【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 周期控制單相 Boost PFC 工作原理QRS電壓調(diào)節(jié)器R S 觸發(fā)器參考電壓誤差信號(hào)復(fù)位開關(guān)時(shí)鐘發(fā)生器比較器積分器0VRsSintCCgVmVmDLsgi?圖 單周控制單相 Boost PFC 電路原理圖單周期控制單相 Boost PFC 電路原理圖如圖 。由圖可知，輸入側(cè)有電感攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 單周期控制在功率因數(shù)校正中的應(yīng)用14L，其作用是：減少輸入電流紋波，同時(shí)可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊。此為 PFC 系統(tǒng)中最常見的拓?fù)渲?。而單?Boost 電路為單相 Boost PFC 電路中最廣泛的拓?fù)?。為了更好闡述圖 所示原理，先做以下假設(shè)：①電路工作于 CCM 模式；②輸入頻率遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率。電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，輸入電壓、輸入電流和輸出電壓在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)保持不變；③設(shè)電路無損耗，即電路效率 η=100%。在如圖 所示 Boost 電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，由電路原理可得： 式（）dVg??10式（）中: Vg——輸入電壓； ——輸出電壓；d——占空比。由上式變0換方程可得： 式（）01Tdgson?式（）中： ——開關(guān)周期； —一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間。由sTon單周期控制原理可得： 式（）sgmsRiV??式（）中： ——電壓調(diào)節(jié)輸出電壓； ——電感電流； ——電感采mV sR樣電阻。滿足前述假設(shè)，則在幾個(gè)相鄰開關(guān)周期內(nèi)， 不變， 在一個(gè)輸入電gVm壓周期為定值。若假設(shè)： 式（）0VResm?聯(lián)立方程式（）、（）可得： 式（）egi式（）中，輸入阻抗 是一定值，也就是說此電路的輸入阻抗是純阻性的，那么此電路可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。 單周期控制單相 Boost PFC 控制回路設(shè)計(jì)在對(duì)單周期控制單相 Boost PFC 電路工作原理的分析中，由式（）變換方程得： 式（）mseVR0?式（）中，當(dāng) 與 成比例時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入阻抗 保持不變，0 eR由此達(dá)到減少輸出紋波對(duì)輸入電流畸變的影響。在圖 中， 是電壓環(huán)輸出，mV攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 單周期控制在功率因數(shù)校正中的應(yīng)用15若想使 和 成比例，則可設(shè)計(jì)一電壓環(huán)誤差放大器。此電壓環(huán)可采用 PI 調(diào)節(jié)0Vm器，如圖 。電壓調(diào)節(jié)器refV0 )(tVm圖 電壓環(huán)控制框圖在圖 中，由自動(dòng)控制原理得，PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 式（）skAipv??)(如圖 所示 PI 調(diào)節(jié)器，其輸入是基準(zhǔn)電壓與輸出電壓的差值。輸出電壓由瞬態(tài)分量 和穩(wěn)態(tài)分量 構(gòu)成，其穩(wěn)態(tài)分量用來保證輸出電壓跟蹤基準(zhǔn)電mV)(^tm壓?，F(xiàn)假設(shè)此 PI 調(diào)節(jié)器的輸出方程為： 式（）)()(^tvVtm??若要分析 Boost PFC 電路中輸出電壓上的紋波電壓，先做以下假設(shè)：①此電路無損耗，即效率 η=100%；②輸出電流直流分量全部流過負(fù)載，輸出電流交流分量全部流過電容；③輸出電壓的紋波足夠小。定義輸出電壓 ，輸入電壓)(0tv，輸入電流 ,則有：)(tvg)(tig 式（）^00)()(tvVtv?? 式（）ing?s2 式（）tItig由上述假設(shè)可得，輸入功率與輸出功率相等，則有： 式（）)2cos1()cos1(0tPtIVpini ???? 式（）00)2(ViptP由假設(shè)輸出電流分量全部流過電容，結(jié)合式（）得： 式（）ttic?os)(0結(jié)合上式，可計(jì)算得到輸出電壓紋波也就是電容紋波電壓，為： 式（）tCVPtv2sin)(0^0??將式（）代入電壓環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器中，可得電壓環(huán)交流項(xiàng)輸出，即：攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 單周期控制在功率因數(shù)校正中的應(yīng)用16 式（）)2cos12(sin)(0^ tktCVPktvpipm ????式（）中： ——PI 調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)，設(shè)置 PI 調(diào)節(jié)器零點(diǎn)，是零點(diǎn)i/?遠(yuǎn)低于 ，即：?2 式（）2?pik聯(lián)立方程式（）、（）和（）可得： 式（）)()(^0tvkVRtvpesm??若設(shè)定 PI 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)如下: 式（）espk再對(duì)式（）進(jìn)行簡(jiǎn)化，得： 式（）)()]([)(0^0tvktVtvppm???在 PI 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合（）和（）兩約束條件，得 和 成比0Vm例，由此保證在一個(gè)周期內(nèi)輸入阻抗不變，也就減少了輸出電壓紋波對(duì)輸入電流畸變的影響。本章對(duì)單周期控制單相Boost PFC電路的基本原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到了電路工作在CCM狀態(tài)下的相關(guān)公式，對(duì)單周期控制單相Boost PFC控制回路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的參數(shù)分析設(shè)計(jì)。在后面章節(jié)中，會(huì)給出單周期控制單相Boost PFC的MATLAB仿真，對(duì)本章所敘述內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 單周期控制技術(shù)在全橋逆變器中的應(yīng)用174 單周期控制技術(shù)在全橋逆變器中的應(yīng)用現(xiàn)今社會(huì)，隨著各行各業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大到交流電動(dòng)機(jī)，小到交流負(fù)載都需要逆變器的供電，就連直流電源變換系統(tǒng)中也涉及到逆變器。同時(shí)，現(xiàn)代設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量要求的增長(zhǎng)，使電網(wǎng)提供的原始電能再也不能滿足其增長(zhǎng)要求。那么，這些原始電能需要經(jīng)過變換之后才能讓這些設(shè)備運(yùn)行，而在這些變換環(huán)節(jié)中，通常會(huì)使用到逆變器。另一方面，隨著新能源的開發(fā)，逆變器已成為其重要環(huán)節(jié)。綜上所述，逆變器的應(yīng)用已非常廣泛。在全橋逆變電路中，單相全橋逆變電路是應(yīng)用最為廣泛的。由于單周期控制技術(shù)是通過對(duì)占空比控制，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)是控制開關(guān)變量的平均值與參考值成比例或相等，所以，本章著重研究單相全橋逆變器的單周期控制技術(shù)。 單周期控制單相全橋逆變器的原理 inVdV0ViCLi1v2v3v4v圖 單相全橋逆變器主電路圖單相全橋逆變器的主電路如圖 。其中： ——橋臂輸出電壓； ——電dVLi感電流； ——輸出電壓； ——輸出電流。在分析圖 之前，先做以下假設(shè)：0V0i①所有器件均理想，忽略其死區(qū)；②輸出電壓頻率遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率，輸入電壓和輸出電壓 在幾個(gè)相鄰開關(guān)周期內(nèi)保持不變。in0攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 單周期控制技術(shù)在全橋逆變器中的應(yīng)用18主電路L C 濾波電路電壓環(huán)單周期控制器orefVdrefVPWMdV0V圖 全橋逆變器單周期控制框圖據(jù)單周期控制基本原理，由圖 可得，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)需控制 的平均dV值，使其等于輸出電壓 的給定值。這樣才能讓輸出電壓很好地跟蹤參考電壓。0V在采用模擬控制時(shí)，利用積分復(fù)位電路來對(duì)這一功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。要使系統(tǒng)性能得以很好的改善，加入一電壓調(diào)節(jié)器即可。如圖 為系統(tǒng)的整體控制框圖。其中：輸出電壓給定； 電壓環(huán)輸出。orefVdref在日常生活中，一般將單周期控制器分為兩種形式：?jiǎn)螛O性控制方法、雙極性控制方法。以將作出對(duì)兩種控制方法的分析。 雙極性控制模式 QRSR S 觸發(fā)器時(shí)鐘發(fā)生器比較器CdrefV 1234R運(yùn)算放大器圖 雙極性控制模式圖 為雙極性控制模式。由一運(yùn)算放大器組合而成的可復(fù)位積分器、一比較器、一 RS 觸發(fā)器和一時(shí)鐘發(fā)生器構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的控制電路。經(jīng)過實(shí)踐分析，雖然雙極性控制模式操作比較簡(jiǎn)單，可是它在負(fù)載較輕的時(shí)候，容易攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 單周期控制技術(shù)在全橋逆變器中的應(yīng)用19出現(xiàn)直流偏移。雙極性控制模式的工作原理如下。首先定義參數(shù) ：u 式（）????amp。在如圖 所示全橋逆變器主電路中，由電路原理，得輸出側(cè)方程為： 式（）?????RVdtCiLi0由 的定義得： 。將其代入方程式（）可得：uinduV 式（）inutLt?020在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，控制積分控制器讓 的平均值與 值相同。平均化處dVoref理方程（）可得： 式（）dinutRLdtC??020如圖 所示，電壓環(huán)采用的是 PID 調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)可表示為： 式（）??????0 00)()()( tVkVkVkVorefdorefiorefpdref對(duì)式（）進(jìn)行平均化處理，可得： 式（）???000)(tdorefipdref經(jīng)以上分析，先聯(lián)立方程式（）、（），再對(duì)其求取微分，可得： 式（）orefiipd VktktVkRLtVC???02030 )1()(由式（）可得，對(duì) PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)的合理選取，可以確保輸出電壓嚴(yán)格的跟蹤到參考電壓。由圖 單相全橋逆變器主電路圖和圖 全橋逆變器單周期控制框圖可得：要想使逆變器對(duì)輸入電壓擾動(dòng)做出快速響應(yīng)，則需對(duì)橋臂中點(diǎn)電壓 采樣引入輸入電壓前饋控制。dV 雙極性控制模式數(shù)字控制算法的實(shí)現(xiàn)攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 單周期控制技術(shù)在全橋逆變器中的應(yīng)用20P I D 調(diào)節(jié)器積分器輸出R S 觸發(fā)器復(fù)位信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)圖 雙極性控制模式單周控制器調(diào)制波形雙極性控制模式單周期控制器調(diào)制波形如圖 。由圖可知，調(diào)制器積分量是橋臂中點(diǎn)電壓值，參考量是 PID 調(diào)節(jié)器輸出。則有： 式（）ddrefV?采用數(shù)字控制時(shí)，可用一 PWM 中斷在中斷計(jì)算中計(jì)算出 PID 調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)。公式（）中 d 為占空比，可對(duì)其進(jìn)行計(jì)算并不斷更新。 單極性控制模式 QRS時(shí)鐘發(fā)生器比較器CdrefV 1S234R邏輯A邏輯BF FA 1A 2比較器B 1B 2Y 1Y 2圖 單極性控制模式圖 為單極性控制模式。其主電路由兩個(gè)工作在高頻狀態(tài)、兩個(gè)工作在工頻狀態(tài)的開關(guān)管組成，其目的是減少開關(guān)損耗的同時(shí)提高開關(guān)效率，并且當(dāng)正負(fù)半周工作在對(duì)稱情況時(shí)可消除直流偏置。單極性模式由這兩個(gè)比較復(fù)雜的邏輯電路構(gòu)成，這樣可以解決過零點(diǎn)的誤差問題。據(jù) 的定義可得到 。其工作uinduV?攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 單周期控制技術(shù)在全橋逆變器中的應(yīng)用21原理分析與雙極性控制模式相同。給出邏輯電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，其控制邏輯A、B 分析如下。首先定義參數(shù) 、 、 ：1u2 式（）?????ONSFS2amp。 式（）4312 式（）)(uinV3S4dV0LiCR圖 S1 閉合，S2 斷開時(shí)電路邏輯圖inV3S4dV0LiCR攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 單周期控制技術(shù)在全橋逆變器中的應(yīng)用22圖 S1 斷開，S2 閉合電路邏輯圖圖 為當(dāng) 時(shí)，S1 閉合，S2 斷開的電路邏輯圖。此時(shí)若 A1=0，則對(duì)0?drefV積分，那么 S4 閉合，S3 斷開， 。所以 B1=1，Y2=0。此時(shí) A2=B2=1。表dV0?Q 為 時(shí)的邏輯關(guān)系表。圖 是當(dāng) 時(shí)，S1 斷開，S2 閉合的電路ref ?drefV邏輯圖。分析可知，是對(duì)負(fù)值積分，故當(dāng) A1=1 時(shí)進(jìn)行積分。此時(shí)，S4 斷開，S3閉合，得如表 所示邏輯圖。表 邏輯關(guān)系表A1 0 1 1 0A2 1 1 0 0Y1 0 1 0 1B1 1 0 1 0B2 1 1 0 0Y2 0 1 1 0S3amp。S4?drefV時(shí)，A2=B2=1，S1 閉合，S2 斷開S4 閉合 S3 閉合?dref時(shí)，A2=B2=0，S1 斷開，S2 閉合S3 閉合 S4 閉合表 最小項(xiàng)表達(dá)式A 0 0 1 1B 0 1 0 1)(0m?