【正文】 衡控制(a)、(b)所示，輸入電壓檢測到正弦電壓值，加上正負(fù)bus電壓平衡檢測經(jīng)過整流和高頻濾波后送LT1248乘上電壓調(diào)節(jié)信號(hào)，做為給定的電流信號(hào)，這里的正負(fù)bus電壓平衡檢測是通過正負(fù)母線通過相同的電阻分壓取中點(diǎn)而得。由圖可得： (28)而，代入上式得： (29)——送LT1248的輸出電壓檢測（11腳），；——正母線電壓值；——負(fù)母線電壓值； ——由主控板發(fā)出的控制PFC緩起動(dòng)的信號(hào)（通過主控DSP的PWM口發(fā)出占空比變化的PWM波，經(jīng)過濾波而得到）。此時(shí)，選RSET＝15k，CSET＝2nF。該芯片頻率的計(jì)算公式為：，一般來說，PFC可以工作在100kHz左右，隨著輸入功率的增大，工作頻率要相應(yīng)降低。反之，R越小，頻率則越大。同時(shí)，在整流橋的輸出端接400k死負(fù)載，防止電路空載，確保各種負(fù)載情況下輸出穩(wěn)定。同時(shí)續(xù)流二極管應(yīng)選擇快恢復(fù)二極管，以減小開關(guān)損耗，最好選用恢復(fù)時(shí)間小于60ns的超快恢復(fù)二極管。 (27)實(shí)際中為了確保母線電壓的紋波盡可能的小，電容采用一個(gè)470與四個(gè)150電容并聯(lián)，為1070。假設(shè)輸出紋波電壓為輸出電壓的10％（最差情況）。在保證電感體積重量允許的前提下，盡可能限制電流的脈動(dòng)率，實(shí)際中取了1mH的電感。電壓為峰值時(shí)的占空比為： (23) (24)——電流最大脈動(dòng)率，；——輸入電流基波峰值。 (22)(2)以限制電流脈動(dòng)率為原則在boost電路中，輸入電流存在脈動(dòng)，在對(duì)功率因數(shù)要求高的場合，電流的脈動(dòng)率要求小于某一允許的最大脈動(dòng)率。電流工作于斷續(xù)狀態(tài)時(shí)的缺點(diǎn)是：功率因數(shù)低，電流尖峰大，整流二極管上損耗的主要成分由通態(tài)損耗變?yōu)殚_關(guān)損耗，損耗將增大。通?？刂齐姼须娏骷纯煽刂戚斎腚娏?，而電流的控制通過電感的存儲(chǔ)與釋放能量來實(shí)現(xiàn)，所以電流將在給定電流附近脈動(dòng)。這里有三種設(shè)計(jì)參考的原則（以交流220V輸入，帶滿載的情況計(jì)算參數(shù)）。l 電路中各元器件均為理想元器件，無損耗。l boost電路的輸出濾波電容很大，使得輸出電壓在半個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)保持恒定。 系統(tǒng)的簡化分析電路 硬件系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 主功率電路設(shè)計(jì)升壓電感的設(shè)計(jì)：在boost功率因數(shù)校正電路中，升壓電感與輸出穩(wěn)壓電容的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)使功率因數(shù)降低或體積變大。缺點(diǎn)是：(1)對(duì)于單個(gè)電容，是半個(gè)市電周期內(nèi)的升壓控制，在另外半個(gè)周期電容完全向負(fù)載放電，造成母線紋波較大；(2)市電中點(diǎn)N的不平衡或波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響較大，系統(tǒng)要在PFC和逆變側(cè)都進(jìn)行抑制中點(diǎn)電位波動(dòng)的抑制，造成控制系統(tǒng)復(fù)雜化。這就為后面的主功率器件設(shè)計(jì)提供了理論支持。綜上可得，當(dāng)輸入電壓為正半波時(shí)，模態(tài)一與模態(tài)二交替，頻率為開關(guān)管通斷頻率，為正向Boost電路，將峰值為311的正向電壓升至425V，加在電容C1上面，；當(dāng)輸入電壓為負(fù)半波時(shí)，模態(tài)三與模態(tài)四交替，頻率為開關(guān)管通斷頻率，為負(fù)向Boost電路，將峰值為－311的負(fù)向電壓升至－425V，加在電容C2上面。此時(shí)電感L和負(fù)電源一起對(duì)負(fù)載放電，同時(shí)對(duì)電容C2充電，電流減小，電感儲(chǔ)能釋放。(c)。等效電路如圖，輸入電流沿N－D3－T－D2－L回到電源。(b)。等效電路如圖，輸入電流沿L－D1－D5－C1－N回到電源。(a)。等效電路如圖，輸入電流沿L－D1－T－D4－N回到電源。 雙boost電路的新型拓?fù)湎到y(tǒng)的主要性能參數(shù)：Sout(max)=10kVA（三相）；cosφ＝（滯后）；P(max)＝Sout(max)cosφ/6=1333w（單相半母線輸出功率，參數(shù)計(jì)算采用該功率）；Uin＝180～270V；Uout＝177。只要VCC不低于10V，LT1248就一直工作正常。欠壓封鎖功能通過一個(gè)帶滯環(huán)的比較器方便的實(shí)現(xiàn)。過流保護(hù)在芯片內(nèi)部有兩重保護(hù)：(1)由腳12外接的電阻RSET設(shè)置的，根據(jù)公式，通過設(shè)定RSET，就可以控制IM的大小，而IM又和輸入電流存在一定的比例關(guān)系（由外圍電路選擇有關(guān)），進(jìn)而控制輸入電流的最大值。最終將輸出電壓誤差維持在2V之內(nèi)。過壓保護(hù)在芯片內(nèi)部有三重保護(hù)：(1)由8腳OVP檢測到輸出電壓信號(hào)，比較器輸出低電平封鎖乘法器的輸出，使乘法器輸出電流為零。同時(shí)，LT1248采用的是電壓電流雙環(huán)控制的方法，電壓環(huán)的輸出成為電流環(huán)的給定，這樣即保證了輸出電壓的恒定，又保證了輸入電流與輸入電壓的同相位，同時(shí)也提高了系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)特性。前兩種比較策略所用的器件較少，但是容易受噪聲的干擾，使系統(tǒng)控制精度降低。經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器后，與6腳檢測到的輸入電壓反饋信號(hào)相乘，得到輸入電流給定指令，再與4腳檢測到的輸入電流反饋相減，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器，形成控制量，該控制量與三角波比較，生成占空比可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)電路中的開關(guān)管的通斷，最終實(shí)現(xiàn)PFC控制的目的。： LT1248的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖按功能的不同大體分為三個(gè)部分，基本運(yùn)算單元（含電壓誤差放大器、乘法器、電流放大器）；保護(hù)單元（含過壓保護(hù)電路、過流保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、開機(jī)軟啟動(dòng)電路和保護(hù)信號(hào)綜合電路）；功能實(shí)現(xiàn)單元（含PWM比較器、RS觸發(fā)器、同步信號(hào)發(fā)生器、振蕩器、）。該芯片采用DIP16封裝，具有以下特點(diǎn)[18][19]：l 能夠適應(yīng)寬范圍內(nèi)的負(fù)載變化；l 采用平均電流控制方法；l ；l 低靜態(tài)工作電流、高開關(guān)噪聲抑制；l 內(nèi)部集成了多重的保護(hù)；l 特有同步信號(hào)處理能力。(7)分析了中點(diǎn)波動(dòng)的成因和危害，采用了針對(duì)三相SPWM控制的載波浮動(dòng)的中點(diǎn)平衡控制策略，并論述了PFC母線平衡控制與逆變器直流偏磁控制對(duì)于抑制中點(diǎn)波動(dòng)的作用。分析了PID瞬時(shí)值反饋穩(wěn)態(tài)精度不佳的根本原因，增加了均值PI外環(huán)，做到了輸出電壓幅值的無靜差。采用了極點(diǎn)配置PID參數(shù)，瞬時(shí)值反饋的控制策略，詳細(xì)論述了PID串聯(lián)校正的設(shè)計(jì)方法。比較了單相SPWM各種方法的優(yōu)劣和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。(3)推導(dǎo)了電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的小信號(hào)模型，并基于此模型采用串聯(lián)校正方法設(shè)計(jì)了兩個(gè)環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。本文的主要內(nèi)容如下：(1)采用基于平均電流控制的PFC控制芯片LT1248為核心，詳細(xì)論述了LT1248的工作原理和設(shè)計(jì)步驟。 本文的主要研究內(nèi)容本文主要是針對(duì)UPS系統(tǒng)中PFC整流與逆變器的研究。本文針對(duì)二極管鉗位型三電平逆變器進(jìn)行研究，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是高壓大功率場合中應(yīng)用最廣泛的一種。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸出相電壓的電平數(shù)由公式m=2s+1所決定，其中s為直流電源的個(gè)數(shù)。將各個(gè)全橋逆變器的輸出電壓串聯(lián)起來，合成了最終的電壓輸出波形。 m電平的級(jí)聯(lián)式多電平逆變器每個(gè)獨(dú)立的直流電源(SDCS)和一個(gè)單相全橋逆變器相連。它通過幾個(gè)獨(dú)立的直流電源合成一個(gè)期望的電壓。并且在裝置起動(dòng)時(shí)，各電容需要預(yù)充電達(dá)到運(yùn)行電壓，實(shí)現(xiàn)起來也相對(duì)復(fù)雜。飛躍電容型多電平逆變器也只需要一個(gè)直流電源，并且同樣可以采用背靠背的方式實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。飛躍電容型多電平逆變器的與二極管鉗位型多電平逆變器相比，每個(gè)相電壓電平狀態(tài)可以有很多組合選擇，這里稱其為相電壓冗余開關(guān)組合。 三相五電平的飛躍電容型多電平逆變器顯而易見，A相橋臂中的三層內(nèi)環(huán)平衡電容Ca1，Ca2和Ca3與B相橋臂的三層電容是互相獨(dú)立的。此逆變器的直流側(cè)采用了一種階梯結(jié)構(gòu)，每一層的電容電壓都與下一層的電容電壓不同。例如，二極管鉗位型三電平逆變器雖然是目前應(yīng)用最為成熟的多電平逆變器結(jié)構(gòu)之一，但中點(diǎn)電位平衡問題是它固有的問題，并且是一個(gè)研究的熱點(diǎn)問題，這也是本文的研究內(nèi)容和要解決的問題之一。 五電平逆變器 五電平的開關(guān)狀態(tài)在任意時(shí)間內(nèi)，每相橋臂中四個(gè)相鄰的開關(guān)器件都是導(dǎo)通的，并且每相橋臂中都存在四個(gè)互補(bǔ)導(dǎo)通的開關(guān)對(duì)，如Sa1和Sa’1，Sa2和Sa’2，Sa3和Sa’3以及Sa4和Sa’4。，O點(diǎn)為輸出相電壓的參考點(diǎn)，在A和O之間有五個(gè)開關(guān)組用來產(chǎn)生五電平的輸出電壓。二極管鉗位型多電平逆變器只需要一個(gè)公共的直流電源，這使它的整流側(cè)設(shè)計(jì)比較簡單。在其直流側(cè)含有4個(gè)電容分別是C1，C2，C3，C4。多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為以下三個(gè)類型：l 二極管鉗位型多電平逆變器(DiodeClamped Multilevel Inverter)l 飛躍電容型多電平逆變器(FlyingCapacitor Multilevel Inverter)l 級(jí)聯(lián)多電平逆變器(Cascaded Multilevel Inverter)(1)二極管鉗位型多電平逆變器(DCMI)二極管鉗位型多電平逆變器是通過串連的電容將直流側(cè)的高電壓分成一系列較低的電平電壓。隨著高電壓、大電流IGBT器件的出現(xiàn)，采用這種結(jié)構(gòu)的逆變器的應(yīng)用也就越來越廣泛。 三電平逆變器技術(shù)綜述三電平逆變器自從1980年由D. A. Nabae等人提出之后，在高電壓、大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償。單周控制能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，具有反應(yīng)快、動(dòng)態(tài)性能好、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、抗干擾、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。單周期控制是一種非線性控制技術(shù)。該方法也是本文重點(diǎn)論述的控制方法。主要缺點(diǎn)是：控制電路復(fù)雜,需用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環(huán)路；參考電流與實(shí)際電流的誤差隨著占空比的變化而變化，可能引起低次電流諧波。像一些經(jīng)典的PFC控制芯片，如UC3854就工作在平均電流控制方式。由于該方法中，開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷是由調(diào)節(jié)器的輸出（參考波）與高頻鋸齒波（載波）比較而得出的，所以無法畫出電感電流與驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)應(yīng)的波形圖。(3)平均電流控制該控制方法與上面兩種控制方法的最大不同是將電流比較器換成了電流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)增加了一個(gè)電流內(nèi)環(huán)，輸入電流的采樣與電流給定信號(hào)（電壓調(diào)節(jié)器的輸出）比較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)做調(diào)節(jié)器（一般為PID）的輸入，調(diào)節(jié)器的輸出做為參考波，而用一個(gè)恒頻鋸齒波做為載波，兩個(gè)信號(hào)送入比較器，比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路使開關(guān)管導(dǎo)通或關(guān)斷。目前，關(guān)于滯環(huán)電流控制改進(jìn)方案的研究還很活躍，目的在于實(shí)現(xiàn)恒頻控制。結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，且具有很強(qiáng)的魯棒性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。電流滯環(huán)寬度決定了電流上升下降的時(shí)間和電流紋波的大小，它可以是固定的，也可以與瞬時(shí)平均電流成比例，成為變系數(shù)的滯環(huán)控制。當(dāng)電感電流達(dá)到基準(zhǔn)下閾值imin時(shí)，開關(guān)Tr導(dǎo)通，電感電流上升，當(dāng)電感電流達(dá)基準(zhǔn)上限值imax，開關(guān)Tr關(guān)斷，電感電流下降。 滯環(huán)電流控制的輸入電流波形 滯環(huán)電流控制的系統(tǒng)控制圖，它與峰值電流控制的差別是：只能用電感電流做為電流檢測量；且在電流比較器與驅(qū)動(dòng)電路之間多了一個(gè)滯環(huán)邏輯控制器(hysteretic logic controller)。故在PFC中，這種控制方法趨于被淘汰。峰值電流控制的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，可實(shí)現(xiàn)恒頻工作，開關(guān)電流定額小，電流有效值小，EMI濾波器小。為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生，必須在比較器的輸入端增加一個(gè)斜率補(bǔ)償函數(shù)(slope pensation)或稱斜坡補(bǔ)償函數(shù)。當(dāng)電感電流峰值按工頻變化，從零變化到最大值時(shí)，占空比逐漸由大到小。電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出Z供給，Z＝XY。因?yàn)椴挥靡揽繖z測輸入電流的跌落值來判斷開通時(shí)間點(diǎn)，所以可以用開關(guān)管電流來做為檢測電流。含有高頻紋波的輸入電流，經(jīng)過低通濾波網(wǎng)絡(luò)，取每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值，則可得到較光滑的近似正弦波。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電流等于開關(guān)導(dǎo)通電流。而升壓式(Boost)變換器由于具有電感電流連續(xù)、儲(chǔ)能電感也兼做濾波器可抑制RFI和EMI噪聲、電流波形失真小、輸出功率大及共源極、驅(qū)動(dòng)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于PFC更為廣泛[13][14]。通過相應(yīng)的控制（PWM調(diào)制）使輸入電流平均值自動(dòng)跟隨全波整流電壓基準(zhǔn)，呈正弦波形，且相位差為零，使輸入阻抗呈純阻性，從而使功率因數(shù)趨近于1[11][12]。 PFC整流技術(shù)綜述 PFC整流技術(shù)的基本原理有源功率因數(shù)校正APFC(Active Power Factor Correction)的基本電路由兩大部分組成：主功率電路和控制電路。在線互動(dòng)式UPS的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在線式UPS，而只比后備式UPS價(jià)格稍高。另外，它還采用了鐵磁諧波變壓器，在市電供電時(shí)具有較好的穩(wěn)壓功能。在線互動(dòng)式UPS的逆變器一直處于工作狀態(tài)，具有雙向功能：當(dāng)市電正常時(shí)，UPS的逆變器處于反向工作狀態(tài)，給蓄電池組充電，起充電器的作用；當(dāng)市電異常時(shí)，逆變器立刻轉(zhuǎn)入逆變工作狀態(tài)，將蓄電池組的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流正弦波并輸出?？偠灾珼elta技術(shù)的運(yùn)用不僅彌補(bǔ)了原來在線式UPS的不足，還使得UPS的許多主要指標(biāo)有了新的突破。(3)雙逆變電壓補(bǔ)償在線式UPS雙逆變電壓補(bǔ)償技術(shù)也稱為Delta技術(shù)，它成功地將交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理運(yùn)用到UPS的主電路中。在線式UPS的這種特點(diǎn)使它比較適合于用外加蓄電池或加裝優(yōu)質(zhì)發(fā)電機(jī)的方法改裝成長時(shí)間不間斷供電的系統(tǒng)。當(dāng)市電正常時(shí)，在線式UPS輸入交流電壓，通過充電電路不斷對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)AC/DC電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，由逆變器再將直流電壓逆變成交流正弦波電壓并供給負(fù)載，起到無級(jí)穩(wěn)壓的作用。但后備式UPS產(chǎn)品有著價(jià)格優(yōu)勢，比較便宜，適合于小型辦公企業(yè)和家庭用戶使用。后備式UPS存在切換時(shí)間，一般為4－10ms，但對(duì)一般的計(jì)算機(jī)設(shè)備的工作不會(huì)造成影響。近年出現(xiàn)的后備式UPS往往在交流旁路上配置了交流穩(wěn)壓電路和濾波電路加以改善。 UPS的分類目前，市場上UPS品牌和種類繁多，但可從電路主結(jié)構(gòu)、后備時(shí)間、輸入/輸出方式、輸出波形和輸出容量等五個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分類，其中按電路主結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類是目前最常用的分類方法[8][10]。同時(shí)，開關(guān)管在截止期間沒有電流流過，故自身損耗小，其供電效率可達(dá)90％以上。(3)效率高，損耗低由于UPS中的逆變器采用了PWM（Puls