Boost PFC变换器的输入电流在输入电压过零点附近发生畸变,严重降低了变换器的功率因数。因此,在综合考虑功率因数、开关管电流应力、EMI等关键性能指标的前提下,宽负载范围下的PCCM Boost PFC变换器表现出了更加优越的工作特性。最后,本文设计了一台输出功率范围为70W-400W的实验样机,进一步对PCCM Boost PFC变换器和CCM Boost PFC变换器的工作性能进行了对比和验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 功率因数校正技术概述
• 1.1.1 功率因数的定义
• 1.1.2 谐波电流的危害
• 1.2 PFC变换器的研究现状和发展趋势
• 1.2.1 CCM Boost PFC变换器
• 1.2.2 DCM Boost PFC变换器
• 1.2.3 PFC变换器的发展趋势
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 PCCM BOOST变换器研究
• 2.1 PCCM BOOST变换器工作原理
• 2.1.1 PCCM Boost变换器拓扑
• 2.1.2 PCCM Boost变换器工作过程
• 2.1.3 PCCM Boost变换器建模
• 2.2 PCCM BOOST变换器工作性能分析
• 2.2.1 负载范围
• 2.2.2 瞬态性能
• 2.4 本章小结
• 第3章 PCCM BOOST PFC变换器控制策略研究
• 3.1 基于相对增益阵列法的并行控制系统设计
• 3.2 电流环设计
• 3.2.1 参考电流幅值环设计
• 3.2.2 数字电流谷值控制算法
• 3.3 电压环补偿参数设计
• 3.4 仿真验证
• 3.4.1 谷值电流跟踪算法
• 3.4.2 宽负载范围的工作性能
• 3.5 本章小结
• 第4章 数字控制PCCM BOOST PFC系统的设计与实现
• 4.1 功率电路的设计
• 4.1.1 关键元器件选型
• 4.1.2 隔离驱动电路
• 4.2 数字控制器的设计
• 4.2.1 软件设计方案
• 4.2.2 软启动设计
• 4.2.3 数字PI控制
• 4.2.4 占空比饱和模块
• 4.3 本章小结
• 第5章 实验研究及结果分析
• 5.1 满载情况下PCCM与CCM BOOST PFC变换器实验波形
• 5.2 轻载情况下PCCM与CCM BOOST PFC变换器实验波形
• 5.3 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 实验装置照片
• 攻读硕士期间发表的论文