峰值电流控制的单相BOOST-PFC变换器工作原理分析

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漫谈PFC的原理与实现

漫谈PFC的原理与实现

漫谈PFC的原理与实现PFC(Power Factor Correction)即功率因数校正,是一种通过电子设备来改善电源系统功率因数的技术。

在传统的电源系统中,由于非线性负载的存在,电流和电压之间出现了相位差,从而导致功率因数较低。

低功率因数会造成电网供电能力的浪费,对供电设备和线路的损耗加大,同时也会产生电网污染。

PFC技术的实现原理主要有三种:被动PFC、主动PFC和混合PFC。

被动PFC主要通过电感和电容构成LC滤波网络,使得电源输入电流与电源输入电压之间达到一定的相位差,实现功率因数的校正。

它可以简单、成本低廉,但在电源负载变化较大的情况下,效果较差。

同时,被动PFC对负载变化的响应较慢,难以满足高性能电子设备对电源质量的要求。

主动PFC则通过将电源的输入电流与输入电压进行精确的控制,使得输入电流能够与输入电压保持相位同步,从而实现功率因数的校正。

主动PFC一般采用桥式变流器和直流电压连接到负载的电容网络,并通过控制开关管的通断情况来控制输入电流的形状和相位位置。

主动PFC具有快速响应、高精度的特点,能够有效地提高功率因数,但成本较高。

混合PFC则是将被动PFC和主动PFC技术结合起来,取两者之长,弥补各自的不足。

混合PFC常常采用LC滤波网络作为前级滤波,通过电感和电容限制谐波电流,进而减小对负载变化的敏感度。

然后通过主动PFC控制器对谐波进行反馈控制,实现功率因数的校正。

混合PFC技术可以在保证高效性能的同时,降低系统成本,提高电源系统的可靠性和稳定性。

实现PFC的关键在于控制输入电流与输入电压之间的相位差,从而使得功率因数接近1、常见的控制方法包括辅助电源的采样反馈、基于模拟电路的控制、基于数字信号处理器(DSP)的控制和基于微控制器(MCU)的控制等。

辅助电源采样反馈法通过对输入电流进行采样和测量,然后反馈给控制器进行计算和控制,从而实现功率因数的校正。

这种方法实现简单,但精度不高,对负载变化响应较慢。

PFC电路原理与分析

PFC电路原理与分析

引言追求高品质的电力供需,一直是全球各国所想要达到的目标,然而,大量的兴建电厂,并非解决问题的唯一途径,一方面提高电力供给的能量,一方面提高电气产品的功率因数(Power factor)或效率,才能有效解决问题。

有很多电气产品,因其内部阻抗的特性,使得其功率因数非常低,为提高电气产品的功率因数,必须在电源输入端加装功率因数修正电路(Power factor correction circuit),但是加装电路势必增加制造成本,这些费用到最后一定会转嫁给消费者,因此厂商在节省成本的考量之下,通常会以低价为重而不愿意让客户多花这些环保金,大多数的消费者,也因为不了解功率因数修正电路的重要性,只以为兴建电厂才是解决电力不足问题的唯一方案,这是大多数发展中国家电力供应的一大问题所在。

功率因数的意义电力公司经由输配电系统送至用户端的电力(市电)是电压100-110V/60Hz或200-240V/50Hz的交流电,而电气产品的负载阻抗有三种状况,包括电阻性、电容性、和电感性等,其中只有电阻性负载会消耗功率而产生光或热等能源转换,而容性或感性负载只会储存能量,并不会造成能量的消耗。

在纯阻性负载状况下,其电压和电流是同相位的,而在电容性负载下,电流的相位是超前电压的,在电感性负载下电压又是超前电流相位的。

这超前或滞后的相位角度直接影响了负载对能量的消耗和储存状况,因此定义了实功功率的计算公式:P=VICosθθ为V和I和夹角,Cosθ的值介于0-1之间,此值直接影响了电流对负载作实功的状况,称之为功率因数(Power Factor,简称PF)。

为了满足消费者的需要,电力公司必须提供S=VI的功率,而消费者实际上只使用了P的功率值,有一部分能量做了虚功,消耗在无功功率上。

PF值越大,则消耗的无功功率越小,电力公司需要提供的S值也越小,将可以少建很多电厂。

功率因数修正器的结构功率因数修正器的主要作用是让电压与电流的相位相同且使负载近似于电阻性,因此在电路设计上有很多种方法。

PFC电路与BOOST电路设计实例解析

PFC电路与BOOST电路设计实例解析

f (mmin )
sin 2 t dt
0
1
1
sint
mm in
13
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
要保证电感电流断续,必须满足d1+d2<1 随着mmin=Vo/Vin的增加,d1+d2先减小后增大 因此在输入电压较小与较大时均会使电感电流趋
于连续
通常在断续模式下的电感量设计中按最低输入电 压时确参数。
(4)单周控制:能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰,有反应 快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控制电路简 单等优点。
36
上节内容回顾
谐波污染的治理主要途径: 无源电力滤波器(PPF)
BOOST电路
功率因素校正(PFC) 基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法 PFC典型芯片UC3854介绍 基于Boost电路的PFC变换器设计实例
1
功率因素校正-谐波的危害
Ii
a

Vi
流 变 换
负 载

b
2
功率因素校正-谐波的危害
传统的AC-DC变换器和开关电源,其输入 电路普遍采用了全桥二极管整流,输出端 直接接到大电容滤波器。
DCM
输入电流自动跟踪输入电压,控制简单,仅需一个电压环, 成本低,电感量小,主管ZCS,续流管无反向恢复问题 ,定频工 作,适合小功率用电设备 。
BCM
输入电流自动跟踪输入电压,电感量小,一般采用变频控制, 在固定功率开关管开启时间的条件下,调整开关管的关断时间, 使电感始终处于临界导电模式,可获得单位功率因数,但是滤 波器设计困难,适用于中小功率场合。
ui
其中,di ima,x 因此 dt Ton

PFC工作原理和控制方法

PFC工作原理和控制方法

PFC工作原理和控制方法2010-12-15 14:46 分类:电源知识PFC不是一个新概念了,在UPS电源要运用地较多,而PC电源上很少见到PFC 电路。

PFC在PC电源上的兴起,主要是源于CCC认证,所有需要通过CCC认证的电脑电源,都必须增加PFC电路。

PFC就是“功功率因数校正”的意思,主要用来表征电子产品对电能的利用效率。

功率因数越高,说明电能的利用效率越高。

PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变,向电网注入大量的高次谐波,因此网侧的功率因数不高,仅有0.6左右,并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。

早在80年代初,人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。

1982年,国际电工委员会制订了IEC55-2限制高次谐波的规范(后来的修订规范是IEC1000-3-2),促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正(PFC)技术的研究。

电子电源产品中引入PFC电路,就可以大大提高对电能的利用效率。

PFC有两种,一种是无源PFC(也称被动式PFC),一种是有源PFC(也称主动式PFC)。

无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,但无源PFC的功率因数不是很高,只能达到0.7~0.8;有源PFC由电感电容及电子元器件组成,体积小,可以达到很高的功率因数,但成本要高出无源PFC一些。

有源PFC电路中往往采用高集成度的IC,采用有源PFC电路的PC电源,至少具有以下特点:1)输入电压可以从90V到270V;2)高于0.99的线路功率因数,并具有低损耗和高可靠等优点;3) IC的PFC还可用作辅助电源,因此在使用有源PFC电路中,往往不需要待机变压器;4)输出不随输入电压波动变化,因此可获得高度稳定的输出电压;5)有源PFC输出DC电压纹波很小,且呈100Hz/120Hz(工频2倍)的正弦波,因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。

单相Boost_APFC电路的设计与分析

单相Boost_APFC电路的设计与分析

文章编号:1004-289X(2021)06-0055-03单相BoostAPFC电路的设计与分析汪子琦ꎬ厉伟(沈阳工业大学电气工程学院ꎬ辽宁㊀沈阳㊀110870)摘㊀要:开关电源等电力电子设备内部存在的不可控整流电路很容易造成输入电流的畸变ꎬ将会导致谐波污染和用电安全等问题ꎮ本文针对这些问题ꎬ分析了BoostAPFC电路的平均电流法控制原理ꎬ提供了电路设计参数计算ꎮ并通过simulink软件对设计电路进行仿真ꎬ结果表明该电路的功率因数达到0 996ꎬ总谐波失真低于2%ꎬ能够有效抑制电流谐波ꎬ符合国家标准ꎮ关键词:功率因数ꎻAPFCꎻ平均电流法中图分类号:TM13㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:BDesignandAnalysisofSinglePhaseBoostPowerFactorCorrectionCircuitWANGZi ̄qiꎬLIWei(SchoolofElectricEngineeringꎬShenyangUniversityofTechnologyꎬShenyang110870ꎬChina)Abstract:Theuncontrollablerectifiercircuitsinpowerelectronicequipmentsuchasswitchingpowersuppliescaneasilycausedistortionoftheinputcurrentꎬwhichwillleadtoproblemssuchasharmonicpollutionandelectricitysafety.ThisarticleanalyzestheaveragecurrentcontrolprincipleofBoostAPFCcircuitꎬandprovidescircuitdesignparametercalculation.Thedesigncircuitissimulatedbysimulinksoftwareꎬandtheresultsshowthatthepowerfac ̄torofthecircuitreaches0 996ꎬandthetotalharmonicdistortionislessthan2%ꎬwhichcaneffectivelysuppressthecurrentharmonicsandmeetthenationalstandards.Keywords:powerfactorꎻactivepowerfactorcorrectionꎻaveragecurrentcontrol1㊀引言目前ꎬ电力电子技术日益广泛地应用到军事㊁工业等技术领域ꎮ以开关电源为例ꎬ其输入级大多利用二极管等元件构成的整流电路ꎮ这些电路为电力系统带来严重的谐波问题ꎬ使电网的供电质量以及用电的安全性得不到有效保证[1]ꎮ这一负面影响在电力行业中得到了越来越多的关注ꎮ如何抑制电流脉冲的幅值ꎬ使之最大程度上接近于正弦波ꎬ成为解决这一问题的有效方法ꎮAPFC相比于无源功率因数校正技术有更加明显的谐波抑制效果ꎬ同时对功率因数的提高更加显著㊁抗干扰能力强ꎮ㊀㊀APFC技术的思路就是利用功率开关的开通和关断将电感中储存的能量周期性地释放到电容中ꎬ从而对电路输入的电流大小进行控制ꎬ使电流尽量跟随电压的正弦波[2]ꎮ通过APFC技术ꎬ电源的功率因数得到提高ꎬ降低了整流器件对电网的谐波注入ꎮ本文介绍了电路的平均电流法控制原理ꎬ并设计了一种升压型APFC电路ꎮ在此基础上ꎬ利用simulink软件对该电路搭建仿真模型ꎬ验证了功率因数校正的有效性ꎮ2㊀基于平均电流法的APFC控制原理㊀㊀目前ꎬAPFC电路的控制方法的分类以电感电流的连续性进行的ꎮ其中应用最为广泛的就是连续导电模式(CCM)[3]ꎮ本文中的APFC电路采用的是CCM下的平均电流控制ꎮ其基本原理是通过开关管控制电感电流ꎬ使其跟踪整流电路后的电压指令ꎮ具体的控制思路就是ꎬ当输入电流比乘法器的输出大ꎬ调节功率开关的占空比Dꎬ从而减小电流ꎮ反之当输入电流的有效值小于乘法器的输入信号时ꎬ则增大电流ꎮ这样输入电流和输入电压同相位ꎮ避免了整流元件对电网的谐波注入ꎬ提升能源效率ꎮ图1为平均电流法BoostAPFC电路图ꎮ其控制回路分为电流环和电压环ꎮ在连续电流模式下ꎬ电路工作时电感电流波形图如图2所示ꎮ图1㊀平均电流法BoostAPFC电路图图2㊀电感电流波形图3㊀BoostAPFC电路的设计3 1㊀电路的技术指标㊀㊀BoostAPFC电路在开关电源等电子装置中应用极为广泛ꎮ一方面能够实现功率因数校正的目的ꎬ另一方面也能稳定输出直流电压ꎬ其控制较简单适用中小功率电源中[4]ꎮ本文设计的BoostAPFC电路主要技术指标如表1所示ꎮ表1㊀BoostAPFC电路的技术指标序号参数数值1输入电压范围Uin180~260V2工作频率fN50Hz3输出直流电压U0400V4开关频率fsw100kHz5输出功率P600W6功率因数cosφ>0 993 2㊀升压电感计算㊀㊀Boost电路的升压电感的在电路中有储能㊁转换和滤波的作用ꎮ输入电压为最小(180V)ꎬ此时输入电流达到最大ꎮ按照表1的参数计算电流峰值:㊀㊀Ipk==2PUin(min)=5.12A(1)㊀㊀输入电流的纹波和电感的大小有着非常密切的关系ꎮ过大的电感能够有效降低纹波ꎬ但是也带来了电感尺寸的增大和成本的提升ꎬ不符合电源的小型化原则[5]ꎮ根据工程实践的经验ꎬ一般情况下电流的纹波系数取0 2ꎮ可以计算出电流纹波为:㊀㊀ΔIL=0 2Ipk=1 024A(2)㊀㊀此时电路的占空比为:㊀㊀D=U0-2Uin(min)U0=0 36(3)㊀㊀计算得出升压电感为:㊀㊀L=2Uin(min)ˑDΔIL=894 54μH(4)3 3㊀输出电容计算㊀㊀在BoostAPFC电路中输出电容可以降低纹波ꎬ稳定输出电压[6]ꎮ工程实践中一般采用按照维持时间Δt来计算ꎬ本电路的输出电容为:㊀㊀C=2PΔtU20-U20(min)=514μF(5)4㊀单相BoostAPFC电路的仿真分析㊀㊀为了验证本文所设计的BoostAPFC电路是否符合理论性和国家标准ꎬ利用MATLAB搭建出仿真模型ꎮ主回路的具体参数由第二部分计算得出ꎮ控制回路分为电流内环和电压外环ꎮ仿真模型整体如图3所示ꎮ图3㊀BoostAPFC电路仿真模型㊀㊀输出电压的仿真结果可以验证电路的输出稳定性ꎮ图4为输出直流电压的波形图ꎬ可以看出电路启动时电压的最大值为420V左右ꎬ超调量为5%ꎬ之后很快达到了稳态ꎬ电压值为设计的400Vꎮ本电路的纹波电压不超过 ʃ8V ꎬ满足纹波率不超过2%的设计指标ꎮ图4㊀BoostAPFC电路输出电压波形㊀㊀图5为输入交流电压㊁电流的波形图ꎬ可以看出当电路达到稳定状态时ꎬ输入电流㊁电压的相位基本相同ꎬ提高功率因数ꎬ达到了电路的工作目的ꎮ图5㊀BoostAPFC电路输入波形图6㊀BoostAPFC电路的功率因数变化曲线㊀㊀通过Power模块可以得到输入的有功功率和无功功率ꎬ搭建函数模块可以计算出cosφ的数值ꎮ图6为电路输入电流的功率因数cosφ变化曲线ꎮ由图可知ꎬ当电路处于刚开始的波动时ꎬ功率因数已经达到了0 996以上ꎻ电路处于稳定的状态时ꎬ功率因数大于0 999ꎮ在实际的APFC电路中可能有所降低ꎬ但是依然能够满足国家标准的要求ꎮ㊀㊀快速傅里叶变换(FFT)在数字处理领域是许多数字信号处理方法的基础[7]ꎮ通过FFT工具箱析输入电流ꎮ图7为仿真结果ꎬTHD仅为1 9%ꎬ满足设计标准ꎮ图7㊀输入电流的FFT分析频谱5㊀结论㊀㊀针对整流器件对电网产生的谐波污染问题ꎬ本文分析APFC电路在CCM下的平均电流控制原理ꎬ并设计了BoostAPFC电路ꎮ针对设计的电路搭建模型进行仿真ꎬ该电路能够将功率因数提升至0 996ꎬ总谐波失真为1 9%ꎬ符合国家标准ꎮ参考文献[1]㊀李明ꎬ莘炜杰ꎬ于千越ꎬ等.基于抗饱和积分的APFC仿真研究[J].通信电源技术ꎬ2021ꎬ38(1):14-17.[2]㊀王兆安ꎬ刘进军ꎬ电力电子技术[M].北京:机械工业出版社ꎬ2009:224-227.[3]㊀CanalesFꎬEscobarG.OlmosAꎬetal.Achargecontrolforinter ̄leavedoperationofaPFCboostconverter.IEEEInternationalSymposiumonIndustrialElectronics.IEEEꎬ2010:2987-2992.[4]㊀沈黎韬.CCM模式有源功率因数校正技术的研究[D].苏州大学ꎬ2018.[5]㊀LiuxSꎬXuJPꎬChenZYꎬetal.Single ̄inductordual ̄outputbuck ̄boostpowerfactorcorrectionconverter[J].IEEETransactionsonIndus ̄trialElectronicsꎬ2015ꎬ62(2):943-952.[6]㊀马鹏飞.基于平均电流法的单相Boost功率因数校正系统研究[D].华中科技大学ꎬ2018.[7]㊀FukaishiYꎬHiguchiKꎬFuruyaHꎬetal.DesignofrobustdigitalcontrollerforinterleavePFCboostconverterwithDC-DCconverterload.IEEEInternationalConferenceonElectronDevicesandSolidStateCircuit.IEEEꎬ2013:1-2.收稿日期:2021-07-26。

PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作机理及应用

PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作机理及应用
16 Emerson Confidential
峰值电流控制的双级式APFC
尽管APFC对消除电网污染,提高功率因数的作用很明显,但控制电路
比较复杂,随着电子技术的发展,专用于APFC的集成电路(IC)已被开发
研制出来,这对设计高功率因数,低谐波失真的各类电子电路提供了技术
支持。
其中1脚为反馈电压输入端
低压电源部分有欠压封锁,其回差电压为3V;
采用图腾柱输出,有较大的输出电流,可驱动MOS功率管;
集成电路的启动电流及工作电流小、功耗小、效率高。
19 Emerson Confidential
DCM/CCM 临界模式的APFC实现思想
基本实现思想是峰值电流控制和零电流检 测。工作原理为:检测电感电流,与基准 相比较,当电流达到正弦基准电流(为输 入电压信号与电压环误差放大器输出的乘 积)时,产生一个关断信号断开MOSFET, 随之电感电流下降,当电路检测到这一电 流过零时,产生一个开通信号开通MOSEFT ,从而保持电感电流始终工作于连续和断 续的临界状态。其中电压误差放大器的增 益带宽为10-20Hz,远小于输入全波整流 电压的频率100Hz,所以电压误差放大器 的输出Ve基本恒定。这样,Ve与输入全波 整流电压Vac相乘所得的电流基准信号 Iref就是一个与Vac 相似的正弦信号。当 电感电流的峰值跟随Iref且工作与临界连 续状态时,电感电流的平均值就是一个与 Vac 相似的正弦电流。
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7 Emerson Confidential
有源功率因数校正(APFC) ◤在负载即电力电子装置本身的整
流器和滤波电容之间增加一个功率 变换电路,这就是有源功率因数校 正(Active Power Factor Correction,简称APFC)电路,它 将整流器的输入电流校正成为与电 网电压同相位的正弦波,消除了谐 波和无功电流,因而将电网功率因 数提高到近似为1◢

PFC原理与种类特点

PFC原理与种类特点

PFC原理与种类特点PFC,即Power Factor Correction,是一种用于提高电源设备功率因数的技术。

它的原理是通过控制电流和电压之间的相位关系,减少电流谐波成分,降低系统的失真程度,从而提高功率因数。

在传统的电源设备中,通常使用整流器来将交流电转换为直流电。

然而,这种转换会导致电流与电压之间的相位差,使得功率因数较低。

功率因数是指电源输出的有效功率和视在功率之间的比值,是衡量电能利用效率的重要指标。

PFC技术有助于提高功率因数,减少无功功率的损耗,提高电源的效率。

PFC的基本原理是通过加入电容器或电感器来改变电流和电压之间的相位差。

它可以在整流器前或后添加PFC电路,将非线性电流转换为线性电流,减小系统的谐波失真,提高功率因数。

PFC可以分为主动PFC和被动PFC两种类型:1.主动PFC:主动PFC是通过电子器件来控制电流和电压的相位差,以实现功率因数的修正。

主动PFC通常采用传感器来检测电流和电压的波形,并通过控制电压的幅值和相位,使电流和电压之间保持同相位,从而提高功率因数。

主动PFC适用于大功率的设备,如电源、电动机等。

主动PFC有很多种实现方式,其中比较流行的是Boost变换器。

这种变换器可以通过控制开关管的开关频率和占空比来调整电压和电流的相位差,从而实现功率因数的修正。

主动PFC还可以采用其他的拓扑结构,如LLC变换器、电荷泵变换器等。

2.被动PFC:被动PFC是利用电容器或电感器来修正电流和电压的相位差,以提高功率因数。

被动PFC通常没有控制电路,只是通过加入适当的电容器或电感器来改变电流和电压的相位,从而实现功率因数的修正。

被动PFC适用于低功率的设备,如电子设备、小型电源等。

被动PFC的常见实现方式包括沟槽、折流电容器和谐振电感等。

沟槽是一种串联电容器和电感器的结构,通过调整电容器和电感器的数值来修正功率因数。

折流电容器是将电容器与整流电路并联,通过改变电容器的电压波形来修正功率因数。

峰值电流控制的PFCBoost变换器混沌现象研究

峰值电流控制的PFCBoost变换器混沌现象研究

1 峰值电流控制下 PFC Boost 变换器 的工作原理
基于峰值电流控制的 PFC Boost 变换器 的电 路框图如图 1 所示。
¹
收稿日期 : 20070515 作者简介 : 雷 涛 ( 1974- ) , 西北工业大学讲师 , 主要从事电力电子建模及非线性控制研究。
第3期
雷 涛等 : 峰值电流控制的 P FC Bo ost 变换器混沌现象研究
图 2 U ref = 120 V 时仿真结果
2008年6月 第 26卷第 3期
西北工 业大学学报 Jo ur nal o f N or thw ester n Po ly technica l U niv ersity
June 2008 Vo l. 26 N o. 3
峰值电流控制的 PFC Boost 变换器混沌现象研究
雷 涛, 林 辉, 张晓斌
系统输入电压 U in( t ) = u m ûsin Xtû , 因此峰值电流控 制下的 PF C 变换器是一个周期性分段平滑非线性
・ 338・
西 北 工 业 大 学 学 报
第 26 卷
= 110 V, P e = 1, P v = 0. 01, f s = 50 kHz, f l = 50 Hz。 为实现功率因数校正和输出电压稳定的控制目 标 , 通常给出适当的输入控制量来完成这一目标。 由 于在实际的工程应用中 , 参考电压的量值对于变换 器的动态特性影响很大 , 因此要研究参考电压的变 化对系统性能的影响 , 这里将输出参考电压作为分 岔参数进行研究。 在这里研究当参考电压 U ref 从 120 V 变化到 400 V 时的非线性现象。 3. 1 快时标尺度下的分岔与混沌研究 在快时标尺度下, 进行数值仿真以研究变换器 中的分岔与混沌现象, 选择不同参考电压的取值 , 以 2 种典型情况下的 U ref 取值进行研究。 ( 1) 当输出参考电压 U ref = 120 V 时, 为了验证 离散迭代数学模型的正确性, 建立了峰值控制下的 PF C Boost 变换器的 Sim ulink/ Psb 仿真模型 , 采用 相同的仿真参数, 得到电感电流的时域波形, 如图 2 ( a) 所示。利用一阶离散迭代模型 , 进行数字仿真后 得到的电感电流、 输出电压以及占空比的频闪采样 波形分别如图 2( b) ~图 2( d) 所示。 从这些波形图中 可以看出电感电流在半个电源周期内可以明显的分 为 3 段 , 比如在电流周期开始和结束时不稳定, 而在 每半个电源周期的中部 , 电感电流保持稳定。

峰值电流型Boost变换器斜坡补偿分析

峰值电流型Boost变换器斜坡补偿分析

• 28•峰值电流型Boost变换器斜坡补偿分析咸阳职业技术学院汽车学院 习 璐中海油节能环保服务有限公司 陈文奎咸阳职业技术学院汽车学院 吴 珊本文以峰值电流型PFC Boost 变换器为基础,在输入电压正弦变化的条件下,推导出参考电流和电感电流平均值的时变表达式,进一步分析采取固定斜坡补偿时功率因数降低和过零死区出现的原因。

1.引言PFC Boost 变换器是目前有源功率因数校正电路中应用最广的一种电路结构,由于非线性电子元器件如功率开关和乘法器等在该电路中的使用,虽然能起到提高电路功率因数的作用,但同时给系统带来很强的非线性,即出现了分岔和混沌等不稳定现象(C K Tse.Circuit theory of power factor correction in switch-ing converters:International Journal of Circuit Theory and Ap-plica-tion,2003,31(2):157-198;O Dranga,C K Tse,H C H IU.Bifurcation behavior of a power-factor-correction Boost converter:International Journal of Bifurcation and Chaos,2003,13(10):3107-3114;马西奎,刘伟增,张浩.快时标意义下Boost PFC 变换器中的分岔与混沌现象分析:中国电机工程学报,2005,25(5):61-67)。

通常通过斜坡补偿的方法解决分岔和混沌,从而削弱不稳定现象范围(邹建龙,马西奎.功率因数校正Boost 变换器中快时标分岔的实验研究:中国电机工程学报,2008,28(12):38-43;任海鹏,刘丁.基于Matlab 的PFC Boost 变换器仿真研究和实验验证:电工技术学报,2006(5):29-35;黄家成.峰值电流控制模式PFC Boost 变换器中的斜坡补偿:合肥:安徽大学,2010:34-43)。

基于PSIM的Boost-PFC的仿真分析

基于PSIM的Boost-PFC的仿真分析

基于PSIM的Boost-PFC的仿真分析摘要: 本文从稳态分析入手,研究了单相Boost-PFC的稳态工作点,建立了电路的数学模型,进行了基于小信号模型的数学分析,对电压环和电流环的闭环调节器进行了分析。

在理论分析的基础上论文第三章基于PSIM软件环境对单相Boost-PFC及其新型控制策略进行了仿真验证,实验结果验证了方案设计的可行性以及理论分析的正确性。

关键词:基于PSIM Boost-PFC 仿真分析1、单相PFC的小信号分析本章首先对单相Boost型的PFC进行稳态分析,然后进行数学建模,最后分别分析了电流环和电压环的设计。

1.1 单相Boost型PFC电路的稳态分析1.1.1 电路的工作原理单相Boost型PFC电路结构如图1.1所示,它与其他拓扑相比,具有以下优点:(1) 输入电感电流即为电源输入电流,便于电流控制,非常适用于PCF;(2) 结构简单,效率较高;(3) 工作于电流连续模式,EMI小;(4) 驱动电路无需与主电路隔离。

电路的不足主要有: (1) 由于有源开关不在主功率通道上,电路不能实施负载短路保护和抗浪涌电压保护;(2) 电路输入与输出之间无隔离。

图1.1 单相Boost型PFC电路原理图图1.1中,电路的控制采用平均电流模式控制,电路工作时,内环电流环通过改变占空比控制输入电感L上的电流跟随电流参考信号。

外环电压环通过改变电流参考信号使输出电压保持恒定。

1.1.2 电路的理想状态下直流工作点分析假设输入网压Uin为正弦,整流电路无内耗,输出电压Uo无纹波,要求输入功率因数为1,则输入电压和输入电流分别为:由上式可看出,稳态时PCF开关导通比也呈周期性变化。

2、单相PFC控制策略及其PSIM 仿真通常处理PFC模型的方法有两种:1)线性平均大信号模型,这种模型是基于电路能量平衡推导出来的,以输出电压的平方为控制量,模型适用的频率范围低于工频。

模型假设输入功率因数为1,在此条件下,系统模型简化为一阶。

PFC电路与BOOST电路设计实例解析

PFC电路与BOOST电路设计实例解析

di L dt ui
其中,di ima,x 因此 dt Ton
im a x

Ton L
Ui
如果输入周期内各开关周期的占空比近 似不变时,电感电流的峰值与输入电压 成正比。因此,输入电流波形自然跟随 输入电压波形,电路不需要电流控制环 即可实现PFC功能。
12
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
9
功率因素校正(PFC)
基于Boost电路的PFC变换器的提出
Boost用于PFC的优势 1.Boost可工作在三种模态CCM,BCM,DCM 2.储能电感又是滤波器,可抑制电磁干扰EMI 和射频干扰RFI 电流波形失真小 3.输出功率大 4.共源极可简化驱动电路等优点
10
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-概述
CCM
常用的有电流峰值控制法、电流滞环控制法或平均电流控制 法,可以定频,也可以变频,高功率因素,要用到乘法器,控 制相对复杂,成本高。适用于大功率场合 。
17
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
概述
通常情况下,电感电流连续时的控制电路都需要有一 个模拟乘法器和电流检测环路,与输出电压的反馈信号 一起调制功率开关管的控制信号,其中模拟乘法器的精 度将影响PF值和输入电流谐波含量THD。示意图图下 ,
保证电流相位与输入电压保持同相位,两波形同相位,
相移因数 cos 1
最终实现功率因素PF=1的设计工作目标
5
功率因素校正(PFC)
两种主要的功率因素校正的方法
1) 无源PFC技术 2) 有源PFC技术
6
功率因素校正(PFC)
单管功率因素校正变换器的概念 只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8

功率因素校正(PFC)电路 PFC的工作原理

功率因素校正(PFC)电路 PFC的工作原理

PFC 的工作原理
功率因数定义:
(1)交流电源输入有功功率与其视在功率之比。
电力电子中常用

PF

P S
有功功率 视在功率
(2)若交流输入电压为无畸变的正弦波,则只有输入中 的基波电流形成有功功率。由于功率传输只在基波频 率上发生,开关变换器的输入整流电路中含有大量不 能传递功率的高次谐波。在真正意义上,电源输入端 存在的是电流的谐波失真,通常可以用近似的功率因 数来代替。总谐波失真THD -Total Harmonic Distortion
BOOST电路的工作模式
从CCM到CRM和DCM 的电流变化波形
BOOST电路拓扑
电流连续模式(CCM)
BOOST电路拓扑
BOOST电路拓扑
1)当开关管导通,电源Ui对电感L充电储能, 同时电容C对负载R放电,二极管承受反 向电压。
2)当开关管S关断时,由于电感L中的电流 不能突变,将继续有电流流过,电感L上的 感应电势UL与输入电压Ui 串联通过二极 管D对输出电容C充电.
BOOST电感的设计步骤
1)基于已知参数先求出周期:
T
1 f
2)最大的占空比的计算: 3)设定初始的纹波电流: 4)确定电感量:
Duty
1
Vinmin Vo
ILP
2 2 Po Vinmin Eff
DeltaI= 0.1*I.pk
Lmin
Vimin 2Ton DeltaI
BOOST电感的设计步骤
4
功率因数的提高可节省发电,传输的功率,与电源效率是两个概念,反而 增加电源成本,降低效率
PFC 的工作原理
电压电流波形
ii
ui ii ii ui

PFC电路与BOOST电路设计实例解析

PFC电路与BOOST电路设计实例解析
15
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
CCM
电感电流连续时可以选择多种控制方法,如:峰值 电流控制、滞环电流控制、平均电流控制和单周期控 制等,适用于大功率场合 ,开关频率可以恒定(如平 均电流控制等(定频)),也可以变化(如滞环控制 (变频))。
16
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-总结
(2)平均电流控制 :优点是电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、 瞬态特性较好、THD(<5%)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、 适用于大功率应用场合,其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占 空比的变化而变化,从而可能会产生低次电流谐波。
(3)滞环电流控制 :优点是电流环带宽高,具有很强且具有很强的鲁 棒性和快速动态响应能力,电流跟踪误差小,硬件实现容易。其缺点 负载大小对开关频率影响较大,不利于设计输出滤波器的优化设计。
在输入或输出跳变时,单周期控制可以在一个开关周期 实现控制目标,较大提高系统的动态性能
进而扩展到各种应用场合,如功率因数校正、有源滤波、 整流器等
29
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
单周期控制的基本思想是在每个开关周期内令 开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例
CCM
常用的有电流峰值控制法、电流滞环控制法或平均电流控制 法,可以定频,也可以变频,高功率因素,要用到乘法器,控 制相对复杂,成本高。适用于大功率场合 。
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基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
概述
通常情况下,电感电流连续时的控制电路都需要有一 个模拟乘法器和电流检测环路,与输出电压的反馈信号 一起调制功率开关管的控制信号,其中模拟乘法器的精 度将影响PF值和输入电流谐波含量THD。示意图图下 ,

基于CCM的单相Boost-PFC电路的设计与仿真

基于CCM的单相Boost-PFC电路的设计与仿真

基于CCM的单相Boost-PFC电路的设计与仿真基于CCM的单相Boost PFC电路的设计与仿真摘要近年来,为了避免“电网污染”,如何抑制谐波电流、提高功率因数成了备受关注的问题,而有源功率因数校正技术正是行之有效的方法。

尤其是在单相Boost型电路中得到了广泛的应用。

它是在桥式整流器与负载接一个DC-DC变换器,应用控制电路的电压电流双环反馈,使电网输入电流波形趋于正弦化且相位保持与输入电压相同,从而大幅降低THD,使得PF接近于1。

交流输入电压通过全桥后,得到全波整流电压,再经过MOS 管的开关控制使输入电流自动跟随输入电压基准的正弦化脉动,并获得稳定的升压输出,给负载提供直流电压源。

本文先简要介绍了功率因数校正技术的现状与发展,着重讨论了有源功率因数校正的原理、拓扑结构、控制方式等内容,然后对控制器UC3854进行了简单的构造分析,最后设计出基于UC3854芯片CCM工作模式的Boost PFC电路。

关键词:有源功率因数校正,Boost变换器,电流连续模式,平均电流控制,UC3854ABSTRACTIn recent years, in order to avoid "grid pollution", how to suppress the harmonic current, improve the power factor has become a concern, and active power factor correction technology is an effective method. Especially in single-phase Boost-type circuit has been widely used. It is in the bridge rectifier and the load connected to a DC-DC converter, the application of the control circuit voltage and current double loop feedback, so that the grid input current waveform tends to be sinusoidal and phase to maintain the same with the input voltage, thereby significantly reducing the THD, making PF close In 1. AC input voltage through the full bridge, the full-wave rectifier voltage, and then through the MOS tube switch control so that the input current automatically follows the input voltage reference sinusoidal pulsation, and obtain a stable boost output to the load to provide DC voltage source.In this paper, the present situation and development of power factor correction technology are briefly introduced. The principle, topology and control mode of active power factor correction are discussed emphatically. Then, the simple structure analysis of controller UC3854 is carried out. Finally, Chip CCM operating mode Boost PFC circuit.Keywords: Active Power Factor Correction, Boost converter, Current Continuous Mode, Average current control, UC3854目录1绪论 (1)1.1 功率因数校正的背景意义 (1)1.2 功率因数校正的发展概述 (1)1.3功率因数校正的实现方法分类 (2)1.3.1按PFC电路使用的元器件分类 (2)1.3.2 按供电方式分类 (2)1.3.3 按PFC电路的级联方式分类 (2)1.3.4 按PFC电路的电路拓扑结构分类 (2)1.4 本文所做的主要工作 (2)2 功率因数校正原理 (4)2.1 功率因数 (4)2.1.1 功率因数的定义 (4)2.1.2 功率因数与总谐波失真系数(THD)的关系 (4)2.1.3功率因数校正的任务 (4)2.1.4电源电流波形失真原因简析 (5)2.2 有源功率因数校正的基本原理 (5)2.3 有源功率因数校正的拓扑结构 (6)2.4 有源功率因数校正的工作模式及控制方式 (7)2.4.1电流断续模式(Discontinuous Current Mode,DCM) (8)2.4.2电流临界模式(Boundary Conduction Mode,BCM) (8)2.4.3电流连续模式(Continuous Current Mode,CCM) (9)3 PFC主电路主要元器件的参数设计 (13)3.1本PFC电路的设计指标 (13)3.2 Boost变换器的工作原理 (13)3.3主电路元器件的参数设计 (15)3.1.1开关频率的选择 (15)3.1.2升压电感的选择 (15)3.1.3输出电容的选择 (16)3.1.4开关管和二极管的选择 (16)4基于UC3854控制电路的设计 (17)4.1 UC3854控制器概述 (17)4.2 UC3854控制器的内部结构和功能特点 (17)4.2.1 UC3854控制器的内部结构 (17)4.2.2 UC3854控制器的功能特点 (18)4.3 UC3854控制电路各参数设计 (20)4.3.1 电流感测电阻的选择 (20)4.3.2 峰值电流限制 (20)4.3.3 前馈电压信号 (20)4.3.4 乘法器的设定 (21)4.3.5 乘法器的输入电流 (21)4.3.6 乘法器的输出电流 (21)4.3.7 振荡器的频率 (22)4.3.8 电流误差放大器的补偿 (22)4.3.9 电压误差放大器的补偿 (23)4.3.10 前馈电压滤波电容 (23)4.4 UC3854的仿真电路及仿真波形展示 (24)总结 (29)致谢 (30)参考文献.................................................................................................................... 错误!未定义书签。

单相BoostPFC变换器的虚拟dq模式控制策略研究

单相BoostPFC变换器的虚拟dq模式控制策略研究

中文摘要摘要Boost PFC变换器广泛运用于中小功率电路中,用以解决电力电子装置对电网造成的谐波污染问题。

在实现PFC电路的功能时,现有的控制策略一般在系统准稳态模式下构建,因而在电流的跟踪控制上存在交流稳态偏差,影响了系统的THD 和功率因数。

对此,本文通过坐标变换的方法建立Boost PFC变换器系统在虚拟dq模式下的直流工作点模型,在此基础上探索系统的控制策略,完成的主要内容和研究成果如下:①提出了Boost PFC变换器在虚拟dq模式下的直流工作点模型,在此基础上利用平均电流法进行控制器的设计。

准稳态模式下系统的工作点不断变化,平均电流控制中的PI控制器无法实现对参考电流的无静差跟踪。

为此利用坐标变换的思想建立系统的虚拟直流工作点,并根据系统在虚拟dq模式下的模型进行控制器的设计,实现对参考电流的无静差跟踪。

对上述两种模式下的设计结果进行仿真和实验,对比结果表明虚拟dq模式下的平均电流控制方法在THD和功率因数上具有更好的效果。

②从系统动稳态性能的角度提出了虚拟dq模式Lyapunov控制方法。

基于系统小信号模型的线性化控制器理论上只能在特定的工作点附近具有较好的控制性能,负载大范围变化时,系统的稳定性难以得到保证。

对此,通过Lyapunov能量函数收敛定理设计系统的电流环控制方程,保证了系统在负载大范围变化时的全局稳定性。

在电压外环的设计上,通过引入功率前馈的方法避免了低带宽电压环对系统动态性能的制约。

③探索了系统电感电流观测器的设计方法。

现有文献在观测器的设计上需要通过积分环节重构负载相关信息,在负载阶跃变化时不能准确反映电感电流的动态变化过程,影响了系统的动态性能。

对此,本文的设计思路是建立包含负载电流的观测器结构,通过Lyapunov定理设计观测器的相关参数。

仿真和实验结果表明,所设计的观测器能准确反映电感电流在系统动稳态变化过程中的信息。

关键词:虚拟dq模式,平均电流控制,Lyapunov控制,观测器英文摘要ABSTRACTBoost PFC converters are widely used in small and medium power circuits to solve the harmonic pollution problem caused by power electronic devices. In achieving the functions of PFC circuit, existing control strategies are generally built in the quasi-steady state of the system. In this way, the steady-state deviation appears when tracking the input current, further influencing THD and power factor of the system. Based on this reason, the dc working points of Boost PFC converter system in virtual dq mode are established through coordinate transformation method in this thesis. Meanwhile the control strategies of the system in the virtual dq mode are explored. The main contents and research results are as follows:①The dc working point model of Boost PFC converter in the virtual dq mode is proposed, and the controller based on the average current method is designed. In the quasi-steady state mode, the parameters of the controller are designed by establishing the system small signal model near the quasi-steady state working point. Due to the constant change of the working point, the designed PI controller cannot achieve tracking the reference current without static error. Therefore, the dc working points are established through coordinate transformation method. Meanwhile the parameters of the controller are designed according to the model of system in the virtual dq mode. Then, the PI controller can achieve tracking the reference current without static error. Simulation and experimental comparison of the design results in the above two modes show that the average current control method in the virtual dq mode has better effect on THD and PF.②From the perspective of system dynamic and steady state performance, the Lyapunov control method in the virtual dq mode is proposed in this thesis. Linearization controller based on the system small signal model can only has good control performance near the working point in theory. When a wide range of load change appears, the stability of the system is difficult to guarantee. In this thesis, the current loop control equations of the system are derived on the basis of the Lyapunov-energy-function convergence theorem, so as to ensure the global stability of the system with a wide range of load changes. In the design of the outer voltage loop, power feedforward is introduced to avoid the effect of the low-bandwidth voltage loop on the system transient performance.重庆大学硕士学位论文③The design method of the system inductor current observer is explored. In order to reduce the detection variables of the system, inductor current observer is introduced into the control loop. In the observer’s design from existing literature, integral element is used to reconstruct load information. In this way the observer cannot accurately reflect dynamic change process of inductor current when the load step change, thus affect the transient performance of the system. In view of this, the idea of this thesis is to establish the observer structure containing the load current. And the Lyapunov theorem is used to design the observer parameters. The simulation and experimental results show that the designed observer can accurately reflect the information of the inductor current in the process of dynamic state and steady state.Key words:virtual dq mode, average current control, Lyapunov control method, observerIV目录目录中文摘要 (I)英文摘要 (III)1 绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2研究现状分析 (2)1.3本文主要研究内容 (5)2 虚拟DQ模式平均电流控制 (7)2.1引言 (7)2.2准稳态模式平均电流控制 (7)2.2.1 准稳态模式系统建模 (7)2.2.2 控制器的参数设计 (11)2.3虚拟DQ模式平均电流控制 (18)2.3.1 虚拟dq模式系统建模 (18)2.3.2 控制器的参数设计 (20)2.4仿真验证 (22)2.4.1 稳态工况 (23)2.4.2 动态过程 (25)2.5实验验证 (27)2.5.1 系统硬件电路设计 (28)2.5.2 系统软件设计 (32)2.5.3 实验结果 (36)2.6本章小结 (40)3 虚拟DQ模式LYAPUNOV控制 (41)3.1引言 (41)3.2 电流环Lyapunov模式控制 (41)3.2.1 控制方程推导 (41)3.2.2 基于虚拟电路反馈的延时90º法 (43)3.3电压环功率前馈控制 (46)3.4仿真与实验验证 (47)3.4.1 仿真验证 (48)3.4.2 实验验证 (51)V重庆大学硕士学位论文3.5本章小结 (55)4 电感电流观测器的设计 (57)4.1引言 (57)4.2观测器的设计 (57)4.2.1设计原理 (57)4.2.2改进的观测器设计方案 (60)4.3仿真验证 (62)4.4本章小结 (65)5 总结与展望 (67)5.1论文工作总结 (67)5.2后续工作开展 (67)致谢 (69)参考文献 (71)附录 (77)A.作者在攻读学位期间发表的论文目录 (77)B.实验样机与实验平台 (77)VI1 绪 论11 绪 论1.1 研究背景及意义电能在未来能源结构中必然占据举足轻重的地位,电力电子技术的发展为电能的广泛运用提供了夯实的基础[1-2]。

PFC电路的基本结构和工作原理

PFC电路的基本结构和工作原理

PFC电路的基本结构和工作原理上图为未加入PFC电路的整流电路的原理方框图,下图为工作波形。

由以上分析我们可以看出.未加入PFC电路的整流电路稳定工作以后,只有在市电电压的正负峰值附近二极管才导通,产生脉冲电流。

造成离线电源功率因数降低的原因在于电流的导通角太小,在半个周期内远远小于180°,提高功率因数就要设法使电流的波形在整个周期内追踪电压的波形。

既然造成导通角太小的原因是整流器后面接人的大容量滤波电容,有源PFC电路基本思想就是在整流器和大容量滤波电容之间加入一级初级调整,把两者进行隔离,此PFC初级调整变换器输出一个基本稳定的DC电压,同时其输入电流能按照和市电一样的正弦规律变化。

下图所示电路为加入PFC电路的基本结构和工作原理。

通过比较,我们可以比较明确看出PFC 电路在电源电路结构中的位置和作用。

尽管PFC电路的具体形式繁多,不尽相同,工作模式也不一样(CCM电流连续型、DCM不连续型、CRM临界型),但基本的结构大同小异,大部分都是采用升压的boost拓扑结构,因为这种电路形式优点比较多。

这也是一种典型的升压开关电路,基本的思想就是前面说的把整流电路和大滤波电容分割,通过控制PFC开关管的导通使输入电流能跟踪输入电压的变化。

工作原理并不复杂,彻底搞清楚这个基本电路的原理,就能触类旁通,给独立分析电路打下基础。

在这个电路中.PFC电感L在MOS开关管0导通时储存能量,在开关管截止时.电感L上感应出右正左负的电压,将导通时储存的能量通过升压二极管Dl对大的滤波电容充电,输出能量,只不过其输入的电压是没有经过滤波的脉动电压。

值得注意的是,平板电视大部分PFC电感L上大都并联着一个二极管D2,该二极管D2具有保护作用。

大家知道:PFC电路后面大的储能滤波电容C和PFC电感L是串联的,由于电感L上的电流不能突变,就对大的滤波电容C的浪涌电流起了限制作用。

并联保护分流二极管D2.由于没有电感的限制作用,对滤波电容的冲击反而会更大,但它可以保护升压二圾管,特别是PFC开关管。

反激式变换器原理设计与实用

反激式变换器原理设计与实用

反激式变换器原理设计与实⽤反激式变换器原理设计与实⽤1、引⾔反激式转换器⼜称单端反激式或“BUCK-BOOST”转换器,因其输出端在原边绕组关断时获得能量故⽽得名。

在反激变换器拓扑中,开关管导时,变压器储存能量,负载电流由输出滤波电容提供;开关管关断时,变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容,以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。

其优点如下:a、电路简单,能⾼效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求;b、输⼊电压在很⼤的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,⽬前⼰可实理交流输⼊85-265V间,⽆需切换⽽达到稳定输出的要求;c、转换效率⾼,损失⼩;d、变压器匝数⽐值⼩。

2、反激变换器⼯作原理以隔离反激式转换器为例(如右图),简要说明其⼯作原理:当开关管VT 导通时,变压器T初级Np有电流Ip,并将能量储存于其中(E=Lp*Ip2/2)。

由于初级Np与次级Ns极性相反,此时次级输出整流⼆极管D反向偏压⽽⽌,⽆能量传送到负载。

当开关管VT关断时,由楞次定律:(感应电动势E=—N Δ∮/ΔT)可知,变压器原边绕组将产⽣⼀反向电动势,此时输出整流⼆极管D正向导通,负载有电流Il流通。

由图可知,开关管Q导通时间Ton的⼤⼩将决定IP、Vds的幅值为Vds(max)=Vin/1-Dmax。

(其中Vin:输⼊直流电压;Dmax:最⼤占空⽐Dmax=Ton/T)。

由此可知,想要得到低的漏极电压,必须保持低的Dmax,也就是Dmax<0.5,在实际应有中通常取Dmax=0.45,以限制Vds(max)≦2Vin。

开关管VT导通时的漏极⼯作电流Id,也就是原边峰值电流Ip,根据能量守恒原则即原副边安匝数相等NpIp=NsIs可导出等式:Id=Ip=Il/n。

因Il=Io,故当Io⼀定时,匝⽐N的⼤⼩即决定了Id的⼤⼩。

原边峰值电流Ip也可⽤下⾯公式表⽰:Ip=2Po/(n*Vin*Dmax)(n转换器的效率)。

PFC电路原理与分析

PFC电路原理与分析
2、 当Q截止时,电感电压反相且加上Vd经由二极管D对输出端开始放电,此时电容C是成充电状态,且
RL维持Vo输出,其中Vo之大小为输入电压Vd加上电感电压(-VL)的值(由于电感电压反相,-VL反而是正值),其回路如图一中灰线所示,直到Q再度导通为止(即(1-D)T时间段结束)。 如想要图一中的升压型电路具有功率因数修正功能的话,则Q的控制信号必须来自具有功因修正功能的IC(PFC IC),并要取电压回路和电流回路来做反馈控制,把这些信号回传到PFC IC来控制Q的导通与截止,进而达到电流波形整形的目的。PFC IC分为两种,一种是非连续电流模式功因修正器(DCM PFC),适用于较低功率需求的功因修正,欧洲的能源规范定为70W以上的电源供应器必须加装PFC电路,DCM PFC一般使用在200W以下,另外一种是连续电流模式功因修正器(CCM PFC),一般使用在200W以上到数千W。
如图一所示,图二为电感作用波形,输入电压要求为90V~265Vac,在Vd点则为127V~375V直流电压,由升压电路把输出电压Vo升到400V的直流,其工作过程如下:
1、 当Q导通时,电感上的电压VL=Vd,此时Vd、L、Q形成回路,Vd对电感L充电,回路如图一中虚线
所示,此时电感电流ζL循着同一斜率上升,到Q截止为止,工作周期(DT)结束。
起初,当Q导通时,输入的直流L充电,使电感的电流ζL上升(如图四中电感电流波形的a到b点),此时Rs上的电压Vs也 上升,直到Vs=Vm时(即b点),由于此时比较器
Current 输入端,故RS触发器(RS Flip-Flop)的R输入端为低电位,Comp)的反相输入端电压高于正相而此时S端为高电位,使触发器输出为高电位,使Qd导通,而Vg为低电位,Q为截止的状态,电感上

BOOST_PFC实验报告

BOOST_PFC实验报告

实验报告课程名称:开关电源设指导老师:成绩:实验名称:BOOST PFC设计实验类型:同组学生姓名:一、实验目的和要求(必填)二、实验内容和原理(必填)三、主要仪器设备(必填)四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析(必填)七、讨论、心得一、实验目的1.了解CRM(Critical Mode,临界工作模式)模式下Boost PFC 的组成结构,工作原理;2.掌握Boost PFC 磁性元件的设计方法;3.掌握PFC 的调试步骤和方法。

二、设计要求1.使用芯片:安森美NCP16112.输入电压:50V3.输出电压:100V,0.25A, 25W三、BOOST PFC电路原理图1 基于 NCP1611 的 Boost PFC 的系统电路图功率因数校正技术(PFC)可以有效地减小用电设备输入整流装置的谐波,有效降低输入电流的总谐波畸变系数,从而提高系统的功率因数。

图2 DCM 功率因数校正原理图图3 CRM 功率因数校正原理图对传统的PFC 控制芯片而言,其工作往往在DCM、CRM 或CCM 模式,可以说以上三种控制模式各有利弊。

其中连续导电模式下的功率因数校正技术可以获得很大的功率转换容量,但是对于大量应用的中、小功率容量的情形,却不是非常合适的,因为这种方式往往需要较复杂的控制方式和电路。

DCM和CRM 的控制方法比较简单,比较适合小功率的PFC 控制。

A.PFC 功率因数校正原理在t1 时间内电流上升的峰值:I peak=t1V inL因此输入电流:I in×T=12I peak(t1+t2)由上两式可得:I in=V in t1(t1+t2)2TL只要保证t1(t1+t2)T=constant,则I in∝V in,功率因数目的达到。

DCM一般发生在轻载和电流过零点附近,采取DCM模式固定开关频率,可限制最高开关频率,从而限制污染系统环境的传导辐射和EMI噪声。

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滨江学院学年论文题目峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析院系滨江学院^专业电气工程与自动化学生姓名徐小松学号061指导教师毛鹏职称讲师二O一一年二月十八日{峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析徐小松南京信息工程大学滨江学院电气工程与自动化,南京210044摘要:传统的电压型控制是一种单环控制系统,是一种有条件的稳定系统。

因而出现了双环控制系统即电流型控制系统。

从原理、应用方面系统地论述了单相PFC变换器中电流型控制的发展,阐述了各种控制方法的优缺点。

峰值和平均电流型控制是单相PFC中应用最频繁的两种电流控制方法。

因而对这两种方法的讨论得出一些结论。

…关键词:BOOST变换器,功率因数PFC,峰值电流控制,平均电流控制1 引言峰值电流模式控制简称电流模式控制。

它的概念在60年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。

在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。

直至80年代初期,第一批电流模式控制PWM集成电路(UC3842、UC3846)的出现使得电流模式控制迅速推广应用,主要用于单端及推挽电路。

近年来,由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差,电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。

误差电压信号送至PWM比较器后,并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较,而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号UΣ比较,然后得到PWM脉冲关断时刻。

因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度,而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小,然后间接地控制P WM脉冲宽度。

2Boost变换器及其工作原理|工程中常用的升压(Boost)变换器的原理图如图1所示[5][6],其中Vi为输入直流电源,Q为功率开关管,在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态,Q导通,输入电流流经电感L和开关管Q,电感L储能;开关管Q 截止时,二极管D 导通,直流电源Vi 和电感L 同时向负载R 供电,输入电流经电感L 、二极管D 流向负载R ,同时给电容C 充电,电感L 释放能量,在理 想情况下,该电路输出电压:()i out v dv -=11ViLR Vout图1 BOOST 变换器式中D 为Boost 变换器的占空比,因为占空比D<1,所以V (out )>Vi ,故称升压式换器。

Boost 变换器的工作模式分为电 感电流连续工作模式(CCM )和电感电流断续工作模式(DCM ),所不同的是电流断续模式比电流连续模式多出一个电感电流为零的工作状态。

Boost 变换 器的工作状态如图2所示。

LQ(a)开关状态1(Q 导通)L(b)开关状态2(Q 关断)(c )开关状态3(电感电流为零)图2 BOOST 变换器的工作状态【3 PFC 变换器的工作原理及实现方法PFC 变换器工作原理分析首先给出相关术语的基本定义:功率因数(PF )是指交流输入有功功率(P )与输入视在功率(S )的比值。

即 θγθθcos cos cos 1111====rmsrms I I I V I V S P PS (1) 式中:1I 表示输入基波电流有效值rms I 表示输入电流有效值rmsI I 1=γ 表示输入电流失真系数]θcos 表示基波电压与基波电流之间的相移因数所以功率因数可以定义为输入电流失真系数(γ)与相移因数(θcos )的乘积。

可见功率因数(PF )由流失真系数(γ)和基波电压与基波电流之间的相移因数(θcos )。

θcos 低则表示用电电器设备的无功功率大,设备利用率低,导线、变压器绕组损耗大。

同时,电流失真系数γ值低,则表示输入电流谐波分量大,将造成输入电流波形失真,对电网造成污染[2]。

功率因数与总谐波失真系数(THD )的关系: 由 ∑∞====1211111cos cos cos n rmsrms I I I I I V I V S P PF θθθ (2)及 THD=122I In∑∞(3)有212111TDHII n+=∑∞(4)|即 θcos 112TDHPF +=(5)因此,提高功率因数可以大大减少输入线路的谐波失真,提高电源的利用率。

功率因数校正的实现方法功率因素的定义,θγcos =PF 可知,要提高功率因素有两个途径: 1.使输入电压、输入电流同相位。

此时1cos =θ,γ=PF 。

2.使输入电流正弦化。

即1I I rms =(谐波为零),有11rms I I =即1cos ==θγPF}从而实现功率因数校正。

利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪输入电压 波形,使输入电流波形成正弦波,并且和输入电压同相位4.峰值电流控制的PFC BOOST 变换器的工作原理基于峰值电流控制的PFC BOOST 变换器的电路框图如图3所示。

LV OUT图3 基于峰值电流控制的BOOST PFC 变换器原理图 【为实现PFC 功能与输出电压的稳定调节,图中i u 为正弦交流输入电压,其幅值为m u ,周期为T ,角频率为ω,i 为流过电感 L 的电流,u 为电容C 两端电压;ref i 为i 的参考电流;in u 为桥式整流输出电压;ref u 为u的参考电压;v p 和e p 分别为输入电压前馈增益和输出电压反馈误差增益;开关管s 的占空比为d 时钟脉冲周期为s T 。

控制电路由2个闭环组成,在电流内环,电感电流i 和参考电流ref i 比较后作为开关管S 的控制信号。

在稳态时,输出电压是脉动很小的直流电压,而参考电流由输入电压采样信号和输出电压误差信号的乘积提供,因此参考信号是正向半波正弦信号。

当电流内环控制电感电流跟踪参考电流变化时,就可以使系统达到近似单位功率因数。

电压外环的主要作用是减少输出电压纹波,保持输出电压稳定。

根据开关管S 与二极管D 的工作状态,得到变换器的3中工作模式为; 工作模式1,当S 导通与D 关断,此时有t Lu dt di mωsin =,U RCdt du 1-=工作模式2,当S 关断与D 导通,此时有t Lu U L dt di m ωsin 1+-=, ;RCu c i dt du -=工作模式3,当S 关断与D 关断,此时电感电流为零,所以有0=i ,RCu dt du -= 式中,ω=2f π,t 是电源角频率,为了简化表达式,令[]T ui x =为系统的状态变量,那么可以重写上面的等式为》()t U B x A x in 11.+= n t ≤t <dnt()t U B x A x in 22.+= dn t ≤t <1+n t上式中⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=RC A 10001, ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=RC CL A 11102 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=011L B , ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡=012L B系统输入电压()t U in =t U m ωsin ,因此峰值电流控制下的PFC 变换器是一个周期性分段平滑非线性系统。

5 峰值电流检测与平均电流检测`在电流型变换器中由平均电感电流产生一个误差电压,这个平均电感电流可用一个电流源代替,并可以降低系统的一个阶次。

减小峰值电感电流与平均电流的误差电流模式控制是一种固定时钟开启,峰值电流关断的控制方法。

因为峰值电流在实际电路中容易采样,而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。

但是,电感电流与输出平均电流之间存在一定的误差,峰值电感电流的大小一一对应,因为在占空比不同的情况下,相同的峰值电感电流可以对应不同的平均电感电流。

而平均电感电流是唯一决定输出电压大小的因素。

与消除谐波振荡的方法类似,利用谐波补偿可以去除不同占空比对平均电感电流大小的影响,使得所控制的峰值电感电流最后收敛与平均电感电流。

在数学上可以证明,将电感电流下谐波斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜波上,可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用,使得所控制的峰值电感电流最后收敛与平均电感电流。

因而合成波形信号要有斜波补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。

当外加补偿斜波信号的斜率增加到一定程度,峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。

6 结论本文详细分析了BOOST 变换器的基本原理和功率因数PFC 的概念,知道峰值电流模式控制的系统稳定性好,响应速度快,实现也很容易,并且能够限制电路中的峰值电流,从而保护器件。

知道了电感电流连续工作模式控制的峰值电流控制的BOOST PFC 电路,它主要应用于电源功率较高的场合。

"参考文献(1) 雷涛,林辉,张晓斌,峰值电流控制下PFC BOOST 变换器的工作原理,西北工业大学自动化学院。

(2)《基于PSpice软件的单相BOOST变换器的访真分析》,来源:电源世界。

(3)Rajesh Ghosh,G Narayanan.A Simple Analog Controller for Single—phase Half-bridge Rectifier[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2007,22(1):186—198(4)丁道宏.电力电子技术[M].北京:航空工业出版社,1992.(5) A roudiA E1,DebbatM,Giral in DC-DC Switching Converters:Review of Methods and Applications International Journal of Bifurcation and Chaos,2005,15(5),1549-1578}Analysis of Peak current of single phase BOOST PFC converter operatingprincipleXuXiaoSongNanjing information engineering university electrical engineering and automation, nanjing 210044AbstractConventional voltage mode control is a single-loop control system is a system of conditional led to a double-loop control system that the current control principle, the application of systematic analysis of single-phase PFC converters current-mode control of development, described the advantages and disadvantages of various control and average current-mode single-phase PFC control is the most frequent in the two current control the discussion of these two methods to draw some conclusions.Key word:BOOST converter,PFC power factor,Peak current control,Average current control。

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