单周期控制软件开关Boost变换器PFC技术的研究

论文摘要

开关电源是为用电设备提供直流电源的一种电力电子装置,获得越来越广泛的应用。但由此产生的网侧输入功率因数降低和谐波污染等问题也日趋严重,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,正成为电力电子研究的热点之一。在各种用于PFC变换器的电路拓扑中,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。Boost PFC变换器基本都是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)。目前,大多采用平均电流控制来达到功率因数校正的目的,但平均电流控制中需要检测输入电压、电感电流、输出电压,并且使用乘法器来实现,使得系统控制复杂,投资增加。单周期控制技术和软开关技术都是近些年来被提出的用于PFC的新型技术,单周期控制(One Cycle Control, OCC)作为一种新型的控制方式在功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)电路中得到广泛地应用。单周期控制是一种新兴的非线性控制技术,与传统线性控制相比,它考虑到了开关非线性的影响,更适合对开关变换器的控制,能使系统有更快的动态响应、更强的鲁棒性和更好的输入波动抑制特性,并且单周控制PFC技术不需要乘法器,无需采样输入电压,简化了控制电路的设计。而软开关技术的应用对于降低开关损耗,进而提高开关频率,无疑起到极为重要的作用。本文采用的基于单周期控制的软开关Boost PFC变换器,在深入分析了单周期控制原理的基础上,将无源无损软开关技术应用于Boost PFC变换器中。本文第二章详细介绍了无源无损软开关的工作过程,第三章主要分析了用单周期控制的Boost结构有源功率因数校正电路,推导出单相Boost结构APFC的单周期控制方程,并用基本的电路实现这种控制,和其他的APFC控制电路相比,电路结构大大简化。第四章结合单周期控制芯片IR1150,采用分立元器件搭建了IR1150的主要控制电路,进行了主电路和控制电路的主要参数设计。最后通过Saber仿真验证了本论文设计的单周期控制的Boost APFC电路无论在稳态还是暂态,都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值,即能在一个开关周期内有效抵制系统的扰动,具有极快的瞬态响应,能实现很高的功率因数、很低的谐波分量、且控制电路简单。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 有源功率因数校正（APFC）的提出
• 1.2 功率因数技术概述
• 1.2.1 功率因数的定义
• 1.2.2 谐波电流的危害
• 1.3 功率因数校正电路的实现方法
• 1.3.1 CCM Boost PFC变换器
• 1.3.2 DCM Boost PFC变换器
• 1.3.3 PFC变换器的现状和发展趋势
• 1.4 课题的研究意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 无源无损软开关变换技术
• 2.1 软开关技术的基本概念
• 2.2 软开关技术的分类
• 2.3 无源无损软开关技术
• 2.4 无源无损缓冲电路的分类
• 2.5 无源无损软开关工作原理
• 2.6 小结
• 第3章 单周期控制Boost变换器APFC原理
• 3.1 引言
• 3.2 单周期控制技术的基本理论
• 3.3 固定频率的单周期控制技术
• 3.4 单周期控制Boost变换器APFC原理
• 3.4.1 Boost变换器功率级输入输出关系
• 3.4.2 单周期控制Boost变换器APFC工作原理
• 3.4.3 稳定性分析
• 3.4.4 单周期控制的抵抗扰动的能力分析
• 3.5 小结
• 第4章 单周控制的软开关Boost结构APFC电路设计
• 4.1 引言
• 4.2 单周期控制芯片IR1150的应用
• 4.2.1 单周期控制芯片IR1150的功能
• 4.2.2 IR1150控制Boost有源功率因数校正功能的实现
• 4.3 主电路设计
• 4.3.1 电路设计条件
• 4.3.2 最大输入功率和电流计算
• 4.3.3 主回路电路参数设计
• 4.3.4 功率器件的选择
• 4.3.5 无源无损缓冲电路的设计
• 4.4 控制电路的设计
• 4.4.1 采样电阻的设计
• 4.4.2 电压反馈回路设计
• 4.4.3 复位积分器的设计
• 4.5 小结
• 第5章 基于单周控制的软开关Boost结构APFC仿真
• 5.1 基于单周期控制Boost APFC电路仿真模型
• 5.2 对于软开关工作性能仿真验证
• 5.3 单周期控制仿真
• 5.3.1 单周期控制电路波形仿真
• 5.3.2 输入电压在峰值和过零点时开关展开波形
• 5.3.3 单周期控制Boost PFC稳态仿真波形
• 5.3.4 单周期控制Boost PFC瞬态仿真波形
• 5.4 单周期控制出现DCM模式原因分析
• 5.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文