1、宁夏大学硕士学位论文大功率高功率因数开关电源研究姓名：封俊宝申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：王金梅20100302摘要随着电力电子技术的快速发展，高频开关电源技术不仅在直流稳压电源领域占据了主导地位，在许多工业电源领域也得到了广泛的应用和迅速的发展。由于开关电源输入端采用二极管整流，后接较大的滤波电容，导致输入电流成为很窄的脉冲波，含有大量的谐波分量：同时传统的开关器件在硬开关状态下高电压大电流开通关断，产生了很大的dudi和didt，对环境的电磁干扰很大，也给电网带来了电磁污染的问题，产生了大量的高次谐波和电磁干扰(珊I)，使得电能的生产、传输和利用的效率降低。为了解决这一问题，
2、我们必须对输入电流进行校正，使其正弦化，来提高系统的功率因数，同时用软开关技术使功率开关器件在零电压或者零电流下关断，减小开关管的dudi和didt，减小电压和电流的尖峰脉冲。本文根据要求设计了一个大功率开关电源。该开关电源分为前后两级，前级是采用单周期控制的Boost有源功率因数校正电路，后级是带饱和电感的移相控制全桥I)C-I)C变换器。论文首先从理论上分析了有源功率因数校正技术的基本原理，分析了基于单周期控制的Boost-hPFC电路的工作过程，并对整个功率因数电路进行参数设计：介绍了移相全桥电路的特点，具体分析了带饱和电感的移相全桥变换的工作过程，并对移相全桥电路进行了相应的参数设计。
3、文章根据要求仿真出了实验结果，给出输出输入电压电流波形。结果表明系统设计可行，性能指标基本可以满足设计要求。关键词：开关电源，功率因数校正，饱和电感，移相全桥，变换器AbstractWith the develpoment of power electronics，the technology of high frequency of switching powersupply play a predominant position not only in the direct current steady power supply field，but also atmany industry
4、 power supply fieldBecatlSe the linear rectifier谢th a bIllky capacitor in the input stageof the Switching Model Power Supply(sMPs)，SO it leads to a nalTOW pulse and lots of harmoniesAtthe salrltle time，the common Hard-Switching Model with the switch turns 0111 at high voltage and turns offat high cu
5、rrent in a short time(ns)，wlaieh leads to a high dudt and didt and Electro MagneticInterrence(EMI)and brings a high pollution to the power supply,lcducl搀the efficiency ofproduction，transmission and utilization of electricityTo solve this problem，we should make inputcurrent wave sine，to improve power
6、 facter of the system，and make the switch turn off under the ZVS OrZCS，to reduce the dudt and didtA high-power switching power supply has been desiganed based on the requirementsTheswitching power supply is divided into two parts，the former part is controlled by a single-cycle boostactive power fact
7、or correction circuit,the latter part is a saturated inductor with a full-bridgephase-shifted DC-DC converterTlae article amalysis the active power factor correction techonlogy from the theory,include theprinciple of the active power factor correction circuit and the power factor circuit parameter d
8、esign；describes the phase-shitt fuU-briage circuit characteristics，a detailed analysis of tlae saturation inductorof the phase-shill full-bridge transform work processes，and at last with a phase-shift full-bridge circuitdesign ofthe corresponding parametersFinally,the experimental waveforms a陀givenT
9、he results show that the system design is essentialto meet the design requirementsKpy lordsswitching,nower sllpply，active,power factor enrree,ti01saturation incllletor煅埘iR，full-bridge circuit，converter独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或
10、其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：拭俊曳 时间：z口f口年占月弓f日关于论文使用授权的说明本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位叭奇怕帅斗青盯，rfl帑圯入11土口lJ与凡I：1p一，Jr)tr0(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：封彳瓮宜导师签名：工金拘时间：2o l o年乡月；尸ml-N：z口u年6月f
11、日宁夏人学硕卜学位论文 第一一章绪论曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼ll I曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼鲁第一章绪论电源是利用电能变换技术将市电或电池等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电能的系统或装置。随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子设备被广泛应用到各种不同的领域。电源对于各种电器设备就象心脏对于人体一样非常重要，没有电源则各种用电设备将无法运行。当代计算机、通讯等许多高新技术均与电源的电流、电压、频率和相位等基础参数的转换、控制相关，现代电子技术能够精确控制和高效率的处理这些参数，特别是能够实现大功率电能的频率变换和稳压，为其他多项高新技术提供了发展的基础。电源变换新技术及其产业的
12、进一步发展也为大幅度节能降耗、节省材料以及为提高生产效率提供了重要手段，并给现代化生产和生活带来深远影响。11开关电源技术发展概况开关电源是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压的电源变换装置。它直接将电网工频电压经整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行比较放人处理，以此调+霄输出的PWM脉冲占空比，最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。开关电源通常包括整流滤波部分、功率冈数校正部分、DcDc转换部分、控制保护电路部分等。以往的电源变换器由于输入电流谐波含量
13、高，功率因数低，功率开关管关断损耗大，电磁干扰严重等一系列问题阻碍了电源技术的向着高效、清洁、实用的方向发展。近年来，特别是20世纪80年代以来，随着功率因数校正技术和软开关技术的发展，使褥这些问题得到了很好的解决。111功率因数校正技术的发展根据是否用有源器件，功率因数校正(Power Factor Correction)可分为无源功率因数校正技术(Passive Power Factor Correction)和有源功率闪数校正(Active Power FactorCorrection)技术两人类。一是无源功率因数校正(PPFC)技术。无源功率因数校正技术是早期应用的一种功率因数校正技术
14、，通常是在电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入一个谐振滤波器，构成无源滤波网络，采用无功功率补偿、无功滤波等方法抑制电路中的谐波。从而提高电路功率因数，稳定电网电压，提高电网的供电质量。这种方法的优点是：控制简单、高效、可靠度高、EMI小、价格低廉。缺点是：增加的无源器件体积大，笨重且效果不好，功率因数低，对谐波的抑制效果不理想。所以很多场合无法满足谐波标准的要求。二是有源功率因数校正(APFc)技术。有源功率因数校正是直接采用有源开关或AcDc变换技术，在整流器和负载之间接入一个DcDc开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压的波形，从而使电网输
15、入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电宁夏大学硕卜学位论丈 第一章绪论压同相位。有源功率因数校正可得到较高的功率因数，总谐波畸变小，可在较宽的输入电压范围内和宽带下工作，体积小，重量轻，输出电压也可保持恒定。90年代以来，有源功率因数校正技术取得了更多进展，国内外的研究机构都提出了一些功率因数校正的软开关技术和新的控制方法；由于变换器工作在高频开关状态，有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近1等优点。因此，在现阶段，有源功率因数校正技术己具备高性能，低成本的等优点，因此在生活中得到了广泛的应用。112软开关技术的发展早年20世纪中期最初发展起来的PWM功率变换技术是
16、一种硬开关技术。所谓“硬开关”是指功率开关管在导通或关断时，其上的电压或电流不为零，即开关管是在控制信号的强制控制下变换状态的，因此必然存在开关损耗。随着开关频率的上升，一方面开关损耗增大，使电路的效率大大降低，另一方面产生严重的电磁干扰(EMI)等问题。为克服这些问题，20世纪70年代以来，软开关技术(Soft Switching Technology)应运而生。所谓“软开关”就是通过电感和电容的谐振，使开关期间中开关管的电流(或两端电压)按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断，当电压下降到零时，使器件导通。软开关通常分为零电压开关ZVS(Zero Voltage Switcb
17、ing)和零电流开关ZCS(Zro Current Switching)或近似零电压开关与零电流开关。下面是目前己经提出的各类软开关变换器：1)准谐振变换器QRC(Quasi-Resonant-Converters)。包括ZVS-QRC和ZCS-QRC，实现了零电压或零电流的开关。其主要缺点是：不能同时实现有源开关管(Active Switch)和无源开关管(Passive Switch)软开关条件的最优化：开关管的应力大，其中，ZVS-QRC中有较大的电压应力，ZCS-QRC中有较大的电流应力：zSQRC和ZCS-QRc是靠调二诲开关频率来实现对输出的调：符，即变频控制，而变压器和电感等磁元
18、件要按晟低频率设计，难以实现设计最优化。2)多谐振变换器MRC(MultiResonant-Converters)。一般为ZVS-MRC，把包括晶体管的输出电容、二极管的结电容和变压器的漏感在内的所有主要寄生元件并入谐振电路，使MRC工作于高频时，对所有半导体器件都能具有最合适的零电压开关条件。其主要缺点是：与PVPM变换器相比电流和电压庶力增加，但与QRC相比厩力小。3)ZCSPWM和ZVSPWM变换器该技术是PWM技术与ZCS(或Z1S)QRC技术的综合。ZCS-PWM变换器和ZVSPWM变换器这两种软开关PWM变换器，是分别在ZCS-QRC或ZVS-QRC的谐振网络中增加辅助晶体管开关，
19、其特点是一周期内变换器交替运行于QllC和PWM两种变换器模式，实现“零开关一恒频控制”的零开关一PWM变换器。这类变换器的谐振电感串联在主电路内，因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围有关，在轻载下有可能失去零开关条件，从而限制了软开关输出范围。4)零电压过度ZVT(Zero-Voltage-transition)或零电流过度ZCT(Zero-Current-TranSition)PWM变换器。是分别在ZVSPWM和ZCSPWM变换器的基础上，将谐振网络与主开关管并联而形成的。能在更宽的电源电压和负载电流变化范围内满足零开关条件。但是，这种变换器所需要的元器件成倍增加，大大增加了成本和
20、控制难度，而且辅助开关的电流应力较大。2宁夏大学硕卜学位论丈 第一帝绪论其发展和应用情况如表格卜1所示：表1-1软开关变换技术的发展及其应用时间 名称 应用20世纪70年代 串联或并联谐振技术 半桥或全桥变换器20世纪80年代中期 准谐振或多谐振技术 单端或桥式变换器20世纪80年代末期 ZCS-PWg或ZVSP删技术 单端或桥式变换器20世纪80年代末期 移相全桥ZVS-Pwg技术术 全桥变换器250W以上20世纪90年代初期 ZCT-P矾,t或ZVT-PWM技术 单端或桥式变换器113开关电源技术发展展望随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软
21、件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源达到了频率高、效率商、功率密度高、功率因数高、可靠性高。因此，许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设旅、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多的应用开关电源，井取得了显著效益。今天，开关电源最主要的市场在小功率领域，但在中等功率以至较人功率领域，开关电源的优势已十分明显。对现代开关电源功率变换技术的发展趋势可概括为：高频化、高效率、模块化、绿色化。1、高频化：随着电力电子技术的发展，对开关式稳压电源的要求越来越高，主要表现在开关电源的高频化、小型化、电磁兼容等方面。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比
22、。MOSFET、IGBT等新型全控型、高速电力电子器件的出现，使得开关式稳压电源的高频化成为可能。近十年来，随着新器件、新材料的发展，变换器的工作频率提高到150l(IIZ甚至更高。然而，随着开关频率的提高，一方面开关管的损耗会成正比的上升，使电路的效率大大的降低，从而使变换器处理功率的能力大幅地下降：另一方面，系统会对外产生严重的电磁干扰(脚I)。从20世纪80年代以来，随着软开关技术的发展迅猛发展，使得开关管在硬开关状态下工作损耗人和电磁干扰严重的问题得到很好的解决。硬开关过程是通过突变的开关过程中断功率流而完成能量的变换：而软开关过程是通过电感L和电容C的谐振，使开关器件中的电流(或其两
23、端的电压)按正弦或准正弦规律变化，当电流过零时，使器件关断，或者当电压下降到零时，使器件导通。开关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使器件的开关损耗在理论上为零。电力电子变换器可以具有更高的效率、功率密度和可靠性，并有效的减小电能变换装置引起的电磁污染和噪声等。2、模块化：由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性，有些制造商还开发了“用户专用”功率模块，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再3宁夏人学硕学位论文 第一章绪论有传统的引线连接，这样的模块
24、经过严格、合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。模块化不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低提高系统的可靠性。3、数字化：传统功率电子技术中，控制部分是模拟信号工作的。现在数字信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，更加便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。数字化已经成为开关电源发展的必
25、然方向。4、绿色化：绿色化首先是节电，其次这些电源不能或最少量的对电网产生污染。为顺应“绿色”电源这样一个发展方向，国际电工委员会(IEc)和国际电气与电子工程师协会(IEEE)都成立了专门的工作小组，制定了电力系统与电工产品的谐波限制标准。如针对中小功率设备的IEC5552，IEclOOo-32以及其它军用标准：适用于大功率电气设备的IEEE519，IEC5554，IECl000-3-4等标准。我国国家技术监督局子1993年对应IEEE519标准也发布中华人民共和国国家标准GBT14549-93电能质量公用电网谐波对不同电压等级的电网作出电压谐波畸变量限制和注入公共连接点的谐波电流限制，其中
26、规定380v用户侧电网电压总畸变率THD不得超过5，奇次谐波电压含有率和偶次谐波电压含有率分别不得超过4和2。对应IECl00032标准，我国也于1998年制定了国家标准GBl76253-1998，宣布对一批电子产品实施电磁兼容认证。加入1fro后，我国对电磁污染问题越来越重视，正在逐步制定、完善一系列标准。12课题的目的及意义开关电源一般采用二极管不可控整流输入加电容滤波方式，其输入电流成脉冲尖峰状，输入电流谐波含量高，功率冈数低对电网以及其它设备的正常运行造成了危害降低了其使用效率和使用寿命。开关电源中采用P删控制的功率变换器件常工作在硬开关状态，高电压下开通，大电流下关断。每次都产生很大
27、的开关损耗，并随着开关频率的提高而变大开关过程中的dvdt和didt同时也产生了严重的电磁干扰。对自身系统的可靠性和其它设备的正常运行都产生了严重的影响。因此找到一个合适的方法提高开关电源的功率因数，减少功率器件的开关损耗以及电磁干扰，可有效的降低电网及其它电气设备的谐波污染，提高使用效率，延长使用寿命，对实现电气设备的无污染、高可靠性、高效率运行具有重大意义。随着微电子技术迅猛发展，电力系统中相关设备越来越精密，因而对电力系统操作电源提出了更高的要求。稳定可靠的操作电源是电力系统中相关设备可靠工作的基础，因此，研发新型的开关电源就成为必要。新的功率电子器件和新的电力电子变换技术理论及应用的深
28、入，研制新型的满足需要的电力系统操作电源己成为可能。4宁夏大学硕j学位论文 第一幸绪论13本文研究的主要内容跟踪国内外电源技术的发展并结合大功率高性能开关电源研制中的实际情况，本文将对如下几个问题展开讨论和研究：1、首先从设计的具体要求出发，研究确定了开关电源的整体方案。开关稳压电源指标要求为：输入电压：单相AC220(I士15)V，50HZ：输出电压：DC38V；输出电流：80A；输出电压纹波：小于50mV；功率因数：大于09：效率：大于等于90：具有输入过压、过流保护，输出过流、过载保护等。根据要求，开关稳压电源的输入整流必须采用有源PFC技术，DcDC变换器必须采用软开关技术。2、在详细
29、分析和研究单相有源功率因数校正原理的基础上，设计出一个大功率有源功率因数校正电路，并用软开关技术减小功率开关管的开关损耗，最后给出电路中升压电感等一系列重要参数的设计方法。3、设计出了一个大功率移相控制全桥软开关P眦DcDc变换器，详细的研究了实现ZVS的条件。为了使滞后臂也工作在软开关状态，必须加大变压器漏抗或串接谐振电感。但同时漏抗的加大无形会增加变压器副边脉冲占空比丢失，使漏抗上的压降增加，降低波形利用率。为解决这一矛盾，设计了把原来电路的谐振电感替换为一个合适的饱和电感，以帮助实现滞后桥臂开关管的软开关。并给出功率开关管、二极管、谐振电容、饱和电感、滤波电感、滤波电容等重要参数的选择设
30、计方法。4、用仿真软件对设计电路进行了仿真，并给出了功率因数校正电路和移相全桥软开关变换电路的输出电压、电流波形。5宁夏犬学硕j学位论文 第_帝系统的整体方案分析j设计曼曼曼曼曼笪曼曼曼曼曼曼I皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼!苎曼曼!曼!兰皇曼曼曼蔓曼曼曼第二章系统的整体方案分析与设计本课题的主要任务是设计一个大功率高性能的开关电源，其主要设计指标及要求如下所示：输入电压：AC220V(15)，50HZ输出电压Dc38V15V输出电流DC80A输出电压纹波50my功率因数：大于09效率：大于90具备的功能有：输入过压、欠压、过流保护，输出
31、过流、过载保护。在本文中，将详细介纲电源模块的研究与设计。21系统的整体结构设计开关电源主电路由市电输入、电网滤波、整流桥、PFC电路、功率开关桥、高频变压器和输出整流、输出滤波电路、负载等组成。输入整流电路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过PFC电路将脉动的直流电变为较平滑的直流电，同时，使网侧电流呈现为正弦波，功率因数接近l。功率开关桥将滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到变压器副边。最后，由输出整流滤波电路将高频方波电压正流滤波成为所需的直流电压或电流。结构方框图如2-1所示。控制电路控制整个装置的：作并实现相应的保护功能。一般来说，控制电路应
32、具有以下功能：控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路、各种保护电路、辅助电源电路。特定用途的电源视具体要求还要加装特定功能的电路。图21开关电源结构框图从图中可以看出，这几部分是相辅相成的统一整体，是一个闭环系统。为了使开关电源设备正常的工作，使电源的各个组成部分都能发挥其最大的效能，就必须让电源的各个组成部分相互协调、相互协作。在电源的研制与设计过程中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的电源满足设计要求。整个电路按拓扑结构，功率因数校正技术可分为两级PFC和单级PFC：6宁夏大学硕：学位论文 第二奄系统的整体方案分析j设计1、单级功率因数校正结构：单级PFC技术的基本思
33、想是将PFC变换器和DCDc变换器合二为一，两个变换器共用一套开关管和控制电路，典型的单级PFC电路如图2-2所示。图22单级PFC电路结构图单级PFC电电路设计大为简捷，降低了硬件成本：变换中能提供任何选定的电压和电流比：由于功率实现的是一次性变换，所以能获得较高的效率和可靠性。因此也越来越得到广泛的研究和应用。2、两级功率冈数校正结构：两级功率因数校正电路有两部分组成：第一级是PFC变换器，目的在丁提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波：第二二级为DcDc变换器，目的在于调节输出稳定以便与负载匹配。典型的两级变换器的结构如图2-3所示。图23两级PFC-DCDc变换器结构图两级结构的功
34、率因数校正电路每一级分别有自己的控制环节，所以电路有良好的性能。它具有功率因数高、输入电流谐波含量低，以及可对DCDC进行优化设计等优点。单级PFC变换器与传统的两级式DcDc变换器相比，单级PFC变换器要承受更高的电压应力，有更多的功率损耗。这个问题在开关频率较高时显得尤为突出，而且由于开关工作频率不断提高所带来的电磁干扰问题也日益严重，显著影响了变换器工作的可靠性和频率的提高。此结构电路还存在储能电容电压过高的情况，而且储能电容电压随着输入电压及负载的变化而升高，这将会导致电路的稳态特性受到一定的影响。所以单级功率因数校正电路一般用于小功率场合。综上所述，根据两种电路结构的特征和变换器的性
35、能指标，变换器要求输出的电压稳定，而且动态性能较好。本设计采用的是两级功率因数校正电路，它由两部分组成：前级BoostAPFC部7宁夏大学硕卜学位论文 第：章系统的整体方案分析j设计曼!曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇曼曼皇曼曼舅璺曼量毫曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼量曼曼皇皇曼I1III鼍分与后级I)C-DC移相全桥变换器部分，其分别用不同的芯片控制电路。22前级Boost PFC原理设计221功率因数校正技术的选择功率因数校正技术(Power Factor Correction)分可为无源功率因数校正(Passive Power FactorCorrection)和有
36、源功率因数校正(Active Power Factor Correction)两大类。(1)无源功率因数校正技术：无源校正电路通常采用无源元件电感、电容组成低通、带通滤波器，工作在交流输入电的工作频率，将输入电流波形进行相移和整形。虽然无源功率因数校正电路的电路结构简单，但是由于工作在输入电的低频率下，电感、电容的体积就比较大，因而组成的无源功率冈数校正电路部分的体积可能比较大，且它的补偿特性易受电网阻抗、负载特性的影响，会由于和电网阻抗发生谐振而造成电路元件的损坏，不能对谐波和无功功率实现动态补偿，因而它只能在中小功率电源中被广泛采用。C图2-4无源功率因数校正拓扑(2)有源功率因数校正技术
37、：有源功率因数校正电路自上世纪90年代以来得到了迅速推广。它的基本思想是，通过高频交换技术，使设备输入端对电网晕现出电阻特性。这样，输入电流的波形与输入电压的波形就始终能够保持一致，只要电网是正弦的，输入电流也就是正弦的，没有谐波，没有相位差。图2-5有源功率因数校正拓扑鉴于有源功率因数校正技术体积小、重量轻、效率高、功率因数可接近l，且现在在大容量的通信开关电源系统中使用较普遍。本设计将采用有源功率因数技术作为最终的选择。8宁夏大学硕I：学位论文 第二章系统的整体方案分析tj设计量曼曼曼!曼曼皇曼鼍o 一一一IIU II；II皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼量詈量詈
38、鼍舅曼曼!曼曼蔓!皇曼曼曼曼曼曼量222功率因数校正拓扑电路的选择常见的功率因数校正器的基本电路有：Buck(降压式)、Buck-Boost(降升压式)、Cuk、Flyback(反激式)、Boost(升压式)等变换器。如图所示：JlVin 7 |、 = =Ik L(a)Buck型PFCL，1，_-一=I。r 、(b)Buck-Boost型PFCI lVin 7 I= =，l(c)Flyback型PFC(d)Boost型PFC图2-6几种常见的功率冈数校正拓扑电路这几种PFC拓扑结构的特点如下：(a)Buck(降压式)：只能实现降压功能，输入电流不连续，噪声(纹波)大，滤波困难，开关管上电压应力
39、大。(b)BuckBoost f降升压式)：需要两个电子开关，用一个开关控制骊动，电路比较复杂，一般只应用在中小功率输出场合。(C)Flyback(反激式)：输入、输出之间隔离，输出电压可以任意选择，属于简单电压型控制器，适合于150W以下的功率要求(d)Boost(升压式)：电感电流连续，电流畸变率小，储能电感可作滤波器抑制RFI(射频干扰)和髓I(电磁干扰)噪声，并可防止电网对主电路的高频瞬态冲击，输出电压高于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可以达到90v一270v：输出电压可以达到400v，提高了电源的适应性。控制简单，适用于大功率场合的要求，应用最为普遍。通过比较，鉴于B
40、oost型电路在大功率电源中的众多优点，Boost升压结构适合我们作为大功率开关电源的设计要求，是我们最终选择的方案。基本原理电路如图27所示。9宁夏大学硕：学位沦丈 第_幸系统的整休方案分析j设计l 苫 一Vin J， = R l； S 【=、I图2-7本设计所选择的Boost升压拓扑电路只要开关S导通，电感中就有电流通过，且电流逐渐增大，电感储能：当S关断时，交流电源和储能电感一起通过二极管D向电容和负载供电，这样只要通过对S的控制，就可以使得在任何时间内，输入端都有电流流过。如果控制得当，就可以使输入电流呈正弦形状，且与输入电压同相位。223功率因数校正控制方式的选择(1)经典控制方式：
41、控制电路根据电感电流是否连续可分为不连续导电模式DcM(Discontinuous ConduetionModel)和连续导电模式CL-M(Continuous Conduetion Model)两种控制方式。DcM控制模式功率冈数与输入和输出电压的比值有关，当输入电压变化时，功率冈数也将发生变化：输入电流纹波较大，峰值电流远高于平均电流，而且开关器件承受较大的应力，导致导通损耗和成本增加，只适合用在小功率场合。C铡控制模式输入电流纹波小THD和EMI小，对输入滤波器的要求小，输入电流峰值小，对器件的应力要求就小相应减小了器件的导通损耗，适用于大功率应用。从上面的分析对比中我们可以看出，Ccl
42、l模式在大功率应用的场合具有相对较人的优势，所以此系统Boost-APFC电路选择工作在CcM模式下。采用COA工作模式，就需要使用乘法器来实现PFC，当采用乘法器控制时，由于输入电流总带有一些开关频率的纹波，因此必须决定反馈哪个电流，因此产生了三种经典的电流控制方式，即电流峰值控制、电流滞环控制、平均电流控制。这三种控制方式的基本特点如F表2-1所示。表2-1三种经典的电流连续控制方式控制方式 检测电流 开关频率 工作模式 对噪声 使用拓扑 备注电流峰值 开关电流 恒定 GCM 敏感 Boost 需斜率补偿电流滞环 电感电流 变频 OCM 敏感 Boost 需逻辑补偿平均电流 电感电流 恒定
43、 任意 不敏感 Boost 需电流误差放人器峰值电流控制(PCMc)和滞环电流控制(HCC)实现比较简单，但这两种控制方式与平均电流控制方式相比，都具有很明显的缺点，如电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THI)很小的要求：占空比大于O5时系统易产生谐波振荡：开关频率在一个工频周期内不恒定，引起电磁干扰和电流过零点的死区：负载对开关频率影响很大，滤波器只能按最低频率设计等缺点。因此大大影响了其在APFc电路中的应用，其中峰值电流控制方式已趋于淘汰。10宁夏大学硕卜学位论文 第：章系统的穆体方集分析设计平均电流控制方式比其它两种控制方式相比：开关频率恒定；THD较小，电感电流峰值与平均值之间的
44、误差小：跟踪误差小瞬态特性较好：对噪声不敏感，适用于大功率场合应用。但是也存在这自身的缺点，控制电路复杂，接口设计繁琐等。(2)目前主流控制方式：20世纪90年代初由美国加州大学的Smedley K M博十提出的一种大信号、非线性PWl4单周期控制方式，以其抗扰动性能好，动态响应速度快，控制方式简便等优点逐渐占领了功率因数校正技术的主导地位。其控制思想是：通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。随着控制技术的发展单周期的概念有所扩展。这种控制的最大特点是能在一个开关周期内有效抵制电源测的扰动，这种控制技术可以广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐
45、振、软开关的变换器等。图28即为单周期控制的Buck变换器。假定输入电压圪，开关频率Z=l正为常数。工作原理如下：当开关S导通时，二极管截止，其两端电压圪等于直流输入电压匕：当开关S关断时，二极管导通，其两端电压为零。因此一个开关周期内二极管上的电压为：争kat：事at电路开始工作时，由控制器产生恒定频率的开关脉冲，开通开关S，二极管上的电压圪经积分器开始积分，当积分器的输出电压，达到给定值，比较器输出翻转，触发器发出关断信号关断开关S，同时发出复位信号使实时积分器复位为零。由上可以得出：=砉卜丢lat=在单周期控制中。占空比D由下式决定：宁夏大学硕卜学位论文 第二二章系统的整体方案分析0设计
46、1 D寺Jvat= (21)上5 0采用单周期控制时、电压的平均值在每一个开关周期内都与圪，完全相同，并且与输入电压的大小无关。采用单周期控制系统完全抑制了输入电压的干扰，具有良好的直流电压调节特性，当开关频率足够高时，系统可以得到高质量的直流输出电压。我们可以将单周期控制思想扩展为通用的理论，对各种类型的开关变换器都可以用该技术实现。本文将采用单周期控制方式的控制芯片IRll50S对功率因数校正电路进行设计。23后级DCDC PWM全桥变换器原理设计231 DC-DC变换器的选择DcDc变换器是开关电源中实现功率变换的部分。本文所实验的开关电源输出为3040W，属大功率电源。变换器的输入电压
47、为整流升压后电压约为380V，电压较大，对开关器件的要求较高，因此选用全桥式电路较为合适，变压器磁芯和绕组得到晟佳利用，使效率、功率密度褥到提高。常用的全桥式变换器有传统的硬开关式、谐振式以及移相式，下面分别予以简单介绍。l-硬开关式变换器硬开关P删电路曾以结构简单、控制方便得剑广泛应用，其电路结构如图2-9所示。图29传统的硬开关P嘲变换器在硬开关P删电路中，开关管工作在硬开关状态，开关器件在高电压下导通，大电流下关断，在开关瞬间消耗大量能量。并且频率越高，开关损耗将成比例增加，使系统效率大人降低。开关器件在高频F运行时，器件本身的极间电容将成为一个重要参数。极间电容电压转换时的dvdt会藕
48、合到输入端，产生较强的电磁干扰，影响电源本身和同网络其他电器设备的运行。另外，电路寄生的电容、电感若形成强烈的振荡，也会影响设备正常运行。2谐振式变换器12宁夏大学硕：学位论文 第二章系统的整休方案分析oj设计谐振式电路与硬开关PWM电路相比，主要是增加了两个附加元件一谐振电感和谐振电容。利用谐振电感和谐振电容的谐振作用，将变压器的输出信号整形为正弦波，开关器件在正弦波的零电压或零电流处开通或关断。谐振变换电路有多种拓扑结构，但其基本组成都是通过开关器件和谐振元件L、C之间的串、并联实现的，再配以适当的控制策略来实现开关器件的零电压或零电流动作。其基本电路结构如图2-10所示。(a)为零电流(
49、Zero-CurrentSwitehing)开关，它是通过电感Lr和开关S的串联实现的。Lr、Cr之间的谐振是靠S的导通来激励的，利用Lr、C谐振形成开关器件导通期间的正弦电流波形，电流过零点时将开关S关断。(b)为零电压(ZeroVoltageSwitching)开关，它是通过电容C和开关S并联实现的。Lr、C之间的谐振是靠S的关断来激励的，利用Lr、Cr谐振形成开关器件关断期间的正弦电压波形，电压过零点时将开关S导通。 审冬(a)零电漉开关(b)零电压开关图2一10谐振式变换器电路谐振式软开关电路大大减小了开关损耗，但是与负载关系很大，对负载的变化很敏感，为保持输出在各种运行条件下基木不变，必须调制频率，即采用变频控制，因此高频变压器、电感等磁元件要按最低频率设计，不可能做的很小，实现最优设计困难。3移相式变换器移相控制的全桥开关变换电路是在P唧全桥变换电路的基础上发展起来的。图2一ll移相控制的全桥变换器电路137宁夏人学硕
