单相功率因数校正电路的拓扑与控制研究

论文摘要

功率因数校正技术（Power Factor Correction,PFC）就是研究如何采用适当的拓扑结构和控制手段,使输入的电流值跟随输入电压波形,在交流电向直流电转换的过程当中,保证高功率因数（0.95以上）。相关的电路拓扑已经比较成熟,大量地应用在各类电力电子装置当中。更新的研究大部分都着眼于如何提升PFC电路的效率和功率密度,并且降低成本。本课题也将跟随这一研究思路,在第一部分当中,对单级隔离型的功率因数校正电路进行研究。首先对现有的单级拓扑和控制方案进行分析,讨论其在应用中所面临的技术难点。在此基础上,针对90W左右的小功率应用场合,提出了4种基于耦合PFC电感和反激式电路的单级PFC拓扑结构,并给出其两种箝位电路,分析了电路在变压器励磁电感电流工作于断续和临界连续模式下的特性,给出电路参数和变压器的优化设计方法。保证输入电流满足IEC 61000-3-2中关于CLASS D的谐波标准,同时抑制储能电容电压在一定值以下。本论文中采用平均化的状态空间平均方法,建立单级PFC电路的小信号模型,分析其控制特性以及控制参数的设计。提升单级PFC电路电压外环的动态响应能力,在输入功率变化的情况下,抑制输出侧的低频纹波,并保证稳定性。最后,研制了90W的样机,进行实验研究。在第二部分中,则是对目前比较热门的交错并联BOOST PFC电路进行研究。与传统的BOOST PFC电路相比较,交错并联的拓扑使两路BOOST电路交错工作,使能量从多个变换电路转换到输出直流侧,这有助于解决开关管并联带来的可靠性问题,提升BOOST PFC电路的功率等级。本论文中针对这两种拓扑电路的特性进行分析,给出设计方法、比较功率器件的电压电流应力、损耗,以及这两种拓扑之间的差异。研制宽输入电压范围,400V/1200W输出的PFC电路样机。传统BOOST PFC电路开关频率为130kHz。交错并联BOOST PFC电路工作在降频模式,每一路的开关频率为65kHz,采用峰值电流模式控制方式。实际两路电流合成以后,两路纹波电流相互抵消,输入电流的开关频率被加倍,纹波电流减小。通过实验的方式,对交错并联的方案进行评估,进行实验研究。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 功率因数校正技术的概述
• 1.2 单级隔离型功率因数校正技术的现状
• 1.2.1 单级隔离型PFC电路的拓扑演变
• 1.2.2 单级隔离型PFC电路的控制技术
• 1.2.3 单级隔离型PFC电路的技术难点及其改进
• 1.3 交错并联BOOST PFC电路技术的现状
• 1.3.1 交错并联BOOST PFC电路的改进拓扑及其特点
• 1.3.2 交错并联BOOST PFC电路的控制技术
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.4.1 19V 90W单级隔离型PFC电路的新拓扑研究
• 1.4.2 400V 1200W交错并联PFC电路与传统PFC电路的比较研究
• 第2章 19V 90W单级PFC电路的新拓扑研究
• 2.1 基本拓扑结构
• 2.1.1 几种较理想拓扑及其优缺点
• 2.1.2 新拓扑电路的构思
• 2.1.3 单级PFC电路的控制策略
• 2.2 工作模式和主要波形
• 2.2.1 开关模式下的电流流向图
• 2.2.2 理想波形图
• 2.3 主电路特性与参数设计
• 2.3.1 性能指标
• 2.3.2 电路基本特性
• 2.3.3 变压器励磁电流工作于断续模式
• 2.3.4 DCM模式下主电路参数设计
• 2.3.5 变压器励磁电流工作于临界连续模式
• 2.3.6 DCM/CCM临界模式下主电路参数设计
• 2.3.7 反馈绕组和PFC电感的设计
• 2.3.8 RCD箱位电路
• 2.4 动态小信号建模与补偿器设计
• 2.4.1 基本设计原理
• 2.4.2 小信号模型分析
• 2.4.3 控制电路参数设计
• 2.5 实验波形与数据分析
• 2.5.1 实验波形
• 2.5.2 测试数据分析
• 2.6 新型单级PFC电路的优缺点
• 第3章 400V 1200W BOOST PFC电路的比较研究
• 3.1 基本拓扑结构与控制方式
• 3.1.1 交错并联BOOST PFC电路及其控制
• 3.1.2 传统BOOST PFC电路及其控制
• 3.2 工作模式和主要波形
• 3.3 电路特性
• 3.4 电路参数设计与选择
• 3.4.1 输入电感
• 3.4.2 输出电容
• 3.4.3 功率器件
• 3.5 损耗与效率分析
• 3.5.1 磁性元件
• 3.5.2 功率开关器件
• 3.5.3 功率二极管
• 3.5.4 寄生参数
• 3.5.5 输出电容损耗
• 3.5.6 其它
• 3.6 两种拓扑损耗计算与比较
• 3.6.1 交错并联CCM PFC电路损耗
• 3.6.2 两种拓扑的损耗比较
• 3.7 样机参数
• 3.8 实验波形与数据分析
• 第4章 结论与展望
• 4.1 本文的结论
• 4.1.1 单级功率因数校正电路
• 4.1.2 交错并联BOOST PFC电路
• 4.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果
• 作者简历