220V/400WBoostPFC变换器全局优化补偿技术应用研究

发布时间：2016-10-23 08:17

第一章  绪论 

1.1   课题研究的背景 
随着电力电子技术的发展，开关电源以其体积小、转换效率高、功率密度大、可靠性强等优点在农业、工业、交通、航空航天等领域得到广泛的应用[1]。开关电源功率变换器作为开关电源的核心部分，在实际运行过程中常常会不可避免的出现一些不规则的运行行为，如：电磁干扰、噪声、振荡，严重时甚至会导致系统崩溃等现象，尤其是在高频开关电源中尤为明显。这种不稳定现象给正常的实际生产带来了严重的影响。一直以来，人们把上述这种现象归结为外界干扰所致，在对开关变换器进行研究、开发和设计时，把研究的重点放在怎样提高设备抗干扰能力上，最终得到的效果都不是特别理想。 随着人们对电路的不断认识，最终发现这种非线性现象在开关电源中是普遍存在的，它的产生不是外界干扰导致的，而是由于开关变换器中广泛的采用了电感电容、开关管、整流二极管等非线性元件所导致的[2-7]。这种非线性行为的出现给系统稳定性带来了极大的考验，为此，许多学者对开关变换器稳定性的控制展开了广泛的研究工作。以往大量的研究都是在 DC-DC 变换器、AC-DC 功率因数校正器和 DC-AC 逆变器等这些电力电子电路的基础上进行的，通过理论、数值模拟和仿真、电路实验发现在这些系统中都存在丰富的周期现象、准周期分岔现象、倍周期分岔现象、边界碰撞分岔现象、切分岔现象、奇怪吸引子、共存吸引子、间歇性分岔和阵发混沌等现象  [8-17]，这种规律的现象拉开了人们对开关变换器不稳定现象控制研究的序幕。 为了消除开关变换器中的非线性不稳定现象，实现电路的高效稳定控制，人们采用了许多手段，也总结了许多控制方法及其理论，其中峰值电流控制法是最为典型的控制策略，这种控制方法具有暂态闭环响应快，电路敏感度高，能够快速限制电流的优点。峰值电流控制型 PFC  Boost 变换器具有电感电流连续、输出功率大、驱动电路设计简单等优点，在目前也得到了较为广泛的使用。然而又有研究发现，在 PFC  Boost 变换器中当输入电压较低时，系统会发生次谐波振荡以及混沌等快时标不稳定现象[18-20]，而且这种现象不能通过反馈环的设计来消除，需要在控制回路中引入一定的斜坡补偿才能实现电路的稳定控制，从而消除系统不稳定现象。目前这种补偿技术的研究已经取得了一定的成果[21-29]，但是在实际生产中，该理论方法目前只是在中小型功率开关电源中得到了很好的验证，因此进一步研究开关电源的控制策略，将理论与实验成果应用到大功率开关电源中，实现产品的大规模集成，具有很高的实际意义以及工程使用价值。 
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1.2   课题的目的与意义 
以往对于 Boost 变换器不稳定行为的研究大都是在 DC-DC Boost 变换器的基础上进行的，是通过改变输入电压大小，调节电路占空比的方法来控制输出电压。这是一种静态分析法，它忽略了输入电压的时变性，没有将其扩展到整个工频周期上进行研究，因此不能合理的说明电路不稳定现象的产生机理。许多学者在对 PFC  Boost 变换器进行研究时，通过借鉴 DC-DC Boost 变换器的研究方法，将 AC-DC Boost 变换器的每一个瞬时时刻视为一个 DC-DC Boost 变换器的过程来分析，，结果发现，在输入电压较低时电感电流会呈现出快时标不稳定现象，输入电流也会随之出现严重失真现象。 传统的固定斜坡补偿方法能够有效地抑制电路中快时标不稳定行为，但是这种补偿方式在输入交流电压过零处出现过补偿，从而导致了输入电流出现较长的零电流死区问题，使得输入电流进一步偏离标准的正弦曲线，总谐波失真率更加严重，电路功率因数进一步降低，不能满足单位功率因数校正的目的。为了确保变换器全工频周期内的一致稳定，实现标准的正弦输入电流，以 Boost 变换器参数共振补偿思想为基础，充分考虑了输入电压的时变性，对整个工频周期内的镇定能力进行分析，提出了一种全局优化斜坡补偿思想，并建立了精准的参考电流补偿数学模型[30-33]，并通过仿真分析以及实验结果有力地证明了理论思想的正确性与可行性，也为大功率、高输入集成电源中 PFC 的研究与推广提供了理论依据。 
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第二章   PFC Boost 变换器的理论基础 

开关电源根据结构和基本功能的不同大致可以分为 Buck(降压电路)、Boost（升压电路）、Cuk（升降压电路）、Sepic 和 Zeta 几种拓扑，其中前两种最为常见。本文主要以PFC Boost 电路为研究对象，分析其工作原理及控制方法，下面对此进行详细介绍。 

2.1   Boost 电路的工作原理 

Boost 电路的拓扑结构及其工作波形如图 2-1 所示，主要元件有电感、整流二极管、开关管以及输出稳压电容。假设所有元件都是理想状态，开关开通时压降为零，关断时电流为零；电感 值很大，没有饱和，输出电容 C 值很大，输出纹波忽略不计，可认为输出电压  恒定。在上述假设前提下，我们来分析一下 Boost 电路是如何工作的。 首先，当开关管开通时，电源  向电感充电，此时电感上电压为电源电压，当开关管关断时，电感开始放电，输入电压和电感共同向负载 R 提供能量，此时电感上电压，在整个开关过程中电感上电压如图 2-1(b)所示。 

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2.2   功率因数和谐波
在开关电源中，由于功率开关器件工作在高频 ON/OFF 状态，电感电流不是恒定的，而是一种高频脉动状态，这样的脉动会形成高压纹波以及各次谐波，甚至会导致严重的传导与辐射电磁干扰（EMI）问题，同时，由于电路中各种非线性元件的存在，从而导致输入电流和电压出现相位偏差。在电工学中，这种正弦电压和电流的相位偏差? 就是衡量电路功率因数的一个非常重要指标，线性电路的功率因数习惯用 cos 表示。在 AC-DC 变换器中工频交流信号通过整流桥后不再是单一频率的电流，而变成直流分量和一系列不同频率成分的谐波，其中各次谐波会沿着输电线路进行传导辐射，产生射频干扰，使得前端电流发生畸变，严重影响到电路的功率因数。 目前提高 AC-DC 变换电路功率因数，减小谐波的主要方法就是采用无源滤波器或有源滤波器[44]。无源滤波器的原理是在滤波电容和整流桥之间加入滤波电感或者谐振滤波器，从而达到减小谐振的目的，如图 2-2 所示。这种方法具有效率高、成本低的优点，但由于电容器和滤波电感的体积较大，不利于现代电子设备的高度集成化，使得无源滤波器的广泛应用受到了限制。有源功率因数校正器是根据实际所需在整流器和负载之间接入一个开关变换器，如 Buck、Boost、Buck-Boost、Zeta 等，通过适当的控制方式强迫输入电流跟踪输入电压变化，保证输入电流和输入电压同相位，从而达到提高功率因数的目的，如图 2-3 所示。有源滤波器具有工作电压和工作范围宽，体积小，重量轻，功率因数高，功率密度大，输入电流谐波低等优点，但其电路复杂，成本高，电磁干扰强。 
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第三章   PFC Boost 变换器不稳定现象及其控制方法 ........ 14 
3.1   峰值电流控制型 PFC Boost 的工作原理 ........ 14 
3.2   连续峰值电流控制 Boost 变换器的数学模型及其稳定性判断 ....... 15 
3.3   快时标不稳定现象的产生机理 ......... 17 
3.4   固定斜坡补偿 ......... 18 
3.5   全局优化补偿 ......... 20 
3.6   小结 .... 22 
第四章   PFC Boost 电路主要参数设计 .... 24 
4.1   实验电路参数设计 ........ 24 
4.1.1   芯片的选择与简介 ..... 24 
4.1.2   实验电路图 .......... 26 
4.2   主电路参数设计 ..... 26 
4.3   控制回路参数设计 ........ 30 
4.4   小结 .... 33 
第五章   PFC Boost 电路的仿真与实验结果分析 ........ 34
5.1   Matlab/Simulink 简介.... 34 
5.2   PFC Boost 电路的仿真结果分析 ...... 34 
5.3   PFC Boost 电路实验结果分析 .......... 36 
5.4   小结 .... 41 

第五章   PFC Boost 电路的仿真与实验结果分析 

5.1   Matlab/Simulink 简介 
Matlab/Simulink 是电力电子开关电源行业一个非常重要的工具，它主要应用于系统的建模、仿真和分析。这个工具为用户提供了一种更快捷、直接明了的方式，用户可以立即看到系统的仿真结果，也可以通过修改仿真参数对系统做出适当的修正，所得到的仿真参数可以有效地指导实际电路的设计，并且有很高的可靠性，保证了设计的高效果。Simulink 既支持连续与离散系统，也支持连续离散混合系统，不仅支持线性与非线性系统，而且支持具有多种采样频率（Multirate）的系统。 Matlab/Simulinkd 工具操作非常简单，只需要建立一个后缀名为“.m”的文件，将模块库中提供的各种标准模块复制到 Simulink 的模型窗口“untitled”中，再用 Simulink 的连线方法连接成一个完整的 Simulink 动态结构图，连接方式遵循工作原理，与实际控制系统相对应，然后可以根据实际所需修改仿真参数，进行仿真，采用 Scope 示波器模块与其他的画面模块，可以在仿真进行的同时，就观看到仿真结果[51-53]。必须再次强调，Simulink 的模型窗口“untitled”里建立的是系统动态结构图，保存后的文件后缀为“.mdl”，一般存放在 MATLAB\work 子目录里。 Simulink 内置了各种分析工具，如：多种仿真算法、系统线性化、寻找平衡点等，都是非常先进而实用的。Simulink 内置的主要功能模块有：（1）通用模块快（Commonly Used Blocks）；（2）连续系统模块组（Continuous）；（3）断续模块组（Discontinuities）；（4）离散模块组（Discrete）；（5）逻辑与位操作模块组（Logic and Bit Operations）;（6）表格查询模块组（Lookup Tables）；（7）数字运算模块（Math Operations）；（8）模型检测模块组（Model Verification）；（9）模型的充分利用模块组（Model-Wide Utilities）；（10）端口与子系统模块组（Ports and Subsystems）；（11）信号属性模块组（Signal Attributes）；（12）信号传输模块选择组（Signal Routing）；（13）输出模块组（Sinks）；（14）信号源模块组（Sources）；（15）用户自定义函数模块组（User-Defined Functions）；（16）附加离散模块组（Additional Discrete）；（17）附加增减运算模块组（Additional Math: Increment/ Decrement）。 
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总结

传统的对于开关电源的研究主要是在 DC-DC 变换器的基础上进行的，忽略了输入交流的时变性。本文以峰值电流控制型 PFC  Boost 电路为例，采用参数共振原理，深入分析了在输入电压正弦变化时 Boost 变换器中出现的快时标分岔和混沌现象的原因。针对传统固定斜坡补偿方式的不足之处，考虑到每个频闪周期内的一致稳定提出了一种全局最优化补偿思想，实现了电路单位功率因数的目标。最后推导了补偿电路参考电流数学模型，对原有的补偿电路进行了改进，保证了电路性能。在电路的研究及其设计过程中也取得了一定的理论和实际成果： 
1）在研究 AC-DC  Boost 变换器快时标不稳定现象产生机制时，发现在每个输入工频周期内，输入电压iV 和输出电压oV 满足oi>VV 50. 的时段，电路稳定，受到外界微扰时，电路通过自身调整能够在有限个开关周期内恢复到稳定状态；在oi<vv 50.="" 时段，电路本身不稳定，需要通过外力控制才能达到稳定状态。  2）传统固定斜坡补偿能够有效地消除电路中快时标分岔和混沌现象，但是由于在过零处过补偿的原因使得输入电流出现死区，进一步增大了总谐波失真率，降低了电路的功率因数，没有达到单位功率因数校正的目的，因此固定斜坡补偿方法在抑制电路次谐波振荡中是有一定缺陷的。 
3）全局优化斜坡补偿技术能够实时的调整补偿力度，在一定程度上增大了输入电流，提高了输入功率，有效地解决了固定补偿所带来的死区问题，使得补偿后的输入电流呈现标准正弦曲线，而且输入电流和输入电压同相位，实现了电路单位功率因数的目的。在消除电路快时标不稳定现象的同时，也保证了整个工频周期内的一致稳定。因此全局优化斜坡补偿是一种比较理想的补偿方式。 
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参考文献(略)

本文编号：150039