单周期控制三电平PFC的研究

论文摘要

输入功率因数是不间断电源系统(UPS)非常重要的性能指标,它反映UPS系统对市电输入电源的利用效率及其对电网的谐波污染程度。功率因数越大,系统对市电电能的利用效率越高,对电网的谐波污染也越小。因此,功率因数校正技术(PFC)在UPS领域得到了广泛的应用。本文针对半桥逆变结构的UPS系统,采用了一种新型的单周期控制三电平功率因数校正电路。该电路拓扑简单,谐波小,开关电压应力低,开关损耗小,效率高。为提高系统抗干扰能力,改善其动态特性,控制系统采用单周期控制技术。单周期控制技术是一种新型的非线性控制技术,其控制思想为在一个开关周期内控制开关变量的平均值精确地跟随控制基准,实现了在一个开关周期内消除输入电压干扰和负载干扰的目的。单周期控制技术的核心器件为积分器和比较器。其中,积分器对速度的要求非常高,目前均采用模拟器件实现。本文首先对三电平PFC电路的工作原理进行了系统的分析,对电路的小信号数学模型进行了研究。分析了单周期控制三电平PFC系统的调制规律和可行性。基于单周期控制芯片IR1150S研制了一台实验样机,给出了电路参数的设计准则。实验结果表明,该系统控制方法简单、性能可靠、电流谐波小,功率因数高,正负直流母线电压平衡性好。随着数字控制技术的不断发展,越来越多地控制策略通过数字信号处理器(DSP)加以实现。本文分析了采用数字控制实现单周期控制技术的关键问题,基于TMS320LF2407搭建了系统平台,给出了控制系统的主要硬件设计、部分软件设计以及程序流程图。分析了基于DSP的整个UPS系统的控制策略。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 传统在线式UPS 对市电电网的谐波污染问题
• 1.1.1 谐波产生的原因及危害
• 1.1.2 谐波抑制与改善功率因数的措施
• 1.2 单相PFC 发展概况
• 1.2.1 PFC 结构发展概况
• 1.2.2 PFC 控制技术发展概况
• 1.3 目前UPS 系统中采用的典型PFC 拓扑及控制技术
• 1.4 本文的主要研究内容和意义
• 第二章 单周期控制理论及抗扰动性分析
• 2.1 单周期控制技术
• 2.2 单周期控制的一般理论
• 2.3 单周期控制技术的抗扰动性能
• 2.3.1 输入电压扰动抑制能力
• 2.3.2 负载扰动抑制能力
• 2.3.3 跟踪控制基准能力
• 2.4 本章小结
• 第三章 单周期控制三电平PFC 变换器
• 3.1 主电路拓扑及工作模式分析
• 3.1.1 主电路结构
• 3.1.2 工作模式分析
• 3.2 主电路的数学模型
• 3.3 单周期控制PFC 变换器的理论分析
• 3.3.1 单周期控制PFC 变换器的原理
• 3.3.2 单周期控制PFC 变换器的调制规律
• 3.3.3 单周期控制可行性分析
• 3.4 仿真验证
• 3.5 输出电压纹波分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于IR1150S 的PFC 变换器的设计
• 4.1 基于IR1150S 的PFC 变换器
• 4.2 PFC 主功率电路的设计
• 4.2.1 最大输入功率和电流
• 4.2.2 电感的设计
• 4.2.3 输出电容的选择
• 4.2.4 吸收回路的设计
• 4.2.5 开关器件的选择
• 4.3 PFC 控制电路的设计
• 4.3.1 开关频率的选取
• 4.3.2 电压采样与过压保护
• 4.3.3 电流采样电路设计
• 4.3.4 软启动的设计
• 4.3.5 电压反馈环设计
• 4.4 驱动电路的设计
• 4.5 实验波形及分析
• 4.6 本章小节
• 第五章 基于TMS320LF2407 的UPS 系统的设计
• 5.1 基于TMS320LF2407 控制的UPS 系统
• 5.2 前级PFC 的设计
• 5.2.1 硬件电路设计
• 5.2.2 采样频率的选取
• 5.2.3 软件总体结构
• 5.2.4 电压环PI 控制器的设计
• 5.3 半桥逆变部分设计
• 5.3.1 硬件电路设计
• 5.3.2 逆变控制策略及其实现
• 5.4 市电锁相控制
• 5.5 本章小节
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文以及获得的奖励