变频空调数字PFC系统的研究

论文摘要

为了抑制谐波污染,改善电网品质,并符合家电谐波标准,变频空调的电源前级多带有功率因数校正环节。随着集成电路的不断发展和数字控制技术的不断成熟,变频空调功率因数校正环节的数字化控制成为研究热点之一。目前,大多数的PFC数字控制算法是从以平均电流算法为代表的模拟PFC控制策略上转移过来的。由于传统的平均电流算法较为复杂,运算量较大。本文研究了一种新型的简单PFC算法。这种算法以占空比预测的方式代替了平均电流算法中电流环。这种基于占空比预测的PFC数字算法运算量较小,能直接抑制由输入电压有效值波动引起的输出电压波动,有更快的电流跟踪特性,非常适合应用于低成本的数字芯片控制中。传统的PFC算法的电压反馈环带宽较窄,仅为15Hz左右。在负载变化比较大时,其输出电压动态响应很差。因此,本文提出一种输出电压快速动态响应的算法,其电压反馈环的带宽能达到200Hz。这种方法对采样后的输入电压波形进行修正,使得在电压反馈环的带宽为200Hz时,电感电流的参考值仍然为正弦,从而兼顾了快速的输出电压动态响应和高的功率因数。本课题开发的数字PFC系统以IRMCF343为主要控制芯片。IRMCF343为独特的不对称双核结构。与实时控制有关的MCE内核采用图形化的编程方式,8051内核采用文本编程方式。本文完成了上述控制算法的图形化编程和8051内核的程序编写。并分别以实验来验证占空比预测算法和输出电压快速动态响应算法。最后,本文给出了硬件平台的设计。在数字PFC中,不同算法可以在同一个硬件平台下实现。本课题设计了一台输出功率1500W,输出电压380VDC的实验样机。实验结果满足设计要求,达到了良好的校正效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 无源功率因数校正
• 1.2.2 有源功率因数校正
• 1.2.3 PFC主电路拓扑
• 1.2.4 PFC技术的发展方向
• 1.3 数字控制技术概述
• 1.3.1 数字控制PFC的优点
• 1.3.2 数字控制PFC的发展
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 基于占空比预测算法数字PFC的研究
• 2.1 引言
• 2.2 Boost 拓扑分析
• 2.3 典型的PFC控制方法介绍
• 2.3.1 DCM控制模式
• 2.3.2 CCM控制模式
• 2.3.3 平均电流控制方法
• 2.4 占空比预测控制方法
• 2.4.1 占空比预测算法的推导
• 2.4.2 占空比预测控制和平均电流控制的比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 占空比预测算法软件实现
• 3.1 软件实现平台
• 3.1.1 IRMCF343 数字芯片
• 3.1.2 MCE的图形化编程方式
• 3.1.3 IRMCF343 片内8051 内核
• 3.2 MCE程序设计
• 3.2.1 平均电流法的程序设计
• 3.2.2 占空比预测法的MCE图形程序
• 3.3 8051 内核程序的编写
• 3.3.1 开发工具
• 3.3.2 主程序
• 3.3.3 EEROM的驱动程序
• 3.4 实验结果及数据分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 输出电压快速动态响应算法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 输出电压纹波分析
• 4.3 快速动态响应的数字PFC算法
• 4.4 软件实现
• 4.5 实验结果及数据分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 硬件电路的设计
• 5.1 引言
• 5.2 PFC主功率电路的设计
• 5.2.1 最大输入功率和输入电流
• 5.2.2 升压电感的选择
• 5.2.3 输出电容的选择
• 5.2.4 功率开关和整流桥的选择
• 5.3 EMI分析及其滤波器的设计
• 5.3.1 Boost开关变换器中的EMI分析
• 5.3.2 EMI滤波器的设计
• 5.4 其他辅助电路的设计
• 5.4.1 辅助电源
• 5.4.2 串行口通信电路
• 5.4.3 JTAG调试电路
• 5.4.4 过流保护电路
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢