基于FPGA数字控制的多通道并联PFC技术研究

发布时间：2017-09-13 15:39

  本文关键词：基于FPGA数字控制的多通道并联PFC技术研究

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【摘要】：目前,随着高功率的电力电子设备广泛应用于日常生活中,由电力电子设备对用电网络造成的谐波污染也愈发严重,对电网造成了严重危害。功率因数校正(Power Factor Correction)技术是抑制电力电子设备产生谐波污染最有效的措施,它被广泛应用于开关电源中,以减少电力电子设备对电网所产生的谐波污染,改善电能质量。一般情况下,功率因数校正技术在开关电源电路中的应用,不仅会降低开关电源的转换效率,而且增大了开关电源的体积。因此,研究一种高效率、高功率密度的PFC电源,一直是开关电源发展的趋势和要求。本文首先描述了谐波产生的原因和影响,以及实现功率因数校正的基本原理,详细介绍了实现功率因数校正的电路拓扑结构、电感电流工作模式以及控制策略。通过对各类工作状态和特性进行分析,最终采用电感电流CCM工作模式下的Boost PFC拓扑结构电路作为主要研究对象,通过平均电流控制策略实现系统的闭环反馈控制。随着当前用电设备功率等级的不断提高,受到Boost PFC拓扑电路自身结构的限制,导致系统电路的输入电流纹波较大,并且功率器件需要承受较高的电流应力,难以满足高功率等级应用场合要求。为了解决Boost PFC拓扑结构存在的上述缺点,本文通过将Boost电路并联多条电流支路,以实现各支路间的纹波相互抵消和电路分流。通过分析多通道Boost PFC电路工作原理和特征,表明该电路能够通过各支路电路的分流,降低功率器件的电流应力,同时,各支路间的电流纹波可以相互叠加抵消,可使整个变换器的输入电流纹波减小。多通道并联PFC电路对提升变换器的功率等级和减小输入电流纹波具有重要作用,本文将重点对该拓扑结构的控制策略和实现方式进行分析。本文对基于数字控制的Boost PFC电路进行分析,建立了离散化数字控制模型。经过对比分析,选择可编程逻辑门阵列(FPGA)控制器来实现多通道并联电路的控制。在对Boost主电路器件、控制电路参数进行详细设计的基础上,利用Matlab-Simulink仿真工具搭建了多通道并联Boost PFC电路的控制模型。最后,基于理论设计了FPGA数字控制的多通道并联PFC电源的模块电路以及控制程序,并通过样机进行了实验验证,本课题的仿真及实验结果均验证了系统方案的正确性和可行性。
【关键词】：开关电源 功率因数校正 FPGA控制 多通道并联电路 电源谐波干扰
【学位授予单位】：闽南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstarct6-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 功率因数校正技术研究背景9-11
• 1.1.1 谐波的产生原因及影响9-10
• 1.1.2 PFC基本原理分析10-11
• 1.2 功率因数校正技术分类11-15
• 1.2.1 无源功率校正技术11
• 1.2.2 有源功率校正技术11-12
• 1.2.3 PFC电路拓扑结构12-13
• 1.2.4 PFC电路电感电流工作模式13-14
• 1.2.5 PFC电路控制策略14-15
• 1.3 PFC的研究意义及发展方向15-16
• 1.4 本文研究的内容16-19
• 第2章 CCM-Boost PFC多通道并联电路分析19-29
• 2.1 多通道并联Boost PFC基本工作原理19-20
• 2.2 多通道并联Boost PFC的工作状态分析20-22
• 2.3 多通道并联Boost PFC电路特性分析22-28
• 2.3.1 输入电流纹波大小分析22-25
• 2.3.2 输出电容的电流有效值分析25-26
• 2.3.3 电路支路电感量参数失配的影响26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 Boost PFC平均电流数字控制29-45
• 3.1 CCM-Boost PFC电路建模分析29-32
• 3.1.1 Boost PFC系统平均电流控制模型29
• 3.1.2 CCM-Boost PFC电路小信号模型29-32
• 3.2 数字化多通道并联PFC设计32-36
• 3.2.1 电流环路功率级分析32-33
• 3.2.2 输入电压前馈补偿的引入33-35
• 3.2.3 电压环路功率级分析35-36
• 3.3 Boost PFC主电路参数设计36-38
• 3.4 双环控制闭环分析38-42
• 3.4.1 PI控制器设计38
• 3.4.2 电流环PI控制器38-40
• 3.4.3 电压环PI控制器40-42
• 3.4.4 带占空比前馈控制的引入42
• 3.5 本章小结42-45
• 第4章 基于FPGA控制的PFC设计实现45-55
• 4.1 FPGA控制器概述45-46
• 4.2 PFC电路采样模块设计46-47
• 4.3 PI控制模块设计47-50
• 4.4 PWM单元模块设计50-53
• 4.5 本章小结53-55
• 第5章 数字控制的多通道并联PFC电路仿真研究55-61
• 5.1 系统仿真模型55-57
• 5.2 系统仿真波形57-59
• 5.3 实验结果分析59-60
• 5.4 本章小结60-61
• 总结与展望61-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张加胜;李浩光;;基于滞环控制的电压型变流器开关频率分析[J];电力系统及其自动化学报;2008年02期

2 王建元;张国富;;有源电力滤波器的控制策略综述[J];电气传动;2007年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 刘凯;基于FPGA的系统设计和应用研究[D];国防科学技术大学;2005年

2 罗松涛;一种新型DSP的PFC数字开关电源研究[D];厦门大学;2008年

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本文编号：844578