基于数字控制的功率因数校正电路的研究

论文摘要

近年来,随着数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)速度大幅提高,成本迅速下降,对功率因数校正电路用数字控制的研究也越来越多。数字控制相对模拟控制有以下显而易见的优点:对环境的变化不敏感例如温度改变、电压波动、器件老化等等;可以减少控制器件,这样在增加了集成度和可靠性的同时也降低了生产成本;同时,研发周期也可以缩短。本文针对基于数字控制的单相功率因数校正电路进行了一些研究,设计了一台大功率数字控制的PFC实验样机。本文首先着重研究了数字平均电流控制策略以及数字预测电流控制策略,总结对比了两种控制方案的优势与不足,提出了一种针对实验样机的改进型控制策略。论文给出了PFC实验样机中的电感、电容的详细设计过程,并选取了开关管以及二极管等功率器件。在此基础之上,建立了PFC电路的简化小信号模型,设计了电压、电流环控制校正器的参数,并用MATLAB软件进行了仿真验证。本文给出了PFC实验装置硬件和软件的详细设计过程。硬件电路的设计主要包括采样电路,驱动电路和控制芯片外围电路等电路的设计,软件设计部分包含软件结构流程图和数字PI调节器的实现方法等内容。最后,在实验样机上进行了实验研究,实验结果证明了理论分析和设计的正确性。辅助电源作为数字电源系统中一部分,其效率和性能也关系到数字电源整体性能。本文最后研究了一种能量反馈型绕组钳位电路,提出将绕组钳位电路与多层变压器骨架配合使用的新思路,在降低成本的同时能够提高多路输出反激变换器的效率和交叉调整率,文中给出了其参数的详细设计原则,并用实验进行了验证,实验结果证明了理论分析的正确性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 功率因数校正技术
• 1.2.1 功率因数的定义
• 1.2.2 功率因数校正的技术分类
• 1.2.3 功率因数校正的基本原理
• 1.3 功率因数校正控制技术发展概况
• 1.4 本文的研究背景和内容
• 1.4.1 课题背景及来源
• 1.4.2 本文主要研究内容
• 2 功率因数校正的数字控制策略研究
• 2.1 引言
• 2.2 数字平均电流控制策略的发展
• 2.2.1 早期的数字平均电流控制策略
• 2.2.2 近期的数字平均电流控制策略
• 2.2.3 数字平均电流控制策略的总结
• 2.3 数字预测电流控制策略的发展
• 2.4 改进的控制策略
• 2.5 本章小结
• 3 PFC 电路的参数设计与仿真验证
• 3.1 引言
• 3.2 主电路参数设计
• 3.2.1 设计要求
• 3.2.2 升压电感设计
• 3.2.3 输出电容设计
• 3.2.4 开关管和二极管的选取
• 3.3 小信号模型研究
• 3.3.1 电压环功率级模型
• 3.3.2 电流环功率级模型
• 3.4 仿真实验
• 3.5 本章小结
• 4 功率因数校正电路的设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 主电路硬件电路设计
• 4.2.1 主电路设计
• 4.2.2 采样电路设计
• 4.2.3 驱动电路设计
• 4.2.4 电压过零检测
• 4.3 控制电路外围设计
• 4.3.1 芯片介绍
• 4.3.2 芯片供电电路
• 4.3.3 调试端口电路
• 4.3.4 复位电路
• 4.3.5 串口电路
• 4.4 软件设计
• 4.4.1 软件结构
• 4.4.2 软件结构
• 4.4.3 数字PI 调节器的实现
• 4.5 实验结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 数字电源中辅助电源的研究
• 5.1 引言
• 5.2 绕组钳位电路
• 5.3 绕组钳位电路的参数设计
• 5.3.1 绕组匝数的确定
• 5.3.2 储能电容的确定
• 5.3.3 二极管的选取
• 5.3.4 效率分析
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 采用绕组钳位电路的实验研究
• 5.4.2 对比分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录