基于单周期控制策略的新型高效率PFC电路研究

论文摘要

有源功率因数校正（APFC）技术作为减少谐波污染,提高电能质量的主要手段之一,逐渐受到人们的关注与重视,成为电力电子领域的热门研究方向。本文研究了一种基于新颖的高效率PFC主电路与单周期控制相结合的单相PFC方案,改善了当前传统PFC方案的种种缺陷。传统的PFC方案使用整流桥与Boost电路结合作为主电路结构,导通损耗较大,因此,本文通过比较分析由传统Boost电路衍生的两种新颖高效率PFC主电路工作原理与结构,详细分析其共模干扰问题并由此选择单电感结构无桥PFC电路作为主电路拓扑。提高了电路的转换效率。传统典型PFC方案中通常选择使用乘法器的直接电流控制,存在控制电路复杂,且抗扰性较差的问题。本文引入新型的非线性控制—单周期控制作为此PFC电路的控制策略。在对其控制原理与性能优势分析的基础上,对电感电流不同工作模式时单周期控制应用于PFC电路的实现方案进行比较研究,进而确定本电路使用电流连续模式,上升沿调制的控制方式。作为非线性的控制策略,单周期控制应用于PFC电路中具有特殊的性能优势。分析可知,本电路具有良好的抗干扰能力和连续功率因数校正功能。在参数设计与理论分析的基础上,搭建电路仿真模型,仿真验证了电路可行性及其控制优势。由于电路独特结构形式和控制需要,与传统Boost-PFC电路相比,输入电流检测较为复杂。为此设计实现基于霍尔电流传感器的检测电路,为进一步降低成本,将霍尔器件与绝对值电路相结合,实现了准确可靠的电流检测电路。最后搭建一个400W功率容量的硬件电路对本PFC方案进行实验验证。电路结果波形表明,所设计电路能够很好实现功率因数校正功能。同时具有传统PFC方案所不具备的性能优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题背景与研究意义
• 1.2.1 功率因数的定义
• 1.2.2 功率因数校正的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 改善功率因数的措施
• 1.3.2 传统单相有源功率因数校正电路拓扑
• 1.3.3 单相有源功率因数校正电路常用控制方式
• 1.3.4 APFC实现策略的发展趋势
• 1.4 本文研究内容与意义
• 第2章 新颖高效率PFC主电路
• 2.1 引言
• 2.2 由传统Boost电路衍生的新颖高效率PFC主电路
• 2.2.1 无桥式高效率PFC电路
• 2.2.2 半桥式高效率PFC电路
• 2.2.3 两种高效率PFC电路EMI问题及比较分析
• 2.3 无桥式PFC电路电感结构对共模干扰的影响
• 2.3.1 传统Boost-PFC电路共模等效分析
• 2.3.2 双电感结构无桥PFC电路共模等效分析
• 2.3.3 单电感结构无桥PFC电路共模等效分析
• 2.3.4 各种无桥电路共模干扰比较分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 单周期控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 单周期控制原理与性能优势
• 3.2.1 单周期控制基本原理
• 3.2.2 输入电压扰动抑制
• 3.2.3 跟踪控制基准能力
• 3.3 应用于PFC电路中的单周期控制策略实现
• 3.3.1 电感电流断续模式
• 3.3.2 电感电流连续模式
• 3.3.3 断续与连续模式比较分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 单周期控制新颖PFC方案设计与分析
• 4.1 引言
• 4.2 主电路设计
• 4.2.1 电感量设计
• 4.2.2 输出电容设计
• 4.3 控制电路设计
• 4.4 稳定性分析
• 4.5 仿真分析
• 4.5.1 功率因数校正效果
• 4.5.2 电路优势性能分析与仿真验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验电路研制及实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 主电路硬件实现
• 5.2.1 功率器件选择
• 5.2.2 升压电感设计
• 5.3 控制电路硬件实现
• 5.3.1 积分器设计
• 5.3.2 时钟电路
• 5.3.3 驱动电路
• 5.4 辅助电路设计
• 5.4.1 电流检测
• 5.4.2 保护电路
• 5.5 实验结果分析
• 5.5.1 控制电路工作验证
• 5.5.2 开关管与二极管波形
• 5.5.3 功率因数校正效果验证
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢