基于数字控制的有源功率因数校正的研究

论文摘要

随着电力电子技术的高速发展,越来越多的电力电子设备投入电网使用,造成了电网的功率因数降低与谐波危害。有源功率因数校正(Active Power Factor Correction, APFC)技术是减少整流电路谐波的重要手段,能够保证输入电流和电网电压同相,提高线路的功率因数。传统的模拟控制功率因数校正技术存在许多不足,随着数字化控制技术的不断发展,越来越多的控制策略可以通过数字信号处理器(DSP)得以实现。用数字电路代替模拟电路实现整个回路的控制,开关频率虽得到提高,但同时有可能造成开关损耗的增加,因此,实现高频化的高功率因数的校正技术必须考虑如何降低开关损耗的问题。为了解决开关损耗的问题,提高电路整体性能,本文在数字化功率因数校正电路中引入ZVS(零电压开关)软开关技术,使主开关管和辅助开关管实现软开关,从而降低装置中开关器件的损耗。本论文在参阅国内外大量文献资料的基础上,确定了采用基于软开关的功率因数校正电路的拓扑结构和控制策略,详细介绍了主电路、控制电路、软开关电路等各部分电路的设计,包括元器件的选取和参数的计算。本论文采用电流环和电压环双环控制策略,控制算法采用传统的PI算法。在对电路建立平均小信号数学模型的基础上,分析双闭环系统中PI调节器的设计方法,并运用Pspice9.2仿真软件搭建该PFC控制系统电路,通过仿真结果验证了电路的可行性和系统各项参数选取的合理性。最后根据要求设计基于软开关的功率因数校正装置,利用TMS320F2812定点DSP实现了开关频率为50kHz的基于软开关的APFC电路的数字控制,给出了控制系统主要的硬件设计、软件设计。实验结果验证了本文采用的电路拓扑和控制方法可以在提高功率因数的同时,有效降低功率器件损耗,取得了预期的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 谐波的产生和危害
• 1.1.2 谐波治理的意义
• 1.2 功率因数校正技术
• 1.2.1 功率因数与谐波的关系
• 1.2.2 功率因数校正的实现方法
• 1.3 功率因数校正技术的发展状况
• 1.4 功率因数校正电路研究中的一些关键问题
• 1.5 仿真工具
• 1.6 本文的工作要点及结构安排
• 2 APFC主电路分析与设计
• 2.1 PFC电路与DC/DC变换器的区别
• 2.2 APFC主电路设计
• 2.2.1 APFC主电路拓扑选择
• 2.2.2 APFC主电路和数学模型分析
• 2.2.3 APFC主电路拓扑参数设置
• 2.3 小结
• 3 APFC控制电路分析与设计
• 3.1 不连续导电控制模式（DCM）
• 3.1.1 电路工作过程分析
• 3.1.2 电路输入功率因数分析
• 3.1.3 电压型控制的特点
• 3.1.4 仿真
• 3.2 连续导电控制模式（CCM）
• 3.2.1 电流型控制技术分类
• 3.2.2 电流型控制原理
• 3.2.3 控制环路设计
• 3.2.4 仿真
• 3.3 小结
• 4 软开关技术
• 4.1 软开关技术的提出
• 4.2 有源软开关
• 4.3 单相有源软开关功率因数校正技术
• 4.3.1 主电路的分析
• 4.3.2 辅助电路的参数设计
• 4.3.3 延迟时间和变换器的电压特性
• 4.3.4 仿真
• 4.4 小结
• 5 APFC数字控制系统分析与设计
• 5.1 硬件设计
• 5.1.1 主电路的设计
• 5.1.2 A/D采样电路
• 5.1.3 驱动电路
• 5.1.4 DSP接口电路设计
• 5.2 软件设计
• 5.2.1 数字控制简介
• 5.2.2 处理器型号选择
• 5.2.3 开关频率和采样频率的确定
• 5.3 程序设计
• 5.3.1 主程序设计
• 5.3.2 中断程序设计
• 5.3.3 数字PID控制
• 5.4 小结
• 6 实验结果
• 6.1 基于软开关的BOOST功率因数校正的实验结果与分析
• 6.2 小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献