8、单周期控制Boost-PFC变换器设计

开关电源设计与应用大作业专业：学号：姓名：授课教师：日期：题目：设计一个对boost变换器的功率因素校正系统，使该系统能稳定的向恒功率负载供电，并且对电网不产生影响。其设计指标如下：输入电压：100~220V,50Hz；输出电压：400V；输出功率：250W；功率因素：PF0.95;开关频率：100kHz。具体设计步骤如下：1.主电路拓扑的选择；2.元器件参数的选择；3.电路的稳态、动态分析与建模；4.反馈网络的设计；5.抑制输入电压、占空比、负载扰动对输出性能的影响；6.整体电路的仿真分析；7.电感的设计；目录第一章………………………………………………………………………………51.1背景……………………………………………………………………………51.2功率因素的定义………………………………………………………………51.3功率因素校正电路的分类……………………………………………………61.3.1无源功率因素校正……………………………………………………61.3.2有源功率因素校正（APFC）…………………………………………61.4有源功率因素校正的控制策略………………………………………………71.4.1滞后控制………………………………………………………………71.4.2平均电流模式控制……………………………………………………81.4.3峰值电流控制…………………………………………………………81.4.4单周期控制……………………………………………………………9第二章……………………………………………………………………………102.1单周期控制boost电路功率因素校正的原理与电路实现…………………102.2单周期控制功率因素稳定性分析…………………………………………12第三章……………………………………………………………………………133.1主功率电路的设计…………………………………………………………133.2最大输入功率因素和电流……………………………………………………143.3高频输入电容的计算…………………………………………………………143.4PFC电感设计…………………………………………………………………153.5输出电容及功率管的选择……………………………………………………173.5.1输出电容设计……………………………………………………………173.5.2开关管及功率二极管的选择…………………………………………173.6功率因素校正电路控制环路分析……………………………………………183.6.1输出电阻分压网络……………………………………………………193.6.2PWM及boost功率环节………………………………………………193.6.3电压误差补偿网络传递函数…………………………………………203.7整体电路的仿真分析…………………………………………………………223.8输入电压扰动对输出参数的影响……………………………………………233.9输出负载为非电阻负载………………………………………………………243.10单周期控制与滞后控制方法的对比…………………………………………25第四章……………………………………………………………………………274.1本文主要工作…………………………………………………………………274.2下一步的工作…………………………………………………………………27参考文献……………………………………………………………………………27第一章1.1背景随着各类电器从电网汲取的能量越来越多以及国际组织对于电能质量的规范越来越严格，功率因素校正（PFC）已经成为电力电子行业中的热点。一般的变换器系统中通常需要交流对直流（AC/DC）的变换过程。然而，传统的AC/DC电能变换器大多数由无源元件组成，例如二极管桥式整流器，如下图1所示。这些整流器虽然具有成本低，结构简单的优点，但是由于其输入电流对电压而言，具有较大的谐波失真，导致功率因素偏低，往往只有0.6~0.7左右。如此畸变的电流含有丰富的谐波，将对电网造成谐波污染。一方面产生二次效应，即电流流过线路阻抗造成的电压降，反过来使电网电压也发生畸变；另一方面，对电网中的其他用电设备造成不良的影响，例如仪器仪表的保护装置的误测量、误动作，线路和配电变压器过热。ACD1D2D3D4C1R1图1传统AC/DC变换器目前在电源中加装功率因素校正环节的另一主要原因是为了满足国际规范对电源谐波含量及功率因素制定的要求。如一些发达国家强制推行了国际电工委员会（IEC）标准IEC555-2(1982)、IEC1000-3-2(1994)、IEC61000-3-2(2000)、美国IEEE标准IEEE519(1992)等，我国也颁布了GB/T14549(1993)。1.2功率因素的定义功率因素PF定义为：PF=𝑃𝑆=𝑃𝑉𝐼式中P为输入有功功率，S为视在功率，𝑉、𝐼分别为输入电压、输入电流的有效值。假设输入交流电压完全为正弦波，功率因素又可以写成如下形式：PF=𝑉𝐼()𝑐𝑜𝑠𝜑𝑉𝐼=𝐼()𝑐𝑜𝑠𝜑𝐼=𝜇𝑐𝑜𝑠𝜑其中𝐼()为基波电流有效值，μ为基波电流数值因素，𝜑为输入电压与输入基波电流相移角。为了研究整流变换器输入功率因素与谐波之间的关系，定义总谐波畸变率THD为THD=𝐼𝐼()=𝐼+𝐼+⋯+𝐼+⋯𝐼()100%式中𝐼ℎ为所有谐波电流分量的总有效值。则功率因素与总谐波畸变率有如下关系：μ=𝐼()𝐼=1√1+𝑇𝐻𝐷功率因素又可以写成如下形式：PF=μ∗COS𝜑=COS𝜑√1+𝑇𝐻𝐷1.3功率因素校正电路的分类功率因素校正技术有很多种分类方法，根据电网供电方式分为单相PFC电路和三相PFC电路；根据电路构成，PFC电路又可分为无源PFC电路和有源PFC电路。1.3.1无源功率因素校正单相整流电路的无源功率因素校正技术是在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波，提高功率因素。无源功率因素校正由于采用电感电容二极管等元件代替了价格较高的有源器件，从而使开关电源的成本降低。虽然采用无源功率因素校正技术所得到的功率因素不如有源功率因素校正电路高，但仍然能使电路的功率因素提高到0.7~0.8，电流谐波含量降低到40%以下，因而这种技术在中小容量的电子设备中被广泛应用。无源功率因素校正优点是电路简单，成本低，但功率因素校正效果受负载影响较大，并且所需的滤波电容和滤波电感值较大，体积和重量都比较大，对于输入电流中谐波电流的抑制效果并不是很好。1.3.2有源功率因素校正（APFC）上世纪80年代中期，APFC技术的研究集中在电流连续模式（CCM）的乘法器型，它的优点是功率因素高，流过开关管的电流有效值小，因此广泛应用在中大功率场合。缺点是需要检测输入电压、电流和输出电压，控制复杂，成本高。上世纪80年代末期提出的电流断续模式（DCM）进行功率因素校正的概念，这种PFC技术被称为电压跟随器，因其控制简单而备受青睐，而且电感工作在电流断续模式，避免了boost变换器二极管的反向恢复问题，缺点是输入电流波形是断续的，需要输入较大的滤波器，且开关管的电流有效值比CCM大，开关管的导通损耗增加，因此只适用于小功率、对成本敏感的场合。1.4有源功率因素校正的控制策略无论电源PFC电路使用何种拓扑，都至少需要有一个PFC电感位于母线输入侧。由于电感电流不能突变，PFC电感对输入电流起到了定型作用。各种功率因素校正控制方法通过不同的方式来控制电感电流瞬时波形，使得电感电流工频基波分量与输入电压的波形一致并且同相位，以此实现功率因素的校正。按照不同的电感电流波形控制方法，APFC电路可以分为以下三类：临界电流断续模式（CRM）、电流断续模式（DCM）、电流连续模式（CCM）,本次研究的对象是CCM模式下的PFC，通过不同的控制策略，工作在CCM模式下的boost变换器的功率因素可以近似达到1，最受欢迎的控制策略有平均电流模型控制（Jappe&Mussa,2009）、峰值电流控制（Jappe&Mussa,2009）以及滞后控制（Jappe&Mussa,2009），最近新提出的控制方法为单周期控制（Nimesh&John,2012）,下面简单介绍这几种CCM模式下的控制技术：1.4.1滞后控制这种控制方法通过检测电流，使得电流在一个电流限值内，这个电流限值是通过采样输入的正弦电压经过合理的分压网络得到的。电流采样是通过分流电阻或者霍尔传感器，通过将采样得到的电流值与电流滞后环的限值作比较，来控制开关管的通断。其具体控制图如图2所示：IiC0R0DL2IgIoVoR3R4C1VrefZ=X.YXYVg1/KIv(ref)R1R2QRSFFS图2滞后控制该控制策略的特点如下：a)开关频率可变，并且开关频率是不可预测的。所以滤波器电感的设计要按照最低频率设计；b)输入功率因素高；c)工作在CCM模式下；d)需要采样电流和乘法器，使得控制电路复杂。1.4.2平均电流模式控制该控制方法首先通过分压电阻采样输出电压，并将输出电压与参考电压作比较，获得电压误差放大信号，然后通过乘法器将该误差信号与输入正线电压相乘，将相乘后的信号与采样到的电流值作比较，比较后的值与锯齿波信号作比较，从而控制开关管，具体控制图如图3所示：IiC0R0DL2IgIoVoC1VrefZ=X.YXYVg1/KSRsPWMmodulator图3平均电流模式控制该控制策略的特点如下：a)连续的开关频率；b)高输入功率因素；c)工作在CCM模式；d)需要电流传感器、乘法器、除法器、积分器，所以控制电路较为复杂。1.4.3峰值电流控制该方法通过比较通过电感采样到的电流与从输入电压采样到的参考电压。当电流近似等于参考值时，开关断开，如图4所示。开关管的导通状态由PWM控制器实现，其开关频率是连续的。IiC0R0DL2IgIoVoVrefZ=X.YXYVg1/KQRSFFSClockExternalramp图4峰值电流控制该控制策略的特点如下：a)只需要采样一个开关电流；b)不需要电流误差放大器和各自的补偿网络；c)高输入功率因素；d)工作在CCM模式；e)需要电流传感器、乘法器，因此控制电路较复杂。1.4.4单周期控制单周期控制没有模拟乘法器，没有输入电压传感器，没有斜坡函数发生器。输出电压与参考电压作比较，通过误差放大器和补偿器产生一个误差信号或者是调制电压。单周期控制的核心是下图5中所示的可复位的积分器，积分器在周期开始时积分调制电压，在周期结束时，积分器清零。当电压回路带宽很小时，调制电压的变化会非常缓慢，在一个周期内可以认为是一个常量，这就意味着积分器的输出会是一个斜坡函数。这个变化的斜坡函数与误差电压作比较，从而产生PWM门极驱动。IiC0R0DL2IgIoVoVrefVgSClockQRSQ’图5单周期控制该控制策略特点如下：a)不需要采样正弦输入电压；b)高输入功率因素；c)工作在CCM模式；d)不需要乘法器、除法器，控制方法简单。第二章2.1单周期控制boost电路功率因素校正的原理与电路实现PFC电路实现的目标是输入电流跟踪输入电压，即输入电流𝑖与输入电压𝑣成正比，从而使得输入阻抗为纯阻性，即：𝑣=𝑖∗𝑅(2.2.1)其中𝑅为变换器等效输入电阻。对于boost变换器，又有如下关系式：=1−𝑑(2.2.2)将（2.2.2）代入式（2.2.1），可得：𝑖∗𝑅=(1−𝑑)𝑉(2.2.3)等式两边同时乘以电流检测电阻𝑅,有𝑅∗𝑖=()∗∗(2.2.4)令𝑉=∗，化简得：𝑉−𝑅∗𝑖=𝑑𝑉（2.2.5）式（2.2.5）是单周期控制boost变换器的控制方程，称为下降沿调制，构造单周期控制方程如下：𝑉(𝑡)=𝑉−𝑅∗𝑖（2.2.6）𝑉(𝑡)=∫𝑉𝑑𝜏其实现电路图如图6所示：AC电压误差放大器积分环节PWM比较器VmVmig*RsVm-ig*RsR1R2C0DLMOSFE