基于Boost变换器的宽输入电压范围功率因数校正技术的研究

论文摘要

传统电子设备的电源输入端采用二极管整流和电容滤波,其输入电流含有大量的奇次谐波,对电网造成巨大的谐波污染。为了限制谐波污染,各国都强制实施了一些限制输入电流谐波的标准。有源功率因数校正（active power factor correction, APFC）技术的优点是总谐波含量小,功率因数高。在过去的二十年里,APFC技术得到了系统而深入的研究,并得到了广泛应用。现在越来越多的电子设备要求其电源能够同时使用110V和220V两种电网,再考虑电压波动,其电源的输入电压范围是从90V到265V。因此具有宽输入电压范围的APFC技术是目前的一个研究热点。在几种基本的非隔离型PFC变换器中,Boost PFC变换器的优点是:输入电流的高频纹波小;输出滤波电容储能大;在整个输入电压范围内可以保持较高的输入功率因数。因此,Boost PFC变换器得到了深入的研究和广泛的应用。但是,在宽输入电压范围的应用场合,Boost PFC变换器在低压输入时存在损耗大,效率低的问题。本文提出一种新的控制方式,保证输出电压随输入电压的变化而线性改变。当输入电压较低时,适当调低输出电压。这样可以减小开关管的导通时间,从而降低其导通损耗。并且由于开关管的截止电压（等于输出电压）的减小,开关管开通和关断瞬间电压电流交叠产生的开关损耗也可以减小。采用变输出电压控制后,在低压输入端,电感电流的纹波也可以减小,从而进一步提高Boost PFC变换器的效率。在低功率应用中,电源通常采用Boost PFC变换器与不对称半桥变换器。当PFC级采用变输出电压控制后,为了减小后级变换器的输入电压范围,本文提出一种复合式PFC变换器。该变换器储能电容电压可以自动跟随输入电压变化,减小PFC级的损耗,还可以保证后级变换器的输入电压始终保持稳定,有利于后级变换器的优化设计。在此变换器的基础上,还可以对其拓扑扩展,推导出一系列新的拓扑,总结出其三端通用结构。根据一定的转换规律,根据三端结构的拓扑还可以推导出对应的两端结构的拓扑。在中大功率应用场合,两级式AC-DC变换器的DC-DC级通常使用移相控制的全桥变换器。当PFC级使用变输出电压控制后,DC-DC变换器的输入电压范围变大,不利于全桥变换器的设计和使用。而三电平DC-DC变换器的研究发现,复合式全桥三电平变换器不仅可以降低原边开关管的电压应力,还可以减小输出滤波电感量,适用于宽输入电压范围。变输出电压的Boost PFC变换器结合复合式全桥三电平DC-DC变换器,具有变换效率高,磁性元件体积小的优点。同时设计了两个输入电压范围不同的全桥变换器,与以上这种方案对比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和选题依据
• 1.1.1 无源PFC 技术
• 1.1.2 有源PFC 技术
• 1.1.3 基本PFC 变换器对比
• 1.2 PFC 技术的发展方向
• 1.3 本文的主要内容和研究意义
• 1.3.1 本文的主要内容
• 1.3.2 本文的研究意义
• 1.4 本章小结
• 第二章 变输出电压的BOOST 功率因数校正变换器
• 2.1 两级BOOST PFC 变换器损耗分析
• 2.1.1 PFC 级Boost 变换器的损耗分析
• 2.1.2 无整流桥的Boost 变换器的拓扑分析
• 2.1.3 无整流桥的Boost 变换器的共模干扰
• 2.2 变输出电压的BOOST PFC 变换器
• 2.2.1 损耗分析
• 2.2.2 电感电流纹波
• 2.3 主电路设计
• 2.3.1 电感设计
• 2.3.2 输出电容选择
• 2.3.3 主功率开关管的选择
• 2.3.4 输出二极管的选择
• 2.3.5 整流桥的选择
• 2.4 控制电路设计
• 2.4.1 乘法器电路计算
• 2.4.2 闭环设计
• 2.5 实验结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 复合型功率因数校正变换器
• 3.1 引言
• 3.2 复合型PFC 预调节器
• 3.3 储能电容的电压
• 3.4 储能电容电压的抑制
• 3.4.1 单负反馈绕组DCM 复合型PFC 变换器
• 3.4.2 双负反馈绕组DCM 复合型PFC 变换器
• 3.4.3 CCM 电流源复合型PFC 变换器
• 3.4.4 CCM 电压源复合型PFC 变换器
• 3.4.5 复合型PFC 变换器的通用结构
• 3.4.6 两端ICS 单元的拓扑
• 3.5 本章小结
• 第四章 单负反馈绕组DCM 复合型PFC 变换器
• 4.1 引言
• 4.2 工作原理
• 4.2.1 单Boost 变换器模式
• 4.2.2 双Boost 放电模式
• 4.2.3 双Boost 充电模式
• 4.3 参数设计
• 4.3.1 Boost 电感L61 的设计
• 4.3.2 变压器的设计
• 4.3.3 储能电容的选择
• 4.3.4 开关管的选择
• 4.3.5 二极管的选择
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 母线电压可调节的服务器电源系统
• 5.1 引言
• 5.2 三种系统方案
• 5.3 功率器件的电压应力和磁性元件的分析
• 5.3.1 功率器件的电压应力
• 5.3.2 DC-DC 级变压器匝比设计
• 5.3.3 DC-DC 级滤波电感分析
• 5.4 参数设计
• 5.4.1 FB1 变换器主电路参数设计
• 5.4.2 FB2 变换器主电路参数设计
• 5.4.3 HFB TL 变换器主电路参数设计
• 5.5 损耗分析
• 5.6 实验验证
• 5.7 本章小结
• 第六章 工作总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文