【正文】 PWM 方式 PFC 大得多，結(jié) 16 果對同樣的負(fù)載，開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗 大，實(shí)際 用時(shí)開關(guān)元件必須選大電流元件。對 P FC 控制電路的設(shè)即是合理地整定 F(qk)、 F(bk)及 Fc n(i)三個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，以使電 路獲得良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 前饋電壓環(huán)節(jié) (F(qk))的設(shè)計(jì) 前饋電壓環(huán)節(jié) (F(qk))的 原理分析 PFC 電路在寬范圍輸入電壓下，輸出電壓是穩(wěn)定的，由 PFC 控制理論知，網(wǎng)壓經(jīng) F(qk)后的量必須與網(wǎng)壓成反比。 前饋電壓環(huán)節(jié) (F(qk))的參數(shù)分析 基于前饋電壓環(huán)節(jié) (F(qk))的工作原理，對該濾波環(huán)節(jié)作了試湊設(shè)計(jì)。經(jīng)多次試湊實(shí)驗(yàn)，最后設(shè)定兩個(gè)開環(huán)極點(diǎn)為： p1 = , p2 = （ 8） 由傅立葉分解知前饋環(huán)節(jié)進(jìn)入到乘法器是一個(gè)與闞壓成反比的正弦量。 圖 11 電壓環(huán)框圖 電壓反饋環(huán)節(jié) (F(bk))環(huán)節(jié)的 參數(shù)分析 首先，電壓環(huán)的帶寬必須足夠窄，以衰減輸 出電 容上的二次諧 波，保證輸入電流的調(diào)制比較小。對 電流 環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償，提供一個(gè)接近開關(guān)頻率的平 直 增益。 圖 12 電流環(huán)框圖 在電感放電起始的一段時(shí)間里輸出電壓全部參與電感放電，而單開關(guān)電路中輸出電壓是被分成兩部分分別參與不同的電感放電的， 這就使電感放電時(shí)間縮短，即 19 縮短了電感電流平均值與輸入電壓瞬時(shí)值的非線性階段，可減小輸入電流的 THD。在開關(guān)頻率處 (這里，開關(guān)頻率為 40K)放大器的增益： GcA=Vs/Δ Vrs (11) 其中 Vs 為電流環(huán)輸出 采用 PID 調(diào)節(jié)器 對電滾環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償如下： F(I)=（ 10s+27） /s （ 10） 由上所述， MATLAB 的自控工具箱的可視化界面，可以方便的調(diào)整零、極點(diǎn)位置，并能直觀地觀察出備環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)響應(yīng)性能，便于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)。反饋電壓環(huán)節(jié)由常數(shù)電壓，加法器Add2,傳遞函數(shù) F2 構(gòu)成。 構(gòu)建完仿真電路后，選擇合適的算法進(jìn)行仿真，其中，解算選項(xiàng)為：變補(bǔ)償，最大補(bǔ)償 le6 圖 14 算法框圖 PFC(功率 因數(shù)校正器 )的仿真設(shè)計(jì) SIMULINK 仿真電路 設(shè)計(jì)指標(biāo) 表 2 功率因數(shù)校正器的設(shè)計(jì)指標(biāo) 參數(shù) 符號 目標(biāo) 輸出功率 P 350W 交流輸入電壓 VACmin , VACmax 85V264V 交流輸入頻率 fmin , fmax 45Hz—66Hz 輸出電壓 VDC 400V 效率 n 95%(額定狀況 ) 21 功率因數(shù) PF （額定狀況） SIMULINK 仿真 PFC 電路 框圖 圖 15 PFC 系統(tǒng)模型 SIMULINK 仿真 升壓 電路 框圖 圖 16 升壓電路模型 22 SIMULINK 仿真 補(bǔ)償 電路 框圖 圖 17 補(bǔ)償器模型 SIMULINK 仿真 結(jié)果 圖 18 SIMULINK 仿真 結(jié)果 本次試驗(yàn) 用仿真軟件 進(jìn)行原理仿真所得的結(jié)果 如圖 18， 另外如圖 19 所示， 從上至下依次為輸入電壓、輸入電流、電感兩端電壓和輸出電壓的波形。負(fù)載 20Ω 。 分析結(jié)果以及電壓、電流的相移關(guān)系，求得多諧振 PFC 的功率傳輸品質(zhì)因數(shù) [4]： QF=，電流總諧波畸變率 THDi 5％。采用諧波分析 儀對電源電壓、電流波形進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)電源電壓波形質(zhì)量較差 (THDv 大于 5％ )的情況下，三相電源電流 THDi 小于 5％，在諧波限制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，相移小于 5176。本文利 用 MATLAB 的自控工具箱與信號處理箱快速高效地整定符合電路要求的 PFC 電路參數(shù)，極大的減少了實(shí)際電路調(diào)試的難度。 (2)功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷 (ZCS)，整流二極管實(shí)現(xiàn)零電壓開通。 論文研究工作的完成，不僅是在自己的努力下，同時(shí)也傾注了老師的心血與關(guān)懷。后感謝同學(xué)的幫忙，恭喜我們順利走過這四年。 再次感謝我 的導(dǎo)師 ，是他的悉心教導(dǎo)讓 我順利完成此次課題研究，是他的耐心讓我一步步克服困難，我不僅對老師精湛的專業(yè)素養(yǎng)表示敬佩，更是對 老師平易近人 的處世作風(fēng)表示感謝，我也會(huì)一步步地強(qiáng)大自己地專業(yè)素質(zhì)，讓自己像 老師一樣，做一個(gè)真正學(xué)以致用的研究者 。 這一次的研究，讓我深深地體會(huì)到失敗乃是成功之母，每一次的計(jì)算參數(shù)，每一次的仿真波形，每一次的電路建模，每一次的 電路調(diào)整，都是需要很 大的毅力和耐心完成的。是他們悉心的教導(dǎo)使我得以一窺電子領(lǐng)域的深?yuàn)W，不時(shí)的討論并指點(diǎn)我正確的方向，使我在這 些年中獲益匪淺。 (3)多諧振 PFC 比準(zhǔn)諧振 PFC 的直流輸出紋波更?。辉谙嗤β实那闆r下，開關(guān)峰值電流更低 (約 1/3～ 1/2)，使得對同樣的負(fù)載，開關(guān)元件上的導(dǎo)通損耗減小，較好地克服了準(zhǔn)諧振 PFC 實(shí)用化存在的問題，因而更有實(shí)用價(jià)值。只用一個(gè)功率開關(guān)，開關(guān)利用率高、費(fèi)用低；只要保證校正電容工作在電壓不連續(xù)方式下，換流器具有純電阻負(fù)載特性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析不難看到：電容輸入多諧振 PFC 的校正效果幾乎不受電源諧波電壓的影響。 采用本文提出的設(shè)計(jì)方法，研制了 500W 實(shí)驗(yàn) 。 23 按照上述設(shè)計(jì)參數(shù)，在開環(huán)控制下，開關(guān)頻率為 50kHz，負(fù)載電阻為 ,占空比為 。電感 5mH。兩個(gè)飽和器 saturation1 和 saturation2 的加入，限制了電壓與電流環(huán)節(jié)輸出值的大小。 5 PFC 的 SIMULINK 仿真電路及波形 SIMULINK 仿真電路 前 饋電壓環(huán)節(jié) (F(qk))的 方框圖 由前面的計(jì)算， 前饋電壓環(huán)節(jié) (F(qk))的方框圖 如圖 13 所示。 從上面的分析可知：為了減小網(wǎng)側(cè)輸入電流的畸變就要提高輸出電壓值，這就增大了開關(guān)管承受的電壓，也增加了后面 DC/DC 變換器的電壓耐量，也給 Boost 二極管的選擇帶來困難。接近開關(guān)頻率的放大器增 益 由匹配電感 電 流的下降率來決定。 18 圖 11 輸出電壓 二次諧波 示意圖 假設(shè) PFC 要求 3％的 THD， 由 PFC 設(shè)計(jì)原理知， 0． 7 5％的 THD 分配給電壓環(huán)，所以電壓環(huán)輸出紋 波 電壓 應(yīng)限制 在 1． 5％。由于電壓環(huán)的帶 寬 與開關(guān)頻率相比比較窄，所以電壓環(huán)設(shè)計(jì)主要考慮輸入畸 變 為最小， 而 不是穩(wěn)定性。運(yùn)用 MATLAB 自控設(shè)計(jì)工具箱，可方便地調(diào)整極點(diǎn)位置以獲得良好的衰減性能和快速響應(yīng)。對此，可以設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率很低的單極點(diǎn)濾波器來獲得平均輸入電壓，但是系統(tǒng)對輸入電壓的響應(yīng)速度也有較高的要求。這樣為了確?；芈冯娏鞯恼也ㄐ?，乘法器的輸出必須為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，所以 F(qk)、 F(bk)要盡可能的衰減可能引起電流波形失真的各種諧波及相移因數(shù)。假設(shè)輸入電壓為2 2 0 V ac，輸出電壓為 4 0 0 V dc．輸出電容為 9 4 0 u F，儲能電感為 1 m H。又由于升壓式 PFC 的輸出電壓比輸入電壓高得多， 使 PFC 電路的使用范圍受限。如圖 9， Fc n(qk)為網(wǎng)壓衰減環(huán)節(jié)，取得網(wǎng)壓信號作為電流的標(biāo)準(zhǔn)參考量的一部分； F c n(bk)為反饋電壓校正環(huán)節(jié)，以保持輸出電壓的穩(wěn)定； F (I)為電流校正環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對電流的正弦化校正。 運(yùn)用簡化模型對工作方式 4～6 進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)描述，根據(jù)上述對 簡化模型的分析，利用計(jì)算機(jī)輔助分析，求出電路的穩(wěn)態(tài) 解，可對電路參數(shù)元件提供依據(jù) 。輸入側(cè)的諧振槽路電容 Ci(a,b,c)可用電容 Ce 來等效，且 Ce等效于 Cia、 Cib 并聯(lián)后再與 Cia 串聯(lián)。作者在三相電路分析的基礎(chǔ)上，采用時(shí)變的簡化分析模型，將三相電路 簡化成單相模型來分析。 電流型 PFC 電路的工作過程 13 圖 5 電流型 PFC 工作框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對于給定的輸入峰值電壓、直流輸出電壓和負(fù)載電流，求出多諧振 PFC 的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)、主電路各元件參數(shù)，從而提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案?？刂齐娐窓z測到流過開關(guān) S 的電流為零，觸發(fā)關(guān)斷 S，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān) (ZCS)。并聯(lián)電容Cv 與電感 Lr 構(gòu)成諧振槽路 (三 )，電感 Lr 先增磁，后去磁，直到電感 Lr 電流等于負(fù)載直流電流為止。隨后，電壓 vbc 為正，二極管 V6 正向?qū)āＳ捎?S 處于諧振槽路中，其中的電流按諧振電流規(guī)律變化，但其方向不同于電感電流 iLr。在控制信號的作用下，開關(guān) S 觸發(fā)導(dǎo)通，工作方式 1 結(jié)束。,120176?？刂齐娐份敵龅碾妷杭礊樗蠼o定調(diào)制波，再經(jīng)過 PWM 電路和馭動(dòng)電路就可以控制整流橋上各開關(guān)管，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定且功率因數(shù)為 1 的目的。 高頻整流器的基本工作原理是 :通過控制整流橋臂上各開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使電路的輸入電流近似為正弦，并且使其與愉入電壓同相位。]區(qū)間的分析，可擴(kuò)展到整 個(gè)基波周期。因此，在不需另加有源或無源濾波裝置，在獲得較高的變換效率的同時(shí)，校正器自然地從電源吸取同相正弦電流。在任意半個(gè)基波周 9 期內(nèi)，校正電容 Cia 上的電壓的平均值與 A 相電壓的平均值相等，且其峰值與線路電流成正比。一旦開關(guān) S 觸發(fā)導(dǎo)通，校正電容儲存的能量轉(zhuǎn)移到諧振電感上。在每一開關(guān)周期，校正電容電壓的充電速度與線電流成正比，盡管電容放電時(shí)并不是線性的，但同電感輸入 PFC 比較，電容放電速度比電感去磁速度快、時(shí)間短，這使得三相電源電流更依賴電容電壓峰值。 根據(jù)前面的分析結(jié)果可以看出，在高頻整流器的相量三角形中，只要使其兩邊固定，則第三邊也將被迫為定長。 k將隨之變化，從而導(dǎo)致相量 uabm的矢端在直線 AC 方向上移動(dòng)。 設(shè)負(fù)載為 R，直流翰出電壓和電流分別為 Uo， Io,則根據(jù)輸人翰出功率平衡的原則，電路的輸人功率 Pi 應(yīng)該與輸出功率 Po 相等，即 Pi=Po。 圖 5 等效原理圖 高頻整流器主電路結(jié)構(gòu)的等效原理 向量 圖如圖 6 所示 。 6 圖 4 高頻整流器主電路 由圖 4 可以看出，其主電路結(jié)構(gòu)與逆變器的主電路結(jié)構(gòu)是相同的。對開關(guān) S 進(jìn)行 PWM 控制，即可使每一相的輸入電流波形近似為正弦波。 有源 PFC 之功能框圖 圖 3 有源 PFC 結(jié)構(gòu)圖 PFC 所用關(guān)鍵元件有：功率開關(guān)管，電容，電感，二極管。 實(shí)際成本的加大 （ 1） 雖然，電力公司只依據(jù)有功功率收費(fèi)，但是低功率因數(shù)往往會(huì)導(dǎo)致用戶費(fèi)用增大發(fā)電廠、電力傳輸和電力分配設(shè)備的容量更大。 （ 2） 無功功率 Pr：未作功電能。 2 1 功率因數(shù)在電源變換系統(tǒng)中的意義 功率因數(shù) 在電源變換系統(tǒng)中的意義 伺服電源系統(tǒng)之典型結(jié)構(gòu)框圖 圖 1 伺服電源系統(tǒng) 的 典型結(jié)構(gòu)框圖 伺服電源系統(tǒng)主要由整流器， PFC 變換器， DCDC 轉(zhuǎn)換器，輸出系統(tǒng)，數(shù)字控制器和光學(xué)耦合器等器件組成，其中，在眾多的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器中，近年來出現(xiàn)的高頻整流器與傳統(tǒng)的不可控整流與相控整流相比，具有功率因數(shù)高，輸出電壓波紋小，電能可以雙向流動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，而成為研究的熱點(diǎn)。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化，因而需要