新型软开关功率因数校正变换器的研究

论文摘要

开关电源因为体积小、工作效率高、功率密度大等优点而得到了极大的发展。高频开关电源通常需要做AC/DC变换,这样会使输入的交流市电的电流波形产生畸变,产生大量的谐波,会对其相邻设备、整个电网产生谐波干扰,影响电网供电质量。为了抑制谐波污染,改善电网品质,功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)已经成为了一个重要的研究方向。Boost变换器具有输入电流畸变小、效率高等优点,通常被用在两级PFC的前级以实现高功率因数。中大功率有源功率因数校正电路一般工作在连续导电模式,存在严重的二极管反向恢复问题,多种方法被用来解决这一问题,采用软开关拓扑就是其中的一种方式。软开关电路不仅能解决二极管的反向恢复问题,也能有效减小开关管的开关损耗和开关噪声,使电路的开关频率可以大大提高,与此同时,又能有效降低电路的EMI。随着电路功率、频率的不断提升,其地位日益凸现。本文研究了一种新型单相软开关Boost PFC电路。首先分析了其工作原理,给出了各工作模态和工作波形;然后,对电路特性进行了研究,确定了电路谐振参数的设计条件,讨论了电路的占空比,分析了电路的损耗计算公式等;接着建立了变换器主电路和控制电路的小信号模型,推导了电感电流对开关占空比的传递函数Gi d( s )和输出电压对电压误差放大器输出的传递函数Gv c( s ),分析了电流环和电压环控制结构和传递函数;然后,对主电路和控制电路的参数进行了设计,主电路的参数选择包括主开关管、输出电容、辅助网络参数的选择,控制电路的参数确定包括乘法器的设置、电流环和电压环参数的设置。最后,用Saber仿真软件对系统进行仿真,在验证变换器实现软开关及功率因数校正的基础上,详细分析了变换器的效率及输入电流谐波。给出了小功率实验验证。仿真与实验验证了新型单相软开关Boost PFC变换器理论分析的正确性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 谐波电流的产生及危害
• 1.1.1 谐波电流的产生
• 1.1.2 谐波电流对电网的危害
• 1.2 功率因数的相关定义
• 1.2.1 功率因数的定义
• 1.2.2 功率因数与总谐波畸变因数的关系
• 1.3 功率因数校正电路的分类
• 1.4 有源功率因数校正电路
• 1.5 传统APFC 电路的二极管反向恢复问题
• 1.5.1 RC 吸收电路
• 1.5.2 耦合电感方式
• 1.5.3 串联饱和电抗器
• 1.5.4 软开关实现方式
• 1.6 单相软开关 Boost PFC
• 1.6.1 无源无损吸收电路
• 1.6.2 ZCS 软开关电路
• 1.6.3 ZCT 软开关电路
• 1.6.4 有源箝位ZVS 软开关电路
• 1.6.5 ZVT 软开关电路
• 1.7 本文的研究意义和研究内容
• 1.7.1 本文的研究意义
• 1.7.2 本文的研究内容
• 2 新型单相软开关功率因数校正电路分析
• 2.1 拓扑结构
• 2.2 工作模态和主要工作波形
• 2.3 电路特性分析
• 2.3.1 谐振参数的确定
• 2.3.2 软开关工作条件
• 2.3.3 占空比分析
• 2.4 电路损耗分析
• 2.4.1 半导体器件损耗近似计算方法
• 2.4.2 软开关PFC 电路半导体器件损耗分析
• 2.5 本章小结
• 3 新型单相软开关功率因数校正电路动态模型和小信号分析
• 3.1 基本工作原理
• 3.2 主电路建模
• id（ s ） 的确定'>3.2.1 G_id（ s ） 的确定
• vc（s） 的确定'>3.2.2 G_vc（s） 的确定
• 3.3 控制电路建模
• 3.3.1 电流环结构及传递函数
• 3.3.2 电压环结构及传递函数
• 3.4 本章小结
• 4 系统参数设计
• 4.1 变换器的参数指标
• 4.2 主电路参数的确定
• 4.2.1 主电感的选择
• 4.2.2 输出电容的选择
• 4.2.3 谐振参数的确定
• 4.2.4 输入整流桥的选择
• 4.2.5 功率开关管的选择
• 4.2.6 输出二极管的选择
• 4.3 控制电路参数的确定
• 4.3.1 电流检测电阻的设计
• 4.3.2 设置乘法器
• 4.3.3 振荡电容的计算
• 4.3.4 PFC 电路控制环
• 4.4 本章小结
• 5 仿真及实验分析
• 5.1 仿真分析
• 5.1.1 新型单相软开关Boost PFC 仿真波形
• 5.1.2 单相硬开关Boost PFC 仿真波形
• 5.1.3 比较分析
• 5.2 实验分析
• 5.2.1 延迟电路的设计
• 5.2.2 驱动电路的设计
• 5.2.3 实验分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与后期工作展望
• 6.1 全文内容总结
• 6.2 后期工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文题目